兩個相似路徑臺風(fēng)深入內(nèi)陸所致暴雨對比分析

任麗，唐熠，楊艷敏，趙玲

(黑龍江省氣象臺，哈爾濱 150030)

引言

臺風(fēng)暴雨是我國常見的災(zāi)害性天氣之一，具有發(fā)生頻次高、降水強(qiáng)度大、影響范圍廣等特點(diǎn)，常常伴有洪澇等次生災(zāi)害。臺風(fēng)在向北移動的過程中與中緯度冷槽引導(dǎo)南下的冷空氣相遇會逐漸變性(李英等，2013；姚晨等，2019；任福民和楊慧；2019 任麗等，2019)，在有利條件下再次獲得強(qiáng)烈發(fā)展(陳聯(lián)壽等，1979，2001；程正泉等，2012)。臺風(fēng)向北移動過程中攜帶了大量的水汽，在氣旋性切變的環(huán)境場中，臺風(fēng)還向環(huán)境場輸送能量，并激發(fā)和增強(qiáng)中緯度氣旋性環(huán)流系統(tǒng)的發(fā)展，觸發(fā)嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣(雷小途和陳聯(lián)壽，2001；陳宣淼等，2018)。李英等(2006)通過數(shù)值模擬試驗(yàn)指出，臺風(fēng)登陸后的變性加強(qiáng)與西風(fēng)帶高空槽的強(qiáng)度密切相關(guān)，較深槽攜帶較強(qiáng)冷平流、正渦度平流以及較強(qiáng)的槽前高空輻散，利于臺風(fēng)的變性加強(qiáng)。進(jìn)入臺風(fēng)的冷空氣越強(qiáng)，越有利于臺風(fēng)變性加強(qiáng)，對應(yīng)的天氣也更加劇烈(鈕學(xué)新等，2010；陸佳麟和郭品文，2012)。梁軍等(2015，2019)分別對多個給遼東半島帶來暴雨的臺風(fēng)過程進(jìn)行了對比分析，指出臺風(fēng)北上進(jìn)入西風(fēng)槽區(qū)會發(fā)生變性，臺風(fēng)所處于的變性階段不同，造成的降水有顯著差異。

盡管每年均有北上臺風(fēng)給黑龍江省帶來強(qiáng)降水天氣，但多數(shù)臺風(fēng)北上到高緯度已經(jīng)停止編號或變性為溫帶氣旋(王成偉，2017；任麗，2018)。2000年以后臺風(fēng)登陸北上到黑龍江省依然編號的僅有兩個：1215號超強(qiáng)臺風(fēng)“Bolaven(布拉萬)”(任麗，2013；孫力，2015)和1913號超強(qiáng)臺風(fēng)“玲玲(Lingling)”。兩個臺風(fēng)移至黑龍江省時(shí)均為熱帶風(fēng)暴，且移動路徑相似，最大日降水量均出現(xiàn)在哈爾濱市，“布拉萬”帶來150 mm的極端降水，“玲玲”帶來103.5 mm降水。移經(jīng)黑龍江省時(shí)“玲玲”強(qiáng)度大于“布拉萬”，然而“布拉萬”的風(fēng)雨影響比“玲玲”強(qiáng)。為了探究兩次過程中導(dǎo)致降水差異的原因，本文使用多種資料對這兩次臺風(fēng)暴雨過程進(jìn)行對比分析。

1 資料來源

本文所用資料包括：(1)中國氣象局熱帶氣旋年鑒1215號臺風(fēng)“布拉萬”路徑和強(qiáng)度資料，中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)1913 號臺風(fēng)“布拉萬”路徑和強(qiáng)度資料；(2)東北地區(qū)地面區(qū)域氣象站逐6 h降水量，哈爾濱站及省氣象臺站(同一經(jīng)緯度，哈爾濱遷站造成的)逐小時(shí)降水量；(3) NCEP/NCAR 再分析資料(0.25°×0.25°)；(4) FY-2G氣象衛(wèi)星反演的黑體輻射亮溫TBB(0.1°×0.1°)。

2 臺風(fēng)概況與雨情

1215 號臺風(fēng)“布拉萬”和1913 號臺風(fēng)“玲玲”均是在朝鮮登陸后一路向北移動正面襲擊黑龍江省，并帶來暴雨大風(fēng)天氣的超強(qiáng)臺風(fēng)(圖1)。“布拉萬”生成于西北太平洋洋面上，向西北方向移動的過程中不斷加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，以強(qiáng)臺風(fēng)級別移入東海海面后逐漸減弱，在朝鮮登陸時(shí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(近中心最大風(fēng)速28 m·s-1)。“玲玲”在菲律賓以東洋面上生成，生成位置較“布拉萬”更偏東，一路沿我國近海北上并不斷加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，以超強(qiáng)臺風(fēng)級別加速移入東海海面，移至黃海后強(qiáng)度逐漸減弱，移速不斷增大。在朝鮮登陸時(shí)為臺風(fēng)(近中心最大風(fēng)速38 m·s-1)。

兩個臺風(fēng)移至黑龍江省均減弱為熱帶風(fēng)暴(近中心最大風(fēng)速20 m·s-1)，移經(jīng)黑龍江省時(shí)“玲玲”強(qiáng)度大于“布拉萬”，但“布拉萬”的風(fēng)雨影響比“玲玲”強(qiáng)。從臺風(fēng)移動路徑上看(圖1)，“布拉萬”登陸點(diǎn)比“玲玲”更偏西，移經(jīng)黑龍江省過程中，位置更偏西，所以暴雨區(qū)更偏西。“玲玲”移速更快，“布拉萬”穿過黑龍江省用時(shí)12 h，而“玲玲”僅用8 h。由于“布拉萬”移動慢，降水持續(xù)時(shí)間長，造成的降水范圍和強(qiáng)度更大。

圖1 臺風(fēng)Bolaven和Lingling逐6 h路徑(a),Bolaven路徑和2012年8月28日14∶00—29日20∶00(北京時(shí),下同)降水分布(b,單位:mm),Lingling路徑和2019年9月7日14∶00—8日20∶00降水分布(c,單位:mm)Fig.1 (a)The track of typhoon Bolaven and Lingling at 6 hours interval,distribution of rainfall(unit:mm)and TC tracks for(b)Bolaven from 14∶00 BT 28 to 20∶00 BT 29 August 2012 and(c)Lingling from 14∶00 BT 7 to 20∶00 BT 8 September 2019.

受“布拉萬”北上影響，2012 年8 月28 日14∶00—29日20∶00東北地區(qū)中東部普降暴雨，中部為大暴雨帶。黑龍江省降水中心位于哈爾濱市，29 日降水量150 mm，為1961 年以來的最大單日降水。哈爾濱站逐時(shí)降水量(圖2a)顯示，降水持續(xù)時(shí)間長(17 h)，分布較為均勻，最大雨強(qiáng)為26.9 mm·h-1(29日05∶00)。哈爾濱站離臺風(fēng)中心較近，在臺風(fēng)移近的過程中氣壓大幅下降，從00∶00 的999 hPa 持續(xù)下降到08∶00 的988 hPa，8 h變壓達(dá)-11 hPa。風(fēng)力較大，平均風(fēng)力為5級，最大陣風(fēng)達(dá)7級。

受“玲玲”北上影響，2019 年9 月7 日14∶00—8 日20∶00 東北中東部偏北地區(qū)普降暴雨，個別站點(diǎn)大暴雨。哈爾濱市省氣象臺站逐時(shí)降水量(圖2b)顯示，降水持續(xù)時(shí)間短(12 h)，分布不均勻，呈單峰值分布，最大雨強(qiáng)30.5 mm·h-1(8 日01∶00)，累積降水量103.5 mm。此站離臺風(fēng)中心較近，在臺風(fēng)移近的過程中氣壓大幅下降，從7 日17∶00 的988 hPa 持續(xù)下降到8 日03∶00的975 hPa，10 h變壓達(dá)-13 hPa。風(fēng)力不大，平均風(fēng)力為3～4級，最大陣風(fēng)達(dá)6級。

圖2 2012年8月29日00∶00—16∶00(a)和2019年9月7日17∶00—8日09∶00(b)哈爾濱站逐時(shí)降水量(單位∶mm)、氣壓(單位:hPa)和風(fēng)速(單位:m·s-1)演變Fig.2 The observed hourly precipitation(unit:mm),air pressure(unit:hPa)and wind speed(unit:m·s-1)at the station in Harbin(a)from 00∶00 to 16∶00 BT 29 August 2012,and(b)from17∶00 BT 7 to 09∶00 BT 8 September tember 2019.

盡管臺風(fēng)“玲玲”登陸及移經(jīng)黑龍江省時(shí)強(qiáng)度更大，但由于其移速更快，相應(yīng)的降水持續(xù)時(shí)間較短，造成的降水范圍更小，對流降水局地性更強(qiáng)。

3 大尺度環(huán)流背景場

兩個臺風(fēng)移入東北地區(qū)后，200 hPa上均有高空西南風(fēng)急流，并于強(qiáng)降水開始移至高空急流入口區(qū)右側(cè)，此處有利于上升運(yùn)動發(fā)展和對流加強(qiáng)。只是“玲玲”高空急流寬度和強(qiáng)度大于“布拉萬”；高空強(qiáng)輻散區(qū)與臺風(fēng)中心的相對位置不同，即高空強(qiáng)輻散區(qū)位于“玲玲”中心附近，而位于“布拉萬”中心西北側(cè)(圖3a、d)。

500 hPa上，副熱帶高壓(以下簡稱副高)位置均是異常偏北，588 dagpm線北界超過40°N，與高緯度暖高壓脊同位相疊加，形成高壓壩，副高西側(cè)偏南氣流引導(dǎo)臺風(fēng)北上。臺風(fēng)攜帶暖濕空氣北上，在溫度場上表現(xiàn)為暖脊。2012年8月29日02∶00(圖3b)靠近黑龍江省的外興安嶺地區(qū)有短波槽活動，槽后西北氣流攜帶冷空氣南下靠近“布拉萬”，使其逐漸變性。2019 年9月7日20∶00(圖3e)貝加爾湖附近為穩(wěn)定少動的冷渦，冷中心-28 ℃，其東南側(cè)的鋒區(qū)位于蒙古國東側(cè)，與北上的“玲玲”相距較遠(yuǎn)，僅有弱冷空氣擴(kuò)散南下，“玲玲”北上過程中變性慢、移動快，移經(jīng)黑龍江省時(shí)維持熱帶風(fēng)暴級別。

850 hPa上，兩個臺風(fēng)的東側(cè)和北側(cè)均有偏南和偏東低空急流將黃海和日本海上的水汽向東北地區(qū)輸送，分別在臺風(fēng)北側(cè)倒槽及其中心輻合抬升形成暴雨。2012 年8 月29 日02∶00 (圖3c)俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)60°N附近為低渦，渦底部冷槽引導(dǎo)冷空氣南下在黑龍江省西北部形成鋒區(qū)。大興安嶺地區(qū)到內(nèi)蒙古東部為溫度槽，南下的冷空氣逐漸靠近臺風(fēng)環(huán)流，發(fā)生相互作用，有利于暴雨的維持、加強(qiáng)和臺風(fēng)變性。2019年9月7日20∶00(圖3f)貝加爾湖附近的冷渦與臺風(fēng)之間為暖溫度脊，阻隔了北方冷空氣與“玲玲”外圍云系的聯(lián)系，臺風(fēng)變性慢。“布拉萬”低層輻合和高層輻散中心，及強(qiáng)降水區(qū)均位于臺風(fēng)中心北側(cè)，而“玲玲”低層輻合和高層輻散中心，及強(qiáng)降水區(qū)均位于臺風(fēng)中心附近。

圖3 2012年8月29日02∶00(a,b,c)和2019年9月7日20∶00(b,e,f)200 hPa(a,d)、500 hPa(b,e)、850 hPa(c,f)位勢高度場(實(shí)線,單位:dagpm)、溫度場(紅色虛線,單位:℃)、水平風(fēng)場(風(fēng)向桿,單位:m·s-1)和散度場(陰影,單位:10-5 s-1)(藍(lán)色圓點(diǎn)表示臺風(fēng)中心位置,下同)Fig.3 Geopotential height field(solid line,unit:dagpm),temperature field(red dashed line,unit:℃),wind vector(wind-directing posts,unit:m·s-1)and divergence(shaow,unit:10-5 s-1)at(a,d)200 hPa,(b,e)500 hPa,(c,f)850 hPa at(a,b,c)02∶00 BT29 August 2012 and(b,e,f)20∶00 BT 7 September 2019(The blue dot indicates the center position of the typhoon,same hereafter).

4 熱力動力結(jié)構(gòu)及不穩(wěn)定特征對比

兩個臺風(fēng)在北上至中高緯度地區(qū)后，與西風(fēng)帶冷槽(渦)發(fā)生相互作用逐漸變性，下面分析兩個臺風(fēng)的變性過程和低層鋒生的差異，以及對降水的影響。

分析“布拉萬”影響期間相當(dāng)位溫(θe)和風(fēng)場分布可知，2012 年8 月28 日20∶00 (圖4a)，臺風(fēng)即將登陸時(shí)，臺風(fēng)中心與352 K暖中心重合，暖中心與北側(cè)南下冷空氣之間的等θe線逐漸密集，在臺風(fēng)西北側(cè)形成鋒區(qū)，有較強(qiáng)的鋒生作用，臺風(fēng)開始變性。29 日02∶00(圖4b)，暖氣團(tuán)隨臺風(fēng)北上，強(qiáng)度減小到344 K，隨著冷槽南下的冷空氣加強(qiáng)，且與臺風(fēng)距離更近，臺風(fēng)中心西北側(cè)等θe線更加密集，鋒生作用更強(qiáng)。此處為暖氣團(tuán)推動冷氣團(tuán)北移，暖空氣沿鋒面爬升，表現(xiàn)為暖鋒特征。冷空氣逆時(shí)針卷入臺風(fēng)西南部，推動暖空氣移動，表現(xiàn)為冷鋒特征。吉林和黑龍江省南部受暖鋒鋒生作用出現(xiàn)強(qiáng)降水。29 日08∶00(圖4c)，暖中心強(qiáng)度減小到340 K，與臺風(fēng)中心逐漸分離，臺風(fēng)西側(cè)和北側(cè)鋒區(qū)維持，鋒生作用減小。哈爾濱持續(xù)受暖鋒影響，29日03∶00—08∶00連續(xù)6 h小時(shí)雨強(qiáng)大于10 mm·h-1，最大26.9 mm(29日05∶00)。

圖4 2012年8月28日20∶00(a,d)、29日02∶00(b,e)、08∶00(c,f)850 hPa相當(dāng)位溫(實(shí)線,單位:K)、鋒生函數(shù)(陰影,單位:K·h-1·(100 km)-1)、水平風(fēng)場(箭矢,單位:m·s-1)(a,b,c)以及沿臺風(fēng)Bolaven中心的垂直速度(陰影,單位:Pa·s-1)、相當(dāng)位溫(實(shí)線,單位:K)、比濕(紅色虛線,單位:g·kg-1)和v-ω(ω放大100倍)的垂直剖面(d,e,f)Fig.4 The(a,b,c)850 hPa equivalent potential temperature(solid line,unit:K),frontogenesis function(shadow,unit:K·h-1·(100 km-1))and wind(arrows,unit:m·s-1),(d,e,f)the vertical cross section of vertical velocit(shadow,unit:Pa·s-1),equivalent potential temperature(solid line,unit:K),specific humidity(red dotted line,unit:g·kg-1)and v-w(is amplified by 100 times)along the center of typhoon Bolaven at(a,d)20∶00 BT 28,(b,e)02∶00 BT 29,and(c,f)08∶00 BT 29 August 2012.

過臺風(fēng)中心做相當(dāng)位溫、垂直速度和垂直流場的垂直剖面，發(fā)現(xiàn)28日20∶00(圖4d)，臺風(fēng)登陸前，臺風(fēng)中心為暖心結(jié)構(gòu)，濕層深厚，與兩側(cè)冷氣團(tuán)間有鋒區(qū)存在。從高層向下伸展到700 hPa的暖舌達(dá)356 K，與北側(cè)冷氣團(tuán)之間形成高空鋒區(qū)。暖濕空氣在北側(cè)鋒區(qū)上有強(qiáng)烈抬升，對流旺盛，為強(qiáng)降水區(qū)。臺風(fēng)南側(cè)鋒區(qū)低層的上升運(yùn)動受高空下沉運(yùn)動抑制，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)松散的云系。29日02∶00(圖4e)，臺風(fēng)移入內(nèi)陸，其中心暖氣團(tuán)強(qiáng)度減小到352 K，有冷空氣從西北側(cè)低層侵入。臺風(fēng)北側(cè)冷氣團(tuán)加強(qiáng)到312 K，促使高空鋒區(qū)加強(qiáng)，并向低層發(fā)展。鋒區(qū)上上升運(yùn)動增強(qiáng)，并擴(kuò)展到整個對流層，最大上升速度出現(xiàn)在700 hPa，達(dá)-2.8 Pa·s-1。臺風(fēng)北側(cè)鋒區(qū)加強(qiáng)，最強(qiáng)達(dá)到13 K·(100 km)-1，鋒生作用促使對流持續(xù)發(fā)展，強(qiáng)降水區(qū)移入黑龍江省。29日08∶00(圖4f)，臺風(fēng)中心暖氣團(tuán)強(qiáng)度繼續(xù)減弱，大氣穩(wěn)定度減小。高緯冷空氣加強(qiáng)到304 K，北側(cè)鋒區(qū)增強(qiáng)更加向北傾斜并靠近臺風(fēng)中心，強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)移至44°N，伴有深厚的濕層，對流活躍造成強(qiáng)降水。之后隨著臺風(fēng)的繼續(xù)北上，低層比濕逐漸減小，強(qiáng)降水的范圍和強(qiáng)度也減小。

2019年9月7日20∶00(圖5a)，中俄交界附近有等θe線異常密集的冷鋒鋒區(qū)，鋒區(qū)北側(cè)冷空氣小于304 K，與臺風(fēng)相距10個緯距以上。擴(kuò)散南下的冷空氣(332 K)靠近臺風(fēng)外圍，與臺風(fēng)暖氣團(tuán)之間的等θe線逐漸密集形成鋒區(qū)，臺風(fēng)中心北側(cè)鋒區(qū)上有弱鋒生作用。9月8日02∶00—08∶00(圖5b、c)，臺風(fēng)快速北上至黑龍江省，與冷鋒鋒區(qū)間距減小，擴(kuò)散南下的冷空氣強(qiáng)度增大到324 K，持續(xù)鋒生作用使臺風(fēng)北側(cè)鋒區(qū)加強(qiáng)，最強(qiáng)達(dá)到10 K·(100 km)-1，具有暖鋒特征。臺風(fēng)西南側(cè)鋒區(qū)具有冷鋒特征。暖鋒鋒區(qū)上對流活躍，與強(qiáng)降水區(qū)相對應(yīng)。垂直剖面圖上，9月7日20∶00(圖5d)，臺風(fēng)中心為暖心結(jié)構(gòu)，暖舌從對流層高層向下伸展至700 hPa，700 hPa以下為對流不穩(wěn)定。臺風(fēng)中心附近有強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)，最大上升速度出現(xiàn)在600 hPa，達(dá)-2.8 Pa·s-1。臺風(fēng)“玲玲”中心濕層更加深厚，且低層具有更大的比濕，此處對流旺盛。8日02∶00(圖5e)，臺風(fēng)中心及其南側(cè)中高層出現(xiàn)了下沉氣流，抑制對流發(fā)展，云系結(jié)構(gòu)開始變得松散。臺風(fēng)中心北側(cè)形成高空鋒區(qū)，鋒區(qū)上對應(yīng)強(qiáng)上升運(yùn)動，與深厚的濕區(qū)配合，產(chǎn)生強(qiáng)降水。8日08∶00(圖5f)，臺風(fēng)中心及南側(cè)轉(zhuǎn)為下沉運(yùn)動，云系消散。北側(cè)高空鋒區(qū)加強(qiáng)，并向低層發(fā)展，強(qiáng)降水區(qū)僅出現(xiàn)在北側(cè)。在臺風(fēng)北上過程中，臺風(fēng)中心始終有暖舌從高層向下伸展，且低層沒有冷空氣侵入。

圖5 同圖4，但為2019年9月7日20∶00(a,d)、8日02∶00(b,e)、08∶00(c,f)臺風(fēng)LinglingFig.5 Same as Fig.4,but for typhoon Lingling at(a,d)20∶00 BT 7,(b,e)02∶00 BT 8,and(c,f)08∶00 BT 8 September 2019.

綜上可知，黑龍江省兩次臺風(fēng)暴雨過程均與中尺度鋒生有關(guān)。較強(qiáng)冷空氣從臺風(fēng)“布拉萬”西北側(cè)中高層下沉，并從低層侵入臺風(fēng)中心，臺風(fēng)北側(cè)鋒區(qū)隨高度向北傾斜，強(qiáng)烈鋒生，鋒區(qū)與深厚的上升運(yùn)動區(qū)相對應(yīng)，形成中尺度對流區(qū)，降水強(qiáng)度大?！安祭f”北上過程中有較強(qiáng)冷空氣的侵入，變性快，移動緩慢(移速40～45 km·h-1)(表1)，導(dǎo)致強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長，累積降水量大。臺風(fēng)“玲玲”北上到相同緯度時(shí)具有更深厚的濕層和低層更大的比濕，與西北側(cè)冷渦相距太遠(yuǎn)，僅有擴(kuò)散南下的弱冷空氣侵入臺風(fēng)環(huán)流，使“玲玲”北上過程中變性慢，移動快(移速60～65 km·h-1)。“玲玲”臺風(fēng)中心北側(cè)僅有較弱的鋒生作用，鋒區(qū)強(qiáng)度和上升運(yùn)動強(qiáng)度不及“布拉萬”，導(dǎo)致降水強(qiáng)度和范圍均較小，加之鋒區(qū)上中尺度對流區(qū)隨臺風(fēng)移動快，降水持續(xù)時(shí)間短，累積降水量不大。

表1 兩個相似路徑臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)異同Table 1 The similarities and differences in structure and nature of two typhoons with similar paths.

有降水發(fā)生的濕過程，若不考慮非絕熱加熱和摩擦效應(yīng)，濕位渦守恒(Hoskins，1974)，濕位渦MPV 由正壓項(xiàng)MPV1和斜壓項(xiàng)MPV2兩項(xiàng)組成，表達(dá)式為

式(1)中，ξp為垂直渦度，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，θe為相當(dāng)位溫?！安祭f”北上的過程中(圖6a—c)，臺風(fēng)中心以對流中性為主，南北兩側(cè)冷氣團(tuán)內(nèi)中低層對流不穩(wěn)定逐漸減弱。臺風(fēng)中心北側(cè)鋒區(qū)對流穩(wěn)定，中低層穩(wěn)定度逐漸減小；南側(cè)中高層有逆時(shí)針卷入的冷空氣，導(dǎo)致中層出現(xiàn)對流不穩(wěn)定。700 hPa 鋒面上存在MPV＜0的區(qū)域，大氣表現(xiàn)為濕對稱不穩(wěn)定，降水容易獲得增幅(張雅斌等，2018)。對比發(fā)現(xiàn)濕對稱不穩(wěn)定是由濕斜壓性引起的，而中層的濕斜壓性與垂直風(fēng)切變增強(qiáng)有關(guān)，降水凝結(jié)潛熱釋放也可以促使?jié)裥眽盒栽鰪?qiáng)。暴雨主要發(fā)生在臺風(fēng)中心北側(cè)低層對流不穩(wěn)定、中層濕對稱不穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)。

圖6 2012年8月28日20∶00(a)、29日02∶00(b)和08∶00(c)沿臺風(fēng)Bolaven以及2019年9月7日20∶00(d)、8日02∶00(e)和08∶00(f)沿臺風(fēng)Lingling中心濕位渦MPV(陰影,僅給出負(fù)值,單位:10-6 m2·K·s-1·kg-1)和>(等值線,單位:K·hPa-1)的垂直剖面Fig.6 Vertical cross-section of MPV(shadow with only negative values plotted,unit:10-6 m2·K·s-1·kg-1)and(contour,unit:K·hPa-1)along the center of typhoon Bolaven and Lingling at(a)20∶00 BT 28,(b)02∶00 BT 29,and(c)08∶00 BT 29 August 2012,and at(d)20∶00 BT 7,(e)02:00 BT 8,and(f)08∶00 BT 8 September 2019.

“玲玲”北上到較高緯度(黑龍江省南部)，臺風(fēng)中心低層850 hPa以下為顯著的對流不穩(wěn)定(圖6d、e)，中高層多呈現(xiàn)對流中性。臺風(fēng)中心及北側(cè)鋒區(qū)上，700 hPa存在，且MPV＜0 的區(qū)域，即大氣濕對稱不穩(wěn)定。暴雨主要出現(xiàn)在臺風(fēng)中心附近，低層強(qiáng)對流不穩(wěn)定導(dǎo)致降水分布更加不均勻?！傲崃帷崩^續(xù)向北移動(圖6f)，臺風(fēng)中心及北部鋒區(qū)轉(zhuǎn)為對流穩(wěn)定，僅在鋒區(qū)上中層存在濕對稱不穩(wěn)定。

可見，兩個臺風(fēng)北上過程中，臺風(fēng)中心趨于對流中性，北側(cè)鋒區(qū)低層對流不穩(wěn)定，中層濕對稱不穩(wěn)定。暴雨區(qū)低層對流不穩(wěn)定、中層濕對稱不穩(wěn)定(表1)，有利于強(qiáng)降水的維持和發(fā)展?！傲崃帷北鄙线^程其中心低層維持強(qiáng)對流不穩(wěn)定，強(qiáng)降水時(shí)空分布更加不均勻。

5 衛(wèi)星云圖特征

兩個臺風(fēng)移入東北地區(qū)后，臺風(fēng)云系呈現(xiàn)不對稱特征(圖7)：臺風(fēng)中心南側(cè)云帶逐漸減弱甚至消散，北側(cè)則有大范圍云頂亮溫小于-32 ℃的螺旋云帶，對流活躍。但兩個臺風(fēng)螺旋云帶內(nèi)對流分布及發(fā)展特征不盡相同。

2012年8月28日20∶00(圖7a)“布拉萬”移至黃海北部，北側(cè)的螺旋云帶開始影響黑龍江省。臺風(fēng)西側(cè)云帶向南向臺風(fēng)中心呈氣旋式彎曲；東南側(cè)與沿副高外圍的暖濕輸送帶相連。冷空氣逆時(shí)針卷入臺風(fēng)南部，出現(xiàn)下沉氣流，表現(xiàn)為晴空區(qū)，晴空區(qū)北側(cè)對流旺盛。臺風(fēng)繼續(xù)北上，中心北側(cè)的螺旋云帶沿緯向逐漸被拉長；其西側(cè)與冷空氣相遇后對流發(fā)展旺盛，更加向南氣旋式彎曲，在臺風(fēng)中心南側(cè)出現(xiàn)對流活動(圖4f)；其東南側(cè)與副熱帶暖濕輸送帶逐漸斷開，沒有暖濕空氣的持續(xù)輸送，臺風(fēng)云系逐漸減弱。臺風(fēng)云系表現(xiàn)為“9”字型，呈現(xiàn)出鋒面氣旋逗點(diǎn)云系特征(圖7b)。臺風(fēng)西側(cè)和西北側(cè)為對流活躍區(qū)。臺風(fēng)繼續(xù)向北移動(圖7c)，其東側(cè)的云帶逐漸斷裂、消散，僅在西側(cè)和北側(cè)維持亮溫小于-32 ℃的螺旋云帶。云頂亮溫小于-52 ℃的中尺度對流云團(tuán)在黑龍江省活動時(shí)間持續(xù)近12 h，給當(dāng)?shù)貛沓掷m(xù)性強(qiáng)降水。

“玲玲”云系演變與“布拉萬”有較大差異，2019年9月7日14∶00(圖7d)，“玲玲”剛在朝鮮半島登陸，其外圍的螺旋云帶更寬廣，集中在中心北側(cè)。受高空偏西風(fēng)急流影響，北側(cè)螺旋云帶向東伸展超過20個經(jīng)距。水汽主要來自日本海，源源不斷的水汽輸送使臺風(fēng)北側(cè)維持寬廣的螺旋云帶，臺風(fēng)中心附近對流活躍。蒙古國東側(cè)有冷渦云系活動，擴(kuò)散南下的冷空氣卷入臺風(fēng)北側(cè)，使臺風(fēng)北側(cè)對流旺盛(圖7e)。臺風(fēng)向北移動快速穿過黑龍江省，8日08∶00(圖7f)，其北側(cè)螺旋云帶移出，強(qiáng)降水結(jié)束。臺風(fēng)對流云帶影響黑龍江省時(shí)間短，導(dǎo)致強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間短，累積降水量不及“布拉萬”。

圖7 2012年8月28日20∶00(a),29日08∶00(b),14∶00(c)以及2019年9月7日14∶00(d),23∶00(e),8日08∶00(f)FY-2F紅外云圖TBB分布(單位:℃)Fig.7 FY-2E infrared brightness temperature at(a)20∶00 BT 28,(b)08∶00 BT 29,and(c)14∶00 BT 29 August 2012,and at(d)14∶00 BT 7,(e)23∶00 BT 7,and(f)08∶00 BT 8 September 2019(unit:℃).

可見，兩個臺風(fēng)進(jìn)入東北地區(qū)后均發(fā)生了變性，云系呈現(xiàn)非對稱結(jié)構(gòu)。由于冷空氣侵入方式和路徑不同，及水汽輸送的差異，導(dǎo)致兩者對流結(jié)構(gòu)和降水強(qiáng)度有較大差異。“布拉萬”北上的過程中云系東側(cè)減弱消散，西側(cè)和北側(cè)與冷空氣相互作用，觸發(fā)對流；而“玲玲”北上過程中云系結(jié)構(gòu)基本維持不變，中尺度對流云團(tuán)出現(xiàn)在臺風(fēng)中心及北部。

6 環(huán)境垂直風(fēng)切變

“布拉萬”和“玲玲”移入東北地區(qū)后，臺風(fēng)外圍螺旋云帶及強(qiáng)降水分布均呈現(xiàn)非對稱特征，除了與高緯度冷空氣活動有關(guān)，還與環(huán)境垂直風(fēng)切變有關(guān)。Chen等(2006)研究表明，北半球臺風(fēng)的環(huán)境風(fēng)垂直切變大于7.5 m·s-1時(shí)，強(qiáng)降水區(qū)和中尺度對流云團(tuán)主要出現(xiàn)在順切變方向及其左側(cè)。

圖8 是臺風(fēng)中心向四周10 個經(jīng)緯度范圍內(nèi)垂直風(fēng)切變及平均風(fēng)速和風(fēng)矢量(850—200 hPa)隨時(shí)間演變圖?？梢?，臺風(fēng)“布拉萬”和“玲玲”在北上到較高緯度后環(huán)境風(fēng)垂直切變的量值均大于10 m·s-1，且越向北移切變值越大(圖8a、b)。垂直切變的方向“布拉萬”為西南偏南，而“玲玲”為西南，兩個臺風(fēng)的對流云團(tuán)均出現(xiàn)在順切變方向及其左側(cè)，即臺風(fēng)北側(cè)。不同之處在于“布拉萬”的環(huán)境風(fēng)垂直切變值更大，在強(qiáng)降水結(jié)束時(shí)達(dá)到最大，而“玲玲”的環(huán)境風(fēng)垂直切變值相對較小，但一直隨時(shí)間增加。黑龍江省出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)臺風(fēng)區(qū)域平均環(huán)境風(fēng)垂直切變的量值大于等于20 m·s-1。

“布拉萬”區(qū)域平均風(fēng)速和風(fēng)矢量垂直分布隨時(shí)間變化圖(圖8c)上，最初臺風(fēng)區(qū)域低層平均風(fēng)為偏南風(fēng)，高層為西南風(fēng)，高層風(fēng)速大于低層。隨著臺風(fēng)北上更加接近高空急流軸，高層平均風(fēng)速不斷加大。低層(925—700 hPa)風(fēng)速變化不大，2012 年29 日08∶00以后風(fēng)向逐漸順轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，主要是臺風(fēng)中心西側(cè)的西北風(fēng)范圍和速度不斷增大引起的。2019 年9 月7日02∶00臺風(fēng)“玲玲”位于黃海南部，低層為偏南風(fēng)，高層為西南風(fēng)，平均風(fēng)速均較小(圖8d)。隨著臺風(fēng)的北移，高層平均風(fēng)速持續(xù)增加，風(fēng)向不變，移入東北地區(qū)后低層風(fēng)速略有增加，以偏南風(fēng)和西南風(fēng)為主，也可以說明此次臺風(fēng)過程中冷空氣勢力不及“布拉萬”。

圖8 臺風(fēng)Bolaven(a,c)和Lingling(b,d)平均風(fēng)垂直切變的時(shí)間演變(a,b,單位:m·s-1;風(fēng)矢為風(fēng)向,橫坐標(biāo)上的粗實(shí)線為黑龍江省強(qiáng)降水時(shí)間)及區(qū)域平均風(fēng)速(等值線)和風(fēng)矢量(箭矢)的高度-時(shí)間剖面(c,d,單位:m·s-1)Fig.8 Temporal variation of vertical wind shear averaged over the areas of typhoon(a)Bolaven and(b)Lingling(unit:m·s-1,arrow is wind direction,and bold region on the abscissa is the time of heavy precipitation).Height-time cross sections of wind speed(contour)and wind vectors(arrows)averaged over the areas of typhoon(c)Bolaven and(d)Lingling(unit:m·s-1).

7 暴雨區(qū)降水條件對比

“布拉萬”和“玲玲”均攜帶充沛的水汽北上，給黑龍江省帶來的降水量不同，源于臺風(fēng)北上變性過程中降水區(qū)域內(nèi)動力和熱力結(jié)構(gòu)的差異。

圖9 為出現(xiàn)兩次臺風(fēng)暴雨的黑龍江省中部地區(qū)(126.5°—130°E，45°—48°N)平均氣象要素垂直分布隨時(shí)間的演變。從相當(dāng)位溫和平均風(fēng)場演變可見，2012年8月28日20∶00以前(暴雨前)，副高西側(cè)的偏南暖濕氣流(6～8 m·s-1)持續(xù)向北輸送水汽和熱量，暴雨區(qū)低層大氣增溫增濕，θe大于342 K，中層有冷空氣活動，大氣表現(xiàn)為強(qiáng)對流不穩(wěn)定(圖9a)。隨著臺風(fēng)的移入，逐漸轉(zhuǎn)為對流中性或?qū)α鞣€(wěn)定，29日02∶00，低層偏東風(fēng)迅速增大，攜帶大量的水汽在臺風(fēng)倒槽處輻合，觸發(fā)對流，形成強(qiáng)降水。臺風(fēng)中心移入，有暖舌從對流層高層向下伸展到850 hPa。14∶00 以后低層轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)，強(qiáng)降水結(jié)束?！傲崃帷庇绊憰r(shí)間為初秋，東北地區(qū)熱力條件轉(zhuǎn)差，加之前期低層僅有較小的偏南風(fēng)(2～4 m·s-1)，向北的溫濕平流較小。2019 年9 月7 日14∶00 至8 日02∶00(圖9d)，僅在近地面有淺薄的暖濕層，低層表現(xiàn)為弱對流不穩(wěn)定，低層偏東風(fēng)增大，攜帶的水汽在臺風(fēng)倒槽處輻合，觸發(fā)對流，形成強(qiáng)降水。8日02∶00臺風(fēng)移入，低層偏東風(fēng)更大，有更強(qiáng)更狹窄的暖舌從對流層高層向下伸。8日08∶00以后低層轉(zhuǎn)為較大的西北風(fēng)，降水趨于結(jié)束。

渦度和散度演變上，發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)移入暴雨區(qū)渦度迅速增大。2012年8月29日02∶00(圖9b)，暴雨區(qū)中低層為輻合區(qū)，高層為輻散區(qū)；整層開始出現(xiàn)正渦柱結(jié)構(gòu)，低層輻合高層輻散的動力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生上升運(yùn)動，觸發(fā)對流，加之對流不穩(wěn)定能量的釋放及正渦柱結(jié)構(gòu)促使對流維持和加強(qiáng)。08∶00—14∶00正渦柱強(qiáng)度達(dá)到最大，但高層輻散減弱，低層輻合層變薄，相應(yīng)的上升運(yùn)動強(qiáng)度也減弱。水汽通量散度場上(圖9c)，表現(xiàn)為強(qiáng)水汽輻合區(qū)由中層下降到低層，且越來越淺薄。29日02∶00—14∶00低層出現(xiàn)水汽輻合，與強(qiáng)上升運(yùn)動配合的時(shí)段出現(xiàn)強(qiáng)降水。2019年9月8日02∶00—08∶00(圖9e)，400 hPa以下大氣出現(xiàn)正渦柱結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度不及“布拉萬”。輻散場上僅在02∶00前后出現(xiàn)低層輻合高層輻散的動力結(jié)構(gòu)，對應(yīng)強(qiáng)上升運(yùn)動，最大上升速度的強(qiáng)度與“布拉萬”相同，但高度較低(600 hPa)，暴雨區(qū)內(nèi)上升速度和水汽輻合區(qū)域集中，造成的暴雨范圍較小(圖9f)。

圖9 黑龍江省中部地區(qū)(126.5°—130°E,45°—48°N)相當(dāng)位溫(等值線,單位:K)和風(fēng)矢量(箭矢,單位:m·s-1)(a,d),渦度和散度(b,e,單位:10-5s-1,陰影為渦度,等值線為散度),水汽通量散度(陰影,單位:10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)和垂直速度(等值線,單位:Pa·s-1)(c,f)的高度-時(shí)間剖面Fig.9 (a,d)Height-time cross sections of equivalent potential temperature(contour,unit:K)and wind(arrow,unit:m·s-1),(b,e)vorticity(shadow,unit:10-5 s-1)and divergence(contour,unit:10-5 s-1),(c,f)vapor flux divergence(shadow,unit:10-7 g·s-1·cm-2·hPa-1)and vertical velocity(contour,unit:Pa·s-1)averaged over central Heilongjiang province(126.5°-130°N,45°-48°N)of typhoon(a,b,c)Bolaven and(d,e,f)Lingling.

綜上可見，臺風(fēng)“布拉萬”影響前，低層具有較厚的暖濕層，中層有冷空氣活動，大氣具有強(qiáng)對流不穩(wěn)定性，臺風(fēng)倒槽觸發(fā)對流，暴雨區(qū)域內(nèi)對流活躍，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長。臺風(fēng)“玲玲”影響時(shí)已為初秋，熱力條件轉(zhuǎn)差，僅在低層有弱對流不穩(wěn)定，對流較弱，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間較短。

8 結(jié)論與討論

本文對比分析了兩個路徑相似、北上深入內(nèi)陸發(fā)生變性，直擊黑龍江省的臺風(fēng)“布拉萬”和“玲玲”的特征和降水差異，主要結(jié)論如下：

(1) 兩個臺風(fēng)北上過程中大尺度環(huán)流背景相同。高層均有高空西南急流，兩個臺風(fēng)均位于高空急流入口區(qū)右側(cè)強(qiáng)輻散區(qū)；副高位置均是異常偏北，并與高緯度暖高壓脊同位相疊加，形成高壓壩，臺風(fēng)沿副高西側(cè)偏南氣流北上；均有偏南和偏東低空急流向東北地區(qū)輸送水汽，在臺風(fēng)中心及北側(cè)倒槽處輻合抬升形成暴雨。

(2)兩個臺風(fēng)低層鋒生強(qiáng)度及變性程度不同。兩次暴雨過程均與中尺度鋒生有關(guān)。較強(qiáng)冷空氣從臺風(fēng)“布拉萬”西北側(cè)中高層下沉，臺風(fēng)北側(cè)鋒區(qū)隨高度向北傾斜，強(qiáng)烈鋒生，鋒區(qū)與深厚的上升運(yùn)動區(qū)相對應(yīng)，形成中尺度對流區(qū)，降水強(qiáng)度大?！安祭f”變性快，移動慢，導(dǎo)致強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長，降水累積量大?！傲崃帷北鄙系较嗤暥葧r(shí)具有更大的強(qiáng)度，更深厚的濕層和低層更大的比濕，但僅有擴(kuò)散南下的弱冷空氣侵入，使“玲玲”變性慢，移動快，降水持續(xù)時(shí)間短，降水累積量不大。臺風(fēng)中心北側(cè)鋒生作用較弱，鋒區(qū)強(qiáng)度及上升運(yùn)動較弱，導(dǎo)致降水強(qiáng)度和范圍均較小。

(3)臺風(fēng)云系結(jié)構(gòu)特征不同，兩個臺風(fēng)云系呈現(xiàn)非對稱結(jié)構(gòu)。由于冷空氣侵入方式和路徑不同，及水汽輸送的差異，導(dǎo)致兩者對流結(jié)構(gòu)和降水強(qiáng)度有較大差異?！安祭f”北上的過程中云系東側(cè)減弱消散，西側(cè)和北側(cè)與冷空氣相互作用，觸發(fā)對流；而“玲玲”北上過程中云系結(jié)構(gòu)基本維持不變，中尺度對流云團(tuán)出現(xiàn)在臺風(fēng)中心及中心北部。

(4)暴雨區(qū)低層對流不穩(wěn)定、中層濕對稱不穩(wěn)定。“玲玲”北上過程，其中心低層對流不穩(wěn)定更強(qiáng)，強(qiáng)降水時(shí)空分布更加不均勻。

(5)暴雨區(qū)環(huán)境場動力熱力結(jié)構(gòu)不同造成降水的差異?！安祭f”降水時(shí)大氣具有強(qiáng)對流不穩(wěn)定性，臺風(fēng)倒槽觸發(fā)對流，暴雨區(qū)域內(nèi)對流活躍，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長?！傲崃帷睙崃l件較差，僅在低層有弱對流不穩(wěn)定，對流較弱，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間較短。

本文研究發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)北上到較高緯度與冷空氣相互作用發(fā)生變性，冷空氣的強(qiáng)度、路徑及侵入臺風(fēng)環(huán)流的方式不同使臺風(fēng)變性程度不同，導(dǎo)致臺風(fēng)移動速度及對流分布的差異，最終造成降水強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的不同。預(yù)報(bào)過程中除了關(guān)注臺風(fēng)強(qiáng)度及路徑外，還需要注意分析高緯度冷空氣活動對臺風(fēng)變性的影響。另外，環(huán)境風(fēng)垂直切變會影響變性臺風(fēng)的對流分布，對強(qiáng)降水預(yù)報(bào)有指示意義。