臺風(fēng)Lekima(1909)登陸前后動熱力結(jié)構(gòu)變化對浙江極端降水的影響

韓芙蓉，鹿翔，馮曉鈺，吳天貽，黃嘉儀

(金華市氣象局，浙江 金華321000)

1 引 言

臺風(fēng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與多緯度系統(tǒng)相互作用，一直以來都是我國致災(zāi)性最嚴重的天氣現(xiàn)象之一[1]。相比非登陸臺風(fēng)，登陸臺風(fēng)對人們的生產(chǎn)生活影響更大，臺風(fēng)暴雨和臺風(fēng)風(fēng)暴潮等會帶來嚴重的城市內(nèi)澇，泥石流和山體滑坡等災(zāi)害，嚴重危害人們的生命和財產(chǎn)安全[2-3]。浙江作為登陸臺風(fēng)的高影響地區(qū)[4]，近年來登陸臺風(fēng)造成的極端降水事件和暴雨災(zāi)害多發(fā)頻發(fā)[5]，如臺風(fēng)“莫拉克”(0908)和臺風(fēng)“菲特”(1323)給浙江帶來了強暴雨及其衍生災(zāi)害，經(jīng)濟損失慘重[6]。

國內(nèi)外學(xué)者們利用衛(wèi)星、雷達觀測和飛機探測手段[7-9]、集中外場試驗[10]、高分辨率數(shù)值模擬[11-12]等多種方法研究過登陸臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特征和臺風(fēng)暴雨的發(fā)生發(fā)展機制，以上研究成果極大推動了我國對登陸臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特征和強度變化的認識。但衛(wèi)星資料和雷達資料不能較全面反映臺風(fēng)三維結(jié)構(gòu)特征；飛機探測和集中外場試驗所得的資料極為有限；高分辨率數(shù)值模擬研究對物理過程參數(shù)化選擇的依賴性高，這對了解登陸臺風(fēng)結(jié)構(gòu)變化有一定的局限性。目前登陸前后臺風(fēng)精細結(jié)構(gòu)的研究仍是臺風(fēng)研究領(lǐng)域的前沿問題，仍需要進行積極的探索。因為臺風(fēng)登陸前后受下墊面特征和高低空環(huán)境場的綜合影響，動力和熱力結(jié)構(gòu)變化機理復(fù)雜[13]，且臺風(fēng)動力和熱力結(jié)構(gòu)的變化將進一步改變水汽輸送特征和局地降水云帶分布，是引起臺風(fēng)非對稱性降水的主要原因[14-20]。因此，很有必要及時總結(jié)和分析登陸前后臺風(fēng)的動熱力結(jié)構(gòu)和水汽輸送的變化特征，以提高登陸臺風(fēng)暴雨的預(yù)報準(zhǔn)確性，提升防臺減災(zāi)能力。

臺風(fēng)Lekima(2019)是新中國成立以來登陸浙江的第三強臺風(fēng)，致災(zāi)性強，波及面廣，給浙江大部分地區(qū)帶來了暴雨或大暴雨天氣，有些站點的過程總雨量破當(dāng)?shù)嘏_風(fēng)降水歷史紀(jì)錄。本文利用再分析資料和多種觀測資料對臺風(fēng)Lekima(2019)進行研究，著重分析登陸前后臺風(fēng)發(fā)展演變過程中動力、熱力結(jié)構(gòu)變化和水汽輸送特征，以及了解臺風(fēng)Lekima(2019)登陸前后結(jié)構(gòu)變化對浙江極端降水強度和分布的影響，為我國沿海地區(qū)的防臺減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

2 資料和物理量計算

本文采用的資料主要包括NCEP FNL 1 °×1 °逐6小時全球再分析資料；中國自動站觀測的實況降水結(jié)合CMORPH 衛(wèi)星反演的0.1 °×0.1 °逐時降水資料；中國氣象局臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)資料、FY-2F衛(wèi)星相當(dāng)黑體亮度溫度TBB資料和多普勒天氣雷達資料。

文中使用的主要物理診斷量的計算方法如下。

根據(jù)Helmholtz 定理，利用流函數(shù)ψ和速度勢χ將實際風(fēng)場分解為旋轉(zhuǎn)風(fēng)場Vψ和輻散風(fēng)場Vχ[21]：

以臺風(fēng)中心10 °×10 °區(qū)域內(nèi)的200 hPa 和850 hPa 等壓面上的平均水平風(fēng)矢量差大小作為環(huán)境水平風(fēng)垂直切變大小(VWS)[16]，uˉ200、vˉ200、uˉ850、vˉ850分別代表200 hPa和850 hPa網(wǎng)格點上的u、v分量：

非地轉(zhuǎn)濕Q 矢量綜合考慮了動力和熱力作用，由考慮了水汽凝結(jié)的非絕熱加熱作用的準(zhǔn)靜力、無粘性摩擦、? 平面的P坐標(biāo)系原始方程組推導(dǎo)得到[22]：

??Q 與ω之間的關(guān)系為：??Q ∝ω，即當(dāng)??Q<0 時，ω<0，對應(yīng)著上升運動；當(dāng)??Q>0 時，ω>0，對應(yīng)著下沉運動，可用非地轉(zhuǎn)濕Q 矢量散度來診斷垂直運動。

3 過程概況

3.1 個例介紹

臺風(fēng)Lekima(2019)是2019 年登陸我國的最強臺風(fēng)，風(fēng)雨綜合強度指數(shù)為1961 年以來最大。臺風(fēng)Lekima(2019)于西北太平洋洋面生成之后，經(jīng)歷了快速增強階段，7 日15 時(世界時，下同)已加強為超強臺風(fēng)，最強盛時臺風(fēng)近中心最大風(fēng)速達62 m/s，臺風(fēng)中心最低海平面氣壓為915 hPa。9日18 時前后在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)登陸，登陸時臺風(fēng)中心最大風(fēng)速達52 m/s，為超強臺風(fēng)級別(圖1)。臺風(fēng)Lekima(2019)登陸后一路北上影響了浙江、福建、江蘇、上海、安徽、山東等多個省(市)(圖1)，既包括江浙滬東部經(jīng)濟發(fā)達、人口密集的地區(qū)，又包括防臺能力薄弱的北方沿海地區(qū)，在其強風(fēng)雨作用下我國受災(zāi)極其嚴重。

3.2 浙江降水概況

臺風(fēng)Lekima(2019)在不斷移近浙江并登陸北上的過程中，給浙江帶來了嚴重的臺風(fēng)暴雨災(zāi)害。從9 日00 時—10 日18 時的臺風(fēng)累積降水分布可看出，浙江的臺風(fēng)暴雨呈現(xiàn)出顯著的非均勻性，整體上由東向西遞減，強降水落區(qū)主要位于浙江東部沿海，局部累積降水量在450 mm 以上(圖2a)。從區(qū)域平均降水量的演變看，全省的平均雨量總體上呈單峰型分布，雨量較大的時段為9 日19—21 時，即登陸后的1—3 小時之間。登陸后3 小時內(nèi)累積降水量較大區(qū)（A 區(qū)和B 區(qū)）的逐時區(qū)域平均降水量均在25 mm以上(圖2b)。

圖1 臺風(fēng)Lekima路徑圖(a)、8月4日06時—13日00時臺風(fēng)近中心最大風(fēng)速(空心圈，單位：m/s)和臺風(fēng)中心海平面最低氣壓(實心圈，單位：hPa)的時間演變特征(b) 不同顏色的線對應(yīng)臺風(fēng)不同的強度，藍色、紫色、黃色、橘色、洋紅和紅色分別代表熱帶低壓(TD)、熱帶風(fēng)暴(TS)、強熱帶風(fēng)暴(STS)、臺風(fēng)(TY)、強臺風(fēng)(STY)和超強臺風(fēng)(SuperTY)。

圖2 9日00時—10日18時浙江省累積降水量分布(a，陰影，單位：mm)和浙江省(黑色實線)、A區(qū)(黃色實線)、B區(qū)(藍色實線)的區(qū)域平均降水量逐時演變特征(b，單位：mm)

浙江先后經(jīng)歷了臺風(fēng)外圍環(huán)流強降水和臺風(fēng)本體強降水兩個階段。其中9 日00—12 時登陸前主要受臺風(fēng)外圍環(huán)流影響，此階段中在螺旋云帶影響下降水強度也達到了短時暴雨級別。9 日13時—10 日18 時受臺風(fēng)本體和螺旋云帶共同作用，東部沿海局部地區(qū)1小時降水量在40 mm以上(圖略)。此外，臺風(fēng)影響期間，在山地迎風(fēng)坡的強迫抬升作用下浙江個別高山站出現(xiàn)了臺風(fēng)暴雨增幅現(xiàn)象。

4 天氣形勢場和水汽分布特征

圖3 500 hPa位勢高度場(實線，單位：位勢什米)和925 hPa水汽通量(陰影，單位：g/(cm·hPa·s))分布

從500 hPa 環(huán)流形勢場（圖3）可看出，臺風(fēng)登陸前后我國中緯度地區(qū)有西風(fēng)槽穩(wěn)定維持。在臺風(fēng)Lekima(2019)向浙閩沿海移動的過程中，臺風(fēng)Krosa(2019)生成并逐漸西移。雙臺風(fēng)組合成的低值系統(tǒng)的擠壓影響下，副熱帶高壓形狀狹長且位置偏東偏北，因此在副高南部東南氣流的引導(dǎo)下，臺風(fēng)Lekima(2019)的移動路徑較偏北，移向大陸時未受到臺灣島地形的阻擋，這也是登陸前其高強度維持的重要原因之一。臺風(fēng)Lekima(2019)穿越浙江北上的過程中移速較慢，以15 km/h左右的速度向偏北方向移動。到達山東半島附近時，在西風(fēng)槽東移和臺風(fēng)Krosa(2019)以及穩(wěn)定維持的副高的共同影響下，臺風(fēng)Lekima(2019)在山東半島附近打轉(zhuǎn)停滯。西風(fēng)槽后冷空氣和臺風(fēng)吸附的充沛的暖濕空氣在山東半島交匯，且持續(xù)時間較長，也給山東半島等地帶來了臺風(fēng)暴雨天氣。

臺風(fēng)Lekima(2019)影響浙江期間主要有兩支水汽通道，分別是來自南海的西南水汽通道和副高南側(cè)的偏東水汽通道。由于臺風(fēng)生成于南海夏季風(fēng)爆發(fā)期間，作為具有強大吸力的“9”字型水汽泵，臺風(fēng)Lekima(2019)南部存在一支強盛的西南季風(fēng)氣流，水汽輸送帶較寬且水汽通量強度偏強。季風(fēng)氣流對登陸臺風(fēng)的水汽輸送強弱具有直接影響，而后進一步間接影響臺風(fēng)暖濕心結(jié)構(gòu)和臺風(fēng)環(huán)流中的中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，是使登陸臺風(fēng)長久維持充足水汽的重要因素。此外，由于副高偏北偏強呈帶狀分布，臺風(fēng)北側(cè)有一支偏東水汽通道，輸送來自西太平洋上的水汽。登陸前后臺風(fēng)環(huán)流低層水汽分布的非對稱性顯著，東側(cè)水汽通量明顯強于西側(cè)。臺風(fēng)Krosa(2019)的存在也加劇了水汽分布的非對稱性，臺風(fēng)Krosa(2019)分流了臺風(fēng)Lekima(2019)南部的部分水汽，又通過北部的偏東水汽通道加強對臺風(fēng)Lekima(2019)的水汽輸送，減弱或加強臺風(fēng)Lekima(2019)水汽通量的程度取決于雙臺風(fēng)之間的距離。

5 動熱力結(jié)構(gòu)變化

5.1 環(huán)境場動力條件

中尺度對流系統(tǒng)對臺風(fēng)暴雨的垂直運動場的強迫起主要作用，極利于觸發(fā)形成臺風(fēng)暴雨[20]。從對流發(fā)展情況看（圖4），登陸前后臺風(fēng)渦旋中心和螺旋云帶中對流云團的合并加強和發(fā)展維持是短時強降水在浙江維持的重要原因。登陸前臺風(fēng)Lekima(2019)外圍有三條對流發(fā)展旺盛的螺旋云帶，其中靠近臺風(fēng)中心的螺旋云帶中的對流發(fā)展最強盛，這與水汽分布的非對稱性有關(guān)。臺風(fēng)眼區(qū)的對流發(fā)展也強盛，TBB 低于-60 ℃。登陸時臺前兩條螺旋云帶旋轉(zhuǎn)匯合成了一條螺旋云帶。此時臺風(fēng)眼區(qū)存在雙眼壁填塞合并，因而臺風(fēng)環(huán)流渦旋中心TBB 低于-55 ℃的區(qū)域范圍有所擴大。登陸后臺前螺旋云帶中的中尺度對流系統(tǒng)有所加強，臺風(fēng)渦旋中心的對流強度維持。

圖4 FY-2F衛(wèi)星TBB(陰影，單位：℃)分布圖

從大尺度環(huán)境場上看，登陸前浙江上空低層處于強盛且范圍較廣的輻合氣流中，輻合中心強度大于20×10-5s-1。在浙江200 hPa 高空存在著大片強輻散區(qū)，最強輻散中心位于浙江中東部(圖略)。從浙江東部沿海區(qū)域平均散度場的演變看，9 日06 時—10 日00 時高層輻散作用較顯著，9 日12 時—10 日00 時低層輻合作用較強。而臺風(fēng)登陸時浙江東部沿海低層的輻合作用最強，低空輻合和高空輻散場的配置最顯著(圖5a)?？梢姷顷懬昂笳憬峡站S持著強盛的低層輻合和高層輻散場，是登陸前后臺風(fēng)內(nèi)次級環(huán)流加強和維持的有利環(huán)境條件。

環(huán)境水平風(fēng)垂直切變是臺風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)和臺風(fēng)強度維持的重要條件，也是影響臺風(fēng)大風(fēng)及臺風(fēng)降水分布的重要因子[23]。其中沈陽等[24]對臺風(fēng)“波尼”的個例研究更是表明了風(fēng)的垂直切變主導(dǎo)了臺風(fēng)強度的變化。圖5b給出了臺風(fēng)Lekima(2019)發(fā)展演變過程中的環(huán)境水平風(fēng)垂直切變大小時序變 化，登 陸前 后(9 月12 時—10 日00 時)臺風(fēng)Lekima(2019)四周的環(huán)境風(fēng)垂直切變維持在3 m/s以下，登陸時環(huán)境風(fēng)垂直切變最小，僅在1 m/s 左右，符合并遠遠小于前人研究中得到的臺風(fēng)在快速增強階段環(huán)境風(fēng)垂直切變的閾值(VWS＜10 m/s)[25]。可見登陸前后臺風(fēng)四周的環(huán)境風(fēng)場非常有利于臺風(fēng)強度的維持。

5.2 臺風(fēng)中心動熱力結(jié)構(gòu)

臺風(fēng)Lekima(2019)登陸前已經(jīng)發(fā)展成為了具有雙眼壁結(jié)構(gòu)的超強臺風(fēng)，而登陸前后臺風(fēng)眼經(jīng)歷了發(fā)展、填塞到消亡的過程。圖6給出臺州多普勒天氣雷達0.5 °仰角的基本反射率分布，可見9日12 時登陸前6 小時臺風(fēng)Lekima(2019)的雙眼壁結(jié)構(gòu)清晰，內(nèi)外眼壁呈閉合環(huán)狀，最大回波強度在45 dBZ 以上(圖6a)，但此時雙眼墻結(jié)構(gòu)不規(guī)則，東南側(cè)較西北側(cè)清晰。螺旋狀回波帶結(jié)構(gòu)密實，并匯集在眼壁上。登陸前2—3小時臺風(fēng)內(nèi)眼壁與外眼壁趨于匯合，原來的雙眼壁逐漸填塞，匯合后的眼墻的強度增強、范圍增寬。登陸后1小時內(nèi)臺風(fēng)眼結(jié)構(gòu)消失，螺旋云帶間的間隔縮小，臺風(fēng)環(huán)流東側(cè)螺旋云帶強度明顯偏強于西側(cè)的螺旋云帶(圖6c)。

圖5 9日00時—10日18時東部沿海地區(qū)(120～122 °E，28～30 °N)平均散度(等值線，單位：10-5s-1)時間-高度剖面圖(a)、4日06時—13日00時環(huán)境水平風(fēng)垂直切變大小時序圖(b，實線，單位：m/s)

圖6 9日12:02:53(a)、16:03:23(b)、18:44:45(c)和10日00:01:27(d)臺州多普勒天氣雷達0.5 °仰角基本反射率(陰影，單位：dBZ)

進一步分析過臺風(fēng)中心的風(fēng)場和溫濕場的垂直分布，可見登陸前臺風(fēng)Lekima(2019)中心區(qū)域的濕層發(fā)展深厚，高能量區(qū)從低層800 hPa一直延伸至150 hPa，臺風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)中心強度為7 ℃。登陸前低層臺風(fēng)環(huán)流中心上升速度為3 Pa/s，距臺風(fēng)中心約300 km 的125 °E 附近對應(yīng)著東側(cè)外圍螺旋云帶中的強烈垂直上升運動，垂直上升速度達7 Pa/s，表明該螺旋云帶中的對流發(fā)展極為旺盛，對應(yīng)區(qū)域的TBB＜-60 ℃。臺風(fēng)眼區(qū)為下沉運動區(qū)，120 °E 和123 °E 對應(yīng)眼壁外的下沉運動，此類上升下沉氣流相交替的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了臺風(fēng)眼、臺風(fēng)眼壁和臺風(fēng)螺旋云帶結(jié)構(gòu)的完整，是臺風(fēng)發(fā)展強盛的表現(xiàn)（圖7）。

登陸時表征暖心結(jié)構(gòu)的溫度正距平較登陸前增大，眼壁附近的能量鋒區(qū)強度維持(圖8a、8b)，這是由于此時VWS 最小，臺風(fēng)內(nèi)部通風(fēng)作用達到最小的結(jié)果。臺風(fēng)溫濕心結(jié)構(gòu)的強弱變化與VWS大小變化的負相關(guān)關(guān)系，與其它學(xué)者的統(tǒng)計研究結(jié)果一致[26]。此外，次級環(huán)流非對稱是熱帶氣旋原有對稱次級環(huán)流和風(fēng)垂直切變引起的非對稱次級環(huán)流疊加的結(jié)果[27]，登陸前6小時內(nèi)環(huán)境風(fēng)垂直切變大小由3 m/s 逐漸減小為1 m/s，相應(yīng)地登陸時臺風(fēng)中的次級環(huán)流較之前對稱。隨著臺風(fēng)中心對流的加強，原來清晰的臺風(fēng)眼逐漸減弱填塞，取而代之的是一支強盛的垂直上升氣流，強垂直中心上升速度達到8 Pa/s，兩側(cè)分別對應(yīng)著下沉運動。但臺風(fēng)中心西側(cè)的下沉運動明顯強于東側(cè)，是因為在陸地上地形阻擋作用下，臺風(fēng)環(huán)流西側(cè)的西北氣流被強迫抬升，與之對應(yīng)的次級環(huán)流明顯增強。同樣臺風(fēng)中心西側(cè)的溫度梯度明顯較東側(cè)密集。此外，臺風(fēng)中心低層存在強水汽輻合，強烈上升運動配合強水汽輻合，給登陸地帶來臺風(fēng)暴雨，短時強降水釋放的大量潛熱供應(yīng)將進一步利于臺風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)的增強和臺風(fēng)高強度維持，登陸前后垂直方向上的渦度隨高度分布特征變化不大也在一定程度上證實了此點。

從登陸前、登陸時和登陸后臺風(fēng)中心附近(以臺風(fēng)中心為中心20 km×20 km 的范圍)區(qū)域平均的θse垂直分布可見，登陸前和登陸后6 小時對流性不穩(wěn)定(?θse/?z<0)主要分布在低層900 hPa 以下和600～500 hPa 之間，而登陸過程中溫濕廓線變化明顯區(qū)別于其它兩個階段，對應(yīng)著登陸過程中臺風(fēng)低層輻合風(fēng)場產(chǎn)生的強烈的垂直上升運動配合充足的水汽使得眼區(qū)的對流運動加強，臺風(fēng)眼結(jié)構(gòu)等逐步填塞，臺風(fēng)本體中高溫高濕空氣正逐漸釋放能量，溫濕結(jié)構(gòu)劇烈變化。

5.3 旋轉(zhuǎn)風(fēng)和輻散風(fēng)

臺風(fēng)作為強渦旋結(jié)構(gòu)的天氣系統(tǒng)，一般情況下旋轉(zhuǎn)風(fēng)比輻散風(fēng)明顯，但輻散風(fēng)分量的變化對臺風(fēng)急劇增強和急劇減弱有一定的指示作用[28]，對暴雨強度變化也具有更好的指示意義[29]。登陸臺風(fēng)在下墊面溫濕條件和地表拖曳系數(shù)改變的情況下，臺風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)和風(fēng)場將產(chǎn)生相應(yīng)變化，現(xiàn)進一步分析登陸前后旋轉(zhuǎn)風(fēng)場和輻散風(fēng)場變化對臺風(fēng)Lekima(2019)渦旋結(jié)構(gòu)和降水分布變化的影響。

臺風(fēng)Lekima(2019)作為典型的發(fā)展深厚的西太平洋臺風(fēng)，內(nèi)部對流旺盛。850 hPa 以下為較大的低層流入層，有強輻散風(fēng)輻合中心；較大流出層在200～150 hPa，存在明顯的輻散風(fēng)流出線。低層流入層和高層流出層上的輻散風(fēng)大小維持在10 m/s 上下，而800～300 hPa 具有準(zhǔn)渦旋運動特征，輻散風(fēng)維持在3 m/s 左右(圖9)。登陸前后臺風(fēng)環(huán)流東北側(cè)穩(wěn)定存在著偏東急流和東南急流，925 hPa 上急流強度達到30～40 m/s，強盛的急流將水汽和動量源源不斷地輸送到浙江上空。低層輻合風(fēng)場進一步促使水汽輻合，使得浙江上空存在較大范圍的水汽通量輻合區(qū)，水汽通量輻合維持在-4×10-7g/(cm2·hPa·s)以上(圖10)。臺風(fēng)Lekima(2019)東北側(cè)急流和強水汽通量輻合的長久維持，說明登陸前后浙江上空有持續(xù)且充足的水汽供應(yīng)，眼墻區(qū)強勁的上升運動利于將低層輻合的水汽向中上層輸送(圖7)，大量的凝結(jié)潛熱釋放增暖氣柱和增加位能的同時，也有利于增加和補償摩擦耗散的動能[30]，因而登陸前后臺風(fēng)Lekima(2019)內(nèi)的CISK正反饋機制能較長時間維持，從而造成持續(xù)性的強降水。

分析臺風(fēng)中心東南西北四個方位各層旋轉(zhuǎn)風(fēng)和輻散風(fēng)的風(fēng)速變化，可見臺風(fēng)Lekima(2019)旋轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速大小呈現(xiàn)出隨高度先增大后減小的趨勢，較大的旋轉(zhuǎn)動量出現(xiàn)在低層800 hPa附近。正是因為臺風(fēng)東北側(cè)急流的存在，臺風(fēng)北側(cè)的偏東旋轉(zhuǎn)風(fēng)大于南側(cè)偏西旋轉(zhuǎn)風(fēng)；東側(cè)的偏南旋轉(zhuǎn)風(fēng)大于西側(cè)的偏北旋轉(zhuǎn)風(fēng)。此外，登陸前后臺風(fēng)環(huán)流低層流入層和高層流出層上的旋轉(zhuǎn)風(fēng)是輻散風(fēng)的2～3 倍，而中間層上的旋轉(zhuǎn)風(fēng)近乎是輻散風(fēng)的近10 倍，側(cè)面反映出臺風(fēng)登陸前后高低層輻散風(fēng)的高強度維持，有利于臺風(fēng)內(nèi)次級環(huán)流的強盛發(fā)展，進而影響臺風(fēng)降水的維持時間（圖10、圖11）。

圖7 9日12時(a～b)、9日18時(c～d)、10日00時(e～f)過臺風(fēng)中心的垂直速度(上升：點虛線，下沉：實線，單位：Pa/s)疊加水汽通量輻合(灰色虛線，單位：10-7 g/(cm2·hPa·s))(左)和渦度(黑色虛線，單位：10-6 s-1)疊加風(fēng)場(矢量，w擴大10倍)(右)的緯向垂直剖面圖(△對應(yīng)臺風(fēng)中心，黑色區(qū)域為地形)

圖8 登陸前后過臺風(fēng)中心的假相當(dāng)位溫(實線，單位：K)和溫度距平(灰色虛線，單位：℃)的緯向垂直剖面圖(a：9日12時，b：9日18時，c：10日00時)和臺風(fēng)中心附近區(qū)域平均的假相當(dāng)位溫垂直分布圖(d，十字線：9日12時，空心圓圈：9日18時，空心方形：10日00時，單位：K)

圖9 臺風(fēng)四個方位旋轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速(a～c，單位：m/s)和輻散風(fēng)風(fēng)速(d～f，單位：m/s)隨高度演變特征

圖11 500 hPa旋轉(zhuǎn)風(fēng)(流場)疊加500 hPa實際風(fēng)風(fēng)速(黃色實線，單位：m/s)(a、c、e)和500 hPa輻散風(fēng)(流場)(b、d、f)

登陸前6 小時和登陸后6 小時臺風(fēng)分別處于高強度維持階段和急劇減弱階段，分析兩個階段低層旋轉(zhuǎn)風(fēng)和輻散風(fēng)變化引起的低層輻合結(jié)構(gòu)改變對浙江降水分布和強度的影響。登陸前6 小時的降水變化增加區(qū)分別對應(yīng)于臺風(fēng)中心旺盛對流降水和臺前螺旋云帶降水。與登陸前6小時相比，登陸時臺風(fēng)環(huán)流中心低層925 hPa 有較大范圍的輻散風(fēng)增大過程(圖12b)，代表低層水汽的聚集程度進一步增強，因而臺風(fēng)中心強降水與登陸時低層輻散風(fēng)風(fēng)速增強有一定關(guān)系。而螺旋云帶中的中尺度對流云團發(fā)展旺盛，螺旋云帶降水區(qū)與中層500 hPa輻散風(fēng)偏差場中風(fēng)向輻合對應(yīng)。登陸6小時后，低層?xùn)|北側(cè)的旋轉(zhuǎn)風(fēng)明顯減小，南側(cè)的輻散風(fēng)較登陸時略有增大(圖9e、9f)，水汽輸送強度維持?？梢娦D(zhuǎn)風(fēng)是水汽和動量、熱量的輸送動力，輻散風(fēng)是水汽輻合和動量、熱量的聚集動力，在大尺度環(huán)境場極有利于臺風(fēng)發(fā)生、發(fā)展和維持的情況下，旋轉(zhuǎn)風(fēng)和輻散風(fēng)風(fēng)場的改變對水汽、能量和熱量的輸送和分布起到再分配作用。

臺風(fēng)高強度維持階段對應(yīng)著低層?xùn)|側(cè)、北側(cè)旋轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速增大；急劇減弱階段對應(yīng)著低層?xùn)|側(cè)、北側(cè)旋轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速減小。而中層具有明顯的中尺度輻合特征(圖11b、11d)，中層的輻散風(fēng)風(fēng)向和風(fēng)速變化對螺旋云帶中尺度對流性降水變化具有重要的指示意義。因此，此次浙江臺風(fēng)暴雨需密切關(guān)注登陸前后臺風(fēng)東北側(cè)的(超)低空急流和中層輻合線的影響區(qū)域及其變化。

圖12 925 hPa(a～b)、500 hPa(c～d)登陸前6小時旋轉(zhuǎn)風(fēng)偏差場(陰影和風(fēng)矢，單位：m/s)疊加降水變化(實線；單位：mm)和輻散風(fēng)偏差場(陰影和風(fēng)矢，單位：m/s)疊加降水變化(實線；單位：mm)

5.4 非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度

非地轉(zhuǎn)濕Q矢量綜合考慮了動力和熱力作用，常用來研究臺風(fēng)暴雨。低層等壓面上的濕Q 矢量散度輻合區(qū)的演變可較好地指示臺風(fēng)降水強度及其落區(qū)變化[31]。分析A、B強降水落區(qū)700 hPa上的濕Q 矢量散度隨時間的演變(圖13)可見，短時暴雨維持時段內(nèi)濕Q 矢量散度處于較低值，其中9日18 時A 區(qū)和B 區(qū)的濕Q 矢量散度最小分別為-180×10-16hPa-1·s-3和-110×10-16hPa-1·s-3，與此對應(yīng)A 區(qū)和B 區(qū)未來3 小時內(nèi)的逐小時平均降水量維持在30 mm左右。10日00時A區(qū)平均濕Q矢量散度大于0，與此對應(yīng)的平均降水量減小至4 mm左右，此時B 區(qū)平均濕Q 矢量散度仍維持在-100×10-16hPa-1·s-3，未來1小時降水量達到25 mm。

圖13 登陸前后A區(qū)(短虛線)和B區(qū)(點線)區(qū)域平均非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度(黑色，單位：10-16 hPa-1·s-3))和降水(灰色，單位：mm)的時間演變圖

700 hPa 上非地轉(zhuǎn)濕Q 矢量散度場能較好指示未來1小時內(nèi)的短時強降水落區(qū)和強度變化，臺風(fēng)Lekima(2019)的短時強降水落區(qū)主要位于輻合值大于10×10-16hPa-1·s-3的區(qū)域內(nèi)(圖14，見下頁)，與以往的研究結(jié)果基本一致[32]，但因臺風(fēng)個例的差異使得輻合值的參考量有所不同。9 日12 時后1小時短時強降水主要位于溫州北部、臺州東部和寧波南部，與浙江沿海低層濕Q 矢量輻合區(qū)對應(yīng)；登陸時浙江沿海的濕Q 矢量輻合范圍進一步擴大，輻合中心值小于-150×10-16hPa-1·s-3，未來短時暴雨主要位于輻合區(qū)中心及其以北的地區(qū)。登陸后輻合中心值有所減弱，未來1小時的強降水落區(qū)位于濕Q矢量輻合區(qū)的東南部。

進一步分析121 °E 強降水落區(qū)垂直方向上的非地轉(zhuǎn)濕Q 矢量散度與垂直速度和水汽的分布關(guān)系，登陸前30 °N 以南存在廣闊的垂直上升運動，垂直速度大值中心位于29 °N 上空700 hPa 左右，與濕Q 矢量輻合區(qū)重疊，未來短時暴雨落區(qū)位于強水汽通量輻合區(qū)，其上空對應(yīng)著偏南和偏北氣流輻合。登陸時低層28～29 °N 處于強盛且范圍較廣的垂直上升運動區(qū)域，強降水主要位于較強的濕Q 矢量輻合與偏北斜升氣流的重疊區(qū)域，深厚的斜升氣流中的垂直速度維持在4 Pa/s。登陸后6小時臺風(fēng)作為強勁的“吸力泵”，強盛暖濕氣流源源不斷地吸入了陸地，垂直剖面上依舊有偏南和偏北氣流的輻合和較強的上升運動，未來短時暴雨落區(qū)上空對應(yīng)于強水汽通量輻合，強垂直上升運動和低層濕Q 矢量輻合區(qū)?？梢娕_風(fēng)登陸前后浙江沿海處于廣闊的垂直上升運動中，同時低層維持著較深厚的低層水汽輻合，利用低層非地轉(zhuǎn)濕Q 矢量散度輻合區(qū)域的水平分布診斷臺風(fēng)降水時，需要結(jié)合垂直速度場和低層水汽輻合場綜合判斷臺風(fēng)降水落區(qū)。

6 結(jié)論和討論

本文利用NCEP FNL 再分析資料以及中國自動站與CMORPH 降水產(chǎn)品融合的逐時降水資料、相當(dāng)黑體亮溫TBB 資料、多普勒天氣雷達資料等多種資料，分析了臺風(fēng)Lekima(2019)發(fā)展演變過程中動熱力結(jié)構(gòu)變化和水汽分布特征與浙江極端強降水之間的關(guān)系。

(1) 臺風(fēng)Lekima(2019)近海急劇加強為超強臺風(fēng)，是具有特殊的雙眼壁結(jié)構(gòu)的典型“9”字型臺風(fēng)。浙江上空環(huán)境場上維持著強盛的低空輻合和高空輻散場，低層輻合和高層輻散利于低層水汽、動量和能量聚集和臺風(fēng)降水在浙江沿海的維持，是登陸前后浙江沿海產(chǎn)生短時暴雨的有利環(huán)境條件。

(2) 登陸前后臺風(fēng)四周的環(huán)境水平風(fēng)垂直切變維持在3 m/s以下，非常有利于臺風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)和次級環(huán)流的維持，登陸時環(huán)境風(fēng)垂直切變僅在1 m/s左右，臺風(fēng)內(nèi)部通風(fēng)作用小，暖心結(jié)構(gòu)增強，次級環(huán)流結(jié)構(gòu)基本對稱。環(huán)境水平風(fēng)垂直切變大小維持較小值是登陸前后主導(dǎo)臺風(fēng)高強度維持的重要因素。

圖14 700 hPa濕Q矢量散度(黑色虛線，單位：10-16 hPa-1·s-3)與未來1小時降水(等值線，單位：mm，陰影區(qū)代表≥16 mm)水平分布(a、c、e)和沿121 °E濕Q矢量散度(黑色虛線，單位：10-16 hPa-1·s-3)和垂直速度(實線；單位：Pa/s)緯向垂直剖面(b、d、f) a、b. 9日12時；c、d. 9日18時；e、f. 10日00時。

(3) 登陸前后臺風(fēng)Lekima(2019)東北側(cè)(超)低空急流和中層的輻合線是浙江臺風(fēng)暴雨的關(guān)鍵點，業(yè)務(wù)中需密切關(guān)注登陸前后臺風(fēng)東北側(cè)的低空急流的影響區(qū)域及其變化，低層?xùn)|北側(cè)急流作為輸送南海和西太平洋水汽的通道，其穩(wěn)定存在使得浙江上空有持續(xù)且充足的水汽供應(yīng)，進而使臺風(fēng)中的CISK 正反饋機制較長時間存在，造成連續(xù)性的強降水。

(4) 臺風(fēng)環(huán)流低層流入層和高層流出層上的輻散風(fēng)較大間接反映出了高低層輻散風(fēng)的高強度維持，次級環(huán)流抽吸作用強。低層旋轉(zhuǎn)風(fēng)和輻散風(fēng)分別作為水汽和動量、熱量的輸送動力和聚集動力，對水汽、能量和熱量的輸送和分布起到顯著的再分配作用。而中層上的散度風(fēng)風(fēng)向和風(fēng)速變化對螺旋云中尺度對流性降水變化具有重要的指示意義。

(5) 700 hPa 上非地轉(zhuǎn)濕Q 矢量散度場能較好指示未來1小時內(nèi)的短時強降水落區(qū)和強度變化，臺風(fēng)Lekima(2019)的短時強降水落區(qū)主要位于輻合值大于10×10-16hPa-1·s-3的區(qū)域內(nèi)，與以往學(xué)者的研究結(jié)果基本一致，但因臺風(fēng)個例的差異使得輻合值的參考量有所不同。利用低層非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度輻合區(qū)域的水平分布診斷臺風(fēng)降水時，結(jié)合垂直速度場和低層水汽輻合場綜合判斷臺風(fēng)降水落區(qū)的效果更佳。

本文從環(huán)流場、動熱力場和水汽分布上探討了登陸前后臺風(fēng)Lekima(2019)結(jié)構(gòu)的變化及其對浙江極端強降水的影響，但從高山站降水資料分析可看出，臺風(fēng)Lekima(2019)影響期間浙江地形的暴雨增幅作用同樣突出，本文并未討論山地強迫抬升作用與短時強降水的關(guān)系，今后將繼續(xù)開展浙江地形與臺風(fēng)降水的相關(guān)性研究。