兩個(gè)相似路徑臺(tái)風(fēng)引發(fā)的東部沿海地區(qū)降水分布特征及成因?qū)Ρ确治?/h1>
2022-07-02 06:43:22李君李妍賈瑞田云菲
海洋預(yù)報(bào) 2022年3期
李君，李妍，賈瑞，田云菲
（1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250031；2.山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255000）
1 引言
受全球變暖影響，1970年以來(lái)西北太平洋臺(tái)風(fēng)的平均強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻數(shù)增大[1-2]，我國(guó)以登陸臺(tái)風(fēng)為代表的極端降水事件呈明顯增多的趨勢(shì)[3-4]。臺(tái)風(fēng)暴雨經(jīng)常導(dǎo)致洪水、山體滑坡和泥石流等次生災(zāi)害，給人類社會(huì)造成巨大損失。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，沿海地區(qū)人口更加稠密，臺(tái)風(fēng)暴雨高度的脆弱性和敏感性造成的總體直接經(jīng)濟(jì)損失顯著增長(zhǎng)[5]。臺(tái)風(fēng)暴雨損失的減少在很大程度上依賴于登陸臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)能力的提高。
不同臺(tái)風(fēng)的大氣環(huán)流背景場(chǎng)并不相同。研究臺(tái)風(fēng)與環(huán)境場(chǎng)的相互作用，分析登陸臺(tái)風(fēng)暴雨強(qiáng)度和分布規(guī)律，能為登陸臺(tái)風(fēng)造成的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供極為重要的依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)大尺度環(huán)流與臺(tái)風(fēng)暴雨有密切聯(lián)系。西風(fēng)槽在登陸臺(tái)風(fēng)與中緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用中占有重要地位[6-8]，與臺(tái)風(fēng)變性有直接關(guān)系，西風(fēng)槽強(qiáng)度的變化將直接導(dǎo)致降水強(qiáng)度的不同。中低空西南急流是登陸后臺(tái)風(fēng)獲取水汽和不穩(wěn)定能量的主要通道[7]，李英等[9]和方艷瑩等[10]分別用數(shù)值模式模擬和個(gè)例分析證明了低空急流持續(xù)的水汽供應(yīng)可減緩登陸臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的衰減，增強(qiáng)強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)，使降水增加。臺(tái)風(fēng)降水與高空急流的位置和強(qiáng)弱也密切相關(guān)，高空流出氣流的增強(qiáng)可使低層減壓并產(chǎn)生氣旋式變風(fēng)場(chǎng)，對(duì)其南側(cè)的臺(tái)風(fēng)有重要作用[11]。9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)數(shù)值試驗(yàn)表明，較強(qiáng)的槽前高空輻散有利于臺(tái)風(fēng)的維持和長(zhǎng)久發(fā)展，從而影響降水的強(qiáng)度[11]。由此可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)登陸后降水的強(qiáng)弱與大尺度環(huán)流背景關(guān)系密切，加強(qiáng)對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)大尺度背景場(chǎng)的分析是臺(tái)風(fēng)暴雨研究中不可或缺的一環(huán)。
山東地處我國(guó)東部沿海地區(qū)，北上影響山東的熱帶氣旋平均每年有2 個(gè)，最多為7 個(gè)，造成的災(zāi)害以暴雨最為嚴(yán)重[12]。熱帶氣旋經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離移動(dòng)影響山東，受冷或粗糙的下墊面影響，多數(shù)熱帶氣旋強(qiáng)度減弱或變性。北上路徑相似的變性臺(tái)風(fēng)所經(jīng)地區(qū)的降水可能有較大差異[13-14]。本文利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的再分析資料和中國(guó)氣象局觀測(cè)站點(diǎn)的實(shí)況降水觀測(cè)數(shù)據(jù)及濟(jì)南多普勒雷達(dá)資料，對(duì)影響山東的兩個(gè)路徑相似臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”的降水分布特征進(jìn)行對(duì)比；應(yīng)用天氣學(xué)診斷分析的方法，研究?jī)蓚€(gè)臺(tái)風(fēng)的大尺度環(huán)流背景和動(dòng)熱力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；探討大尺度環(huán)流與臺(tái)風(fēng)相互作用對(duì)降水分布及強(qiáng)度的影響，以期為中緯度登陸臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)提供有益參考。
2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”造成的山東降水特征分析
臺(tái)風(fēng)“利奇馬”是2019年登陸中國(guó)最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)，影響范圍大（見(jiàn)圖1），持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，極端降水區(qū)集中，引發(fā)了洪水和泥石流等自然災(zāi)害。山東平均降水量170.3 mm，最大降水量479.3 mm（濟(jì)南市章丘），72 h累積降水大于250 mm的區(qū)域位于魯中（見(jiàn)圖2a），出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)路徑的西側(cè)，21個(gè)站點(diǎn)日降水量突破歷史記錄。2005年9號(hào)臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸后降水也較強(qiáng)（見(jiàn)圖1），但明顯弱于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，山東平均降水量49.8 mm，最大降水量199.7 mm（淄博市博山），72 h 累積降水大于100 mm 的區(qū)域出現(xiàn)在魯中山區(qū)北部和半島東南部（見(jiàn)圖2b），分布在臺(tái)風(fēng)路徑的東西兩側(cè)，但東側(cè)范圍更大。這兩個(gè)路徑相似但降水強(qiáng)度及分布顯著不同的臺(tái)風(fēng)，為理解和預(yù)報(bào)登陸臺(tái)風(fēng)降水提供了較好的對(duì)比分析個(gè)例。
圖1 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”的移動(dòng)路徑Fig.1 Tracks of typhoon"Lekima"and"Matsa"
圖2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸山東前后的72 h累積降水分布（單位：mm）Fig.2 The distribution of 72-hour cumulative precipitation（unit：mm）in Shandong before and after the landing of typhoon"Lekima"and"Matsha"
臺(tái)風(fēng)影響山東的24 h 累積降水分布顯示（見(jiàn)圖3，圖中時(shí)間均為北京時(shí)，下同），臺(tái)風(fēng)“利奇馬”降水集中在登陸山東之前的2019 年8 月10—11 日，占總降水量的近9 成。10 日較強(qiáng)降水區(qū)域出現(xiàn)在魯西、魯中和魯南（見(jiàn)圖3a），沿黃河小于25 mm 的狹長(zhǎng)區(qū)域?qū)⒔邓畢^(qū)清晰的分為東西兩部分，提示可能是不同系統(tǒng)造成的；11 日降水明顯增強(qiáng)（見(jiàn)圖3b），大于100 mm 的區(qū)域貫穿山東中部，魯中北部的降水量大于350 mm，位于路徑左側(cè)，半島有少量大于100 mm的降水區(qū)；12 日登陸后降水減弱（見(jiàn)圖3c），50～100 mm 的區(qū)域仍然位于路徑左側(cè)。陳聯(lián)壽等[15]指出，臺(tái)風(fēng)登陸前后的海岸地形作用將加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)降雨，臺(tái)風(fēng)東側(cè)半島部分地區(qū)大于100 mm 的降水說(shuō)明臺(tái)風(fēng)登陸降水與海岸地形有較大關(guān)系，其西側(cè)魯中地區(qū)的強(qiáng)降水則說(shuō)明有更重要的影響因素。Atallah 等[16]的相關(guān)研究證明，在美國(guó)東部，登陸熱帶氣旋路徑西側(cè)的降水與西風(fēng)槽密切相關(guān)。與臺(tái)風(fēng)“利奇馬”不同，臺(tái)風(fēng)“麥莎”的降水主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)登陸后的2005 年8 月8 日（見(jiàn)圖3f），降水中心出現(xiàn)在路徑的東側(cè)，說(shuō)明海岸地形是臺(tái)風(fēng)“麥莎”降水重要的影響因素。
圖3 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）24 h累積降水分布（單位：mm）Fig.3 The distribution of 24-hour cumulative precipitation（unit:mm）of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
以上分析了相似路徑的兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的降水強(qiáng)度和時(shí)空分布的明顯差異。下面將從環(huán)流形勢(shì)入手，對(duì)比水汽收支和熱力動(dòng)力條件等方面的差異并分析原因，為今后此類過(guò)程的預(yù)報(bào)提供依據(jù)。
3 大尺度環(huán)流形勢(shì)特征對(duì)比分析
在500 hPa 高度場(chǎng)上，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸浙江時(shí)（見(jiàn)圖4a），西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱“副高”）控制著日本海南部及其以東的洋面，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸后沿偏南氣流北上（見(jiàn)圖4b），副高向東移到日本海以南地區(qū)；副高南側(cè)的另外一個(gè)臺(tái)風(fēng)“羅莎”（1910）沿副高南側(cè)的東南氣流向西北緩慢移動(dòng)，由臺(tái)風(fēng)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。臺(tái)風(fēng)“羅莎”使日本海副高穩(wěn)定在日本海及其以南地區(qū)，阻擋上游系統(tǒng)東移；貝加爾湖阻塞高壓（以下簡(jiǎn)稱“阻高”）東移發(fā)展，副高與阻高之間是西風(fēng)帶深槽，東北亞大氣環(huán)流兩脊一槽的形勢(shì)穩(wěn)定少動(dòng)，為強(qiáng)降水的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)提供背景條件。槽前西南氣流與北上臺(tái)風(fēng)東側(cè)的偏南氣流在東部沿海合并加強(qiáng)，減弱后的臺(tái)風(fēng)環(huán)流逐漸并入槽區(qū)，槽加深成低渦；山東處于低渦東北象限，強(qiáng)勁的東南氣流控制，該區(qū)域水汽充沛、垂直運(yùn)動(dòng)活躍且不穩(wěn)定能量集中，極端強(qiáng)降水發(fā)生在大尺度形勢(shì)穩(wěn)定少動(dòng)、低渦形成和維持期間，隨低渦緩慢向東北移動(dòng)，降水逐漸減弱（見(jiàn)圖4c）。臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸時(shí)，強(qiáng)盛的副高控制朝鮮半島及其以東地區(qū)（見(jiàn)圖4d），臺(tái)風(fēng)“麥莎”沿副高外圍的東南氣流向北略偏西方向移動(dòng)，路徑較臺(tái)風(fēng)“利奇馬”偏西。隨著臺(tái)風(fēng)“麥莎”北上（見(jiàn)圖4e），副高顯著減弱東撤南移；臺(tái)風(fēng)北部及西北部西風(fēng)帶地區(qū)一直由副高西伸的高壓脊控制，不利于降水產(chǎn)生，這可以很好地解釋臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸山東之前降水稀少的原因。臺(tái)風(fēng)登陸后副高迅速西伸加強(qiáng)（見(jiàn)圖4f），西北側(cè)的西南氣流引導(dǎo)減弱后的臺(tái)風(fēng)“麥莎”加速向北移動(dòng)，影響山東時(shí)間較短，不利于降水的長(zhǎng)時(shí)間維持。
圖4 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）和850 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭頭，單位：m/s）Fig.4 The 500 hPa geopotential height field（contour，unit：gpm）and 850 hPa wind field（arrow，unit：m/s)during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
4 水汽輸送及高空急流
充分的水汽供應(yīng)是暴雨發(fā)生的必要條件。本節(jié)從兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的水汽輸送特點(diǎn)分析其對(duì)應(yīng)的急流變化對(duì)降水差異的影響。
臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸浙江時(shí)的水汽輸送包括來(lái)自南海的西南水汽（見(jiàn)圖5a）以及其東南部來(lái)自臺(tái)風(fēng)“羅莎”的水汽輸送。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”北移過(guò)程中強(qiáng)度雖然減弱（見(jiàn)圖5b），但其北側(cè)的東南風(fēng)與南海西南風(fēng)及臺(tái)風(fēng)“羅莎”北部的東風(fēng)匯合為強(qiáng)勁的東南風(fēng)急流（中心風(fēng)速29.0 m/s），強(qiáng)度與剛登陸浙江時(shí)（中心風(fēng)速31.0 m/s）相近，在東南洋面上形成一條水汽輸送帶。這是臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的主要水汽來(lái)源，將充沛的暖濕氣流輸送到臺(tái)風(fēng)北到西北部上空，與山東的強(qiáng)降水分布相一致（見(jiàn)圖3b），該區(qū)域上空水汽輻合（-3.4×10-5g·s/kg）幾乎達(dá)到剛登陸時(shí)的強(qiáng)度（-3.7×10-5g·s/kg）。強(qiáng)水汽輻合區(qū)的西北側(cè)是強(qiáng)輻散區(qū)，之間為東南急流和東北風(fēng)切變，與強(qiáng)降水區(qū)西部邊界一致。東南風(fēng)急流提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，東北風(fēng)切變則意味著冷空氣的加入。在大尺度環(huán)流背景穩(wěn)定少動(dòng)的情況下，東南急流、950 hPa強(qiáng)輻合區(qū)以及東北風(fēng)切變從10日20：00—11 日8：00 一直存在，維持12 h 以上，向上延伸至400 hPa，深厚持久。北移的臺(tái)風(fēng)降水回波從10 日18：00 后顯著增強(qiáng)并在魯中地區(qū)停滯，直到11 日11：00 回波開(kāi)始減弱，持續(xù)時(shí)間大于16 h，時(shí)間和空間分布上與東南急流、強(qiáng)輻合區(qū)和東北風(fēng)切變吻合，與降水中心一致，是造成山東極端降水的主要因素。后期臺(tái)風(fēng)脫離水汽輸送帶（見(jiàn)圖5c），降水強(qiáng)度顯著減?。ㄒ?jiàn)圖3c）。臺(tái)風(fēng)“麥莎”輸送水汽通道也來(lái)自南海（見(jiàn)圖5d），較臺(tái)風(fēng)“利奇馬”弱。臺(tái)風(fēng)向北移動(dòng)中逐漸與水汽輸送帶斷開(kāi)，影響山東時(shí)更多是自身環(huán)流夾帶的水汽（見(jiàn)圖5e），因此，臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸山東時(shí)降水才開(kāi)始增大，水汽來(lái)自臺(tái)風(fēng)環(huán)流的東側(cè)和北側(cè)，輻合中心位于東北象限，其東側(cè)的偏南風(fēng)氣流未能形成輸送充沛水汽的急流，降水量遠(yuǎn)小于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，降水中心在臺(tái)風(fēng)路徑的東側(cè)。
圖5 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）的950 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭矢表示風(fēng)速≥6 m/s，單位：m/s）、水汽通量（填色，單位：g/kg·m/s）Fig.5 The 950 hPa wind field（the arrow denotes velocity no less than 6 m/s，unit：m/s）and water vapor flux（color，unit：g/kg·m/s）during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
南亞高壓是北半球夏季出現(xiàn)在青藏高原及鄰近地區(qū)300～100 hPa 上的行星尺度高壓系統(tǒng)。2019年8月10日8：00臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸浙江時(shí)，南亞高壓被貝加爾湖及以南的大槽和臺(tái)風(fēng)分裂為兩個(gè)中心（見(jiàn)圖6a），一個(gè)在青藏高原西側(cè)，另一個(gè)在日本海附近。臺(tái)風(fēng)“羅莎”在其東南方向，南亞高壓和貝加爾湖大槽都較臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸時(shí)更為強(qiáng)盛。貝加爾湖大槽槽前有一風(fēng)速超過(guò)40 m/s 的西南急流，急流入口區(qū)右側(cè)為輻散區(qū)（中心為8.0×10-5/s）。研究證明[11]，高空急流入口區(qū)的次級(jí)環(huán)流在急流右側(cè)會(huì)造成高空輻散低空輻合的上升運(yùn)動(dòng)，并與低層鋒區(qū)相配合。雷達(dá)資料分析發(fā)現(xiàn)（圖略），8 月10 日早上在山西和山東西部有東北-西南向的對(duì)流云帶，并在魯西造成局地強(qiáng)降水（見(jiàn)圖3a），此時(shí)臺(tái)風(fēng)云帶剛剛從魯東南進(jìn)入山東，顯然不是一個(gè)系統(tǒng)造成的，此降水可能與高空急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)對(duì)應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)有關(guān)。隨著臺(tái)風(fēng)向北移動(dòng)靠近急流（見(jiàn)圖6b），臺(tái)風(fēng)東部的南亞高壓中心受北移臺(tái)風(fēng)“羅莎”的影響，穩(wěn)定少動(dòng)且強(qiáng)度增強(qiáng)，南亞高壓西部中心沿西風(fēng)帶東移，貝加爾湖大槽因此加深且近乎停滯，此時(shí)槽區(qū)氣壓梯度增大。臺(tái)風(fēng)使對(duì)流層上層增暖[17]，根據(jù)熱成風(fēng)關(guān)系，可增強(qiáng)對(duì)流層上層的西南風(fēng)。氣壓梯度增大和熱成風(fēng)合并使高空西南風(fēng)速增大（中心風(fēng)速57 m/s），氣流高速流出，輻散中心增大（1.6×10-4/s），高空抽吸作用增強(qiáng)，垂直運(yùn)動(dòng)和低層輻合加強(qiáng)，形成深厚而強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，也使臺(tái)風(fēng)減弱且速度變慢。顯然，臺(tái)風(fēng)與南亞高壓、高空急流的配置和相互作用是魯中地區(qū)降水增幅明顯并持續(xù)的重要原因。臺(tái)風(fēng)“麥莎”雖然也伴有南亞高壓和貝加爾湖槽的活動(dòng)，但強(qiáng)度都明顯偏弱，缺少高空急流和下游臺(tái)風(fēng)，輻散區(qū)弱且分散，不利于形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。
圖6 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）的300 hPa的高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）、風(fēng)場(chǎng)（箭頭，單位：m/s）以及散度場(chǎng)（單位：10-4/s，紅色部分為輻散區(qū)，藍(lán)色部分為輻合區(qū)）Fig.6 The 300 hPa height field（contour，unit：gpm），wind field（arrow，unit：m/s）and the divergence field（color，unit：10-4/s，red for divergence area and blue for convergence area）during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
由此可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)環(huán)流與500 hPa 副高、阻高、西風(fēng)槽的相互作用、水汽輸送的差異、300 hPa 南亞高壓的位置強(qiáng)度和下游臺(tái)風(fēng)及急流的不同位置，對(duì)登陸后臺(tái)風(fēng)暴雨的強(qiáng)度和分布均有重要影響。
5 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸前后動(dòng)熱力結(jié)構(gòu)對(duì)比
本節(jié)分析臺(tái)風(fēng)自身的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)，研究其對(duì)降水分布和強(qiáng)度的重要影響。圖7a—c 和7d—f分別給出了臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”中心附近的溫度距平垂直剖面圖。剛登陸時(shí)，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”維持一個(gè)對(duì)稱且深厚的暖心結(jié)構(gòu)，中心位于250 hPa附近，最大溫度距平為6.1 ℃，是由水汽凝結(jié)釋放的潛熱加熱作用造成的[15]，而強(qiáng)的潛熱釋放反映了較強(qiáng)的降水；隨著臺(tái)風(fēng)“利奇馬”向北移動(dòng)，受下墊面摩擦影響，較強(qiáng)冷空氣從西側(cè)中高層逐漸侵入臺(tái)風(fēng)環(huán)流中，暖中心下降，結(jié)構(gòu)變得松散，降水強(qiáng)度減弱；之后暖中心向東偏離臺(tái)風(fēng)中心（見(jiàn)圖7c），臺(tái)風(fēng)中心位于冷暖空氣的分界處，此時(shí)的臺(tái)風(fēng)已經(jīng)具有“半冷半暖”的鋒面氣旋非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸時(shí)暖心比臺(tái)風(fēng)“利奇馬”弱得多（見(jiàn)圖7d），溫度距平梯度較臺(tái)風(fēng)“利奇馬”小，垂直方向上熱力不對(duì)稱，冷空氣從東側(cè)低層侵入；向北移動(dòng)過(guò)程中（見(jiàn)圖7e），暖中心下降，更多的西側(cè)冷空氣加入，結(jié)構(gòu)更松散，登陸山東前已經(jīng)出現(xiàn)鋒面氣旋的熱力不對(duì)稱特點(diǎn)。
圖7 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）的溫度距平場(chǎng)（單位：℃）沿臺(tái)風(fēng)中心的經(jīng)向垂直剖面（為臺(tái)風(fēng)中心所在位置）Fig.7 The meridional vertical profile of temperature anomaly field（unit：℃）crossing the typhoon center of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）（The triangle is the location of the typhoon center）
以上分析可知，登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)“麥莎”的暖心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯弱于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，登陸后暖心逐漸遭到破壞，登陸山東前已經(jīng)出現(xiàn)鋒面氣旋的特征。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的暖心結(jié)構(gòu)維持時(shí)間更長(zhǎng)，減弱緩慢，東側(cè)的東南急流提供來(lái)自海洋的暖濕氣流，有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水，其凝結(jié)潛熱釋放使得暖心結(jié)構(gòu)得以長(zhǎng)時(shí)間維持，臺(tái)風(fēng)減弱緩慢。臺(tái)風(fēng)“麥莎”缺少低空急流的加入，是維持時(shí)間短和降水偏小的重要原因。
圖8是臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”的渦度、散度以及垂直速度沿臺(tái)風(fēng)中心的緯向剖面圖。渦度場(chǎng)上，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸時(shí)（見(jiàn)圖8a），中心渦度場(chǎng)維持一個(gè)深厚的垂直對(duì)稱結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度明顯比臺(tái)風(fēng)“麥莎”強(qiáng)，中心低層均為強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)，達(dá)到400 hPa，強(qiáng)輻散區(qū)在200 hPa 附近，符合成熟臺(tái)風(fēng)的基本結(jié)構(gòu)；臺(tái)風(fēng)北移渦度隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的減弱而減?。▓D略），沿37°N 做緯向剖面（見(jiàn)圖8b），在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”北側(cè)的強(qiáng)降水區(qū)上空發(fā)現(xiàn)一個(gè)隨高度向西傾斜的輻合區(qū)，與深厚而強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)疊加，向上達(dá)到400 hPa，甚至超過(guò)臺(tái)風(fēng)剛剛登陸時(shí)的強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)輻散區(qū)在300 hPa 附近，與300 hPa 高空急流入口區(qū)右側(cè)的強(qiáng)輻散相吻合。隨著臺(tái)風(fēng)“利奇馬”繼續(xù)向北移動(dòng)，中心附近低層輻合強(qiáng)度及范圍減小，仍然強(qiáng)于臺(tái)風(fēng)“麥莎”，上升運(yùn)動(dòng)依然旺盛，達(dá)到500 hPa，上空有明顯的輻散區(qū)。低層輻合上升和高空輻散流出的這種配置結(jié)構(gòu)在降水區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持，是造成極端暴雨的主要?jiǎng)恿σ蜃?。臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸時(shí)中心上空的渦度場(chǎng)分布均勻，散度場(chǎng)與垂直速度場(chǎng)呈明顯不對(duì)稱分布，除了臺(tái)風(fēng)中心低層輻合區(qū)外，另一個(gè)輻合中心在臺(tái)風(fēng)“麥莎”中心的東側(cè)與上升運(yùn)動(dòng)區(qū)疊加，產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流造成海上降水；隨著臺(tái)風(fēng)“麥莎”北上，渦度場(chǎng)減小，中心降低，淺薄的輻合區(qū)僅在臺(tái)風(fēng)中心存在，上升運(yùn)動(dòng)弱且向東遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心，降水也向東偏離臺(tái)風(fēng)。因此登陸臺(tái)風(fēng)的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)的不同也是臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”降水分布特征不同的原因之一。
圖8 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）的垂直速度（單位：Pa/s，紅色線，負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)）、渦度（單位：10-4/s，黑色線，實(shí)（虛）線為正（負(fù)）渦度）以及散度（單位：10-4/s，藍(lán)色部分為輻合區(qū)，綠色部分為輻散區(qū)）沿臺(tái)風(fēng)中心（b為沿37°N）的緯向-垂直剖面Fig.8 The zonal-vertical section along the typhoon center（b is along 37°N）of the vertical speed（unit:Pa/s,red line,negative values for rising），vorticity（unit：10-4/s，black line，solid for positive and dotted for negative）and divergence（unit:10-4/s,blue for convergence area and green for divergence area）of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f,2005）
6 結(jié)論與討論
臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”移動(dòng)路徑雖然相似，但在山東產(chǎn)生的降水強(qiáng)度和分布差異明顯。本文對(duì)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的降水分布特征、大氣環(huán)流形勢(shì)、水汽輸送、高空急流配置和動(dòng)熱力結(jié)構(gòu)變化的異同點(diǎn)進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：
（1）大尺度環(huán)流差異是造成降水強(qiáng)度和分布差異的重要原因。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”與西風(fēng)帶深槽合并，有利于山東地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水，且降水分布偏向路徑西側(cè)；受下游臺(tái)風(fēng)“羅莎”阻擋，東北亞環(huán)流移動(dòng)緩慢停滯，提供了一個(gè)有利于降水長(zhǎng)時(shí)間維持的背景場(chǎng)。臺(tái)風(fēng)“麥莎”受深入西風(fēng)帶的強(qiáng)盛副高影響，登陸山東前降水稀少，登陸山東后受西南暖濕氣流影響，產(chǎn)生強(qiáng)降水，但移動(dòng)速度較快，降水不能長(zhǎng)時(shí)間維持，降水量偏小。
（2）低空急流差異是導(dǎo)致降水強(qiáng)度和分布差異的重要因素。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”北側(cè)的東南急流為降水區(qū)輸送充沛水汽和不穩(wěn)定能量，強(qiáng)水汽輻合中心在臺(tái)風(fēng)的西北側(cè)，因此極端降水落區(qū)在路徑的西側(cè)；而臺(tái)風(fēng)“麥莎”更多是自身環(huán)流夾帶的水汽，低層無(wú)急流，受海岸地形輻合影響，降水中心主要在路徑的東側(cè)。
（3）高空急流與臺(tái)風(fēng)的相對(duì)位置及其相互作用對(duì)降水有重要影響。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”高空急流入口區(qū)的次級(jí)環(huán)流造成的高空輻散低空輻合與臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)相疊加，形成深厚而強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致降水顯著增幅，也使臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)減弱變緩；臺(tái)風(fēng)“麥莎”沒(méi)有相應(yīng)的高空急流，上升運(yùn)動(dòng)淺薄。
（4）臺(tái)風(fēng)動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)的不同也是造成降水分布特征不同的原因之一。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”東側(cè)的持續(xù)東南急流使暖心結(jié)構(gòu)得以長(zhǎng)時(shí)間維持，系統(tǒng)減弱緩慢，降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；臺(tái)風(fēng)“麥莎”缺少低空急流的影響，移動(dòng)快，系統(tǒng)減弱快，降水偏小。另外，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”北側(cè)的強(qiáng)輻合中心與旺盛的上升運(yùn)動(dòng)疊加的區(qū)域與暴雨區(qū)一致，與高空急流入口區(qū)右側(cè)的強(qiáng)輻散相對(duì)應(yīng)；臺(tái)風(fēng)“麥莎”低層輻合區(qū)淺薄且上升運(yùn)動(dòng)弱。
本文主要用天氣學(xué)診斷分析的方法討論了影響山東的兩個(gè)路徑相似臺(tái)風(fēng)的降水差異，所做的研究還較為初步。影響臺(tái)風(fēng)降水落區(qū)和強(qiáng)度的問(wèn)題相當(dāng)復(fù)雜，今后還需通過(guò)更多觀測(cè)資料做中尺度分析診斷，并利用高分辨率數(shù)值模式進(jìn)行更多深入的研究。
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李君，李妍，賈瑞，田云菲
（1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250031；2.山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255000）
1 引言
受全球變暖影響，1970年以來(lái)西北太平洋臺(tái)風(fēng)的平均強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)頻數(shù)增大[1-2]，我國(guó)以登陸臺(tái)風(fēng)為代表的極端降水事件呈明顯增多的趨勢(shì)[3-4]。臺(tái)風(fēng)暴雨經(jīng)常導(dǎo)致洪水、山體滑坡和泥石流等次生災(zāi)害，給人類社會(huì)造成巨大損失。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，沿海地區(qū)人口更加稠密，臺(tái)風(fēng)暴雨高度的脆弱性和敏感性造成的總體直接經(jīng)濟(jì)損失顯著增長(zhǎng)[5]。臺(tái)風(fēng)暴雨損失的減少在很大程度上依賴于登陸臺(tái)風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)能力的提高。
不同臺(tái)風(fēng)的大氣環(huán)流背景場(chǎng)并不相同。研究臺(tái)風(fēng)與環(huán)境場(chǎng)的相互作用，分析登陸臺(tái)風(fēng)暴雨強(qiáng)度和分布規(guī)律，能為登陸臺(tái)風(fēng)造成的強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供極為重要的依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)大尺度環(huán)流與臺(tái)風(fēng)暴雨有密切聯(lián)系。西風(fēng)槽在登陸臺(tái)風(fēng)與中緯度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用中占有重要地位[6-8]，與臺(tái)風(fēng)變性有直接關(guān)系，西風(fēng)槽強(qiáng)度的變化將直接導(dǎo)致降水強(qiáng)度的不同。中低空西南急流是登陸后臺(tái)風(fēng)獲取水汽和不穩(wěn)定能量的主要通道[7]，李英等[9]和方艷瑩等[10]分別用數(shù)值模式模擬和個(gè)例分析證明了低空急流持續(xù)的水汽供應(yīng)可減緩登陸臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的衰減，增強(qiáng)強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)，使降水增加。臺(tái)風(fēng)降水與高空急流的位置和強(qiáng)弱也密切相關(guān)，高空流出氣流的增強(qiáng)可使低層減壓并產(chǎn)生氣旋式變風(fēng)場(chǎng)，對(duì)其南側(cè)的臺(tái)風(fēng)有重要作用[11]。9711 號(hào)臺(tái)風(fēng)數(shù)值試驗(yàn)表明，較強(qiáng)的槽前高空輻散有利于臺(tái)風(fēng)的維持和長(zhǎng)久發(fā)展，從而影響降水的強(qiáng)度[11]。由此可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)登陸后降水的強(qiáng)弱與大尺度環(huán)流背景關(guān)系密切，加強(qiáng)對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)大尺度背景場(chǎng)的分析是臺(tái)風(fēng)暴雨研究中不可或缺的一環(huán)。
山東地處我國(guó)東部沿海地區(qū)，北上影響山東的熱帶氣旋平均每年有2 個(gè)，最多為7 個(gè)，造成的災(zāi)害以暴雨最為嚴(yán)重[12]。熱帶氣旋經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離移動(dòng)影響山東，受冷或粗糙的下墊面影響，多數(shù)熱帶氣旋強(qiáng)度減弱或變性。北上路徑相似的變性臺(tái)風(fēng)所經(jīng)地區(qū)的降水可能有較大差異[13-14]。本文利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的再分析資料和中國(guó)氣象局觀測(cè)站點(diǎn)的實(shí)況降水觀測(cè)數(shù)據(jù)及濟(jì)南多普勒雷達(dá)資料，對(duì)影響山東的兩個(gè)路徑相似臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”的降水分布特征進(jìn)行對(duì)比；應(yīng)用天氣學(xué)診斷分析的方法，研究?jī)蓚€(gè)臺(tái)風(fēng)的大尺度環(huán)流背景和動(dòng)熱力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；探討大尺度環(huán)流與臺(tái)風(fēng)相互作用對(duì)降水分布及強(qiáng)度的影響，以期為中緯度登陸臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)提供有益參考。
2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”造成的山東降水特征分析
臺(tái)風(fēng)“利奇馬”是2019年登陸中國(guó)最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)，影響范圍大（見(jiàn)圖1），持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，極端降水區(qū)集中，引發(fā)了洪水和泥石流等自然災(zāi)害。山東平均降水量170.3 mm，最大降水量479.3 mm（濟(jì)南市章丘），72 h累積降水大于250 mm的區(qū)域位于魯中（見(jiàn)圖2a），出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)路徑的西側(cè)，21個(gè)站點(diǎn)日降水量突破歷史記錄。2005年9號(hào)臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸后降水也較強(qiáng)（見(jiàn)圖1），但明顯弱于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，山東平均降水量49.8 mm，最大降水量199.7 mm（淄博市博山），72 h 累積降水大于100 mm 的區(qū)域出現(xiàn)在魯中山區(qū)北部和半島東南部（見(jiàn)圖2b），分布在臺(tái)風(fēng)路徑的東西兩側(cè)，但東側(cè)范圍更大。這兩個(gè)路徑相似但降水強(qiáng)度及分布顯著不同的臺(tái)風(fēng)，為理解和預(yù)報(bào)登陸臺(tái)風(fēng)降水提供了較好的對(duì)比分析個(gè)例。
圖1 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”的移動(dòng)路徑Fig.1 Tracks of typhoon"Lekima"and"Matsa"
圖2 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸山東前后的72 h累積降水分布（單位：mm）Fig.2 The distribution of 72-hour cumulative precipitation（unit：mm）in Shandong before and after the landing of typhoon"Lekima"and"Matsha"
臺(tái)風(fēng)影響山東的24 h 累積降水分布顯示（見(jiàn)圖3，圖中時(shí)間均為北京時(shí)，下同），臺(tái)風(fēng)“利奇馬”降水集中在登陸山東之前的2019 年8 月10—11 日，占總降水量的近9 成。10 日較強(qiáng)降水區(qū)域出現(xiàn)在魯西、魯中和魯南（見(jiàn)圖3a），沿黃河小于25 mm 的狹長(zhǎng)區(qū)域?qū)⒔邓畢^(qū)清晰的分為東西兩部分，提示可能是不同系統(tǒng)造成的；11 日降水明顯增強(qiáng)（見(jiàn)圖3b），大于100 mm 的區(qū)域貫穿山東中部，魯中北部的降水量大于350 mm，位于路徑左側(cè)，半島有少量大于100 mm的降水區(qū)；12 日登陸后降水減弱（見(jiàn)圖3c），50～100 mm 的區(qū)域仍然位于路徑左側(cè)。陳聯(lián)壽等[15]指出，臺(tái)風(fēng)登陸前后的海岸地形作用將加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)降雨，臺(tái)風(fēng)東側(cè)半島部分地區(qū)大于100 mm 的降水說(shuō)明臺(tái)風(fēng)登陸降水與海岸地形有較大關(guān)系，其西側(cè)魯中地區(qū)的強(qiáng)降水則說(shuō)明有更重要的影響因素。Atallah 等[16]的相關(guān)研究證明，在美國(guó)東部，登陸熱帶氣旋路徑西側(cè)的降水與西風(fēng)槽密切相關(guān)。與臺(tái)風(fēng)“利奇馬”不同，臺(tái)風(fēng)“麥莎”的降水主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)登陸后的2005 年8 月8 日（見(jiàn)圖3f），降水中心出現(xiàn)在路徑的東側(cè)，說(shuō)明海岸地形是臺(tái)風(fēng)“麥莎”降水重要的影響因素。
圖3 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）24 h累積降水分布（單位：mm）Fig.3 The distribution of 24-hour cumulative precipitation（unit:mm）of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
以上分析了相似路徑的兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的降水強(qiáng)度和時(shí)空分布的明顯差異。下面將從環(huán)流形勢(shì)入手，對(duì)比水汽收支和熱力動(dòng)力條件等方面的差異并分析原因，為今后此類過(guò)程的預(yù)報(bào)提供依據(jù)。
3 大尺度環(huán)流形勢(shì)特征對(duì)比分析
在500 hPa 高度場(chǎng)上，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸浙江時(shí)（見(jiàn)圖4a），西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱“副高”）控制著日本海南部及其以東的洋面，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸后沿偏南氣流北上（見(jiàn)圖4b），副高向東移到日本海以南地區(qū)；副高南側(cè)的另外一個(gè)臺(tái)風(fēng)“羅莎”（1910）沿副高南側(cè)的東南氣流向西北緩慢移動(dòng)，由臺(tái)風(fēng)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。臺(tái)風(fēng)“羅莎”使日本海副高穩(wěn)定在日本海及其以南地區(qū)，阻擋上游系統(tǒng)東移；貝加爾湖阻塞高壓（以下簡(jiǎn)稱“阻高”）東移發(fā)展，副高與阻高之間是西風(fēng)帶深槽，東北亞大氣環(huán)流兩脊一槽的形勢(shì)穩(wěn)定少動(dòng)，為強(qiáng)降水的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)提供背景條件。槽前西南氣流與北上臺(tái)風(fēng)東側(cè)的偏南氣流在東部沿海合并加強(qiáng)，減弱后的臺(tái)風(fēng)環(huán)流逐漸并入槽區(qū)，槽加深成低渦；山東處于低渦東北象限，強(qiáng)勁的東南氣流控制，該區(qū)域水汽充沛、垂直運(yùn)動(dòng)活躍且不穩(wěn)定能量集中，極端強(qiáng)降水發(fā)生在大尺度形勢(shì)穩(wěn)定少動(dòng)、低渦形成和維持期間，隨低渦緩慢向東北移動(dòng)，降水逐漸減弱（見(jiàn)圖4c）。臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸時(shí)，強(qiáng)盛的副高控制朝鮮半島及其以東地區(qū)（見(jiàn)圖4d），臺(tái)風(fēng)“麥莎”沿副高外圍的東南氣流向北略偏西方向移動(dòng)，路徑較臺(tái)風(fēng)“利奇馬”偏西。隨著臺(tái)風(fēng)“麥莎”北上（見(jiàn)圖4e），副高顯著減弱東撤南移；臺(tái)風(fēng)北部及西北部西風(fēng)帶地區(qū)一直由副高西伸的高壓脊控制，不利于降水產(chǎn)生，這可以很好地解釋臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸山東之前降水稀少的原因。臺(tái)風(fēng)登陸后副高迅速西伸加強(qiáng)（見(jiàn)圖4f），西北側(cè)的西南氣流引導(dǎo)減弱后的臺(tái)風(fēng)“麥莎”加速向北移動(dòng)，影響山東時(shí)間較短，不利于降水的長(zhǎng)時(shí)間維持。
圖4 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）和850 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭頭，單位：m/s）Fig.4 The 500 hPa geopotential height field（contour，unit：gpm）and 850 hPa wind field（arrow，unit：m/s)during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
4 水汽輸送及高空急流
充分的水汽供應(yīng)是暴雨發(fā)生的必要條件。本節(jié)從兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的水汽輸送特點(diǎn)分析其對(duì)應(yīng)的急流變化對(duì)降水差異的影響。
臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸浙江時(shí)的水汽輸送包括來(lái)自南海的西南水汽（見(jiàn)圖5a）以及其東南部來(lái)自臺(tái)風(fēng)“羅莎”的水汽輸送。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”北移過(guò)程中強(qiáng)度雖然減弱（見(jiàn)圖5b），但其北側(cè)的東南風(fēng)與南海西南風(fēng)及臺(tái)風(fēng)“羅莎”北部的東風(fēng)匯合為強(qiáng)勁的東南風(fēng)急流（中心風(fēng)速29.0 m/s），強(qiáng)度與剛登陸浙江時(shí)（中心風(fēng)速31.0 m/s）相近，在東南洋面上形成一條水汽輸送帶。這是臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的主要水汽來(lái)源，將充沛的暖濕氣流輸送到臺(tái)風(fēng)北到西北部上空，與山東的強(qiáng)降水分布相一致（見(jiàn)圖3b），該區(qū)域上空水汽輻合（-3.4×10-5g·s/kg）幾乎達(dá)到剛登陸時(shí)的強(qiáng)度（-3.7×10-5g·s/kg）。強(qiáng)水汽輻合區(qū)的西北側(cè)是強(qiáng)輻散區(qū)，之間為東南急流和東北風(fēng)切變，與強(qiáng)降水區(qū)西部邊界一致。東南風(fēng)急流提供了充沛的水汽和不穩(wěn)定能量，東北風(fēng)切變則意味著冷空氣的加入。在大尺度環(huán)流背景穩(wěn)定少動(dòng)的情況下，東南急流、950 hPa強(qiáng)輻合區(qū)以及東北風(fēng)切變從10日20：00—11 日8：00 一直存在，維持12 h 以上，向上延伸至400 hPa，深厚持久。北移的臺(tái)風(fēng)降水回波從10 日18：00 后顯著增強(qiáng)并在魯中地區(qū)停滯，直到11 日11：00 回波開(kāi)始減弱，持續(xù)時(shí)間大于16 h，時(shí)間和空間分布上與東南急流、強(qiáng)輻合區(qū)和東北風(fēng)切變吻合，與降水中心一致，是造成山東極端降水的主要因素。后期臺(tái)風(fēng)脫離水汽輸送帶（見(jiàn)圖5c），降水強(qiáng)度顯著減?。ㄒ?jiàn)圖3c）。臺(tái)風(fēng)“麥莎”輸送水汽通道也來(lái)自南海（見(jiàn)圖5d），較臺(tái)風(fēng)“利奇馬”弱。臺(tái)風(fēng)向北移動(dòng)中逐漸與水汽輸送帶斷開(kāi)，影響山東時(shí)更多是自身環(huán)流夾帶的水汽（見(jiàn)圖5e），因此，臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸山東時(shí)降水才開(kāi)始增大，水汽來(lái)自臺(tái)風(fēng)環(huán)流的東側(cè)和北側(cè)，輻合中心位于東北象限，其東側(cè)的偏南風(fēng)氣流未能形成輸送充沛水汽的急流，降水量遠(yuǎn)小于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，降水中心在臺(tái)風(fēng)路徑的東側(cè)。
圖5 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）的950 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭矢表示風(fēng)速≥6 m/s，單位：m/s）、水汽通量（填色，單位：g/kg·m/s）Fig.5 The 950 hPa wind field（the arrow denotes velocity no less than 6 m/s，unit：m/s）and water vapor flux（color，unit：g/kg·m/s）during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
南亞高壓是北半球夏季出現(xiàn)在青藏高原及鄰近地區(qū)300～100 hPa 上的行星尺度高壓系統(tǒng)。2019年8月10日8：00臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸浙江時(shí)，南亞高壓被貝加爾湖及以南的大槽和臺(tái)風(fēng)分裂為兩個(gè)中心（見(jiàn)圖6a），一個(gè)在青藏高原西側(cè)，另一個(gè)在日本海附近。臺(tái)風(fēng)“羅莎”在其東南方向，南亞高壓和貝加爾湖大槽都較臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸時(shí)更為強(qiáng)盛。貝加爾湖大槽槽前有一風(fēng)速超過(guò)40 m/s 的西南急流，急流入口區(qū)右側(cè)為輻散區(qū)（中心為8.0×10-5/s）。研究證明[11]，高空急流入口區(qū)的次級(jí)環(huán)流在急流右側(cè)會(huì)造成高空輻散低空輻合的上升運(yùn)動(dòng)，并與低層鋒區(qū)相配合。雷達(dá)資料分析發(fā)現(xiàn)（圖略），8 月10 日早上在山西和山東西部有東北-西南向的對(duì)流云帶，并在魯西造成局地強(qiáng)降水（見(jiàn)圖3a），此時(shí)臺(tái)風(fēng)云帶剛剛從魯東南進(jìn)入山東，顯然不是一個(gè)系統(tǒng)造成的，此降水可能與高空急流入口區(qū)右側(cè)輻散區(qū)對(duì)應(yīng)的上升運(yùn)動(dòng)有關(guān)。隨著臺(tái)風(fēng)向北移動(dòng)靠近急流（見(jiàn)圖6b），臺(tái)風(fēng)東部的南亞高壓中心受北移臺(tái)風(fēng)“羅莎”的影響，穩(wěn)定少動(dòng)且強(qiáng)度增強(qiáng)，南亞高壓西部中心沿西風(fēng)帶東移，貝加爾湖大槽因此加深且近乎停滯，此時(shí)槽區(qū)氣壓梯度增大。臺(tái)風(fēng)使對(duì)流層上層增暖[17]，根據(jù)熱成風(fēng)關(guān)系，可增強(qiáng)對(duì)流層上層的西南風(fēng)。氣壓梯度增大和熱成風(fēng)合并使高空西南風(fēng)速增大（中心風(fēng)速57 m/s），氣流高速流出，輻散中心增大（1.6×10-4/s），高空抽吸作用增強(qiáng)，垂直運(yùn)動(dòng)和低層輻合加強(qiáng)，形成深厚而強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，也使臺(tái)風(fēng)減弱且速度變慢。顯然，臺(tái)風(fēng)與南亞高壓、高空急流的配置和相互作用是魯中地區(qū)降水增幅明顯并持續(xù)的重要原因。臺(tái)風(fēng)“麥莎”雖然也伴有南亞高壓和貝加爾湖槽的活動(dòng)，但強(qiáng)度都明顯偏弱，缺少高空急流和下游臺(tái)風(fēng)，輻散區(qū)弱且分散，不利于形成強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。
圖6 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）的300 hPa的高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）、風(fēng)場(chǎng)（箭頭，單位：m/s）以及散度場(chǎng)（單位：10-4/s，紅色部分為輻散區(qū)，藍(lán)色部分為輻合區(qū)）Fig.6 The 300 hPa height field（contour，unit：gpm），wind field（arrow，unit：m/s）and the divergence field（color，unit：10-4/s，red for divergence area and blue for convergence area）during typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）
由此可見(jiàn)，臺(tái)風(fēng)環(huán)流與500 hPa 副高、阻高、西風(fēng)槽的相互作用、水汽輸送的差異、300 hPa 南亞高壓的位置強(qiáng)度和下游臺(tái)風(fēng)及急流的不同位置，對(duì)登陸后臺(tái)風(fēng)暴雨的強(qiáng)度和分布均有重要影響。
5 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸前后動(dòng)熱力結(jié)構(gòu)對(duì)比
本節(jié)分析臺(tái)風(fēng)自身的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)，研究其對(duì)降水分布和強(qiáng)度的重要影響。圖7a—c 和7d—f分別給出了臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”中心附近的溫度距平垂直剖面圖。剛登陸時(shí)，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”維持一個(gè)對(duì)稱且深厚的暖心結(jié)構(gòu)，中心位于250 hPa附近，最大溫度距平為6.1 ℃，是由水汽凝結(jié)釋放的潛熱加熱作用造成的[15]，而強(qiáng)的潛熱釋放反映了較強(qiáng)的降水；隨著臺(tái)風(fēng)“利奇馬”向北移動(dòng)，受下墊面摩擦影響，較強(qiáng)冷空氣從西側(cè)中高層逐漸侵入臺(tái)風(fēng)環(huán)流中，暖中心下降，結(jié)構(gòu)變得松散，降水強(qiáng)度減弱；之后暖中心向東偏離臺(tái)風(fēng)中心（見(jiàn)圖7c），臺(tái)風(fēng)中心位于冷暖空氣的分界處，此時(shí)的臺(tái)風(fēng)已經(jīng)具有“半冷半暖”的鋒面氣旋非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸時(shí)暖心比臺(tái)風(fēng)“利奇馬”弱得多（見(jiàn)圖7d），溫度距平梯度較臺(tái)風(fēng)“利奇馬”小，垂直方向上熱力不對(duì)稱，冷空氣從東側(cè)低層侵入；向北移動(dòng)過(guò)程中（見(jiàn)圖7e），暖中心下降，更多的西側(cè)冷空氣加入，結(jié)構(gòu)更松散，登陸山東前已經(jīng)出現(xiàn)鋒面氣旋的熱力不對(duì)稱特點(diǎn)。
圖7 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）的溫度距平場(chǎng)（單位：℃）沿臺(tái)風(fēng)中心的經(jīng)向垂直剖面（為臺(tái)風(fēng)中心所在位置）Fig.7 The meridional vertical profile of temperature anomaly field（unit：℃）crossing the typhoon center of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f，2005）（The triangle is the location of the typhoon center）
以上分析可知，登陸時(shí)臺(tái)風(fēng)“麥莎”的暖心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯弱于臺(tái)風(fēng)“利奇馬”，登陸后暖心逐漸遭到破壞，登陸山東前已經(jīng)出現(xiàn)鋒面氣旋的特征。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的暖心結(jié)構(gòu)維持時(shí)間更長(zhǎng)，減弱緩慢，東側(cè)的東南急流提供來(lái)自海洋的暖濕氣流，有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水，其凝結(jié)潛熱釋放使得暖心結(jié)構(gòu)得以長(zhǎng)時(shí)間維持，臺(tái)風(fēng)減弱緩慢。臺(tái)風(fēng)“麥莎”缺少低空急流的加入，是維持時(shí)間短和降水偏小的重要原因。
圖8是臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”的渦度、散度以及垂直速度沿臺(tái)風(fēng)中心的緯向剖面圖。渦度場(chǎng)上，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸時(shí)（見(jiàn)圖8a），中心渦度場(chǎng)維持一個(gè)深厚的垂直對(duì)稱結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度明顯比臺(tái)風(fēng)“麥莎”強(qiáng)，中心低層均為強(qiáng)輻合上升運(yùn)動(dòng)，達(dá)到400 hPa，強(qiáng)輻散區(qū)在200 hPa 附近，符合成熟臺(tái)風(fēng)的基本結(jié)構(gòu)；臺(tái)風(fēng)北移渦度隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的減弱而減?。▓D略），沿37°N 做緯向剖面（見(jiàn)圖8b），在臺(tái)風(fēng)“利奇馬”北側(cè)的強(qiáng)降水區(qū)上空發(fā)現(xiàn)一個(gè)隨高度向西傾斜的輻合區(qū)，與深厚而強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)疊加，向上達(dá)到400 hPa，甚至超過(guò)臺(tái)風(fēng)剛剛登陸時(shí)的強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)輻散區(qū)在300 hPa 附近，與300 hPa 高空急流入口區(qū)右側(cè)的強(qiáng)輻散相吻合。隨著臺(tái)風(fēng)“利奇馬”繼續(xù)向北移動(dòng)，中心附近低層輻合強(qiáng)度及范圍減小，仍然強(qiáng)于臺(tái)風(fēng)“麥莎”，上升運(yùn)動(dòng)依然旺盛，達(dá)到500 hPa，上空有明顯的輻散區(qū)。低層輻合上升和高空輻散流出的這種配置結(jié)構(gòu)在降水區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持，是造成極端暴雨的主要?jiǎng)恿σ蜃?。臺(tái)風(fēng)“麥莎”登陸時(shí)中心上空的渦度場(chǎng)分布均勻，散度場(chǎng)與垂直速度場(chǎng)呈明顯不對(duì)稱分布，除了臺(tái)風(fēng)中心低層輻合區(qū)外，另一個(gè)輻合中心在臺(tái)風(fēng)“麥莎”中心的東側(cè)與上升運(yùn)動(dòng)區(qū)疊加，產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流造成海上降水；隨著臺(tái)風(fēng)“麥莎”北上，渦度場(chǎng)減小，中心降低，淺薄的輻合區(qū)僅在臺(tái)風(fēng)中心存在，上升運(yùn)動(dòng)弱且向東遠(yuǎn)離臺(tái)風(fēng)中心，降水也向東偏離臺(tái)風(fēng)。因此登陸臺(tái)風(fēng)的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)的不同也是臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”降水分布特征不同的原因之一。
圖8 臺(tái)風(fēng)“利奇馬”（a—c，2019年）和臺(tái)風(fēng)“麥莎”（d—f，2005年）的垂直速度（單位：Pa/s，紅色線，負(fù)值代表上升運(yùn)動(dòng)）、渦度（單位：10-4/s，黑色線，實(shí)（虛）線為正（負(fù)）渦度）以及散度（單位：10-4/s，藍(lán)色部分為輻合區(qū)，綠色部分為輻散區(qū)）沿臺(tái)風(fēng)中心（b為沿37°N）的緯向-垂直剖面Fig.8 The zonal-vertical section along the typhoon center（b is along 37°N）of the vertical speed（unit:Pa/s,red line,negative values for rising），vorticity（unit：10-4/s，black line，solid for positive and dotted for negative）and divergence（unit:10-4/s,blue for convergence area and green for divergence area）of typhoon"Lekima"（a—c，2019）and typhoon"Matsa"（d—f,2005）
6 結(jié)論與討論
臺(tái)風(fēng)“利奇馬”和臺(tái)風(fēng)“麥莎”移動(dòng)路徑雖然相似，但在山東產(chǎn)生的降水強(qiáng)度和分布差異明顯。本文對(duì)兩個(gè)臺(tái)風(fēng)的降水分布特征、大氣環(huán)流形勢(shì)、水汽輸送、高空急流配置和動(dòng)熱力結(jié)構(gòu)變化的異同點(diǎn)進(jìn)行了分析。結(jié)論如下：
（1）大尺度環(huán)流差異是造成降水強(qiáng)度和分布差異的重要原因。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”與西風(fēng)帶深槽合并，有利于山東地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)降水，且降水分布偏向路徑西側(cè)；受下游臺(tái)風(fēng)“羅莎”阻擋，東北亞環(huán)流移動(dòng)緩慢停滯，提供了一個(gè)有利于降水長(zhǎng)時(shí)間維持的背景場(chǎng)。臺(tái)風(fēng)“麥莎”受深入西風(fēng)帶的強(qiáng)盛副高影響，登陸山東前降水稀少，登陸山東后受西南暖濕氣流影響，產(chǎn)生強(qiáng)降水，但移動(dòng)速度較快，降水不能長(zhǎng)時(shí)間維持，降水量偏小。
（2）低空急流差異是導(dǎo)致降水強(qiáng)度和分布差異的重要因素。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”北側(cè)的東南急流為降水區(qū)輸送充沛水汽和不穩(wěn)定能量，強(qiáng)水汽輻合中心在臺(tái)風(fēng)的西北側(cè)，因此極端降水落區(qū)在路徑的西側(cè)；而臺(tái)風(fēng)“麥莎”更多是自身環(huán)流夾帶的水汽，低層無(wú)急流，受海岸地形輻合影響，降水中心主要在路徑的東側(cè)。
（3）高空急流與臺(tái)風(fēng)的相對(duì)位置及其相互作用對(duì)降水有重要影響。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”高空急流入口區(qū)的次級(jí)環(huán)流造成的高空輻散低空輻合與臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)相疊加，形成深厚而強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致降水顯著增幅，也使臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)減弱變緩；臺(tái)風(fēng)“麥莎”沒(méi)有相應(yīng)的高空急流，上升運(yùn)動(dòng)淺薄。
（4）臺(tái)風(fēng)動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)的不同也是造成降水分布特征不同的原因之一。臺(tái)風(fēng)“利奇馬”東側(cè)的持續(xù)東南急流使暖心結(jié)構(gòu)得以長(zhǎng)時(shí)間維持，系統(tǒng)減弱緩慢，降水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；臺(tái)風(fēng)“麥莎”缺少低空急流的影響，移動(dòng)快，系統(tǒng)減弱快，降水偏小。另外，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”北側(cè)的強(qiáng)輻合中心與旺盛的上升運(yùn)動(dòng)疊加的區(qū)域與暴雨區(qū)一致，與高空急流入口區(qū)右側(cè)的強(qiáng)輻散相對(duì)應(yīng)；臺(tái)風(fēng)“麥莎”低層輻合區(qū)淺薄且上升運(yùn)動(dòng)弱。
本文主要用天氣學(xué)診斷分析的方法討論了影響山東的兩個(gè)路徑相似臺(tái)風(fēng)的降水差異，所做的研究還較為初步。影響臺(tái)風(fēng)降水落區(qū)和強(qiáng)度的問(wèn)題相當(dāng)復(fù)雜，今后還需通過(guò)更多觀測(cè)資料做中尺度分析診斷，并利用高分辨率數(shù)值模式進(jìn)行更多深入的研究。
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