陳 濤 董 林 羅 玲 楊舒楠

1 國家氣象中心，北京 100081

2 中國氣象局-河海大學(xué)水文氣象研究聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

3 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，珠海 519082

4 浙江省氣象臺，杭州 310000

提 要： 2019年9號臺風(fēng)利奇馬在浙江造成極端降水，其中8月9日白天浙江東部受臺風(fēng)外圍螺旋雨帶長時(shí)間影響，9日夜間在臺風(fēng)內(nèi)核對流影響下降水有顯著增強(qiáng)；降水中心與浙江臨海地區(qū)的天臺山、括蒼山和雁蕩山等地形特征密切相關(guān)。GPM(Global Precipitation Measure)衛(wèi)星遙感反演表明近岸臺風(fēng)螺旋雨帶以層積混合型降水為主，臺風(fēng)眼墻區(qū)域以熱帶暖云對流型降水為主；眼墻區(qū)雨滴有效直徑更大、雨滴數(shù)密度更高，有利于形成高降水強(qiáng)度。臺風(fēng)登陸前移動速度較慢，浙江沿海地區(qū)維持低層鋒生和輻合，有利于外圍螺旋雨帶降水維持和增強(qiáng)；登陸前后受環(huán)境垂直切變等因素影響，臺風(fēng)中心左前側(cè)眼墻區(qū)域?qū)α骰钴S，在登陸點(diǎn)附近強(qiáng)降水區(qū)偏向于臺風(fēng)中心左側(cè)。分鐘級降水觀測表明臺風(fēng)登陸期間浙江近海山區(qū)降水強(qiáng)度2～3倍于平原地區(qū)，其中地形性降水增幅效應(yīng)與臺風(fēng)對流非對稱結(jié)構(gòu)差異對降水影響程度基本相當(dāng)，有利于在臺風(fēng)中心左前側(cè)的括蒼山—雁蕩山山區(qū)形成強(qiáng)降水中心。

引 言

登陸臺風(fēng)暴雨災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大，在環(huán)境場、臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和地形等因素影響下臺風(fēng)暴雨形成機(jī)制復(fù)雜，一直以來是科研和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中所面臨的重點(diǎn)難點(diǎn)問題(陳聯(lián)壽等，2004；林良勛等，2006；許映龍等，2011)。環(huán)境垂直切變對臺風(fēng)強(qiáng)度、對流非對稱結(jié)構(gòu)有重要影響，基于臺風(fēng)渦旋理想概念模型分析(Jones，1995)、數(shù)值模擬位渦反演(Liu et al，1999；Zhang et al，2000)等方法表明，臺風(fēng)環(huán)境垂直切變指向的偏左側(cè)位置有利于上升運(yùn)動和對流發(fā)展，并得到衛(wèi)星觀測臺風(fēng)降水統(tǒng)計(jì)研究支持(Chen et al, 2006；Hence and Houze，2011)；對中國登陸臺風(fēng)的統(tǒng)計(jì)研究也認(rèn)為垂直切變下游方向有利于對流發(fā)展(Shu et al，2012；Yu et al，2015)。近年來隨著遙感觀測技術(shù)發(fā)展，對臺風(fēng)螺旋雨帶、眼墻對流等中小尺度特征研究進(jìn)一步深入(費(fèi)建芳等，2013，楊舒楠等，2019；高栓柱，2020)，臺風(fēng)風(fēng)場的非均勻分布等因素對降水精細(xì)結(jié)構(gòu)有重要影響。地形特征也深刻影響到登陸臺風(fēng)降水中心強(qiáng)度和分布，孟智勇等(1998)發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)在地形作用下會產(chǎn)生誘生低壓，影響強(qiáng)降水中心位置；陳聯(lián)壽等(2004)指出華東登陸臺風(fēng)在山脈地形強(qiáng)迫作用下，可造成降水落區(qū)和雨量的非對稱分布；Yu and Cheng(2013)認(rèn)為地形能夠影響云物理過程，對2009年臺風(fēng)莫拉克極端降水有重要作用。

2019年9號臺風(fēng)利奇馬(Lekima)是2019年登陸我國的最強(qiáng)臺風(fēng)，在1949年以來登陸我國大陸地區(qū)的臺風(fēng)中強(qiáng)度排名第五位，在登陸浙江的臺風(fēng)中排名第三位(王海平等，2021)。受“利奇馬”影響浙江東部地區(qū)降雨時(shí)間長、累積量大、極端性強(qiáng)，浙江省6個(gè)國家級氣象站日降水量超過建站以來極值，在臺風(fēng)非對稱對流結(jié)構(gòu)、浙江沿海天臺山、括蒼山、雁蕩山地形等因素影響下，降水成因復(fù)雜，預(yù)報(bào)難度較大。本文基于多源數(shù)據(jù)分析臺風(fēng)利奇馬登陸期間螺旋雨帶、眼墻對流結(jié)構(gòu)和云物理特征，重點(diǎn)分析環(huán)境垂直切變、地形等因素對臺風(fēng)降水分布影響，為臺風(fēng)精細(xì)化暴雨預(yù)報(bào)提供診斷分析思路。

1 數(shù)據(jù)與方法

本文采用國家氣象信息中心整編全國區(qū)域級地面自動站分鐘級觀測、全國多普勒雷達(dá)拼圖等觀測數(shù)據(jù)，其中對地面風(fēng)場、降水量通過Cressman客觀分析，獲取0.1°×0.1°格點(diǎn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括FY-4A衛(wèi)星10.8 μm紅外輻射亮溫(水平分辨率為4 km)，并應(yīng)用GPM(Global Precipitation Measure)衛(wèi)星雙波段降水雷達(dá)(DPR，水平分辨率為5.2 km，垂直分辨率為250 m)觀測數(shù)據(jù)對臺風(fēng)眼墻、螺旋雨帶結(jié)構(gòu)和云物理特征進(jìn)行分析(Zhang and Fu，2018)。

臺風(fēng)環(huán)流特征基于ERA5再分析數(shù)據(jù)(水平分辨率為0.25°×0.25°，逐小時(shí))進(jìn)行診斷，計(jì)算鋒生函數(shù)、環(huán)境垂直切變以及垂直差分渦度平流等物理量。水平鋒生函數(shù)(FG)可分解為輻合項(xiàng)(FG1)和變形項(xiàng)(FG2)(Yang et al, 2014)，F(xiàn)G1代表風(fēng)場輻合作用造成的鋒生過程，F(xiàn)G2代表在變形場中由于拉伸變形導(dǎo)致的鋒生過程：

式中：θ為位溫；當(dāng)FG>0時(shí)代表鋒生。

取V200，V850為臺風(fēng)中心半徑200 km以內(nèi)區(qū)域平均風(fēng)矢量，定義臺風(fēng)核心區(qū)域環(huán)境垂直切變VWS為：

VWS=V200-V850

Frank and Ritchie(2001)利用數(shù)值模擬試驗(yàn)比較了不同強(qiáng)度VWS對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響，研究表明5 m·s-1的弱垂直切變持續(xù)作用12 h，就足以使初始對稱的臺風(fēng)環(huán)流形成顯著非對稱結(jié)構(gòu)。Zhang and Kieu(2005)使用準(zhǔn)平衡垂直運(yùn)動方程診斷環(huán)境垂直切變影響，在忽略二階微分項(xiàng)情況下，渦旋垂直運(yùn)動方程簡化為：

式中方程右側(cè)為垂直差分相對渦度平流項(xiàng)。Jones(1995)利用理想正壓渦旋概念模型表明，由于環(huán)境垂直切變造成渦旋軸傾斜以及渦旋高低層環(huán)流結(jié)構(gòu)分離，環(huán)境垂直切變下游方向?qū)⑿纬刹罘譁u度平流正中心，垂直切變上游方向?yàn)椴罘譁u度平流負(fù)中心；在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)約束條件下，垂直切變下游將產(chǎn)生低層輻合、高層輻散，垂直切變上游方向產(chǎn)生低層輻散、高層輻合，進(jìn)而造成垂直運(yùn)動的非對稱分布；在平流作用下，渦旋對流上升運(yùn)動將傾向于分布在垂直切變下游偏左側(cè)位置。本文采用臺風(fēng)中心200 km半徑內(nèi)200 hPa與850 hPa的相對渦度平流差異，定性診斷登陸前后臺風(fēng)利奇馬內(nèi)核區(qū)域垂直運(yùn)動分布特征。

2 臺風(fēng)利奇馬降水和對流結(jié)構(gòu)特征

2.1 天氣環(huán)流形勢和降水概況

2019年第9號臺風(fēng)利奇馬于8月4日(北京時(shí)，下同)下午在西太平洋洋面生成，7日23時(shí)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)。8日20時(shí)臺風(fēng)利奇馬位于西太平洋副熱帶高壓西南側(cè)(圖1)，在副熱帶高壓西側(cè)的東南氣流引導(dǎo)下向西偏北方向移動，由于環(huán)境引導(dǎo)氣流較弱，臺風(fēng)移動速度僅為10～15 km·h-1。FY-4A紅外云圖上臺風(fēng)中心眼區(qū)邊界清晰，眼墻結(jié)構(gòu)密實(shí)；臺風(fēng)南側(cè)云系與季風(fēng)對流云帶結(jié)合，受西南季風(fēng)持續(xù)水汽輸送影響，“利奇馬”在登陸前始終保持在超強(qiáng)臺風(fēng)強(qiáng)度。10日01:45超強(qiáng)臺風(fēng)利奇馬在浙江溫嶺市沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為52 m·s-1，中心最低氣壓為930 hPa?！袄骜R”登陸浙江后一路北上，先后影響我國華東、華北、東北等地區(qū)，在我國陸上強(qiáng)度維持在熱帶風(fēng)暴及以上級別時(shí)間長達(dá)44 h。

圖1 2019年8月8日20時(shí)FY-4A 10.8 μm紅外通道輻射亮溫(填色)，500 hPa高度場(等值線，單位: gpm)以及臺風(fēng)利奇馬路徑(粗紫線)Fig.1 Infrared brightness temperature (colored) at 10.8 μm channel from FY-4A and geopotential height at 500 hPa (contour, unit: gpm) at 20:00 BT 8 August 2019 and Lekima’s path (thick purple line)

8月9日白天臺風(fēng)利奇馬向浙江沿海靠近，臺風(fēng)前進(jìn)方向上出現(xiàn)寬廣的外圍云系(圖2a)，導(dǎo)致浙江沿海地區(qū)較早出現(xiàn)降水；臺風(fēng)中心具有內(nèi)、外雙眼墻結(jié)構(gòu)，臺風(fēng)中心外眼墻左側(cè)位置紅外亮溫低于200 K，對流活動相對更為活躍。9日22時(shí)浙江臺山雷達(dá)觀測表明(圖2b)，臺風(fēng)螺旋雨帶、同心雙眼墻等特征與衛(wèi)星觀測基本一致，眼墻對流在臺風(fēng)前進(jìn)方向的左側(cè)發(fā)展更為旺盛，強(qiáng)回波在45 dBz左右。由于臺風(fēng)眼墻、螺旋雨帶結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，同時(shí)受浙江東部臨海山地地形、海陸下墊面摩擦差異等因素影響，降水預(yù)報(bào)難度較高。

圖2 2019年8月9日(a)14:34 FY-4A 10.8 μm紅外通道亮溫(填色)和“利奇馬”路徑(藍(lán)線)，(b)22:34浙江臺山多普勒雷達(dá)0.5°仰角基本反射率因子Fig.2 (a) Infrared brightness temperature (colored) at 10.8 μm channel from FY-4A at 14:34 BT with Lekima’s path (blue solid line), and (b) basic reflectivity factor at 0.5° elevation from Taishan Doppler Radar at 22:34 BT 9 August 2019

8月9—10日受臺風(fēng)利奇馬影響，浙江東部地區(qū)累計(jì)降水量達(dá)到200～300 mm(圖3a)，400 mm以上強(qiáng)降水區(qū)略偏向于臺風(fēng)中心左側(cè)的括蒼山至雁蕩山山區(qū)，在臺風(fēng)路徑右側(cè)的天臺山地區(qū)也出現(xiàn)降水中心。括蒼山站(P1)累計(jì)降水量達(dá)到770 mm，日降水量突破建站以來歷史極值；雁蕩山站(P2)累計(jì)降水量達(dá)到503 mm；浙江東部天臺山站(P3)累計(jì)降水量達(dá)到523.5 mm。

從括蒼山自動站、天臺山自動站逐小時(shí)降水量分析(圖3b)，降水歷時(shí)超過30 h，長歷時(shí)、高雨強(qiáng)導(dǎo)致出現(xiàn)極端臺風(fēng)降水。降水基本可分為兩個(gè)階段，第一階段為臺風(fēng)登陸前9日08—23時(shí)，由于臺風(fēng)移動緩慢，外圍螺旋雨帶影響浙江東部超過10 h，降水強(qiáng)度一般在10～30 mm·h-1，此階段累計(jì)降水量占P1站過程總降水量的52%。第二階段主要集中在9日深夜至10日早上，受臺風(fēng)眼墻對流和新生螺旋雨帶影響，降水強(qiáng)度變化劇烈，10日05時(shí)括蒼山自動站1小時(shí)降水量達(dá)到81.5 mm，10日03—06時(shí)3小時(shí)累計(jì)降水量達(dá)到211.4 mm。10日14時(shí)后臺風(fēng)減弱北上，浙江東部地區(qū)降水顯著減弱。

圖3 2019年8月9日08時(shí)至10日20時(shí)(a)累計(jì)降水量(黑色三角處分別為地面自動站P1：括蒼山、P2：雁蕩山、P3：天臺山，紅色實(shí)線為利奇馬臺風(fēng)中心路徑)，以及(b)P1站、P3站逐時(shí)降水量(箭頭處為臺風(fēng)登陸時(shí)間10日01：45)Fig.3 (a) Accumulated precipitation from 08:00 BT 9 to 20:00 BT 10 August 2019 (black triangles for surface automatic weather stations of P1: Kuocang Mountain, P2: Yandang Mountain and P3: Tiantai Mountain, and red line: Lekima’s path), and (b) hourly precipitation of P1 and P3 stations (black arrow pointing to Lekima’s landing time at 01:45 BT 10 August)

2.2 臺風(fēng)登陸期間對流結(jié)構(gòu)和降水中尺度特征

8月9日早上浙江東部沿海地區(qū)開始出現(xiàn)分散性降水，9日中午后開始受臺風(fēng)外圍螺旋雨帶持續(xù)影響，9日20時(shí)螺旋雨帶S1距離臺風(fēng)中心約200 km(圖4a)，45～50 dBz強(qiáng)回波中心分布在浙江沿海地區(qū)。圖4b表明浙江東部降水分布不均，天臺山、括蒼山和雁蕩山都出現(xiàn)降水中心，其中天臺山迎風(fēng)坡降水強(qiáng)度在30 mm·h-1以上，更為接近臺風(fēng)環(huán)流中心的雁蕩山地區(qū)降水強(qiáng)度達(dá)40 mm·h-1，而浙江臨海平坦地區(qū)降水強(qiáng)度僅為5～10 mm·h-1?？陀^分析地面風(fēng)場表明，浙江東部處于偏北風(fēng)與臺風(fēng)外圍東北風(fēng)之間的大尺度輻合區(qū)內(nèi)，受海陸摩擦差異影響浙江沿海地區(qū)也有顯著風(fēng)速輻合，有利于螺旋雨帶降水維持和增強(qiáng)。

圖4 2019年8月9日20時(shí)(a)雷達(dá)組合反射率因子(填色)、海平面氣壓(黑線，單位: hPa)(藍(lán)色虛線S1代表螺旋雨帶)，(b)地面自動站分析風(fēng)場、過去1小時(shí)累計(jì)降水量(紅色等值線，單位: mm)以及地形海拔高度(填色)(紫線為臺風(fēng)利奇馬路線，下同)Fig.4 (a) Composite reflectivity factor (colored), sea level pressure (black line, unit: hPa) (blue dashed line: spiral rainband S1); (b) surface wind analysis from automatic weather station network, precipitation in past 1 h (red contour, unit: mm) and topography height (colored) at 20:00 BT 9 August 2019(Purple line means Lekima’s path, the same below)

8月9日夜間臺風(fēng)中心靠近浙江沿海，S1螺旋雨帶相對于臺風(fēng)中心向徑向外方向擴(kuò)散、強(qiáng)度減弱(圖5a)，但天臺山地區(qū)開始受新生螺旋雨帶S2影響，降水強(qiáng)度達(dá)20～40 mm·h-1(圖5b)，雷達(dá)回波具有明顯的“列車效應(yīng)”特征，在天臺山東側(cè)迎風(fēng)坡形成降水中心。臺風(fēng)眼墻活躍對流區(qū)仍然位于臺風(fēng)中心前進(jìn)方向左側(cè)，受其影響浙江雁蕩山—括蒼山地區(qū)平均降水強(qiáng)度超過50 mm·h-1，其中雁蕩山附近自動站最大小時(shí)降水量達(dá)98.6 mm；而在臺風(fēng)中心右側(cè)眼墻區(qū)的東南氣流中，降水強(qiáng)度僅為5～15 mm·h-1，降水強(qiáng)度差異明顯。雁蕩山北端與括蒼山構(gòu)成面向大海的開口地形，在臺風(fēng)環(huán)流背景下，山口處形成了顯著低層流場匯合，有利于地形收口區(qū)內(nèi)側(cè)區(qū)域的降水增強(qiáng)。浙江東部地區(qū)降水分布與臺風(fēng)螺旋雨帶、眼墻對流非對稱結(jié)構(gòu)以及浙江東部臨海地區(qū)地形特征有直接關(guān)系。

圖5 同圖4，但為10日03時(shí)(圖5a中S2虛線代表新生螺旋雨帶，圖5b中黑色箭頭代表山口處匯合流線)Fig.5 Same as Fig.4, but at 03:00 BT 10 August 2019(Blue dashed line (S2) means new-born spiral rainband in Fig.5a, black arrows mean convergent airflow near trumpet-shaped topography in Fig.5b)

2.3 臺風(fēng)云物理特征分析

GPM-DPR雷達(dá)Ku波段反射率因子分析表明(圖6a)，登陸前臺風(fēng)內(nèi)眼墻直徑接近50 km，回波強(qiáng)度在30～50 dBz左右；外眼墻直徑約為100～120 km，臺風(fēng)中心左側(cè)部分對流反射率因子超過50 dBz，內(nèi)外眼墻之間存在寬度10～20 km左右的弱回波區(qū)。臺風(fēng)西側(cè)到西南側(cè)的螺旋雨帶距離臺風(fēng)外眼墻80～100 km，反射率因子在30～40 dBz，結(jié)構(gòu)相對松散。在過臺風(fēng)中心的反射率因子垂直剖面A1—A2 上(圖6b)，臺風(fēng)內(nèi)眼墻對流發(fā)展高度最高，內(nèi)外眼墻區(qū)域超過35 dBz的反射率因子處于6 km 以下的暖云層中，其中臺風(fēng)外眼墻2.5 km以下反射率因子達(dá)50 dBz，表明臺風(fēng)強(qiáng)降水與暖云降水機(jī)制密切相關(guān)。

圖6 2019年8月9日21:50(a)GPM-DPR Ku波段雷達(dá)反射率因子，(b)經(jīng)過圖6a中A1—A2的反射率因子垂直剖面Fig.6 (a) Ku-band reflectivity factor from GPM-DPR, and (b) vertical cross-section of reflectivity factor across A1-A2 in Fig.6a at 21:50 BT 9 August 2019

從GPM-DPR遙感反演降水類型分析(圖7a)，臺風(fēng)S1和S2螺旋雨帶以層積混合云降水和熱帶深層云降水為主，在雨帶中鑲嵌有少量積云性降水；內(nèi)外眼墻區(qū)域以熱帶深對流云降水為主。Wu et al(2021)使用GPM-DPR遙感反演表明，臺風(fēng)利奇馬內(nèi)核區(qū)云水含量達(dá)到 5.7 kg·m-2，明顯超出Han et al(2015)基于衛(wèi)星被動微波觀測對超級臺風(fēng)浣熊總含水量估測，有利于形成高暖云降水效率。GPM-DPR降水估測產(chǎn)品表明(圖7b)臺風(fēng)眼墻左側(cè)局部區(qū)域降水強(qiáng)度超過100 mm·h-1，與雁蕩山自動站實(shí)測較為接近；而臺風(fēng)外圍螺旋雨帶降水強(qiáng)度一般為5～15 mm·h-1，低于地面自動站觀測降水強(qiáng)度，主要原因是DPR Ku波段對大直徑降水粒子敏感，對強(qiáng)降水反映更好。

圖7 2019年8月9日21:50 GPM-DPR反演(a)降水類型，(b)降水強(qiáng)度，(c)降水粒子有效直徑(Dm)和(d)歸一化降水粒子數(shù)密度(lgNw)Fig.7 (a) Precipitation type, (b) precipitation rate, (c) effective raindrop diameter (Dm) and (d) generalized number concentration (lgNw) retrieved from GPM-DPR at 21:50 BT 9 August 2019

GPM-DPR反演臺風(fēng)云區(qū)雨滴有效直徑(Dm)平均在1.5 mm左右(圖7c)，眼墻對流旺盛區(qū)域Dm超過2 mm，眼墻區(qū)域雨滴數(shù)濃度(Nw)高出外圍雨帶2～3個(gè)數(shù)量級(圖7d)。Chen et al(2012)利用激光雨滴譜儀研究表明，2009年第8號臺風(fēng)莫拉克的Dm集中在1.5 mm附近，lgNw集中在3～4.5 m-4；對比表明臺風(fēng)利奇馬的衛(wèi)星反演Dm與臺風(fēng)莫拉克接近，眼墻區(qū)域lgNw可達(dá)到6～8 m-4，有利于在“利奇馬”內(nèi)核區(qū)域出現(xiàn)高降水強(qiáng)度。

3 “利奇馬”降水非對稱特征成因分析

3.1 臺風(fēng)登陸期間低層環(huán)流和鋒生特征

臺風(fēng)利奇馬在登陸前向北偏西方向移動，與西太平洋副熱帶高壓之間氣壓梯度增強(qiáng)，ERA5診斷表明9日20時(shí)850 hPa上臺風(fēng)中心北側(cè)形成大片32 m·s-1以上的大風(fēng)速區(qū)(圖8a)，近岸偏東風(fēng)風(fēng)速超過36 m·s-1，但在近岸摩擦等因素下出現(xiàn)急流帶斷裂，浙江東部沿海地區(qū)位于東風(fēng)風(fēng)速核出口位置，水平輻合造成的強(qiáng)迫抬升運(yùn)動有利于S1螺旋雨帶降水發(fā)展。浙江東部處于臺風(fēng)暖濕氣團(tuán)以及陸地干冷氣團(tuán)之間的過渡地區(qū)，計(jì)算表明該地區(qū)低層鋒生強(qiáng)度為1.5～2.0 K·(100 km)-1·h-1，其中輻合項(xiàng)FG1對總鋒生貢獻(xiàn)為87%，臺風(fēng)大風(fēng)速出口區(qū)形成的輻合對鋒生作用最為明顯。

圖8 2019年8月(a)9日20時(shí)和(b)10日02時(shí)850 hPa風(fēng)場和32 m·s-1以上風(fēng)速(紅線)、位溫(黑線，單位: K)和鋒生函數(shù)[填色，單位：K·(100 km)-1·h-1]Fig.8 Wind barb and wind speed >32 m·s-1 (red line) at 850 hPa, geopotential temperature (black line, unit: K), and frontogenesis function [colored, unit: K·(100 km)-1·h-1] at 850 hPa at (a) 20:00 BT 9 and (b) 02:00 BT 10 August 2019

臺風(fēng)登陸期間10日凌晨，臺風(fēng)中心前進(jìn)方向右側(cè)850 hPa大風(fēng)速核超過40 m·s-1(圖8b)，風(fēng)速軸與浙江中部海岸線幾乎正交，天臺山地區(qū)恰好位于臺風(fēng)大風(fēng)速核出口的強(qiáng)輻合區(qū)，有利于垂直上升運(yùn)動發(fā)展。浙江東部仍然維持鋒生，鋒生強(qiáng)度變化不大，其中變形項(xiàng)FG2對總鋒生貢獻(xiàn)為69%，表明此時(shí)臺風(fēng)流場與等溫線配置形成的拉伸變形機(jī)制對于鋒生貢獻(xiàn)較為明顯。在環(huán)境場風(fēng)速輻合以及持續(xù)鋒生強(qiáng)迫下，有利于臺風(fēng)螺旋雨帶降水維持和增強(qiáng)，對于臺風(fēng)登陸前浙江東部的持續(xù)性降水具有較好的指示意義。

3.2 環(huán)境垂直切變和垂直環(huán)流非對稱特征

臺風(fēng)登陸前9日20時(shí)(圖9a)，環(huán)境垂直切變(VWS)為4 m·s-1，指向臺風(fēng)前進(jìn)方向略偏左方位，垂直差分渦度平流呈偶極子分布，在VWS下游方向?yàn)檎行?，上游方向?yàn)樨?fù)中心，理論上有利于臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)對流集中在VWS指向的左前象限。9日20時(shí)至10日04時(shí)臺風(fēng)登陸期間，VWS為 2～4 m·s-1，并按逆時(shí)針方向小幅偏轉(zhuǎn)，仍然有利于在臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)的左前象限出現(xiàn)最強(qiáng)對流，垂直差分渦度平流對于臺風(fēng)內(nèi)核對流的非對稱分布有較好指示意義。

圖9 ERA5診斷2019年8月9日20時(shí)(a)垂直差分渦度平流(等值線，單位: 10-8 s-2)和正負(fù)平流中心，以及組合反射率因子(填色)(藍(lán)色箭頭為環(huán)境垂直切變，紅色內(nèi)圓半徑為100 km，外圓半徑為200 km)；(b)經(jīng)臺風(fēng)中心VWS方向垂直速度剖面(填色)、水平散度(紅線，單位: 10-4 s-1)和位溫(藍(lán)線，單位: K)(風(fēng)矢量為水平風(fēng)v和垂直速度w合成，w放大10倍)Fig.9 (a) Vertical differential vorticity advection with positive and negative signs at local centers (contour, unit: 10-8 s-2), composite reflectivity factor (colored) (blue vector for environmental VWS from ERA5 reanalysis; red inner circle radius: 100 km, red outer circle radius: 200 km); (b) vertical velocity profile (colored), horizontal divergence (red line, unit: 10-4 s-1), geopotential temperature (blue lines, unit: K) at 20:00 BT 9 August 2019 (vectors composed by horizontal and vertical velocity amplified by 10 times on the vertical cross-section along direction of VWS through typhoon’s center)

基于典型熱帶氣旋定量降水估測關(guān)系Z=250R1.2(Fulton et al, 1998)，圖9a上VWS指向偏左側(cè)區(qū)域的組合反射率因子大致為45 dBz，右側(cè)約為40 dBz，對應(yīng)降水率分別為56 mm·h-1和22 mm·h-1，表明在沒有受近海地形抬升、海陸差異等因素影響下，臺風(fēng)利奇馬眼墻對流的非對稱分布就能夠在登陸點(diǎn)附近造成約1倍的降水強(qiáng)度差異。在沿著VWS方向的垂直剖面上(圖9b)，VWS下游方向具有更明顯的低層輻合、高層輻散，上升運(yùn)動中心位于600～500 hPa，最大上升速度為1 m·s-1左右，約為VWS上游地區(qū)的上升運(yùn)動1倍，與雷達(dá)觀測體現(xiàn)的對流非對稱特征基本一致。

3.3 浙江沿海地形對降水影響分析

綜上所述，浙江東部強(qiáng)降水分布受臺風(fēng)螺旋雨帶和眼墻的中尺度對流結(jié)構(gòu)、近海中小尺度地形以及臺風(fēng)云物理特征等因素綜合影響。臺風(fēng)登陸期間地面自動站分鐘級降水量統(tǒng)計(jì)表明(圖10a)，超過0.5 mm·min-1以上降水強(qiáng)度的高頻次站點(diǎn)集中在括蒼山—雁蕩山構(gòu)成的喇叭口地形內(nèi)側(cè)區(qū)域。對比括蒼山—雁蕩山山區(qū)(DM)和臨海平原地區(qū)(DP)降水強(qiáng)度(圖10b)，在臺風(fēng)登陸前S1螺旋雨帶影響期間，山區(qū)降水強(qiáng)度2倍于平原區(qū)；而在臺風(fēng)內(nèi)核對流影響期間，山區(qū)、平原區(qū)降水強(qiáng)度都在增長，但山區(qū)降水強(qiáng)度增長速度更快，10日04時(shí)山區(qū)平均降水強(qiáng)度達(dá)到1.5 mm·min-1，接近3倍于平原地區(qū)。假定平原地區(qū)降水強(qiáng)度作為臺風(fēng)背景降水強(qiáng)度Rbg，線性相關(guān)分析表明“利奇馬”登陸期間DM與DP降水強(qiáng)度差異ΔR≈1.4Rbg(圖10c)，這一降水增幅關(guān)系受到地形和臺風(fēng)眼墻對流非對稱結(jié)構(gòu)的共同影響。

圖10 2019年9日22時(shí)至10日04時(shí)(a)降水強(qiáng)度超過0.5 mm·min-1站點(diǎn)頻次分析等值線(紅線，圓點(diǎn)半徑代表該站頻次)和地形海拔高度(填色)(DM方框：山區(qū)，DP：平原區(qū))，(b)DM和DP區(qū)域平均降水強(qiáng)度時(shí)間變化(虛線：臺風(fēng)登陸時(shí)間)，(c)DM-DP降水強(qiáng)度差異ΔR與臺風(fēng)背景降水強(qiáng)度Rbg散點(diǎn)分布和線性回歸直線(紅線)Fig.10 (a) Frequency analysis of precipitation rate >0.5 mm·min-1 (red line, radius of circles: frequency at stations), and topography height (colored) (DM: mountain domain box, DP: plain domain box), (b) area-averaged precipitation rate (blue dashed line: typhoon’s landing time), and (c) scatter plot of precipitation rate difference (ΔR) and background precipitation rate (Rbg) linear regression (red line) from 22:00 BT 9 to 04:00 BT 10 August 2019

Yu and Cheng(2013)考慮臺風(fēng)背景下地形抬升以及云物理機(jī)制影響，將地形降水增幅ΔRm估計(jì)為：

以上分析表明，臺風(fēng)利奇馬在浙江東部的地形性降水增幅效應(yīng)與臺風(fēng)對流非對稱結(jié)構(gòu)對降水的影響基本相當(dāng)，并且地形降水增幅效應(yīng)、臺風(fēng)對流非對稱結(jié)構(gòu)都對臺風(fēng)中心前進(jìn)方向的左前側(cè)降水有增強(qiáng)效應(yīng)，有利于在臺風(fēng)中心左前側(cè)的括蒼山—雁蕩山山區(qū)造成極端降水。需要指出，上述診斷計(jì)算受多項(xiàng)物理參數(shù)不確定性影響，特別是臺風(fēng)背景降水強(qiáng)度Rbg估計(jì)缺少直接觀測，后繼需要更多的臺風(fēng)降水個(gè)例統(tǒng)計(jì)分析，并借助數(shù)值模擬試驗(yàn)做進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論與討論

本文基于多源資料揭示了臺風(fēng)利奇馬登陸期間的螺旋雨帶、眼墻對流的中尺度結(jié)構(gòu)以及臺風(fēng)云物理特征；初步總結(jié)了臺風(fēng)登陸過程中不同階段強(qiáng)降水基本特征和成因；基于近海山區(qū)和平原區(qū)降水強(qiáng)度觀測對比，結(jié)合臺風(fēng)背景地形降水增幅理論模型，分析了浙江東部近海地區(qū)中小尺度地形對臺風(fēng)利奇馬降水的影響。

(1)受“利奇馬”影響浙江東部降水持續(xù)時(shí)間長達(dá)30 h，8月9日白天受臺風(fēng)外圍S1螺旋雨帶長時(shí)間影響，降水強(qiáng)度一般在10～30 mm·h-1；9日夜間強(qiáng)降水與臺風(fēng)新生螺旋雨帶S2和眼墻對流相關(guān)，降水強(qiáng)度可接近100 mm·h-1；降水中心分布與臺風(fēng)中尺度螺旋雨帶、眼墻對流的中小尺度特征以及浙江東部天臺山、括蒼山和雁蕩山等地形特征相關(guān)。

(2)GPM衛(wèi)星反演產(chǎn)品表明臺風(fēng)螺旋雨帶以層積混合型降水為主，臺風(fēng)眼墻區(qū)以熱帶暖云對流性降水為主，眼墻區(qū)域的雨滴有效直徑更大、雨滴密度更高，有利于產(chǎn)生高暖云降水效率；衛(wèi)星反演眼墻對流左側(cè)區(qū)域降水強(qiáng)度超過100 mm·h-1，與實(shí)況降水強(qiáng)度觀測接近。

(3)臺風(fēng)利奇馬在向華東近海地區(qū)靠近時(shí)，浙江東部地區(qū)持續(xù)受臺風(fēng)外圍大風(fēng)速出口區(qū)輻合以及低層鋒生影響，有利于外圍螺旋雨帶的維持和發(fā)展；登陸前后環(huán)境垂直切變主要指向臺風(fēng)前進(jìn)方向偏左側(cè)，有利于在垂直切變下游方向上形成更活躍的對流，導(dǎo)致登陸點(diǎn)附近強(qiáng)降水區(qū)整體偏向于臺風(fēng)中心左側(cè)；臺風(fēng)路徑右側(cè)天臺山地區(qū)強(qiáng)降水與新生螺旋雨帶造成的列車效應(yīng)相關(guān)。

(4)地面自動站分鐘級降水觀測表明，“利奇馬”登陸期間浙江近海山區(qū)降水強(qiáng)度2～3倍于近海平原地區(qū)，理論診斷證明地形降水增幅效應(yīng)可解釋約50%的山區(qū)/平原區(qū)降水強(qiáng)度差異；地形降水增幅、眼墻對流非對稱性分布都對臺風(fēng)中心前進(jìn)方向的左前側(cè)降水有增強(qiáng)效應(yīng)，有利于在臺風(fēng)中心左前側(cè)的括蒼山—雁蕩山山區(qū)造成極端降水。

本文應(yīng)用多源資料討論了臺風(fēng)利奇馬登陸前后的對流結(jié)構(gòu)、降水特征和基本成因，但對于臺風(fēng)螺旋雨帶和內(nèi)核對流的中小尺度結(jié)構(gòu)需要更為深入的分析，關(guān)于環(huán)境垂直切變、地形特征對降水影響需要更多的臺風(fēng)降水個(gè)例分析，通過高分辨率數(shù)值模式預(yù)報(bào)試驗(yàn)做進(jìn)一步的驗(yàn)證。