臺風(fēng)“溫比亞”在河南的轉(zhuǎn)向路徑和暴雨特征分析

王 軍， 吳 迪， 席 樂， 王超杰， 劉 磊

（1.許昌市氣象局，河南許昌 461000； 2.河南省氣象臺，鄭州 450003； 3.長葛市氣象局，河南長葛 461500）

2018年1818號臺風(fēng)“溫比亞”引發(fā)河南中東部大范圍暴雨、大暴雨、部分地區(qū)特大暴雨，造成嚴(yán)重災(zāi)害，全省共有527.3 萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡2 人，農(nóng)作物受災(zāi)面積89.3×104hm2，造成直接經(jīng)濟(jì)損失14.6 億元，農(nóng)業(yè)直接經(jīng)濟(jì)損失13.4億元［1］.“溫比亞”在河南導(dǎo)致的降水強(qiáng)度和影響僅次于1975年8月的7503號臺風(fēng)蓮娜（Nina）. 因此，開展對“溫比亞”臺風(fēng)特大暴雨過程的研究顯得特別重要.

臺風(fēng)深入內(nèi)陸與中緯度不同天氣尺度系統(tǒng)相互作用引發(fā)罕見暴雨等劇烈天氣，往往造成巨大災(zāi)害和生命財(cái)產(chǎn)損失. 臺風(fēng)路徑和暴雨預(yù)報(bào)目前仍然是臺風(fēng)天氣預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)問題. 對臺風(fēng)暴雨的研究發(fā)現(xiàn)，中緯度西風(fēng)槽是影響登陸臺風(fēng)暴雨落區(qū)和強(qiáng)度最為重要的環(huán)境天氣系統(tǒng). 陳聯(lián)壽等［2］研究指出，臺風(fēng)與西風(fēng)槽相互作用，槽后冷空氣入侵臺風(fēng)環(huán)流會使臺風(fēng)暖氣層抬升而獲得位能，而位能釋放轉(zhuǎn)化成臺風(fēng)低層動能有利于增加降水. 朱洪巖等［3］研究指出，中高緯西風(fēng)槽是臺風(fēng)暴雨增幅的重要條件，槽的加強(qiáng)或減弱將導(dǎo)致降水的加強(qiáng)或減弱. 陳紅專等［4］指出2013年“天兔”臺風(fēng)暴雨是臺風(fēng)低壓倒槽與西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果. 有些研究認(rèn)為，適當(dāng)冷空氣侵入對臺風(fēng)暴雨有明顯的增幅作用［5-7］，臺風(fēng)暴雨強(qiáng)降水落區(qū)位于高低空急流耦合上升區(qū)［8-10］. 這些研究揭示了臺風(fēng)暴雨發(fā)生發(fā)展的機(jī)理. 本文利用常規(guī)氣象觀測、衛(wèi)星云圖、中央氣象臺臺風(fēng)數(shù)據(jù)、河南省自動氣象站監(jiān)測和NCEP 1°×1°再分析等資料，結(jié)合“溫比亞”在河南的轉(zhuǎn)向路徑，對此次臺風(fēng)暴雨特征進(jìn)行了診斷分析，研究其運(yùn)行演變規(guī)律，有助于提高臺風(fēng)路徑和暴雨預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)能力，更好為防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù).

1 “溫比亞”臺風(fēng)概況及暴雨特征

“溫比亞”于2018年8月15日08時（北京時，以下同）在日本沖繩西北海面生成，17日04時05分在上海浦東新區(qū)沿海登陸，登陸時為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，中心最大風(fēng)速25 m·s-1；18日03時減弱為熱帶風(fēng)暴，從安徽進(jìn)入河南東南部；18日14時在河南正陽縣境內(nèi)減弱為熱帶低壓；19日20時移出河南進(jìn)入山東境內(nèi)，在河南境內(nèi)運(yùn)行約40 h. 該臺風(fēng)在河南的移動路徑為拋物線型，經(jīng)歷了“西北行、停滯轉(zhuǎn)向和東北行”3個階段（圖1（a））.根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，該臺風(fēng)17日20時—18日20時為西北行階段，6 h中心位移從132 km降至30 km；18日20時—19日02時為停滯轉(zhuǎn)向階段，6 h中心位移僅有10 km；19日02時—20時為東北行階段，6 h中心位移從44 km增加到153 km（圖1（b））. 臺風(fēng)運(yùn)行經(jīng)歷了西北行逐漸減速、停滯轉(zhuǎn)向和東北行逐漸加速的過程. 強(qiáng)降水落區(qū)主要位于河南中東部. 代表站商丘降水量主要集中于臺風(fēng)西北行逐漸減速的過程中（圖1（b））.

圖1 臺風(fēng)“溫比亞”路徑、逐6 h臺風(fēng)地面中心位移與商丘降水量Fig.1 Path of Typhoon Rumbia，6 h typhoon ground center displacement and precipitation in Shangqiu

據(jù)統(tǒng)計(jì)，因臺風(fēng)影響，河南省3300 個雨量監(jiān)測站中降水量在50 mm 以上的站點(diǎn)有1375 個，其中100～249.9 mm的站點(diǎn)606個，250 mm及以上站點(diǎn)152個，最大降水量位于柘城縣遠(yuǎn)襄集553.1 mm，最大小時雨強(qiáng)出現(xiàn)在虞城縣沙集112 mm·h-1. 根據(jù)逐6 h 暴雨站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，18 日02—20 時為全省降水最為集中的時間段（表1），特別是18日08—14時，降水最強(qiáng)，暴雨范圍最大，全省暴雨站點(diǎn)359個，其中100 mm以上站點(diǎn)107個.

單位：個

表1 2018年8月18—19日逐6 h暴雨站點(diǎn)數(shù)及臺風(fēng)地面中心位移Tab.1 Number of rainstorm sites and typhoon ground center displacement by 6 h from 18 to 19 August 2018

按表1中逐6 h暴雨（含大暴雨、特大暴雨）站點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)，西北行階段的暴雨站點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)占此次臺風(fēng)3個階段總次數(shù)的80.9%，停滯轉(zhuǎn)向階段占6.6%，東北行階段占12.5%. 以商丘站為代表統(tǒng)計(jì)降水量，西北行階段的降水量占過程降水量93.1%，停滯轉(zhuǎn)向階段占3.3%，東北行階段占3.6%. 統(tǒng)計(jì)17日20時—18日20時、18日20時—19日02時、19日02—20時3個階段河南降水實(shí)況，也說明大范圍強(qiáng)降水主要集中于臺風(fēng)進(jìn)入河南前期西北行階段逐漸減速的過程中（圖2（a））；東北行階段的降水強(qiáng)度明顯減弱，暴雨區(qū)縮小并移至豫北東部（圖2（c））；停滯轉(zhuǎn)向階段降水強(qiáng)度最弱，只有零星的暴雨區(qū)（圖2（b））.

圖2 臺風(fēng)“溫比亞”引發(fā)河南降水實(shí)況Fig.2 The accumulated precipitation caused by Typhoon Rumbia in Henan

2 環(huán)流背景與臺風(fēng)路徑

2018年8月17日08時50°E～150°E范圍歐亞大陸中高緯度500 hPa為三槽二脊形勢，亞馬爾半島、貝加爾湖和日本北海道附近各有一低渦中心，三槽之間夾二脊，其中貝加爾湖附近的低渦中心深厚. 38°N 附近，青藏高原至朝鮮半島為一帶狀副熱帶高壓. 臺風(fēng)在上海登陸后，位于帶狀副熱帶高壓南側(cè)偏東氣流中，向西北方向移動. 500 hPa 貝加爾湖低槽東移，使副熱帶高壓在河套一帶斷裂，17 日20 時形成高原東部和朝鮮西南部兩個副熱帶高壓（圖略）. 18日08時200 hPa（圖3（a）），30°N附近西部高原和東部沿海各有一個高壓中心，我國北部40°N～50°N存在非緯向高空急流，低槽與急流相交. 18日20時，高空急流顯著增強(qiáng)并南擴(kuò)（圖3（b）），低槽斷裂，非緯向高空急流向平直西風(fēng)急流演變.

臺風(fēng)移動路徑與暴雨強(qiáng)弱及落區(qū)相關(guān). 西風(fēng)槽、高低空急流、副熱帶高壓是影響臺風(fēng)路徑的重要天氣系統(tǒng)，臺風(fēng)外圍反氣旋和高空輻散風(fēng)場與臺風(fēng)路徑密切相關(guān)［11-14］. 該臺風(fēng)進(jìn)入河南之后，貝加爾湖低槽緩慢東移，500 hPa 槽底伸展到40°N 以南，槽后有冷空氣南下；200 hPa 槽底位置在35°N附近（圖3（a）），與同時次的臺風(fēng)中心所在緯度接近，這種形勢有利于臺風(fēng)西北行減速停滯并轉(zhuǎn)向. 18 日08—20 時，200 hPa 位于我國東北的高空急流顯著增強(qiáng)，錫林浩特、通遼、哈爾濱一帶風(fēng)速≥30 m·s-1的急流軸增強(qiáng)并向南擴(kuò)展到張家口、北京、大連一帶（圖3（b）），張家口風(fēng)速由28 m·s-1增加到40 m·s-1. 高空急流中心與低槽重合或相交，急流軸右側(cè)槽前具有強(qiáng)烈的偏差風(fēng)輻散［15］. 非緯向高空急流形成的輻散可使臺風(fēng)倒槽型暴雨增幅［16］.18日08時，非緯向高空急流右后方35×10-5s-1的散度中心位于河南固始縣附近，接近臺風(fēng)中心，有利于臺風(fēng)環(huán)流中生成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動使暴雨增幅. 在高空急流增強(qiáng)并向平直西風(fēng)急流轉(zhuǎn)變和低槽東移的情況下，18日20時，散度中心北移至河南臺前縣與山東東平縣交界處，中心增強(qiáng)至39×10-5s-1，而臺風(fēng)地面中心仍然在河南汝南縣境內(nèi)停滯. 高層輻散中心對臺風(fēng)渦旋移動具有“引導(dǎo)”作用［17］. 18日20時，臺風(fēng)環(huán)流風(fēng)場東高西低非對稱結(jié)構(gòu)在300～400 hPa層次顯現(xiàn)，300 hPa阜陽西南風(fēng)12 m·s-1，南陽東北風(fēng)僅有4 m·s-1，預(yù)示臺風(fēng)高層轉(zhuǎn)向. 臺風(fēng)地面中心19日02時移動方向轉(zhuǎn)為北方，19日05時轉(zhuǎn)為北北東. 18日夜間，200 hPa位于上海、杭州一帶的反氣旋環(huán)流加強(qiáng)并向西南方向伸展，其西側(cè)從貴州、重慶、湖北到河南南部的西南氣流風(fēng)速增強(qiáng)到18 m·s-1，臺風(fēng)中心西南方安康、南陽等地環(huán)境風(fēng)場由東南風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)；500 hPa朝鮮西南部副熱帶高壓增強(qiáng)并向我國東南沿海伸展，使臺風(fēng)東側(cè)風(fēng)速增大，19日08時徐州偏南風(fēng)速達(dá)22 m·s-1，遠(yuǎn)大于臺風(fēng)西側(cè)鄭州東北風(fēng)速8 m·s-1，臺風(fēng)東西兩側(cè)風(fēng)速差進(jìn)一步增大，臺風(fēng)低壓中心加速東北移. 臺風(fēng)在停滯和轉(zhuǎn)向后降水減弱，使河南的重大臺風(fēng)汛情趨于緩解.

圖3 8月18日08時和20時200 hPa高度場與風(fēng)場Fig.3 200 hPa height field and wind field at 8 o’clock and 20 o’clock on August 18 th

圖4 8月18日08時和20時200 hPa散度場與風(fēng)場Fig.4 200 hPa distribution of divergence and wind field at 8 o’clock and 20 o’clock on August 18 th

3 降水變化成因分析

3.1 水汽條件

“溫比亞”臺風(fēng)暴雨落區(qū)主要位于臺風(fēng)低壓中心東北部中低層?xùn)|南風(fēng)與東北風(fēng)形成的強(qiáng)輻合區(qū)內(nèi)，具有倒槽暴雨的特征. 根據(jù)850 hPa 風(fēng)場與水汽通量場分析，臺風(fēng)環(huán)流水汽通量具有非對稱分布特征. 18 日02—20時，水汽通量大值區(qū)集中于臺風(fēng)低壓中心的北部，此階段也是主要的強(qiáng)降水階段. 臺風(fēng)進(jìn)入河南前期，18日02時，河南東部與安徽交界處的水汽通量中心值達(dá)36 g·cm-1·hPa-1·s-1以上（圖5（a））. 18時20時臺風(fēng)低壓進(jìn)入停滯階段，水汽通量大值降至30 g·cm-1·hPa-1·s-1附近，大值區(qū)面積縮小，降水趨弱. 19日02時臺風(fēng)轉(zhuǎn)向，水汽通量降至24 g·cm-1·hPa-1·s-1以下，水汽通量大值區(qū)移至臺風(fēng)低壓中心東北部（圖5（b）），顯示出臺風(fēng)系統(tǒng)東北移的趨勢. 分析850 hPa水汽通量散度場發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水發(fā)生前及強(qiáng)降水發(fā)生主要時段，水汽通量散度負(fù)值區(qū)呈東北-西南向帶狀位于臺風(fēng)移動方向的前部（圖5（a）），說明有大量水汽向河南中東部積聚.19日02時，水汽通量大值中心和水汽通量散度負(fù)值中心均移至臺風(fēng)東北方，與臺風(fēng)轉(zhuǎn)向后的移動方向一致（圖5（b））. 水汽通量大值中心、水汽通量散度負(fù)值中心移向?qū)ε袛嗯_風(fēng)移動方向具有指示意義.

圖5 850 hPa水汽通量、水汽通量散度與風(fēng)場Fig.5 Water vapor flux，water vapor flux divergence and wind field at 850 hPa

3.2 不穩(wěn)定條件

由臺風(fēng)中心垂直渦度和θse緯向剖面圖可知，臺風(fēng)停滯轉(zhuǎn)向前中高層θse呈漏斗狀結(jié)構(gòu)，臺風(fēng)中心附近為θse高值區(qū). 18日02時（圖6（a）），臺風(fēng)中心正垂直渦度柱較強(qiáng)，伸展高度達(dá)300 hPa，但18×10-5s-1以上大值中心高度較低，位于850 hPa附近. 18日08時（圖6（b）），臺風(fēng)中心垂直渦度值明顯增強(qiáng)，18×10-5s-1以上大值區(qū)向上擴(kuò)展至500 hPa附近，臺風(fēng)呈增強(qiáng)趨勢；西部中低空弱冷空氣侵入臺風(fēng)環(huán)流，850 hPa以下有冷舌楔入臺風(fēng)中心，暴雨區(qū)600 hPa以下?θse/?p ＞0，出現(xiàn)對流不穩(wěn)定層結(jié)，東南暖濕氣流在弱冷空氣形成的冷墊上爬升，有利于低層輻合，增強(qiáng)對流不穩(wěn)定性；臺風(fēng)東側(cè)344 k線也向臺風(fēng)中心逼近，說明臺風(fēng)西側(cè)不斷有繞流弱冷空氣從東南側(cè)侵入臺風(fēng)環(huán)流，加強(qiáng)了暴雨區(qū)冷空氣與暖濕空氣的交匯，促進(jìn)并維持中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展，增強(qiáng)了強(qiáng)回波帶的“列車效應(yīng)”. 19日02時（圖6（c）），臺風(fēng)中心垂直渦度值下降，結(jié)構(gòu)變形，θse值下降，臺風(fēng)強(qiáng)度減弱，但仍保持θse漏斗狀結(jié)構(gòu)，維持熱帶低壓狀態(tài)，直到移出河南.

3.3 動力條件

8 月17 日，200 hPa 黃河中下游以東和以北地區(qū)處于高空槽前的西南氣流中. 17 日夜間，高空槽前的西南氣流有所增強(qiáng)南移，原在江蘇的正散度中心增強(qiáng)，中心值從17 日20 時的11×10-5s-1增加到18 日08 時的35×10-5s-1，并西移至河南東南部. 18 日02 時，河南中東部上空散度場上正下負(fù)的形勢初步建立，但高度較低，上升運(yùn)動較弱（圖7（a））. 18 日08 時，河南位于二連浩特、通遼和長春一帶西南急流的右后方，強(qiáng)輻散中心提升至400 hPa 以上；臺風(fēng)東南方的中低空東南風(fēng)急流深厚，850 hPa 最大風(fēng)速達(dá)24 m·s-1，河南中東部位于低空急流出口區(qū)左側(cè)；高空急流右后側(cè)強(qiáng)輻散區(qū)與低空急流出口區(qū)左側(cè)強(qiáng)輻合區(qū)上下疊置，形成耦合機(jī)制（圖7（b））；低層輻合、高層輻散的上升運(yùn)動引發(fā)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展，產(chǎn)生強(qiáng)降水. 500 hPa垂直速度-3.0 hPa·s-1大值區(qū)位于河南中東部一帶，與暴雨落區(qū)吻合. 臺風(fēng)停滯轉(zhuǎn)向后，高空輻散中心東北移，臺風(fēng)輻合輻散柱狀結(jié)構(gòu)變形，400 hPa以上輻散中心和垂直速度場均向東北方向偏移，顯示臺風(fēng)環(huán)流上部已向東北方向轉(zhuǎn)向（圖7（c）），上升速度值下降，河南境內(nèi)降水減弱.

圖6 假相當(dāng)位溫與垂直渦度緯向—高度剖面Fig.6 Latitude-height profile of pseudo-equivalent potential temperature and vertical vorticity

圖7 散度與垂直速度經(jīng)向—高度剖面Fig.7 Meridional-height profile of divergence and vertical velocity

4 結(jié)論和討論

1）2018 年8 月的“溫比亞”臺風(fēng)引發(fā)河南中東部大范圍暴雨、大暴雨和部分地區(qū)特大暴雨，洪澇災(zāi)害嚴(yán)重. 其移動路徑為拋物線型，在河南經(jīng)歷了西北行逐漸減速、停滯轉(zhuǎn)向、東北行逐漸加速的過程. 大范圍強(qiáng)降水主要集中于臺風(fēng)進(jìn)入河南西北行逐漸減速的過程中. 停滯轉(zhuǎn)向階段降水明顯減弱，東北行階段暴雨區(qū)縮小并移至豫北東部，避免了河南中東部洪澇災(zāi)害的進(jìn)一步加劇.

2）“溫比亞”臺風(fēng)進(jìn)入河南前期中低空東南急流強(qiáng)勁，水汽充沛，水汽通量分布具有顯著的非對稱特征.西風(fēng)槽攜帶的冷空氣在低空與臺風(fēng)環(huán)流充沛的暖濕氣流作用，在非緯向高空急流形成的強(qiáng)輻散場與臺風(fēng)低空輻合場耦合的情況下，觸發(fā)對流和暴雨增幅.

3）西風(fēng)槽東移有利于臺風(fēng)西北行減速停滯并轉(zhuǎn)向. 高空急流顯著增強(qiáng)并向南擴(kuò)展，非緯向高空急流向平直西風(fēng)急流演變，急流軸右側(cè)的強(qiáng)輻散中心東北移，從高層牽引臺風(fēng)轉(zhuǎn)向，影響臺風(fēng)結(jié)構(gòu)；臺風(fēng)東側(cè)副高增強(qiáng)，高層反氣旋環(huán)流加強(qiáng)并向西南伸展，臺風(fēng)環(huán)境風(fēng)場轉(zhuǎn)入增強(qiáng)的西南氣流中是臺風(fēng)轉(zhuǎn)向并加速東北移的重要動力因素.

4）臺風(fēng)停滯轉(zhuǎn)向后，上部垂直渦度、散度、垂直速度場與下部偏移錯位，強(qiáng)度減弱，水汽通量值下降，降水也隨之減弱. 低空水汽通量大值中心、水汽通量散度負(fù)值中心和高空輻散中心位置對判斷臺風(fēng)移動方向具有指示意義.

此次臺風(fēng)在河南境內(nèi)運(yùn)行時間長，強(qiáng)降水持續(xù)時間長，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)臺風(fēng)動態(tài)以及強(qiáng)降水的趨勢和落區(qū)對防災(zāi)應(yīng)急極為重要. 高空急流的顯著增強(qiáng)對此次臺風(fēng)路徑變化和降水強(qiáng)弱有重要影響，在關(guān)注西風(fēng)槽、低空急流、副熱帶高壓等天氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，需要重視對高空急流的分析研判. 高空急流的增強(qiáng)因素有待進(jìn)一步探討.