臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)降水及環(huán)境場(chǎng)極端性分析

楊舒楠 端義宏

1)(國(guó)家氣象中心， 北京 100081)2)(中國(guó)氣象科學(xué)研究院， 北京 100081)

引 言

我國(guó)東鄰西北太平洋，是世界上登陸臺(tái)風(fēng)最多、受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]，平均每年約有7～8個(gè)臺(tái)風(fēng)在我國(guó)登陸。臺(tái)風(fēng)對(duì)我國(guó)最重要的影響是其帶來(lái)的狂風(fēng)暴雨及衍生災(zāi)害，其破壞性給人民的生產(chǎn)、生活和生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大威脅。長(zhǎng)期以來(lái)臺(tái)風(fēng)暴雨研究都是臺(tái)風(fēng)研究的重要內(nèi)容之一[2-3]。我國(guó)歷史上極端的暴雨災(zāi)害均與臺(tái)風(fēng)有關(guān)[4-5]。如目前全國(guó)24 h最大降水量出現(xiàn)在臺(tái)灣省新寮(1672 mm)[4]，其產(chǎn)生與臺(tái)風(fēng)卡拉(6718)的活動(dòng)有關(guān)。在我國(guó)內(nèi)陸和北方地區(qū)，雖然臺(tái)風(fēng)活動(dòng)相對(duì)較少，但一旦出現(xiàn)，往往會(huì)造成極端暴雨，如1975年8月的第3號(hào)臺(tái)風(fēng)在河南林莊造成24 h降水量高達(dá)1062 mm[4]；1962年第8號(hào)臺(tái)風(fēng)變性后的氣旋在遼寧黑溝引起了657 mm的降水量[4]，造成重大洪澇災(zāi)害。統(tǒng)計(jì)研究指出：我國(guó)引發(fā)極端降水的臺(tái)風(fēng)在20世紀(jì)60～70年代以及2000年以后相對(duì)頻發(fā)，路徑大致集中在穿過(guò)臺(tái)灣或經(jīng)臺(tái)灣北部洋面在我國(guó)東南沿海登陸，以及在華南沿海登陸或近?；顒?dòng)兩類(lèi)[6]。Chang等[7]和任福民等[8]統(tǒng)計(jì)分析了臺(tái)風(fēng)對(duì)極端降水的影響，并給出了臺(tái)風(fēng)極端降水特點(diǎn)和空間分布特征。

臺(tái)風(fēng)登陸后的暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間受諸多因素影響。臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中，其與環(huán)境流場(chǎng)的匹配程度決定了臺(tái)風(fēng)暴雨的強(qiáng)弱[9-11]。水汽條件是登陸臺(tái)風(fēng)陸上維持的一個(gè)重要條件,也是臺(tái)風(fēng)暴雨增幅的主要原因之一[12]。水汽場(chǎng)的差異會(huì)造成完全迥異的降水強(qiáng)度及分布特征，從而決定臺(tái)風(fēng)暴雨的空間、時(shí)間分布及降水強(qiáng)度[13]。此外，臺(tái)風(fēng)的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)[14]、中低緯度環(huán)流相互作用[15-16]、中尺度雨帶發(fā)展[17]及地形作用[18]等均是造成臺(tái)風(fēng)登陸后強(qiáng)暴雨產(chǎn)生的原因。近年來(lái)，隨著雷達(dá)、衛(wèi)星以及自動(dòng)氣象站資料的日益增多，有關(guān)臺(tái)風(fēng)降水的時(shí)空分布特征的研究也越來(lái)越受到人們的重視[19-21]。

臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)溫比亞)給我國(guó)帶來(lái)了一次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、雨量大、影響范圍廣的極端降水過(guò)程，給人民的生產(chǎn)生活和生命安全造成了巨大損失。在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的極端性估計(jì)不足，難以把握。本文將利用多種觀(guān)測(cè)資料及分析資料等對(duì)溫比亞登陸后的降水演變、極端降水特征及環(huán)流形勢(shì)和物理量的極端性等進(jìn)行分析,以深入認(rèn)識(shí)臺(tái)風(fēng)降水的極端性，提高對(duì)此類(lèi)臺(tái)風(fēng)極端暴雨過(guò)程的預(yù)報(bào)服務(wù)能力。

1 資料與臺(tái)風(fēng)溫比亞簡(jiǎn)介

1.1 資料簡(jiǎn)介

本文采用的資料包括：國(guó)家氣象信息中心的“中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集”中的降水資料(時(shí)間段為1951—2012年，共有2480站)，并依據(jù)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)資料補(bǔ)充了2013年1月1日—2017年12月31日的降水資料；臺(tái)風(fēng)溫比亞影響期間的降水資料來(lái)自中央氣象臺(tái)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)間隔3 h 常規(guī)地面觀(guān)測(cè)(2480站)資料和國(guó)家氣象信息中心加密自動(dòng)氣象站(總計(jì)63997多站)逐小時(shí)降水觀(guān)測(cè)；國(guó)家氣象信息中心中國(guó)124個(gè)探空站數(shù)據(jù)和商丘站風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)；中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)每日2個(gè)時(shí)次(08：00和20：00(北京時(shí)，下同))起報(bào)的、3 h 間隔的數(shù)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.125°×0.125°。此外，還用到美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Center for Environmental Prediction，NCEP)1988—2017年間隔為6 h、空間分辨率為2.5°×2.5°的NNRP(NCEP/NCAR Reanalysis Project)再分析資料及2018年8月16—21日間隔為6 h、空間分辨率為1°×1°的NCEP FNL(Final Operational Analysis)分析資料。

1.2 臺(tái)風(fēng)溫比亞簡(jiǎn)介

溫比亞于2018年8月15日在西北太平洋洋面生成，17日04:00前后在上海浦東沿海登陸，登陸時(shí)為熱帶風(fēng)暴級(jí)，隨后臺(tái)風(fēng)一路向西北穿過(guò)江蘇南部和安徽中部，18日下午在河南境內(nèi)減弱為熱帶低壓。19日02:00—08:00溫比亞路徑轉(zhuǎn)向，隨后向東北方向移去，20日凌晨在山東北部變性為溫帶氣旋。18日14:00—19日08:00，溫比亞轉(zhuǎn)向期間移速緩慢，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)環(huán)流在河南東部長(zhǎng)時(shí)間維持。

受溫比亞影響，2018年8月16日08:00—17日08:00，浙江北部、上海、江蘇、安徽、河南、山東、遼寧東部和吉林東南部等地出現(xiàn)大范圍暴雨或大暴雨，河南東部、蘇皖北部、山東中西部及遼東半島等地出現(xiàn)特大暴雨(圖1a)，部分地區(qū)過(guò)程累積降水量超過(guò)400 mm，最大過(guò)程降水量出現(xiàn)在河南柘城遠(yuǎn)襄集站，達(dá)554.8 mm。此次過(guò)程，大暴雨和特大暴雨影響面積分別達(dá)3.6×105km2和4×104km2，其中山東省過(guò)程平均降水量達(dá)141 mm，創(chuàng)下 1951年以來(lái)歷史最高紀(jì)錄，河南、山東等地多站日降水量突破歷史極值(圖1b)。另外，18日傍晚江蘇徐州銅山區(qū)三堡鎮(zhèn)出現(xiàn)兩次龍卷風(fēng)。

圖1 臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)降水分布 (a)2018年8月16日08:00—21日08:00過(guò)程累積降水量(黃色線(xiàn)條為2018年8月15日14:00—8月20日23:00臺(tái)風(fēng)路徑)，(b)2018年8月18—20日日降水量突破極值站點(diǎn)分布及降水量(單位：mm，不含自動(dòng)氣象站)Fig.1 Precipitation distribution of Typhoon Rumbia in 2018 (a)process accumulated precipitation from 0800 BT 16 Aug to 0800 BT 21 Aug in 2018(typhoon track from 1400 BT 15 Aug to 2300 BT 20 Aug 2018 is shown by the yellow line)，(b)distribution of extreme precipitation stations and daily precipitation(unit:mm) from 18 Aug to 20 Aug in 2018(not including automatic weather stations)

2 降水特征

2.1 降水分布特征

從臺(tái)風(fēng)降水演變看，溫比亞降水經(jīng)歷了3個(gè)階段。第1階段為臺(tái)風(fēng)登陸前后(圖2a)的本體降水。強(qiáng)降水落區(qū)集中，主要位于臺(tái)風(fēng)中心附近的上海及浙江北部。此外，受外圍雨帶影響，蘇皖中部存在一條帶狀的暴雨、局地大暴雨雨帶。第2階段為臺(tái)風(fēng)深入內(nèi)陸及轉(zhuǎn)向階段(18—19日)。臺(tái)風(fēng)深入內(nèi)陸后，本體逐漸被破壞，非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，降水分布特征發(fā)生改變(圖2b和圖2c)：強(qiáng)降水逐漸集中于臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑右側(cè)，暴雨強(qiáng)度及范圍明顯增大。18日08:00—19日08:00的轉(zhuǎn)向過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)移速緩慢，其中心在河南東南部幾乎處于停滯狀態(tài)，導(dǎo)致強(qiáng)降水在局地持續(xù)，降水分布非對(duì)稱(chēng)性加強(qiáng)(更偏于臺(tái)風(fēng)路徑的右側(cè))(圖2c)，河南中東部、山東西南部、安徽北部等地出現(xiàn)了大范圍大暴雨、局地特大暴雨，為此次臺(tái)風(fēng)的最強(qiáng)降水時(shí)段。第3階段為冷空氣作用及臺(tái)風(fēng)變性階段(20—21日)。溫比亞轉(zhuǎn)向后，與中緯度高空槽逐漸接近，引導(dǎo)氣流增大，臺(tái)風(fēng)移速加快。受冷空氣影響，臺(tái)風(fēng)低層渦旋及倒槽得到發(fā)展(圖略)，20日在環(huán)流東北象限沿臺(tái)風(fēng)倒槽出現(xiàn)強(qiáng)降水，暴雨、大暴雨落區(qū)位于路徑兩側(cè)(圖2d)。21日，臺(tái)風(fēng)進(jìn)一步北上，在東北地區(qū)造成了大范圍的暴雨、大暴雨天氣(圖2e)。

圖2 臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)24 h累積降水量(填色) 及臺(tái)風(fēng)路徑(黃色線(xiàn)條) (a)8月16日08:00—17日08:00，(b)17日08:00— 18日08:00，(c)18日08:00—19日08:00， (d)19日08:00—20日08:00，(e)20日08:00—21日08:00 Fig.2 24 h accumulated precipitation(the shaded) and track (the yellow line) of Typhoon Rumbia in 2018 (a)0800 BT 16 Aug to 0800 BT 17 Aug,(b)0800 BT 17 Aug to 0800 BT 18 Aug,(c)0800 BT 18 Aug to 0800 BT 19 Aug, (d)0800 BT 19 Aug to 0800 BT 20 Aug, (e)0800 BT 20 Aug to 0800 BT 21 Aug

2.2 降水極端性

為分析日降水量的極端性，對(duì)1951年1月1日—2017年12月31日國(guó)家級(jí)氣象站日降水量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[21]。中國(guó)地面觀(guān)測(cè)站大多始建于20世紀(jì)50年代，因此，日降水量最大值即為該站建站以來(lái)的極值。本研究中日降水量為08:00—次日08：00的24 h降水量。

統(tǒng)計(jì)顯示，受溫比亞影響，8月18—20日河南、山東、安徽、遼寧等地共計(jì)17個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站的日降水量突破建站以來(lái)歷史極值(圖1b)。其中，18日08:00—19日08:00日降水量突破極值的國(guó)家級(jí)氣象站站數(shù)最多，包括河南東部7個(gè)站點(diǎn)(商丘、虞城、夏邑、睢縣、寧陵、扶溝、大康)、山東西南部3個(gè)站點(diǎn)(嘉祥、金鄉(xiāng)、成武)及安徽東北部1個(gè)站點(diǎn)(靈璧)，其中河南商丘站19日08:00日降水量達(dá)351.3 mm。8月19日，隨臺(tái)風(fēng)北上，大暴雨中心北移至山東北部，導(dǎo)致4個(gè)站點(diǎn)(廣饒、壽光、東營(yíng)、墾利)的日降水量突破歷史極值(圖1b)。20日，受冷空氣影響，臺(tái)風(fēng)在遼東半島造成2個(gè)站點(diǎn)(普蘭店、莊河)的極端降水。

2.3 小時(shí)降水量特征

溫比亞短時(shí)強(qiáng)降水特征明顯。國(guó)家級(jí)氣象站及加密自動(dòng)氣象站1 h累積降水量(R1h)統(tǒng)計(jì)顯示，臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域出現(xiàn)了大范圍R1h≥20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水(圖3a)，其中R1h達(dá)20～30 mm的站點(diǎn)數(shù)達(dá)4663個(gè)(圖3c)，最大小時(shí)降水量為127.7 mm。不同量級(jí)R1h的站點(diǎn)數(shù)量直方圖顯示(圖3c)，受溫比亞影響，浙江、江蘇、安徽、河南中東部、山東及遼寧東部等地R1h在30～50 mm和50～80 mm的站點(diǎn)數(shù)分別達(dá)2600和707個(gè)(圖3a和圖3c)。其中，74個(gè)站點(diǎn)的最大R1h超過(guò)80 mm，主要集中在河南東部、山東西南部及北部(52個(gè)站點(diǎn)，約占總數(shù)的70%)。異常強(qiáng)的小時(shí)降水量是造成上述地區(qū)日降水量極端性的重要原因之一。

圖3 臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)小時(shí)降水量特征 (a)最大小時(shí)降水量空間分布，(b)短時(shí)強(qiáng)降水(R1h≥20 mm)持續(xù)時(shí)間，(c)不同量級(jí)小時(shí)降水量站點(diǎn)數(shù)量直方圖，(d)不同量級(jí)小時(shí)降水量的最大持續(xù)時(shí)間(直方圖)及相應(yīng)站點(diǎn)數(shù)(黑線(xiàn))Fig.3 Characteristics of hourly precipitation of Typhoon Rumbia in 2018(a)the distribution of maximum hourly precipitation,(b)the duration time of hourly precipitation no less than 20 mm,(c)station numbers of different maximum hourly precipitation,(d)duration time(the histogram) its station numbers(the black line) of different hourly precipitation

溫比亞降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，河南中東部、山東中西部及安徽北部等地的降水持續(xù)長(zhǎng)達(dá)50～60 h，局地出現(xiàn)近70 h的降水(圖略)。R1h≥20 mm的短時(shí)強(qiáng)降水普遍持續(xù)4～6 h，其中河南、山東等地達(dá)8 h以上，最長(zhǎng)為14 h(圖3b和圖3d)。對(duì)于河南東部、山東西南部及山東北部的部分站點(diǎn)，R1h≥40 mm和R1h≥60 mm的強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間分別達(dá)5 h和3 h，其中14個(gè)(6個(gè))站點(diǎn)出現(xiàn)了2 h的R1h≥70 mm(R1h≥80 mm)的強(qiáng)降水(圖3b和圖3d)，強(qiáng)小時(shí)降水量具有一定的持續(xù)性。

上述分析表明，溫比亞降水具有強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、日降水量突破極值等特點(diǎn)。

3 ECMWF模式對(duì)極端降水的預(yù)報(bào)

隨著數(shù)值模式性能的提高和預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率總體呈上升趨勢(shì)。但模式對(duì)復(fù)雜臺(tái)風(fēng)路徑，尤其是臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)向過(guò)程仍存在較明顯預(yù)報(bào)偏差。圖4a為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF模式2018年8月17日20:00起報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)與觀(guān)測(cè)對(duì)比。前9 h，模式對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑總體把握較好，但9 h后，預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)移速偏快，導(dǎo)致其路徑轉(zhuǎn)向點(diǎn)較觀(guān)測(cè)偏西。隨預(yù)報(bào)實(shí)效延長(zhǎng)，臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差逐漸擴(kuò)大：轉(zhuǎn)向后模式預(yù)報(bào)為偏北移動(dòng)，而實(shí)況為東北移動(dòng)，且臺(tái)風(fēng)移速偏快。受其影響，19日20:00臺(tái)風(fēng)中心位置預(yù)報(bào)偏差達(dá)200 km，此外，ECMWF模式預(yù)報(bào)的海平面最低氣壓偏高(圖4b)，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度偏弱。

圖4 ECMWF模式預(yù)報(bào)(2018年8月17日20:00起報(bào))與觀(guān)測(cè)對(duì)比(a)17日20:00—19日20:00臺(tái)風(fēng)路徑，(b)17日20:00—19日20:00臺(tái)風(fēng)海平面最低氣壓Fig.4 Observation and ECMWF forecast of typhoon from 2000 BT 17 Aug to 2000 BT 19 Aug in 2018(initialed at 2000 BT 17 Aug 2018)(a)track of typhoon,(b)minimum sea-level pressure of typhoon

臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏差必然導(dǎo)致定量降水預(yù)報(bào)誤差。對(duì)比實(shí)況與ECMWF模式(17日20:00起報(bào))預(yù)報(bào)的8月19日08:00的24 h降水量(圖略)，暴雨落區(qū)預(yù)報(bào)較實(shí)況略偏西(臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)偏西)，但對(duì)雨帶分布特征把握較好。對(duì)于極端降水，模式往往低估，ECMWF模式17日20:00起報(bào)的19日08:00最大24 h累積降水量為227 mm，遠(yuǎn)小于觀(guān)測(cè)(554.8 mm)，即便更臨近起報(bào)時(shí)間(18日08:00)的預(yù)報(bào)量值也僅為230 mm，仍存在嚴(yán)重低估。對(duì)于17個(gè)極端降水站點(diǎn)，降水預(yù)報(bào)低估現(xiàn)象更加明顯，大多數(shù)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)降水量不足觀(guān)測(cè)一半(圖略)，17個(gè)站點(diǎn)的平均觀(guān)測(cè)降水量達(dá)258.05 mm，而預(yù)報(bào)僅為80.7 mm。

ECMWF模式對(duì)溫比亞極端降水預(yù)報(bào)欠佳，一方面與模式臺(tái)風(fēng)移速偏快、降水累積時(shí)間相對(duì)較短有關(guān)，另一方面源于其對(duì)臺(tái)風(fēng)精細(xì)化風(fēng)場(chǎng)及水汽特征把握不足。商丘站雷達(dá)風(fēng)廓線(xiàn)顯示(圖略)，8月18日凌晨，對(duì)流層1～3 km存在不低于25 m·s-1的強(qiáng)偏東風(fēng)發(fā)展，到18日08:00，低層風(fēng)速增至27.72 m·s-1，最大風(fēng)速出現(xiàn)在約1.2 km高度處。這支偏東風(fēng)的增強(qiáng)和維持，與小時(shí)雨強(qiáng)的陡增吻合較好(圖略)。對(duì)比模式預(yù)報(bào)(圖5a)，雖然ECMWF模式在115.5°E附近的對(duì)流層低層預(yù)報(bào)出較強(qiáng)偏東風(fēng)，但最大風(fēng)速僅22～24 m·s-1，較觀(guān)測(cè)偏低。此外，模式的強(qiáng)風(fēng)速帶僅局限在950～900 hPa薄層內(nèi)，而實(shí)況可延伸至約850～700 hPa。

從水汽條件看，雖然模式預(yù)報(bào)出超過(guò)70 mm的整層大氣可降水量(PWAT)，但水汽演變特征存在一定預(yù)報(bào)偏差。臺(tái)風(fēng)降水水汽條件十分充沛，因此對(duì)暴雨起決定性作用的不是水汽含量值，而是其擾動(dòng)值，即水汽突增對(duì)強(qiáng)降水產(chǎn)生具有更好指示意義。如商丘站，與NCEP FNL資料相比，模式預(yù)報(bào)水汽猛增推遲約6 h(圖5b)，且水汽最大值出現(xiàn)時(shí)間也延遲6～12 h。實(shí)際水汽突增出現(xiàn)于18日凌晨，與對(duì)流層低層的偏東風(fēng)增強(qiáng)相對(duì)應(yīng)，動(dòng)力和水汽條件的配合導(dǎo)致極端降水的產(chǎn)生。而模式預(yù)報(bào)的水汽增強(qiáng)卻推遲了6 h，沒(méi)能與低層風(fēng)場(chǎng)的增強(qiáng)配合，降水強(qiáng)度的預(yù)報(bào)偏弱。

另外，雷達(dá)回波顯示(圖略)，溫比亞降水伴隨著明顯的螺旋雨帶發(fā)展和中小尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)。全球模式分辨率不足，導(dǎo)致對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)及臺(tái)風(fēng)精細(xì)化結(jié)構(gòu)的預(yù)報(bào)存在較大偏差，無(wú)法體現(xiàn)中尺度過(guò)程造成的極端強(qiáng)降水。

臺(tái)風(fēng)降水預(yù)報(bào)目前是臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)，極端降水往往是在多種有利條件的共同作用下產(chǎn)生的，影響因素復(fù)雜，需要綜合分析環(huán)流形勢(shì)及物理量特征，才能對(duì)模式預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正。因此，本文將著重針對(duì)極端降水的環(huán)流及物理量極端特征進(jìn)行分析，以尋找極端降水產(chǎn)生的前期信號(hào)，為極端降水預(yù)報(bào)提供參考。

圖5 ECMWF模式2018年8月17日20:00起報(bào)的風(fēng)場(chǎng)及濕度場(chǎng)預(yù)報(bào)檢驗(yàn) (a)模式預(yù)報(bào)18日08:00風(fēng)場(chǎng)沿34.43°N緯向垂直剖面，(b)17日20:00—19日08:00整層大氣可降水量預(yù)報(bào)檢驗(yàn)Fig.5 Wind and humidity forecast of ECMWF initialed at 2000 BT 17 Aug 2018(a)the predicted wind field along 34.43°N at 0800 BT 18 Aug 2018,(b)verification of atmospheric precipitable water forecast from 2000 BT 17 Aug to 0800 BT 19 Aug in 2018

4 極端降水的動(dòng)力熱力特征

4.1 環(huán)流及動(dòng)力場(chǎng)極端性

對(duì)于極端降水，可通過(guò)對(duì)環(huán)流形勢(shì)和要素場(chǎng)偏離氣候平均態(tài)的程度進(jìn)行判斷, 一般偏離3倍以上標(biāo)準(zhǔn)差意味著小概率嚴(yán)重事件發(fā)生的可能性[22-25]。因此，定義標(biāo)準(zhǔn)化異常(Ds)為變量場(chǎng)偏離氣候態(tài)的程度：

Ds=(F-M)/σ，

(1)

式(1)中，F(xiàn)為某一時(shí)刻某一氣象場(chǎng)或物理量的值。M為該變量場(chǎng)同時(shí)刻30年氣候平均，為濾去小波動(dòng)對(duì)氣候場(chǎng)影響，參照文獻(xiàn)[23-24]，對(duì)變量場(chǎng)進(jìn)行了21 d滑動(dòng)平均(前后各10 d)，σ為氣候標(biāo)準(zhǔn)差。氣候及分析數(shù)據(jù)分別采用NNRP 1988—2017年(共30年)2.5°×2.5°再分析資料及NCEP FNL全球分析資料，對(duì)8月16日08：00—21日08：00變量場(chǎng)進(jìn)行逐6 hDs計(jì)算。Ds值代表變量場(chǎng)異常達(dá)氣候標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)，一般|Ds|≥3σ表示存在較明顯異常。

溫比亞影響期間，我國(guó)東部地區(qū)200 hPa為高壓控制，相較于氣候態(tài)，200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)表現(xiàn)為中等強(qiáng)度異常(Ds約為0.5σ～1.5σ)(圖6a)。受臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流影響，對(duì)流層中、低層位勢(shì)高度場(chǎng)則存在非常明顯(Ds≤-4σ)的負(fù)異常(圖6b)。統(tǒng)計(jì)顯示，1949—2018年影響圖6b黃色方框區(qū)域(31.2～36.8°N，111.7～118.3°E)的臺(tái)風(fēng)共計(jì)35個(gè)，其強(qiáng)度從強(qiáng)熱帶風(fēng)暴到熱帶低壓不等，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)60 h(圖7)。上述35個(gè)臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓多集中在990～1000 hPa，而溫比亞中心最低氣壓為985 hPa，較大多數(shù)臺(tái)風(fēng)偏低，其強(qiáng)度位于影響該區(qū)域臺(tái)風(fēng)的第2位。此外，從影響時(shí)間看，溫比亞在該區(qū)域內(nèi)維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)55 h，位于歷史第3位，持續(xù)時(shí)間也具有一定極端性。

圖6 2018年8月18日20:00位勢(shì)高度(等值線(xiàn)，單位：dagpm)及其標(biāo)準(zhǔn)化異常(填色) (a)200 hPa，(b)850 hPa(黃色方框?yàn)閳D7中臺(tái)風(fēng)路徑的統(tǒng)計(jì)區(qū)域)Fig.6 Geopotential height(the contour,unit:dagpm) and standardized anomaly(the shaded) at 2000 BT 18 Aug 2018(a)200 hPa,(b)850 hPa(the yellow frame denotes the statistical area of typhoon track in Fig.7)

圖7 1949—2018年在31.2～36.8°N，111.7～118.3°E區(qū)域(圖6b黃色方框)的臺(tái)風(fēng)海平面最低氣壓及影響時(shí)間(★為溫比亞)Fig.7 Features of typhoon passing through the area of 31.2-36.8°N，111.7-118.3°E(the yellow frame in Fig.6b) from 1949 to 2018(★ is Typhoon Rumbia in 2018)

除考慮環(huán)流及要素場(chǎng)相對(duì)于氣候平均態(tài)的異常程度外，為進(jìn)一步探討物理量特征在強(qiáng)降水事件中的極端性，選取河南商丘、山東嘉祥以及山東廣饒3個(gè)極端降水站點(diǎn)為研究對(duì)象，分別對(duì)站點(diǎn)1988—2017年(30年)日降水量排名前30(Historical Top30 Daily Precipitation, 以下簡(jiǎn)稱(chēng)HT30)降水日的物理量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與溫比亞進(jìn)行對(duì)比。2018年8月17日12:00溫比亞中心位于安徽中部， 200 hPa 受帶狀高壓控制，但高空輻散較弱(20～22×10-6·s-1)。18日08:00，帶狀高壓分裂，東側(cè)高壓中心強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，高空輻散增強(qiáng)至52～56×10-6·s-1(圖略)。同時(shí)，46°N附近的高空急流得到發(fā)展并向南分裂延伸，于18日20:00在42°N附近形成高空急流核(圖略)。高空急流入口區(qū)右側(cè)與上述增強(qiáng)高壓西北側(cè)的高空輻散疊加，造成高空散度進(jìn)一步增強(qiáng)(不低于56×10-6s-1)(圖8a)。此后，臺(tái)風(fēng)北上，高空急流東撤，輻散區(qū)移至山東北部(圖8b)。商丘、嘉祥和廣饒3個(gè)站的高空輻散與HT30降水日對(duì)比顯示(圖9a)，除廣饒站200 hPa輻散位于歷史第2位外(僅略低于最大輻散值)，其余兩站的高空輻散均遠(yuǎn)高于HT30降水日的最大值，顯示出高空輻散的極端性。

圖8 臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)影響下的位勢(shì)高度(藍(lán)色實(shí)線(xiàn)，單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)和散度(紅色虛線(xiàn)，單位：10-6 s-1)(a)200 hPa，2018年8月18日20:00，(b)200 hPa，2018年8月19日20:00，(c)850 hPa，2018年8月18日20:00，(d)850 hPa，2018年8月19日20:00Fig.8 Geopotential height(the blue solid line,unit:dagpm),wind(the wind barb) and divergence(the red dashed line,unit:10-6 s-1) of Typhoon Rumbia in 2018(a)200 hPa,2000 BT 18 Aug 2018,(b)200 hPa,2000 BT 19 Aug 2018,(c)850 hPa,2000 BT 18 Aug 2018,(d)850 hPa,2000 BT 19 Aug 2018

圖9 商丘、嘉祥和廣饒站臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)強(qiáng)降水過(guò)程(虛線(xiàn))與1988—2017年前30降水日(柱狀)的物理量對(duì)比 Fig.9 Comparison of physical parameters of Typhoon Rumbia in 2018(the dashed line) and top 30 precipitation days(the column) from 1988 to 2017 at Shangqiu,Jiaxiang and Guangrao

續(xù)圖9

對(duì)流層低層，環(huán)流異常更加明顯(圖6b)。臺(tái)風(fēng)登陸后強(qiáng)風(fēng)區(qū)集中在臺(tái)風(fēng)東北象限，且伴有倒槽，低層輻合很強(qiáng)(圖8c和圖8d)。商丘、嘉祥和廣饒3站850 hPa輻合均遠(yuǎn)超HT30降水日最大值，尤其廣饒站的850 hPa輻合幾乎達(dá)最大值兩倍(圖9b)，低層輻合極端性顯著。從時(shí)間演變看，3個(gè)站點(diǎn)在18日02:00—19日14:00均存在強(qiáng)850 hPa輻合(位于HT30第1～3位)，低層異常輻合持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)36 h，為極端降水產(chǎn)生提供了持續(xù)動(dòng)力條件。

綜上所述，溫比亞影響過(guò)程中，動(dòng)力場(chǎng)具有明顯極端性，異常低壓環(huán)流帶來(lái)的極端低層輻合，疊加高空急流和高壓邊緣的極端高空輻散，預(yù)示著極端強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，從而為極端強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供了有利的動(dòng)力條件。

4.2 水汽條件的極端性

水汽條件是臺(tái)風(fēng)登陸后暴雨持續(xù)的主要原因之一[10,12]。臺(tái)風(fēng)造成的強(qiáng)降水往往水汽輸送十分充沛，從850 hPa假相當(dāng)位溫看(圖略)，溫比亞環(huán)流及東側(cè)假相當(dāng)位溫普遍較高(不低于348 K)，高溫、高濕區(qū)域隨臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)不斷向內(nèi)陸擴(kuò)展，逐漸覆蓋河南中東部和山東南部，隨后北移至山東北部，為類(lèi)似熱帶性質(zhì)的高效強(qiáng)降水的產(chǎn)生奠定基礎(chǔ)。受其影響，商丘、嘉祥和廣饒3個(gè)站的假相當(dāng)位溫均接近或超過(guò)350 K，且具有較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間(圖略)。與HT30降水日相比，嘉祥的850 hPa假相當(dāng)位溫處于歷史第3位，而商丘和廣饒均超過(guò)最大值(圖略)。

850 hPa水汽通量顯示(圖10)，溫比亞?wèn)|側(cè)到北側(cè)存在一條較強(qiáng)的水汽通道，從我國(guó)東部沿海一直伸展至黃淮和華北南部，在臺(tái)風(fēng)東北象限產(chǎn)生了強(qiáng)水汽通量輻合。18日，河南東部及山東南部的極端降水位于水汽通量輻合中心附近(圖10a)，與氣候態(tài)相比，水汽通量散度Ds達(dá)-5σ～-4σ(圖11a)，極端特征顯著。8月19日20:00山東北部水汽通量輻合迅速增強(qiáng)(圖10b)，Ds達(dá)-3σ以上(圖11b)，導(dǎo)致該地區(qū)極端降水產(chǎn)生。此外，負(fù)異常區(qū)的西北側(cè)和東南側(cè)各存在一個(gè)正異常區(qū)，此正異常區(qū)是由于圖10中的強(qiáng)水汽輻散(流出)造成的，該水汽流出表明源于東部海面的暖濕空氣向臺(tái)風(fēng)北側(cè)注入，為暴雨區(qū)提供充沛的水汽和不穩(wěn)定能量。與圖9相比，除嘉祥的850 hPa水汽通量散度略低于歷史最大值外，商丘和廣饒均遠(yuǎn)超各自站點(diǎn)HT30降水日的最大值。

圖10 臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)羽)，水汽通量(填色)和水汽通量散度(紅線(xiàn)，單位：10-9 g·cm-2·hPa-1·s-1)(a)8月18日20:00,(b)8月19日20:00Fig.10 850 hPa wind(wind barb),water vapor flux(the shaded) and water vapor flux divergence(the red line,unit:10-9 g·cm-2·hPa-1·s-1) of Typhoon Rumbia in 2018(a)2000 BT 18 Aug,(b)2000 BT 19 Aug

水汽通量散度異常，一方面與低層環(huán)流輻合異常相關(guān)聯(lián)，另一方面與臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)水汽環(huán)境有關(guān)。受極端水汽輸送影響，黃淮及華北南部整層大氣可降水量普遍超過(guò)55 mm。其中，商丘的整層大氣可降水量從8月16日開(kāi)始增加，18日08:00增至72.7 mm，且連續(xù)30 h維持在68.68 mm以上，超過(guò)HT30降水日的最大值(圖9)，表現(xiàn)出持續(xù)的極端水汽特征。對(duì)于嘉祥和廣饒站，整層大氣可降水量分別達(dá)69.64 mm 和66.87 mm，位于HT30降水日的第4和第5名(圖9)，但數(shù)值十分接近歷史最大值。HT30降水日水汽條件統(tǒng)計(jì)顯示，較強(qiáng)水汽條件(整層大氣可降水量不低于60 mm)的平均持續(xù)時(shí)間約10 h，最大持續(xù)時(shí)間42 h。而溫比亞整層大氣可降水量不低于60 mm的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)54 h，其中30 h超HT30歷史最大值，極端水汽條件的持續(xù)是強(qiáng)降水產(chǎn)生的重要誘因之一。

為定量比較溫比亞的動(dòng)力和水汽極端程度，以商丘站為例，計(jì)算了其動(dòng)力、水汽物理量絕對(duì)值最大值與HT30降水日極值相比的超出百分率。結(jié)果顯示，各變量均出現(xiàn)超HT30極值的極端性特征，而且動(dòng)力相關(guān)物理量極端性更顯著。如溫比亞850 hPa 風(fēng)速和200 hPa輻散分別超出HT30降水日最大值35.4%和38%，而850 hPa散度則超出HT30最大值達(dá)88%。與之相對(duì)比，整層大氣可降水量超出HT30降水日最大值5.7%，850 hPa比濕和假相當(dāng)位溫分別超出1.3%和0.3%。不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于850 hPa水汽通量散度(超出HT30最大值79.2%)，其異常的最主要因素為低層輻合異常。異常低壓環(huán)流的動(dòng)力作用對(duì)極端降水的產(chǎn)生發(fā)揮了非常重要的作用，同時(shí)水汽條件的極端性對(duì)強(qiáng)降水的維持和降水效率的提高起補(bǔ)充作用。

圖11 臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)850 hPa水汽通量散度標(biāo)準(zhǔn)化異常(填色)(綠線(xiàn)內(nèi)分別為8月18日08:00—19日08:00和8月19日08:00—20日08:00 24 h累積降水量不低于50 mm區(qū)域)(a)8月18日20:00,(b)8月19日20:00Fig.11 Standardized anomaly of water vapor flux divergence(the shaded) of Typhoon Rumbia in 2018(the area circled by green line denotes 24 h accumulated precipitation no less than 50 mm from 0800 BT 18 Aug to 0800 BT 19 Aug and from 0800 BT 19 Aug to 0800 BT 20 Aug in 2018) (a)2000 BT 18 Aug,(b)2000 BT 19 Aug

5 結(jié)論與討論

本文利用多種觀(guān)測(cè)及分析資料，通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)溫比亞(1818)暴雨過(guò)程的極端降水特點(diǎn)及環(huán)流、物理量場(chǎng)的極端性特征的診斷分析，得到以下結(jié)論：

1) 溫比亞具有小時(shí)雨強(qiáng)大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、降水時(shí)空分布不均、降水量突破歷史極值等特點(diǎn)。強(qiáng)降水主要分為3個(gè)階段：登陸前后、深入內(nèi)陸和轉(zhuǎn)向階段、冷空氣作用和變性階段。其中第2階段，臺(tái)風(fēng)移速緩慢，為最強(qiáng)降水時(shí)段。溫比亞導(dǎo)致17個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站的日降水量突破歷史極值，最大小時(shí)降水量達(dá)127.7 mm，共計(jì)74個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)超過(guò)80 mm的小時(shí)降水量。此外，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，短時(shí)強(qiáng)降水(≥20 mm)維持時(shí)間可達(dá)14 h。較高的降水效率和較長(zhǎng)的強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間，造成極端降水的產(chǎn)生。

2) 臺(tái)風(fēng)低壓系統(tǒng)給對(duì)流層中、低層環(huán)流帶來(lái)Ds≤-4σ的標(biāo)準(zhǔn)化異常，異常低層環(huán)流造成極端低層輻合疊加高空急流和高壓邊緣的極端高空輻散，為極端降水提供了有利的動(dòng)力條件。極端降水站點(diǎn)的200 hPa高空輻散及850 hPa低空輻合均接近或遠(yuǎn)超過(guò)各自站點(diǎn)HT30降水日的最大值，環(huán)流形勢(shì)及動(dòng)力場(chǎng)極端性明顯。

3) 臺(tái)風(fēng)暴雨具有極端水汽條件，源自我國(guó)東部海面的暖濕空氣在暴雨區(qū)輻合，持續(xù)輸送充沛水汽。無(wú)論假相當(dāng)位溫、整層大氣可降水量還是水汽通量散度，均遠(yuǎn)超氣候平均值，具有明顯異常。與HT30降水日相比，整層大氣可降水量極端性明顯，且維持時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30 h，850 hPa水汽通量散度除嘉祥站略低于歷史最大值外，商丘和廣饒站均遠(yuǎn)超HT30降水日的最大值。

溫比亞暴雨過(guò)程的極端性綜合分析揭示了極端降水實(shí)況特點(diǎn)及環(huán)境場(chǎng)極端性特征，但對(duì)極端強(qiáng)水汽條件的成因、地形對(duì)極端強(qiáng)降水產(chǎn)生的作用、極端降水的微物理特征等科學(xué)問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。此外，雷達(dá)分析顯示，溫比亞極端暴雨過(guò)程伴隨著多條中尺度螺旋雨帶的發(fā)展，中小尺度對(duì)流系統(tǒng)活躍，雷達(dá)回波列車(chē)效應(yīng)明顯，對(duì)于溫比亞臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶的形成機(jī)制，中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的組織、維持及傳播特征等將在未來(lái)的研究中進(jìn)行深入探討。