丁曉敏 邵禹晨 程昕 顏雅瓊 唐舟 秦亞蘭

關(guān)鍵詞臺風(fēng)倒槽;冷空氣;暴雨;診斷分析;濕位渦

臺風(fēng)是影響我國的主要天氣系統(tǒng)之一，影響期間往往會帶來極端降水天氣?！?503”號臺風(fēng)“妮娜”在河南林莊24h降水量達(dá)到1062mm，“0012”號臺風(fēng)在江蘇響水造成830mm以上降水，突破江蘇歷史暴雨極值。近年來，國內(nèi)外對于臺風(fēng)暴雨的發(fā)生、發(fā)展機(jī)理等做了很多研究，認(rèn)為臺風(fēng)暴雨的強(qiáng)度和分布與三個要素有關(guān)，即內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響、環(huán)境大氣控制和下墊面強(qiáng)迫，尤其是大氣環(huán)境對臺風(fēng)暴雨強(qiáng)度和分布有重要影響。高低空急流、西風(fēng)槽、以及北方有冷空氣南下等諸多物理因子有利于臺風(fēng)暴雨的維持。Rodgers EB等分析了水汽條件和垂直風(fēng)切變等對臺風(fēng)強(qiáng)度和臺風(fēng)降水量的影響。Dang RO等研究表明，中低緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用對登陸臺風(fēng)降水的突然增幅有重要作用。wei N等認(rèn)為，水面或臺風(fēng)暴雨會把水汽反饋到臺風(fēng)氣柱，有利于暖心的維持。侯淑梅等分析影響山東省的熱帶氣旋極端降水均伴有低空急流。端義宏等認(rèn)為登陸臺風(fēng)風(fēng)雨分布取決于臺風(fēng)內(nèi)部環(huán)流結(jié)構(gòu)和水汽循環(huán)工程。

2019年9號臺風(fēng)“利奇馬”在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)登陸后一直北上，先后影響浙江、福建、江蘇、上海、安徽、山東、河南、河北、天津、遼寧、吉林等地區(qū)。此次臺風(fēng)過程影響范圍廣、強(qiáng)度大、災(zāi)害重，多個國家站的最大日降水量突破歷史極值。

1資料與方法

利用常規(guī)地面觀測資料和FNL（分辨率0.25°×0.25°）逐3h再分析資料，通過診斷分析強(qiáng)降水時段宿遷本地的環(huán)流形勢特征、水汽輸送特征、動力特征、熱力特征等，對“利奇馬”臺風(fēng)影響江蘇宿遷的大暴雨過程進(jìn)行分析，探討其形成成因與機(jī)制，加深對臺風(fēng)造成的極端降水的認(rèn)識。壽紹文研究指出，濕位渦這一物理量不僅表征了大氣動力、熱力屬性，而且考慮了水汽的作用，對濕位渦進(jìn)行診斷可以探尋熱力、動力和水汽條件與降水的關(guān)系，從而揭示降水發(fā)生、發(fā)展的物理機(jī)制。文章在物理量場的診斷方面，除了分析水汽通量、渦度、散度、垂直速度、假相當(dāng)位溫以外，也著重分析了濕位渦的特征。濕位渦的單位為PVU，1PVU=10-6 m2-K-s。濕位渦可以分解為濕正壓項（MPVl）和濕斜壓項（MPV2），即：MPV—MPVl+MPV2。

2“利奇馬”臺風(fēng)概況

2.1“利奇馬”臺風(fēng)概況及影響實況

超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”8月10日01：45在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力有16級（52m/s），這使其成為2019年以來登陸中國的最強(qiáng)臺風(fēng)和1949年以來登陸浙江第三強(qiáng)的臺風(fēng);隨后縱穿浙江、江蘇兩省并移入黃海海面，最終于8月13日14：00被中央氣象臺停止編號。8-9日，“利奇馬”臺風(fēng)東北側(cè)副熱帶高壓西進(jìn)后東退，引導(dǎo)氣流的偏西分量轉(zhuǎn)偏北分量;9日后期鞍形場建立，臺風(fēng)移動速度緩慢，東側(cè)副高阻擋，北上過程中不利于東北轉(zhuǎn)向，臺風(fēng)西北行;10日后高空槽東移，副高東退，臺風(fēng)路徑偏北。“利奇馬”臺風(fēng)8月9日開始影響我省，12日結(jié)束，影響時間長、范圍廣，造成的風(fēng)雨強(qiáng)。10日22：00左右從太湖南部進(jìn)入我省，經(jīng)蘇州、無錫、南通、鹽城，11日12：00從連云港市灌云縣灌西鹽場入海，在江蘇境內(nèi)逗留14h。

受臺風(fēng)“利奇馬”影響，整個臺風(fēng)影響過程，全市所有120個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）量均超過50mm，其中，111個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）雨量超過100mm，14個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）雨量超過200mm，雨量排名前三分別為：沭陽高墟鎮(zhèn)251.6mm，沭陽韓山鎮(zhèn)237.1mm，沭陽顏集鎮(zhèn)221.4mm。全市57個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）最大風(fēng)速超過7級，其中，11個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）最大風(fēng)速達(dá)到8級，最大風(fēng)速排名前三分別為：泗陽高渡鎮(zhèn)19.2m/s（8級），沭陽高墟鎮(zhèn)18.9m/s（8級），泗洪半城鎮(zhèn)18.9m/s（8級）。10日我市主要以降水天氣為主，整體上看強(qiáng)降水時段主要在11：00～15：00和17：00N23：00這2個時段，全市118個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）雨量超過50 mm，其中，76個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）雨量超過100mm，最強(qiáng)降水出現(xiàn)在泗洪;11日我市主要以大風(fēng)天氣為主，全市57個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）出現(xiàn)7級以上大風(fēng)天氣，最大風(fēng)速19.2m/s，宿遷、泗洪、泗陽3個縣區(qū)的降水強(qiáng)度明顯減弱，強(qiáng)降水區(qū)域主要在我市沭陽縣等東北部地區(qū)，最強(qiáng)降水出現(xiàn)在沭陽東北部的高墟鎮(zhèn)，強(qiáng)降水時段為11日05：00～07：00最大小時雨強(qiáng)56.9mm;12日臺風(fēng)影響基本上結(jié)束，天氣逐漸轉(zhuǎn)好。

2.2環(huán)流形勢

從9日08：00的形勢場來看，500 hPa高空呈兩脊一槽的結(jié)構(gòu)，高空槽東移南壓，高空槽東西兩側(cè)各有一高壓脊，“利奇馬”臺風(fēng)西側(cè)高空槽后為大陸高壓，東北方向為副熱帶高壓。

西邊洋面上還存在另外的臺風(fēng)“羅莎”，2個臺風(fēng)均位于副高的西南側(cè)，“利奇馬”在東南氣流的引導(dǎo)下向西北方向移動，“羅莎”相對穩(wěn)定少動，700～850 hPa上東南風(fēng)急流強(qiáng)盛。9日20：00（圖1a），鞍形場建立，副熱帶高壓分裂為南北兩段，南段副高迅速減弱南退，“利奇馬”在北部副高的引導(dǎo)下繼續(xù)向西北緩慢移動。10日凌晨1：45在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)沿海登陸，05：00左右高空槽與“利奇馬”臺風(fēng)倒槽在我市西部結(jié)合（圖1b），10日10：00我市自東向西開始出現(xiàn)強(qiáng)降水天氣。10日后期高空槽東移，副高東退，臺風(fēng)路徑偏北，10日22：00左右“利奇馬”從太湖南部進(jìn)入我省，強(qiáng)度較前期明顯減弱（圖1c），11日12：00從連云港市灌云縣灌西鹽場入海（圖1d）。

3強(qiáng)降水物理量診斷

在強(qiáng)降水出現(xiàn)的時間段選取宿遷、高墟、泗陽、洪澤濕地四個站點(diǎn)對此次倒槽暴雨過程進(jìn)行水汽條件、動力條件和熱力條件診斷分析，分析探討造成強(qiáng)降水的物理機(jī)制。

3.1水汽輸送情況分析

西南季風(fēng)的暖濕氣流輸送和副高南側(cè)東南風(fēng)氣流雙通道為此次臺風(fēng)倒槽暴雨過程輸送了充沛的水汽，從水汽通量/水汽通量散度的時間—高度垂直剖面圖上（圖4）可以看到在中低層有明顯的水汽通量的輻合，強(qiáng)的水汽輻合為“利奇馬”提供了強(qiáng)烈的潛熱加熱。其中，宿遷（圖2a）、泗陽（圖2c）和高墟（圖2d）主要有3個時間段的水汽通量的輻合，分別是9日20：00～10日20：00、11日02：00～11日08：00以及11日08：00～12日20：00，而洪澤（圖2b）有2段：9日20：00～10日20：00、11日02：00～12日20：00。其中，10日除了泗陽在上午和傍晚左右都有水汽通量及輻合的大值區(qū)（水汽通量最大值45g/（hPa·m·s）），其他3個站都是在下午到傍晚之間有水汽通量的強(qiáng)輻合，水汽通量最大值為45g/（hPa·m·s），同時，對應(yīng)著較強(qiáng)的水汽通量輻合，強(qiáng)輻合區(qū)最大值為一60 g/（hPa·cm2·s）。從10日20：00 850 hPa的水汽通量圖上（圖3）可以看到，在西南急流的水汽輸送通道發(fā)生斷裂，轉(zhuǎn)成偏西氣流，并入“羅莎”西南側(cè)偏西氣流中。11日凌晨副高南側(cè)東南風(fēng)急流加強(qiáng)，為本地降水有聚積了充足水汽，宿遷、泗陽、高墟三個站點(diǎn)在此時間段內(nèi)都有明顯的水汽通量的聚集和輻合，以高墟站的水汽通量最大，為50g/（hPa·m·s）以上，也在高墟產(chǎn)生了極端強(qiáng)降水。11日12：00“利奇馬”經(jīng)連云港入海繼續(xù)進(jìn)行水汽的補(bǔ)充，臺風(fēng)外圍螺旋雨帶進(jìn)一步北移，我市降水明顯減弱。

3.2動力擾動條件分析

從4個站的渦度、散度時間—高度剖面圖上（圖4）也可以看到，10日凌晨南部地區(qū)（圖4b、4c）開始邊界層底層開始出現(xiàn)弱輻合區(qū)，925～850 hPa為輻散區(qū)，為之后降水云團(tuán)的發(fā)生發(fā)展提供初始的擾動力：14：00～17：00輻合區(qū)明顯發(fā)展，輻合區(qū)伸展到對流層中層700hPa左右，同時，對應(yīng)著較強(qiáng)的正渦度區(qū)，正渦度區(qū)伸展到高層，尤其是洪澤湖濕地（圖4b）輻合區(qū)最大值一20 S，正渦度最大值為18，具有強(qiáng)烈的中低層輻合高層輻散的結(jié)構(gòu)特征，有利于對流的組織和發(fā)展，10日14：00，從1000 hPa渦度場和散度場的平面圖上來看，在洪澤湖濕地有明顯的輻合區(qū)和正渦度的大值區(qū)，宿遷（圖4a）850 hPa為強(qiáng)輻合區(qū)（最大值：-20），850～600hPa左右為強(qiáng)輻散區(qū)，700 hPa以下對應(yīng)較強(qiáng)正渦度區(qū)（最大值：18），高墟（圖4d）也出現(xiàn)了低層輻合高層輻散同時配合有正渦度區(qū)的結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)度相對較弱：10日夜間-11日凌晨，除了洪澤，其他3個站點(diǎn)的渦度和散度均持續(xù)上述結(jié)構(gòu)特征。

從垂直速度圖上來看，在上述分析的3個時間段內(nèi)，較為明顯的上升運(yùn)動區(qū)在925 hPa以上，邊界層內(nèi)上升運(yùn)動較弱。泗陽（圖5c）、高墟（圖5d）垂直速度很弱，低層最大垂直上升速度為Pa/s;宿遷（圖5a）的垂直上升速度相對較大，10日夜間-11日凌晨最大值為4 Pa/s，高度在500 hPa左右：洪澤濕地（圖5b）在10日14：00～17：00在925～300 hPa上升運(yùn)動強(qiáng)烈，垂直上升速度最大值為4 Pa/s。

3.3對流不穩(wěn)定特征分析

假相當(dāng)位溫隨高度減小代表對流不穩(wěn)定，通過對假相當(dāng)位溫的垂直剖面進(jìn)行分析，可以對對流不穩(wěn)定特征有直觀的了解。分析假相當(dāng)位溫的時間高度垂直剖面，10日14：00～17：00，4個站都不存在明顯的對流不穩(wěn)定特征，10日夜間-11日凌晨，在700 hPa高度以下存在弱的對流不穩(wěn)定特征。分析10日14：00（圖6a）和11日05：00（圖6b）4個站點(diǎn)的假相當(dāng)位溫垂直遞減率，10日14：00洪澤濕地和泗陽隨高度有遞減的特征，但遞減率很小，遞減率為1～2K/hPa，其他站點(diǎn)隨高度無明顯遞減特征，表明此次強(qiáng)降水的對流特征不明顯。

4濕位渦分析

分析925 hPa濕正壓項MPV1分布圖發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水開始之前MPV1即為負(fù)值，所以降水之前低層儲備了大量水汽和熱動力條件。對10日14：00 4個站的MPVl濕正壓項的經(jīng)度一高度垂直剖面進(jìn)行分析，邊界層內(nèi)MPVl均為負(fù)值覆蓋，宿遷、泗陽、高墟3個站暴雨區(qū)MPVl中心值為-4 PVU，洪澤濕地MPV1中心值絕對值更大為-8PVU，對應(yīng)著較強(qiáng)的對流不穩(wěn)定。除了泗陽，其他3個站600hPa高度層及以上MPV1為正，對流穩(wěn)定，這種濕對流穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)疊置的配置有利于低層輻合加強(qiáng)，對暴雨的增幅有積極作用。對流層中高層有正的MPV1值向東向南伸展，正值中心與負(fù)值中心相間分布，可能是因為西側(cè)有冷空氣向東向南侵入暖濕環(huán)境，使得中高層的對流穩(wěn)定變?yōu)閷α鞑环€(wěn)定，至11日05：00（圖7）MPVl負(fù)值區(qū)被壓縮到更底層，絕對值增大，又聚積了大量的水汽和熱動力條件，700～850 hPaMPV1正值區(qū)較之前增大近10倍，中低層有較強(qiáng)的干冷空氣入侵。

分析10日14：00 4個站的MPV2濕斜壓項的經(jīng)度一高度垂直剖面圖，邊界層內(nèi)MPV2均為正值，宿遷、泗陽兩個站暴雨區(qū)MPV2中心值為3 PVU，洪澤濕地、高墟MPV2中心值更大為8PVU。至11日05：00（圖8），700～925hPa出現(xiàn)高絕對值的負(fù)值區(qū)，中心最大絕對值達(dá)8～14 PVU，最大的MPV2中心值在高墟（圖8d），垂直風(fēng)切變明顯增強(qiáng)達(dá)20 m/s，干冷氣流的侵入使得大氣層斜壓性明顯增強(qiáng)，有利于降水的增幅，11日凌晨高墟出現(xiàn)了大暴雨天氣，小時雨強(qiáng)50mm以上。

5結(jié)論

“利奇馬”超強(qiáng)臺風(fēng)為2019年影響我國的最強(qiáng)臺風(fēng)，影響時間長、范圍廣，造成的風(fēng)雨強(qiáng)，在我市出現(xiàn)了大范圍的大暴雨和大風(fēng)天氣，這次大范圍大暴雨天氣過程，是臺風(fēng)倒槽與冷空氣相結(jié)合產(chǎn)生的，大暴雨區(qū)位于臺風(fēng)倒槽之中。

（1）此次強(qiáng)降水以臺風(fēng)本體降水為主，對流不強(qiáng)，但冷空氣的侵入，使得臺風(fēng)外圍環(huán)流斜壓性增強(qiáng)，垂直風(fēng)切變增強(qiáng)，導(dǎo)致對流不穩(wěn)定能量及潛熱能釋放，部分地區(qū)的強(qiáng)降水具有一定的對流性天氣特征。

（2）從水汽條件來看，“利奇馬”攜帶大量水汽，我市高水汽通量配合強(qiáng)水汽輻合為強(qiáng)降水提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，這也是造成此次大范圍大暴雨天氣的主要原因。8月10日白天臺風(fēng)西南側(cè)西南季風(fēng)的暖濕氣流輸送和副高南側(cè)東南風(fēng)氣流雙通道為此次臺風(fēng)倒槽暴雨過程輸送了充沛的水汽，西南急流水汽通道斷裂后，8月10日夜間-11日凌晨，臺風(fēng)東部東南風(fēng)急流通道加強(qiáng)，繼續(xù)為北部強(qiáng)降水提供充足的水汽和能量。

（3）從動力抬升條件上來看，在降水開始之前，邊界層內(nèi)的弱輻合以及700～850hPa的輻散為降水提供了初始擾動，垂直上升運(yùn)動較弱，降水期間，在500hPa以下基本上都維持著正渦度，低層強(qiáng)輻合高層強(qiáng)輻散，垂直上升運(yùn)動明顯增強(qiáng)，是此次強(qiáng)降水過程的有利動力支撐。

（4）從熱力條件來看，西南急流和東南急流帶來大量水汽的同時，也為“利奇馬”提供了充足的潛熱加熱。分析假相當(dāng)位溫可知，降水期間的熱力不穩(wěn)定特征不明顯。對濕位渦進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)降水之前低層就儲備了大量的水汽和熱動力條件，強(qiáng)降水發(fā)生時，低層對應(yīng)MPVl<0，MPV2>0。降水期間低層對流不穩(wěn)定有所發(fā)展，600hPa高度之上濕對流穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)疊置的配置有利于低層輻合加強(qiáng)，對流層中高層MPV1正值中心與負(fù)值中心相間分布，可能是因為西側(cè)有冷空氣向東向南侵入暖濕環(huán)境，MPV2絕對值明顯增大，這些條件使得大氣斜壓性增強(qiáng)，垂直風(fēng)切變增強(qiáng)，對暴雨的增幅有積極作用。