沈晓琳,胡 艺,张恒德,张芳华,陈 涛,陈博宇,宫 宇

(1.国家气象中心，北京 100081； 2.中国气象局-河海大学水文气象研究联合实验室，北京 100081)

我国是世界上登陆台风最多、受灾最严重的国家之一，平均每年有七八个台风登陆[1]，台风带来的大风及其登陆后带来的暴雨是致灾的主要原因，经常会引起城市内涝、山体滑坡等灾害，给人民的生命财产安全带来重大损失[2-5]。众多学者在台风暴雨形成的机理方面取得了重要进展，研究发现水汽、上升运动、位势不稳定等影响台风降水的物理因子的产生、维持和强弱与台风周围的环境流场、自身动力和热力结构等均有联系[1]；台风强度和眼壁区暴雨强度的突然增强是由内核对流爆发导致的[6]；中小尺度切变线和小尺度涡旋会导致台风环流内局地降水增强，台风内核上空云微物理过程对降水增强也容易被忽视[7]；季风涌与台风的相互作用给予台风大量水汽和能量，使得其登陆强度维持或残涡复苏，并使台风暴雨增强[8]。

北上台风对我国东北地区东南部的影响较多，而对东北地区中北部的影响相对较少[9]。影响东北的台风暴雨多与西风带系统密切相关，冷空气的入侵可能会导致台风变性，使系统重新发展，导致暴雨落区扩大[10-11]；伴随与中纬度环流相互作用，台风结构也有所调整，从正压演变成斜压，结构呈现出非对称性特征[12-14]。针对近年北上影响我国东北地区的台风，我国学者也做了相关分析，王承伟等[15]对冷空气入侵台风“灿鸿”引发的东北暴雨进行分析发现，冷空气从低层进入变性台风北部，使台风登陆后强度减弱较慢，北部有所加强，在其北部出现较大范围的暴雨、大暴雨。孙力等[16]对2012年第15号台风“布拉万”给我国东北地区带来的暴雨过程进行了分析，结果表明，中纬度西风槽带来的干冷空气，使得降水和环流结构表现为明显的不对称性。刘硕等[17]对台风“狮子山”并入温带气旋在东北地区引发的强降水进行分析，结果表明，“狮子山”与温带气旋结合，结构发生较大变化，从对称的热带涡旋云系发展为非对称斜压云系，最终发展为成熟温带气旋，增强了动力、水汽和能量输送，因此在东北地区引发较强降水。

2020年8月26日至9月8日半个月的时间内，东北地区连续受8号台风“巴威”、9号台风“美莎克”和10号台风“海神”3个台风影响，为有气象记录以来首次，比常年全年影响东北地区台风个数(平均1.2个)偏多1.8个。台风的“三连击”给东北地区带来较大的风雨影响，并造成大面积的农作物倒伏和经济损失。其中，“美莎克”在高纬地区与冷空气结合，随后变性为温带气旋，在我国东北地区的持续时间最长、影响范围最广。受“美莎克”带来的强风雨影响，东北三省多地学校停课、景点关闭、航班调整，与前期“巴威”影响叠加，黑龙江南部、吉林中部部分地区发生城乡积涝和作物倒伏，多个乡镇出现房屋倒塌或损毁。此次降水强对流特征虽不明显，但降水持续时间长，雨区分布不均匀，导致东北三省、内蒙古东部等多地城市内低洼路段出现积水和道路坍塌，低洼路段平房区出现内涝，对城市交通和人民生活影响较大。本文利用自动气象站观测、风廓线雷达、NCEP分析等资料，对2020年台风“美莎克”降水的特征及非对称性分布成因进行分析，并与2012年台风“布拉万”的降水及环流形势进行对比，以期为提高对北上台风暴雨的认识和预报能力提供参考。

1 降水极端性及精细化特征分析

1.1 降水极端性特征

2020年第9号台风“美莎克”于9月3日北上影响我国东北地区，路径见图1，受其影响，2日20时至5日8时，辽宁北部、吉林、黑龙江西部和南部、内蒙古东北部等地累计降水量50～100 mm，其中吉林东部、黑龙江西南部局地累计降水量超过100 mm，最大降水量(152.8 mm(自动站))出现在黑龙江西南部。同时，强降水表现出非常明显的非对称性特征，累计降水量大值区主要出现在台风中心的左侧。“美莎克”影响东北期间，吉林省、黑龙江省有49个国家级观测站的日降雨量突破当地9月历史极值(图1)，其中有2个站突破建站以来历史极值。从松花江流域面雨量实况图(图2)可见，2日20时至5日8时，松花江大部分流域、嫩江面雨量在50～110 mm，其中嫩江中游、松花江饮马河面雨量超过100 mm，黑龙江、吉林两省内多条中小河流超警戒水位，部分河流超保证水位。五道沟水文站于3日傍晚水位超警戒水位，并于5日中午出现洪峰流量，约为273 m3/s，八里哨水位于3日凌晨先后超警戒水位和保证水位，并于3日夜间出现洪峰流量(图3)。

图1 2020年9月2日20时至5日8时累计降水量Fig.1 Accumulated precipitation from 2000 CST Sept 2 to 0800 CST Sept 5, 2020

图2 2020年9月2日20时至5日8时松花江流域面雨量实况(单位：mm)Fig.2 Areal precipitation of Songhua River Basin (units: mm) from 2000 CST Sept 2 to 0800 CST Sept 5, 2020

图3 五道沟和八里哨水文站水情变化Fig.3 Hydrological regime change map of Wudaogou and Balishao hydrological stations

1.2 降水精细化特征

由图4(a)发现，黑龙江西部、吉林大部、辽宁南部和东部出现的最大小时降水量区间主要集中在15～30 mm，仅在黑龙江南部、吉林中部和东部的个别站点最大小时降水量超过30 mm。同时牡丹江站雷达反射率剖面图表现为回波顶高度在8 km左右，但回波强度不强(图略)。由图4(b)可知，辽宁北部、吉林大部、黑龙江西部和南部的大部分站点累计降水时间长达30～40 h，个别站点累计降水时间超过40 h。由图4(c)可以发现，强降水的持续时间长，从2日夜间开始，至4日白天降水陆续结束。综上，本次台风暴雨过程以持续时间较长的稳定性降水为主，降水主要集中在3日，尤其在3日下午至夜间降水强度最强。

图4 2020年9月2日20时至5日8时降水的时空分布Fig.4 Temporal and spatial distribution of precipitation from 2000 CST Sept 2 to 0800 CST Sept 5, 2020

结合降水的时空分布特征，对逐小时形势场和降水演变进行分析(图5)，2日夜间至3日上午，台风穿过朝鲜半岛后继续北上，向我国吉林省东部靠近，台风倒槽已经开始影响吉林东部，此阶段500 hPa形势场表现为台风整体环流密实，但结构开始出现不对称，其东西两侧的高度场梯度和风速均出现不对称，同时华北东北部至东北地区南部上空存在一个闭合的低压中心，台风和西风带系统各自独立，此阶段在吉林东部出现对流性降水，从逐小时环流场演变可知，在台风登陆我国前(3日12时前后)，前期在500 hPa形势场上存在的各自独立的2个低值中心合并为一个低值中心，表明此时台风与西风带系统在高空表现出相结合的趋势。3日下午开始，随着台风主体进入我国，与西风带系统逐渐结合，台风结构不对称性进一步增强，台风中心北侧和西侧辐合区降水较强，主要影响吉林中东部和黑龙江东南部。台风与西风带系统结合后，在吉林中西部、黑龙江南部和西部等地先后出现较强降水，此时的降水以锋面降水为主，降水的强度较前期强，范围大。综合上述降水精细化特征，本文将台风“美莎克”降水过程分成2个阶段，一个是与西风带系统结合前，另一个是与西风带系统结合的过程。在3日下午至夜间“美莎克”与西风带系统相互作用期间，降水强度最强，非对称性特征最显著。

图5 再分析资料的高低环流形势和地面实况Fig.5 Circulation fields and ground map of reanalysis data

2 致洪暴雨成因分析

2.1 降水持续性成因分析

分析8月28日至9月2日平均500 hPa环流形势场可知,台风登陆我国之前东部阻塞高压稳定且强度异常偏强，本次过程主要的大尺度环流背景为中高纬上空“西低东高”的环流形势，北上台风“美莎克”位于西风槽和东部阻塞高压之间，东部阻塞高压稳定存在，位置较常年同期偏北，位于我国东部地区的东亚大槽异常偏强，并且位置稳定。这种异常稳定的“西低东高”的环流形势场有利于台风北上影响我国东北地区，使其北上路径更加稳定，台风移动缓慢，在我国东北地区影响时间长，有利于出现持续性降水。

从主要降水区区域平均综合廓线(图6)可以发现，2日夜间至4日上午，该区域从近地面到200 hPa层相对湿度均维持在80%以上，有2个中心，一个出现在3日凌晨到下午，位于500～200 hPa层，另一个出现3日夜间至4日8时，位于700～800 hPa层；垂直运动则表现为整层的上升运动，中心值出现在400～600 hPa层。以上有利于降水的动力和水汽条件，持续时间长达约20 h，非常有利于该区域累计降水量的增大。

图6 9月1—5日主要降水区域平均综合廓线Fig.6 Average comprehensive profile of major precipitation areas from Sept.1 to Sept.5

2.2 降水非对称性成因分析

对“美莎克”降水分布特征的分析可知，累计降水量大值区主要出现在台风中心的左侧。通过分析“美莎克”影响我国期间降水与低层风场的位置发现，降水主要出现在台风倒槽西侧。

分析850 hPa风场变化可知，前期低层风速的辐合区位于台风倒槽的东侧，在台风与西风带系统结合后，台风倒槽西侧为风速和风向的辐合区。200 hPa环流(图7)图上前期有2个辐散中心，分别位于辽宁南部和朝鲜半岛，而伴随着西风带系统和台风的结合，高层也逐渐合并为一个辐散中心，位于内蒙古东北部上空。这种低层辐合、高层辐散有利于降水的加强和持续，并且高层的辐散区比低层辐合区位置偏西。

图7 高空形势场分析Fig.7 High altitude situation field analysis

进一步从动力和热力方面进行诊断分析，由图8可见，在西风带系统和“美莎克”相互作用前，过台风中心(图中红色三角)的相对涡度表现为高低层垂直的分布特征，台风维持暖心结构，暖中心在400 hPa附近，暖平流中心和温度距平正值中心基本重合，高空辐散，低层辐合，抽吸作用暖中心对应上升运动。“美莎克”进入我国并与西风带系统相互作用后，相对涡度大值区开始随高度逐渐向西倾斜，台风涡旋环流在垂直方向上发生倾斜，上升运动也向西倾斜，此时台风的暖心结构虽然没有被破坏，但是低层伴随着冷平流输送，已经出现明显的温度梯度。

图8 过台风中心的纬向剖面Fig.8 Zonal profile through the typhoon center

追踪水汽云图和1.5×10-6m2·K/(s·kg)等位涡面的变化(图9中等值线)，可以更清晰地揭示干冷空气的卷入过程。在西风带系统与台风相互作用前，气旋西部就可以看到明显的位涡入侵，等位涡面中心位于辽宁上空，中心强度450 hPa，随后等位涡面逐渐向东偏北方向扩展；随着西风带系统与台风相互作用，其等位涡面气压明显降低，4日2时等位涡面中心位于吉林西部、黑龙江西南部，中心气压600 hPa以上，达到最强。此外，从FY-2水汽通道图(图9中阴影)可见，在西风带系统与台风相互作用前，位涡明显的区域均对应于水汽通道的暗区，说明此区域内空气比较干燥，而随着西风带系统与台风相互作用，位涡明显的区域水汽条件较好，其东侧水汽条件转差。同时分析锋生函数发现，台风倒槽西侧对应为锋生函数的大值区，表明在干冷空气卷入的过程中，在西侧有明显的锋生过程，而东侧则丧失了水汽的补充，并且锋生区与降水落区的位置匹配更好。以上分析表明，西侧干冷空气的卷入有利于在台风倒槽西部出现锋生过程，配合西侧水汽条件转好，有利于降水出现，使“美莎克”降水表现出明显的非对称性特征。此外，在冷空气与台风相互作用过程中，台风变性为温带气旋也是导致其降水空间分布发生变化的重要原因，有关台风变性的科学问题，将在以后的研究中进一步分析。

图9 FY-2水汽通道和1.5pvu等位涡面Fig.9 FY-2 water-vapor channel and 1.5pvu equipotential vortex surface

3 与2012年“布拉万”简要对比分析

2012年台风“布拉万”北上，也给东北地区带来重大影响。“美莎克”和“布拉万”带来的风雨影响范围均比较大，且强降水中心都出现在台风中心的左侧。但“布拉万”以强热带风暴级进入我国境内，随后减弱为热带风暴，其强度维持不足10 h，“美莎克”以热带风暴级进入我国，其强度维持17 h，在我国境内强度维持时间较“布拉万”长，“美莎克”与西风带系统相互作用更明显。对2个台风影响我国东北期间小时降水量大于10 mm降水站数时间序列进行统计分析(图10)，发现“美莎克”降水持续30～40 h，“布拉万”持续15～20 h；在降水最强时期，“美莎克”影响的降水区域有1 800站以上小时降水量大于10 mm，而“布拉万”影响的降水区域则有1 000站以上小时降水量大于10 mm，总体表现出“美莎克”的降水持续时间更长、范围更大的特征。

图10 小时降水量大于10 mm降水站点数时间序列Fig.10 Time series of number of precipitation stations with hourly rainfall over 10 mm

对比分析2个台风的大尺度环流形势场可知，两次台风过程中高纬上空“西低东高”的基本环流型一致，均是在西风槽和东部阻塞高压中间，是北上的台风，但是“布拉万”的东部阻高和西风槽的异常程度不及“美莎克”；两次台风过程低层均有偏东风急流，且强度均为4个标准差异常，但范围上“美莎克”更强。分析高低层的系统配置可知，2个台风靠近我国时，地面低值中心在高空低值中心的东侧，系统随高度均表现出向西倾斜的特征，但是“美莎克”随高度向西倾斜更明显。受西路冷空气影响，“美莎克”的锋区较“布拉万”更强。因此，在相似的环流背景下，2个台风均在东北地区带来比较强的降水，且降水均具有非对称性，而动力条件的差异，导致了“美莎克”产生的降水更强。

4 结 语

2020年台风“美莎克”与西风带系统相结合，在我国境内的时间长达27 h，其风雨影响的时间长达45 h左右，具有风雨影响范围大、广的特征，部分站点雨量超极值；以持续性、稳定性降雨为主，黑龙江、吉林持续降水时间超过30 h；降水具有非对称性特征，强降水落区主要位于台风中心的左侧。

如“美莎克”影响东北地区的概念模型所示(图11)，异常稳定的“西低东高”的环流形势场有利于台风北上影响我国东北地区，使其北上路径也更加稳定，台风移动缓慢，在我国东北地区影响时间长，有利于出现持续性降水。北上台风进入我国后呈非对称性结构发展，系统随高度向西倾斜，在台风的西侧动力条件较好，有利于降水在台风的西侧产生。同时，“美莎克”与西风带系统结合，台风强度维持时间较长，倒槽西侧锋生区，有利于降水的维持和降水落区的非对称性分布。

图11 “美莎克”影响东北地区概念模型Fig.11 Conceptual model of Maysak influences on the Northeast region

“美莎克”和“布拉万”在东北地区造成的强降水均与它们和西风带系统结合关系密切，但是“美莎克”环流的异常程度、系统随高度向西倾斜的程度及锋区强度均强于“布拉万”，因此降水也表现为持续时间更长、范围更大的特征。