王 軍， 席 樂， 王超杰， 吳 迪， 劉 磊

(1.中國氣象局·河南省農業(yè)氣象保障與應用技術重點開放實驗室,鄭州 450003; 2.許昌市氣象局,河南 許昌 461000;3.河南省氣象臺,鄭州 450003; 4.長葛市氣象局,河南 長葛 461500)

引 言

2018年第18號臺風“溫比亞”深入內陸，在河南引發(fā)特大暴雨，造成嚴重洪澇災害。趙培娟等[1]從環(huán)流場角度對“溫比亞”和“摩羯”進行了對比分析，指出臺風低壓兩側冷暖平流形成的斜壓能導致垂直速度加強是臺風低壓維持的重要機制。谷秀杰等[2]探討了“溫比亞”在河南長時間停留及轉向機制。多年來的研究表明，中尺度系統(tǒng)是引發(fā)臺風暴雨強降水的重要因素[3]。孟智勇等[4]研究指出，臺風與西風槽相互作用往往通過中尺度系統(tǒng)引發(fā)暴雨。孫建華等[5]對“9608”號臺風引發(fā)我國北方特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)進行了研究。林毅等[6]分析了“1601”號臺風造成福建特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)形成機制。吳海英等[7]指出冷空氣與低壓倒槽內暖濕空氣結合引起鋒生，促進中小尺度對流發(fā)展，引發(fā)局地特大暴雨。丁治英等[8]分析了非緯向高空急流與遠距離臺風中尺度暴雨的關系。李英等[9]研究了登陸臺風Rananim(0414)環(huán)流內中尺度幅合線的形成和作用。弱冷空氣侵入臺風環(huán)流，特別是從臺風西側侵入，加劇動力和熱力不穩(wěn)定，導致暴雨增幅[10-13]。對河南臺風暴雨的研究表明，低空急流軸對臺風暴雨的形成至關重要，判斷輻合區(qū)和低空急流位置有利于準確預報臺風暴雨落區(qū)[14-16]。

受大氣環(huán)流及地形的影響，臺風暴雨成因復雜，不同臺風、不同地域引發(fā)暴雨的中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變也存在差異?！皽乇葋啞迸_風在河南引發(fā)的極端降水為近40年來罕見。本文利用常規(guī)氣象觀測、區(qū)域自動站加密觀測、中央氣象臺臺風定位報、FY-2F衛(wèi)星逐時TBB、多普勒雷達探測及NCEP 1°×1°逐6 h再分析等資料，對“溫比亞”引發(fā)河南特大暴雨的中尺度系統(tǒng)特征及發(fā)展機制進行研究分析，以期為此類臺風暴雨預報提供參考依據。

1 降水實況和環(huán)流背景

1.1 降水實況

“溫比亞”于2018年8月17日04:05在上海浦東登陸，登陸時為強熱帶風暴。18日03時減弱為熱帶風暴，并從安徽進入河南固始縣。18日14時演變?yōu)闊釒У蛪海行娘L速為16 m·s-1。臺風中心途經河南信陽、駐馬店、周口、商丘等地，19日20時移出河南，在河南境內滯留運行時間長達40 h，給河南帶來了強風雨天氣。

8月17日20時-19日20時，河南中東部出現大范圍暴雨、大暴雨，部分地區(qū)特大暴雨(圖 1a)。據河南3300個自動站降水資料統(tǒng)計，過程累積最大降水量553.1 mm(柘城縣遠襄集)，降水量≥50 mm的站點有1375個，其中有606個站點降水量為100.0-249.9 mm，250 mm及以上的站點有152個。有8個國家站日降水量突破建國以來歷史極值。降水的對流特征顯著，最大小時雨強達112 mm·h-1(虞城縣沙集)。商丘國家基準站逐小時降水分布顯示，18日10時、11時小時雨強分別達88.6 mm·h-1和93.9 mm·h-1(圖 1b)。同時，河南大部分地區(qū)伴有6級以上大風，中東部陣風達8～9級。

圖1 2018年8月17日20時-19日20時河南降水實況(a)與18日04-21時商丘逐小時降水量(b)

1.2 環(huán)流背景

“溫比亞”引發(fā)的河南特大暴雨與中緯度西風槽、高低空急流、副熱帶高壓(簡稱副高)等天氣系統(tǒng)的有利配置有關。2018年8月17日08時500 hPa貝加爾湖(簡稱貝湖)附近有一低渦。臺風在上海登陸后，在38°N附近東西向帶狀副高南側偏東氣流中向西北方向移動。17日20時，貝湖低渦槽線伸至38°N附近，帶狀副高斷裂形成兩個588 dagpm中心，分別位于高原東部和朝鮮半島附近。18日08時500 hPa(圖 2a)，高原東部副高減弱消失；朝鮮半島附近副高有增強趨勢，其西側的東南氣流為臺風系統(tǒng)提供水汽、熱力、動力條件。低槽攜帶冷空氣逐漸東移，18日08時，925-500 hPa低槽南端觸及臺風環(huán)流，冷空氣與臺風環(huán)流暖濕空氣在河南中東部交匯，不僅有利于產生強降水，而且有利于臺風西北行減速停滯并轉向，為引發(fā)特大暴雨創(chuàng)造了條件。18日08時在925-700 hPa，臺風中心東側有一條低空東南風急流，最大風速達24～26 m·s-1，該急流維持時間長，源源不斷向暴雨區(qū)輸送暖濕空氣；850 hPa水汽通量大于32 g·cm-1·hPa-1·s-1的區(qū)域集中于河南中東部；距離暴雨中心較近的徐州上空700 hPa以下比濕達12～19 g·kg-1。17日20時-18日08時K指數顯示，徐州保持36.9～38.0 ℃的高值，鄭州由20.7 ℃增至37.8 ℃，層結不穩(wěn)定度加劇。18日08-20時200 hPa，位于二連浩特、牡丹江一帶風速≥30 m·s-1的急流軸增強并向南擴展到張家口、大連一帶。高空急流軸右側槽前的偏差風輻散具有使臺風倒槽型暴雨增幅的作用[8]。18日20時500 hPa(圖 2b)，由于高空急流增強，低槽中段快速東移，南段北縮；同時，朝鮮半島南端副高顯著增強，并向我國東南沿海伸展，使臺風東側風速增大，對臺風轉向具有引導促進作用。

圖2 2018年8月18日08時(a)和20時(b)500 hPa形勢場

2 冷暖平流及能量鋒分析

低層冷空氣從“溫比亞”低壓中心西北方侵入臺風低壓環(huán)流，對導致暴雨增幅的中尺度系統(tǒng)發(fā)展具有重要作用。分析溫度平流場可知，低層冷空氣與臺風環(huán)流的作用主要顯現在925 hPa和850 hPa兩個層次，925 hPa冷空氣勢力較850 hPa的強。17日20時-18日20時，位于山西南部的冷空氣由弱逐漸增強。18日08時，925 hPa冷平流中心位于山西臨汾附近(圖 3a)，中心值由17日20時的-2×10-5K·s-1增加到-5×10-5K·s-1，冷空氣由西北向東南侵入臺風環(huán)流，形成東南暖西北冷的溫度場結構，冷平流前沿擴展到河南睢縣、太康、駐馬店、桐柏一帶；暖平流中心值達4×10-5K·s-1，位于南京附近。河南中東部的強降水主要出現在18日02-20時冷空氣勢力較弱階段，暴雨落區(qū)出現在925 hPa冷暖平流對峙的零線附近，暖區(qū)一側的特大暴雨站點較冷區(qū)一側的多。18日20時，925 hPa冷平流中心進一步增強到-14×10-5K·s-1，850 hPa冷平流中心值在18日08-20時由-2×10-5K·s-1增強到-6×10-5K·s-1，有較強冷空氣侵入臺風中心。

能量鋒是引發(fā)強降水的重要因素，能量鋒的形成與臺風低層環(huán)流及附近的冷暖平流密切相關。分析假相當位溫(θse)可知，18日02時925 hPa，臺風中心及東側為354 K的高值區(qū)，從河北邢臺到河南三門峽有一條東北—西南向帶狀低值冷區(qū)，該冷區(qū)逐漸向東南方向移動增強；18日08時(圖3b)，河南西部維持340 K的冷區(qū)，冷區(qū)與臺風環(huán)流暖濕區(qū)之間形成θse線密集的能量鋒。能量鋒呈南北向，位于河南中東部，東西寬度約200 km，θse差值達12 K。低層冷空氣侵入，濕斜壓性增強，鋒區(qū)的動力強迫作用有利于低層具備不穩(wěn)定能量的暖濕空氣沿能量鋒區(qū)爬升，鋒區(qū)是中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展的重要區(qū)域。暴雨區(qū)出現在水汽通量輻合大值區(qū)與能量鋒重疊的地區(qū)。18日20時以后，由于較強冷空氣侵入臺風低壓，能量鋒減弱，抑制對流發(fā)展，水汽通量值下降，降水隨之減弱。

圖3 2018年8月18日08時925 hPa溫度平流(a)和假相當位溫(b)

3 中尺度對流系統(tǒng)特征及發(fā)展機制

3.1 中尺度輻合線特征及其與強降水關系

中尺度輻合線有助于觸發(fā)中尺度對流云團發(fā)展[17-20]。冷空氣由“溫比亞”中心西北方低層侵入，與臺風東北方的東南暖濕氣流交匯，激發(fā)中尺度輻合線增強并維持。分析地面風場可知，“溫比亞”影響河南期間，其東北象限維持一條偏北氣流與東南氣流形成的輻合線(MCL)，呈東北-西南向(圖4)。降水前期，MCL兩側的風速呈增強趨勢。MCL東側的東南風急流提供充沛的水汽和熱力、動力條件。分析地面風場及其后6 h降水分布發(fā)現，18日08時MCL移至安徽西部與河南交界處，其后6 h大于100 mm的強降水落區(qū)位于河南東部(圖4a)，此階段暴雨區(qū)主要位于MCL西北側；18日14時以后，臺風逐漸減速到停滯，暴雨落區(qū)呈東西向帶狀位于MCL兩側(圖4b)，且各有一個大于100 mm的強降水中心；18日20時，MCL東北移，其兩側的風速減弱，其后6 h降水也隨之減弱(圖4c)。MCL延伸至中低空，925 hPa、850 hPa輻合最強，18日08時925 hPa MCL附近散度值達-9×10-5s-1，850 hPa 強輻合中心位于中尺度輻合線西側，有利于暖濕空氣的輻合上升。由于臺風移動緩慢，冷暖空氣持續(xù)對峙，MCL在安徽、河南交界處或河南境內維持30 h，觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展并長時間維持，對暴雨增幅和落區(qū)具有決定性作用。

圖4 2018年8月18日08時(a)、14時(b)、20時(c)地面風場與其后≥30 mm的6 h降水量分布

3.2 中尺度云團發(fā)展特征

根據FY-2F衛(wèi)星TBB資料分析，18日03時“溫比亞”中心進入河南，05時在臺風中心東北象限MCL上有一近似橢圓形密實的中α云團1(圖5a)，東北—西南向長軸約500 km，云團中心tbb接近-70 ℃。該云團隨臺風低壓西進，其前端云體向西南方向伸展，河南東部開始出現較強降水。05時，安徽西部云團2(圖5a)發(fā)展進入河南東南部固始縣境內。該云團屬于中β尺度，范圍較小，維持近3 h后減弱。06時(圖5b)位于云團1西南側的鄲城出現30.5 mm·h-1降水。強降水落區(qū)位于云團1西南側云頂溫度梯度密集區(qū)(圖5c-f)，商丘市虞城縣沙集10時降水量達112 mm·h-1。11時云團1北移至新鄉(xiāng)至菏澤一帶，強度減弱。云團1尺度大，在MCL上生消演變，影響河南中東部達9 h，是此次臺風暴雨過程主要的強降水中尺度系統(tǒng)。11時，商丘附近生成云團3(圖5g)，商丘出現93.9 mm·h-1的小時降水。12時(圖5h)漯河附近云團4生成，使暴雨區(qū)擴展到河南中部。13時在阜陽生成的云團5發(fā)展進入平輿至項城一帶(圖5i)。14時云團3位于曹縣、夏邑、永城一帶，中心增強至-65 ℃(圖5j)。該云團中心隨后向東發(fā)展，移至安徽、江蘇、山東交界處，北段減弱，南段加強，商丘、濮陽等地位于云團西部，出現連續(xù)降水，20時對河南的影響減弱(圖5k)。19日02時(圖5l)，河南除東北部有較弱云團影響外，其余地區(qū)已無云團影響。綜上所述，“溫比亞”臺風在河南引發(fā)的暴雨主要由1個中α云團和4個中β云團造成，其中中α云團對降水的貢獻最大。

圖5 2018年8月18日05-14時、20時和19日02時tbb演變圖 單位:℃

3.3 中尺度對流系統(tǒng)的雷達產品特征

根據商丘多普勒天氣雷達0.5°仰角基本反射率因子分析，18日08時，在混合型降水回波中有一條明顯的強回波帶，位于安徽固鎮(zhèn)、淮北到河南虞城、商丘、睢縣一帶(圖6a)。該強回波帶在18日05時初具雛形，之后迅速發(fā)展，09-10時最大回波強度達57 dBZ(圖6b)，回波頂高度為9～12 km，與過程112 mm·h-1的最大小時雨強對應。強回波帶的前端與特大暴雨落區(qū)對應。14時(圖6c)強回波帶有所減弱，15時以后強回波帶逐漸東北移，20時以后主體進一步減弱。0.5°仰角徑向速度圖上(圖6d、e、f)，負速度區(qū)面積大于正速度區(qū)，有明顯的風速輻合；零速度線表現為東北風與東南風的輻合。測站東南方低空有強盛的東南風急流，最大風速達27 m·s-1，與測站西方的大風核對應。從垂直積分液態(tài)水含量圖(圖6g、h、i)可知，一條最大值達28 kg·m2的垂直積分液態(tài)水含量高值帶與安徽固鎮(zhèn)到河南商丘、睢縣的強回波帶對應，強回波帶和垂直積分液態(tài)含水量高值帶與測站東南風強風速帶對應。強風速帶是水汽、熱力、動力輸送帶，也是觸發(fā)對流的重要系統(tǒng)。中尺度云團在暖濕急流輸送帶上發(fā)展，在暴雨區(qū)有強回波單體持續(xù)不斷地移過，形成“列車效應”，影響達10 h。18日14-20時，急流有所減弱，回波及垂直積分液態(tài)水含量隨之減弱?？傊?，在低空東南風急流軸上形成的強回波帶、垂直積分液態(tài)水含量高值帶維持時間長，中尺度對流系統(tǒng)形成“列車效應”，是引發(fā)大暴雨、特大暴雨的重要因素。

圖6 2018年8月18日08時、10時、14時河南商丘雷達0.5°仰角基本反射率因子(a、b、c)、徑向速度(d、e、f)和垂直積分液態(tài)水含量(g、h、i)

3.4 中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展機制

位渦既與大氣渦度有關，又與大氣位勢有關。無論干位渦還是濕位渦，均有助于揭示暴雨過程發(fā)展演變機理，具備守恒性。對流層上部的位渦擾動下傳，可以引起對流層下部及地面的低渦或氣旋發(fā)展，有利于暴雨和對流天氣的加強[21]。位渦計算公式為

(1)

分析18日02-20時500 hPa位渦場可知，高位渦中心隨臺風系統(tǒng)從安徽逐漸移入河南東南部，特大暴雨落區(qū)位于高位渦中心北側200 km范圍內。沿34.39 °N暴雨中心作位渦緯向垂直剖面圖(圖7)。由圖7(a)可知，18日02時，強降水發(fā)生前夕，在400 hPa高度，臺風低壓環(huán)流中有一個1.5 PVU 的高位渦中心，其底部向西傾斜，隨臺風系統(tǒng)向西移動。根據位渦反演理論[22]，向前移動的高位渦對其下層大氣具有吸進前緣處空氣向上運動的作用。分析中高層溫度平流發(fā)現，18日08時，400-500 hPa高度臺風西北側存在冷平流，500 hPa在山西南部有-4×10-5K·s-1的冷平流中心，冷空氣向東南侵入臺風環(huán)流，形成上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結。對流層中高層具有高位渦和低位溫特征的干冷空氣侵入臺風環(huán)流，可以激發(fā)中尺度對流，在氣旋暴發(fā)性發(fā)展、暴雨增幅、位勢不穩(wěn)定增強等方面具有重要作用[23-24]。18日08時(圖7b)，在暴雨區(qū)出現從400 hPa高度向下傳播的高位渦舌，1.5 PVU的等位渦線向下伸展至近地面。高位渦區(qū)誘生氣旋性環(huán)流，并向下伸展，與低層鋒區(qū)作用，造成溫度、風場擾動，輻合加強，渦度增加，促使對流不穩(wěn)定能量和潛熱能的釋放。18日08時500 hPa高度上在河南東部形成一個最大垂直速度達-5.2 Pa·s-1的上升中心,該中心與特大暴雨落區(qū)對應。高位渦下傳，激發(fā)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展，是引發(fā)極端降水的重要機制。

圖7 2018年8月18日02時(a)和08時(b)位渦場與風場

4 結 論

通過對“溫比亞”臺風造成的河南特大暴雨過程中環(huán)流背景、中尺度對流系統(tǒng)特征及發(fā)展機制等進行分析，得到以下結論：

(1)臺風低壓環(huán)流與中緯度西風槽、副熱帶高壓、高低空急流等天氣系統(tǒng)共同作用造成了河南的特大暴雨過程。西風槽攜帶冷空氣東移與臺風環(huán)流暖濕空氣交匯，不僅有利于產生強降水，且有利于臺風減速停滯，為引發(fā)特大暴雨創(chuàng)造了條件。高空急流軸右側槽前的偏差風輻散對降水具有增幅作用。高空急流、朝鮮半島附近副高增強，促使臺風轉向。低空急流為臺風低壓維持及環(huán)流中的中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展提供了充沛的水汽、熱力、動力條件。

(2)低槽攜帶向東南擴散的冷空氣分別從925-850 hPa和400-500 hPa兩個層次侵入臺風低壓環(huán)流。低層冷空氣與臺風環(huán)流中的暖濕空氣在河南中東部形成θse線密集、寬度約200 km、θse差值達12 K的能量鋒，有利于輻合和暖濕空氣抬升。臺風東北象限維持的MCL在冷空氣侵入和臺風逐漸停滯過程中增強并長時間維持，觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展，對暴雨增幅和落區(qū)具有決定性作用。

(3)400-500 hPa高度冷空氣向東南侵入臺風環(huán)流，形成上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結。對流層中高層具有高位渦和低位溫特征的干冷空氣侵入臺風環(huán)流，激發(fā)中尺度對流。位于400 hPa附近的高位渦中心下傳至近地面，造成低層溫度、風場擾動，輻合加強，渦度增加，促使對流不穩(wěn)定能量和潛熱能釋放，是引發(fā)極端降水的重要機制。

(4)在臺風中心東北側低空東南風急流軸上形成的強回波帶、垂直積分液態(tài)水含量高值帶維持時間長，中尺度對流系統(tǒng)形成“列車效應”。強降水落區(qū)位于水汽通量輻合高值區(qū)與能量鋒重疊的地區(qū)，集中于倒槽底部的地面輻合線附近。強降水由1個中α云團和4個中β云團造成，其中中α云團面積大，維持時間長，對降水的貢獻最大。