段晶晶，钱燕珍，姜嘉俊，王 毅，吴泽亮

（1.浙江省宁波市气象台，浙江 宁波 315012；2.中国气象局上海台风研究所，上海 200030；3.浙江省宁海县气象局，浙江 宁海 315600）

引 言

热带气旋（tropical cyclone，简称TC，西北太平洋称为台风），是发生在热带海洋上的强烈低压天气系统，中国沿岸是全球TC登陆最多的地区，也是遭受TC灾害最严重的区域之一［1］。台风是引发暴雨的最强天气系统，其主要灾害往往是由暴雨引起，故而台风暴雨及其物理机制一直是台风研究领域的重点和热点［2－3］。研究发现，台风暴雨通常产生在4块区域：台风前飑线暴雨、台风环流本体暴雨、台风倒槽暴雨和台风后暴雨［4］，其中台风倒槽产生的暴雨往往很强，有时甚至超过台风中心暴雨，是台风暴雨分析预报中的难点［5］。据统计，1971—2010年期间，平均每年约有1.4个台风会引发浙江台风倒槽暴雨，约占造成浙江暴雨台风总数的一半，是浙江台风暴雨的一种重要形式［6］。因此，开展浙江台风倒槽暴雨机制研究对当地防灾减灾意义重大。

台风倒槽为台风涡旋范围北侧形成的中尺度切变线，即来自热带洋面台风东侧潮湿的偏南气流与干燥的东北信风形成的切变［6］，其引发的暴雨通常发生在缓慢移动的台风倒槽与西风槽相互作用过程中。研究表明，高层弱冷空气叠加在倒槽东侧东南低空急流携带的暖湿空气之上，构成暴雨持续产生的不稳定条件［4，7－11］。如弱冷空气从低层侵入，迫使暖空气抬升，且冷空气与台风低压环流云系及强东风急流结合使得倒槽内暖湿切变线附近辐合抬升作用加强，垂直涡度增强，有利于中尺度对流云团发展，促使强降水发生［3，6，12－13］。可见，强降水与缓慢移动的台风倒槽以及冷空气引发的倒槽锋生有关［8－11］。另外，冷空气入侵台风外围可使其外围及倒槽暴雨明显增强，而入侵台风中心则会引起中心附近降水减弱，但其外围及倒槽暴雨仍明显增强［14］。若有多个台风相互作用，则环境因素更为复杂，台风倒槽暴雨的预报更为困难［15－16］。

据统计，引发浙江台风倒槽暴雨的台风路径主要是：先后在台湾中北部和福建中北部2次登陆后西北行、在台湾中北部登陆后近海北上、在台湾和福建中北部2次登陆后北上转向以及登陆广东［17］。虽然，登陆广东造成浙江暴雨的台风并不多（仅2成），但引发浙江历史上最强台风倒槽暴雨的均登陆于广东［3，6］。此类路径的台风倒槽暴雨在业务预报中往往被低估甚至漏报，给预报带来极大挑战，有必要对更多典型个例进行深入分析。2017年10月15日，台风“卡努”在广东南部地区登陆，远在千里之外的浙江东北部沿海地区出现暴雨到大暴雨。本文采用天气诊断和数值模拟相结合的方法，针对此次“卡努”台风倒槽引发浙江暴雨的可能成因进行探讨与分析，以期提高对此类台风倒槽暴雨的认识，为台风暴雨预报积累经验。

1 资 料

使用了中国气象局提供的热带气旋最佳路径数据集（包括热带气旋每6 h或3 h一次的位置和强度）、NCEP GFS预报系统输出的全球分析场（水平分辨率为0.5°×0.5°）、FY－2E卫星云顶亮温 TBB资料以及地面常规观测和自动站加密观测资料。

2 台风“卡努”概况

2017年20 号台风“卡努”于2017年10月11日12：00（世界时，下同）在菲律宾以东洋面生成，13日19：00加强为强热带风暴，14日14：00加强为台风，15日04：00继续加强为强台风，登陆时台风中心附近最大风力达10级（28 m·s－1），中心最低气压为988 hPa。“卡努”生成后先向偏西方向移动，穿过菲律宾北部后向南偏折，而后又折向西北后再次向偏西方向移动［图1（a）］，于15日19：00在广东省徐闻县登陆，此后强度逐渐减弱，16日09：00停止编号。

图1 台风“卡努”移动路径（黑色线）及2017年10月14日00：00至16日00：00国家基本气象站累计雨量（阴影，单位：mm）（a）、浙江省国家基本气象站及加密自动站累计雨量（阴影，单位：mm）分布（b）和宁波石浦站（c）、舟山普陀站（d）逐小时雨量（黑色等值线为地形高度，单位：m；星号、方块分别为宁波石浦站和舟山普陀站，下同）Fig.1 The moving track of typhoon Khanun（black line）and accumulative precipitation（shadows，Unit：mm）at national weather stations（a），accumulative precipitation（shadows，Unit：mm）at national and automatic weather stations of Zhejiang Province（b），and hourly precipitation at Shipu station of Ningbo（c）and Putuo station of Zhoushan（d）from 00：00 UTC 14 to 00：00 UTC 16 October 2017（the black isolines for terrain height，Unit：m，the asterisk and square for the location of Shipu and Putuo stations，respectively，the same as below）

2017年10月14 —16日，随着台风“卡努”西北移登陆广东省，浙江东北部出现区域性暴雨或大暴雨天气过程，累计雨量普遍在50 mm以上，东北部沿海地区普遍超过150 mm［图1（a）］，单站最大累计雨量（467 mm）出现在宁波象山檀头山站［图1（b）］。分别从浙江东北部宁波石浦站和舟山普陀站的小时雨量［图1（c）和图1（d）］变化看出，15日暴雨增强明显，宁波东南部附近雨势首先开始增强，之后强降水逐渐向东北方向的舟山移动。

3 暴雨增强成因

3.1 环流背景

图2是台风“卡努”影响下浙江强降水期间的环流形势。可以看出，2017年10月14—15日，200 hPa高空急流增强，急流核风速超过70 m·s－1，急流区南侧有一高压环流，且高压强度不断增强［图2（a）、图2（c）、图2（e）］，浙江省位于急流入口区右侧的第三象限，高空辐散有利于上升运动，是降水发生的必要条件。2017年10月上、中旬，500 hPa副热带高压（简称“副高”，下同）范围大，14日00：00，浙江省上空处于5880 gpm线边缘，其东北部地区在5880 gpm线控制范围内，西风槽移过125°E［图2（a）］；地面冷高压中心位于 118°E、43°N附近，东南沿海地区等压线密集，台风北侧倒槽顶端伸至浙江南部沿海地区，同时冷空气云系处在副高北侧，且与“卡努”向北扩散的云系衔接，“卡努”所在位置较大范围内云顶亮温在－60℃以下，浙江大部及沿海地区云顶亮温在－50℃以下［图2（b）］。15日06：00，冷高压中心东南移，冷空气进一步从东路向南扩散，浙江地区925 hPa东北风增强，台风倒槽北伸，“卡努”及其北侧外围云系和副高西侧发展旺盛的云系出现断裂，浙江沿海地区TBB最低在－50℃以下，且范围有所缩小［图2（d）］。至15日12：00，“卡努”位置更加偏西，副高西伸明显，长江中下游以南地区都在5880 gpm线控制下［图2（e）］，浙江沿海地区仍处于倒槽东南风和东北风辐合中，且TBB值维持在－50℃左右［图2（f）］，此时仍有强降水。

14日，30°N以南华东地区负变温较弱，浙江省负变温在－2～－1℃之间。15日前期，负变温区域向西南方向移动，主要位于台风中心西北侧广西、湖南等地，而浙江省仍为负变温区域，表明有弱冷空气参与影响，且东路冷空气逐渐向西南渗透；18：00，浙江内陆已转为正变温（图略）。从宁波站探空廓线（图略）看出：10月14日，近地面层有干冷空气侵入，风随高度逆时针旋转，伴有弱的冷平流，降水主要集中在浙江中东部地区；15日后期（暴雨增强最明显时期），400 hPa以下层结曲线和露点温度几乎重合，大气处于较饱和状态，冷空气影响结束，降水主要位于浙江东北部沿海地区。

图3是台风“卡努”引发浙江强降水期间高低空环流配置。可以看出，浙江处于高空急流入口区右侧的辐散区以及副高边缘，低层有东南急流和东北风形成的台风倒槽；随着冷空气的渗透，近地面层冷高压不断向南发展，浙江沿海地区有锋生。综上可见，低层的台风倒槽和近地面层的冷空气渗入，以及浙江沿海地区的锋生，使得浙江东北部沿海地区的东北风加强，并在低层逐渐形成气旋性环流，随着气旋性环流的东北移，浙江东北部暴雨增强。

COTE［18］首次提出了热带气旋前面的强降水事件（predecessor rain event，PRE）概念，并定义为一个与TC相关但与主雨区分离的连续强降水区域，即24 h雨量超过100 mm，且位于TC向极一侧。从图1看出，台风“卡努”登陆广东，广东48 h累计雨量20～100 mm，而远在千里之外的浙江省东北部为最强降水区，48 h累计雨量最大超过350 mm，其中15日24 h最大累计雨量超过200 mm，符合PRE的定义。此类强降水事件在业务模式中经常会低估或者漏报，给预报带来极大挑战，因此下面将利用高分辨率数值模拟结果进一步分析台风“卡努”引发浙江东北部暴雨增强成因。

3.2 锋生过程

参考文献［19］及［20］，计算了此次降水期间的锋生函数。图4是此次强降水发生发展阶段的锋生函数、10 m风场和850 hPa位涡场分布。与图2对比可见，等压线密集区为锋生函数正高值区，最初出现在浙江南部沿海地区，中心值为2.2×10－8K·m－1·s－1，对应低层锋区有锋生［图4（a）］，这与降水最先出现在浙江南部地区吻合。之后，锋生函数高值区向东北方向发展且逐渐加强，15日06：00中心最大强度达3.0×10－8K·m－1·s－1［图4（b）］，此时锋区处于最活跃阶段。15日12：00，锋生函数最大值位于浙江宁波南部，随着锋生东北移，气压梯度增大，浙江东北部沿海地区的东北风加强，最大风速达15 m·s－1，低层在锋生函数高值区附近逐渐形成气旋性环流［图4（c）］，浙江宁波暴雨增强。15日18：00，锋生函数明显减弱并东移入海，气旋性环流和位涡大值区也逐渐向东北方向移动，环流中心已移入海上［图4（d）］，此时浙江舟山降水增强。由此可见，低空锋生函数大小变化反映了锋区强弱的变化。另外发现，水平辐散项和水平变形项在锋生过程中均为正贡献，且前者贡献最大。研究表明，在阴雨天气过程中水平辐散项对准静止锋锋生的贡献更显著［20］，水平变形场是最经典的锋生机制［21］。

图2 2017年10月14日00：00（a、b）、15日06：00（c、d）和12：00（e、f）500 hPa高度场（等值线，单位：gpm）、200 hPa风场（箭头，单位：m·s－1，阴影区的风速大于 30 m·s－1）（a、c、e）和海平面气压（等值线，单位：hPa）、925 hPa风场（箭头，单位：m·s－1）及 TBB（阴影，单位：℃）（b、d、f）分布［黑色圆点为台风位置，红色方框为浙江强降水区（120.5°E—123°E，28°N—30.5°N），下同］Fig.2 The distribution of 500 hPa geopotential height field（isolines，Unit：gpm），200 hPa wind field（arrows，Unit：m·s－1，wind speed in shadow areas more than 30 m·s－1）（a，c，e）and sea level pressure（isolines，Unit：hPa），925 hPa wind field（arrows，Unit：m·s－1），TBB（shadows，Unit：℃）（b，d，f）at 00：00 UTC 14（a，b），06：00 UTC 15（c，d）and 12：00 UTC 15（e，f）October 2017（the black dot for the location of typhoon center，red box for strong rainfall area of northeastern Zhejiang Province（120.5°E－123°E，28°N－30.5°N），the same as below）

图3 台风“卡努”引发浙江强降水期间高低空环流配置Fig.3 The circulation configuration in upper and lower levels during the heavy rainfall in Zhejiang Province induced by Typhoon Khanun

3.3 水汽输送

充沛的水汽是强降雨形成的重要条件，而水汽的辐合辐散则是暴雨形成的关键［22－24］。图5是浙江宁波和舟山暴雨增强时的水汽通量和水汽通量散度及700 hPa风场。15日12：00（台风“卡努”接近登陆广东时），浙江沿海地区为水汽通量大值区，大值中心位于浙江宁波南部，而水汽强辐合区主要集中在台风中心附近，距台风较远的浙江沿海地区有较为明显的水汽通量辐合带，浙江宁波南部附近水汽 通量散度为 －1.0×10－4g·hPa－1·cm－2·s－1［图5（a）］；18：00，浙江沿海地区仍为水汽通量大值区，但大值区略向东北方向移动，且水汽通量辐合带也东北移，最强位于舟山附近［图5（b）］。

图4 2017年10月14日06：00（a）和15日00：00（b）、12：00（c）、18：00（d）10 m风场（矢量，单位：m·s－1）及大风区（红色虚线包围区，风速大于或等于12 m·s－1）、975 hPa锋生函数（黑色实线，其值大于或等于10，单位：10－9 K·m－1·s－1）、850 hPa位涡（阴影，单位：PVU）分布（D表示气旋性环流中心）Fig.4 The distribution of 10 m wind field（vectors，Unit：m·s－1）and gale areas（the area closed by red dotted lines，wind speed equal to or greater than 12 m·s－1），975 hPa frontogenesis function more than 1.0×10－8 K·m－1·s－1（black solid lines，Unit：10－9 K·m－1·s－1）and 850 hPa potential vorticity（shadows，Unit：PVU）at 06：00 UTC 14（a）and 00：00 UTC 15（b），12：00 UTC 15（c），18：00 UTC 15（d）October 2017（D denotes the center of cyclonic circulation）

图5 2017年10月15日 12：00（a）和18：00（b）850 hPa水汽通量（阴影，单位：g·hPa－1·cm－1·s－1）和水汽通量散度（黑色虚线，单位：10－5 g·hPa－1·cm－2·s－1）及700 hPa风场（绿色矢量，单位：m·s－1）分布Fig.5 The distribution of 850 hPa water vapor flux（shadows，Unit：g·hPa－1·cm－1·s－1），water vapor flux divergence（black dotted lines，Unit：10－5 g·hPa－1·cm－2·s－1）and 700 hPa wind field（green vectors，Unit：m·s－1）at 12：00 UTC（a）and 18：00 UTC（b）15 October 2017

4 模拟结果与分析

观测分析表明，浙江沿海地区有锋生，有利于低层形成气旋性环流，导致降水增强，随着气旋性环流东北移入海，降水大值区从浙江宁波转为舟山。为了进一步探讨台风“卡努”影响下浙江东北部降水成因，利用WRF－ARW V 3.6.1模式进行数值模拟。试验方案：采取双向、四重嵌套网格，四重水平网格的格距分别为27、9、3、1 km，格点数分别为210×234、396×396、366×444和660×606，四重嵌套模拟区域见图6（a），模式垂直方向分为55层。其中，最外层网格微物理过程采用WSM－3简单冰方案［25］，细网格采用 WSM6方案［26］；最外层和第二重网格采用Kain－Fritch对流方案［27］，而在第三和第四重网格区域内未使用积云对流参数化方案；在四重网格中均采用Yonsei University边界层方案［28］、Dudhia短波辐射方案［25］、Rapid radiative transfer model（RRTM）长波辐射方案［29］。另外，对最外层网格做了nudging处理，以便模拟结果更接近观测。模拟时长为2017年10月13日00：00至17日00：00，共4 d，逐小时输出一次模拟结果。模式初始化选用美国国家环境预报中心逐6 h的FNL全球再分析资料，水平分辨率为1°×1°。

4.1 路径、强度和降水特征

图6是观测与模拟的台风“卡努”中心的移动路径和海平面气压。可以看出，WRF－ARW模式模拟的台风“卡努”中心移动路径与观测比较一致。15日前，模拟的台风移速较观测略快，之后至“卡努”登陆期间，模拟的台风移速较实况略慢［图6（a）］。模拟与观测的台风中心气压变化趋势较一致，但实况最强时刻在15日06：00，而模式模拟的14日18：00强度最强，且较实况明显偏弱［图6（b）］，这可能与模式本身存在的一些不足有关，有待进一步深入探讨。对比降水实况［图1（b）］发现，控制试验模拟的浙江东北部的强降水中心位置与实况基本吻合，且模拟的强降水中心累计雨量达350 mm以上，只是200 mm以上的强降水区范围较实况偏大［图6（c）］。总体来看，WRF－ARW模式能够很好地把握台风“卡努”发展演变过程中移动路径、强度和降水特征。

4.2 低压环流生成发展

观测发现，浙江雨强最强时伴有低压环流的生成。在模拟分析过程中，为了更好识别低压环流，利用模拟的原风场减去区域平均风场（第四重网格风场平均）。15日00：00，浙江上空低层以偏东风为主，对流有效位能（CAPE）大值区主要位于浙江南部沿海地区［图7（a）］；06：00，浙江东部转为东南风，浙江西部转为东北风，但无明显的低压环流形成，且 CAPE大值区向北发展［图7（b）］；12：00，低压环流已经形成，环流中心位于浙江中东部地区，宁波南部地区为CAPE大值区［图7（c）］，表明对流发展较旺盛，700 hPa雷达回波超过40 dBZ（图略），这一阶段降水有增强；18：00，低压环流向东北方向移动，降水大值区也随之东北移至舟山地区，但该区域的 CAPE并不大［图7（d）］。

图6 观测与模拟的台风“卡努”中心逐6 h移动路径（a）和海平面气压（b）以及10月14日00：00至16日00：00模拟的累计雨量（c，单位：mm）Fig.6 The 6－hour observed and simulated moving paths（a）and sea level pressure（b）of the center of typhoon Khanun，and the simulated accumulative precipitation from 00：00 UTC 14 to 00：00 UTC 16 October 2017（c，Unit：mm）

图8为强降水区（120.5°E—122.5°E、28.5°N—30.5°N，图2中红色方框内）的平均垂直速度、相对涡度和散度的时间－高度剖面。可以看出，15日00：00至16日06：00，暴雨区上空对流层整层一直维持正涡度，15日12：00—18：00达到最大，最大正涡度区出现在900 hPa以下，且正涡度区向上伸展至400 hPa；16日06：00之后，正涡度逐渐减小。从散度场的时空演变来看，整个暴雨过程中800 hPa以下低层为强辐合，特别是在暴雨增强阶段，强辐合区向上扩展至700 hPa，400～300 hPa为辐散大值区，中间层接近弱辐散。其中，15日12：00至16日00：00高层辐散最强，最强辐散中心出现在350 hPa，其值大于6×10－5s－1；之后，高层辐散强度有所减弱。从垂直速度演变来看，暴雨增强阶段暴雨区上空1000～300 hPa上升运动最强，强中心位于800～500 hPa之间。可见，低压环流主要位于低层，暴雨增强阶段可发展至700 hPa附近，强降水区始终位于低压环流东北侧，随着低压环流的东北移，降水大值区从宁波移向舟山。

4.3 暴雨区物理量演变

暴雨区降水发展阶段（14日18：00至15日06：00），低层850 hPa表现为辐合，差动涡度平流和温度平流均为正，迎风坡强迫抬升速度在初始时刻平均约5.5×10－2m·s－1，且都逐渐增大，低层对流逐渐向不稳定发展，说明大尺度环流、地形强迫抬升和低层辐合有利于降水的发生。在暴雨增强阶段，低层始终维持着正的差动涡度平流、温度平流和地形迎风坡强迫抬升速度，且低层辐合于15日06：00开始明显增强，至12：00达到最强，此时对流也趋于不稳定状态，即大尺度环流、局地地形强迫、低层辐合和对流不稳定作用叠加迫使降水达到最强。

综上可见，在降水开始阶段，正的差动涡度平流和低层暖平流逐渐增强，大尺度环流有利于暴雨的形成，尽管无明显的对流不稳定，但局地地形强迫和低层辐合作用叠加导致强降水的发生；在暴雨增强过程中，大尺度环流和局地地形强迫依然是有利条件，低层辐合和对流不稳定作用增强，是降水增强的重要原因。其中，低层辐合增强来自于低层气旋性环流的形成和发展。

图7 控制试验模拟的2017年10月15日00：00（a）、06：00（b）、12：00（c）和18：00（d）850 hPa风场（矢量，单位：m·s－1）和 CAPE（阴影，单位：J·kg－1）分布（风场为原风场减去第四重区域平均）Fig.7 The distribution of 850 hPa wind field（vectors，Unit：m·s－1）and CAPE（shadows，Unit：J·kg－1）at 00：00 UTC（a），06：00 UTC（b），12：00 UTC（c）and 18：00 UTC（d）15 October 2017（The wind field was the difference between original wind field and regional average in the fourth domain）

图8 浙江强降水区（120.5°E—122.5°E，28.5°N—30.5°N）平均垂直速度（黑色等值线，单位：m·s－1）、相对涡度（阴影，单位：10－5 s－1）和散度（蓝色等值线，单位：10－5 s－1）的时间 －高度剖面Fig.8 The time－height cross section of average vertical velocity（black contours，Unit：m·s－1），relative vorticity（shadows，Unit：10－5 s－1）and divergence（blue contours，Unit：10－5 s－1）over rainstorm area of Zhejiang（120.5°E－122.5°E，28.5°N－30.5°N）

图9 浙江强降水区850 hPa平均温度平流（单位：K·h－1）、差动涡度平流（单位：10－8 m·s－2）、散度（单位：10－6 s－1）、地形强迫抬升速度（单位：10－3 m·s－1）和对流不稳定度（单位：10－2 K·hPa－1）的时间演变Fig.9 The time evolution of average temperature advection（Unit：K·h－1），differential vorticity advection（Unit：10－8 m·s－2），divergence（Unit：10－6 s－1），topographically forced updraft speed（Unit：10－3 m·s－1）and convective instability（Unit：10－2 K·hPa－1）on 850 hPa over rainstorm area of Zhejiang

5 结 论

（1）2017年20号台风“卡努”登陆广东南部，远在千里之外的浙江东北部却是最强降水区。暴雨期间，低层东南急流和东北风形成的台风倒槽以及冷空气向近地面层渗透在浙江沿海地区形成的锋生，有利于低层倒槽顶部气旋性环流形成，导致暴雨增强，锋生区与强降水区有较好的对应，且水平辐散项是锋生过程的主要贡献项。

（2）WRF－ARW V3.6.1模式模拟结果表明：在降水开始形成阶段，大尺度环流有利于暴雨的形成，局地地形和低层辐合作用叠加导致强降水的发生，此时无明显的对流不稳定；在暴雨增强过程中，大尺度环流和局地地形依然是有利条件，低层辐合和低层对流不稳定作用的增强，是降水增强的重要原因，其中低层辐合增强来自于气旋性环流的形成和发展，随着气旋性环流向东北方向移动，降水大值区也东北移。