1822號臺風“山竹”引起浙江東北部大暴雨成因分析

方艷瑩，錢燕珍，申華羽，呂勁文，薛國強

（1. 寧波市氣象服務中心，浙江寧波315012；2. 寧波市氣象災害應急預警中心，浙江寧波315012；3. 寧波市氣象臺，浙江寧波315012）

1 引言

臺風是造成浙江地區(qū)暴雨災害的重要天氣系統(tǒng)。臺風源自海洋，是復雜海氣相互作用的產(chǎn)物[1]。按臺風中心和暴雨落區(qū)的相對位置，臺風暴雨可分為臺風本體暴雨和臺風遠距離暴雨[2-3]。臺風遠距離暴雨具有降雨量大、突發(fā)性強和降水時段集中等特點[4]，在實際預報服務中難度很大。近幾十年來，臺風遠距離暴雨研究取得不少新成果，一些研究表明，臺風遠距離暴雨常與西風槽以及北方冷空氣南下等有關[5-6]。在有利的大尺度環(huán)流背景下，中小尺度系統(tǒng)活動尤其是中尺度對流云團在臺風倒槽內(nèi)發(fā)展是造成遠距離暴雨的一個重要原因[7]。劉文婷[8]通過研究1410號臺風“麥德姆“，指出在對流不穩(wěn)定以及弱的條件對稱不穩(wěn)定環(huán)境下，對流單體可能會沿著輻合線爆發(fā)造成暴雨；由于秋季冷空氣逐漸開始活躍，高安寧等[9]認為秋臺風在暖濕氣流和入侵的冷空氣影響下形成輻合，導致溫濕度梯度增大，促進了中尺度對流的發(fā)生和發(fā)展，對暴雨起到增強作用；黃莉等[10]認為秋季適當冷空氣的入侵對臺風暴雨有明顯的增幅作用。另外，蔣尚城等[11-12]認為，臺風東側(cè)低空急流在中低緯度系統(tǒng)相互作用引發(fā)的暴雨中起重要作用；當臺風外圍出現(xiàn)東南急流，同時地面有波動發(fā)展時，應警惕暴雨的發(fā)生[13-14]。當然水汽輸送對臺風暴雨也很重要，源源不斷的水汽輸送有利于臺風環(huán)流的維持及雨帶中對流活動的加強，從而促進暴雨的發(fā)展[15-17]。以上工作從不同角度給出了遠距離臺風暴雨，特別是秋季遠距離臺風暴雨的形成原因及相關分析方法。

1949—2017年登陸我國廣東的秋臺風（9—11月）共有70 個，平均每年1 個左右。期間引起浙江東北部較大范圍出現(xiàn)50 mm 以上降雨量的共有10 個臺風，占秋季登陸廣東臺風的14%，相當于每20 a出現(xiàn)3個，屬于小概率事件。其中有7個造成了區(qū)域性大暴雨，包括最近10 a出現(xiàn)的3個，表明與此類臺風相關的浙江大暴雨事件有增多趨勢。由于此類過程累積雨量往往較大，再加上當時已進入汛期尾聲，當?shù)厮畮煨钏容^豐沛，防汛壓力大，對雨量預報要求高，所以預報服務的難度非常高。

本文利用自動站常規(guī)資料、衛(wèi)星云圖以及美國國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NECP）的1°×1°再分析資料等，對1822號南海臺風“山竹”登陸廣東減弱期間浙江東北部出現(xiàn)大暴雨的成因進行診斷分析，以期了解此次大暴雨過程的觸發(fā)機制和物理過程，并對以后類似暴雨過程的預報有所幫助和啟發(fā)。

2 “山竹”概況和浙江雨情

2.1 “山竹”概況

2018 年第22 號 臺 風“山竹”于9 月16 日17 時（北京時，下同）前后以強臺風在廣東省江門市臺山沿海登陸，登陸時中心附近最大風力14級（45 m/s），登陸后往西北偏西方向移動，強度逐漸減弱，17 日20 時停止編報。“山竹”是當年登陸我國的最強臺風，具有范圍大、強度強和臺風倒槽明顯等特征。

2.2 雨情

浙江東北部部分地區(qū)于16 日下午開始出現(xiàn)陣雨，17 日下午雨漸止，強降水集中時段出現(xiàn)在16 日夜里—17日中午前后。16日16時—17日16時浙江東北部普遍出現(xiàn)了暴雨（見圖1a），其中嘉興和寧波普降大暴雨。嘉興面雨量122.2 mm，最大為海寧223.9 mm，雨量超過200 mm 有3 個站，超過100 mm有74個站；寧波面雨量113.9 mm，最大為象山麥地山294.6 mm，雨量超過250 mm 有2 個站，超過200 mm有16 個站，超過100 mm 有193 個站。本次過程有降水集中、雨強強和雨量大等特點。

小時雨量分布圖表明16 日23 時起海寧站降水開始增強（見圖1b），一直到17 日04 時前后雨勢減弱，小時雨強在20 mm 以上的強降雨持續(xù)了4 個多小時，其中17 日01—02 時小時雨強達94.2 mm。強對流云團東南移后，17 日白天寧波中北部普遍出現(xiàn)1 h 雨強超過20 mm 的短時強降水，象山麥地山站10—13時3 h累計降水279.8 mm（見圖1c）。可見雨強特別強。

圖1 2018年9月16日16時—9月17日16時浙江省雨情與地區(qū)雨量分布

2.3 降水性質(zhì)分析

本次強降水過程伴有雷電（見圖2a）。9月16日16 時—17 日16 時，嘉興共發(fā)生雷電1 372 次，其中正地閃116 次，負地閃1 256 次，閃電主要發(fā)生在17日00—03 時，3 h 共發(fā)生閃電872 次；寧波共發(fā)生雷電6 733 次，其中正地閃1 213 次，負地閃5 520 次，從17 日02 時起開始增多，13 時以后明顯減少，其中17日09—13時，4 h共發(fā)生閃電4 379次。強雷電的發(fā)生區(qū)域、集中活動期和強降水出現(xiàn)的時間以及落區(qū)基本一致，表明此次強降水過程和對流系統(tǒng)的活動相關性較大。

9月17日02時海寧站1 h雨強達94.2 mm，12時象山麥地山站1 h 雨強達180.8 mm。分別對海寧站17 日02 時（見圖2b）及象山麥地山站17 日12 時（見圖2c）0.5°仰角雷達回波作垂直剖面，由圖可見，海寧站附近最強回波達52 dBz，象山麥地山站附近最強回波達60 dBz 以上，兩者的回波頂高均超過0 ℃線甚至超過了-20 ℃線，達到了強對流的回波高度，兩個站強回波的出現(xiàn)時間也和閃電頻數(shù)的時間分布相對應，進一步表明本次過程是對流性質(zhì)的降水。

3 暴雨成因分析

浙江東北部的暴雨出現(xiàn)在距離1822 號臺風“山竹”1 500 km 以外的地方，那么這個暴雨是否與臺風活動有關？我們先從相對直觀的云圖進行分析。

3.1 對流云團

圖2 強降水時段內(nèi)降水性質(zhì)分析

從風云2E 衛(wèi)星紅外1 通道的黑體亮度溫度（Black Body Temperature，TBB）可見（見圖3），“山竹”范圍大，南北長約14 個緯距，東西寬約12 個經(jīng)距。16 日下午起寧波西南側(cè)“山竹”倒槽東北部有分散性對流云團產(chǎn)生（圖略），16日20時浙江北部有一明顯強對流云團（見圖3a），最強云頂亮溫達到-70 ℃以下，隨后強對流云團緩慢南壓；17 日02 時強對流云團位于嘉興南部、杭州灣地區(qū)以及寧波東北部（見圖3b）；17 日08 時強對流云團位于寧波、舟山及其以東海面上（見圖3c），強度略有減弱，最強云頂亮溫在-60 ℃以下，寧波慈溪、鎮(zhèn)海、北侖等地在08 時前后均出現(xiàn)了1 h 超過30 mm 的短時強降水，鎮(zhèn)海站小時雨強超過10 mm 的時間達5 h；17 日14時強對流云團主體已南壓至臺州附近（見圖3d），該對流云團最強云頂亮溫達到了-70 ℃，臺州北側(cè)的寧海和象山在10—13時受該強對流云團影響，出現(xiàn)了強降水和強雷電，象山站2 h 最大雨強達到了175.4 mm；17 日16 時之后，浙江東北部強降水過程基本結束。云圖分析可見，對流云團先是在“山竹” 外圍東北側(cè)生成，隨著“山竹”的西移，對流云團逐漸脫離臺風外圍云系，并向東南方向移動，先加強后減弱。

從以上分析可見對流云團的發(fā)生與“山竹”外圍云系有一定的關聯(lián)，隨著“山竹”的西移，其他系統(tǒng)又造成了云團進一步發(fā)展和往東南方向移動，那么影響系統(tǒng)具體有哪些呢？

3.2 影響系統(tǒng)

3.2.1 副高

李春虎等[18]研究認為西行臺風和副熱帶高壓（以下簡稱“副高”）的相互作用會使副高的中心位置西伸，強度增強。9 月13 日起我國中東部大部分地區(qū)都受副高控制，16 日08 時500 hPa（圖略）副高呈塊狀，脊線在30°N 附近，最西伸至108°E 附近，一直到17日（見圖4），浙江東北部都處于副高控制下。持續(xù)副高控制下，浙江東北部以晴熱天氣為主，氣溫較高，能量積聚明顯。

3.2.2 臺風倒槽

從地面圖上分析，“山竹”北側(cè)有臺風倒槽發(fā)展，特別是東北側(cè)倒槽發(fā)展旺盛，9 月16 日14 時倒槽北伸至江蘇南部（圖略），浙江東北部位于倒槽東北側(cè)，有明顯的東南急流輸送和風向輻合。從臺風倒槽的位置分析，暴雨區(qū)位于倒槽東北側(cè)，與臺風有一定的關聯(lián)。隨著“山竹”登陸并西移，17日倒槽減弱。

3.2.3 冷空氣

9月16日河套以東有高空槽東移，16日20時浙江東北部500 hPa 以西南風為主（見圖4a），17 日08時（見圖4b），浙江東北部500 hPa 轉(zhuǎn)為西偏北風向，江蘇大多為西北風向，說明有弱冷空氣滲透。700 hPa 環(huán)流形勢（圖略）和500 hPa 相似。850 hPa 上，17日08時浙江與江蘇交界處有東西向的弱輻合帶，是西北風和西偏南風的輻合，浙江東北部的強降水區(qū)域正好位于該輻合線的南側(cè)。地面上16 日夜里弱冷空氣擴散南下，地面輻合生成并發(fā)展，本次強降水過程也與該系統(tǒng)的觸發(fā)有關。

分析實況地面流場圖，16日20時嘉興海寧附近有一偏西氣流和東南氣流形成的輻合中心（見圖5a）。隨著弱冷空氣的滲透，23 時該處有偏北氣流和東南氣流的輻合（見圖5b），17 日05 時在寧波的鎮(zhèn)海和北侖附近出現(xiàn)了偏北氣流和偏南氣流形成的輻合中心（見圖5c），08 時輻合中心南壓至象山港附近，且輻合有所加強，12 時以后影響浙江東北部的中尺度輻合明顯減弱。地面輻合的發(fā)展減弱比雨勢的增大和減小提前了1～3 h左右。

由影響系統(tǒng)分析可見，在前期副高控制的浙江東北部，連續(xù)晴熱積聚了能量；“山竹”倒槽東北側(cè)的對流云團在沿海高濕高能區(qū)域有所發(fā)展；弱冷空氣的侵入使得低層輻合加強，造成了對流云團的進一步發(fā)展，強降水是由這些系統(tǒng)先后影響共同造成的。

4 物理量診斷

4.1 穩(wěn)定度和能量條件

4.1.1 探空物理量

圖4 不同時刻形勢場圖（紅色虛線：500 hPa溫度場，單位:℃；紫色實線：500 hPa高度場，單位：dagpm；棕色實線：圖a為500 hPa槽線、圖b為850 hPa切變線；風向桿：500 hPa風場）

圖5 不同時刻地面流場圖

表1 2018年9月16日08時—9月17日08時探空物理量

對流云團的發(fā)生、發(fā)展還可以從本次降水過程的環(huán)境物理量特征中得到印證（見表1）。9 月16 日08 時—9 月17 日08 時嘉興和寧波抬升指數(shù)（Lifted Index，LI）在-3～-4 ℃，有較明顯的條件性不穩(wěn)定度；而K指數(shù)普遍在32 ℃以上，尤其是16日20時和17 日08 時均在35 ℃以上，超過了本地強對流發(fā)生發(fā)展的閾值，表明降水過程中大氣層結有明顯的不穩(wěn)定性。16 日08 時嘉興和寧波的對流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）值均在1 500 J/kg 左右，16 日20 時嘉興增至1 809 J/kg，寧波增至1 687 J/kg，表明16 日白天CAPE 積聚，為對流性天氣的發(fā)生、發(fā)展提供了有利條件，該指標對暴雨的預報有12 h左右的提前量。

4.1.2 假相當位溫θse分布

“山竹”登陸前，江南大部地區(qū)由副高控制，氣溫較高，能量得以積聚。從925 hPa 上假相當位溫（θse）的水平分布來看，16日14時江蘇到蘇浙交界處有θse密集帶（見圖6a），基本呈東北-西南向分布，在密集帶西北側(cè)θse較低，有干冷空氣；在其東南側(cè)θse較高，有暖濕氣流，θse密集帶的存在表示有弱的干冷空氣向臺風倒槽侵入；同時，θse密集帶也代表了能量鋒的形成，由于能量鋒有利于對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展，因此沿著θse密集帶有出現(xiàn)強降水的可能[19]。浙江東北部此時位于該θse密集帶前方高值區(qū)中心，這階段有不穩(wěn)定能量積聚，之后該θse密集帶逐漸往南移，促使浙江東北部低層的暖濕空氣抬升，導致降水過程增強；浙江東北部地區(qū)一直到17日02 時θse都普遍在350 K 以上，能量較高，此后，θse逐漸減小，925 hPa 上θse的增大和減小，比雨勢的增大和減小提前了12h左右。

沿121°E，做28°～35°N 之間的θse垂直剖面圖。由圖6b 可見，16 日14 時850 hPa 以下的長江以南地區(qū)有明顯的θse密集帶，浙江東北部高溫、高濕，淮河流域有干冷空氣向南推進，促進了對流的生成和發(fā)展，并引起強降水；20 時（圖略）該θse密集帶有所減弱，17日02時（圖略）θse密集帶南移并繼續(xù)減弱。垂直剖面上θse密集帶的強弱變化比雨勢增減提前了12 h左右。

4.1.3 濕位渦分析

大暴雨的發(fā)生、發(fā)展常伴有氣旋性垂直渦度的迅速增大[20]，因此研究氣旋性垂直渦度的變化可以更好地了解暴雨成因。不考慮ω 的水平變化，濕位渦（Moist Potential Vorticity，MPV）在P 坐標系中的表達式為[21]：

式中：ζ 為絕對渦度矢量；f 為科氏參數(shù)；θe為相當位溫。第一項（MPV1）包含了慣性穩(wěn)定性( ζ + f )

圖6 2018年9月16日14時θse分布（單位：K）

沿著121°E 做濕位渦垂直剖面，在臺風“山竹” 登陸之前，600 hPa 以下24°～33°N 的我國東南沿海MPV1 均為負值，登陸前后大的負值中心在26°N 附近，最小值可達-1.0 PVU（圖略），隨后MPV1負值中心向北移動，強度略有減弱。17 日02 時30°N 附近中低層MPV1 有弱的負值（見圖7a），表明有對流不穩(wěn)定能量，若有低層輻合，將促進上升運動的發(fā)展，在臺風環(huán)流水汽輸送的配合下，有利于對流性降水的發(fā)生、發(fā)展；700 hPa 以下的低層，MPV2 值為正（見圖7b），氣旋性垂直渦度得以增長，此時正是嘉興海寧降水最強時段。17 日08 時30°N 附近MPV1的負值區(qū)范圍有所擴大（見圖7c），高度有所增加，MPV2 仍為正值，因此強降水維持。17 日14 時，MPV1 負值中心移至30°N 附近800 hPa 高度上，且值有所增大，主要是由于副高西伸北抬，此時降水逐漸減弱停止，氣溫上升，大氣層結不穩(wěn)定，而在這一時段內(nèi)MPV2 大值中心略有南移（見圖7d），在29°N 附近的低層有弱的正值中心，寧波象山地區(qū)（約29.5°N 附近）剛經(jīng)歷了2～3 h 的持續(xù)強降水，與上文所提強降水過程有東南移的特點一致。由上文可知，濕位渦能較好的診斷和預報暴雨過程。

4.2 水汽及來源分析

圖7 2018年9月17日不同時刻濕位渦沿121°E經(jīng)向垂直剖面圖（單位：PVU，1 PVU＝10-6 m2·K/（s·kg））

圖8 不同時刻以寧波為中心不同高度48 h水汽后向軌跡（紅色實線：約900 hPa；藍色實線：約850 hPa；綠色實線：約700 hPa；黃色實心圓：臺風中心位置，圖a為9月14日20時，圖b為9月15日08時）

為了分析本次大暴雨過程的水汽來源，應用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic Atmospheric Administration，NOAA）等開發(fā)的混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模式（HYbrid Single -Particle Lagrangian Integrated Trajectory，HYSPLIT-4）和全球資料同化系統(tǒng)（Global Data Assimilation System , GDAS）資料[24-25]，對2018 年9 月16 日20 時和9 月17 日08 時寧波逐小時的48 h 后向水汽源軌跡進行分析（見圖8）。由圖可見，本次大暴雨發(fā)生前和發(fā)生時的低層水汽源均來自于臺風中心位置的東側(cè)，且隨著臺風的西移，水汽源位置也逐漸西移，說明本次大暴雨過程中水汽來源和臺風有關。

持續(xù)不斷的水汽供應是暴雨形成的重要條件，取本次強降水區(qū)域范圍：28°～31°N，119°～123°E，計算該時段該區(qū)域4個方向截面（1 000 hPa和100 hPa）的水汽通量收支。計算公式如下（東、南、西、北4個方向的水汽通量收支分別用Fe、Fs、Fw、Fn表示，總的用F表示）[26-27]：

式中：P0為100 hPa，Ps為表面氣壓，λ為經(jīng)度，φ為緯度；總的水汽通量收支公式為：

圖9 所選區(qū)域4個邊界面水汽水平通量及其總和（1 000～100 hPa積分）

正值表示該區(qū)域水汽流入，負值表示該區(qū)域水汽流出。圖9 中各線是所選區(qū)域4 個方向水汽水平通量及其總和。從圖9可以看到水汽流入總量比較充沛，16 日08—20 時水汽呈遞增趨勢，20 時水汽流入達最大值，約40×104g/（cm·hPa·s）左右，此后水汽流入總量逐漸下降，17日02—08時有一個快速減小過程，此后呈緩慢波動減小趨勢；17日0時起降水逐漸增強，而浙江東北部的強降水在17 日13 時之后減弱，16時基本結束。16日“山竹”靠近并登陸我國，由于其位于整個關注區(qū)域的南側(cè)，南側(cè)水汽流入逐漸增多，16日20時之后成為水汽來源最多的地方，最大值超過50×104g/（cm·hPa·s）；東側(cè)水汽在“山竹”登陸后迅速減少，從早期的60×104g/（cm·hPa·s）以上減少至10×104g/（cm·hPa·s）以下；北側(cè)和西側(cè)主要是水汽輸出，較穩(wěn)定的輸出在10～20×104g/（cm·hPa·s）左右。

圖10 不同時刻850 hPa水汽通量（彩色陰影）、水汽通量散度（彩色陰影）及風場（風向桿）

通過分析可知，水汽收入主要來自關注區(qū)域的東面和南面，水汽來源主要來自臺風環(huán)流，偏東和偏南氣流的輸入對浙江東北部的強降水起了很大作用，水汽的增減比雨勢的增減有12 h左右的提前。

通常情況下，水汽通量和水汽通量散度能較好地反映水汽大小、輸送方向及輻合情況，強降水的持續(xù)也和急流有較好的相關性[28]。16日14時，“山竹” 及其倒槽所在區(qū)域水汽通量值較大（圖略），浙江大部分地區(qū)在臺風外圍環(huán)流中，浙江和福建交界處有一水汽通量大值區(qū)，最大值可達28 g/（cm2·hPa·s）。圖10a是9月16日20時850 hPa的水汽通量分布，浙江處于東南風急流中，閩浙交界處的水汽通量大值區(qū)已有所北抬，強度略有減弱，最大值達到20 g/（cm2·hPa·s），輸送到浙江東北部的水汽通量在8～16 g/（cm2·hPa·s）左右；17 日00 時前后強降水過程開始，17 日02 時（圖略）該處水汽通量仍維持較大值，東南氣流的持續(xù)輸入是造成強降水的原因之一，17 日08 時（圖略）水汽通量值開始迅速減小，14時浙江東北部水汽通量基本在4 g/（cm2·hPa·s）以下（見圖10b），強降水過程已經(jīng)減弱并趨于結束。

9 月16 日20 時，浙江東北部850 hPa 的水汽通量散度也出現(xiàn)了一個弱的負值中心（見圖10c），極小值約為-4×10-5g/（cm2·hPa·s），且還有東南風的風速輻合（藍色橢圓形內(nèi)），這都有利于水汽的輻合；17 日08 時寧波地區(qū)水汽通量散度極值達到了-6×10-5g/（cm2·hPa·s），此后6 h寧波大部地區(qū)都出現(xiàn)了強降水，隨后東南急流減弱，水汽通量散度減?。ㄒ妶D10d），降水也隨之減弱并結束。

由此可見，此次強降水過程850 hPa 水汽通量和水汽通量散度場的變化對強降水的大小和落區(qū)有一定的指示效應，其增減相比雨量的增減有6 h左右的提前。

5 總結與討論

統(tǒng)計分析表明登陸廣東的臺風雖然離浙江較遠，但臺風倒槽可能給浙江帶來暴雨，特別是秋臺風，如有冷空氣結合，會使降雨出現(xiàn)增幅。通過分析2018年9月16日16時—17日16時強降水過程以及臺風“山竹”所起的作用，得到如下結論：

（1）本次強降水過程具有降水時間集中、雨強強、累積雨量大等特點，并伴有強雷電；強降水發(fā)生在臺風“山竹”登陸廣東后減弱過程期間，“山竹”臺風倒槽為對流云團在浙江東北部產(chǎn)生提供了條件，副高提供了能量，弱冷空氣的侵入使得低層輻合加強，使對流云團進一步發(fā)展，強降水是這些系統(tǒng)先后影響共同造成的。

（2）通過對濕位渦的分析，發(fā)現(xiàn)在對流不穩(wěn)定條件下，即MPV1＜0 時，與暖濕氣流相聯(lián)系的MPV2 的發(fā)展，觸發(fā)了垂直渦度的增長，促進了本次大暴雨過程的發(fā)生和發(fā)展。強降水發(fā)生在能量鋒區(qū)附近，且浙江東北部925 hPa θse值上升至350 K以上；能量場的位置和梯度大小對強降水預報有12 h左右的提前量。

（3）本次大暴雨過程的水汽主要來自臺風東側(cè)，充沛的偏東和偏南氣流為大暴雨的發(fā)生、發(fā)展提供了必要的水汽條件；低層水汽輻合，高層水汽輻散，使上升運動發(fā)展，并促進強降水的形成，此次大暴雨過程中低層水汽通量分布和水汽通量散度的增減相比雨量的增減有6 h左右的提前。

（4）在預報實踐過程中，雖然主要側(cè)重臺風倒槽、冷空氣、低空急流等位置和相互作用的分析，但是對當?shù)貙咏Y的穩(wěn)定性判斷，以及水汽、能量等的輸入情況及變化也需要格外關注。