張雪慧 田德寶 曾令建 張珊珊 陸琛莉 謝帥

(浙江省嘉興市氣象局，嘉興 314050)

引言

臺風(fēng)是每年夏季影響我國的重要天氣系統(tǒng)，受臺風(fēng)本體影響時多狂風(fēng)暴雨，而僅受臺風(fēng)外圍環(huán)流影響，有時也會產(chǎn)生遠(yuǎn)距離暴雨。臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨通常發(fā)生在臺風(fēng)中心1000 km以外，雨量往往被低估，一旦發(fā)生容易致災(zāi)。臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的預(yù)報難度較大[1]，因為并非所有臺風(fēng)均能產(chǎn)生遠(yuǎn)距離暴雨；臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的落區(qū)受多系統(tǒng)影響不確定性很大；日降水量和過程降水量波動范圍很大。

在前人的研究中，臺風(fēng)引起遠(yuǎn)距離暴雨的作用形式多樣。起初人們研究較多的是華北和西北地區(qū)的臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨[2-4]，臺風(fēng)倒槽外圍環(huán)流將熱量和水汽輸送到北方地區(qū)，與中高層西風(fēng)槽帶來的冷空氣進(jìn)行耦合，并常伴有高空急流非緯向性增加；之后發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)環(huán)流還可引導(dǎo)南下冷空氣加強(qiáng)，誘發(fā)中尺度系統(tǒng)產(chǎn)生暴雨[5-7]；另外，臺風(fēng)能量頻散波動特征的遠(yuǎn)距離傳播也能造成1000 km以外的遠(yuǎn)距離暴雨[8]；還有研究發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)西側(cè)下沉氣流或與暴雨區(qū)的上升氣流構(gòu)成次級環(huán)流，臺前颮線也可造成遠(yuǎn)距離暴雨[9-11]等等。陳聯(lián)壽等在2007年給出了臺風(fēng)遠(yuǎn)距離降水的宏觀定義[12]：①降水發(fā)生在臺風(fēng)范圍之外；②這塊降雨與臺風(fēng)存在著內(nèi)在的物理聯(lián)系。眾多研究成果顯示,臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨是臺風(fēng)與其相鄰的中緯度系統(tǒng)(包括西風(fēng)槽、東北冷渦、西南渦、弱冷空氣、高低空急流及副熱帶高壓等)相互作用的結(jié)果[13-14]，在多數(shù)臺風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨個例中，臺風(fēng)東側(cè)或北側(cè)的偏南或偏東的暖濕急流及臺風(fēng)誘發(fā)的混合重力波是聯(lián)系中低緯相互作用的橋梁和紐帶[15-17]。

江浙地區(qū)每年受臺風(fēng)的直接影響較為嚴(yán)重[18-20]，而對遠(yuǎn)距離臺風(fēng)暴雨的關(guān)注和研究相對來說較少。2014年8月8日發(fā)生在江浙江地區(qū)的暴雨過程，強(qiáng)降水時段2 h雨量超100 mm，且在夜間和清晨前后爆發(fā)，預(yù)報難度較大，對此次過程進(jìn)行分析研究，找出暴雨產(chǎn)生的機(jī)制，以期在類似天氣形勢時增強(qiáng)災(zāi)害性天氣的預(yù)報能力。

本文使用的資料有：地面和高空氣象觀測資料、歐洲中期天氣預(yù)報中心(簡稱 ECMWF)數(shù)值模式預(yù)報資料、美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NECP)1°×1°的再分析資料與多普勒雷達(dá)資料等。

1 天氣過程概況

2014年8月4—9日，11號臺風(fēng)“夏浪”沿131.0°～131.5°E洋面北上，8日江蘇東部至浙江東北部出現(xiàn)大范圍暴雨，部分地區(qū)短時雨量達(dá)特大暴雨量級。從7日23:00至8日11:00 12 h累積降水量(圖1a)來看，強(qiáng)降水分為兩個區(qū)域：A區(qū)是江蘇東部雨帶，從鹽城至無錫呈南北向分布，主要降水時段為7日23:00至8日06:00，最大小時雨強(qiáng)87.9 mm·h-1，12 h 累積雨量最大為南通市海安李堡鎮(zhèn)170.4 mm，從逐小時降雨量圖(圖1b，深色)可見，過程累積雨量大但雨強(qiáng)較為平均，說明江蘇東部雨帶具有持續(xù)時間長、暴雨范圍較大等系統(tǒng)性特征；B區(qū)是浙江北部雨帶，從江浙滬交界過紹興至金華，呈東北西南向分布，主要降水時段為8日04:00—11:00，暴雨區(qū)域較為分散，最強(qiáng)在浙江省嘉興市東北部，最大小時雨強(qiáng)81.7 mm·h-1，12 h累積雨量最大為嘉興市嘉善縣大云鎮(zhèn)170.0 mm(圖1 b，淺色)，可見雨強(qiáng)極度不均，降水量的85%集中在06:00—08:00兩小時內(nèi)，說明該雨帶具有突發(fā)性強(qiáng)、短時雨量大等強(qiáng)對流天氣降水特征。

圖1 2014年8月7日23:00至8日11:00累積降水量(a)和南通市海安市李堡鎮(zhèn)測站(深色)、嘉興市嘉善縣大云鎮(zhèn)測站(淺色)逐小時降水量(b)(圖a中2個黃色圓點為李堡鎮(zhèn)和大云鎮(zhèn)測站的位置)

2 暴雨產(chǎn)生的天氣背景

2.1 引導(dǎo)層天氣形勢

從2014年8月7日20:00 500 hPa形勢場(圖2a)上看，中高緯為兩槽一脊形勢，120°～140°E有短波槽東移，槽后有冷平流；西太平洋副熱帶高壓(副高)主體位于140°E以東，588 dagpm線西界呈方形，其西側(cè)臺風(fēng)“夏浪”沿偏南風(fēng)引導(dǎo)氣流北上，為強(qiáng)臺風(fēng)級別，發(fā)展深厚，其渦旋從海平面到200 hPa環(huán)流場上皆有反映；但臺風(fēng)渦旋并未對我國大陸產(chǎn)生直接影響，我國中部及南部大部分地區(qū)受大陸高壓環(huán)流控制，江浙東部地區(qū)上空引導(dǎo)氣流較弱，有利于降水系統(tǒng)的停留。圖2b為700 hPa形勢圖，中高緯兩槽一脊形勢和臺風(fēng)位置與500 hPa對應(yīng)，華北地區(qū)有高壓環(huán)流，環(huán)流底部在朝鮮半島南端至江蘇省南部有東西向的切變線存在，暴雨區(qū)處于切變線南側(cè)。

圖2 2014年8月7日20:00 500 hPa(a)和700 hPa(b)的高度、溫度和風(fēng)場(藍(lán)色線為等高線，單位：dagpm；紅色線為等溫線，單位：℃)

2.2 低層系統(tǒng)演變

7日20:00 850 hPa流場和風(fēng)速演變(圖3)顯示，東亞地區(qū)主要影響系統(tǒng)為中高緯度的高壓環(huán)流和中低緯度的臺風(fēng)低壓環(huán)流，這兩個大尺度環(huán)流之間在朝鮮半島南端至湖北省東部存在1～2個中尺度渦旋。較明顯的是安徽至江蘇中尺度渦旋，它產(chǎn)生在急流中心(風(fēng)速14 m·s-1)南側(cè)(圖3a)并逐步發(fā)展，8日02:00強(qiáng)度和范圍都進(jìn)一步增大(圖3b)，渦旋東部的正渦度大值區(qū)(圖略)有系統(tǒng)抬升作用，對應(yīng)著A區(qū)暴雨的產(chǎn)生。隨著臺風(fēng)中心北上，8日08:00(圖3c)安徽至江蘇上空中尺度渦旋被臺風(fēng)外圍環(huán)流吞并，形成了較大跨度的116°～138°E低壓環(huán)流，原中尺度渦旋流線方向改變，安徽東南部至浙江北部流線轉(zhuǎn)為西北向，有利于引導(dǎo)弱冷空氣南下，西北氣流南端位于上海至浙北，在該處形成西北風(fēng)與偏東風(fēng)、偏北風(fēng)的風(fēng)向切變。925 hPa系統(tǒng)形勢(圖略)演變與850 hPa類似，由此可見，A區(qū)暴雨的發(fā)生發(fā)展與安徽至江蘇上空中尺度渦旋直接相關(guān)，而臺風(fēng)強(qiáng)大環(huán)流的存在和靠近是B區(qū)暴雨發(fā)生的必要條件，它使安徽至江蘇上空中尺度渦旋流場發(fā)生改變，安徽東南部至浙江北部產(chǎn)生的西北氣流對B區(qū)暴雨形成至關(guān)重要。

圖3 2014年8月7日20:00(a)、8日02:00(b)、8日08:00(c)850 hPa風(fēng)速(陰影)和流場(為A區(qū)暴雨位置，為B區(qū)暴雨位置)

2.3 預(yù)報形勢誤差簡析

使用不同起報時次的 ECMWF數(shù)值模式預(yù)報結(jié)果與再分析資料對比分析，發(fā)現(xiàn)暴雨落區(qū)和量級的偏差與安徽至江蘇上空渦旋強(qiáng)度、臺風(fēng)位置預(yù)報的差異有關(guān)。

圖4中陰影區(qū)為不同起報時次預(yù)報的過程(對應(yīng)圖1a時段)累積雨量，圖4a起報時次為6日20:00，預(yù)報降雨落區(qū)在江蘇中部偏北，雨帶呈東北—西南向，雨量中心僅大雨級別(25～50 mm)；圖4b起報時次為7日08:00，江蘇中部報出100 mm以上大暴雨，蘇南及浙北雨帶(B區(qū))暴雨量級未報出，但雨帶位置和形狀與實況相符。

分析兩個起報時次江蘇東部雨量的預(yù)報值變化原因，作8日02:00 850 hPa的渦度圖(圖略)，發(fā)現(xiàn)安徽至江蘇上空渦旋東北部有渦度大值中心，6日20:00起報的渦度中心值為30×10-5s-1，7日08:00起報的渦度中心值增為45×10-5s-1，說明渦旋的強(qiáng)度與預(yù)報的累積雨量有正相關(guān)關(guān)系。

圖4b中蘇南及浙北雨帶位置和形狀預(yù)報優(yōu)于前一時次預(yù)報，對比兩個時次對8日08:00 850 hPa流場形勢預(yù)報發(fā)現(xiàn)，圖4a中臺風(fēng)中心位置大致在130.5°E、28°N，與圖4b相比略偏西偏北，安徽至江蘇渦旋偏弱，結(jié)合位置位于安徽東南部到江蘇南部，只在安徽中南部有小范圍的西北氣流，西北氣流頂端位置處預(yù)報的累積雨量僅5～10 mm；圖4b中臺風(fēng)中心位置調(diào)整至131.0°E、27.5°N附近，安徽至江蘇渦旋強(qiáng)度增強(qiáng)，與臺風(fēng)外圍環(huán)流結(jié)合的情況比前一預(yù)報時次更接近實況，安徽東南部至浙北地區(qū)出現(xiàn)西北氣流，風(fēng)向切變位于蘇南至浙北，對應(yīng)著B區(qū)位置，雨量報至25 mm。對比這兩個時次的預(yù)報場和預(yù)報結(jié)果，發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)位置、環(huán)流范圍和安徽至江蘇上空中尺度渦旋的強(qiáng)度三者聯(lián)合決定了臺風(fēng)與中尺度渦旋的結(jié)合位置與結(jié)合的緊密程度，進(jìn)而決定了流場形勢與暴雨產(chǎn)生的條件配置。但不同時次對蘇南至浙北地區(qū)的雨量預(yù)報均偏小，出現(xiàn)極端降水原因還需進(jìn)一步分析。

圖4 ECMWF 2014年8月6日20:00(a)、7日08:00(b)起報的8日08:00 850 hPa流場和7日23:00至8日11:00累積降水量(陰影)

3 暴雨區(qū)的水汽輸送

水汽通量是單位時間內(nèi)通過單位截面積所輸送的水汽量，反映水汽輸送的強(qiáng)度。大氣中的水汽集中在對流層中下層，使用再分析資料作水汽通量圖(圖5)，圖中矢量標(biāo)記了水汽通量的方向和大小，陰影區(qū)展示了臺風(fēng)與暴雨區(qū)之間的聯(lián)系。

本次暴雨區(qū)與臺風(fēng)中心相距約1300 km，出現(xiàn)在臺風(fēng)西北方向，7日20:00 850 hPa水汽通量極大值區(qū)位于江蘇至安徽北部(圖5a)，925 hPa(圖5b)位于江蘇中北部，水汽來源大致可分為兩支：北支較短較弱，從黃海及其北部往水汽通量大值區(qū)輸送，南支由臺風(fēng)北側(cè)洋面輸送至水汽通量大值區(qū)；南支水汽輸送的通道寬廣，925 hPa華東沿海30°～35°N范圍都受臺風(fēng)北側(cè)偏東氣流的水汽輸送。8日08:00水汽通量圖與7日20:00相比，南、北兩支水汽通道有臺風(fēng)北側(cè)水汽加入，明顯加寬增強(qiáng)：850 hPa層(圖5c)臺風(fēng)北側(cè)水汽從日本本州島南端至朝鮮海峽加入，在韓國中部出現(xiàn)水汽通量10 g·s-1·hPa-1·cm-1的大值區(qū)，925 hPa層(圖5 d)在朝鮮海峽出現(xiàn)20 g·s-1·hPa-1·cm-1大值中心，從大值區(qū)有偏東氣流將水汽輸送至江蘇至浙北一帶。可見本次暴雨過程中臺風(fēng)通過北側(cè)的偏東氣流對暴雨區(qū)一直提供水汽，對暴雨的產(chǎn)生和維持起到支撐作用。

圖5 2014年8月7日20:00(a,b)、8日08:00(c,d)850 hPa和925 hPa水汽通量

4 暴雨區(qū)動力與能量條件

本次暴雨過程中雨帶呈南北向，作緯向垂直剖面圖有助于判斷暴雨區(qū)上空天氣系統(tǒng)和能量情況。假相當(dāng)位溫(θse)是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量，反映了大氣能量的分布，θse高值區(qū)既是高溫高濕區(qū)也是高能區(qū)[21]。當(dāng)假相當(dāng)位溫隨氣壓降低而減小時，滿足對流不穩(wěn)定條件，即此處氣塊的溫濕度大于周圍環(huán)境空氣，在發(fā)生整層抬升時易產(chǎn)生強(qiáng)烈的上升運動。

利用再分析資料沿32°N作假相當(dāng)位溫的緯向剖面圖(圖6a)，暖色調(diào)代表θse高值區(qū)，冷色調(diào)代表θse低值區(qū)?？梢娫贏區(qū)暴雨發(fā)生前，119°E以西低層空氣偏干冷，而118°～122°E上空有高能舌，θse為351 K線呈“Ω”形結(jié)構(gòu)[22]向上空擴(kuò)展至600 hPa，θse中心達(dá)354 K以上，上暖濕下干冷的結(jié)構(gòu)表明對流不穩(wěn)定能量大，且A區(qū)上空經(jīng)向風(fēng)顯示中下層有偏東風(fēng)與偏西風(fēng)分量的輻合，產(chǎn)生較明顯的上升運動，容易促進(jìn)高能舌不穩(wěn)定能量的釋放。暴雨發(fā)生前B區(qū)的緯向剖面圖(圖6b)顯示，120°E以西的低層有干冷空氣，并有偏西風(fēng)分量，122°E以東低層有強(qiáng)勁的偏東氣流將高溫高濕區(qū)從東往西輸送，它們之間120°～122°E上空形成窄高的高能舌，θse351 K線向上擴(kuò)展至675 hPa，表明臺風(fēng)環(huán)流從洋面上空往暴雨區(qū)輸送暖濕空氣，在與干冷空氣交接處的東側(cè)上空形成高能區(qū)。根據(jù)能量條件分析，B區(qū)上空在受到系統(tǒng)觸發(fā)抬升時，容易產(chǎn)生劇烈天氣。

圖6 2014年8月7日20:00沿32°N(a)、8日2:00沿31°N(b)的垂直剖面(陰影為θse，單位：K；風(fēng)矢為風(fēng)東西分量與垂直分量合成)

5 強(qiáng)對流的觸發(fā)

從形勢場看，B區(qū)上空并沒有明顯的抬升系統(tǒng)，在形勢預(yù)報基本正確的情況下(圖4b)，B區(qū)雨帶預(yù)報為中雨量級。B區(qū)上空有對流不穩(wěn)定能量積聚，觸發(fā)機(jī)制和極端暴雨產(chǎn)生原因需分析更高時空分辨率的資料。

多普勒雷達(dá)資料時空分辨率高，對于顯示雨帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)、揭示中小尺度系統(tǒng)十分有用。使用寧波多普勒雷達(dá)的徑向速度圖分析關(guān)鍵區(qū)風(fēng)場演變情況(圖7)，冷色調(diào)代表回波位置風(fēng)的徑向分量朝向雷達(dá)測站，暖色調(diào)代表風(fēng)的徑向分量遠(yuǎn)離雷達(dá)測站，黑色表示0速度線，有降水回波的區(qū)域才有徑向風(fēng)速數(shù)值。圖7a為嘉興地區(qū)回波初生時，可以看到0速度線位置較寬，呈西北東南向，0速度線兩側(cè)冷暖兩色徑向風(fēng)速都較小，說明存在一定的風(fēng)向輻合。3 h后(圖7b)輻合帶北段仍位于嘉興與上海交界，存在長時間的輻合抬升作用，且圖上顯示風(fēng)速增大，輻合作用更強(qiáng)，最大回波強(qiáng)度57 dBz，回波頂高最高達(dá)17.1 km(強(qiáng)度圖和回波頂高圖略)，南段杭州灣處激發(fā)出新的對流，圖7c中輻合線位置依然少動。圖7b、c中輻合線上還出現(xiàn)了中γ尺度的氣旋，左下角為速度對放大，圖7b中的速度對維持3個體掃時間，圖7c中的速度對維持8個體掃時間，位置與暴雨點相合(圖略)。由此可見，較長時間的輻合作用造成了抬升，觸發(fā)了強(qiáng)對流天氣，高能區(qū)的不穩(wěn)定能量強(qiáng)烈釋放，輻合線上激發(fā)的中γ尺度系統(tǒng)存在和維持，對應(yīng)著B區(qū)出現(xiàn)的極端降水。

圖7 2014年8月8日04:04(a)、07:13(b)、07:41(c)寧波多普勒雷達(dá)0.5°仰角徑向速度(左下角為圓圈處放大)

6 結(jié)論與討論

2014年8月8日江蘇東部至浙江北部出現(xiàn)大范圍暴雨，通過研究暴雨性質(zhì)、再分析形勢場和不同起報時次的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)暴雨量級和落區(qū)變化與遠(yuǎn)在1300 km外的西太平洋上的11號臺風(fēng)“夏浪”有關(guān)聯(lián)。

(1)臺風(fēng)為本次暴雨過程提供了充足的水汽條件。水汽通量分析顯示，臺風(fēng)本體與暴雨區(qū)之間存在相互聯(lián)系，臺風(fēng)北側(cè)一直有偏東氣流向暴雨區(qū)輸送暖濕空氣，并隨著臺風(fēng)北上，水汽輸送的通道更廣更強(qiáng)，在上升運動區(qū)水汽聚集抬升，對暴雨的產(chǎn)生和維持起到了支撐作用。

(2)臺風(fēng)外圍環(huán)流影響了暴雨落區(qū)位置。系統(tǒng)演變分析顯示，A區(qū)暴雨是由低層急流南側(cè)中尺度渦旋引發(fā)的，且華東區(qū)高空引導(dǎo)氣流弱，中低層降水系統(tǒng)有較長作用時間；之后臺風(fēng)北上，臺風(fēng)中心與中尺度渦旋距離縮短，臺風(fēng)外圍環(huán)流對渦旋產(chǎn)生了牽引，使流場形勢發(fā)生改變，引導(dǎo)弱冷空氣南下，在浙北近海低層冷暖空氣交匯，輻合抬升使積累的對流不穩(wěn)定能量劇烈釋放，B區(qū)產(chǎn)生暴雨。

(3)臺風(fēng)環(huán)流輸送的暖濕空氣為強(qiáng)對流爆發(fā)和維持提供能量條件。在能量條件與觸發(fā)條件分析中發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)北側(cè)底層的偏東氣流將θse高值區(qū)(暖濕空氣)輸送至B區(qū)，使B區(qū)上空對流不穩(wěn)定能量積聚，當(dāng)有觸發(fā)條件時，便激發(fā)出強(qiáng)對流，輻合帶上中γ尺度的氣旋造成了極端強(qiáng)降水。

(4)本次過程臺風(fēng)中心在130°E以東，按經(jīng)驗對華東近海地區(qū)影響較小，但由于其外圍環(huán)流與中尺度降水系統(tǒng)結(jié)合，產(chǎn)生的輻合抬升位置處于不穩(wěn)定能量高值帶，激發(fā)了強(qiáng)對流產(chǎn)生局地強(qiáng)降水，說明臺風(fēng)對遠(yuǎn)距離暴雨作用形式的復(fù)雜性。當(dāng)有臺風(fēng)影響時，應(yīng)多關(guān)注不同起報時次天氣形勢場的異同，加強(qiáng)對系統(tǒng)結(jié)合可能性的分析，及時調(diào)整預(yù)報偏差。