2009 號(hào)臺(tái)風(fēng)“美莎克”登陸后長時(shí)間維持及給吉林省帶來強(qiáng)降水的成因分析

蔡檸澤 于文立 王太然

（1.白山市氣象局，吉林白山 134300；2.臨江市氣象局，吉林臨江 134600）

1 引言

熱帶氣旋（TC），是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋， 是一種強(qiáng)大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)。 它的路徑、強(qiáng)度、維持機(jī)制及相應(yīng)的天氣變化一直是氣象研究的熱點(diǎn)問題， 國內(nèi)外不少極端暴雨記錄都與TC 活動(dòng)有關(guān)，因此對影響我國的TC及其引發(fā)的災(zāi)害一直是氣象學(xué)者研究的焦點(diǎn)。 陳聯(lián)壽等[1-2]指出，臺(tái)風(fēng)登陸后維持并停滯、水汽源源不斷輸送、中低緯環(huán)流相互作用、中尺度系統(tǒng)影響及地形作用等，是造成臺(tái)風(fēng)大暴雨的重要因素。李英等[3]指出，TC 登陸后長久維持的主要原因有：TC低層正渦度衰減緩慢并保持一定強(qiáng)度；TC 高層不斷從環(huán)境場斜壓區(qū)獲得正渦度的補(bǔ)充； 從外界獲得熱量和水汽的補(bǔ)充以支持積云對流發(fā)展, 而反過來積云對流產(chǎn)生的熱量又對TC 的維持有積極地反饋?zhàn)饔谩?/p>

吉林省位于40°N 以北，雖北上能登陸吉林省的臺(tái)風(fēng)數(shù)量相對較少， 但減弱后的氣旋若與中緯度系統(tǒng)相互配合，也易引發(fā)大范圍的暴雨天氣。蔣尚成等[4]研究表明，北上臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的暴雨主要發(fā)生在臺(tái)風(fēng)與中緯度環(huán)流系統(tǒng)相互作用下的變性階段， 隨著臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)逐漸從正壓結(jié)構(gòu)演變成溫帶氣旋的斜壓結(jié)構(gòu)，其呈現(xiàn)出明顯的非對稱特征。孫力等[5]對臺(tái)風(fēng)“布拉萬”致東北暴雨過程進(jìn)行數(shù)值模擬， 結(jié)果表明受中緯度西風(fēng)槽帶來的干冷空氣影響， 臺(tái)風(fēng)登陸后的降水和環(huán)流結(jié)構(gòu)具有明顯的不對稱性， 降水主要集中在臺(tái)風(fēng)中心西北側(cè)的能量鋒區(qū)附近。

歷史上在吉林省正面登陸且長時(shí)間維持的臺(tái)風(fēng)較為罕見，因此對臺(tái)風(fēng)“美莎克”登陸吉林省后長時(shí)間維持并造成大范圍暴雨天氣的原因進(jìn)行診斷分析， 對更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)直接北上型臺(tái)風(fēng)給吉林省帶來的大范圍強(qiáng)降水天氣具有重要的指示意義。 此次降水持續(xù)時(shí)間較長，主要分為兩個(gè)階段：臺(tái)風(fēng)“美莎克”通過外圍云系影響階段；以及臺(tái)風(fēng)與長波槽相遇、相互作用而造成強(qiáng)降水階段。本文主要分析臺(tái)風(fēng)與長波槽相互作用階段雙方熱力結(jié)構(gòu)、動(dòng)力結(jié)構(gòu)、水汽輸送的特征，及其對吉林省強(qiáng)降水的影響。

2 臺(tái)風(fēng)路徑及吉林省降水情況

臺(tái)風(fēng)“美莎克”于2020 年8 月28 日08 時(shí)生成于菲律賓以東洋面，位于17.2°N，130.8°E。 生成后先西行，于29 日14 時(shí)轉(zhuǎn)向偏北方向移動(dòng)，并在9 月1 日05—22 時(shí)在浙江東部海面上加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。 9 月3 日02 時(shí)以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)等級(jí)在朝鮮半島南部登陸。 登陸后“美莎克”繼續(xù)沿偏北路徑穿過日本海， 并于3 日11 時(shí)在朝鮮咸鏡北道再次登陸，登陸時(shí)中心氣壓968hPa，移速為58km/h。 3 日14時(shí)進(jìn)入我國境內(nèi)吉林省延邊州和龍市， 強(qiáng)度減弱為熱帶風(fēng)暴，中心氣壓為970hPa，移速為49km/h，之后移動(dòng)方向轉(zhuǎn)為西北，中心氣壓為972hPa。3 日20 時(shí)移出吉林省進(jìn)入黑龍江省繼續(xù)向西北移動(dòng)，中心氣壓為975hPa。4 日08 時(shí)減弱為熱帶低壓。5日20 時(shí)之后移出我國，之后低壓環(huán)流填塞?！懊郎恕睆亩蔚顷懙酵Ｖ咕幪?hào)持續(xù)時(shí)間長達(dá)29h，穿越10 個(gè)緯度，是正面影響吉林省的生命史維持較長的一個(gè)熱帶氣旋。吉林省降水從9 月2 日14 時(shí)開始到4 日05 時(shí)降水基本結(jié)束， 共經(jīng)歷了39h。全省普遍出現(xiàn)大到暴雨，部分地方出現(xiàn)大暴雨。其中磐石解放南屯過程降水量達(dá)到220.6mm， 最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)57mm/h。

3 大尺度環(huán)流演變分析

3.1 200hPa 高空急流

“美莎克”登陸前，200hPa 高空急流軸型為經(jīng)向槽前氣旋彎曲型，走向?yàn)闁|北—西南向，這與羅亞麗等[6]的臺(tái)風(fēng)登陸形勢下暴雨200hPa 高空有明顯的NE—SW 向高空急流的研究結(jié)果相同。 這類經(jīng)向急流更利于斜壓不穩(wěn)定的維持。 高空急流從9 月2 日14 時(shí)起逐漸加強(qiáng)北抬， 影響吉林省，此時(shí)吉林省位于高空急流正下方；到3 日08 時(shí)急流軸北抬至黑龍江省北部， 吉林省位于急流軸右側(cè)氣流輻散區(qū)，高空輻散引起上下層質(zhì)量調(diào)整，形成變壓風(fēng)疊加在即將二次登陸的臺(tái)風(fēng)上空， 也有利于臺(tái)風(fēng)登陸后的維持。

圖1 2020 年9 月1 日20 時(shí)（a）、2 日20 時(shí)（b）、3 日08 時(shí)（c）、4 日02 時(shí)（d）500hPa 位勢高度（黑色等值線，單位：10gpm）、溫度（紅色等值線，單位：℃）和風(fēng)（風(fēng)向桿，單位：m/s）

3.2 500hPa 環(huán)流場

圖1 給出“美莎克”與西風(fēng)槽相遇并逐漸合并為一個(gè)系統(tǒng)的過程中500hPa 位勢高度場、風(fēng)場和溫度場的演變特征。 從大尺度環(huán)流形勢的配置來看，9 月1 日20 時(shí)（圖1a），我國中高緯度地區(qū)為兩脊一槽形勢，內(nèi)蒙古東部到華北一帶為東北—西南向長波槽控制， 長波槽中不斷有冷空氣南下補(bǔ)充， 槽向南伸展； 日本海一帶為脊區(qū)， 副高強(qiáng)盛，呈“Ω”形，脊線位于日本海海面上，在臺(tái)風(fēng)東部形成阻塞形勢， 東亞上空處于這種東高西低的經(jīng)向環(huán)流形勢之中， 此時(shí)臺(tái)風(fēng)位于朝鮮半島南部東海洋面上。 之后副高不斷加強(qiáng)北抬，到2 日20時(shí)（圖1b）副高與大陸高壓打通，強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，臺(tái)風(fēng)西側(cè)長波槽則繼續(xù)加深。 臺(tái)風(fēng)受槽前西南氣流和副高西側(cè)偏南氣流共同引導(dǎo)，向北移動(dòng)。另外由地面形勢方程得知： 低壓系統(tǒng)向負(fù)變壓方向移動(dòng)，此時(shí)長波槽與臺(tái)風(fēng)相互吸引、靠近。 3 日08 時(shí)（圖1c）高空槽與臺(tái)風(fēng)開始合并為一個(gè)系統(tǒng)，形成一個(gè)大閉合環(huán)流，環(huán)流中心等溫線密集，冷暖氣團(tuán)交匯，鋒生明顯。 4 日02 時(shí)（圖1d）500hPa 臺(tái)風(fēng)暖中心消失，系統(tǒng)變?yōu)槔錃鈭F(tuán)性質(zhì)。

4 臺(tái)風(fēng)維持和降水分析

4.1 渦度特征

臺(tái)風(fēng)高層從環(huán)境場斜壓區(qū)獲得正渦度的補(bǔ)充是登陸后長久維持的主要原因之一[3]。分析“美莎克”兩次登陸前后低壓中心渦度緯向垂直剖面圖（圖2）。9 月2 日20 時(shí)（圖2a），臺(tái)風(fēng)一次登陸前，臺(tái)風(fēng)呈明顯的對稱性結(jié)構(gòu)， 最大渦度中心位于850hPa 附近，為9.0×10-4s-1。3 日02 時(shí)（圖2b），登陸后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度迅速減弱， 低層最大渦度中心減弱為6.0×10-4s-1左右。 之后臺(tái)風(fēng)重新入海， 在3 日08 時(shí)（圖2c），二次登陸前850hPa 渦度中心進(jìn)一步減弱，而中層400hPa 左右渦度加強(qiáng)，出現(xiàn)一個(gè)5.0×10-4s-1左右的渦度大值中心， 這是由于500hPa 長波槽與臺(tái)風(fēng)合并，槽前正渦度平流輸送使得臺(tái)風(fēng)中層獲得正渦度的補(bǔ)充。 3 日14 時(shí)，二次登陸后（圖2d）臺(tái)風(fēng)深厚的對稱性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為非對稱結(jié)構(gòu)，高層正渦度中心消失，低層正渦度中心減弱， 正渦度區(qū)的伸展高度降低到300hPa 左右。在此后的24h 里（3 日14 時(shí)到4 日14 時(shí)），高層200—400hPa 的正渦度維持并略有加強(qiáng)， 低層850hPa 正渦度中心先加強(qiáng)后減弱。 4 日20 時(shí)以后，正渦度在垂直方向上的伸展高度逐漸降低，強(qiáng)度明顯減弱。

圖2 2020 年9 月2 日20 時(shí)（a）、3 日02 時(shí)（b）、3 日08 時(shí)（c）、3 日14 時(shí)（d）、4 日02 時(shí)（e）、4 日14 時(shí)（f）臺(tái)風(fēng)中心渦度（單位：10-5s-1）緯向垂直剖面

4.2 水汽輸送特征

臺(tái)風(fēng)可以從外界獲得熱量和水汽補(bǔ)充來支持積云對流的發(fā)展， 而積云對流釋放熱量反過來又幫助臺(tái)風(fēng)維持暖心結(jié)構(gòu)[7]。 分析臺(tái)風(fēng)登陸前后850hPa 水汽通量及風(fēng)矢量（圖3），發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)“美莎克”的水汽輸送通道有3 條：一是氣旋式環(huán)流外圍西南氣流引導(dǎo)的我國東海水汽； 二是西太平洋上偏東氣流通過10 號(hào)臺(tái)風(fēng)“海神”轉(zhuǎn)為偏南氣流對臺(tái)風(fēng)“美莎克”進(jìn)行持續(xù)地遠(yuǎn)距離輸送；三是東南氣流引導(dǎo)的日本以西的日本海的水汽。 臺(tái)風(fēng)二次登陸前（圖3a），水汽輸送為三條通道共同作用；9月3 日14 時(shí)臺(tái)風(fēng)二次登陸后（圖3b），水汽輸送為第二、第三條通道作用為主，此時(shí)與登陸前相比水汽輸送呈明顯的不對稱結(jié)構(gòu)， 水汽通量大值中心由臺(tái)風(fēng)環(huán)流中心移向臺(tái)風(fēng)環(huán)流東北部， 并逐漸遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)環(huán)流，水汽輸送明顯減弱。這三條水汽通道給臺(tái)風(fēng)中心源源不斷地注入暖濕空氣， 為積云對流的發(fā)展提供了動(dòng)力和能量。 活躍的積云對流導(dǎo)致的熱量、 水汽垂直輸送以及凝結(jié)潛熱釋放使空氣增溫，高空增暖引起質(zhì)量外流，形成明顯的輻散氣流。高空流出的加強(qiáng)使地面降壓，有助于臺(tái)風(fēng)氣旋性環(huán)流的維持，因此臺(tái)風(fēng)“美莎克”在登陸以后仍能得到長久的維持。

圖3 2020 年9 月3 日02 時(shí)（a）、14 時(shí)（b）臺(tái)風(fēng)中心850 hPa 風(fēng)場（矢量，單位：m/s）和水汽通量（彩色，單位：g·kg-1·m·s-1）分布

圖4 2020 年9 月3 日08 時(shí)（a）、14 時(shí)（b）沿臺(tái)風(fēng)中心的水汽通量散度（彩色，單位：10-7g·hPa-1·cm-2·s-1）和垂直速度（等值線，單位：Pa/s）的垂直剖面

從臺(tái)風(fēng)中心水汽通量散度和垂直速度的緯向剖面（圖4）可以看出，臺(tái)風(fēng)“美莎克”引起吉林省暴雨天氣的水汽輸送主要集中在低層。 9 月3 日08 時(shí)臺(tái)風(fēng)二次登陸前， 臺(tái)風(fēng)低層500hPa 以下水汽輻合和垂直上升氣流呈明顯的傾斜和不對稱特征，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心位于39.1°N，129.4°E，500hPa 強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)， 水汽輻合也向西傾斜，這是由于500hPa 長波槽和臺(tái)風(fēng)開始合并。上升氣流引導(dǎo)低層水汽自東向西、自下向上的向高層輸送， 臺(tái)風(fēng)以西外圍較強(qiáng)的水汽輻合區(qū)達(dá)到700hPa 高度附近。 3 日14 時(shí)臺(tái)風(fēng)二次登陸后，臺(tái)風(fēng)與長波槽融合為一個(gè)系統(tǒng)， 臺(tái)風(fēng)較小尺度的強(qiáng)垂直上升運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為大范圍向西傾斜的弱上升運(yùn)動(dòng)，有多個(gè)上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)中心。此時(shí)低層水汽輻合和高層水汽輻散區(qū)范圍均變大，強(qiáng)度均變?nèi)?，這種低層水汽輻合高層水汽輻散配合較好的上升運(yùn)動(dòng)形勢始終維持到4 日02 時(shí)左右。水汽隨上升氣流輸送至中高層冷卻凝結(jié)釋放潛熱， 利于臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的維持，也利于吉林省降水的維持。

4.3 熱力條件與鋒生

圖5 給出臺(tái)風(fēng)中心假相當(dāng)位溫和垂直環(huán)流的緯向剖面。在臺(tái)風(fēng)接近陸地和島嶼前，海上的臺(tái)風(fēng)具有明顯的垂直暖心結(jié)構(gòu)， 暖中心對應(yīng)強(qiáng)上升氣流。此時(shí)中緯度長波槽位于內(nèi)蒙古東部，正不斷加深南壓，冷槽控制地區(qū)為偏冷的下沉氣流。此時(shí)臺(tái)風(fēng)和長波槽距離較遠(yuǎn)，維持著各自的熱力結(jié)構(gòu)。到9 月2 日14 時(shí)（圖5a）， 中緯度長波槽已南伸至35°N 附近，此時(shí)臺(tái)風(fēng)“美莎克”中心位于31.7°N，127.0°E，此時(shí)臺(tái)風(fēng)暖氣團(tuán)和冷槽帶來的冷空氣相遇，600hPa 以下冷、 暖氣團(tuán)相遇產(chǎn)生下沉氣流，600hPa 以上冷、暖氣團(tuán)相遇在臺(tái)風(fēng)左側(cè)產(chǎn)生較強(qiáng)的上升氣流。 3 日08 時(shí)（圖5b），在臺(tái)風(fēng)“美莎克”二次登陸前，臺(tái)風(fēng)暖心向西傾斜，暖空氣沿冷空氣向西爬升， 臺(tái)風(fēng)斜升氣流與高空槽帶來的偏冷下沉氣流在鋒面處形成的閉合垂直環(huán)流， 使高低層熱量水汽交換，形成對流，對流釋放的潛熱又促進(jìn)冷暖氣團(tuán)交匯處的鋒生，吉林省降水加強(qiáng)。冷空氣自低層進(jìn)入臺(tái)風(fēng)環(huán)流，大氣層結(jié)相對穩(wěn)定，吉林省降水以連續(xù)性為主。 到3 日14 時(shí)（圖5c）臺(tái)風(fēng)“美莎克”進(jìn)入我國境內(nèi)時(shí)，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞，此時(shí)臺(tái)風(fēng)與長波槽進(jìn)一步合并， 其中心附近上空暖氣團(tuán)和上升氣流變得淺薄， 中低層冷空氣侵入暖氣團(tuán)中心， 臺(tái)風(fēng)斜升氣流與長波槽偏冷下沉氣流在鋒面處形成較大尺度的垂直環(huán)流。 4 日08 時(shí)（圖5d）臺(tái)風(fēng)暖中心繼續(xù)減弱，近地面變?yōu)橄鲁翚饬?，鋒區(qū)環(huán)流和能量場開始減弱，降水減弱。 整個(gè)過程中， 長波槽攜帶的冷空氣緩慢持續(xù)地從低層侵入臺(tái)風(fēng)暖中心，直至臺(tái)風(fēng)完全變性。

圖5 2020 年9 月2 日14 時(shí)（a）、3 日08 時(shí)（b）、3 日14 時(shí)（c）、4 日08 時(shí)（d）沿臺(tái)風(fēng)中心的假相當(dāng)位溫（彩色，單位：℃）和垂直環(huán)流的緯向垂直剖面

5 結(jié)語

臺(tái)風(fēng)“美莎克”從二次登陸到停止編號(hào)持續(xù)時(shí)間長達(dá)29 h，穿越10 個(gè)緯度，是正面影響吉林省生命史維持較長的一個(gè)熱帶氣旋。 其登陸后長時(shí)間維持使吉林省產(chǎn)生大范圍暴雨天氣的主要原因是：

（1） 臺(tái)風(fēng)登陸后高空槽緩慢又持續(xù)地向臺(tái)風(fēng)進(jìn)行正渦度輸送， 使臺(tái)風(fēng)中高層從環(huán)境場斜壓區(qū)獲得了正渦度的補(bǔ)充， 使臺(tái)風(fēng)衰減緩慢并維持一定的強(qiáng)度。

（2） 三條水汽通道向臺(tái)風(fēng)源源不斷地注入暖濕空氣，為臺(tái)風(fēng)內(nèi)積云對流的發(fā)展提供了保障，而活躍的積云對流在抬升過程中凝結(jié)潛熱釋放又給臺(tái)風(fēng)的維持提供了所需的能量。

（3） 高空槽與臺(tái)風(fēng)冷、 暖氣團(tuán)交匯有明顯鋒生，干冷空氣緩慢持續(xù)地浸入臺(tái)風(fēng)低層，產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的降水。

（4）200hPa 較強(qiáng)高空急流的存在使高層始終維持一個(gè)較強(qiáng)的氣流輻散區(qū)， 高空輻散引起上下層質(zhì)量調(diào)整，形成變壓風(fēng)疊加在臺(tái)風(fēng)上空，也有利于臺(tái)風(fēng)登陸后的維持。