李美颖 李艳 林曲凤 向纯怡

(1 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室，南京 210044；2 烟台市气象局，山东 烟台 264003；3 国家气象中心，北京 100081)

引 言

我国是登陆台风数量最多的国家，台风灾害严重，主要包括大风、暴雨以及山洪、泥石流等次生灾害，其中以暴雨灾害最为普遍。陈联寿[1]指出中国最大的暴雨是由台风造成的，而台风远距离暴雨是重要暴雨过程之一。台风远距离暴雨是发生在台风范围之外且与台风之间有内在物理联系的较强降水，在一定条件下可能会比台风本体环流产生的降水要大得多[2-4]，因此开展有关台风远距离暴雨的研究十分重要。

许多研究表明台风远距离暴雨是中低纬系统相互作用的产物，在有利的大尺度环流形势下，台风可与中纬度系统(西风槽、高低空急流、弱冷空气、西南涡等)相互作用，导致在远离台风的区域产生暴雨过程[5-10]。统计指出暴雨发生时200 hPa的高空多数情况为西南急流，暴雨区位于高空急流右后方[11-13]。丁治英等[14]通过对两个台风进行诊断对比与数值试验发现，两次台风远距离暴雨中高空急流均具有非纬向性，而当高空为平直西风急流时，即使台风强度较大，产生的降水大部分位于25°N以南且强度明显偏弱。除高空急流的影响外，许多研究发现当西风槽与远距离台风存在相互作用时往往会产生远距离暴雨[5,15-16]。陶祖钰等[17]认为当台风北侧存在中纬度槽与台风环流相互作用时，台风降水将产生不对称分布，存在两个暴雨中心，一个位于台风环流内部，另一个位于中纬度冷槽的槽前或槽区上；第二个暴雨中心的形成原因主要是台风东部或北部的环流与副高之间的东南气流将低纬度的海洋暖湿空气输送到中纬度槽前并在槽前产生动力辐合作用导致的。丛春华等[18]结合前人研究将台风与中纬度槽相互作用形成远距离暴雨的基础进行了总结：低层台风环流东侧的偏南急流向暴雨区输送水汽，使中纬度暴雨区的水汽产生强辐合且有不稳定能量的积累，从而使大气层结不稳定增强；而中纬度槽提供有利于台风远距离暴雨发展的大尺度背景以利于低层辐合的加强和垂直运动的发展和维持，进而触发和加强暴雨的发生和发展。台风远距离暴雨形成机制复杂，影响因素众多，预报的难度和不确定性仍然较大，因此针对典型个例的深入研究仍十分必要。

2019年第9号台风“利奇马(Lekima)”于2019年8月9日17时45分(世界时，下同)以超强台风登陆浙江，登陆后给江苏北部、山东等地造成了大范围的远距离暴雨和大暴雨，产生了严重的灾害以及经济损失。此次“利奇马”造成的远距离暴雨是典型的中纬度高空槽与台风相互作用的结果。本文将着眼于“利奇马”登陆后的远距离暴雨，通过分析中纬度高空槽与台风之间的相互作用的动力和热力过程，探讨中纬度高空槽与台风相互作用的物理机制，以期为进一步提升台风暴雨的预报水平提供理论参考。

1 资料和方法

采用美国环境预报中心(National Center for Environmental Prediction，NECP)发布的全球再分析资料(Final Operational Global Analysis，FNL)，该资料来源于全球资料同化系统(Global Data Assimilation System，GDAS)，水平分辨率为0.25 °×0.25°，垂直方向共34层，时间间隔6 h。因该套资料具有较高的空间分辨率，所以能够精确描述台风及中纬度高空槽的要素场特征。采用了国家气象信息中心提供的高分辨(0.05°×0.05°)的间隔1 h的三源融合降水资料。该资料是将地面自动站观测、FY-2卫星反演降水和雷达估测降水三部分通过分步融合方法得到，该资料可以有效地避免单一观测资料在分析台风降水结构分布中的局限性[19-20]。台风的位置及强度数据来自国际热带气旋最佳路径资料集(International Best Track Archive for Climate Stewardship，IBTrACS)。在对台风云图特征进行分析时还使用了Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS)的 GOES-10/12 高分辨率的卫星观测数据。

研究方法包括统计分析、合成分析、动态分析以及诊断分析。合成分析是对时间间隔为6 h的物理量计算其多个时次的算术平均值。动态分析是指坐标系跟随台风移动且台风始终位于移动坐标系的原点。这种分析方法可以使台风与周围环境场的相对位置更加直观，能够更加清楚的呈现两者相对位置的演变过程。

2 台风远距离暴雨及天气背景概况

2.1 台风远距离暴雨概况

台风“利奇马”于2019年8月9日17时45分以超强台风级在浙江温岭登陆。随后缓慢向北移动，强度逐渐减弱，于8月10日12时(世界时，下同)减弱为热带风暴，在穿过浙江、江苏后，进入黄海西部海域。11日12时50分左右“利奇马”以热带风暴级在山东省青岛市黄岛区沿海二次登陆，穿过山东半岛后进入渤海东部海域，于13日00时减弱为热带低压，之后迅速减弱填塞。为了研究此次台风登陆过程中远距离暴雨的时间演变特征，采用三源融合降水资料分别统计25°～45°N、110°～123°E区域1 h降水量大于等于10、20和30 mm的格点数，得到如图1所示的时间序列图。因为本文研究重点是台风远距离暴雨，所以主要关注台风登陆后的降水变化，从图1可以看出，自台风登陆(8月9日17时45分)后有三次明显的强降水过程，其降水量峰值第一次出现在8月9日21时左右，第二次出现在10日09时左右，第三次出现在10日21时左右。

图1 “利奇马”不同等级降水量格点数的时间序列图(黑线为1 h降水量≥10 mm的格点数；红线为1 h降水量≥20 mm的格点数；蓝线为1 h降水量≥30 mm的格点数；计算区域是25°～45°N、110°～123°E；横坐标下方两个黑色三角之间的时间段为本文选取的远距离暴雨研究时段)Fig.1 The time series of grid number of precipitation at different levels, black line indicates the grid number with 1 h precipitation ≥ 10 mm; red line indicates the grid number with 1 h precipitation ≥ 20 mm; blue line indicates the grid number with 1 h precipitation ≥ 30 mm; the calculation area is 25°～45°N, 110°～123°E; the period between the two black triangles under the x-axis is the remote heavy precipitation period

图2 台风移动路径(红色台风符号)及其对应6 h累积降水量(阴影，单位：mm)的分布：(a) 10日12—18时；(b) 10日18时—11日00时；(c) 11日00—06时Fig.2 The distribution of typhoon track (red typhoon symbol) and 6 h accumulated precipitation (shaded, unit: mm) during the period of from (a) 1200 to 1800 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10 to 0000 UTC on 11; (c) 0000 to 0600 UTC 10 on 11

从“利奇马”移动路径及对应时间的累积降水量的分布(图2)可以看出，10日12时—11日06时，主要降水区域始终位于台风路径的西北方向且距离台风有3～5个纬距。在10日12时—10日18时(图2a)，降水主要分布在江苏北部以及山东西部；随着台风的向北移动，降水落区也随之北移，到10日18时—11日00时(图2b)，台风造成的远距离暴雨强度最大，降水主要位于山东的中部和西部。随后，台风继续缓慢向北偏西方向移动，11日00时—11日06时(图2c)降水主要分布在山东的中西部，降水强度和降水范围都出现了不同程度的减弱。8月10日12时—11日06时的第三次强降水过程中，降水强度强、降水范围大，且强降水中心远离台风环流，因此将10日12时—11日06时确定为台风远距离暴雨的研究时段进行分析。

2.2 天气背景概况

图3是“利奇马”台风远距离暴雨阶段高中低层的平均形势场。200 hPa上在台风的西北侧存在较深的高空槽，该槽呈东北—西南向。南亚高压的东部中心位于128°E附近，台风处于南亚高压东部中心西北部的中纬度高空槽前的西南气流中。500 hPa上西北太平洋副热带高压位于海上，588 dagpm的等位势高度线的西伸脊点在130°E附近，台风处在副热带高压的西南边缘的30°～35°N之间的低压槽区中。从925 hPa风场可以看到台风环流东侧、南侧存在大于20 m·s-1的低空急流，第10号台风“罗莎”位于此台风东南方向约22°的距离处。

图3 10日12时—11日06时的200 hPa平均位势高度(红色等值线，单位：dagpm)、500 hPa平均位势高度(蓝色等值线，单位：dagpm)和925 hPa平均风场(箭矢，单位：m·s-1)分布Fig.3 The distribution of average 200 hPa geopotential height (red contour, unit: dagpm), average 500 hPa geopotential height (blue contour, unit: dagpm) and average 925 hPa wind field (vector, unit: m·s-1) from 1200 UTC on 10 to 0600 UTC on 11

“利奇马”的红外增强云图(图4)可以清楚地看到台风高空外流、中纬度高空急流以及台风的相对位置。10日12时(图4a)，“利奇马”位于(31°N，121°E)附近，台风高空有较强的朝向北的出流，其西北侧34°～50°N之间存在东北—西南向且分布范围较广的高空急流带，台风与该急流带相距至少3个纬距，而台风高空的向极出流与急流带之间的距离相对更近。10日18时(图4b)，台风北上与高空急流带进一步靠近，台风的高空外流也随之更加靠近高空急流带，但两者仍相对独立尚未合并。至11日00时(图4c)，“利奇马”北移至34°N附近，台风高空的向极出流随之北移并在高空急流入口区与之发生合并。最终在11日06时(图4d)台风高空的向极出流完全成为高空急流带的一部分。

3 中纬度高空槽对“利奇马”远距离暴雨的影响

相对角动量涡旋通量辐合(Relative Eddy Momentum Fluxes Convergence，REFC)通常被用于研究对流层高层非对称气流与台风之间的非线性相互作用[21]。公式(1)中，r代表距离台风中心的半径，U和V分别是纬向风与经向风，下标L代表在U和V的基础上扣除台风自身的移动速度，上标横线表示台风方位角平均，上标撇号表示方位角平均的偏差。 Demaria, et al[22]认为REFC达到10 m·s-1·d-1是对台风个例研究时其与环境气流产生明显相互作用的阈值。图5是对REFC在台风远距离暴雨阶段(10日12、18时、11日00、06时)合成平均后的结果。从图中可以看出，REFC在对流层200～300 hPa上存在很大的正值中心，最大值达到27 m·s-1·d-1且最大值距台风约有10°的距离。结合第二部分红外增强云图的分析结论，可以初步认为台风“利奇马”的远距离暴雨阶段，存在较强的台风—中纬度高空槽的相互作用过程。下文将针对中纬度高空槽与台风之间的相互作用分别从动力和热力作用两方面展开，深入探讨高空槽与台风之间的相互作用对台风远距离暴雨的影响。

(1)

3.1 动力作用

位势涡度(Potential Vorticity，PV)在等熵面上的变化可以清晰地反映天气系统的演变过程，所以PV理论通常被用来解释台风与中纬度高空槽的相互作用。台风附近的PV异常可能是通过中纬度高空槽的天气尺度位涡平流将高纬度高位涡值区或平流层起源区的位涡输送而来[23-24]。图6给出了以台风为坐标原点的位势涡度在350 K等熵面的演变过程，可以清楚地看到台风位置存在明显的高值中心，其西北侧有一发展强烈的高空槽逐渐向台风靠近。10日12时(图6a)，高空槽距台风大约10个纬距。至18时(图6b)，高空槽与台风之间的距离无明显变化，但高空槽以及槽前急流经向环流增大。随后高空槽及槽前急流的经向环流进一步增大，槽前西南急流强度进一步加强，高空槽的弱正PV值从台风西南方向逐渐向台风靠拢(图6c)。11日06时(图6d)，高空槽南部的弱正PV值进一步靠近台风，与台风之间形成了较弱的连接通道。高空槽带来的弱正PV异常促使了台风不稳定能量的释放，加强了台风北部的对流运动。

图4 “利奇马”红外增强云图(图片取自气象卫星研究合作研究所网站，红色台风符号表示台风位置)：(a) 10日12时；(b) 10日18时；(c) 11日00时；(d) 11日06时Fig.4 “Lekima”infrared enhanced cloud image at (a) 1200 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11;(d) 0600 UTC on 11 (The pictures were taken from the website of Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies；red typhoon symbol denotes the typhoon location)

图5 10日12时—11日06时平均相对角动量涡旋通量辐合(单位：m·s-1·d-1)的半径—垂直剖面(x轴为TC半径，单位：° ; y轴为气压层，单位：hPa)Fig.5 Radius-vertical cross section of average Relative Eddy Momentum Fluxes Convergence (unit: m·s-1·d-1) from 1200 UTC on 10 to 0600 UTC on 11, the x-axis denotes the TC radius (unit: °) and the y-axis denotes air pressure layer (unit: hPa)

随着中纬度高空弱PV的不断侵入，高空急流与台风之间的动力作用逐渐增强。从图7可以看到台风北侧35°N以北存在发展强烈的高空急流，台风西北部3～5个纬距处恰好位于此高空急流入口区的右侧。在高空急流入口区的右侧，因为较强的环境风垂直切变和水平切变使得右侧区域出现较强的大气水平辐散，较强的辐散运动不仅促进了对流层底层大气的辐合上升，而且带走了对流释放的潜热，利于大气不稳定层结的维持与重建。最终，高空急流入口区右侧产生的次级环流的上升支恰好增强了台风西北部地区的对流运动。10日12时(图7a)入口区右侧辐散达到8×10-5s-1，对流层中层的垂直速度为-1 Pa·s-1。10日18时(图7b)，急流强度增强，急流入口处右侧的垂直运动随之加强到-1.5 Pa·s-1，辐散保持在8×10-5s-1。11日00时(图 7c)，急流强度继续加强，急流入口右侧辐散及垂直运动范围进一步扩大，垂直速度达到了-2 Pa·s-1。直至11日00时(图7d)，高空急流强度有所减弱并北移，急流入口右侧辐散和上升运动的强度及范围较前一时刻都出现了明显的减弱。

图6 350 K(约200 hPa)等熵面位涡(阴影，单位：PVU=10-6 m2·K·s-1·kg-1)和风场(箭矢，单位：m·s-1)的分布(x轴、y轴分别为以TC为中心的相对经度与纬度)：(a)10日12时；(b)10日18时；(c)11日00时；(d)11日06时 Fig.6 The distribution of 350 K (about 200 hPa) isentropic potential vorticity (shaded, unit: PVU = 10-6 m2·K·s-1·kg-1) and wind field (vector, unit: m·s-1 ,the x-axis denotes the respective longitude centered on TC and the y-axis denotes the respective latitude centered on TC) at (a) 1200 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11; (d) 0600 UTC on 11

图7 200 hPa高空急流(阴影，单位：m·s-1)、散度(红色等值线，单位：10-5 s-1)、风场(箭矢，单位：m·s-1)和500 hPa垂直速度(蓝色等值线，等值线从-0.5 Pa·s-1开始，间隔0.5 Pa·s-1)的分布(绿色台风符号表示台风位置)：(a)10日12时；(b)10日18时；(c)11日00时；(d)11日06时 Fig.7 The distribution of 200 hPa jet stream (shaded, unit: m·s-1), divergence (red contour, unit: 10-5 s-1), wind field (vector, unit: m·s-1) and 500 hPa vertical velocity (blue contour, the contour starts from -0.5 Pa·s-1 with an interval of 0.5 Pa·s-1 ; green typhoon symboldenotes the typhoon location) at (a) 1200 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11; (d) 0600 UTC on 11

3.2 热力作用

图8为台风925～300 hPa温度平流、500 hPa温度以及垂直运动的分布情况。可以看到，台风北部3～5个纬距的地区一直处于中纬度槽前深厚的暖平流中，而从垂直速度的诊断方程可知高空热成风的暖平流能够促进地面的上升气流的发展。随着台风的西北移动，其北部对流层中层的暖平流强度与范围不断增大，且与台风的距离不断减少。在11日00时(图8c)，暖平流强度达最大，为15×10-5K·s-1，此时对应位置的对流层中层的上升速度也达到最大，为-2 Pa·s-1。

值得注意的是，500 hPa上的冷槽位于台风西北部，-6 ℃的冷中心位于台风西部且不断的靠近台风，温度槽与台风之间的温度梯度在台风的西部与北部随时间逐渐增大，温度槽前的冷平流也逐步靠近台风北部的暖平流区域。进一步分析假相当位温沿118°E的经向垂直剖面(图9)发现此中纬度高空槽—台风的相互作用过程中，中纬度的斜压锋生过程进一步的促进了台风西北部地区的上升运动。从倾斜等位温线密集区的位置可以看到近地层锋区位于35°～37°N附近，与台风的距离大约为3～5个纬距，恰好对应于台风远距离暴雨的位置。10日12时(图9a),假相当位温梯度带位于35°N附近。随着台风向北移动，假相当位温梯度带北移且温度梯度逐渐增大，对应区域的对称不稳定增强(图9b)。11日00时，台风继续北移，假相当位温梯度进一步增大，近地层锋区位于36°～37°N附近(图9c)。至11日06时，假相当位温梯度有所减弱(图9d)。

图8 925～300 hPa平均温度平流(阴影，单位：10-5 K·s-1)、500 hPa温度(黑色等值线，单位：℃)和垂直速度(绿色等值线，等值线从-0.5 Pa·s-1开始，间隔-0.5 Pa·s-1；红色台风符号表示台风位置)的分布：(a)10日12时；(b)10日18时；(c)11日00时；(d)11日06时 Fig.8 The distribution of temperature advection averaged between 925 and 300 hPa (shaded, unit: 10-5 K·s-1), 500 hPa temperature(black contour, unit: ℃) and vertical velocity (green contour, the contour starts from -0.5 Pa·s-1 with an interval of 0.5 Pa·s-1 ; red typhoon symbol denotes the typhoon location) at (a) 1200 on UTC 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11; (d) 0600 UTC on 11

4 远距离暴雨的水汽来源

暴雨产生的条件除了需要很强的垂直上升运动，水汽输送必不可少[25-27]。为了更好地表现台风远距离暴雨的整个过程(图10)，给出了850 hPa水汽输送示意。本次远距离暴雨过程存在两条水汽通道，过程前期主要是西南低空急流输送海洋暖湿气流，过程后期主要是东南急流带来的海洋暖湿空气。来自低纬度温暖洋面的暖湿空气在暴雨区辐合和累积，致使低层增温增湿，为台风远距离暴雨提供了充足的水汽。10日12时(图10a)，水汽通量大值区位于台风的东北部，大值区北端与暴雨区的垂直运动位置一致，西南急流水汽输送较强。随时间演变，西南急流水汽输送进一步增强，水汽通量大值接近60 g·s·kg-1(图10b)。台风继续北移，第10号台风“罗莎”切断了“利奇马”的西南急流水汽输送通道，东南急流水汽输送继续维持，此时台风东北侧的水汽通量中心强度和范围并未出现明显减弱(图10c)。直至11日06时(图10d),台风周围水汽通量范围减小，导致台风西北侧远距离降水逐渐减弱。

图10 850 hPa水汽通量(阴影，单位：g·s·kg-1)、风场(箭矢，单位：m·s-1)和500 hPa垂直速度(红色等值线，等值线从-0.5 Pa·s-1开始，间隔0.5 Pa·s-1, 绿色台风符号表示台风位置)的分布：(a)10日12时；(b)10日18时；(c)11日00时；(d)11日06时Fig.10 The distribution of 850 hPa vapor flux (shaded, unit: g·s·kg-1), wind field (vector, unit: m·s-1) and 500 hPa vertical velocity(red contour, the contour starts from -0.5 Pa·s-1 with an interval of 0.5 Pa·s-1 ; green typhoon symbol denotes the typhoon location)at (a) 1200 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11; (d) 0600 UTC on 11

5 结论

采用NECP提供的再分析资料和国家气象中心提供的高分辨率的三源融合降水资料从动力和热力作用两方面研究了中纬度高空槽与台风相互作用对“利奇马”台风远距离暴雨的影响。主要结论如下：

(1)此次远距离暴雨过程中，REFC的分布表明中纬度高空槽与台风在200～300 hPa之间存在很强的相互作用，且两者相距大约10°时相互作用最大。

(2)高空槽在与台风逐渐接近过程中经向环流有增大趋势，弱正PV异常从中纬度高空槽向台风区域的水平平流促使台风不稳定能量释放，加强了台风远距离暴雨的对流运动；高空槽前急流入口区右侧强烈的辐散运动激发了次级环流的发展，使得低层气流辐合上升，在台风西北部3～5纬距的地区产生了强烈的上升运动。

(3)对流层深厚的暖平流位于台风西北部3～5纬距的地区，此热成风暖平流的作用增强了台风西北地区的上升运动；台风西北部高空槽后的干冷空气的逼近，促进了在台风西北部地区的中纬度斜压锋生，此斜压锋面进一步增强了台风远距离暴雨处的动力抬升作用。

低纬度温暖洋面的暖湿空气在暴雨区辐合和累积配合上升速度的共同作用产生了此次较强的台风远距离暴雨过程。本文研究仅针对“利奇马”台风个例，分析的高空槽在远距离暴雨中的作用是否具有普适性，需要通过更多的个例分析进行研究和补充。