臺(tái)風(fēng)“利奇馬”引發(fā)山東強(qiáng)降水成因分析

王楠喻,王雪,婁盼星,林曲鳳,吳彥潔,秦璐,孫世軍

(1.煙臺(tái)市氣象局,山東 煙臺(tái) 264000; 2.北京玖天氣象科技有限公司,北京 100081; 3.華風(fēng)氣象傳媒集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100081; 4.陜西省氣象科學(xué)研究所,陜西 西安 710016; 5.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100; 6.煙臺(tái)市牟平區(qū)氣象局,山東 煙臺(tái) 264100; 7.山東省電力公司應(yīng)急管理中心,山東 濟(jì)南 250001)

引言

山東地處中國(guó)東部沿海,臺(tái)風(fēng)是比較嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一[1]。臺(tái)風(fēng)造成的暴雨一方面可以給山東帶來(lái)充沛的降水,另一方面,臺(tái)風(fēng)造成的降水一般情況下雨強(qiáng)較大且降水時(shí)間集中,容易引發(fā)洪澇等次生災(zāi)害,可對(duì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)等方面造成嚴(yán)重的損失[2-5]。所以,對(duì)山東臺(tái)風(fēng)暴雨的研究一直是山東氣象工作者關(guān)注的重點(diǎn)。高曉梅等[1]統(tǒng)計(jì)出1949—2015年影響山東的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)有112個(gè),平均每年有1.7個(gè)臺(tái)風(fēng)影響山東。影響山東的臺(tái)風(fēng)路徑類型中北上類[1-2]較多,孫興池等[6]對(duì)登陸北上影響山東的兩個(gè)路徑相似、落區(qū)不同的0421號(hào)臺(tái)風(fēng)“海馬”和0509號(hào)臺(tái)風(fēng)“麥莎”進(jìn)行對(duì)比分析得出,中緯度系統(tǒng)可以對(duì)影響山東的臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)造成影響,西風(fēng)槽和副熱帶高壓可以影響降水落區(qū)的分布。高留喜等[7]對(duì)北上影響山東的1814號(hào)臺(tái)風(fēng)“摩羯”的路徑預(yù)報(bào)進(jìn)行研究,結(jié)果表明:環(huán)流形勢(shì)分析是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)路徑的一個(gè)重要前提,大陸高壓增強(qiáng)是環(huán)流形勢(shì)調(diào)整的顯著信號(hào)。鄭怡等[8]對(duì)登陸北上型的1818號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”造成山東的強(qiáng)降水進(jìn)行分析認(rèn)為,850 hPa水汽通量輻合強(qiáng)度對(duì)暴雨落區(qū)的形態(tài)和位置有一定的指示作用。以上結(jié)論在山東臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作中起到了很好的參考作用。

近幾年極端天氣頻發(fā),臺(tái)風(fēng)“摩羯”(1814)、“溫比亞”(1818)和“利奇馬”(1909),都給山東造成了嚴(yán)重的氣象災(zāi)害[9-13],產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,其中2019年9號(hào)(以下簡(jiǎn)稱“1909號(hào)”)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”為山東有氣象記錄以來(lái)影響時(shí)間最長(zhǎng)[14]的臺(tái)風(fēng)?！袄骜R”外圍云系自8月10日06時(shí)開始影響山東并產(chǎn)生降雨,至13日14時(shí)降雨結(jié)束,持續(xù)時(shí)間達(dá)80 h。山東省內(nèi)各地應(yīng)急管理局、農(nóng)業(yè)農(nóng)村局等部門通過(guò)初步災(zāi)情調(diào)查表明,“利奇馬”影響期間,強(qiáng)降雨及臺(tái)風(fēng)環(huán)流造成的大風(fēng)導(dǎo)致大范圍的農(nóng)作物倒伏，設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚和房屋倒塌,渤海內(nèi)所有航線停航,對(duì)經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，給人民生活帶來(lái)極大不便。

1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”雖然對(duì)山東的影響時(shí)間長(zhǎng),但較強(qiáng)降水時(shí)間主要出現(xiàn)在8月11日,其造成的強(qiáng)降雨強(qiáng)度和落區(qū)預(yù)報(bào)難度大,給災(zāi)害天氣預(yù)警工作增加了難度。本文通過(guò)對(duì)2019年8月10日20時(shí)—11日20時(shí)期間“利奇馬”對(duì)山東所形成的特大暴雨進(jìn)行初步分析,重點(diǎn)探討此時(shí)段強(qiáng)降雨的強(qiáng)度和落區(qū)出現(xiàn)的可能原因,希望可以為今后臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)提供思路,提高此類暴雨的預(yù)報(bào)水平。

1 資料與方法

文中所描述的時(shí)間均為北京時(shí)(BST),數(shù)據(jù)時(shí)間若為世界時(shí),計(jì)算繪圖處理為北京時(shí)。所用的方法主要為診斷分析方法。

所采用的資料分別為中國(guó)氣象局提供的臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集(tcdata.typhoon.org.cn)[15],國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù),國(guó)家氣象信息中心的地面-衛(wèi)星-雷達(dá)三源融合逐小時(shí)降水產(chǎn)品(水平分辨率為0.05°×0.05°,該數(shù)據(jù)精度高于任何單一來(lái)源降水產(chǎn)品的精度[16-18]),中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)FY-2G氣象衛(wèi)星9210格式中水平分辨率為0.1°×0.1°的逐小時(shí)平均相當(dāng)黑體溫度(black-body temperature,TBB)和NCEP/NCAR FNL(1°×1°)再分析數(shù)據(jù)。

2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”路徑及山東強(qiáng)降水概況

1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”于8月4日下午在西北太平洋生成(圖1a),生成后在副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱“副高”)南側(cè)東南氣流引導(dǎo)下向西北方向移動(dòng),逐漸向我國(guó)東部沿?？拷?10日01:45(北京時(shí),下同)前后在浙江溫嶺城南鎮(zhèn)沿海登陸,登陸時(shí)強(qiáng)度為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)(中心附近最大風(fēng)速52 m·s-1,中心氣壓930 hPa)?！袄骜R”登陸后轉(zhuǎn)向偏北方向移動(dòng),經(jīng)過(guò)浙江和江蘇兩省后移入黃海,并繼續(xù)北上,于11日20:50前后以熱帶風(fēng)暴級(jí)在山東青島黃島區(qū)附近再次登陸,登陸后向北偏西方向移動(dòng),強(qiáng)度繼續(xù)減弱,先后途經(jīng)青島、濰坊等地后移入渤海,在渤海移動(dòng)緩慢,強(qiáng)度繼續(xù)減弱,于12日11時(shí)左右在山東濰坊第三次登陸,13日08時(shí)減弱為熱帶低壓后在山東半島北部附近海域活動(dòng),14時(shí)中央氣象臺(tái)對(duì)其停止編號(hào)。

圖1 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”移動(dòng)路徑圖(a;填色表示中心附近最大風(fēng)速，單位：m·s-1)、2019年8月10日20時(shí)—11日20時(shí)山東24 h累計(jì)降水量(b;單位:mm)和2019年8月10日10時(shí)—13日14時(shí)昌樂(lè)、淄川、廣饒、章丘四站雨量逐時(shí)變化(c;單位:mm)Fig.1 Track (a; maximum average wind speed near bottom center, units: m·s-1) of Typhoon LEKIMA, 24-h precipitation (b; units: mm) in Shandong from 20:00 BST 10 to 20:00 BST 11, and hourly variation of precipitation (c; units: mm) at Changle, Zichuan, Guangrao, and Zhangqiu stations from 10:00 BST 10 to 14:00 BST 13 August 2019

8月10日06時(shí)—13日14時(shí),山東省國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站平均降水量172.5 mm,其中49個(gè)站點(diǎn)降水量在50～99.9 mm之間,40個(gè)站點(diǎn)降水量在100～249.9 mm之間,28個(gè)站點(diǎn)降水量超過(guò)250 mm,以20時(shí)為日界劃分,強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在11日(8月10日20時(shí)—11日20時(shí))(圖1b)。此過(guò)程降水分布不均,強(qiáng)降水中心主要在濰坊西部、東營(yíng)南部和淄博中部(36.0°～37.5°N,117.5°～119.0°E)等地。強(qiáng)降水中心的雨強(qiáng)較大,最大1 h雨量出現(xiàn)在2019年8月11日00時(shí)的濰坊臨朐站(區(qū)域氣象觀測(cè)站),為67.6 mm。濰坊昌樂(lè)站2019年8月11日07時(shí)和08時(shí),連續(xù)2 h的最大1 h雨量超過(guò)40 mm。在強(qiáng)降水中心選取4個(gè)代表站點(diǎn)(昌樂(lè)、淄川、廣饒、章丘,圖1c)分析降水隨時(shí)間變化,可見臺(tái)風(fēng)“利奇馬”帶給山東的強(qiáng)降水時(shí)段(超過(guò)20 mm·h-1)主要集中在10日20—22時(shí)和11日01—13時(shí)。

圖2 2019年8月9日20時(shí)(a)、10日20時(shí)(b)500 hPa天氣形勢(shì)圖,10日20時(shí)(c)、11日08時(shí)(d)200 hPa天氣形勢(shì)圖(黑色實(shí)線:位勢(shì)高度場(chǎng),單位:dagpm;風(fēng)向桿:風(fēng)場(chǎng),每一長(zhǎng)桿代表4 m·s-1;填色:散度場(chǎng),單位:10-5 s-1)Fig.2 Synoptic situation at 500 hPa at 20:00 BST 9 (a) and 20:00 BST 10 (b) and synoptic situation at 200 hPa at 20:00 BST 10 (c) and 08:00 BST 11 (b) August 2019 (black solid line for geopotential height, units: dagpm; wind field in wind barb, a long shaft for 4 m·s-1; colored area for divergence field, units: 10-5 s-1)

3 降水條件分析

3.1 高低空環(huán)流形勢(shì)特征

8月11日山東的特大暴雨發(fā)生在較有利的高低空環(huán)境場(chǎng)配置下。9日20時(shí)(圖2a)500 hPa歐亞大陸中高緯維持三脊兩槽的環(huán)流型,在巴爾喀什湖、蒙古國(guó)中部—我國(guó)河套地區(qū)各存在一冷槽,高空脊分別位于里海附近、新疆、東北地區(qū),未來(lái)位于河套地區(qū)的高空槽將攜帶弱冷空氣東移。高原地區(qū)存在一大陸高壓,西太平洋副熱帶高壓的中心在日本南部,副高脊線位于36°N附近。此時(shí)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的中心位于浙江近海附近(27.5°N,122.0°E)。10日20時(shí)(圖2b),中高緯度的脊、槽向東移動(dòng),巴爾喀什湖冷槽移到蒙古國(guó)西部—我國(guó)新疆東部(90°E附近),蒙古國(guó)中部—我國(guó)河套地區(qū)的冷槽減弱、分裂,北段東移到內(nèi)蒙古東北部,南段移動(dòng)緩慢,位于內(nèi)蒙古中部—山西東部,部分減弱的冷空氣殘存在河套地區(qū)—山西—河南一帶。高原上的大陸高壓維持,西太平洋副熱帶高壓與我國(guó)東北地區(qū)的高壓脊同位相疊加而形成“高壓壩”。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”已移至浙江北部,中心位于30.7°N,120.2°E,臺(tái)風(fēng)倒槽伸至江蘇與山東南部交界附近。山東中東部受反氣旋性環(huán)流控制。11日08時(shí)(圖略),臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的中心位于江蘇東部沿海附近(33.6°N,120.2°E),倒槽伸至山東中部。

10日20時(shí)200 hPa原位于華北地區(qū)北部到東北地區(qū)的高空急流迅猛發(fā)展東移靠近山東西北部,此時(shí)山東位于高空急流入口區(qū)的右后側(cè)(圖2c)。10日夜間,高空急流進(jìn)一步增強(qiáng),向東北方向移動(dòng),逐漸移出山東,11日08時(shí)急流軸位于河北東北部—東北地區(qū)(圖2d)。對(duì)應(yīng)時(shí)次的200 hPa散度場(chǎng)上,山東境內(nèi)為明顯的輻散區(qū)并且強(qiáng)度增幅明顯。11日08時(shí)200 hPa急流區(qū)逐漸東移,急流軸上的強(qiáng)風(fēng)維持,山東境內(nèi)強(qiáng)輻散區(qū)面積減小,強(qiáng)度有所減弱但仍較強(qiáng)。10日下午到11日上午是山東發(fā)生強(qiáng)降雨的時(shí)段,此時(shí)正是高空急流迅速增強(qiáng)且處于對(duì)山東降水最有利的位置。

10日20時(shí)(圖3a)850 hPa臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的倒槽已伸到山東中部,即此時(shí)對(duì)流層低層山東主要受臺(tái)風(fēng)環(huán)流的影響,倒槽后部的低空東南急流到達(dá)山東半島的北部,山東中部主要是偏東風(fēng)急流控制,20 m·s-1及以上的風(fēng)抵達(dá)山東半島東南部沿海一帶。夜間隨著臺(tái)風(fēng)繼續(xù)北上,倒槽略有西移,低空東南急流強(qiáng)度增強(qiáng),11日08時(shí)20 m·s-1及以上的風(fēng)已進(jìn)入山東半島(圖3b)。這表明10日夜間,低空東南急流的增強(qiáng)造成山東中部低層的輻合不斷增強(qiáng),低空急流源源不斷地將黃海和渤海的水汽向山東中部輸送,有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水。

圖3 2019年8月10日20時(shí)(a)、11日08時(shí)(b)850 hPa天氣形勢(shì)圖(粉色實(shí)線:850 hPa溫度場(chǎng),圖中僅畫出了16～21 ℃,數(shù)值間隔為1 ℃,單位:℃;風(fēng)向桿:風(fēng)場(chǎng),每一長(zhǎng)桿代表4 m·s-1;填色:低空急流,單位:m·s-1)Fig.3 Synoptic situation at 850 hPa at 20:00 BST 10 (a) and 08:00 BST 11 (b) August 2019 (pink solid line for temperature field at 850 hPa between 16 ℃ and 21 ℃, interval: 1 ℃, units: ℃; wind field in wind barb, a long shaft for 4 m·s-1; colored area for low-level jet, units: m·s-1)

最強(qiáng)降雨發(fā)生在高空急流的右后側(cè)、低空急流左側(cè)的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū),高、低空急流耦合作用產(chǎn)生次級(jí)環(huán)流,山東中部位于次級(jí)環(huán)流的上升區(qū),暴雨區(qū)上空200 hPa存在明顯輻散增幅,高層“抽吸作用”加強(qiáng),有利于產(chǎn)生暴雨。

3.2 衛(wèi)星云圖TBB特征

10日16時(shí)(圖4a),除山東西部、半島東部外,全省大部地區(qū)都被臺(tái)風(fēng)外圍云系覆蓋。原山東東南部的冷云頂?shù)陀?30 K的面積增加,強(qiáng)TBB中心略有北移,山東臨沂上空有低于220 K的強(qiáng)TBB分布,與午后山東省東南部的較大降水區(qū)域(圖略)對(duì)應(yīng);山東中西部有一近乎南北向的狹長(zhǎng)窄螺旋云帶,該狹長(zhǎng)窄螺旋云帶邊緣的TBB梯度較大,表明云頂高度較高,云體的直展性很好,垂直運(yùn)動(dòng)深厚,在該狹長(zhǎng)窄螺旋云帶覆蓋區(qū)域附近,地面有對(duì)應(yīng)呈窄帶狀的降水落區(qū)(圖略)。此時(shí)高空槽云系主要位于蒙古國(guó)—我國(guó)華北地區(qū)、華中地區(qū),結(jié)構(gòu)較松散,左邊界不規(guī)則,有向北減弱的趨勢(shì)。

10日20時(shí)(圖4b),原位于山東臨沂上空TBB低于230 K的冷云區(qū)向北移動(dòng),強(qiáng)度略有下降,東營(yíng)、淄博等地TBB低于230 K覆蓋面積有所增大,原中西部狹長(zhǎng)螺旋云系減弱。高空槽云系向北收縮,強(qiáng)度減弱。11日02時(shí)原位于黃海和江蘇東部TBB低于210 K的對(duì)流云區(qū),隨著臺(tái)風(fēng)北上,黃海臺(tái)風(fēng)云系逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)移動(dòng)到山東中部,山東中部有TBB低于220 K的冷云區(qū)中心(圖4c),表明山東中部的深厚垂直運(yùn)動(dòng)完成更新。此時(shí)在紅外云圖(圖略)上顯示分別在山東半島東南部、東部和東北部有三條云線在山東中部交匯,這是低空急流水汽強(qiáng)輻合輸送在云圖上的反映。11日02—05時(shí)(圖4c/d),山東中部TBB低于230 K的冷云頂覆蓋面積繼續(xù)增加,向北延伸覆蓋到渤海,淄博、濰坊和東營(yíng)等局部地區(qū)上空有低于220 K的TBB在此階段維持,表明垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng),與山東中部的特大暴雨區(qū)位置對(duì)應(yīng);05時(shí)臺(tái)風(fēng)眼壁云系已影響山東東南部、半島南部等地,在山東東南部和江蘇北部交界處有低于200 K的強(qiáng)TBB中心,說(shuō)明此前山東中部的強(qiáng)降水并非臺(tái)風(fēng)眼壁云系造成。11日08時(shí)(圖4e),臺(tái)風(fēng)眼壁云系略有減弱向北移動(dòng),強(qiáng)TBB中心在山東的臨沂和日照交界處,山東中部大多被低于230 K的冷云區(qū)覆蓋,即中部的TBB升高,垂直運(yùn)動(dòng)略有減弱。11日14時(shí)(圖4f),臺(tái)風(fēng)眼壁云系北抬,較低TBB范圍縮小、數(shù)值升高,表明垂直運(yùn)動(dòng)繼續(xù)減弱。

結(jié)合逐小時(shí)降水量資料(圖1c)分析,此次臺(tái)風(fēng)影響山東的強(qiáng)降水可以分為兩個(gè)階段:首先是10日20—22時(shí),臺(tái)風(fēng)環(huán)流外圍影響強(qiáng)降水初始階段;其次是11日01—13時(shí),臺(tái)風(fēng)環(huán)流的直接影響造成強(qiáng)降水的第二階段。強(qiáng)降水第二階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),雨量較大。本文著重對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流影響下強(qiáng)降水第二階段產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

圖4 2019年8月10—11日不同時(shí)刻FY-2G云頂亮溫(TBB)分布(a. 10日16時(shí),b. 10日20時(shí),c. 11日02時(shí),d. 11日05時(shí),e. 11日08時(shí),f. 11日14時(shí);單位:K)Fig.4 Distribution of black-body temperature (TBB) by FY-2G satellite from 10 to 11 August 2019 (a. 16:00 BST 10, b. 20:00 BST 10, c. 02:00 BST 11, d. 05:00 BST 11, e. 08:00 BST 11, f. 14:00 BST 11; units: K)

3.3 雷達(dá)回波特征

強(qiáng)降水落區(qū)主要在山東中部(圖1b),選取位于其附近的濱州雷達(dá)對(duì)暴雨區(qū)進(jìn)行分析,可以看到在10日20時(shí)后0.5°仰角基本反射率因子圖(圖5)上,山東中部偏北的區(qū)域較長(zhǎng)時(shí)間存在大于30 dBZ的強(qiáng)回波帶,為層積混合云降水回波。在這個(gè)強(qiáng)回波帶中,又有更強(qiáng)的回波(大于40 dBZ)生成并不斷自東南向西北移動(dòng)經(jīng)過(guò)山東中部暴雨區(qū),較高降水效率的強(qiáng)回波維持時(shí)間較長(zhǎng),產(chǎn)生類似“列車效應(yīng)”的效果。這與上述利用逐小時(shí)降水分析的強(qiáng)降水時(shí)段基本吻合,在臺(tái)風(fēng)影響的強(qiáng)降水第二階段(圖5e、f),大于40 dBZ的強(qiáng)回波面積比強(qiáng)降水第一階段(圖5d)的大。11日午后,回波強(qiáng)度逐漸減弱,對(duì)應(yīng)實(shí)況的降水強(qiáng)度也呈減弱的趨勢(shì)。另外,在10日上午,受高空槽影響,山東西部對(duì)應(yīng)有一弱的降水回波(圖5a—c),隨著臺(tái)風(fēng)北上,臺(tái)風(fēng)外圍螺旋雨帶逐漸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)接近山東中部,在午后(圖5b)可以看到較強(qiáng)窄帶回波向西北移動(dòng),而山東西部降水回波進(jìn)一步減弱,至10日15時(shí)左右在濱州雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)消失。臺(tái)風(fēng)環(huán)流造成的回波并未與高空槽造成的回波相“連接”,從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明高空槽并未與臺(tái)風(fēng)環(huán)流“合并”。這與上述天氣形勢(shì)和衛(wèi)星云圖分析相一致,即山東的兩個(gè)強(qiáng)降水時(shí)段主要受臺(tái)風(fēng)本體環(huán)流的影響。

圖5 2019年8月10日08:02(a)、12:00(b)、15:00(c)、22:40(d)和11日02:04(e)、08:03(f)0.5°仰角濱州雷達(dá)基本反射率因子圖(單位:dBZ,黑圓點(diǎn)表示濱州雷達(dá)站位置)Fig.5 Base reflectivity factor at 0.5° elevation from Binzhou radar at 08:02 BST 10 (a), 12:00 BST 10 (b), 15:00 BST 10 (c), 22:40 BST 10 (d), 02:04 BST 11 (e), and 08:03 BST 11 (f) August 2019 (units: dBZ, black dot for location of Binzhou radar)

3.4 水汽條件分析

充足的水汽輸送及輻合上升運(yùn)動(dòng)是暴雨產(chǎn)生的必要條件。10日夜間,850 hPa東海北部存在大于50 g·cm-1·hPa-1·s-1的水汽通量中心,位于臺(tái)風(fēng)的東側(cè),與東南風(fēng)急流位置相對(duì)應(yīng),形成一條向山東中部輸送的水汽通道,為大暴雨的產(chǎn)生提供了充足的水汽來(lái)源。東海北部暖濕氣流被低空急流持續(xù)輸送到強(qiáng)降水區(qū),由圖6可以發(fā)現(xiàn),水汽通量中心和水汽輻合中心位置并不接近,11日02時(shí)(圖6b),在山東中部有一小于-2×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1的水汽通量散度強(qiáng)輻合區(qū),11日08時(shí)(圖6c)水汽通量輻合區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng),強(qiáng)輻合區(qū)面積減小。這表明夜間低層的水汽強(qiáng)輻合保障了強(qiáng)降水的水汽補(bǔ)充,這兩個(gè)時(shí)次的水汽通量強(qiáng)輻合區(qū)形狀與未來(lái)6 h的強(qiáng)降水落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)(圖略)。11日14時(shí)(圖6d),850 hPa的水汽通量雖然仍較強(qiáng),但此時(shí)通量散度小于-1×10-6g·cm-2·hPa-1·s-1,水汽輻合條件弱于前兩個(gè)時(shí)次,14時(shí)后,降水強(qiáng)度不如前兩個(gè)時(shí)次。這說(shuō)明850 hPa水汽通量輻合強(qiáng)度對(duì)雨強(qiáng)的變化和強(qiáng)降水落區(qū)有較好的指示意義,在今后的臺(tái)風(fēng)降水預(yù)報(bào)中可進(jìn)行參考。

圖6 2019年8月10日20時(shí)(a)和11日02時(shí)(b)、08時(shí)(c)、14時(shí)(d)850 hPa急流(風(fēng)速大于12 m·s-1的風(fēng)場(chǎng),風(fēng)向桿的每一長(zhǎng)桿代表4 m·s-1)、水汽通量(黑色實(shí)線,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)和水汽通量散度(填色,單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.6 Jet stream (wind field of speed higher than 12 m·s-1, a long shaft for 4 m·s-1), water vapor flux (black solid line, units: g·cm-1·hPa-1·s-1), and water vapor flux divergence (colored, units: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) at 850 hPa at 20:00 BST 10 (a), 02:00 BST 11 (b), 08:00 BST 11 (c), and 14:00 BST 11 (d) August 2019

3.5 不穩(wěn)定層結(jié)

圖7是臺(tái)風(fēng)環(huán)流影響下強(qiáng)降水時(shí)段沿37°N逐6 h做出的垂直速度、假相當(dāng)位溫(θse)和水汽通量散度的垂直剖面。在這個(gè)時(shí)段,主要的水汽通量輻合區(qū)域位置變動(dòng)較小,11日02時(shí)(圖7a)有兩個(gè)水汽輻合中心,一個(gè)位于117°～118°E的700 hPa附近,另一個(gè)位于120°E的950 hPa附近。11日08時(shí)(圖7b),水汽通量輻合最大值主要仍位于117°～118°E(特大暴雨區(qū)附近)的850～700 hPa。11日14時(shí)(圖7c),這個(gè)強(qiáng)水汽輻合中心顯著減弱,表明08時(shí)前后有充足且不斷增強(qiáng)的水汽輸送至暴雨中心及其附近,為大暴雨的形成提供了非常有利的水汽條件。

圖7 2019年8月11日02時(shí)(a)、08時(shí)(b)、14時(shí)(c)水汽通量散度(填色,單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)和垂直速度(黑色實(shí)線,單位:Pa·s-1)沿37°N的垂直剖面圖Fig.7 Vertical cross section of water vapor flux divergence (colored, units: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) and vertical velocity (black solid line, units: Pa·s-1) along 37°N at 02:00 BST (a), 08:00 BST (b), and 14:00 BST (c) 11 August 2019

圖7顯示,11日02時(shí),暴雨中心(118°E)附近,約900 hPa以下θse表現(xiàn)為弱熱力濕對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié),900 hPa以上為對(duì)流穩(wěn)定層結(jié)。之后,對(duì)流不穩(wěn)定層結(jié)的層次很快變薄、降低,700～600 hPa也出現(xiàn)弱濕對(duì)流不穩(wěn)定。通過(guò)以上分析說(shuō)明臺(tái)風(fēng)“利奇馬”造成的強(qiáng)降水過(guò)程中,存在一定的對(duì)流性,但對(duì)流強(qiáng)度弱,實(shí)況中也沒有觀測(cè)到有明顯的雷電現(xiàn)象。

11日02時(shí)(圖7a),暴雨區(qū)118°E附近上空,700 hPa及以下θse低于350 K,600 hPa附近有一個(gè)355 K的閉合中心。08時(shí)(圖7b),118°E附近850～700 hPa的θse超過(guò)350 K,達(dá)到355 K,600～500 hPa之間存在一個(gè)355 K的閉合中心,相對(duì)前一時(shí)次位置有所“抬升”;345～355 K的三根等假相當(dāng)位溫線在850～700 hPa之間基本呈垂直狀。14時(shí)(圖7c),118°E附近850～700 hPa的假相當(dāng)位溫基本無(wú)變化,但上升運(yùn)動(dòng)明顯減弱,水汽輻合強(qiáng)度減弱。通過(guò)分析表明,臺(tái)風(fēng)“利奇馬”低層的氣流將高溫高濕的空氣輸送到了118°E及以西的地方,且在低層保持相當(dāng)?shù)暮穸?非常有利于08時(shí)前后出現(xiàn)強(qiáng)降水。11日14時(shí),暴雨區(qū)降水強(qiáng)度明顯減弱,說(shuō)明此過(guò)程中動(dòng)力條件作用更大。

3.6 動(dòng)力輻合條件

11日08時(shí)(圖7b),強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)區(qū)域與強(qiáng)水汽輻合中心重合,相較于11日02時(shí)(圖7a),不僅上升速度數(shù)值躍增,而且前一個(gè)時(shí)次的多上升運(yùn)動(dòng)中心的分布變?yōu)槲挥?18°E附近的一個(gè)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū),垂直速度中心(-6 Pa·s-1)位于600 hPa附近。強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)有利于水汽的抬升凝結(jié),為暴雨的維持和發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件。

由11日02時(shí)、08時(shí)沿37°N經(jīng)暴雨區(qū)的散度緯向剖面圖(圖8)可見,暴雨區(qū)上空400 hPa以上存在強(qiáng)輻散。11日02時(shí)(圖8a),300～200 hPa之間存在12×10-5s-1的輻散中心,中低層存在強(qiáng)輻合。11日08時(shí)(圖8b),低層輻合加強(qiáng),高層強(qiáng)輻散中心下降,400～300 hPa之間,高低空輻合輻散增強(qiáng)。在115°～119°E之間出現(xiàn)呈向西傾斜的緯向次級(jí)環(huán)流,這應(yīng)該是由降水區(qū)西側(cè)附近的下沉補(bǔ)償氣流導(dǎo)致的。這種高低空互耦和次級(jí)環(huán)流結(jié)構(gòu)有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持。

圖8 2019年8月11日02時(shí)(a)、08時(shí)(b)散度(彩色實(shí)線,單位:10-5 s-1)和流場(chǎng)(黑色流線)沿37°N的緯向剖面圖Fig.8 Vertical cross section of divergence (colored solid line, units: 10-5 s-1) and flow field (black streamline) along 37°N at 02:00 BST (a) and 08:00 BST (b) 11 August 2019

4 結(jié)論與討論

使用常規(guī)觀測(cè)資料、臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集資料、中國(guó)地面-衛(wèi)星-雷達(dá)三源融合逐小時(shí)降水產(chǎn)品、FY-2G衛(wèi)星云頂亮溫、NCEP/NCAR FNL再分析資料,從大尺度環(huán)流背景、水汽條件、TBB演變特征、動(dòng)力條件等方面,對(duì)1909號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響期間造成的2019年8月11日發(fā)生在山東的特大暴雨進(jìn)行診斷分析。主要得到以下結(jié)論:

1)強(qiáng)降水主要受臺(tái)風(fēng)倒槽的影響,臺(tái)風(fēng)倒槽在山東中部暴雨區(qū)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定維持,臺(tái)風(fēng)東側(cè)的低空東南急流把東海北部的水汽和能量向暴雨區(qū)輸送,配合200 hPa高空急流的“抽吸作用”,在暴雨區(qū)上空輻合抬升,造成具有中尺度特征的暴雨。

2)強(qiáng)降水區(qū)存在的正渦度區(qū)伴隨強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)、低層輻合、高層輻散的結(jié)構(gòu)和次級(jí)環(huán)流耦合發(fā)展,為此次臺(tái)風(fēng)暴雨過(guò)程提供了有利的動(dòng)力條件。

3)850 hPa水汽通量輻合中心以及相匹配的在垂直方向的強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū),對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)和雨強(qiáng)有一定的指示意義。

本文僅從天氣學(xué)角度,利用診斷分析的方法對(duì)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”導(dǎo)致的山東中部暴雨的成因進(jìn)行了分析,但由于未對(duì)該過(guò)程開展數(shù)值模擬試驗(yàn),中尺度暴雨的動(dòng)力熱力結(jié)構(gòu)有待今后進(jìn)行細(xì)致剖析。同時(shí)上述結(jié)論是對(duì)單獨(dú)個(gè)例進(jìn)行分析,結(jié)論可能存在一定的片面性。針對(duì)山東的類似暴雨災(zāi)害天氣預(yù)報(bào),下一步工作需要在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)工作中檢驗(yàn)本文初步得到的參考物理量,并且增加與影響山東的臺(tái)風(fēng)歷史相似個(gè)例的不穩(wěn)定能量等物理量進(jìn)行對(duì)比研究,以期得到更具指導(dǎo)意義的預(yù)報(bào)指標(biāo)。