兩個相似路徑臺風引發(fā)的東部沿海地區(qū)降水分布特征及成因?qū)Ρ确治?/h1>
2022-07-02 06:43:22李君李妍賈瑞田云菲
海洋預(yù)報 2022年3期
李君，李妍，賈瑞，田云菲
（1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,山東 濟南 250031；2.山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255000）
1 引言
受全球變暖影響，1970年以來西北太平洋臺風的平均強度明顯增強，強臺風頻數(shù)增大[1-2]，我國以登陸臺風為代表的極端降水事件呈明顯增多的趨勢[3-4]。臺風暴雨經(jīng)常導(dǎo)致洪水、山體滑坡和泥石流等次生災(zāi)害，給人類社會造成巨大損失。隨著中國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，沿海地區(qū)人口更加稠密，臺風暴雨高度的脆弱性和敏感性造成的總體直接經(jīng)濟損失顯著增長[5]。臺風暴雨損失的減少在很大程度上依賴于登陸臺風暴雨預(yù)報能力的提高。
不同臺風的大氣環(huán)流背景場并不相同。研究臺風與環(huán)境場的相互作用，分析登陸臺風暴雨強度和分布規(guī)律，能為登陸臺風造成的強降水預(yù)報提供極為重要的依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)大尺度環(huán)流與臺風暴雨有密切聯(lián)系。西風槽在登陸臺風與中緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用中占有重要地位[6-8]，與臺風變性有直接關(guān)系，西風槽強度的變化將直接導(dǎo)致降水強度的不同。中低空西南急流是登陸后臺風獲取水汽和不穩(wěn)定能量的主要通道[7]，李英等[9]和方艷瑩等[10]分別用數(shù)值模式模擬和個例分析證明了低空急流持續(xù)的水汽供應(yīng)可減緩登陸臺風強度的衰減，增強強對流活動，使降水增加。臺風降水與高空急流的位置和強弱也密切相關(guān)，高空流出氣流的增強可使低層減壓并產(chǎn)生氣旋式變風場，對其南側(cè)的臺風有重要作用[11]。9711 號臺風數(shù)值試驗表明，較強的槽前高空輻散有利于臺風的維持和長久發(fā)展，從而影響降水的強度[11]。由此可見，臺風登陸后降水的強弱與大尺度環(huán)流背景關(guān)系密切，加強對登陸臺風大尺度背景場的分析是臺風暴雨研究中不可或缺的一環(huán)。
山東地處我國東部沿海地區(qū)，北上影響山東的熱帶氣旋平均每年有2 個，最多為7 個，造成的災(zāi)害以暴雨最為嚴重[12]。熱帶氣旋經(jīng)過長距離移動影響山東，受冷或粗糙的下墊面影響，多數(shù)熱帶氣旋強度減弱或變性。北上路徑相似的變性臺風所經(jīng)地區(qū)的降水可能有較大差異[13-14]。本文利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的再分析資料和中國氣象局觀測站點的實況降水觀測數(shù)據(jù)及濟南多普勒雷達資料，對影響山東的兩個路徑相似臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”的降水分布特征進行對比；應(yīng)用天氣學診斷分析的方法，研究兩個臺風的大尺度環(huán)流背景和動熱力結(jié)構(gòu)特點；探討大尺度環(huán)流與臺風相互作用對降水分布及強度的影響，以期為中緯度登陸臺風預(yù)報提供有益參考。
2 臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”造成的山東降水特征分析
臺風“利奇馬”是2019年登陸中國最強的臺風，影響范圍大（見圖1），持續(xù)時間長，極端降水區(qū)集中，引發(fā)了洪水和泥石流等自然災(zāi)害。山東平均降水量170.3 mm，最大降水量479.3 mm（濟南市章丘），72 h累積降水大于250 mm的區(qū)域位于魯中（見圖2a），出現(xiàn)在臺風路徑的西側(cè)，21個站點日降水量突破歷史記錄。2005年9號臺風“麥莎”登陸后降水也較強（見圖1），但明顯弱于臺風“利奇馬”，山東平均降水量49.8 mm，最大降水量199.7 mm（淄博市博山），72 h 累積降水大于100 mm 的區(qū)域出現(xiàn)在魯中山區(qū)北部和半島東南部（見圖2b），分布在臺風路徑的東西兩側(cè)，但東側(cè)范圍更大。這兩個路徑相似但降水強度及分布顯著不同的臺風，為理解和預(yù)報登陸臺風降水提供了較好的對比分析個例。
圖1 臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”的移動路徑Fig.1 Tracks of typhoon"Lekima"and"Matsa"
圖2 臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”登陸山東前后的72 h累積降水分布（單位：mm）Fig.2 The distribution of 72-hour cumulative precipitation（unit：mm）in Shandong before and after the landing of typhoon"Lekima"and"Matsha"
臺風影響山東的24 h 累積降水分布顯示（見圖3，圖中時間均為北京時，下同），臺風“利奇馬”降水集中在登陸山東之前的2019 年8 月10—11 日，占總降水量的近9 成。10 日較強降水區(qū)域出現(xiàn)在魯西、魯中和魯南（見圖3a），沿黃河小于25 mm 的狹長區(qū)域?qū)⒔邓畢^(qū)清晰的分為東西兩部分，提示可能是不同系統(tǒng)造成的；11 日降水明顯增強（見圖3b），大于100 mm 的區(qū)域貫穿山東中部，魯中北部的降水量大于350 mm，位于路徑左側(cè)，半島有少量大于100 mm的降水區(qū)；12 日登陸后降水減弱（見圖3c），50～100 mm 的區(qū)域仍然位于路徑左側(cè)。陳聯(lián)壽等[15]指出，臺風登陸前后的海岸地形作用將加強臺風中心東側(cè)降雨，臺風東側(cè)半島部分地區(qū)大于100 mm 的降水說明臺風登陸降水與海岸地形有較大關(guān)系，其西側(cè)魯中地區(qū)的強降水則說明有更重要的影響因素。Atallah 等[16]的相關(guān)研究證明，在美國東部，登陸熱帶氣旋路徑西側(cè)的降水與西風槽密切相關(guān)。與臺風“利奇馬”不同，臺風“麥莎”的降水主要出現(xiàn)在臺風登陸后的2005 年8 月8 日（見圖3f），降水中心出現(xiàn)在路徑的東側(cè)，說明海岸地形是臺風“麥莎”降水重要的影響因素。
圖3 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）24 h累積降水分布（單位：mm）Fig.3 The distribution of 24-hour cumulative precipitation（unit:mm）of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
以上分析了相似路徑的兩個臺風的降水強度和時空分布的明顯差異。下面將從環(huán)流形勢入手，對比水汽收支和熱力動力條件等方面的差異并分析原因，為今后此類過程的預(yù)報提供依據(jù)。
3 大尺度環(huán)流形勢特征對比分析
在500 hPa 高度場上，臺風“利奇馬”登陸浙江時（見圖4a），西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）控制著日本海南部及其以東的洋面，臺風“利奇馬”登陸后沿偏南氣流北上（見圖4b），副高向東移到日本海以南地區(qū)；副高南側(cè)的另外一個臺風“羅莎”（1910）沿副高南側(cè)的東南氣流向西北緩慢移動，由臺風減弱為強熱帶風暴。臺風“羅莎”使日本海副高穩(wěn)定在日本海及其以南地區(qū)，阻擋上游系統(tǒng)東移；貝加爾湖阻塞高壓（以下簡稱“阻高”）東移發(fā)展，副高與阻高之間是西風帶深槽，東北亞大氣環(huán)流兩脊一槽的形勢穩(wěn)定少動，為強降水的長時間持續(xù)提供背景條件。槽前西南氣流與北上臺風東側(cè)的偏南氣流在東部沿海合并加強，減弱后的臺風環(huán)流逐漸并入槽區(qū)，槽加深成低渦；山東處于低渦東北象限，強勁的東南氣流控制，該區(qū)域水汽充沛、垂直運動活躍且不穩(wěn)定能量集中，極端強降水發(fā)生在大尺度形勢穩(wěn)定少動、低渦形成和維持期間，隨低渦緩慢向東北移動，降水逐漸減弱（見圖4c）。臺風“麥莎”登陸時，強盛的副高控制朝鮮半島及其以東地區(qū)（見圖4d），臺風“麥莎”沿副高外圍的東南氣流向北略偏西方向移動，路徑較臺風“利奇馬”偏西。隨著臺風“麥莎”北上（見圖4e），副高顯著減弱東撤南移；臺風北部及西北部西風帶地區(qū)一直由副高西伸的高壓脊控制，不利于降水產(chǎn)生，這可以很好地解釋臺風“麥莎”登陸山東之前降水稀少的原因。臺風登陸后副高迅速西伸加強（見圖4f），西北側(cè)的西南氣流引導(dǎo)減弱后的臺風“麥莎”加速向北移動，影響山東時間較短，不利于降水的長時間維持。
圖4 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）500 hPa位勢高度場（等值線，單位：gpm）和850 hPa風場（箭頭，單位：m/s）Fig.4 The 500 hPa geopotential height field（contour，unit：gpm）and 850 hPa wind field（arrow，unit：m/s)during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
4 水汽輸送及高空急流
充分的水汽供應(yīng)是暴雨發(fā)生的必要條件。本節(jié)從兩個臺風的水汽輸送特點分析其對應(yīng)的急流變化對降水差異的影響。
臺風“利奇馬”登陸浙江時的水汽輸送包括來自南海的西南水汽（見圖5a）以及其東南部來自臺風“羅莎”的水汽輸送。臺風“利奇馬”北移過程中強度雖然減弱（見圖5b），但其北側(cè)的東南風與南海西南風及臺風“羅莎”北部的東風匯合為強勁的東南風急流（中心風速29.0 m/s），強度與剛登陸浙江時（中心風速31.0 m/s）相近，在東南洋面上形成一條水汽輸送帶。這是臺風“利奇馬”的主要水汽來源，將充沛的暖濕氣流輸送到臺風北到西北部上空，與山東的強降水分布相一致（見圖3b），該區(qū)域上空水汽輻合（-3.4×10-5g·s/kg）幾乎達到剛登陸時的強度（-3.7×10-5g·s/kg）。強水汽輻合區(qū)的西北側(cè)是強輻散區(qū)，之間為東南急流和東北風切變，與強降水區(qū)西部邊界一致。東南風急流提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，東北風切變則意味著冷空氣的加入。在大尺度環(huán)流背景穩(wěn)定少動的情況下，東南急流、950 hPa強輻合區(qū)以及東北風切變從10日20：00—11 日8：00 一直存在，維持12 h 以上，向上延伸至400 hPa，深厚持久。北移的臺風降水回波從10 日18：00 后顯著增強并在魯中地區(qū)停滯，直到11 日11：00 回波開始減弱，持續(xù)時間大于16 h，時間和空間分布上與東南急流、強輻合區(qū)和東北風切變吻合，與降水中心一致，是造成山東極端降水的主要因素。后期臺風脫離水汽輸送帶（見圖5c），降水強度顯著減小（見圖3c）。臺風“麥莎”輸送水汽通道也來自南海（見圖5d），較臺風“利奇馬”弱。臺風向北移動中逐漸與水汽輸送帶斷開，影響山東時更多是自身環(huán)流夾帶的水汽（見圖5e），因此，臺風“麥莎”登陸山東時降水才開始增大，水汽來自臺風環(huán)流的東側(cè)和北側(cè)，輻合中心位于東北象限，其東側(cè)的偏南風氣流未能形成輸送充沛水汽的急流，降水量遠小于臺風“利奇馬”，降水中心在臺風路徑的東側(cè)。
圖5 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）的950 hPa風場（箭矢表示風速≥6 m/s，單位：m/s）、水汽通量（填色，單位：g/kg·m/s）Fig.5 The 950 hPa wind field（the arrow denotes velocity no less than 6 m/s，unit：m/s）and water vapor flux（color，unit：g/kg·m/s）during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
南亞高壓是北半球夏季出現(xiàn)在青藏高原及鄰近地區(qū)300～100 hPa 上的行星尺度高壓系統(tǒng)。2019年8月10日8：00臺風“利奇馬”登陸浙江時，南亞高壓被貝加爾湖及以南的大槽和臺風分裂為兩個中心（見圖6a），一個在青藏高原西側(cè)，另一個在日本海附近。臺風“羅莎”在其東南方向，南亞高壓和貝加爾湖大槽都較臺風“麥莎”登陸時更為強盛。貝加爾湖大槽槽前有一風速超過40 m/s 的西南急流，急流入口區(qū)右側(cè)為輻散區(qū)（中心為8.0×10-5/s）。研究證明[11]，高空急流入口區(qū)的次級環(huán)流在急流右側(cè)會造成高空輻散低空輻合的上升運動，并與低層鋒區(qū)相配合。雷達資料分析發(fā)現(xiàn)（圖略），8 月10 日早上在山西和山東西部有東北-西南向的對流云帶，并在魯西造成局地強降水（見圖3a），此時臺風云帶剛剛從魯東南進入山東，顯然不是一個系統(tǒng)造成的，此降水可能與高空急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)對應(yīng)的上升運動有關(guān)。隨著臺風向北移動靠近急流（見圖6b），臺風東部的南亞高壓中心受北移臺風“羅莎”的影響，穩(wěn)定少動且強度增強，南亞高壓西部中心沿西風帶東移，貝加爾湖大槽因此加深且近乎停滯，此時槽區(qū)氣壓梯度增大。臺風使對流層上層增暖[17]，根據(jù)熱成風關(guān)系，可增強對流層上層的西南風。氣壓梯度增大和熱成風合并使高空西南風速增大（中心風速57 m/s），氣流高速流出，輻散中心增大（1.6×10-4/s），高空抽吸作用增強，垂直運動和低層輻合加強，形成深厚而強烈的上升運動，也使臺風減弱且速度變慢。顯然，臺風與南亞高壓、高空急流的配置和相互作用是魯中地區(qū)降水增幅明顯并持續(xù)的重要原因。臺風“麥莎”雖然也伴有南亞高壓和貝加爾湖槽的活動，但強度都明顯偏弱，缺少高空急流和下游臺風，輻散區(qū)弱且分散，不利于形成強烈的上升運動。
圖6 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）的300 hPa的高度場（等值線，單位：gpm）、風場（箭頭，單位：m/s）以及散度場（單位：10-4/s，紅色部分為輻散區(qū)，藍色部分為輻合區(qū)）Fig.6 The 300 hPa height field（contour，unit：gpm），wind field（arrow，unit：m/s）and the divergence field（color，unit：10-4/s，red for divergence area and blue for convergence area）during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
由此可見，臺風環(huán)流與500 hPa 副高、阻高、西風槽的相互作用、水汽輸送的差異、300 hPa 南亞高壓的位置強度和下游臺風及急流的不同位置，對登陸后臺風暴雨的強度和分布均有重要影響。
5 臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”登陸前后動熱力結(jié)構(gòu)對比
本節(jié)分析臺風自身的熱力和動力結(jié)構(gòu)，研究其對降水分布和強度的重要影響。圖7a—c 和7d—f分別給出了臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”中心附近的溫度距平垂直剖面圖。剛登陸時，臺風“利奇馬”維持一個對稱且深厚的暖心結(jié)構(gòu)，中心位于250 hPa附近，最大溫度距平為6.1 ℃，是由水汽凝結(jié)釋放的潛熱加熱作用造成的[15]，而強的潛熱釋放反映了較強的降水；隨著臺風“利奇馬”向北移動，受下墊面摩擦影響，較強冷空氣從西側(cè)中高層逐漸侵入臺風環(huán)流中，暖中心下降，結(jié)構(gòu)變得松散，降水強度減弱；之后暖中心向東偏離臺風中心（見圖7c），臺風中心位于冷暖空氣的分界處，此時的臺風已經(jīng)具有“半冷半暖”的鋒面氣旋非對稱結(jié)構(gòu)特點。臺風“麥莎”登陸時暖心比臺風“利奇馬”弱得多（見圖7d），溫度距平梯度較臺風“利奇馬”小，垂直方向上熱力不對稱，冷空氣從東側(cè)低層侵入；向北移動過程中（見圖7e），暖中心下降，更多的西側(cè)冷空氣加入，結(jié)構(gòu)更松散，登陸山東前已經(jīng)出現(xiàn)鋒面氣旋的熱力不對稱特點。
圖7 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）的溫度距平場（單位：℃）沿臺風中心的經(jīng)向垂直剖面（為臺風中心所在位置）Fig.7 The meridional vertical profile of temperature anomaly field（unit：℃）crossing the typhoon center of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）（The triangle is the location of the typhoon center）
以上分析可知，登陸時臺風“麥莎”的暖心結(jié)構(gòu)強度明顯弱于臺風“利奇馬”，登陸后暖心逐漸遭到破壞，登陸山東前已經(jīng)出現(xiàn)鋒面氣旋的特征。臺風“利奇馬”的暖心結(jié)構(gòu)維持時間更長，減弱緩慢，東側(cè)的東南急流提供來自海洋的暖濕氣流，有利于產(chǎn)生強降水，其凝結(jié)潛熱釋放使得暖心結(jié)構(gòu)得以長時間維持，臺風減弱緩慢。臺風“麥莎”缺少低空急流的加入，是維持時間短和降水偏小的重要原因。
圖8是臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”的渦度、散度以及垂直速度沿臺風中心的緯向剖面圖。渦度場上，臺風“利奇馬”登陸時（見圖8a），中心渦度場維持一個深厚的垂直對稱結(jié)構(gòu)，強度明顯比臺風“麥莎”強，中心低層均為強輻合上升運動，達到400 hPa，強輻散區(qū)在200 hPa 附近，符合成熟臺風的基本結(jié)構(gòu)；臺風北移渦度隨著臺風強度的減弱而減小（圖略），沿37°N 做緯向剖面（見圖8b），在臺風“利奇馬”北側(cè)的強降水區(qū)上空發(fā)現(xiàn)一個隨高度向西傾斜的輻合區(qū)，與深厚而強烈的上升運動疊加，向上達到400 hPa，甚至超過臺風剛剛登陸時的強度，對應(yīng)的強輻散區(qū)在300 hPa 附近，與300 hPa 高空急流入口區(qū)右側(cè)的強輻散相吻合。隨著臺風“利奇馬”繼續(xù)向北移動，中心附近低層輻合強度及范圍減小，仍然強于臺風“麥莎”，上升運動依然旺盛，達到500 hPa，上空有明顯的輻散區(qū)。低層輻合上升和高空輻散流出的這種配置結(jié)構(gòu)在降水區(qū)長時間維持，是造成極端暴雨的主要動力因子。臺風“麥莎”登陸時中心上空的渦度場分布均勻，散度場與垂直速度場呈明顯不對稱分布，除了臺風中心低層輻合區(qū)外，另一個輻合中心在臺風“麥莎”中心的東側(cè)與上升運動區(qū)疊加，產(chǎn)生的次級環(huán)流造成海上降水；隨著臺風“麥莎”北上，渦度場減小，中心降低，淺薄的輻合區(qū)僅在臺風中心存在，上升運動弱且向東遠離臺風中心，降水也向東偏離臺風。因此登陸臺風的熱動力結(jié)構(gòu)的不同也是臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”降水分布特征不同的原因之一。
圖8 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）的垂直速度（單位：Pa/s，紅色線，負值代表上升運動）、渦度（單位：10-4/s，黑色線，實（虛）線為正（負）渦度）以及散度（單位：10-4/s，藍色部分為輻合區(qū)，綠色部分為輻散區(qū)）沿臺風中心（b為沿37°N）的緯向-垂直剖面Fig.8 The zonal-vertical section along the typhoon center（b is along 37°N）of the vertical speed（unit:Pa/s,red line,negative values for rising），vorticity（unit：10-4/s，black line，solid for positive and dotted for negative）and divergence（unit:10-4/s,blue for convergence area and green for divergence area）of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f,2005）
6 結(jié)論與討論
臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”移動路徑雖然相似，但在山東產(chǎn)生的降水強度和分布差異明顯。本文對兩個臺風的降水分布特征、大氣環(huán)流形勢、水汽輸送、高空急流配置和動熱力結(jié)構(gòu)變化的異同點進行了分析。結(jié)論如下：
（1）大尺度環(huán)流差異是造成降水強度和分布差異的重要原因。臺風“利奇馬”與西風帶深槽合并，有利于山東地區(qū)產(chǎn)生強降水，且降水分布偏向路徑西側(cè)；受下游臺風“羅莎”阻擋，東北亞環(huán)流移動緩慢停滯，提供了一個有利于降水長時間維持的背景場。臺風“麥莎”受深入西風帶的強盛副高影響，登陸山東前降水稀少，登陸山東后受西南暖濕氣流影響，產(chǎn)生強降水，但移動速度較快，降水不能長時間維持，降水量偏小。
（2）低空急流差異是導(dǎo)致降水強度和分布差異的重要因素。臺風“利奇馬”北側(cè)的東南急流為降水區(qū)輸送充沛水汽和不穩(wěn)定能量，強水汽輻合中心在臺風的西北側(cè)，因此極端降水落區(qū)在路徑的西側(cè)；而臺風“麥莎”更多是自身環(huán)流夾帶的水汽，低層無急流，受海岸地形輻合影響，降水中心主要在路徑的東側(cè)。
（3）高空急流與臺風的相對位置及其相互作用對降水有重要影響。臺風“利奇馬”高空急流入口區(qū)的次級環(huán)流造成的高空輻散低空輻合與臺風系統(tǒng)相疊加，形成深厚而強烈的上升運動，導(dǎo)致降水顯著增幅，也使臺風系統(tǒng)減弱變緩；臺風“麥莎”沒有相應(yīng)的高空急流，上升運動淺薄。
（4）臺風動力和熱力結(jié)構(gòu)的不同也是造成降水分布特征不同的原因之一。臺風“利奇馬”東側(cè)的持續(xù)東南急流使暖心結(jié)構(gòu)得以長時間維持，系統(tǒng)減弱緩慢，降水持續(xù)時間長；臺風“麥莎”缺少低空急流的影響，移動快，系統(tǒng)減弱快，降水偏小。另外，臺風“利奇馬”北側(cè)的強輻合中心與旺盛的上升運動疊加的區(qū)域與暴雨區(qū)一致，與高空急流入口區(qū)右側(cè)的強輻散相對應(yīng)；臺風“麥莎”低層輻合區(qū)淺薄且上升運動弱。
本文主要用天氣學診斷分析的方法討論了影響山東的兩個路徑相似臺風的降水差異，所做的研究還較為初步。影響臺風降水落區(qū)和強度的問題相當復(fù)雜，今后還需通過更多觀測資料做中尺度分析診斷，并利用高分辨率數(shù)值模式進行更多深入的研究。
李君，李妍，賈瑞，田云菲
（1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室,山東 濟南 250031；2.山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255000）
1 引言
受全球變暖影響，1970年以來西北太平洋臺風的平均強度明顯增強，強臺風頻數(shù)增大[1-2]，我國以登陸臺風為代表的極端降水事件呈明顯增多的趨勢[3-4]。臺風暴雨經(jīng)常導(dǎo)致洪水、山體滑坡和泥石流等次生災(zāi)害，給人類社會造成巨大損失。隨著中國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，沿海地區(qū)人口更加稠密，臺風暴雨高度的脆弱性和敏感性造成的總體直接經(jīng)濟損失顯著增長[5]。臺風暴雨損失的減少在很大程度上依賴于登陸臺風暴雨預(yù)報能力的提高。
不同臺風的大氣環(huán)流背景場并不相同。研究臺風與環(huán)境場的相互作用，分析登陸臺風暴雨強度和分布規(guī)律，能為登陸臺風造成的強降水預(yù)報提供極為重要的依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)大尺度環(huán)流與臺風暴雨有密切聯(lián)系。西風槽在登陸臺風與中緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用中占有重要地位[6-8]，與臺風變性有直接關(guān)系，西風槽強度的變化將直接導(dǎo)致降水強度的不同。中低空西南急流是登陸后臺風獲取水汽和不穩(wěn)定能量的主要通道[7]，李英等[9]和方艷瑩等[10]分別用數(shù)值模式模擬和個例分析證明了低空急流持續(xù)的水汽供應(yīng)可減緩登陸臺風強度的衰減，增強強對流活動，使降水增加。臺風降水與高空急流的位置和強弱也密切相關(guān)，高空流出氣流的增強可使低層減壓并產(chǎn)生氣旋式變風場，對其南側(cè)的臺風有重要作用[11]。9711 號臺風數(shù)值試驗表明，較強的槽前高空輻散有利于臺風的維持和長久發(fā)展，從而影響降水的強度[11]。由此可見，臺風登陸后降水的強弱與大尺度環(huán)流背景關(guān)系密切，加強對登陸臺風大尺度背景場的分析是臺風暴雨研究中不可或缺的一環(huán)。
山東地處我國東部沿海地區(qū)，北上影響山東的熱帶氣旋平均每年有2 個，最多為7 個，造成的災(zāi)害以暴雨最為嚴重[12]。熱帶氣旋經(jīng)過長距離移動影響山東，受冷或粗糙的下墊面影響，多數(shù)熱帶氣旋強度減弱或變性。北上路徑相似的變性臺風所經(jīng)地區(qū)的降水可能有較大差異[13-14]。本文利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的再分析資料和中國氣象局觀測站點的實況降水觀測數(shù)據(jù)及濟南多普勒雷達資料，對影響山東的兩個路徑相似臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”的降水分布特征進行對比；應(yīng)用天氣學診斷分析的方法，研究兩個臺風的大尺度環(huán)流背景和動熱力結(jié)構(gòu)特點；探討大尺度環(huán)流與臺風相互作用對降水分布及強度的影響，以期為中緯度登陸臺風預(yù)報提供有益參考。
2 臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”造成的山東降水特征分析
臺風“利奇馬”是2019年登陸中國最強的臺風，影響范圍大（見圖1），持續(xù)時間長，極端降水區(qū)集中，引發(fā)了洪水和泥石流等自然災(zāi)害。山東平均降水量170.3 mm，最大降水量479.3 mm（濟南市章丘），72 h累積降水大于250 mm的區(qū)域位于魯中（見圖2a），出現(xiàn)在臺風路徑的西側(cè)，21個站點日降水量突破歷史記錄。2005年9號臺風“麥莎”登陸后降水也較強（見圖1），但明顯弱于臺風“利奇馬”，山東平均降水量49.8 mm，最大降水量199.7 mm（淄博市博山），72 h 累積降水大于100 mm 的區(qū)域出現(xiàn)在魯中山區(qū)北部和半島東南部（見圖2b），分布在臺風路徑的東西兩側(cè)，但東側(cè)范圍更大。這兩個路徑相似但降水強度及分布顯著不同的臺風，為理解和預(yù)報登陸臺風降水提供了較好的對比分析個例。
圖1 臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”的移動路徑Fig.1 Tracks of typhoon"Lekima"and"Matsa"
圖2 臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”登陸山東前后的72 h累積降水分布（單位：mm）Fig.2 The distribution of 72-hour cumulative precipitation（unit：mm）in Shandong before and after the landing of typhoon"Lekima"and"Matsha"
臺風影響山東的24 h 累積降水分布顯示（見圖3，圖中時間均為北京時，下同），臺風“利奇馬”降水集中在登陸山東之前的2019 年8 月10—11 日，占總降水量的近9 成。10 日較強降水區(qū)域出現(xiàn)在魯西、魯中和魯南（見圖3a），沿黃河小于25 mm 的狹長區(qū)域?qū)⒔邓畢^(qū)清晰的分為東西兩部分，提示可能是不同系統(tǒng)造成的；11 日降水明顯增強（見圖3b），大于100 mm 的區(qū)域貫穿山東中部，魯中北部的降水量大于350 mm，位于路徑左側(cè)，半島有少量大于100 mm的降水區(qū)；12 日登陸后降水減弱（見圖3c），50～100 mm 的區(qū)域仍然位于路徑左側(cè)。陳聯(lián)壽等[15]指出，臺風登陸前后的海岸地形作用將加強臺風中心東側(cè)降雨，臺風東側(cè)半島部分地區(qū)大于100 mm 的降水說明臺風登陸降水與海岸地形有較大關(guān)系，其西側(cè)魯中地區(qū)的強降水則說明有更重要的影響因素。Atallah 等[16]的相關(guān)研究證明，在美國東部，登陸熱帶氣旋路徑西側(cè)的降水與西風槽密切相關(guān)。與臺風“利奇馬”不同，臺風“麥莎”的降水主要出現(xiàn)在臺風登陸后的2005 年8 月8 日（見圖3f），降水中心出現(xiàn)在路徑的東側(cè)，說明海岸地形是臺風“麥莎”降水重要的影響因素。
圖3 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）24 h累積降水分布（單位：mm）Fig.3 The distribution of 24-hour cumulative precipitation（unit:mm）of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
以上分析了相似路徑的兩個臺風的降水強度和時空分布的明顯差異。下面將從環(huán)流形勢入手，對比水汽收支和熱力動力條件等方面的差異并分析原因，為今后此類過程的預(yù)報提供依據(jù)。
3 大尺度環(huán)流形勢特征對比分析
在500 hPa 高度場上，臺風“利奇馬”登陸浙江時（見圖4a），西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）控制著日本海南部及其以東的洋面，臺風“利奇馬”登陸后沿偏南氣流北上（見圖4b），副高向東移到日本海以南地區(qū)；副高南側(cè)的另外一個臺風“羅莎”（1910）沿副高南側(cè)的東南氣流向西北緩慢移動，由臺風減弱為強熱帶風暴。臺風“羅莎”使日本海副高穩(wěn)定在日本海及其以南地區(qū)，阻擋上游系統(tǒng)東移；貝加爾湖阻塞高壓（以下簡稱“阻高”）東移發(fā)展，副高與阻高之間是西風帶深槽，東北亞大氣環(huán)流兩脊一槽的形勢穩(wěn)定少動，為強降水的長時間持續(xù)提供背景條件。槽前西南氣流與北上臺風東側(cè)的偏南氣流在東部沿海合并加強，減弱后的臺風環(huán)流逐漸并入槽區(qū)，槽加深成低渦；山東處于低渦東北象限，強勁的東南氣流控制，該區(qū)域水汽充沛、垂直運動活躍且不穩(wěn)定能量集中，極端強降水發(fā)生在大尺度形勢穩(wěn)定少動、低渦形成和維持期間，隨低渦緩慢向東北移動，降水逐漸減弱（見圖4c）。臺風“麥莎”登陸時，強盛的副高控制朝鮮半島及其以東地區(qū)（見圖4d），臺風“麥莎”沿副高外圍的東南氣流向北略偏西方向移動，路徑較臺風“利奇馬”偏西。隨著臺風“麥莎”北上（見圖4e），副高顯著減弱東撤南移；臺風北部及西北部西風帶地區(qū)一直由副高西伸的高壓脊控制，不利于降水產(chǎn)生，這可以很好地解釋臺風“麥莎”登陸山東之前降水稀少的原因。臺風登陸后副高迅速西伸加強（見圖4f），西北側(cè)的西南氣流引導(dǎo)減弱后的臺風“麥莎”加速向北移動，影響山東時間較短，不利于降水的長時間維持。
圖4 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）500 hPa位勢高度場（等值線，單位：gpm）和850 hPa風場（箭頭，單位：m/s）Fig.4 The 500 hPa geopotential height field（contour，unit：gpm）and 850 hPa wind field（arrow，unit：m/s)during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
4 水汽輸送及高空急流
充分的水汽供應(yīng)是暴雨發(fā)生的必要條件。本節(jié)從兩個臺風的水汽輸送特點分析其對應(yīng)的急流變化對降水差異的影響。
臺風“利奇馬”登陸浙江時的水汽輸送包括來自南海的西南水汽（見圖5a）以及其東南部來自臺風“羅莎”的水汽輸送。臺風“利奇馬”北移過程中強度雖然減弱（見圖5b），但其北側(cè)的東南風與南海西南風及臺風“羅莎”北部的東風匯合為強勁的東南風急流（中心風速29.0 m/s），強度與剛登陸浙江時（中心風速31.0 m/s）相近，在東南洋面上形成一條水汽輸送帶。這是臺風“利奇馬”的主要水汽來源，將充沛的暖濕氣流輸送到臺風北到西北部上空，與山東的強降水分布相一致（見圖3b），該區(qū)域上空水汽輻合（-3.4×10-5g·s/kg）幾乎達到剛登陸時的強度（-3.7×10-5g·s/kg）。強水汽輻合區(qū)的西北側(cè)是強輻散區(qū)，之間為東南急流和東北風切變，與強降水區(qū)西部邊界一致。東南風急流提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，東北風切變則意味著冷空氣的加入。在大尺度環(huán)流背景穩(wěn)定少動的情況下，東南急流、950 hPa強輻合區(qū)以及東北風切變從10日20：00—11 日8：00 一直存在，維持12 h 以上，向上延伸至400 hPa，深厚持久。北移的臺風降水回波從10 日18：00 后顯著增強并在魯中地區(qū)停滯，直到11 日11：00 回波開始減弱，持續(xù)時間大于16 h，時間和空間分布上與東南急流、強輻合區(qū)和東北風切變吻合，與降水中心一致，是造成山東極端降水的主要因素。后期臺風脫離水汽輸送帶（見圖5c），降水強度顯著減小（見圖3c）。臺風“麥莎”輸送水汽通道也來自南海（見圖5d），較臺風“利奇馬”弱。臺風向北移動中逐漸與水汽輸送帶斷開，影響山東時更多是自身環(huán)流夾帶的水汽（見圖5e），因此，臺風“麥莎”登陸山東時降水才開始增大，水汽來自臺風環(huán)流的東側(cè)和北側(cè)，輻合中心位于東北象限，其東側(cè)的偏南風氣流未能形成輸送充沛水汽的急流，降水量遠小于臺風“利奇馬”，降水中心在臺風路徑的東側(cè)。
圖5 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）的950 hPa風場（箭矢表示風速≥6 m/s，單位：m/s）、水汽通量（填色，單位：g/kg·m/s）Fig.5 The 950 hPa wind field（the arrow denotes velocity no less than 6 m/s，unit：m/s）and water vapor flux（color，unit：g/kg·m/s）during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
南亞高壓是北半球夏季出現(xiàn)在青藏高原及鄰近地區(qū)300～100 hPa 上的行星尺度高壓系統(tǒng)。2019年8月10日8：00臺風“利奇馬”登陸浙江時，南亞高壓被貝加爾湖及以南的大槽和臺風分裂為兩個中心（見圖6a），一個在青藏高原西側(cè)，另一個在日本海附近。臺風“羅莎”在其東南方向，南亞高壓和貝加爾湖大槽都較臺風“麥莎”登陸時更為強盛。貝加爾湖大槽槽前有一風速超過40 m/s 的西南急流，急流入口區(qū)右側(cè)為輻散區(qū)（中心為8.0×10-5/s）。研究證明[11]，高空急流入口區(qū)的次級環(huán)流在急流右側(cè)會造成高空輻散低空輻合的上升運動，并與低層鋒區(qū)相配合。雷達資料分析發(fā)現(xiàn)（圖略），8 月10 日早上在山西和山東西部有東北-西南向的對流云帶，并在魯西造成局地強降水（見圖3a），此時臺風云帶剛剛從魯東南進入山東，顯然不是一個系統(tǒng)造成的，此降水可能與高空急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)對應(yīng)的上升運動有關(guān)。隨著臺風向北移動靠近急流（見圖6b），臺風東部的南亞高壓中心受北移臺風“羅莎”的影響，穩(wěn)定少動且強度增強，南亞高壓西部中心沿西風帶東移，貝加爾湖大槽因此加深且近乎停滯，此時槽區(qū)氣壓梯度增大。臺風使對流層上層增暖[17]，根據(jù)熱成風關(guān)系，可增強對流層上層的西南風。氣壓梯度增大和熱成風合并使高空西南風速增大（中心風速57 m/s），氣流高速流出，輻散中心增大（1.6×10-4/s），高空抽吸作用增強，垂直運動和低層輻合加強，形成深厚而強烈的上升運動，也使臺風減弱且速度變慢。顯然，臺風與南亞高壓、高空急流的配置和相互作用是魯中地區(qū)降水增幅明顯并持續(xù)的重要原因。臺風“麥莎”雖然也伴有南亞高壓和貝加爾湖槽的活動，但強度都明顯偏弱，缺少高空急流和下游臺風，輻散區(qū)弱且分散，不利于形成強烈的上升運動。
圖6 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）的300 hPa的高度場（等值線，單位：gpm）、風場（箭頭，單位：m/s）以及散度場（單位：10-4/s，紅色部分為輻散區(qū)，藍色部分為輻合區(qū)）Fig.6 The 300 hPa height field（contour，unit：gpm），wind field（arrow，unit：m/s）and the divergence field（color，unit：10-4/s，red for divergence area and blue for convergence area）during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
由此可見，臺風環(huán)流與500 hPa 副高、阻高、西風槽的相互作用、水汽輸送的差異、300 hPa 南亞高壓的位置強度和下游臺風及急流的不同位置，對登陸后臺風暴雨的強度和分布均有重要影響。
5 臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”登陸前后動熱力結(jié)構(gòu)對比
本節(jié)分析臺風自身的熱力和動力結(jié)構(gòu)，研究其對降水分布和強度的重要影響。圖7a—c 和7d—f分別給出了臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”中心附近的溫度距平垂直剖面圖。剛登陸時，臺風“利奇馬”維持一個對稱且深厚的暖心結(jié)構(gòu)，中心位于250 hPa附近，最大溫度距平為6.1 ℃，是由水汽凝結(jié)釋放的潛熱加熱作用造成的[15]，而強的潛熱釋放反映了較強的降水；隨著臺風“利奇馬”向北移動，受下墊面摩擦影響，較強冷空氣從西側(cè)中高層逐漸侵入臺風環(huán)流中，暖中心下降，結(jié)構(gòu)變得松散，降水強度減弱；之后暖中心向東偏離臺風中心（見圖7c），臺風中心位于冷暖空氣的分界處，此時的臺風已經(jīng)具有“半冷半暖”的鋒面氣旋非對稱結(jié)構(gòu)特點。臺風“麥莎”登陸時暖心比臺風“利奇馬”弱得多（見圖7d），溫度距平梯度較臺風“利奇馬”小，垂直方向上熱力不對稱，冷空氣從東側(cè)低層侵入；向北移動過程中（見圖7e），暖中心下降，更多的西側(cè)冷空氣加入，結(jié)構(gòu)更松散，登陸山東前已經(jīng)出現(xiàn)鋒面氣旋的熱力不對稱特點。
圖7 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）的溫度距平場（單位：℃）沿臺風中心的經(jīng)向垂直剖面（為臺風中心所在位置）Fig.7 The meridional vertical profile of temperature anomaly field（unit：℃）crossing the typhoon center of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）（The triangle is the location of the typhoon center）
以上分析可知，登陸時臺風“麥莎”的暖心結(jié)構(gòu)強度明顯弱于臺風“利奇馬”，登陸后暖心逐漸遭到破壞，登陸山東前已經(jīng)出現(xiàn)鋒面氣旋的特征。臺風“利奇馬”的暖心結(jié)構(gòu)維持時間更長，減弱緩慢，東側(cè)的東南急流提供來自海洋的暖濕氣流，有利于產(chǎn)生強降水，其凝結(jié)潛熱釋放使得暖心結(jié)構(gòu)得以長時間維持，臺風減弱緩慢。臺風“麥莎”缺少低空急流的加入，是維持時間短和降水偏小的重要原因。
圖8是臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”的渦度、散度以及垂直速度沿臺風中心的緯向剖面圖。渦度場上，臺風“利奇馬”登陸時（見圖8a），中心渦度場維持一個深厚的垂直對稱結(jié)構(gòu)，強度明顯比臺風“麥莎”強，中心低層均為強輻合上升運動，達到400 hPa，強輻散區(qū)在200 hPa 附近，符合成熟臺風的基本結(jié)構(gòu)；臺風北移渦度隨著臺風強度的減弱而減小（圖略），沿37°N 做緯向剖面（見圖8b），在臺風“利奇馬”北側(cè)的強降水區(qū)上空發(fā)現(xiàn)一個隨高度向西傾斜的輻合區(qū)，與深厚而強烈的上升運動疊加，向上達到400 hPa，甚至超過臺風剛剛登陸時的強度，對應(yīng)的強輻散區(qū)在300 hPa 附近，與300 hPa 高空急流入口區(qū)右側(cè)的強輻散相吻合。隨著臺風“利奇馬”繼續(xù)向北移動，中心附近低層輻合強度及范圍減小，仍然強于臺風“麥莎”，上升運動依然旺盛，達到500 hPa，上空有明顯的輻散區(qū)。低層輻合上升和高空輻散流出的這種配置結(jié)構(gòu)在降水區(qū)長時間維持，是造成極端暴雨的主要動力因子。臺風“麥莎”登陸時中心上空的渦度場分布均勻，散度場與垂直速度場呈明顯不對稱分布，除了臺風中心低層輻合區(qū)外，另一個輻合中心在臺風“麥莎”中心的東側(cè)與上升運動區(qū)疊加，產(chǎn)生的次級環(huán)流造成海上降水；隨著臺風“麥莎”北上，渦度場減小，中心降低，淺薄的輻合區(qū)僅在臺風中心存在，上升運動弱且向東遠離臺風中心，降水也向東偏離臺風。因此登陸臺風的熱動力結(jié)構(gòu)的不同也是臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”降水分布特征不同的原因之一。
圖8 臺風“利奇馬”（a—c，2019年）和臺風“麥莎”（d—f，2005年）的垂直速度（單位：Pa/s，紅色線，負值代表上升運動）、渦度（單位：10-4/s，黑色線，實（虛）線為正（負）渦度）以及散度（單位：10-4/s，藍色部分為輻合區(qū)，綠色部分為輻散區(qū)）沿臺風中心（b為沿37°N）的緯向-垂直剖面Fig.8 The zonal-vertical section along the typhoon center（b is along 37°N）of the vertical speed（unit:Pa/s,red line,negative values for rising），vorticity（unit：10-4/s，black line，solid for positive and dotted for negative）and divergence（unit:10-4/s,blue for convergence area and green for divergence area）of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f,2005）
6 結(jié)論與討論
臺風“利奇馬”和臺風“麥莎”移動路徑雖然相似，但在山東產(chǎn)生的降水強度和分布差異明顯。本文對兩個臺風的降水分布特征、大氣環(huán)流形勢、水汽輸送、高空急流配置和動熱力結(jié)構(gòu)變化的異同點進行了分析。結(jié)論如下：
（1）大尺度環(huán)流差異是造成降水強度和分布差異的重要原因。臺風“利奇馬”與西風帶深槽合并，有利于山東地區(qū)產(chǎn)生強降水，且降水分布偏向路徑西側(cè)；受下游臺風“羅莎”阻擋，東北亞環(huán)流移動緩慢停滯，提供了一個有利于降水長時間維持的背景場。臺風“麥莎”受深入西風帶的強盛副高影響，登陸山東前降水稀少，登陸山東后受西南暖濕氣流影響，產(chǎn)生強降水，但移動速度較快，降水不能長時間維持，降水量偏小。
（2）低空急流差異是導(dǎo)致降水強度和分布差異的重要因素。臺風“利奇馬”北側(cè)的東南急流為降水區(qū)輸送充沛水汽和不穩(wěn)定能量，強水汽輻合中心在臺風的西北側(cè)，因此極端降水落區(qū)在路徑的西側(cè)；而臺風“麥莎”更多是自身環(huán)流夾帶的水汽，低層無急流，受海岸地形輻合影響，降水中心主要在路徑的東側(cè)。
（3）高空急流與臺風的相對位置及其相互作用對降水有重要影響。臺風“利奇馬”高空急流入口區(qū)的次級環(huán)流造成的高空輻散低空輻合與臺風系統(tǒng)相疊加，形成深厚而強烈的上升運動，導(dǎo)致降水顯著增幅，也使臺風系統(tǒng)減弱變緩；臺風“麥莎”沒有相應(yīng)的高空急流，上升運動淺薄。
（4）臺風動力和熱力結(jié)構(gòu)的不同也是造成降水分布特征不同的原因之一。臺風“利奇馬”東側(cè)的持續(xù)東南急流使暖心結(jié)構(gòu)得以長時間維持，系統(tǒng)減弱緩慢，降水持續(xù)時間長；臺風“麥莎”缺少低空急流的影響，移動快，系統(tǒng)減弱快，降水偏小。另外，臺風“利奇馬”北側(cè)的強輻合中心與旺盛的上升運動疊加的區(qū)域與暴雨區(qū)一致，與高空急流入口區(qū)右側(cè)的強輻散相對應(yīng)；臺風“麥莎”低層輻合區(qū)淺薄且上升運動弱。
本文主要用天氣學診斷分析的方法討論了影響山東的兩個路徑相似臺風的降水差異，所做的研究還較為初步。影響臺風降水落區(qū)和強度的問題相當復(fù)雜，今后還需通過更多觀測資料做中尺度分析診斷，并利用高分辨率數(shù)值模式進行更多深入的研究。
