徐玉秀 蔣姍姍 張 璇 周福然 曲梓祎 姜 文
(1.錦州市氣象局,遼寧 錦州 121000;2.通遼市氣象局,內(nèi)蒙古 通遼 028000;3.遼寧省氣象臺,遼寧 沈陽 110000)
臺風(fēng)和暴雨是我國沿海地區(qū)夏季主要的災(zāi)害性天氣系統(tǒng),臺風(fēng)災(zāi)害多是由大風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮等引起的,會對人民的生命財產(chǎn)造成嚴重威脅[1]。臺風(fēng)北上與冷空氣相互作用,通常會產(chǎn)生大范圍暴雨天氣。狄利華等[2]研究表明冷空氣入侵臺風(fēng)環(huán)流,觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放,使位能轉(zhuǎn)化為動能,對觸發(fā)暴雨也有重要作用。蔣小平等[3]研究指出,環(huán)境流場輸送暖濕氣流為暴雨區(qū)補充不穩(wěn)定能量和水汽,對暴雨的產(chǎn)生起到了十分重要的作用。雖然目前相關(guān)學(xué)者對臺風(fēng)暴雨的研究較為廣泛,但由于臺風(fēng)暴雨的影響因子較多,成因復(fù)雜,影響東北地區(qū)的臺風(fēng)又相對較少,因此對臺風(fēng)的路徑、強度及冷空氣作用下臺風(fēng)倒槽的斜壓發(fā)展及降水落區(qū)和強度的預(yù)報一直以來都是天氣預(yù)報工作中的難點,需通過總結(jié)分析東北地區(qū)臺風(fēng)暴雨的成因,不斷提高臺風(fēng)暴雨精細化預(yù)報能力。
2019 年8 月10 日05 時至15 日08 時,錦州地區(qū)出現(xiàn)總降水量達暴雨到大暴雨,局部特大暴雨天氣。此次降水過程的特點為:①持續(xù)時間長。受西風(fēng)帶冷空氣和副熱帶高壓影響,錦州地區(qū)自10日05時開始出現(xiàn)降水,11 日08 時開始,受臺風(fēng)“利奇馬”外圍云系等連續(xù)影響,降水截至15 日00 時結(jié)束,累計時長為115 h;②累計雨量大。錦州地區(qū)平均降水量為129 mm,全市109個氣象觀測站,全部出現(xiàn)降水,其中累計降水量最大為253.5 mm,出現(xiàn)在凌海市大業(yè)鎮(zhèn),累計降水量超過200 mm的有32個站,累計降水量在100~200 mm之間的有66個站,其他各站累計降水量在50~100 mm 之間(如圖1 所示)。③風(fēng)雨齊上陣。受臺風(fēng)影響,降水期間同時還出現(xiàn)了大風(fēng)天氣,錦州地區(qū)陸地出現(xiàn)東北風(fēng)5~6 級,陣風(fēng)7~8 級;渤海北部海域出現(xiàn)東北風(fēng)6~7 級,陣風(fēng)8~9 級。④致災(zāi)程度高。此次錦州地區(qū)暴雨評估為一級暴雨災(zāi)害,屬最嚴重級別。
圖1 錦州市8月10日00時至15日08時降雨量分布
8 月10 日、12 日和13 日08 時500 hPa、850 hPa位勢高度場和風(fēng)場如圖2所示。由圖2可知,10日08時,500 hPa 高空圖上副熱帶高壓偏東,遼寧地區(qū)受副高外圍影響,西風(fēng)槽位于河套中東部,中低空相應(yīng)存在切變線和西南急流,與200 hPa高空急流分散區(qū)相耦合,提供了充足的水汽輸送和較好的輻合上升條件,錦州地區(qū)自南向北逐漸出現(xiàn)降水天氣。11 日08 時南亞高壓東退南落,臺風(fēng)由出流區(qū)進入入流區(qū),輻散條件變差,副熱帶高壓偏東引導(dǎo)氣流較弱,西風(fēng)槽東移南壓,槽線位于內(nèi)蒙古東部,熱帶風(fēng)暴減弱北上,雨帶螺旋移至大連地區(qū),并入高空槽。12日08時,500 hPa 中緯度無明顯西風(fēng)槽槽前引導(dǎo)氣流,10 號臺風(fēng)“羅莎”使副熱帶高壓長時間穩(wěn)定,西側(cè)大陸高壓強,東西兩高對峙,前進方向周圍都是比較明顯的高壓(鞍形場),形勢穩(wěn)定,北側(cè)的內(nèi)蒙古有東北-西南向阻塞高壓,“利奇馬”移速變慢,850 hPa臺風(fēng)暖濕切變北抬逐漸影響遼寧中西部地區(qū),錦州處于切變的右前方,配合地面倒槽輻合,動力條件非常有利,850 hPa 上東南急流建立,順著臺風(fēng)環(huán)流在遼寧中部上空明顯輻合,帶來源源不斷的水汽輸送,錦州地區(qū)出現(xiàn)較強降水。12 日20 時“利奇馬”在山東半島北部萊州灣西折回旋,強度進一步減弱。13 日08 時,臺風(fēng)倒槽與西風(fēng)帶高空槽結(jié)合,高空槽后的冷空氣與臺風(fēng)攜帶的暖濕水汽相遇,冷暖空氣勢力相當,切變維持少動,錦州地區(qū)出現(xiàn)第三階段降水。14日20時系統(tǒng)移至遼寧東部,錦州降水陸續(xù)結(jié)束。
圖2 8月10日08時、12日08時、13日08時500 hPa、850 hPa位勢高度場和風(fēng)場
充分的水汽是產(chǎn)生暴雨的必要條件之一。從此次強降水第一階段來看,850 hPa 西南氣流逐漸加強,將渤海的水汽輸送到錦州地區(qū),分析850 hPa 水汽通量散度場可以發(fā)現(xiàn),強降水落區(qū)基本與水汽通量散度大值區(qū)相吻合。10 日08 時錦州地區(qū)處于水汽通量散度較強負值區(qū)內(nèi),表明此時水汽在錦州地區(qū)有強輻合,錦州處于強降水階段。10 日20 時,水汽通量散度負值區(qū)移出錦州,降水減弱。11日08時開始受減弱臺風(fēng)“利奇馬”影響,錦州地區(qū)進入第二階段降水,水汽通道集中在臺風(fēng)“利奇馬”的東北側(cè),副熱帶高壓西側(cè)。12日08時,隨著臺風(fēng)“羅莎”西移,其外圍輸送的水汽帶與“利奇馬”水汽通道打通,黃渤海水汽通道建立,兩個臺風(fēng)為遼寧地區(qū)輸送豐富的水源(如圖3 所示),此時錦州地區(qū)處于水汽輻合區(qū),低層水汽通量達18~20 g·cm-1·hPa-1·s-1,水汽通量散度達-30 g·cm-2·hPa-1·s-1,850 hPa 比濕達14 g/kg,達到了區(qū)域性暴雨閾值。12日20時,云帶減弱移除,降水趨于結(jié)束,錦州地區(qū)又一次進入降水間歇期。13 日08 時,西風(fēng)槽后部冷空氣南下,與臺風(fēng)輸送的暖濕空氣結(jié)合,錦州地區(qū)進入第三階段降水,降水期間水汽通量及水汽通量散度明顯增強,錦州地區(qū)降水加強。13日20時,隨著“利奇馬”進一步減弱,水汽通量散度負值區(qū)逐漸移出錦州地區(qū),錦州降水基本趨于結(jié)束。
圖3 8月12日08時850 hPa水汽通量和水汽通量散度
一次暴雨的發(fā)生發(fā)展,較強的上升運動是必不可少的。錦州站時間垂直剖面如圖4 所示。由圖4可知,10日06時錦州為水汽高值中心,達到20 g/kg,良好的水汽條件一直持續(xù)到11 日06 時,錦州上空維持較高的水汽水平,因此,只要抬升觸發(fā)系統(tǒng)存在,即使系統(tǒng)不明顯,也會導(dǎo)致錦州地區(qū)產(chǎn)生明顯的降水過程。11 日08 時后,水汽條件減弱,低層動力條件仍一般,11 日白天錦州地區(qū)降水強度減弱。12 日錦州上空氣團的垂直運動速度存在增強的趨勢,但低層仍維持弱輻散,錦州地區(qū)出現(xiàn)一定程度的降水,但降水強度較10 日較小。然而12 日傍晚,低層水汽條件存在增強趨勢,18 時出現(xiàn)水汽的高值中心,比濕值達到15 g/kg,同時大氣低層對應(yīng)一定的上升運動,低層有輻合,12 日傍晚到13日降水強度逐漸增強,13 日夜間至14 日凌晨,水汽、垂直條件逐漸減弱,上升運動速度減弱,對應(yīng)錦州地區(qū)降水強度逐漸減弱直至停止。
圖4 錦州站時間垂直剖面
冷空氣侵入臺風(fēng)外圍,使得中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展旺盛,可以大幅度增加臺風(fēng)外圍及倒槽的降水,產(chǎn)生強降水天氣[4-5],由環(huán)流形勢可知,10 日08 時,受西風(fēng)帶冷空氣與副熱帶高壓西側(cè)的暖濕氣流共同影響,錦州地區(qū)出現(xiàn)強降水天氣。13日08時,500 hPa中緯度西風(fēng)帶系統(tǒng)較弱,850 hPa上臺風(fēng)主體與暖中心分離,逐漸有弱冷空氣從底層卷入使臺風(fēng)“利奇馬”斜壓發(fā)展,冷空氣侵入臺風(fēng)內(nèi)部,使其結(jié)構(gòu)破壞,導(dǎo)致利奇馬減弱北上,進而回旋消亡,冷暖空氣對峙造成遼寧中西部輻合加強、切變維持少動,延長了降水時間,形成了長時效穩(wěn)定性降水。
①受西風(fēng)帶冷空氣、副熱帶高壓以及減弱臺風(fēng)“利奇馬”外圍云系等連續(xù)影響,錦州地區(qū)此次暴雨過程持續(xù)時間長、累計雨量大、風(fēng)力較強、致災(zāi)程度高,總降水量達暴雨到大暴雨量級,局部特大暴雨。
②高層輻散、低層輻合的高低空配置有利于垂直上升運動發(fā)展,產(chǎn)生強降水。副熱帶高壓偏東,引導(dǎo)氣流較弱,西側(cè)大陸高壓強,東西兩高對峙,移速較慢,“羅莎”外圍輸送的水汽帶與“利奇馬”水汽通道打通,黃渤海水汽通道建立,兩個臺風(fēng)為遼寧地區(qū)輸送源源不斷的水汽和能量補充,為此次暴雨持續(xù)時間長、累計雨量大提供有利條件。
③冷空氣從底層卷入使臺風(fēng)“利奇馬”結(jié)構(gòu)破壞,減弱填塞,斜壓發(fā)展,冷空氣雖然縮短了臺風(fēng)生命史,卻是造成本次暴雨“長時效”特點的關(guān)鍵。