熱帶氣旋遠(yuǎn)距離對西南渦加強(qiáng)作用的個例研究

周春花，張 駒

(1.四川省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，成都 610072；2.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；3.成都市氣象臺，成都 611133)

引言

西南渦是在青藏高原東側(cè)背風(fēng)坡地形下，形成于西南地區(qū)的閉合低壓，是我國西南地區(qū)暴雨的重要天氣系統(tǒng)之一。研究表明[1-5]，西南渦發(fā)展東移，往往會引發(fā)下游地區(qū)大范圍的暴雨。在我國的許多重大暴雨過程中，西南渦都扮演了重要角色。熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶洋面上的強(qiáng)烈天氣系統(tǒng)，登陸的熱帶氣旋可以造成嚴(yán)重的損失，作為一種熱帶大型災(zāi)害性天氣，許多學(xué)者對形成和發(fā)展機(jī)理等做了大量的研究。研究者通常把上述兩種天氣系統(tǒng)作為孤立的系統(tǒng)來進(jìn)行了大量研究。近年來，越來越多的研究者關(guān)注到臺風(fēng)對中緯度系統(tǒng)的影響，對熱帶氣旋遠(yuǎn)距離暴雨的研究取得了很大的進(jìn)步。據(jù)統(tǒng)計(jì)[6]有14.7%的熱帶氣旋會產(chǎn)生遠(yuǎn)距離暴雨，遠(yuǎn)距離暴雨具有范圍廣、降雨強(qiáng)度大的特點(diǎn)。而熱帶氣旋能否產(chǎn)生遠(yuǎn)距離暴雨的關(guān)鍵在于熱帶氣旋能否將水汽輸送到中緯度。熱帶氣旋和我國中緯度地區(qū)天氣系統(tǒng)的相互作用的研究。主要有雷小途[7-8]對熱帶氣旋的登陸與中緯度環(huán)流系統(tǒng)相互作用進(jìn)行了研究，他認(rèn)為熱帶氣旋移動過程中攜帶大量水汽和能量，激發(fā)和增強(qiáng)中緯度氣旋環(huán)流的發(fā)展，同時，熱帶氣旋有時也會截?cái)嗨湍芰枯斔汀６≈斡9]對非緯向高空急流與遠(yuǎn)距離臺風(fēng)中尺度暴雨進(jìn)行研究，認(rèn)為遠(yuǎn)距離臺風(fēng)暴雨的發(fā)生與非緯向高空急流密切相關(guān)。針對熱帶氣旋對西南渦相互作用的方面。主要有陳忠明[10]對其分析得出熱帶氣旋通過偏南氣流改變西南渦的風(fēng)、壓場激發(fā)西南渦的發(fā)展和暴雨天氣的發(fā)生。李云川等[11]分析了熱帶氣旋對西南渦的穩(wěn)定加強(qiáng)作用，認(rèn)為熱帶低壓的存在促使西南低渦的發(fā)展，使西南低空急流加強(qiáng)，從而降雨再度加強(qiáng)。李強(qiáng)等[12]分析了臺風(fēng)遠(yuǎn)距離作用下的西南渦大暴雨過程，研究了遠(yuǎn)距離臺風(fēng)作用下的水汽和溫濕輸送特征。康嵐[13]分析一次臺風(fēng)對四川盆地大暴雨的影響，認(rèn)為臺風(fēng)外圍偏南氣流和副高外圍西側(cè)偏南氣流長時間貫通，有利于環(huán)流穩(wěn)定和西南渦發(fā)展。上述的研究表明，遠(yuǎn)距離熱帶氣旋對西南渦的形成、發(fā)展及其造成暴雨的水汽、能量收支有著密切的關(guān)系。因此，加強(qiáng)臺風(fēng)活動與西南渦相互作用誘發(fā)強(qiáng)天氣的研究，對深入認(rèn)識這類天氣形勢和提高預(yù)報(bào)水平有著積極意義。

2018年7月10日20:00～7月11日四川盆地西部普遍降了暴雨和大暴雨，最大累計(jì)降雨量出現(xiàn)在江油武都鎮(zhèn)為605.8mm，最大小時雨量出現(xiàn)在綿陽涪城區(qū)為92.3mm。在此期間10日20:00～11日02:00時降雨突然增強(qiáng)，最大6小時雨量達(dá)105mm，11日02:00～08:00時強(qiáng)降雨繼續(xù)，雨區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，最大6小時雨量達(dá)170mm。11日08:00～14:00降雨明顯減小。是什么原因使得降雨突然增強(qiáng)，熱帶氣旋對西南渦如何遠(yuǎn)距離影響？熱帶氣旋對本次暴雨如何貢獻(xiàn)？本文將利用自動站雨量資料和NCEP1°×1°再分析資料對上述問題進(jìn)行診斷分析。

1 環(huán)流背景分析

500hPa我國中高緯地區(qū)，巴湖是一個高脊控制，貝湖附近是一個寬廣的低壓區(qū)，貝湖底部分裂的低槽東移南下影響四川，槽區(qū)在川陜附近，同時南海有一個熱帶氣旋，臺風(fēng)“瑪莉亞”在西太平洋海域并逐漸向西移動，由于臺風(fēng)的影響使得副高主體北上，脊線位于38°N附近。在此背景下，7月10日20時(圖1a)，500hPa川陜一帶的高空槽向南加深，其渦度平流促使低層西南渦生成，此時西南渦位于四川盆地西北部，700hPa等壓面上西南渦中心最低氣壓為308百帕，南海有一個熱帶氣旋，中心在(112°E,18°N)，在熱帶氣旋右側(cè)偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為東南風(fēng)向西延伸與四川盆地的偏南氣流貫通，臺風(fēng)“瑪莉亞”中心在(124°E,25°N)，強(qiáng)度為強(qiáng)臺風(fēng)，在臺風(fēng)右側(cè)的南風(fēng)氣流向南延伸至27°N附近，受副高和臺風(fēng)的影響，南風(fēng)氣流在此轉(zhuǎn)向?yàn)槠珫|氣流，此時臺風(fēng)和副高之間的氣壓差達(dá)到34hPa，由于它們之間的氣壓梯度加大，使得偏東風(fēng)加大沿副高和臺風(fēng)外圍向西伸展和四川盆地的偏南氣流貫通，將西太平洋的暖濕氣流輸送至四川盆地，促使西南渦生成并發(fā)展，此時四川盆地內(nèi)700hPa東南風(fēng)最大風(fēng)速為10m/s。11日02時(圖1b)，500hPa貝湖低渦底部的低槽略有北抬，四川盆地內(nèi)700hPa有明顯的西南渦，其中心強(qiáng)度維持，但低渦東側(cè)偏南風(fēng)最大風(fēng)速加強(qiáng)達(dá)14m/s，使得西南渦的不對稱性加大。南海熱帶氣旋向西移動，中心位于(111°E,18°N)，臺風(fēng)“瑪利亞”繼續(xù)往西北西方向移動，中心位于(122°E，27°N)，此時臺風(fēng)和副高之間的氣壓差達(dá)到30hPa。11日08時(圖1c)，南海熱帶氣旋進(jìn)一步西移，中心位于(108°E,18°N)。臺風(fēng)登陸，中心位于(120°E,27°N)，此時臺風(fēng)和副高之間的氣壓差達(dá)到24hPa，臺風(fēng)與副高之間的氣壓梯度減小，盆地內(nèi)西南渦繼續(xù)發(fā)展，但其中心最低氣壓減弱，東側(cè)偏南風(fēng)略有減小為10m/s。 11日14時(圖1d)，臺風(fēng)登陸后強(qiáng)度減弱，其與副高之間的氣壓梯度減小，使得其外圍的偏東風(fēng)風(fēng)速也明顯減弱，到達(dá)盆地內(nèi)的水汽和南風(fēng)也減弱，此時西南渦前部的偏南風(fēng)和后部的北風(fēng)風(fēng)速相當(dāng)，中心氣壓也加大，強(qiáng)度減弱。

通過上面的分析，臺風(fēng)和副高外圍低層偏東氣流向西伸展與四川盆地內(nèi)的東南氣流貫通，加強(qiáng)盆地內(nèi)的東南風(fēng)風(fēng)速，同時南海熱帶氣旋右側(cè)偏南氣流向北延伸也進(jìn)一步加強(qiáng)盆地內(nèi)的東南氣流，從而促使西南渦生成并發(fā)展。當(dāng)臺風(fēng)進(jìn)一步向西北方向移動并登陸，臺風(fēng)截?cái)嗔宋魈窖笙蛭髂系貐^(qū)的水汽輸送，從而使得西南渦減弱，降雨結(jié)束。進(jìn)一步說明了臺風(fēng)對西南渦有遠(yuǎn)距離加強(qiáng)作用，下面將針對臺風(fēng)遠(yuǎn)距離作用下西南渦是如何加強(qiáng)來進(jìn)行分析。

2 熱帶氣旋遠(yuǎn)距離對西南渦的加強(qiáng)作用

2.1 熱帶氣旋遠(yuǎn)距離作用下的水汽輸送

圖2為850hPa水汽通量空間分布。強(qiáng)降水開始前10日20時(圖2a)，主要有兩條水汽帶向四川盆地輸送水汽，一條從南海偏西路徑經(jīng)熱帶氣旋轉(zhuǎn)向?yàn)槠珫|路徑向西輸送至四川盆地，該條水汽帶的通量值為10～15g·cm-1·hPa-1·s-1。另一條路徑從西太平洋經(jīng)強(qiáng)臺風(fēng)“瑪莉亞”和副熱帶高壓轉(zhuǎn)向?yàn)槠珫|路徑向西輸送至四川盆地，該條水汽帶的通量值在5～20g·cm-1·hPa-1·s-1之間。兩條水汽帶將南海和西太平洋的暖濕水汽輸送到強(qiáng)降雨區(qū)，此時盆地內(nèi)的通量值為15g·cm-1·hPa-1·s-1。強(qiáng)降雨強(qiáng)盛時11日02時(圖2b)，強(qiáng)臺風(fēng)登陸，其外圍東北風(fēng)至23°N轉(zhuǎn)向?yàn)槠珫|風(fēng)將西太平洋水汽輸送到四川盆地，該水汽帶的通量值維持為5～15g·cm-1·hPa-1·s-1，南海熱帶低壓外圍水汽輸送通量值在10～15g·cm-1·hPa-1·s-1。到達(dá)盆地的水汽通量值較上一時次加大至20g·cm-1·hPa-1·s-1。11日08時(圖2c)，臺風(fēng)“瑪莉亞”進(jìn)一步向西移動，其外圍水汽由東北路徑至23°N轉(zhuǎn)向?yàn)槠珫|路徑將水汽輸送到四川盆地，該水汽帶通量值減小至5g.cm-1·hPa-1·s-1，位于南海的熱帶氣旋外圍的水汽通量值維持10～15g·cm-1·hPa-1·s-1。此時到達(dá)盆地內(nèi)的水汽通量值有所減小為15g·cm-1·hPa-1·s-1，降雨持續(xù)。11日14時(圖2d)，隨著臺風(fēng)的進(jìn)一步西移北抬，其外圍至四川盆地的水汽帶被偏北風(fēng)截?cái)?，位于南海的熱帶氣旋外圍水汽僅有少量向四川盆地輸送，此時四川盆地內(nèi)的水汽通量值達(dá)15g·cm-1·hPa-1·s-1，但由于沒有持續(xù)的水汽供應(yīng)，因此降雨結(jié)束。

通過上面的分析，進(jìn)一步說明熱帶氣旋和臺風(fēng)主要通過其外圍的氣流向西南渦輸送水汽，促使西南渦生成，從而得以發(fā)展和持續(xù)，一旦其水汽和熱量輸送被阻斷，西南渦將減弱消亡。下面將進(jìn)一步分析熱帶氣旋和臺風(fēng)是如何通過水汽和熱量作用于西南渦。

2.2 熱帶氣旋遠(yuǎn)距離作用改變了西南渦的非平衡性

根據(jù)陳忠明[1]的研究表明，大氣運(yùn)動的非平衡動力強(qiáng)迫可通過激發(fā)散度場演化來促進(jìn)中尺度系統(tǒng)的發(fā)展。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，對于中尺度運(yùn)動，其非平衡性質(zhì)可用下式診斷：

(1)

10日20時(圖3a)，西南渦渦心處于非平衡負(fù)值區(qū)域，其鄰域也均處在非平衡值的負(fù)值區(qū)域，并且在西南渦的東北象限內(nèi)有負(fù)值中心，中心值達(dá)-35×10-9s-2，西南渦區(qū)域內(nèi)的非平衡運(yùn)動將激發(fā)低層輻合運(yùn)動增長，使得西南渦發(fā)展。11日02時(圖3b)西南渦略有南壓，其中心和鄰域均處于非平衡值負(fù)值區(qū)域，東北象限有一個負(fù)值中心，中心值較上一時次略有減小，中心值為-25×10-9s-2，非平衡運(yùn)動將繼續(xù)激發(fā)低層輻合運(yùn)動增長。11日08時(圖3c)，西南渦持續(xù)南壓，其區(qū)域內(nèi)處于非平衡值負(fù)值區(qū)域，東北象限內(nèi)維持一個負(fù)值中心，強(qiáng)度維持在-25×10-9s-2。11日14時(圖3d)，當(dāng)?shù)蛯訓(xùn)|南風(fēng)速減弱，持續(xù)供應(yīng)水汽減少后，西南渦渦心處于弱的負(fù)值區(qū)域，僅西南象限內(nèi)維持負(fù)值，其余象限都為正值區(qū)，說明此時的非平衡運(yùn)動減弱，將激發(fā)低層輻散運(yùn)動增長，不利于西南渦的發(fā)展，從而使得降雨減弱。

2.3 熱帶氣旋遠(yuǎn)距離作用改變了西南渦的暖濕結(jié)構(gòu)

分析西南渦持續(xù)時段的假相當(dāng)位溫變化，10日20時和11日02時(圖4a、b)有類似的特征，由于熱帶氣旋外圍暖濕氣流的持續(xù)輸送，700hPa西南渦心及其南部區(qū)域?yàn)橄鄬σ恢碌呐瘽駳饬骺刂?，均?55K的假相當(dāng)位溫區(qū)域，西南渦北部345K區(qū)域，南北兩側(cè)的位溫差值達(dá)10K，呈南側(cè)大，北側(cè)小的非對稱分布。到了11日08時(圖4c)，西南渦渦心及其東側(cè)、南側(cè)受持續(xù)暖濕氣流的控制，假相當(dāng)位溫增大至357K，而西南渦西北側(cè)由于冷空氣的入侵，假相當(dāng)位溫下降至339K，西南渦南北兩側(cè)的假相當(dāng)位溫差值達(dá)到18K，使得西南渦區(qū)域內(nèi)的非對稱性加大，增強(qiáng)了渦區(qū)的大氣斜壓性特征。隨后11日14時(圖4d)，西南渦及其鄰域均在355K區(qū)域內(nèi)，南北兩側(cè)的位溫梯度減弱，大氣斜壓性減小，西南渦逐漸減弱。

2.4 熱帶氣旋遠(yuǎn)距離作用改變了西南渦的動量結(jié)構(gòu)

暴雨的發(fā)生與中尺度環(huán)流系統(tǒng)有著密切的關(guān)系，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，使用25點(diǎn)平滑濾波方法，25點(diǎn)平滑濾波算子不僅考慮了算子的選擇濾波特性，使關(guān)注的中尺度波段的各波分量不受明顯歪曲，而且盡量減小邊界對區(qū)域內(nèi)的影響，能較好的反映系統(tǒng)之間中尺度環(huán)流特征。計(jì)算方法如下：

(2)

陳忠明等[10]的研究表明熱帶氣旋增強(qiáng)的外圍氣流，加大了西南渦的南風(fēng)動量，使得西南渦變成一個動量非對稱的渦旋系統(tǒng)。本文分析利用上述方法濾去小尺度系統(tǒng)的影響，有效獲取西南渦系統(tǒng)自身的主要特征。

通過計(jì)算，提取700hPa流場的中尺度信息，10日20時(圖略)西南渦西北側(cè)的風(fēng)速普遍在2～4m/s左右，東側(cè)的風(fēng)速在4～8m/s，由于此時臺風(fēng)外圍水汽和能量輸送，西南渦兩側(cè)的風(fēng)速差達(dá)到2～4m/s，使得西南渦變成一個動量非對稱渦旋系統(tǒng)，西南渦發(fā)展。11日02時(圖5a)西南渦西北側(cè)風(fēng)速維持在2～4m/s，而東側(cè)由于臺風(fēng)外圍水汽和熱量的強(qiáng)烈輸送，使得風(fēng)速加大至8～10m/s，西南渦兩側(cè)的動量非對稱性加大，從而有利于西南渦加強(qiáng)發(fā)展。11日08時(圖5b)，與上一時次相比，西南渦兩側(cè)風(fēng)速相當(dāng)，此時渦的強(qiáng)動量非對稱性維持。但由于西北側(cè)冷空氣的南下，使得西南渦向東南移動。而到了11日14時(圖略)，由于臺風(fēng)外圍偏東風(fēng)速帶的斷裂，使得盆地內(nèi)西南渦東側(cè)東南風(fēng)風(fēng)速減小至2～4m/s，同時冷空氣侵入西南渦。西南渦東西兩側(cè)風(fēng)速一致，都在2～4m/s左右，西南渦的動量非對稱性消失，西南渦也將減弱。

3 結(jié)論

通過分析2018年7月10～11日四川盆地大暴雨過程的環(huán)流背景，研究了熱帶氣旋遠(yuǎn)距離作用下水汽輸送特征，以及熱帶氣旋遠(yuǎn)距離對西南渦的加強(qiáng)作用，主要結(jié)論如下：

(1)南海熱帶氣旋通過外圍氣流將偏南風(fēng)向北輸送，西太平洋上的熱帶氣旋通過其外圍偏東氣流向西延伸，兩股氣流與西南地區(qū)東部的東南氣流貫通，建立水汽和熱量輸送帶。為西南渦的生成、發(fā)展提供有利的條件。

(2)熱帶氣旋通過改變西南渦周圍的風(fēng)壓場，從而改變西南渦周圍的非平衡性。當(dāng)東南風(fēng)風(fēng)速加大，西南渦周圍的大氣運(yùn)動加快，使得西南渦處于強(qiáng)非平衡狀態(tài)，從而促進(jìn)低層輻合增長，進(jìn)而使得西南渦發(fā)展。

(3)熱帶氣旋通過改變西南渦的暖濕結(jié)構(gòu)，從而改變西南渦的斜壓性。當(dāng)東南風(fēng)持續(xù)供應(yīng)水汽時，西南渦暖濕結(jié)構(gòu)非對稱性加強(qiáng)，增強(qiáng)渦區(qū)的大氣斜壓性，使得西南渦進(jìn)一步發(fā)展。

(4)熱帶氣旋通過改變西南渦區(qū)域的風(fēng)場，從而使得西南渦周圍的動量發(fā)生改變。當(dāng)西南渦東部東南風(fēng)風(fēng)速加大，與西南渦西側(cè)風(fēng)速差值增大，西南渦兩側(cè)的動量非對稱性加大，從而有利于西南渦加強(qiáng)發(fā)展。