北上臺(tái)風(fēng)“安比”強(qiáng)降水落區(qū)變化特征及其成因

孫密娜，韓婷婷，王艷春

(天津市氣象臺(tái)，天津 300074)

引 言

登陸臺(tái)風(fēng)引起的降水常具有不對(duì)稱(chēng)特征，外雨帶(離臺(tái)風(fēng)中心100 km以外)的降水一般位于臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右側(cè)，且垂直切變風(fēng)的散度場(chǎng)與雨帶的分布有很好的一致性[1-3]。低空急流不僅使登陸熱帶氣旋的維持時(shí)間變長(zhǎng)，形成長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的水汽通道，增強(qiáng)熱帶氣旋降水[4]，而且能通過(guò)影響低層風(fēng)場(chǎng)的分布形成輻合帶，從而影響中小尺度的降水。楊舒楠等[5]通過(guò)對(duì)臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”降水的分析發(fā)現(xiàn)：低層急流和風(fēng)場(chǎng)非均勻分布所形成的輻合帶決定了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水落區(qū)。段晶晶等[6]研究表明：臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”的強(qiáng)降水是由顯著偏南氣流導(dǎo)致的外螺旋雨帶中小尺度對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展而形成的。登陸臺(tái)風(fēng)降水還受到西風(fēng)槽、高空急流和復(fù)雜的大尺度環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響，高空急流的輻散抽吸作用以及與西風(fēng)槽的疊加能造成顯著的降水增幅[7]。

弱冷空氣對(duì)降水和熱帶氣旋的發(fā)展具有重要作用。陳聯(lián)壽等[8]指出強(qiáng)冷空氣入侵會(huì)破壞臺(tái)風(fēng)的暖心，使臺(tái)風(fēng)減弱消亡或者變性為溫帶氣旋，但如果冷空氣較弱，而且主要影響臺(tái)風(fēng)的外圍環(huán)流，則有利于臺(tái)風(fēng)環(huán)流加強(qiáng)。因?yàn)槿趵淇諝饧訌?qiáng)了暖濕空氣的輻合，加強(qiáng)潛熱釋放，提高臺(tái)風(fēng)中心溫度，增大臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度[9]。冷空氣侵入熱帶氣旋外圍可以大幅度增加外圍及倒槽的降水[10]。中尺度數(shù)值試驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)表明冷暖空氣侵入熱帶氣旋外圍最主要改變的是外圍流場(chǎng)[11]，低層外圍環(huán)境降溫可以促進(jìn)積云對(duì)流和潛熱釋放[12]。陳有利等[13]發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)倒槽頂部東南氣流和東北氣流匯合，在這種形勢(shì)下，弱冷空氣參與會(huì)引發(fā)臺(tái)風(fēng)暴雨。另外，地形[14-15]、螺旋雨帶發(fā)展[16]、水汽輸送[17]、大陸前期熱力條件[18]、海岸線分布、中低緯系統(tǒng)的相互作用[19-20]等也會(huì)影響臺(tái)風(fēng)暴雨的強(qiáng)度和分布特征。盡管前人已經(jīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水的現(xiàn)象和成因進(jìn)行了廣泛研究，然而，對(duì)強(qiáng)降水的中尺度落區(qū)，尤其是弱冷空氣造成強(qiáng)降水中心位置移動(dòng)的原因仍然缺少認(rèn)識(shí)。

2018年第10號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”在上海登陸后北上，進(jìn)入山東、河北、天津等地，造成海河流域東部暴雨，局部大暴雨。臺(tái)風(fēng)“安比”在北上過(guò)程中云系完整，中心位置達(dá)40°N以北后由熱帶風(fēng)暴逐漸變性為溫帶氣旋，是近20 a來(lái)繼2005年“麥莎”[21]和2012年“達(dá)維”[22-24]兩個(gè)臺(tái)風(fēng)之后直接影響華北地區(qū)的北上臺(tái)風(fēng)，其降水影響范圍更廣，北上至天津后降水顯著增強(qiáng)，且主要雨帶由“安比”移動(dòng)路徑的右側(cè)移至左側(cè)，其形成機(jī)制和臺(tái)風(fēng)北上過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變特征都是北上臺(tái)風(fēng)研究中的重要問(wèn)題，本文主要圍繞造成臺(tái)風(fēng)降水落區(qū)和強(qiáng)度變化的動(dòng)力和熱力因素展開(kāi)，以期增強(qiáng)對(duì)北上臺(tái)風(fēng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)警能力。

1 資料與過(guò)程簡(jiǎn)介

采用的資料包括：(1)NCEP/NCAR逐6 h再分析資料，空間分辨率為1°×1°；(2)地面加密自動(dòng)站逐小時(shí)溫度、露點(diǎn)、風(fēng)向、風(fēng)速和降水量數(shù)據(jù)；(3)2018年7月23日20:00(北京時(shí)，下同)北京站探空資料；(4)2018年7月24日05:30和08:30多普勒雷達(dá)資料，天津雷達(dá)位置坐標(biāo)為117.717°E、39.044°N；(5)中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所提供的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。

2018年第10號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”于7月22日12:30左右登陸中國(guó)上海崇明島地區(qū)，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力10級(jí)(28 m·s-1)，中心最低氣壓985 hPa，強(qiáng)度為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，傍晚減弱為熱帶風(fēng)暴，隨后向西北方向移動(dòng)，經(jīng)江蘇、山東后繼續(xù)北上至華北，經(jīng)河北、天津，進(jìn)入內(nèi)蒙，一直維持熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度，成為1949年以來(lái)首個(gè)進(jìn)入內(nèi)蒙古的熱帶風(fēng)暴。

23日20:00至24日20:00渤海西岸河北、天津和山東均出現(xiàn)暴雨，天津中西部和河北東北部沿海出現(xiàn)大暴雨，最大雨量為199.8 mm，出現(xiàn)在天津城市氣候監(jiān)測(cè)站[圖1(a)]。23日20:00[圖1(b)]，降水主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)中心東北側(cè)200 km范圍內(nèi)，降水量在20 mm以下，隨著臺(tái)風(fēng)北上，雨帶亦隨之北上，且雨帶由臺(tái)風(fēng)中心的右前側(cè)移至左前側(cè)，至24日08:00[圖1(c)]，降水中心移到臺(tái)風(fēng)中心西北側(cè)，降水量增大至30 mm左右，個(gè)別站點(diǎn)達(dá)40 mm以上，降水范圍也明顯擴(kuò)大，強(qiáng)降水仍然位于臺(tái)風(fēng)中心以北200 km范圍內(nèi)?？紤]臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑與臺(tái)風(fēng)非對(duì)稱(chēng)降水之間的相互關(guān)系，外雨帶(離臺(tái)風(fēng)中心100 km以外)的降水一般位于臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右側(cè)[3]，而“安比”的降水分布顯然與之不同，下文著重分析這種降水分布不對(duì)稱(chēng)的原因。

圖1 2018年7月23日20:00至24日20:00地面加密自動(dòng)站累計(jì)降水量(a)、23日20:00(b)和24日08:00(c)地面加密自動(dòng)站降水量(單位：mm)Fig.1 The accumulative precipitation of ground encryption automatic stations from 20:00 BST 23 to 20:00 BST 24 (a), the precipitation of ground encryption automatic stations at 20:00 BST 23 (b) and 08:00 BST 24 (c) in July 2018 (Unit: mm)

2 強(qiáng)降水非對(duì)稱(chēng)性成因

2.1 環(huán)流特征

7月24日08:00 500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)[圖2(a)]，東亞中高緯度為兩脊一槽型，兩脊分別位于100°E和130°E附近，兩脊之間的高空槽位于110°E附近，西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱(chēng)“副高”)中心位置異常偏北，位于35°N的日本海附近，588 dagpm線北伸至45°N，使130°E附近的高壓脊穩(wěn)定少動(dòng)且對(duì)高空槽東移形成顯著阻擋作用。臺(tái)風(fēng)“安比”沿副高西部北上至華北中部，其位于高空槽前溫度場(chǎng)為-2 ℃的暖區(qū)，距離高空槽后的溫度鋒區(qū)400 km左右。850 hPa[圖2(b)]，副高控制120°E以東的中高緯區(qū)域，“安比”環(huán)流中心位于華北中部，溫度鋒區(qū)位于環(huán)流中心西北300 km左右，“安比”仍然維持暖心結(jié)構(gòu)，但是暖心與鋒區(qū)位置很接近，天津以西和以北區(qū)域出現(xiàn)了弱的冷平流，表明在“安比”環(huán)流的外圍有弱的冷空氣滲透。200 hPa存在高空急流，有利于高空輻散抽吸作用，850 hPa“安比”東側(cè)的東南風(fēng)急流風(fēng)速達(dá)到20 m·s-1以上，將水汽源源不斷地從南海和東海輸送到中高緯地區(qū)，使華北中東部850 hPa比濕達(dá)14 g·kg-1以上，為降水提供了充沛的水汽條件[圖2(c)]。

圖2 2018年7月24日08:00 500 hPa位勢(shì)高度(黑色等值線，單位：dagpm)、溫度(紅色等值線，單位: ℃)、風(fēng)(風(fēng)矢，單位： m·s-1)和200 hPa風(fēng)速大于30 m·s-1區(qū)域(陰影)(a)，850 hPa位勢(shì)高度(黑色等值線，單位： dagpm)、溫度(紅色等值線，單位: ℃)、溫度平流(陰影，單位: 10-5 ℃·s-1)、風(fēng)(風(fēng)矢，單位: m·s-1)(b)及高低空系統(tǒng)配置(c)Fig.2 The geopotential height (black isoline, Unit: dagpm), temperature (red isoline, Unit: ℃), wind (vector, Unit: m·s-1 ) on 500 hPa and area with 200 hPa wind speed greater than 30 m·s-1 (shaded) (a), the geopotential height (black contour, Unit: dagpm), temperature (red isoline, Unit: ℃), temperature advection (shaded, Unit: 10-5 ℃·s-1), wind (vector, Unit: m·s-1) on 850 hPa (b) and configuration of weather systems in high and low levels (c) at 08:00 BST on 24 July 2018

圖3為925 hPa“安比”中心向外5個(gè)經(jīng)緯距最大風(fēng)速、平均渦度和中心海平面氣壓隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，23日02:00—20:00，925 hPa最大風(fēng)速?gòu)?2 m·s-1下降到23 m·s-1，24日02:00增大至27 m·s-1，雖然24日08:00又下降至24 m·s-1，但仍較23日20:00風(fēng)速大。此時(shí)恰是“安比”北上經(jīng)過(guò)渤海的時(shí)間，其右側(cè)位于海上，摩擦減小可能是造成風(fēng)速增大的重要原因。22日20:00以后平均渦度逐漸減小，24日02:00降至29×10-5s-1，24日08:00增至32×10-5s-1,較風(fēng)速的增大滯后6 h。23日14:00與08:00相比“安比”中心海平面氣壓顯著降低4 hPa左右，隨后快速升高，24日08:00與02:00相比再次降低2.5 hPa左右。因此，在“安比”北上經(jīng)過(guò)渤海的時(shí)間段內(nèi)，低層925 hPa風(fēng)速和渦度增大，“安比”中心海平面氣壓下降，表明系統(tǒng)的強(qiáng)度略有加強(qiáng)。

圖3 925 hPa“安比”中心向外5個(gè)經(jīng)緯距最大風(fēng)速、平均渦度和臺(tái)風(fēng)中心海平面氣壓隨時(shí)間的變化Fig.3 The variation of maximum velocity, average vorticity on 925 hPa over five latitude and longitude distances away from“Ambi” center and sea level pressure of the typhoon center

2.2 高層暖心結(jié)構(gòu)

高層暖心作為臺(tái)風(fēng)形成的指示特征之一[8]，其形成得益于眼區(qū)附近的下沉增溫作用和潛熱加熱作用[25]。熱帶氣旋無(wú)論是在西太平洋還是在西北大西洋，其高層均存在暖心和局地正濕度距平[26]。臺(tái)風(fēng)中擾動(dòng)的發(fā)展與否和暖心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱息息相關(guān)[27]。

圖4為沿“安比”中心所在緯度的溫度距平(求取距平時(shí)用到的平均值為“安比”中心向外5個(gè)經(jīng)緯距區(qū)域內(nèi)的平均值)的經(jīng)度-高度剖面?？梢钥闯?，23日02:00，“安比”位于江蘇的海岸線附近，中心位于121°E，大陸上空400 hPa存在2.5 ℃以上的暖中心，之后高空暖心結(jié)構(gòu)越來(lái)越弱；23日14:00，2.5 ℃暖中心幾乎消失，低空開(kāi)始出現(xiàn)明顯冷舌，冷中心小于-3 ℃，與西部環(huán)境溫度存在很大梯度；24日02:00，高空僅存在兩個(gè)分裂的1.5 ℃暖中心，低空的冷中心減弱為-2 ℃，與環(huán)境溫度梯度顯著減?。?8:00，400 hPa 2.5 ℃暖中心再次出現(xiàn)，這可能與凝結(jié)潛熱釋放有關(guān)[28-30]。李英等[31-32]研究表明，登陸臺(tái)風(fēng)如與提供水汽輸送的急流連結(jié)，并有垂直對(duì)流發(fā)展，則會(huì)因獲得潛熱能量而發(fā)展，從而為降水提供穩(wěn)定的環(huán)流背景，同時(shí)，高層增暖使低層減壓，地面輻合增強(qiáng)，有利于降水增強(qiáng)[33]。低層-2 ℃的冷舌范圍增大，冷暖區(qū)域之間存在顯著的溫度梯度，這可能與溫度的日變化有關(guān)。因此，在“安比”北上經(jīng)過(guò)渤海的過(guò)程中，高空暖中心由弱增強(qiáng)，低空與環(huán)境溫度的差異存在日變化。

2.3 動(dòng)力條件的非均勻分布

7月23日20:00，“安比”中心位于山東省西部，200 hPa高空槽前急流與“安比”距離較遠(yuǎn)，“安比”的東北側(cè)由于氣流的流出形成輻散中心，中心強(qiáng)度達(dá)70×10-6s-1[圖5(a)]。24日08:00“安比”逐漸與槽前的西南急流接近，氣壓梯度的增大使“安比”北側(cè)的西南風(fēng)由20 m·s-1增強(qiáng)至26 m·s-1，相應(yīng)的輻散中心位于“安比”中心北側(cè)，輻散范圍顯著增大，中心強(qiáng)度也顯著增強(qiáng)至100×10-6s-1以上[圖5(b)]，降水區(qū)位于高空急流入口區(qū)右側(cè)的輻散區(qū)，低空東南風(fēng)急流左前側(cè)的輻合區(qū)，氣流在這里交匯上升并釋放凝結(jié)潛熱，高層增暖，使低層減壓，促進(jìn)低層輻合加強(qiáng)，降水區(qū)的偏東風(fēng)急流進(jìn)一步加強(qiáng)，上升運(yùn)動(dòng)亦增強(qiáng)，這種正反饋?zhàn)饔檬菇邓畯?qiáng)度進(jìn)一步增大[34-36]。

圖5 2018年7月23日20:00(a、c)和24日08:00(b、d)200 hPa位勢(shì)高度(黑色等值線，單位：dagpm)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)和散度(陰影，單位: 10-6 s-1) (a、b)，925 hPa等風(fēng)速線(黑色等值線)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿)(單位: m·s-1)和散度(陰影，單位: 10-6 s-1)(c、d)Fig.5 The geopotential height (black contour, Unit: dagpm), wind (wind stem, Unit: m·s-1) and divergence (shaded, Unit: 10-6 s-1) (a, b) on 200 hPa, isotach (black contour), wind (wind stem) (Unit: m·s-1) and divergence (shaded, Unit: 10-6 s-1) on 925 hPa (c, d) at 20:00 BST 23 (a, c) and 08:00 BST 24 (b, d) July 2018

23日20:00，925 hPa“安比”東南側(cè)存在東南風(fēng)急流，最大風(fēng)速達(dá)22 m·s-1，急流將南海和太平洋的水汽輸送到降水區(qū)，“安比”西北側(cè)風(fēng)速逐漸減小，風(fēng)速分布較均勻，距離中心300 km處減弱至15 m·s-1，散度場(chǎng)的輻合中心出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)東北側(cè)，中心達(dá)-64×10-6s-1，與降水出現(xiàn)位置一致[圖5(c)]。24日08:00，“安比”東部925 hPa偏東風(fēng)急流的風(fēng)速增至25 m·s-1，西部風(fēng)向快速轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，風(fēng)速也快速減弱至4 m·s-1，散度場(chǎng)輻合中心西移到“安比”北側(cè)，輻合中心強(qiáng)度也增強(qiáng)至-83×10-6s-1[圖5(d)]。在這個(gè)過(guò)程中“安比”的東部尤其是海上部分的比濕均在18 g·kg-1以上，為降水提供了充沛的水汽。

23日20:00降水中心所在緯度37°N[圖6(a)]，8 g·kg-1等比濕線伸展接近500 hPa，低層比濕高達(dá)18 g·kg-1，119°E附近存在顯著的上升運(yùn)動(dòng)，中心位于500 hPa，達(dá)-1.4 Pa·s-1，118°E以東是東南風(fēng)，以西為東北風(fēng)，反映了“安比”北部的氣旋式環(huán)流，環(huán)流從低層伸展至300 hPa，東側(cè)東南風(fēng)顯著大于西側(cè)東北風(fēng)，東南風(fēng)的最大風(fēng)速達(dá)28 m·s-1，輻合中心出現(xiàn)在900 hPa以下，散度為-72×10-6s-1。24日08:00降水中心所在緯度為40°N[圖6(b)]，“安比”繼續(xù)北上，中心位于天津南部，東部位于渤海，8 g·kg-1等比濕線依然伸展到接近500 hPa，但是118°E 以西700 hPa以上干空氣更顯著，風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，干區(qū)及其以下區(qū)域出現(xiàn)西南風(fēng)或者4 m·s-1以下的東北風(fēng)，這與高空槽前的西南氣流逐漸移近有關(guān)，“安比”西北側(cè)的東北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，此時(shí)，降水中心附近的輻合顯著增強(qiáng)，中心強(qiáng)度達(dá)-90×10-6s-1以上，依然位于900 hPa以下。上升運(yùn)動(dòng)亦顯著增強(qiáng)，中心出現(xiàn)在600～500 hPa，達(dá)-3 Pa·s-1以上，降水更顯著，與圖5(b)高空急流的正反饋?zhàn)饔么嬖诤芎玫囊恢滦浴?/p>

24日08:00降水增強(qiáng)的重要原因是高空槽與“安比”環(huán)流相互作用造成動(dòng)力場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。200 hPa高空西南急流增強(qiáng)，其入口區(qū)右側(cè)輻散增強(qiáng)，與低空急流相互作用，使“安比”北側(cè)上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于降水增強(qiáng)。925 hPa“安比”西北部東北風(fēng)風(fēng)速快速減小至4 m·s-1以下，東北部低層風(fēng)速增大，使其北部的輻合增強(qiáng)，從而使水汽在這里輻合堆積，產(chǎn)生顯著降水。這種風(fēng)速的改變還與華北中南部的地形有關(guān)，東部為渤海海面，摩擦力小，“安比”經(jīng)過(guò)時(shí)東部風(fēng)力加大，其西部為太行山和燕山，下墊面高度升高，地面的粗糙度增大，風(fēng)速快速減小。

圖6 23日20：00沿37°N (a)及24日08：00沿40°N (b)的垂直速度(黑色等值線，單位: Pa·s-1)、比濕(綠色等值線，單位: g·kg-1)、風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)和散度(陰影，單位: 10-6 s-1)的經(jīng)度-高度剖面Fig.6 The longitude-height cross sections of velocity (black isoline, Unit: Pa·s-1), specific humidity (green isoline, Unit: g·kg-1), wind (wind stem, Unit: m·s-1) and divergence (shaded, Unit: 10-6 s-1) along 37°N at 20:00 BST on 23 (a) and along 40°N at 08:00 BST on 24 (b)

2.4 水汽收支

分別計(jì)算23日20:00與24日08:00的暴雨區(qū)(37°N—39°N、117°E—119°E)和(39°N—41°N、116°E—118°E)的水汽收支[37]。區(qū)域內(nèi)的水汽收支可以通過(guò)計(jì)算其東、西、南、北4個(gè)邊界的水汽通量來(lái)分析。圖7為2018年7月23日20:00和24日08:00暴雨區(qū)4個(gè)邊界1000～100 hPa水汽通量?？梢钥闯?，23日20:00南邊界、北邊界、西邊界及東邊界水汽通量分別為68、80、-220和-270 g·hPa-1·m-1·s-1，經(jīng)向的水汽輸入比緯向小一個(gè)量級(jí)，緯向水汽通量?jī)糁禐?50 g·hPa-1·m-1·s-1，說(shuō)明水汽主要從區(qū)域東邊界輸入。24日08:00南邊界、北邊界、西邊界及東邊界水汽通量分別為-12、10、-13和-165 g·hPa-1·m-1·s-1，東邊界輸入大于西邊界輸出，緯向水汽通量?jī)糁禐?152 g·hPa-1·m-1·s-1，緯向的水汽凈輸入比23日20:00增大3倍。

圖8為7月23日20:00和24日08:00暴雨區(qū)緯向(東邊界和西邊界水汽通量的差值)、經(jīng)向水汽通量(北邊界和南邊界水汽通量的差值)凈值和總水汽通量?jī)糁?緯向凈值和經(jīng)向凈值之和)垂直分布。可以看出，23日20:00，水汽輸送主要出現(xiàn)在850 hPa以下，且經(jīng)向風(fēng)導(dǎo)致水汽凈流出，水汽的凈流入主要來(lái)源于緯向風(fēng)，水汽通量?jī)糁翟诮貙舆_(dá)到-4.5 g·hPa-1·m-1·s-1。24日08:00，850 hPa以上經(jīng)向風(fēng)仍導(dǎo)致水汽凈流出，緯向風(fēng)導(dǎo)致水汽凈流入，兩者合成的結(jié)果是水汽凈流入，850hPa水汽通量?jī)糁颠_(dá)-4 g·hPa-1·m-1·s-1，低層經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)都是水汽輸送的凈流入，在近地層達(dá)-12.5 g·hPa-1·m-1·s-1，即水汽輸送的凈流入主要出現(xiàn)在對(duì)流層低層，且凈流入量比23日20:00增大近3倍。因此，造成降水的水汽主要來(lái)自東風(fēng)，對(duì)流層低層的水汽輸送是降水的關(guān)鍵。

圖7 2018年7月23日20:00(a)和24日08:00(b)暴雨區(qū)4個(gè)邊界1000～100 hPa水汽通量垂直積分(單位：g·hPa-1·m-1·s-1)Fig.7 The water vapor flux calculated by the vertical integration (1000 hPa to 100 hPa) across four boundaries over the heavy rain areas at 20:00 BST on 23 (a) and 08:00 BST on 24 (b) July 2018 (Unit: g·hPa-1·m-1·s-1)

圖8 2018年7月23日20:00(a)和24日08:00(b)暴雨區(qū)緯向、經(jīng)向水汽通量?jī)糁岛涂偹績(jī)糁荡怪狈植糉ig.8 The zonal, meridional and the total water vapor flux profiles over the rainstorm area at 20:00 BST on 23 (a) and 08:00 BST on 24 (b) July 2018

3 中尺度雨帶與邊界層溫、濕度場(chǎng)分布

3.1 雷達(dá)回波與中尺度雨帶

23日夜間至24日白天，降水回波呈螺旋狀分布，最大回波強(qiáng)度在45 dBZ左右，降水回波的伸展高度不高(35 dBZ回波在4 km以下)(圖略)，小時(shí)降水量達(dá)40 mm以上，屬于熱帶型降水。強(qiáng)度大于40 dBZ的帶狀回波代表降水最強(qiáng)區(qū)域，隨著“安比”螺旋雨帶回波向北移動(dòng)，大于40 dBZ的回波范圍顯著增大，且位置主要位于其西北側(cè)(圖9)，與強(qiáng)降水落區(qū)一致，降水回波的增強(qiáng)造成不對(duì)稱(chēng)降水分布的形成，下面主要討論邊界層條件對(duì)這種降水分布形成的影響。

3.2 邊界層溫濕場(chǎng)

溫度和露點(diǎn)不均勻分布是產(chǎn)生天津西北側(cè)強(qiáng)降水的重要原因[38]，而輻射降溫和弱冷空氣滲透是造成兩者梯度增大的重要原因。23日20:00[圖10(a)]，主要降水雨帶還沒(méi)有影響天津，由于太陽(yáng)加熱作用，華北中西部陸地溫度達(dá)29 ℃以上，而東南部由于受臺(tái)風(fēng)云系和降水影響，溫度為26～27 ℃，溫度由西北向東南遞減，形成了溫度密集帶，露點(diǎn)的分布則與溫度相反，東南部由于受到東南風(fēng)的影響，水汽由海上輸送到陸地，露點(diǎn)溫度為25～26 ℃，而西北部為24 ℃左右，露點(diǎn)溫度由西北向東南遞增。入夜后西北部的溫度由于輻射冷卻逐漸下降。24日02:00[圖10(b)]，西北部溫度為26～27 ℃，東南部溫度為25～26 ℃，溫度梯度減小，露點(diǎn)溫度與氣溫相反，東南部隨著“安比”主體的臨近，東南風(fēng)水汽輸送充分，露點(diǎn)緩慢增大，西北部的露點(diǎn)則開(kāi)始降低，露點(diǎn)梯度增大，輻合區(qū)移動(dòng)至天津東南部，最大輻合強(qiáng)度達(dá)-80×10-6s-1以上。05:00[圖10(c)]溫度梯度方向已經(jīng)開(kāi)始逆轉(zhuǎn)，東南部沿海溫度為26 ℃左右，西北部溫度低于25 ℃，露點(diǎn)仍然維持東南高、西北低的分布，露點(diǎn)線分布較稀疏，輻合中心繼續(xù)北抬至天津西北部，最大輻合區(qū)達(dá)-90×10-6s-1以上，此時(shí)的降水較均勻，強(qiáng)度也較弱。至24日08:00[圖10(d)]，北京中南部由東北風(fēng)轉(zhuǎn)為北風(fēng)，說(shuō)明邊界層亦存在弱冷空氣滲透，溫度梯度顯著增大，東南部沿海溫度仍然維持26 ℃左右，而西北部的溫度已降至24 ℃左右，露點(diǎn)梯度也顯著增大，東部露點(diǎn)為25 ℃左右，西北部為24 ℃左右，輻合中心繼續(xù)北抬，最大輻合區(qū)達(dá)-100×10-6s-1以上，強(qiáng)降水發(fā)生在溫度和露點(diǎn)梯度大值區(qū)偏北一側(cè)，與雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果一致。因此，24日08:00“安比”與西北側(cè)環(huán)境場(chǎng)溫度和濕度梯度增大，在系統(tǒng)抬升作用下，天津西北部出現(xiàn)降水中心。

圖9 2018年7月24日05:30(a)和08:30(b)天津唐沽站雷達(dá)組合反射率因子(單位：dBZ)Fig.9 The composite reflectivity factor from Tanggu station in Tianjin at 05:30 BST (a) and 08:30 BST (b) on 24 July 2018 (Unit: dBZ)

圖10 2018年7月23日20:00(a)、24日02:00(b)、05:00(c)和08:00(d)地面溫度(紅色等值線)、露點(diǎn)(綠色等值線)(單位: ℃)、水平風(fēng)(風(fēng)矢，單位: m·s-1)和散度(陰影，單位: 10-6 s-1)分布Fig.10 Surface temperature (red isoline) and dewpoint (green isoline) (Unit: ℃), wind (vector, Unit: m·s-1) and divergence (shaded, Unit: 10-6 s-1) at 20:00 BST on 23 (a), 02:00 BST (b), 05:00 BST (c) and 08:00 BST (d) on 24 July 2018

圖11為23日00:00至25日00:00天津武清和塘沽地面溫度、露點(diǎn)和水平風(fēng)逐時(shí)變化。可以看出，武清處于強(qiáng)降水區(qū)，23日開(kāi)始露點(diǎn)一直維持在24 ℃左右，12:00之后溫度逐漸下降，22:00溫度線與露點(diǎn)線趨于重合，空氣達(dá)到飽和，降水開(kāi)始，地面風(fēng)為東北風(fēng)，風(fēng)速為2～4 m·s-1，24日06:00轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，風(fēng)速增大至6 m·s-1，溫度和露點(diǎn)也下降1 ℃左右，午后降水逐漸結(jié)束，溫度快速升高。塘沽位于天津東部降水較弱的區(qū)域，23日以后露點(diǎn)亦維持在23～24 ℃，但是23日夜間溫度一直維持在26 ℃左右，溫度露點(diǎn)差為2 ℃左右，空氣飽和度較武清站差，23日開(kāi)始一直維持偏東風(fēng)，風(fēng)速為6 m·s-1左右，23日夜間出現(xiàn)降水后偏東風(fēng)增大至8 m·s-1，24日08:00轉(zhuǎn)為西風(fēng)，風(fēng)速為4～6 m·s-1。23日夜間陸地溫度下降，海洋溫度變化較小，海上平臺(tái)站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，23日20:00武清、塘沽溫度分別為29 ℃和27 ℃，A(118.41°E、38.43°N)平臺(tái)位于渤海，能反映海面上的溫度，此時(shí)為25 ℃，陸地溫度高于海洋，至24日02:00武清、塘沽的溫度逐漸下降至25 ℃和26 ℃，海上A平臺(tái)的溫度仍為25 ℃，海洋與陸地溫度相差很小，至08:00，武清、塘沽的溫度逐漸下降至25 ℃和26 ℃，海上A平臺(tái)的溫度為26 ℃，海洋與陸地溫度差很小，因此，“安比”是暖性的渦旋系統(tǒng)，在北上過(guò)程中不僅攜帶了豐沛的水汽，同時(shí)還為下墊面提供了熱量，使得降水區(qū)與環(huán)境空氣形成顯著的溫度和濕度梯度，從而加強(qiáng)了局地降水。

圖11 7月23日00:00至25日00:00天津武清(a)和塘沽(b)站地面溫度、露點(diǎn)和水平風(fēng)(風(fēng)向桿，單位: m·s-1)逐時(shí)變化Fig.11 The hourly variation of surface temperature, dewpoint and wind (wind stems, Unit: m·s-1) from 00:00 BST on 23 to 00:00 BST on 25 July 2018 at Wuqing (a) and Tanggu (b) station in Tianjin

4 結(jié) 論

(1)2018年7月24日500 hPa副高脊線異常偏北，588 dagpm線達(dá)45°N，副高西側(cè)的偏南氣流為臺(tái)風(fēng)北上提供了有利的環(huán)流條件，同時(shí)，高空暖脊的穩(wěn)定維持阻擋了高空槽的東移，使“安比”北上到40°N后仍能保持完整的暖心結(jié)構(gòu)。“安比”北上至渤海，其東側(cè)925 hPa偏東風(fēng)和渦度都有所增強(qiáng)，中心氣壓下降，表明系統(tǒng)在渤海有所加強(qiáng)。

(2)24日08:00高低空氣流與“安比”自身環(huán)流相互作用造成高低層風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改變。 200 hPa高空西南急流增強(qiáng)，其入口區(qū)右側(cè)輻散增強(qiáng)，與低空東風(fēng)急流相互作用，使“安比”北側(cè)上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于降水增強(qiáng)。在925 hPa“安比”西北部東北風(fēng)風(fēng)速快速減小，東北部偏東風(fēng)風(fēng)速增大，使其北部的輻合增強(qiáng)，從而使水汽輻合堆積，產(chǎn)生顯著降水。這種風(fēng)速的改變還與海陸分布及華北中南部的地形有關(guān)。

(3)23日20:00和24日08:00暴雨區(qū)水汽輸送主要集中在850 hPa以下，水汽輸送的凈輸入主要來(lái)源于緯向風(fēng)的貢獻(xiàn)，且從區(qū)域東邊界輸入。24日08:00緯向的水汽凈輸入比23日20:00增大3倍，導(dǎo)致降水強(qiáng)度的增大。

(4)溫度和露點(diǎn)的不均勻分布是產(chǎn)生降水中心西移的重要原因，“安比”攜帶暖濕氣流北上，其西北側(cè)由于輻射降溫和弱冷空氣滲入，溫度和露點(diǎn)逐漸下降，其東南側(cè)的溫度和露點(diǎn)仍然較高，從而形成顯著的西北—東南向溫度和露點(diǎn)梯度，與強(qiáng)降水的落區(qū)一致。因此，邊界層中尺度水汽和熱力條件的差異應(yīng)是此次降水預(yù)報(bào)中重點(diǎn)關(guān)注的因素。