臺風“美莎克”致洪暴雨精細化特征及成因分析

沈曉琳,胡 藝,張恒德,張芳華,陳 濤,陳博宇,宮 宇

(1.國家氣象中心，北京 100081； 2.中國氣象局-河海大學水文氣象研究聯(lián)合實驗室，北京 100081)

我國是世界上登陸臺風最多、受災最嚴重的國家之一，平均每年有七八個臺風登陸[1]，臺風帶來的大風及其登陸后帶來的暴雨是致災的主要原因，經常會引起城市內澇、山體滑坡等災害，給人民的生命財產安全帶來重大損失[2-5]。眾多學者在臺風暴雨形成的機理方面取得了重要進展，研究發(fā)現(xiàn)水汽、上升運動、位勢不穩(wěn)定等影響臺風降水的物理因子的產生、維持和強弱與臺風周圍的環(huán)境流場、自身動力和熱力結構等均有聯(lián)系[1]；臺風強度和眼壁區(qū)暴雨強度的突然增強是由內核對流爆發(fā)導致的[6]；中小尺度切變線和小尺度渦旋會導致臺風環(huán)流內局地降水增強，臺風內核上空云微物理過程對降水增強也容易被忽視[7]；季風涌與臺風的相互作用給予臺風大量水汽和能量，使得其登陸強度維持或殘渦復蘇，并使臺風暴雨增強[8]。

北上臺風對我國東北地區(qū)東南部的影響較多，而對東北地區(qū)中北部的影響相對較少[9]。影響東北的臺風暴雨多與西風帶系統(tǒng)密切相關，冷空氣的入侵可能會導致臺風變性，使系統(tǒng)重新發(fā)展，導致暴雨落區(qū)擴大[10-11]；伴隨與中緯度環(huán)流相互作用，臺風結構也有所調整，從正壓演變成斜壓，結構呈現(xiàn)出非對稱性特征[12-14]。針對近年北上影響我國東北地區(qū)的臺風，我國學者也做了相關分析，王承偉等[15]對冷空氣入侵臺風“燦鴻”引發(fā)的東北暴雨進行分析發(fā)現(xiàn)，冷空氣從低層進入變性臺風北部，使臺風登陸后強度減弱較慢，北部有所加強，在其北部出現(xiàn)較大范圍的暴雨、大暴雨。孫力等[16]對2012年第15號臺風“布拉萬”給我國東北地區(qū)帶來的暴雨過程進行了分析，結果表明，中緯度西風槽帶來的干冷空氣，使得降水和環(huán)流結構表現(xiàn)為明顯的不對稱性。劉碩等[17]對臺風“獅子山”并入溫帶氣旋在東北地區(qū)引發(fā)的強降水進行分析，結果表明，“獅子山”與溫帶氣旋結合，結構發(fā)生較大變化，從對稱的熱帶渦旋云系發(fā)展為非對稱斜壓云系，最終發(fā)展為成熟溫帶氣旋，增強了動力、水汽和能量輸送，因此在東北地區(qū)引發(fā)較強降水。

2020年8月26日至9月8日半個月的時間內，東北地區(qū)連續(xù)受8號臺風“巴威”、9號臺風“美莎克”和10號臺風“海神”3個臺風影響，為有氣象記錄以來首次，比常年全年影響東北地區(qū)臺風個數(shù)(平均1.2個)偏多1.8個。臺風的“三連擊”給東北地區(qū)帶來較大的風雨影響，并造成大面積的農作物倒伏和經濟損失。其中，“美莎克”在高緯地區(qū)與冷空氣結合，隨后變性為溫帶氣旋，在我國東北地區(qū)的持續(xù)時間最長、影響范圍最廣。受“美莎克”帶來的強風雨影響，東北三省多地學校停課、景點關閉、航班調整，與前期“巴威”影響疊加，黑龍江南部、吉林中部部分地區(qū)發(fā)生城鄉(xiāng)積澇和作物倒伏，多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)房屋倒塌或損毀。此次降水強對流特征雖不明顯，但降水持續(xù)時間長，雨區(qū)分布不均勻，導致東北三省、內蒙古東部等多地城市內低洼路段出現(xiàn)積水和道路坍塌，低洼路段平房區(qū)出現(xiàn)內澇，對城市交通和人民生活影響較大。本文利用自動氣象站觀測、風廓線雷達、NCEP分析等資料，對2020年臺風“美莎克”降水的特征及非對稱性分布成因進行分析，并與2012年臺風“布拉萬”的降水及環(huán)流形勢進行對比，以期為提高對北上臺風暴雨的認識和預報能力提供參考。

1 降水極端性及精細化特征分析

1.1 降水極端性特征

2020年第9號臺風“美莎克”于9月3日北上影響我國東北地區(qū)，路徑見圖1，受其影響，2日20時至5日8時，遼寧北部、吉林、黑龍江西部和南部、內蒙古東北部等地累計降水量50～100 mm，其中吉林東部、黑龍江西南部局地累計降水量超過100 mm，最大降水量(152.8 mm(自動站))出現(xiàn)在黑龍江西南部。同時，強降水表現(xiàn)出非常明顯的非對稱性特征，累計降水量大值區(qū)主要出現(xiàn)在臺風中心的左側?！懊郎恕庇绊憱|北期間，吉林省、黑龍江省有49個國家級觀測站的日降雨量突破當?shù)?月歷史極值(圖1)，其中有2個站突破建站以來歷史極值。從松花江流域面雨量實況圖(圖2)可見，2日20時至5日8時，松花江大部分流域、嫩江面雨量在50～110 mm，其中嫩江中游、松花江飲馬河面雨量超過100 mm，黑龍江、吉林兩省內多條中小河流超警戒水位，部分河流超保證水位。五道溝水文站于3日傍晚水位超警戒水位，并于5日中午出現(xiàn)洪峰流量，約為273 m3/s，八里哨水位于3日凌晨先后超警戒水位和保證水位，并于3日夜間出現(xiàn)洪峰流量(圖3)。

圖1 2020年9月2日20時至5日8時累計降水量Fig.1 Accumulated precipitation from 2000 CST Sept 2 to 0800 CST Sept 5, 2020

圖2 2020年9月2日20時至5日8時松花江流域面雨量實況(單位：mm)Fig.2 Areal precipitation of Songhua River Basin (units: mm) from 2000 CST Sept 2 to 0800 CST Sept 5, 2020

圖3 五道溝和八里哨水文站水情變化Fig.3 Hydrological regime change map of Wudaogou and Balishao hydrological stations

1.2 降水精細化特征

由圖4(a)發(fā)現(xiàn)，黑龍江西部、吉林大部、遼寧南部和東部出現(xiàn)的最大小時降水量區(qū)間主要集中在15～30 mm，僅在黑龍江南部、吉林中部和東部的個別站點最大小時降水量超過30 mm。同時牡丹江站雷達反射率剖面圖表現(xiàn)為回波頂高度在8 km左右，但回波強度不強(圖略)。由圖4(b)可知，遼寧北部、吉林大部、黑龍江西部和南部的大部分站點累計降水時間長達30～40 h，個別站點累計降水時間超過40 h。由圖4(c)可以發(fā)現(xiàn)，強降水的持續(xù)時間長，從2日夜間開始，至4日白天降水陸續(xù)結束。綜上，本次臺風暴雨過程以持續(xù)時間較長的穩(wěn)定性降水為主，降水主要集中在3日，尤其在3日下午至夜間降水強度最強。

圖4 2020年9月2日20時至5日8時降水的時空分布Fig.4 Temporal and spatial distribution of precipitation from 2000 CST Sept 2 to 0800 CST Sept 5, 2020

結合降水的時空分布特征，對逐小時形勢場和降水演變進行分析(圖5)，2日夜間至3日上午，臺風穿過朝鮮半島后繼續(xù)北上，向我國吉林省東部靠近，臺風倒槽已經開始影響吉林東部，此階段500 hPa形勢場表現(xiàn)為臺風整體環(huán)流密實，但結構開始出現(xiàn)不對稱，其東西兩側的高度場梯度和風速均出現(xiàn)不對稱，同時華北東北部至東北地區(qū)南部上空存在一個閉合的低壓中心，臺風和西風帶系統(tǒng)各自獨立，此階段在吉林東部出現(xiàn)對流性降水，從逐小時環(huán)流場演變可知，在臺風登陸我國前(3日12時前后)，前期在500 hPa形勢場上存在的各自獨立的2個低值中心合并為一個低值中心，表明此時臺風與西風帶系統(tǒng)在高空表現(xiàn)出相結合的趨勢。3日下午開始，隨著臺風主體進入我國，與西風帶系統(tǒng)逐漸結合，臺風結構不對稱性進一步增強，臺風中心北側和西側輻合區(qū)降水較強，主要影響吉林中東部和黑龍江東南部。臺風與西風帶系統(tǒng)結合后，在吉林中西部、黑龍江南部和西部等地先后出現(xiàn)較強降水，此時的降水以鋒面降水為主，降水的強度較前期強，范圍大。綜合上述降水精細化特征，本文將臺風“美莎克”降水過程分成2個階段，一個是與西風帶系統(tǒng)結合前，另一個是與西風帶系統(tǒng)結合的過程。在3日下午至夜間“美莎克”與西風帶系統(tǒng)相互作用期間，降水強度最強，非對稱性特征最顯著。

圖5 再分析資料的高低環(huán)流形勢和地面實況Fig.5 Circulation fields and ground map of reanalysis data

2 致洪暴雨成因分析

2.1 降水持續(xù)性成因分析

分析8月28日至9月2日平均500 hPa環(huán)流形勢場可知,臺風登陸我國之前東部阻塞高壓穩(wěn)定且強度異常偏強，本次過程主要的大尺度環(huán)流背景為中高緯上空“西低東高”的環(huán)流形勢，北上臺風“美莎克”位于西風槽和東部阻塞高壓之間，東部阻塞高壓穩(wěn)定存在，位置較常年同期偏北，位于我國東部地區(qū)的東亞大槽異常偏強，并且位置穩(wěn)定。這種異常穩(wěn)定的“西低東高”的環(huán)流形勢場有利于臺風北上影響我國東北地區(qū)，使其北上路徑更加穩(wěn)定，臺風移動緩慢，在我國東北地區(qū)影響時間長，有利于出現(xiàn)持續(xù)性降水。

從主要降水區(qū)區(qū)域平均綜合廓線(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，2日夜間至4日上午，該區(qū)域從近地面到200 hPa層相對濕度均維持在80%以上，有2個中心，一個出現(xiàn)在3日凌晨到下午，位于500～200 hPa層，另一個出現(xiàn)3日夜間至4日8時，位于700～800 hPa層；垂直運動則表現(xiàn)為整層的上升運動，中心值出現(xiàn)在400～600 hPa層。以上有利于降水的動力和水汽條件，持續(xù)時間長達約20 h，非常有利于該區(qū)域累計降水量的增大。

圖6 9月1—5日主要降水區(qū)域平均綜合廓線Fig.6 Average comprehensive profile of major precipitation areas from Sept.1 to Sept.5

2.2 降水非對稱性成因分析

對“美莎克”降水分布特征的分析可知，累計降水量大值區(qū)主要出現(xiàn)在臺風中心的左側。通過分析“美莎克”影響我國期間降水與低層風場的位置發(fā)現(xiàn)，降水主要出現(xiàn)在臺風倒槽西側。

分析850 hPa風場變化可知，前期低層風速的輻合區(qū)位于臺風倒槽的東側，在臺風與西風帶系統(tǒng)結合后，臺風倒槽西側為風速和風向的輻合區(qū)。200 hPa環(huán)流(圖7)圖上前期有2個輻散中心，分別位于遼寧南部和朝鮮半島，而伴隨著西風帶系統(tǒng)和臺風的結合，高層也逐漸合并為一個輻散中心，位于內蒙古東北部上空。這種低層輻合、高層輻散有利于降水的加強和持續(xù)，并且高層的輻散區(qū)比低層輻合區(qū)位置偏西。

圖7 高空形勢場分析Fig.7 High altitude situation field analysis

進一步從動力和熱力方面進行診斷分析，由圖8可見，在西風帶系統(tǒng)和“美莎克”相互作用前，過臺風中心(圖中紅色三角)的相對渦度表現(xiàn)為高低層垂直的分布特征，臺風維持暖心結構，暖中心在400 hPa附近，暖平流中心和溫度距平正值中心基本重合，高空輻散，低層輻合，抽吸作用暖中心對應上升運動?！懊郎恕边M入我國并與西風帶系統(tǒng)相互作用后，相對渦度大值區(qū)開始隨高度逐漸向西傾斜，臺風渦旋環(huán)流在垂直方向上發(fā)生傾斜，上升運動也向西傾斜，此時臺風的暖心結構雖然沒有被破壞，但是低層伴隨著冷平流輸送，已經出現(xiàn)明顯的溫度梯度。

圖8 過臺風中心的緯向剖面Fig.8 Zonal profile through the typhoon center

追蹤水汽云圖和1.5×10-6m2·K/(s·kg)等位渦面的變化(圖9中等值線)，可以更清晰地揭示干冷空氣的卷入過程。在西風帶系統(tǒng)與臺風相互作用前，氣旋西部就可以看到明顯的位渦入侵，等位渦面中心位于遼寧上空，中心強度450 hPa，隨后等位渦面逐漸向東偏北方向擴展；隨著西風帶系統(tǒng)與臺風相互作用，其等位渦面氣壓明顯降低，4日2時等位渦面中心位于吉林西部、黑龍江西南部，中心氣壓600 hPa以上，達到最強。此外，從FY-2水汽通道圖(圖9中陰影)可見，在西風帶系統(tǒng)與臺風相互作用前，位渦明顯的區(qū)域均對應于水汽通道的暗區(qū)，說明此區(qū)域內空氣比較干燥，而隨著西風帶系統(tǒng)與臺風相互作用，位渦明顯的區(qū)域水汽條件較好，其東側水汽條件轉差。同時分析鋒生函數(shù)發(fā)現(xiàn)，臺風倒槽西側對應為鋒生函數(shù)的大值區(qū)，表明在干冷空氣卷入的過程中，在西側有明顯的鋒生過程，而東側則喪失了水汽的補充，并且鋒生區(qū)與降水落區(qū)的位置匹配更好。以上分析表明，西側干冷空氣的卷入有利于在臺風倒槽西部出現(xiàn)鋒生過程，配合西側水汽條件轉好，有利于降水出現(xiàn)，使“美莎克”降水表現(xiàn)出明顯的非對稱性特征。此外，在冷空氣與臺風相互作用過程中，臺風變性為溫帶氣旋也是導致其降水空間分布發(fā)生變化的重要原因，有關臺風變性的科學問題，將在以后的研究中進一步分析。

圖9 FY-2水汽通道和1.5pvu等位渦面Fig.9 FY-2 water-vapor channel and 1.5pvu equipotential vortex surface

3 與2012年“布拉萬”簡要對比分析

2012年臺風“布拉萬”北上，也給東北地區(qū)帶來重大影響?！懊郎恕焙汀安祭f”帶來的風雨影響范圍均比較大，且強降水中心都出現(xiàn)在臺風中心的左側。但“布拉萬”以強熱帶風暴級進入我國境內，隨后減弱為熱帶風暴，其強度維持不足10 h，“美莎克”以熱帶風暴級進入我國，其強度維持17 h，在我國境內強度維持時間較“布拉萬”長，“美莎克”與西風帶系統(tǒng)相互作用更明顯。對2個臺風影響我國東北期間小時降水量大于10 mm降水站數(shù)時間序列進行統(tǒng)計分析(圖10)，發(fā)現(xiàn)“美莎克”降水持續(xù)30～40 h，“布拉萬”持續(xù)15～20 h；在降水最強時期，“美莎克”影響的降水區(qū)域有1 800站以上小時降水量大于10 mm，而“布拉萬”影響的降水區(qū)域則有1 000站以上小時降水量大于10 mm，總體表現(xiàn)出“美莎克”的降水持續(xù)時間更長、范圍更大的特征。

圖10 小時降水量大于10 mm降水站點數(shù)時間序列Fig.10 Time series of number of precipitation stations with hourly rainfall over 10 mm

對比分析2個臺風的大尺度環(huán)流形勢場可知，兩次臺風過程中高緯上空“西低東高”的基本環(huán)流型一致，均是在西風槽和東部阻塞高壓中間，是北上的臺風，但是“布拉萬”的東部阻高和西風槽的異常程度不及“美莎克”；兩次臺風過程低層均有偏東風急流，且強度均為4個標準差異常，但范圍上“美莎克”更強。分析高低層的系統(tǒng)配置可知，2個臺風靠近我國時，地面低值中心在高空低值中心的東側，系統(tǒng)隨高度均表現(xiàn)出向西傾斜的特征，但是“美莎克”隨高度向西傾斜更明顯。受西路冷空氣影響，“美莎克”的鋒區(qū)較“布拉萬”更強。因此，在相似的環(huán)流背景下，2個臺風均在東北地區(qū)帶來比較強的降水，且降水均具有非對稱性，而動力條件的差異，導致了“美莎克”產生的降水更強。

4 結 語

2020年臺風“美莎克”與西風帶系統(tǒng)相結合，在我國境內的時間長達27 h，其風雨影響的時間長達45 h左右，具有風雨影響范圍大、廣的特征，部分站點雨量超極值；以持續(xù)性、穩(wěn)定性降雨為主，黑龍江、吉林持續(xù)降水時間超過30 h；降水具有非對稱性特征，強降水落區(qū)主要位于臺風中心的左側。

如“美莎克”影響東北地區(qū)的概念模型所示(圖11)，異常穩(wěn)定的“西低東高”的環(huán)流形勢場有利于臺風北上影響我國東北地區(qū)，使其北上路徑也更加穩(wěn)定，臺風移動緩慢，在我國東北地區(qū)影響時間長，有利于出現(xiàn)持續(xù)性降水。北上臺風進入我國后呈非對稱性結構發(fā)展，系統(tǒng)隨高度向西傾斜，在臺風的西側動力條件較好，有利于降水在臺風的西側產生。同時，“美莎克”與西風帶系統(tǒng)結合，臺風強度維持時間較長，倒槽西側鋒生區(qū)，有利于降水的維持和降水落區(qū)的非對稱性分布。

圖11 “美莎克”影響東北地區(qū)概念模型Fig.11 Conceptual model of Maysak influences on the Northeast region

“美莎克”和“布拉萬”在東北地區(qū)造成的強降水均與它們和西風帶系統(tǒng)結合關系密切，但是“美莎克”環(huán)流的異常程度、系統(tǒng)隨高度向西傾斜的程度及鋒區(qū)強度均強于“布拉萬”，因此降水也表現(xiàn)為持續(xù)時間更長、范圍更大的特征。