秋季臺(tái)風(fēng)倒槽特大暴雨的對(duì)流特征和預(yù)報(bào)難點(diǎn)分析

范愛芬,彭霞云,婁小芬,王麗穎,傅良

(浙江省氣象臺(tái)，杭州 310057)

引言

臺(tái)風(fēng)暴雨一直是預(yù)報(bào)中的難點(diǎn)與重點(diǎn)，眾多學(xué)者研究表明冷空氣侵入臺(tái)風(fēng)倒槽或殘留低壓是引發(fā)秋季臺(tái)風(fēng)特大暴雨的主要原因(劉曉波等，2008；吳婷婷等，2009；何立富等，2009；蔣榮復(fù)等，2010；張建海和龐盛榮，2011；杜惠良等，2011；何秀戀等，2011；曹曉崗等，2014；陳蓮等，2015；王毅等，2019；沈杭鋒等，2020)。黃莉等(2018)對(duì)1980—2016年進(jìn)入廣西的秋季臺(tái)風(fēng)暴雨增幅的研究表明適當(dāng)?shù)睦淇諝庥绊懯乔锛九_(tái)風(fēng)暴雨增幅的主要因素，但冷空氣如何觸發(fā)暴雨增幅有待進(jìn)一步研究。臺(tái)風(fēng)倒槽特大暴雨往往伴有中尺度對(duì)流的發(fā)生發(fā)展，目前對(duì)倒槽暴雨的對(duì)流觸發(fā)機(jī)制還不是十分清楚。何立富等(2009)分析了秋臺(tái)風(fēng)“泰利”(0513)低壓大暴雨過程，認(rèn)為冷暖空氣的交匯導(dǎo)致邊界層能量鋒區(qū)明顯加強(qiáng)，激發(fā)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)生。王毅等(2019)對(duì)秋臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的研究表明，不同的大氣層結(jié)造成了中尺度對(duì)流特征和降水性質(zhì)的差異。郭宇光等(2018)的分析表明，秋臺(tái)風(fēng)“杜鵑”減弱過程中造成的寧波異常強(qiáng)降水是由“杜鵑”減弱后的外圍云系在加強(qiáng)西進(jìn)的副高邊緣通過對(duì)流發(fā)展引發(fā)。劉文婷和朱佩君(2015)分析了臺(tái)風(fēng)“麥得姆”(1410)北側(cè)對(duì)流雨帶的觸發(fā)過程，認(rèn)為初始對(duì)流在弱的對(duì)流不穩(wěn)定和條件對(duì)稱不穩(wěn)定下，由鋒面強(qiáng)迫和地形抬升共同觸發(fā)。

地形強(qiáng)迫與暴雨增幅緊密相關(guān)。陳聯(lián)壽等(2004)指出潮濕氣流向岸地形輻合將會(huì)使臺(tái)風(fēng)暴雨增長，雨區(qū)范圍擴(kuò)大。黃奕武等(2009)就地形對(duì)秋臺(tái)風(fēng)“羅莎”（0716）降水的影響分析表明，沿海地區(qū)過程降水量與地形呈顯著正相關(guān)。劉建勇等(2014)認(rèn)為淺薄冷空氣從低層侵人秋臺(tái)風(fēng)“菲特”殘留低壓的外圍環(huán)流，在沿岸地區(qū)形成海岸鋒，引發(fā)強(qiáng)降雨。董美瑩等(2017)分析了1971—2010年浙江TC倒槽暴雨的分布特征，發(fā)現(xiàn)浙江倒槽暴雨主要發(fā)生在寧波南部至溫州一帶沿海地區(qū)，暴雨中心位于臺(tái)州和溫州沿海。而2013年的“菲特”和2016年的“鲇魚”倒槽特大暴雨分別位于浙北地區(qū)和浙南地區(qū)，有必要進(jìn)一步分析原因。

另外，低空急流、水汽輸送和不穩(wěn)定能量也是導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)暴雨的重要因素(孫建華等，2006；林毅等，2007；趙宇等，2011；戴竹君等，2014；黃小丹等，2015；姚日升等；2018；范愛芬等，2017，2019；段晶晶等，2019)。本文將通過對(duì)三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)登陸后特大暴雨區(qū)的低空急流、水汽輸送、不穩(wěn)定能量、大氣層結(jié)和冷空氣影響以及引發(fā)浙江特大暴雨的中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展等研究，總結(jié)歸納出秋季臺(tái)風(fēng)倒槽特大暴雨的大尺度環(huán)流特征和中尺度對(duì)流的可能觸發(fā)因子。

1 “菲特”、“鮎魚”和“杜鵑”臺(tái)風(fēng)暴雨概況

“菲特”、“鮎魚”和“杜鵑”三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)登陸后的特大暴雨(24 h雨量≥250 mm)均出現(xiàn)在路徑右側(cè)數(shù)百公里外的臺(tái)風(fēng)倒槽處(圖1a—c)。倒槽強(qiáng)降水呈間歇性分布(圖1d—f)，余姚2013年10月7日、文成2016年9月28日和鎮(zhèn)海2015年9月29日24 h最 大雨量達(dá)367 mm、440 mm和314 mm。倒槽距減弱的臺(tái)風(fēng)中心有數(shù)百公里，在地面或850 hPa以下的低空伴有偏北向突起的低壓槽(圖4)，其中7日夜間“菲特”倒槽由其殘渦與東側(cè)“丹娜絲”雙臺(tái)風(fēng)環(huán)流共同構(gòu)成(圖4d)。

圖1 臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度和登陸后累計(jì)雨量及倒槽區(qū)域代表站的逐小時(shí)雨量演變(單位：mm)(a)“菲特”2013年10月7日02時(shí)—9日08時(shí)；(b)“鮎魚”2016年9月28日05時(shí)—29日13時(shí)；(c)“杜鵑”2015年9月29日09時(shí)—30日12時(shí)；(d)余姚站2013年10月6日20時(shí)—8日08時(shí)；(e)文成站2016年9月27日22時(shí)—29日10時(shí)；(f)鎮(zhèn)海站2015年9月29日02時(shí)—30日14時(shí)Fig.1 The track,intensity and accumulated rainfall(unit:mm)after landfall of typhoon“Fitow”,“Megi”and“Dujuan”,and hourly rainfall-time evolution of Yuyao,Wencheng and Zhenhai:(a)02∶00 BT 7 October-08∶00 BT 9 October 2013,(b)05∶00 BT 28 September-13∶00 BT 29 September 2016,(c)09∶00 BT 29 September-12∶00 BT 30 September 2015,(d)20:00 BT 6 October-08∶00 BT 8 October 2013,(e)22∶00 BT 27 September-10:00 BT 29 September 2016 and(f)02∶00 BT 29 September-14∶00 BT 30 September 2015.

“菲特”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)于2013年10月7日1時(shí)15分(北京時(shí)，下同)登陸福鼎沙埕鎮(zhèn)沿海后轉(zhuǎn)為西—西南方向移動(dòng)，并快速減弱。登陸后最強(qiáng)降雨出現(xiàn)在浙北、上海和江蘇東南地區(qū)(圖1a)，浙北和浙江沿海地區(qū)有13個(gè)縣(市、區(qū))日雨量超過當(dāng)?shù)厝沼炅繕O值。“鮎魚”和“杜鵑”臺(tái)風(fēng)分別于2016年9月28日4時(shí)50分和2015年9月29日8時(shí)50分登陸福建泉州惠安縣沿海和莆田秀嶼區(qū)沿海，登陸后“鲇魚”減弱緩慢，“杜鵑”快速減弱。“鲇魚”登陸后最強(qiáng)降雨出現(xiàn)在浙南地區(qū)(圖1b)，溫州和麗水地區(qū)日雨量破歷史記錄共有10站?！岸霹N”和“鮎魚”在路徑、登陸地點(diǎn)、登陸時(shí)間和登陸強(qiáng)度上高度一致，但降水量和空間分布差異大，無論是總雨量還是強(qiáng)降雨范圍，“杜鵑”均較“鮎魚”要小，但“杜鵑”減弱消亡期間仍給浙北東部地區(qū)帶來特大暴雨(圖1c)。

2 業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)難點(diǎn)

2.1 模式對(duì)倒槽降水預(yù)報(bào)明顯偏小

目前，數(shù)值模式對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)本體環(huán)流的降水預(yù)報(bào)能力提高較快，但對(duì)其登陸后的倒槽降水預(yù)報(bào)仍不理想。“菲特”和“杜鵑”都是登陸福建后快速減弱消亡的臺(tái)風(fēng)，登陸后8 h即減弱為熱帶低壓，低壓分別持續(xù)了2 h和4 h后停止編報(bào)。但在減弱消亡的過程中，它們的外圍倒槽均出現(xiàn)了降水加劇的現(xiàn)象，特別是“菲特”，降水加劇時(shí)間持續(xù)24 h以上，以致浙江北部地區(qū)、上海和江蘇東南地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨(圖2b、c)。分析業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中參考權(quán)重較大的EC模式對(duì)“菲特”的降雨預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)其對(duì)“菲特”本體環(huán)流造成的降水預(yù)報(bào)(東南沿海和浙江南部地區(qū))基本正確，但是對(duì)倒槽螺旋雨帶降水預(yù)報(bào)偏小(圖2a、d)；登陸后的倒槽降水預(yù)報(bào)(浙江北部地區(qū)至江蘇東南地區(qū))明顯偏小，其中“菲特”減弱為低壓后的倒槽特大暴雨基本漏報(bào)，模式繼續(xù)預(yù)報(bào)暴雨區(qū)位于“菲特”低壓環(huán)流北側(cè)(圖2e)，實(shí)況則是數(shù)百公里之外的浙江北部地區(qū)出現(xiàn)特大暴雨(圖2b)。“菲特”停止編報(bào)后，江蘇東南部至浙江中北部的東部地區(qū)出現(xiàn)的特大暴雨(圖2c)，模式預(yù)報(bào)的落區(qū)向西偏離了100多公里，量級(jí)偏小(圖2f)。EC模式對(duì)“杜鵑”本體環(huán)流降水的量級(jí)預(yù)報(bào)與實(shí)況較符，倒槽降水預(yù)報(bào)也明顯偏小?！磅R魚”登陸后強(qiáng)度減弱緩慢，從臺(tái)風(fēng)減弱為熱帶低壓用了17 h，低壓又持續(xù)了數(shù)小時(shí)才在江西境內(nèi)停止編報(bào)。浙江南部地區(qū)強(qiáng)降雨持續(xù)時(shí)間長，部分市、縣出現(xiàn)特大暴雨，EC模式對(duì)暴雨的落區(qū)預(yù)報(bào)基本正確，降水量預(yù)報(bào)明顯偏小，特大暴雨未能報(bào)出(圖略)。

圖2 2013年10月6日20時(shí)—7日08時(shí)(a)、7日08時(shí)—20時(shí)(b)和7日20時(shí)—8日08時(shí)(c)12 h實(shí)況雨量和起報(bào)時(shí)間為10月6日08時(shí)(d)、20時(shí)(e)和7日08時(shí)(f)的EC細(xì)網(wǎng)格模式對(duì)應(yīng)的12 h預(yù)報(bào)雨量Fig.2 The observed rainfall(a)from 20∶00 BT 6 October to 08∶00 BT 7 October,(b)from 08∶00 to 20∶00 BT 7 October and(c)from 20∶00 BT 7 October to 08∶00 BT 8 October,and EC numerical model 12 h forecast rainfall with start time at(d)08∶00,(e)20∶00 BT 6 October and(f)08∶00 BT 7 October.

2.2 中尺度對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)和持續(xù)

三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)倒槽特大暴雨均由中尺度對(duì)流的持續(xù)影響造成(圖3)?！胺铺亍焙汀磅R魚”減弱期間，有冷空氣影響，低空出現(xiàn)溫度鋒區(qū)，5個(gè)緯度之間的溫度差大于等于5℃(圖3a、b)，并伴有假相當(dāng)位溫θse和溫度冷平流(圖7b、圖9)，中尺度對(duì)流和強(qiáng)降雨范圍大，持續(xù)時(shí)間長(圖1a、b、d、e)?！岸霹N”減弱消亡期間，基本沒有冷空氣影響(圖3c)，中尺度對(duì)流范圍相對(duì)較小，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短(圖1f)。業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的最大難點(diǎn)是“杜鵑”停止編報(bào)后倒槽暖區(qū)對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)以及“菲特”和“鮎魚”減弱消亡期間，中尺度對(duì)流的長時(shí)間持續(xù)。下面著重對(duì)以下時(shí)段(“菲特”7日到8日上午、“鮎魚”28日下午到29日早晨、“杜鵑”29日夜里到30日早晨)特大暴雨的中尺度對(duì)流發(fā)生發(fā)展及其有利的大尺度環(huán)境開展研究分析。

圖3 “菲特”2013年10月7日14時(shí)(a)、“鮎魚”2016年9月28日20時(shí)(b)和“杜鵑”2015年9月29日20時(shí)(c)925 hPa溫度(等值線，單位∶K)、風(fēng)(風(fēng)向桿)和TBB(陰影，單位∶℃)分布Fig.3 925 hPa temperature(unit∶K),wind and TBB(unit∶℃)at(a)14∶00 BT 7 October 2013,(b)20∶00 BT 28 September 2016 and(c)20∶00 BT 29 September 2015.

圖7 “菲特”2013年10月7日08時(shí)850 hPa(a)和20時(shí)925 hPa(b)溫度(紅色線，單位∶℃)、風(fēng)和θse平流(陰影，單位∶K·s-1)Fig.7 Temperature(red line,unit∶℃),wind andθse advection(shade,unit∶K·s-1)at 850 hPa at(a)08∶00 BT and(b)925 hPa at 20∶00 BT 7 October 2013.

3 大尺度環(huán)流配置

副熱帶高壓(以下簡稱副高)、西南季風(fēng)和雙臺(tái)風(fēng)等大尺度環(huán)流的合理配置為三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)登陸后減弱消亡期間特大暴雨的產(chǎn)生提供了有利的水汽和動(dòng)力、熱力條件。特大暴雨發(fā)生在低空水汽通量輻合、θse大值區(qū)或鋒區(qū)以及大尺度強(qiáng)迫抬升的重疊區(qū)域。同時(shí)，減弱的臺(tái)風(fēng)中心附近也出現(xiàn)了類似的重疊現(xiàn)象(圖5)，這可能是大尺度模式預(yù)報(bào)強(qiáng)降雨出現(xiàn)在中心附近的主要原因，但中心附近的大氣層結(jié)不穩(wěn)定性弱，甚至接近中性，降水的對(duì)流性弱，未能出現(xiàn)特大暴雨(見4.2)。

圖5 “菲特”2013年10月7日08時(shí)(a)、14時(shí)(b)、20時(shí)(c)和“鲇魚”2016年9月28日14時(shí)(d)、20時(shí)(e)以及“杜鵑”2015年9月29日20時(shí)(f)925 hPa水汽通量輻合(陰影，單位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)、假相當(dāng)位溫θse(藍(lán)色線，單位:K)、風(fēng)(風(fēng)向桿)以及700 hPa垂直速度圖(紅色點(diǎn)線，單位：Pa·s-1)(圖c為850 hPa垂直速度)Fig.5 Water vapor flux convergence(shaded,unit:10-7g·cm-2·hPa-1·s-1)andθse(blue line,unit:K)at 925 hPa,wind and vertical velocity at 700 hPa(red line,unit:Pa·s-1)at(a)08∶00 BT,and(b)14∶00 BT,and(c)20∶00 BT 7 October 2013,and(d)14∶00 BT,and(e)20∶00 BT 28 September 2016,and(f)20∶00 BT 29 September 2015.

“鮎魚”登陸后，與西南季風(fēng)相連接的西南氣流持續(xù)強(qiáng)大，西南急流和東南急流共同向其輸送水汽和能量(圖4a)，水汽輻合和不穩(wěn)定能量在浙江南部地區(qū)長時(shí)間持續(xù)(范愛芬等，2019)。而“杜鵑”登陸后與西南季風(fēng)相連接的西南氣流明顯減弱，29日20時(shí)已基本脫離了西南季風(fēng)，主要由東南急流向其輸送水汽和能量，東南急流與偏東急流的輻合位于浙江中北部沿海地區(qū)(圖4b)。這是“鮎魚”和“杜鵑”路徑相似，登陸后降水分布出現(xiàn)差異的主要原因。但“杜鵑”減弱消亡期間，加強(qiáng)西伸的副高西南側(cè)東南急流持續(xù)強(qiáng)大，向浙江中北部沿海地區(qū)輸送水汽和能量，使該地區(qū)同樣具備出現(xiàn)特大暴雨的有利條件。與“鮎魚”、“杜鵑”不同，“菲特”沒有與西南季風(fēng)相連接，其東側(cè)是相距1 160 km以上的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”。雙臺(tái)風(fēng)環(huán)流與強(qiáng)大副高之間的東南偏東急流為“菲特”輸送充沛的水汽和能量。登陸后，隨著“丹娜絲”的偏北移動(dòng)，雙臺(tái)風(fēng)環(huán)流與強(qiáng)大副高之間的東南偏東急流逐漸北抬至浙江北部到江蘇(圖4c)，該東南偏東急流以及“丹娜絲”北側(cè)的偏東急流(圖4d)使浙江北部至江蘇東南地區(qū)的水汽和能量輸送得以持續(xù)。謝惠敏等(2016)的分析將“菲特”強(qiáng)降水分為二個(gè)階段∶第一階段，雙臺(tái)風(fēng)作用促成了降水的極端性，“丹娜絲”向降水區(qū)域輸送了約79%的水汽；第二階段，“丹娜絲”與冷空氣的共同作用導(dǎo)致了強(qiáng)降水，偏東氣流向降水區(qū)域輸送了73.5%的水汽。

圖4 “鮎魚”2016年9月28日14時(shí)(a)、“杜鵑”2015年9月29日20時(shí)(b，925 hPa水汽通量和風(fēng))和“菲特”2013年10月7日08時(shí)(c)、20時(shí)(d)500 hPa位勢(shì)高度(紅色線，單位：dagpm)、850 hPa水汽通量(陰影，單位g·(cm·hPa·s)-1)和風(fēng)場(chǎng)Fig.4 500 hPa geopotential height(red line,unit:dagpm)and 850 hPa vapor flux(shaded,unit:g·(cm·hPa·s)-1)and wind at(a)14∶00 BT 28 September 2016,(b)20∶00 BT 29 September 2015,(c)08∶00 BT 7 October 2013 and(d)20∶00 BT 7 October 2013.

圖5為925 hPa水汽通量輻合、θse和700 hPa垂直速度(其中，圖5c為850 hPa垂直速度)的水平分布。從圖中可以看出，“菲特”登陸后，低空水汽通量輻合、θse大值區(qū)和大尺度強(qiáng)迫抬升的重疊區(qū)由登陸點(diǎn)北側(cè)的浙江南部地區(qū)(圖5a)逐漸北抬至浙江北部到江蘇東南地區(qū)(圖5b)。7日20時(shí)江蘇東南地區(qū)是冷暖空氣交匯的θse密集鋒區(qū)(332～344 K)，鋒區(qū)前沿的浙江北部的東部地區(qū)θse超過344 K，水汽通量輻合中心增強(qiáng)到-12×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1以上，上升速度增強(qiáng)到-1.5 Pa·s-1以上(圖5c)。之后弱冷空氣繼續(xù)緩慢滲透，暖濕氣流進(jìn)一步西進(jìn)和北推，水汽和能量輸送持續(xù)并加劇(圖略)。7日白天至8日上午，在暖濕氣流北上和弱冷空氣緩慢南下的對(duì)峙過程中，水汽通量輻合、θse大值區(qū)或鋒區(qū)以及大尺度強(qiáng)迫抬升的重疊區(qū)在浙江北部至江蘇東南地區(qū)持續(xù)(圖5b、c)，導(dǎo)致該地區(qū)強(qiáng)降水長時(shí)間持續(xù)，特大暴雨發(fā)生(圖2b、c)。

“鮎魚”減弱期間，低空水汽通量輻合、θse大值區(qū)和大尺度強(qiáng)迫抬升的重疊區(qū)在浙江南部地區(qū)一直持續(xù)達(dá)24 h，且水汽充沛，不穩(wěn)定能量強(qiáng)(圖5d、e)。登陸后10 h的28日14時(shí)浙江南部地區(qū)θse達(dá)352 k以上，水汽通量及其輻合分別達(dá)到40 g·(cm·hPa·s)-1(圖4a)和-17×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1以上(圖5d)，致使溫州和麗水部分市縣日雨量超過歷史極值?！岸霹N”登陸后，隨著西南季風(fēng)的中斷，水汽和能量輸送明顯減弱。但浙江沿海地區(qū)受“杜鵑”殘渦與副熱帶高壓之間強(qiáng)大東南急流的影響(圖4b)，29日20時(shí)水汽通量輻合也達(dá)-10×10-7g·cm-2·hPa-1·s-1左右(圖5f)，350 K以上的θse持續(xù)，未來12 h特大暴雨位于水汽通量輻合與θse大值區(qū)以及大尺度強(qiáng)迫抬升的重疊區(qū)。“杜鵑”和“菲特”均在浙江北部地區(qū)產(chǎn)生暴雨，但相較“菲特”水汽通量輻合、θse大值區(qū)或鋒區(qū)以及大尺度強(qiáng)迫抬升在浙江北部地區(qū)的長時(shí)間持續(xù)，“杜鵑”主要集中在浙江中北部沿海地區(qū)，且持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，其降水范圍和累積雨量均較“菲特”小。

4 中尺度對(duì)流的發(fā)生發(fā)展

4.1 中尺度對(duì)流特征

“菲特”、“鮎魚”和“杜鵑”倒槽特大暴雨的對(duì)流特征明顯。一是雨強(qiáng)大，強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間長。省級(jí)氣象觀測(cè)站1 h最大雨量“菲特”和“鮎魚”達(dá)110 mm，“杜鵑”90 mm；特大暴雨區(qū)代表站小時(shí)雨量大于20 mm的累計(jì)持續(xù)時(shí)間達(dá)到或超過7 h(圖1d、e、f)。二是Tbb低于-32℃(圖3)。三是中心強(qiáng)度45 dBz以上的強(qiáng)回波單體呈帶狀分布，垂直發(fā)展高度超過5 km(圖略)。但對(duì)流的強(qiáng)度和特征有差異，“鮎魚”的對(duì)流發(fā)展最強(qiáng)，“菲特”相對(duì)弱一些，對(duì)流范圍和持續(xù)時(shí)間“杜鵑”相對(duì)較小和較短。“鮎魚”減弱期間，對(duì)流發(fā)展旺盛，浙江南部地區(qū)Tbb低于-55℃，最低達(dá)-65℃以上(圖3b)，回波結(jié)構(gòu)緊密，反射率梯度大，強(qiáng)度在45 dBz以上，中心強(qiáng)度55 dBz，回波帶上可判別出多個(gè)冰雹(范愛芬等，2019)?！胺铺亍睖p弱期間，Tbb大部在-35～-45℃(圖3a)之間，回波結(jié)構(gòu)松散，反射率梯度小，強(qiáng)度大部在35～45 dBz，但強(qiáng)回波單體強(qiáng)度達(dá)到50 dBz(圖8)?！岸霹N”倒槽對(duì)流范圍相對(duì)較小，主要集中在寧波地區(qū)，Tbb也低于-55℃(圖3c)，回波結(jié)構(gòu)松散，但反射率梯度大(圖10)，45 dBz回波高度達(dá)6 km(范愛芬等，2017)。

4.2 大氣層結(jié)和不穩(wěn)定條件

三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)減弱期間，特大暴雨只出現(xiàn)在路徑右側(cè)數(shù)百公里外的倒槽處，而非路徑附近，與大氣層結(jié)的不穩(wěn)定程度緊密相關(guān)?！胺铺亍?、“鮎魚”和“杜鵑”倒槽區(qū)域的θse和垂直速度剖面(圖6a—c)顯示500 hPa或600 hPa與邊界層θse的差值達(dá)-10 K以上，大氣層結(jié)不穩(wěn)定。而減弱的臺(tái)風(fēng)中心附近大氣層結(jié)不穩(wěn)定性較倒槽區(qū)域要弱得多(圖6d—f)，甚至接近于中性，導(dǎo)致其降水的對(duì)流性弱或?yàn)榉€(wěn)定性降水，降雨強(qiáng)度明顯弱于倒槽區(qū)域，未能出現(xiàn)特大暴雨?！胺铺亍焙汀磅R魚”減弱期間，均有冷空氣影響，但冷空氣影響的方式不盡相同，不同的大氣層結(jié)特征和不穩(wěn)定能量導(dǎo)致中尺度對(duì)流特征和強(qiáng)度不同。

“鮎魚”28日早晨在暖濕大氣(θse=352 K)中登陸閩中，強(qiáng)度減弱緩慢，登陸后繼續(xù)與西南季風(fēng)連接，浙江南部地區(qū)θse在352 K以上(圖5d)。而“菲特”登陸前有冷空氣(θse≤340 K)影響華東地區(qū)，7日凌晨登陸閩北時(shí)，福建除沿海地區(qū)θse為340 K外，其他大部θse在336~340 K之間(圖略)，在干冷的大氣中行進(jìn)，“菲特”強(qiáng)度快速減弱。登陸后，受低空東南暖濕氣流的持續(xù)影響，浙江大部地區(qū)θse≥344 K以上(圖5b)，較“鮎魚”低8 K以上。顯然，與“鮎魚”倒槽相比，“菲特”倒槽的不穩(wěn)定能量相對(duì)較弱，這是其對(duì)流發(fā)展不如“鮎魚”的原因之一。

“菲特”冷空氣從邊界層緩慢滲透(圖3a)，7日下午到夜里侵入倒槽暖濕空氣中，形成冷墊，低空暖濕氣流沿傾斜的“楔狀”冷墊爬升，大氣不穩(wěn)定性弱于“鲇魚”倒槽，大尺度上升運(yùn)動(dòng)區(qū)南北范圍大，相較“鮎魚”強(qiáng)迫抬升不夠深厚，最大上升區(qū)位于浙江北部到江蘇南部上空600—800 hPa(圖6a)。這是“菲特”減弱期間對(duì)流相對(duì)不強(qiáng)的又一重要原因。與“菲特”不同，“鮎魚”冷空氣除了從邊界層影響外(圖3b)，中空還有干冷空氣侵入，28日下午干冷空氣侵入浙江南部地區(qū)，其大氣層結(jié)為干冷空氣疊加在高能量的暖濕空氣上，600 hPa與近地層的θse相差-15 K，浙江南部地區(qū)的強(qiáng)迫抬升為深厚的垂直運(yùn)動(dòng)，且低空堆積了強(qiáng)大的不穩(wěn)定能量(圖6b)，強(qiáng)大深厚的上升運(yùn)動(dòng)穿越低空高能區(qū)，對(duì)流發(fā)展旺盛。

圖6 三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)倒槽和減弱臺(tái)風(fēng)中心的垂直速度(陰影，單位∶Pa·s-1)、θse(等值線，單位∶K)和v-ω合成矢量(ω放大10倍)垂直剖面:(a)7日20時(shí)沿121.5°E“菲特”倒槽剖面；(b)28日14時(shí)沿120.5°E“鮎魚”倒槽剖面；(c)29日20時(shí)沿121.5°E“杜鵑”倒槽剖面；(d)7日14時(shí)沿117.5°E”菲特”低壓剖面；(e)28日14時(shí)沿116.5°E“鮎魚”低壓剖面；(f)29日20時(shí)沿116.5°E“杜鵑”低壓剖面Fig.6 Vertical sections of vertical velocity(shaded,unit∶Pa·s-1),θse(red line,unit∶K)and v—ωcombined wind at typhoon inverted trough and weakening typhoon center(a)20∶00 BT 7 October 2013,(b)14∶00 BT 28 September 2016,(c)20∶00 BT 29 September 2015，(d)14∶00 BT 7 October 2013,(e)14∶00 BT 28 September 2016,and(f)20∶00 BT 29 September 2015.

“杜鵑”減弱消亡期間，低空暖濕層伸展至850 hPa以上，基本沒有冷空氣影響(圖3c)。但浙江中北部地區(qū)的東部500 hPa與850 hPa的θse的差值達(dá)-8 K以上(圖6c)；同時(shí)，副高西南邊緣與臺(tái)風(fēng)殘留低壓倒槽之間的850 hPa東南急流達(dá)16 m·s-1以上，低空θse不斷增強(qiáng)，29日下午到夜里達(dá)350 K以上，并在近地層沿海形成能量梯度區(qū)，呈南北向分布，與海岸線一致(圖略)。該地區(qū)29日20時(shí)之后中尺度對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展。

4.3 中尺度對(duì)流的可能觸發(fā)因子

朱乾根等(2000)認(rèn)為當(dāng)天氣尺度所形成的不穩(wěn)定環(huán)境條件已具備時(shí)，只要存在使大氣抬升的觸發(fā)條件，中尺度系統(tǒng)即可生成。由上分析可知，三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)登陸后減弱消亡期間，均具備天氣尺度所形成的不穩(wěn)定條件。下面的分析表明，它們的倒槽區(qū)域均具備使大氣抬升的觸發(fā)條件，包括低空切變、冷空氣、地面中尺度輻合以及地形強(qiáng)迫等。多個(gè)強(qiáng)迫因子的共同作用觸發(fā)了對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展和持續(xù)。

孫淑清等(1980)的研究認(rèn)為低空急流具有超強(qiáng)的非地轉(zhuǎn)性，有利于暴雨的發(fā)生。孫建華等(2006)的分析也表明低空急流對(duì)臺(tái)風(fēng)倒槽中尺度對(duì)流云團(tuán)的發(fā)展具有重要作用。三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)倒槽對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展均與低空急流及其輻合相對(duì)應(yīng)?！胺铺亍睖p弱期間，浙北至蘇南地區(qū)位于低空16 m·s-1以上東南急流與偏東、東北急流構(gòu)成的輻合區(qū)中(圖7)，中尺度對(duì)流持續(xù)(圖8)，雷達(dá)回波反射率顯示對(duì)流回波由海上向內(nèi)陸持續(xù)輸送?！磅R魚”減弱消亡期間，中尺度對(duì)流在西南、東南和偏東急流交匯的浙南地區(qū)以及東南與東北急流交匯的浙北地區(qū)持續(xù)(圖3b)?！岸霹N”停止編報(bào)后，925 hPa上14 m·s-1以上的東南急流與12 m·s-1的偏東急流在浙江中北部沿海構(gòu)成的切變輻合區(qū)同樣是未來12 h中尺度對(duì)流的發(fā)生發(fā)展地(圖3c)。

7日上午，“菲特”登陸后快速減弱，干冷平流到達(dá)江蘇東南地區(qū)，并滲透到安徽與浙西北交界處(圖7a)。之后弱冷空氣繼續(xù)滲透南下，與東南偏東急流攜帶的高能量暖濕氣流對(duì)峙，形成鋒區(qū)，倒槽頂部的上海至江蘇東南部、浙北東部地區(qū)分別位于鋒區(qū)內(nèi)和鋒前暖濕區(qū)中(圖7b)。在低空急流和輻合的強(qiáng)迫基礎(chǔ)上，受冷空氣(鋒區(qū))、地面中尺度輻合和地形強(qiáng)迫的共同觸發(fā)，浙北至江蘇東南地區(qū)中尺度對(duì)流持續(xù)發(fā)生發(fā)展(圖8)。

圖8 “菲特”2013年10月7日08時(shí)極大風(fēng)(箭頭)與10∶30雷達(dá)反射率(a，單位：dBz)；7日14時(shí)極大風(fēng)與15∶30雷達(dá)反射率(b)和8日02∶00極大風(fēng)與03∶10雷達(dá)反射率(c)Fig.8 1 h maximum wind at 08∶00 BT and reflectivity(unit:dBz)at 10∶30 BT 7，(b)1 h maximum wind at 14:00 BT and reflectivity at 15:30 BT 7，and(c)1 h maximum wind at 02∶00 BT and reflectivity at 03∶10 BT 8 October 2013.

地面加密觀測(cè)資料顯示，7日白天江蘇東南地區(qū)東北風(fēng)，杭州灣以南地區(qū)偏東風(fēng)(圖8a、b)(下午杭州灣西部出現(xiàn)偏北風(fēng))，小時(shí)極大風(fēng)速均為8～12 m·s-1；夜里江蘇東南地區(qū)東北風(fēng)增強(qiáng)到12～16 m·s-1,偏北風(fēng)南下到浙中東部地區(qū)(圖7c)，在偏東與東北、東北與偏北風(fēng)構(gòu)成的中尺度輻合(包括多條小尺度輻合線)、杭州灣喇叭口地形和浙北地區(qū)東北-西南走向的天目山脈和四明山脈山地強(qiáng)迫作用下，浙北至江蘇東南地區(qū)中尺度對(duì)流持續(xù)發(fā)展。7日白天江蘇東南部的鋒區(qū)內(nèi)帶狀回波，呈東北—西南分布；浙北地區(qū)的鋒前回波帶，呈西北—東南走向；與環(huán)境風(fēng)向一致，“列車效應(yīng)”明顯(圖略)。兩條對(duì)流回波帶的交接地浙西北地區(qū)回波最強(qiáng)，湖州地區(qū)并有山地強(qiáng)迫抬升影響，天荒坪水庫7日08—20時(shí)12 h雨量428 mm，接近平原雨量的4倍。寧波地區(qū)西面是四明山，西部山區(qū)地勢(shì)較高，東面臨海，北接杭州灣，南部是丘陵山地。在偏東大風(fēng)和東北大風(fēng)影響下，既有海岸強(qiáng)迫，又有山地強(qiáng)迫，暴雨強(qiáng)度與浙西北地區(qū)相當(dāng)，最強(qiáng)降雨出現(xiàn)在西部余姚和奉化山區(qū)，余姚梁輝水庫7日02時(shí)—8日02時(shí)雨量513 mm。

“鮎魚”減弱期間，浙南地區(qū)大氣極為不穩(wěn)定，中空有干冷空氣侵入，大尺度上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)大深厚(圖6b)。同時(shí)，低空有冷空氣緩慢南下，2016年9月28日下午925 hPa冷空氣前鋒到達(dá)江蘇與浙江交界地帶，冷平流侵入浙西和浙北地區(qū)(圖9a)，地處354 K以上高能舌中的浙南地區(qū)，受低空冷平流觸發(fā)和中空干冷空氣侵入的共同影響，有塊狀中尺度對(duì)流強(qiáng)烈發(fā)展。之后冷空氣進(jìn)一步南下，向浙南地區(qū)靠近，同時(shí)低空西南和東南急流在浙南地區(qū)持續(xù)交匯，在冷暖空氣的對(duì)峙過程中(圖9b)，鋒區(qū)前沿中尺度對(duì)流持續(xù)發(fā)展(圖3b)。另外，麗水地區(qū)和溫州西部復(fù)雜的山地強(qiáng)迫和中尺度輻合(圖略)也加劇了對(duì)流的發(fā)展和持續(xù)，最強(qiáng)降水位于溫州西部文成山區(qū)，文成朱雅社區(qū)28日05時(shí)—29日05時(shí)雨量584 mm，12 h最大雨量超過400 mm。

圖9 2016年9月28日14時(shí)(a)和20時(shí)(b)925 hPa溫度平流(陰影,單位:10-5 K·s-1)、風(fēng)和θse(紅色線，單位:K)Fig.9θse(red line,unit:K),wind and temperature advection(shaded,unit:10-5 K·s-1)at 925 hPa at(a)14∶00 BT and(b)20∶00 BT 28 September 2016.

“杜鵑”減弱期間，中尺度對(duì)流在邊界層?xùn)|南急流與偏東急流輻合造成的動(dòng)力強(qiáng)迫基礎(chǔ)上，受海岸強(qiáng)迫和地面中尺度輻合的共同觸發(fā)而強(qiáng)烈發(fā)展(圖10)。地面加密觀測(cè)資料顯示29日夜里浙中北沿海出現(xiàn)12 m·s-1以上的東南大風(fēng)，最強(qiáng)達(dá)16 m·s-1以上,杭州灣北岸以及四明山東側(cè)的寧波地區(qū)存在多條中小尺度輻合線。19時(shí)杭州灣及其北岸的嘉興地區(qū)12 m·s-1以上的東南風(fēng)與東北風(fēng)之間的中尺度切變上有一中心強(qiáng)度大于45 dBz的中尺度對(duì)流系統(tǒng)加強(qiáng)發(fā)展,同時(shí)寧波地區(qū)受地面中尺度輻合觸發(fā)，有中心強(qiáng)度45 dBz的南北向狹窄帶狀回波發(fā)展(圖10a)。之后，隨著沿海東南大風(fēng)的持續(xù)，海岸強(qiáng)迫加強(qiáng)，并與地面中尺度輻合強(qiáng)迫共振，對(duì)流發(fā)展最為旺盛，半夜前后，浙中北沿海地區(qū)對(duì)流連成一線(圖10b)，45 dBz回波高度達(dá)6 km左右，寧波地區(qū)小時(shí)最大雨量為90 mm。隨著東南暖濕氣流的持續(xù)北上，杭州灣北岸的東北風(fēng)逐漸被東南風(fēng)替代，中尺度對(duì)流消亡；而寧波地區(qū)受地面中尺度輻合和海岸強(qiáng)迫的共同影響，中尺度對(duì)流持續(xù)發(fā)展(圖10c、d)，環(huán)境風(fēng)場(chǎng)與回波帶走向基本一致，回波帶較長，反射率梯度大，通過同一地區(qū)的強(qiáng)回波較多，特大暴雨發(fā)生，最強(qiáng)降雨出現(xiàn)在寧波沿海地區(qū)，鎮(zhèn)海站29日20時(shí)—30日8時(shí)12 h雨量276 mm。

圖10 “杜鵑”2015年29日19時(shí)(a)、30日00時(shí)(b)、30日03時(shí)(c)和30日05時(shí)(d)地面1 h極大風(fēng)和杭州雷達(dá)0.5度仰角反射率因子(陰影，單位：dBz)Fig.10 One hour maximum surface wind and radar reflectivity of 0.5°elevation(shaded,unit:dBz)at(a)19∶00 BT 29 September,(b)00∶00 BT 30 September,(c)03∶00 BT 30 September,and(d)05∶00 BT 30 September 2015.

5 結(jié)論

本文通過對(duì)秋季臺(tái)風(fēng)“菲特”、“鲇魚”和“杜鵑”登陸后倒槽特大暴雨的大尺度環(huán)流特征和中尺度對(duì)流的可能觸發(fā)因子進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)副高、西南季風(fēng)和雙臺(tái)風(fēng)等大尺度環(huán)流的合理配置為三個(gè)秋季臺(tái)風(fēng)倒槽特大暴雨的產(chǎn)生提供了極為有利的水汽和動(dòng)力、熱力條件。特大暴雨發(fā)生在低空水汽通量輻合、θse大值區(qū)或鋒區(qū)以及大尺度強(qiáng)迫抬升的重疊區(qū)域。臺(tái)風(fēng)倒槽區(qū)域和減弱的臺(tái)風(fēng)中心附近均出現(xiàn)了水汽輻合、θse和強(qiáng)迫抬升的持續(xù)，大尺度模式往往將強(qiáng)降水預(yù)報(bào)在減弱的臺(tái)風(fēng)中心附近，實(shí)況是特大暴雨出現(xiàn)在層結(jié)不穩(wěn)定性強(qiáng)的倒槽區(qū)域，業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)需特別關(guān)注大氣層結(jié)的不穩(wěn)定程度。

(2)“菲特”倒槽和“鮎魚”倒槽均有冷空氣影響，在冷空氣南侵的同時(shí)，暖濕氣流北上，在冷暖空氣的對(duì)峙過程中，中尺度對(duì)流長時(shí)間持續(xù)。但它們的冷空氣影響方式、大氣層結(jié)特征和不穩(wěn)定能量有差異，中尺度對(duì)流的強(qiáng)度和特征不同?！磅R魚”減弱期間，浙南地區(qū)邊界層θse為352 K以上，中空干冷空氣疊置在低空鋒前高溫高濕區(qū)上，觸發(fā)深厚的垂直上升運(yùn)動(dòng)，中尺度對(duì)流呈塊狀分布，發(fā)展旺盛?！胺铺亍睖p弱消亡期間，邊界層θse低于348 K，冷空氣僅從低空南下，暖濕氣流在冷墊上爬升，觸發(fā)傾斜上升運(yùn)動(dòng)，中尺度對(duì)流呈片狀分布，相較“鮎魚”發(fā)展相對(duì)弱一些。但中尺度對(duì)流長時(shí)間在相同地點(diǎn)持續(xù)，其暴雨強(qiáng)度與“鮎魚”相當(dāng)?！岸霹N”倒槽基本沒有冷空氣影響，但浙中北沿海地區(qū)處于592 dagpm副高西伸脊的西南邊緣，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，在低空切變、地面中尺度輻合和海岸強(qiáng)迫的共同觸發(fā)下，中尺度對(duì)流發(fā)生發(fā)展，海岸強(qiáng)迫和地面中尺度輻合共振時(shí)，對(duì)流發(fā)展強(qiáng)烈。

(3)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)需特別關(guān)注臺(tái)風(fēng)倒槽的對(duì)流強(qiáng)度、特征和持續(xù)時(shí)間，抓住中尺度對(duì)流的可能觸發(fā)因子。如寧波、溫州和湖州地區(qū)地勢(shì)特殊，不同的風(fēng)向造成的地形強(qiáng)迫不同，對(duì)流的強(qiáng)度和特征及強(qiáng)降水落區(qū)不同，需時(shí)刻注意地面加密觀測(cè)的風(fēng)向風(fēng)速變化，結(jié)合實(shí)況降水，及時(shí)訂正已經(jīng)出現(xiàn)偏差的倒槽降水預(yù)報(bào)。