中緯度高空槽—臺(tái)風(fēng)相互作用對(duì)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”遠(yuǎn)距離暴雨的影響

李美穎 李艷 林曲鳳 向純怡

(1 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044；2 煙臺(tái)市氣象局，山東 煙臺(tái) 264003；3 國(guó)家氣象中心，北京 100081)

引 言

我國(guó)是登陸臺(tái)風(fēng)數(shù)量最多的國(guó)家，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害嚴(yán)重，主要包括大風(fēng)、暴雨以及山洪、泥石流等次生災(zāi)害，其中以暴雨災(zāi)害最為普遍。陳聯(lián)壽[1]指出中國(guó)最大的暴雨是由臺(tái)風(fēng)造成的，而臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨是重要暴雨過(guò)程之一。臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨是發(fā)生在臺(tái)風(fēng)范圍之外且與臺(tái)風(fēng)之間有內(nèi)在物理聯(lián)系的較強(qiáng)降水，在一定條件下可能會(huì)比臺(tái)風(fēng)本體環(huán)流產(chǎn)生的降水要大得多[2-4]，因此開(kāi)展有關(guān)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的研究十分重要。

許多研究表明臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨是中低緯系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物，在有利的大尺度環(huán)流形勢(shì)下，臺(tái)風(fēng)可與中緯度系統(tǒng)(西風(fēng)槽、高低空急流、弱冷空氣、西南渦等)相互作用，導(dǎo)致在遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)的區(qū)域產(chǎn)生暴雨過(guò)程[5-10]。統(tǒng)計(jì)指出暴雨發(fā)生時(shí)200 hPa的高空多數(shù)情況為西南急流，暴雨區(qū)位于高空急流右后方[11-13]。丁治英等[14]通過(guò)對(duì)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行診斷對(duì)比與數(shù)值試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩次臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨中高空急流均具有非緯向性，而當(dāng)高空為平直西風(fēng)急流時(shí)，即使臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較大，產(chǎn)生的降水大部分位于25°N以南且強(qiáng)度明顯偏弱。除高空急流的影響外，許多研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)西風(fēng)槽與遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)存在相互作用時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)距離暴雨[5,15-16]。陶祖鈺等[17]認(rèn)為當(dāng)臺(tái)風(fēng)北側(cè)存在中緯度槽與臺(tái)風(fēng)環(huán)流相互作用時(shí)，臺(tái)風(fēng)降水將產(chǎn)生不對(duì)稱分布，存在兩個(gè)暴雨中心，一個(gè)位于臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)部，另一個(gè)位于中緯度冷槽的槽前或槽區(qū)上；第二個(gè)暴雨中心的形成原因主要是臺(tái)風(fēng)東部或北部的環(huán)流與副高之間的東南氣流將低緯度的海洋暖濕空氣輸送到中緯度槽前并在槽前產(chǎn)生動(dòng)力輻合作用導(dǎo)致的。叢春華等[18]結(jié)合前人研究將臺(tái)風(fēng)與中緯度槽相互作用形成遠(yuǎn)距離暴雨的基礎(chǔ)進(jìn)行了總結(jié)：低層臺(tái)風(fēng)環(huán)流東側(cè)的偏南急流向暴雨區(qū)輸送水汽，使中緯度暴雨區(qū)的水汽產(chǎn)生強(qiáng)輻合且有不穩(wěn)定能量的積累，從而使大氣層結(jié)不穩(wěn)定增強(qiáng)；而中緯度槽提供有利于臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨發(fā)展的大尺度背景以利于低層輻合的加強(qiáng)和垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和維持，進(jìn)而觸發(fā)和加強(qiáng)暴雨的發(fā)生和發(fā)展。臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨形成機(jī)制復(fù)雜，影響因素眾多，預(yù)報(bào)的難度和不確定性仍然較大，因此針對(duì)典型個(gè)例的深入研究仍十分必要。

2019年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬(Lekima)”于2019年8月9日17時(shí)45分(世界時(shí)，下同)以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸浙江，登陸后給江蘇北部、山東等地造成了大范圍的遠(yuǎn)距離暴雨和大暴雨，產(chǎn)生了嚴(yán)重的災(zāi)害以及經(jīng)濟(jì)損失。此次“利奇馬”造成的遠(yuǎn)距離暴雨是典型的中緯度高空槽與臺(tái)風(fēng)相互作用的結(jié)果。本文將著眼于“利奇馬”登陸后的遠(yuǎn)距離暴雨，通過(guò)分析中緯度高空槽與臺(tái)風(fēng)之間的相互作用的動(dòng)力和熱力過(guò)程，探討中緯度高空槽與臺(tái)風(fēng)相互作用的物理機(jī)制，以期為進(jìn)一步提升臺(tái)風(fēng)暴雨的預(yù)報(bào)水平提供理論參考。

1 資料和方法

采用美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Center for Environmental Prediction，NECP)發(fā)布的全球再分析資料(Final Operational Global Analysis，F(xiàn)NL)，該資料來(lái)源于全球資料同化系統(tǒng)(Global Data Assimilation System，GDAS)，水平分辨率為0.25 °×0.25°，垂直方向共34層，時(shí)間間隔6 h。因該套資料具有較高的空間分辨率，所以能夠精確描述臺(tái)風(fēng)及中緯度高空槽的要素場(chǎng)特征。采用了國(guó)家氣象信息中心提供的高分辨(0.05°×0.05°)的間隔1 h的三源融合降水資料。該資料是將地面自動(dòng)站觀測(cè)、FY-2衛(wèi)星反演降水和雷達(dá)估測(cè)降水三部分通過(guò)分步融合方法得到，該資料可以有效地避免單一觀測(cè)資料在分析臺(tái)風(fēng)降水結(jié)構(gòu)分布中的局限性[19-20]。臺(tái)風(fēng)的位置及強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)際熱帶氣旋最佳路徑資料集(International Best Track Archive for Climate Stewardship，IBTrACS)。在對(duì)臺(tái)風(fēng)云圖特征進(jìn)行分析時(shí)還使用了Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies (CIMSS)的 GOES-10/12 高分辨率的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)。

研究方法包括統(tǒng)計(jì)分析、合成分析、動(dòng)態(tài)分析以及診斷分析。合成分析是對(duì)時(shí)間間隔為6 h的物理量計(jì)算其多個(gè)時(shí)次的算術(shù)平均值。動(dòng)態(tài)分析是指坐標(biāo)系跟隨臺(tái)風(fēng)移動(dòng)且臺(tái)風(fēng)始終位于移動(dòng)坐標(biāo)系的原點(diǎn)。這種分析方法可以使臺(tái)風(fēng)與周圍環(huán)境場(chǎng)的相對(duì)位置更加直觀，能夠更加清楚的呈現(xiàn)兩者相對(duì)位置的演變過(guò)程。

2 臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨及天氣背景概況

2.1 臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨概況

臺(tái)風(fēng)“利奇馬”于2019年8月9日17時(shí)45分以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)在浙江溫嶺登陸。隨后緩慢向北移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸減弱，于8月10日12時(shí)(世界時(shí)，下同)減弱為熱帶風(fēng)暴，在穿過(guò)浙江、江蘇后，進(jìn)入黃海西部海域。11日12時(shí)50分左右“利奇馬”以熱帶風(fēng)暴級(jí)在山東省青島市黃島區(qū)沿海二次登陸，穿過(guò)山東半島后進(jìn)入渤海東部海域，于13日00時(shí)減弱為熱帶低壓，之后迅速減弱填塞。為了研究此次臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中遠(yuǎn)距離暴雨的時(shí)間演變特征，采用三源融合降水資料分別統(tǒng)計(jì)25°～45°N、110°～123°E區(qū)域1 h降水量大于等于10、20和30 mm的格點(diǎn)數(shù)，得到如圖1所示的時(shí)間序列圖。因?yàn)楸疚难芯恐攸c(diǎn)是臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨，所以主要關(guān)注臺(tái)風(fēng)登陸后的降水變化，從圖1可以看出，自臺(tái)風(fēng)登陸(8月9日17時(shí)45分)后有三次明顯的強(qiáng)降水過(guò)程，其降水量峰值第一次出現(xiàn)在8月9日21時(shí)左右，第二次出現(xiàn)在10日09時(shí)左右，第三次出現(xiàn)在10日21時(shí)左右。

圖1 “利奇馬”不同等級(jí)降水量格點(diǎn)數(shù)的時(shí)間序列圖(黑線為1 h降水量≥10 mm的格點(diǎn)數(shù)；紅線為1 h降水量≥20 mm的格點(diǎn)數(shù)；藍(lán)線為1 h降水量≥30 mm的格點(diǎn)數(shù)；計(jì)算區(qū)域是25°～45°N、110°～123°E；橫坐標(biāo)下方兩個(gè)黑色三角之間的時(shí)間段為本文選取的遠(yuǎn)距離暴雨研究時(shí)段)Fig.1 The time series of grid number of precipitation at different levels, black line indicates the grid number with 1 h precipitation ≥ 10 mm; red line indicates the grid number with 1 h precipitation ≥ 20 mm; blue line indicates the grid number with 1 h precipitation ≥ 30 mm; the calculation area is 25°～45°N, 110°～123°E; the period between the two black triangles under the x-axis is the remote heavy precipitation period

圖2 臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑(紅色臺(tái)風(fēng)符號(hào))及其對(duì)應(yīng)6 h累積降水量(陰影，單位：mm)的分布：(a) 10日12—18時(shí)；(b) 10日18時(shí)—11日00時(shí)；(c) 11日00—06時(shí)Fig.2 The distribution of typhoon track (red typhoon symbol) and 6 h accumulated precipitation (shaded, unit: mm) during the period of from (a) 1200 to 1800 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10 to 0000 UTC on 11; (c) 0000 to 0600 UTC 10 on 11

從“利奇馬”移動(dòng)路徑及對(duì)應(yīng)時(shí)間的累積降水量的分布(圖2)可以看出，10日12時(shí)—11日06時(shí)，主要降水區(qū)域始終位于臺(tái)風(fēng)路徑的西北方向且距離臺(tái)風(fēng)有3～5個(gè)緯距。在10日12時(shí)—10日18時(shí)(圖2a)，降水主要分布在江蘇北部以及山東西部；隨著臺(tái)風(fēng)的向北移動(dòng)，降水落區(qū)也隨之北移，到10日18時(shí)—11日00時(shí)(圖2b)，臺(tái)風(fēng)造成的遠(yuǎn)距離暴雨強(qiáng)度最大，降水主要位于山東的中部和西部。隨后，臺(tái)風(fēng)繼續(xù)緩慢向北偏西方向移動(dòng)，11日00時(shí)—11日06時(shí)(圖2c)降水主要分布在山東的中西部，降水強(qiáng)度和降水范圍都出現(xiàn)了不同程度的減弱。8月10日12時(shí)—11日06時(shí)的第三次強(qiáng)降水過(guò)程中，降水強(qiáng)度強(qiáng)、降水范圍大，且強(qiáng)降水中心遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)環(huán)流，因此將10日12時(shí)—11日06時(shí)確定為臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的研究時(shí)段進(jìn)行分析。

2.2 天氣背景概況

圖3是“利奇馬”臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨階段高中低層的平均形勢(shì)場(chǎng)。200 hPa上在臺(tái)風(fēng)的西北側(cè)存在較深的高空槽，該槽呈東北—西南向。南亞高壓的東部中心位于128°E附近，臺(tái)風(fēng)處于南亞高壓東部中心西北部的中緯度高空槽前的西南氣流中。500 hPa上西北太平洋副熱帶高壓位于海上，588 dagpm的等位勢(shì)高度線的西伸脊點(diǎn)在130°E附近，臺(tái)風(fēng)處在副熱帶高壓的西南邊緣的30°～35°N之間的低壓槽區(qū)中。從925 hPa風(fēng)場(chǎng)可以看到臺(tái)風(fēng)環(huán)流東側(cè)、南側(cè)存在大于20 m·s-1的低空急流，第10號(hào)臺(tái)風(fēng)“羅莎”位于此臺(tái)風(fēng)東南方向約22°的距離處。

圖3 10日12時(shí)—11日06時(shí)的200 hPa平均位勢(shì)高度(紅色等值線，單位：dagpm)、500 hPa平均位勢(shì)高度(藍(lán)色等值線，單位：dagpm)和925 hPa平均風(fēng)場(chǎng)(箭矢，單位：m·s-1)分布Fig.3 The distribution of average 200 hPa geopotential height (red contour, unit: dagpm), average 500 hPa geopotential height (blue contour, unit: dagpm) and average 925 hPa wind field (vector, unit: m·s-1) from 1200 UTC on 10 to 0600 UTC on 11

“利奇馬”的紅外增強(qiáng)云圖(圖4)可以清楚地看到臺(tái)風(fēng)高空外流、中緯度高空急流以及臺(tái)風(fēng)的相對(duì)位置。10日12時(shí)(圖4a)，“利奇馬”位于(31°N，121°E)附近，臺(tái)風(fēng)高空有較強(qiáng)的朝向北的出流，其西北側(cè)34°～50°N之間存在東北—西南向且分布范圍較廣的高空急流帶，臺(tái)風(fēng)與該急流帶相距至少3個(gè)緯距，而臺(tái)風(fēng)高空的向極出流與急流帶之間的距離相對(duì)更近。10日18時(shí)(圖4b)，臺(tái)風(fēng)北上與高空急流帶進(jìn)一步靠近，臺(tái)風(fēng)的高空外流也隨之更加靠近高空急流帶，但兩者仍相對(duì)獨(dú)立尚未合并。至11日00時(shí)(圖4c)，“利奇馬”北移至34°N附近，臺(tái)風(fēng)高空的向極出流隨之北移并在高空急流入口區(qū)與之發(fā)生合并。最終在11日06時(shí)(圖4d)臺(tái)風(fēng)高空的向極出流完全成為高空急流帶的一部分。

3 中緯度高空槽對(duì)“利奇馬”遠(yuǎn)距離暴雨的影響

相對(duì)角動(dòng)量渦旋通量輻合(Relative Eddy Momentum Fluxes Convergence，REFC)通常被用于研究對(duì)流層高層非對(duì)稱氣流與臺(tái)風(fēng)之間的非線性相互作用[21]。公式(1)中，r代表距離臺(tái)風(fēng)中心的半徑，U和V分別是緯向風(fēng)與經(jīng)向風(fēng)，下標(biāo)L代表在U和V的基礎(chǔ)上扣除臺(tái)風(fēng)自身的移動(dòng)速度，上標(biāo)橫線表示臺(tái)風(fēng)方位角平均，上標(biāo)撇號(hào)表示方位角平均的偏差。 Demaria, et al[22]認(rèn)為REFC達(dá)到10 m·s-1·d-1是對(duì)臺(tái)風(fēng)個(gè)例研究時(shí)其與環(huán)境氣流產(chǎn)生明顯相互作用的閾值。圖5是對(duì)REFC在臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨階段(10日12、18時(shí)、11日00、06時(shí))合成平均后的結(jié)果。從圖中可以看出，REFC在對(duì)流層200～300 hPa上存在很大的正值中心，最大值達(dá)到27 m·s-1·d-1且最大值距臺(tái)風(fēng)約有10°的距離。結(jié)合第二部分紅外增強(qiáng)云圖的分析結(jié)論，可以初步認(rèn)為臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的遠(yuǎn)距離暴雨階段，存在較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)—中緯度高空槽的相互作用過(guò)程。下文將針對(duì)中緯度高空槽與臺(tái)風(fēng)之間的相互作用分別從動(dòng)力和熱力作用兩方面展開(kāi)，深入探討高空槽與臺(tái)風(fēng)之間的相互作用對(duì)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的影響。

(1)

3.1 動(dòng)力作用

位勢(shì)渦度(Potential Vorticity，PV)在等熵面上的變化可以清晰地反映天氣系統(tǒng)的演變過(guò)程，所以PV理論通常被用來(lái)解釋臺(tái)風(fēng)與中緯度高空槽的相互作用。臺(tái)風(fēng)附近的PV異常可能是通過(guò)中緯度高空槽的天氣尺度位渦平流將高緯度高位渦值區(qū)或平流層起源區(qū)的位渦輸送而來(lái)[23-24]。圖6給出了以臺(tái)風(fēng)為坐標(biāo)原點(diǎn)的位勢(shì)渦度在350 K等熵面的演變過(guò)程，可以清楚地看到臺(tái)風(fēng)位置存在明顯的高值中心，其西北側(cè)有一發(fā)展強(qiáng)烈的高空槽逐漸向臺(tái)風(fēng)靠近。10日12時(shí)(圖6a)，高空槽距臺(tái)風(fēng)大約10個(gè)緯距。至18時(shí)(圖6b)，高空槽與臺(tái)風(fēng)之間的距離無(wú)明顯變化，但高空槽以及槽前急流經(jīng)向環(huán)流增大。隨后高空槽及槽前急流的經(jīng)向環(huán)流進(jìn)一步增大，槽前西南急流強(qiáng)度進(jìn)一步加強(qiáng)，高空槽的弱正PV值從臺(tái)風(fēng)西南方向逐漸向臺(tái)風(fēng)靠攏(圖6c)。11日06時(shí)(圖6d)，高空槽南部的弱正PV值進(jìn)一步靠近臺(tái)風(fēng)，與臺(tái)風(fēng)之間形成了較弱的連接通道。高空槽帶來(lái)的弱正PV異常促使了臺(tái)風(fēng)不穩(wěn)定能量的釋放，加強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)北部的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

圖4 “利奇馬”紅外增強(qiáng)云圖(圖片取自氣象衛(wèi)星研究合作研究所網(wǎng)站，紅色臺(tái)風(fēng)符號(hào)表示臺(tái)風(fēng)位置)：(a) 10日12時(shí)；(b) 10日18時(shí)；(c) 11日00時(shí)；(d) 11日06時(shí)Fig.4 “Lekima”infrared enhanced cloud image at (a) 1200 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11;(d) 0600 UTC on 11 (The pictures were taken from the website of Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies；red typhoon symbol denotes the typhoon location)

圖5 10日12時(shí)—11日06時(shí)平均相對(duì)角動(dòng)量渦旋通量輻合(單位：m·s-1·d-1)的半徑—垂直剖面(x軸為TC半徑，單位：° ; y軸為氣壓層，單位：hPa)Fig.5 Radius-vertical cross section of average Relative Eddy Momentum Fluxes Convergence (unit: m·s-1·d-1) from 1200 UTC on 10 to 0600 UTC on 11, the x-axis denotes the TC radius (unit: °) and the y-axis denotes air pressure layer (unit: hPa)

隨著中緯度高空弱PV的不斷侵入，高空急流與臺(tái)風(fēng)之間的動(dòng)力作用逐漸增強(qiáng)。從圖7可以看到臺(tái)風(fēng)北側(cè)35°N以北存在發(fā)展強(qiáng)烈的高空急流，臺(tái)風(fēng)西北部3～5個(gè)緯距處恰好位于此高空急流入口區(qū)的右側(cè)。在高空急流入口區(qū)的右側(cè)，因?yàn)檩^強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)垂直切變和水平切變使得右側(cè)區(qū)域出現(xiàn)較強(qiáng)的大氣水平輻散，較強(qiáng)的輻散運(yùn)動(dòng)不僅促進(jìn)了對(duì)流層底層大氣的輻合上升，而且?guī)ё吡藢?duì)流釋放的潛熱，利于大氣不穩(wěn)定層結(jié)的維持與重建。最終，高空急流入口區(qū)右側(cè)產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流的上升支恰好增強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)西北部地區(qū)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。10日12時(shí)(圖7a)入口區(qū)右側(cè)輻散達(dá)到8×10-5s-1，對(duì)流層中層的垂直速度為-1 Pa·s-1。10日18時(shí)(圖7b)，急流強(qiáng)度增強(qiáng)，急流入口處右側(cè)的垂直運(yùn)動(dòng)隨之加強(qiáng)到-1.5 Pa·s-1，輻散保持在8×10-5s-1。11日00時(shí)(圖 7c)，急流強(qiáng)度繼續(xù)加強(qiáng)，急流入口右側(cè)輻散及垂直運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，垂直速度達(dá)到了-2 Pa·s-1。直至11日00時(shí)(圖7d)，高空急流強(qiáng)度有所減弱并北移，急流入口右側(cè)輻散和上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度及范圍較前一時(shí)刻都出現(xiàn)了明顯的減弱。

圖6 350 K(約200 hPa)等熵面位渦(陰影，單位：PVU=10-6 m2·K·s-1·kg-1)和風(fēng)場(chǎng)(箭矢，單位：m·s-1)的分布(x軸、y軸分別為以TC為中心的相對(duì)經(jīng)度與緯度)：(a)10日12時(shí)；(b)10日18時(shí)；(c)11日00時(shí)；(d)11日06時(shí) Fig.6 The distribution of 350 K (about 200 hPa) isentropic potential vorticity (shaded, unit: PVU = 10-6 m2·K·s-1·kg-1) and wind field (vector, unit: m·s-1 ,the x-axis denotes the respective longitude centered on TC and the y-axis denotes the respective latitude centered on TC) at (a) 1200 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11; (d) 0600 UTC on 11

圖7 200 hPa高空急流(陰影，單位：m·s-1)、散度(紅色等值線，單位：10-5 s-1)、風(fēng)場(chǎng)(箭矢，單位：m·s-1)和500 hPa垂直速度(藍(lán)色等值線，等值線從-0.5 Pa·s-1開(kāi)始，間隔0.5 Pa·s-1)的分布(綠色臺(tái)風(fēng)符號(hào)表示臺(tái)風(fēng)位置)：(a)10日12時(shí)；(b)10日18時(shí)；(c)11日00時(shí)；(d)11日06時(shí) Fig.7 The distribution of 200 hPa jet stream (shaded, unit: m·s-1), divergence (red contour, unit: 10-5 s-1), wind field (vector, unit: m·s-1) and 500 hPa vertical velocity (blue contour, the contour starts from -0.5 Pa·s-1 with an interval of 0.5 Pa·s-1 ; green typhoon symboldenotes the typhoon location) at (a) 1200 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11; (d) 0600 UTC on 11

3.2 熱力作用

圖8為臺(tái)風(fēng)925～300 hPa溫度平流、500 hPa溫度以及垂直運(yùn)動(dòng)的分布情況?？梢钥吹?，臺(tái)風(fēng)北部3～5個(gè)緯距的地區(qū)一直處于中緯度槽前深厚的暖平流中，而從垂直速度的診斷方程可知高空熱成風(fēng)的暖平流能夠促進(jìn)地面的上升氣流的發(fā)展。隨著臺(tái)風(fēng)的西北移動(dòng)，其北部對(duì)流層中層的暖平流強(qiáng)度與范圍不斷增大，且與臺(tái)風(fēng)的距離不斷減少。在11日00時(shí)(圖8c)，暖平流強(qiáng)度達(dá)最大，為15×10-5K·s-1，此時(shí)對(duì)應(yīng)位置的對(duì)流層中層的上升速度也達(dá)到最大，為-2 Pa·s-1。

值得注意的是，500 hPa上的冷槽位于臺(tái)風(fēng)西北部，-6 ℃的冷中心位于臺(tái)風(fēng)西部且不斷的靠近臺(tái)風(fēng)，溫度槽與臺(tái)風(fēng)之間的溫度梯度在臺(tái)風(fēng)的西部與北部隨時(shí)間逐漸增大，溫度槽前的冷平流也逐步靠近臺(tái)風(fēng)北部的暖平流區(qū)域。進(jìn)一步分析假相當(dāng)位溫沿118°E的經(jīng)向垂直剖面(圖9)發(fā)現(xiàn)此中緯度高空槽—臺(tái)風(fēng)的相互作用過(guò)程中，中緯度的斜壓鋒生過(guò)程進(jìn)一步的促進(jìn)了臺(tái)風(fēng)西北部地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)。從傾斜等位溫線密集區(qū)的位置可以看到近地層鋒區(qū)位于35°～37°N附近，與臺(tái)風(fēng)的距離大約為3～5個(gè)緯距，恰好對(duì)應(yīng)于臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的位置。10日12時(shí)(圖9a),假相當(dāng)位溫梯度帶位于35°N附近。隨著臺(tái)風(fēng)向北移動(dòng)，假相當(dāng)位溫梯度帶北移且溫度梯度逐漸增大，對(duì)應(yīng)區(qū)域的對(duì)稱不穩(wěn)定增強(qiáng)(圖9b)。11日00時(shí)，臺(tái)風(fēng)繼續(xù)北移，假相當(dāng)位溫梯度進(jìn)一步增大，近地層鋒區(qū)位于36°～37°N附近(圖9c)。至11日06時(shí)，假相當(dāng)位溫梯度有所減弱(圖9d)。

圖8 925～300 hPa平均溫度平流(陰影，單位：10-5 K·s-1)、500 hPa溫度(黑色等值線，單位：℃)和垂直速度(綠色等值線，等值線從-0.5 Pa·s-1開(kāi)始，間隔-0.5 Pa·s-1；紅色臺(tái)風(fēng)符號(hào)表示臺(tái)風(fēng)位置)的分布：(a)10日12時(shí)；(b)10日18時(shí)；(c)11日00時(shí)；(d)11日06時(shí) Fig.8 The distribution of temperature advection averaged between 925 and 300 hPa (shaded, unit: 10-5 K·s-1), 500 hPa temperature(black contour, unit: ℃) and vertical velocity (green contour, the contour starts from -0.5 Pa·s-1 with an interval of 0.5 Pa·s-1 ; red typhoon symbol denotes the typhoon location) at (a) 1200 on UTC 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11; (d) 0600 UTC on 11

4 遠(yuǎn)距離暴雨的水汽來(lái)源

暴雨產(chǎn)生的條件除了需要很強(qiáng)的垂直上升運(yùn)動(dòng)，水汽輸送必不可少[25-27]。為了更好地表現(xiàn)臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的整個(gè)過(guò)程(圖10)，給出了850 hPa水汽輸送示意。本次遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程存在兩條水汽通道，過(guò)程前期主要是西南低空急流輸送海洋暖濕氣流，過(guò)程后期主要是東南急流帶來(lái)的海洋暖濕空氣。來(lái)自低緯度溫暖洋面的暖濕空氣在暴雨區(qū)輻合和累積，致使低層增溫增濕，為臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨提供了充足的水汽。10日12時(shí)(圖10a)，水汽通量大值區(qū)位于臺(tái)風(fēng)的東北部，大值區(qū)北端與暴雨區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)位置一致，西南急流水汽輸送較強(qiáng)。隨時(shí)間演變，西南急流水汽輸送進(jìn)一步增強(qiáng)，水汽通量大值接近60 g·s·kg-1(圖10b)。臺(tái)風(fēng)繼續(xù)北移，第10號(hào)臺(tái)風(fēng)“羅莎”切斷了“利奇馬”的西南急流水汽輸送通道，東南急流水汽輸送繼續(xù)維持，此時(shí)臺(tái)風(fēng)東北側(cè)的水汽通量中心強(qiáng)度和范圍并未出現(xiàn)明顯減弱(圖10c)。直至11日06時(shí)(圖10d),臺(tái)風(fēng)周圍水汽通量范圍減小，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)西北側(cè)遠(yuǎn)距離降水逐漸減弱。

圖10 850 hPa水汽通量(陰影，單位：g·s·kg-1)、風(fēng)場(chǎng)(箭矢，單位：m·s-1)和500 hPa垂直速度(紅色等值線，等值線從-0.5 Pa·s-1開(kāi)始，間隔0.5 Pa·s-1, 綠色臺(tái)風(fēng)符號(hào)表示臺(tái)風(fēng)位置)的分布：(a)10日12時(shí)；(b)10日18時(shí)；(c)11日00時(shí)；(d)11日06時(shí)Fig.10 The distribution of 850 hPa vapor flux (shaded, unit: g·s·kg-1), wind field (vector, unit: m·s-1) and 500 hPa vertical velocity(red contour, the contour starts from -0.5 Pa·s-1 with an interval of 0.5 Pa·s-1 ; green typhoon symbol denotes the typhoon location)at (a) 1200 UTC on 10; (b) 1800 UTC on 10; (c) 0000 UTC on 11; (d) 0600 UTC on 11

5 結(jié)論

采用NECP提供的再分析資料和國(guó)家氣象中心提供的高分辨率的三源融合降水資料從動(dòng)力和熱力作用兩方面研究了中緯度高空槽與臺(tái)風(fēng)相互作用對(duì)“利奇馬”臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的影響。主要結(jié)論如下：

(1)此次遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程中，REFC的分布表明中緯度高空槽與臺(tái)風(fēng)在200～300 hPa之間存在很強(qiáng)的相互作用，且兩者相距大約10°時(shí)相互作用最大。

(2)高空槽在與臺(tái)風(fēng)逐漸接近過(guò)程中經(jīng)向環(huán)流有增大趨勢(shì)，弱正PV異常從中緯度高空槽向臺(tái)風(fēng)區(qū)域的水平平流促使臺(tái)風(fēng)不穩(wěn)定能量釋放，加強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨的對(duì)流運(yùn)動(dòng)；高空槽前急流入口區(qū)右側(cè)強(qiáng)烈的輻散運(yùn)動(dòng)激發(fā)了次級(jí)環(huán)流的發(fā)展，使得低層氣流輻合上升，在臺(tái)風(fēng)西北部3～5緯距的地區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。

(3)對(duì)流層深厚的暖平流位于臺(tái)風(fēng)西北部3～5緯距的地區(qū)，此熱成風(fēng)暖平流的作用增強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)西北地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)；臺(tái)風(fēng)西北部高空槽后的干冷空氣的逼近，促進(jìn)了在臺(tái)風(fēng)西北部地區(qū)的中緯度斜壓鋒生，此斜壓鋒面進(jìn)一步增強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨處的動(dòng)力抬升作用。

低緯度溫暖洋面的暖濕空氣在暴雨區(qū)輻合和累積配合上升速度的共同作用產(chǎn)生了此次較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)距離暴雨過(guò)程。本文研究?jī)H針對(duì)“利奇馬”臺(tái)風(fēng)個(gè)例，分析的高空槽在遠(yuǎn)距離暴雨中的作用是否具有普適性，需要通過(guò)更多的個(gè)例分析進(jìn)行研究和補(bǔ)充。