何立富 陳 雙 郭云謙

(國家氣象中心， 北京 100081)

引 言

登陸臺風極易引發(fā)嚴重的暴雨洪澇，常導致突發(fā)性重大災害發(fā)生。臺風登陸后，其結構演變、強降雨分布特征一直是臺風研究的熱點，也是天氣預報業(yè)務的難點。國內外學者通過理論研究、數(shù)值模擬和診斷分析對登陸臺風維持機理的相關研究取得了很多成果[1-7]，如低空急流持久的水汽輸送通道、從中緯度獲得斜壓能量、較好的垂直風切變環(huán)境條件以及有利的高層輻散配置均有利于臺風在陸地上維持。一般而言，暴雨區(qū)多位于臺風中心東側和北側，且與臺風動力場、熱力場的不對稱結構有關[8-11]；也有少量個例的強降雨區(qū)位于臺風西側或西南側，主要與弱冷空氣從臺風西側侵入觸發(fā)暖區(qū)對流有關[12-13]。陶祖鈺等[14]對臺風遠距離暴雨研究指出，登陸臺風暴雨，尤其是遠距離暴雨發(fā)生機制較為復雜，暴雨落區(qū)多呈現(xiàn)非對稱分布；對華東沿海登陸臺風非對稱結構的分析[15-17]表明，高層輻散場誘發(fā)低層產(chǎn)生切變風場輻合，形成臺風倒槽是出現(xiàn)結構非對稱的機制之一；而中緯度中高層干冷空氣的侵入也可導致登陸臺風云系結構改變、西側水汽截斷與空心化[18-22]。李英等[23]、杜惠良等[24]、鈕學新等[25]相關研究表明：北上臺風遠距離暴雨增幅通常與中緯度系統(tǒng)相互作用有關，西風槽攜帶較強冷平流、正渦度平流以及較強的槽前高空輻散，有利于臺風的維持和變性發(fā)展，從而影響雨強；低層冷空氣侵入臺風外圍，可促使暖空氣抬升，有利于觸發(fā)強降雨，但冷空氣路徑不同也會造成登陸臺風暴雨空間分布的差異[26-27]。此外，葉成志等[28]、丁治英等[29]研究認為，臺風登陸后若長時間與西南季風相聯(lián)系，將有利于臺風環(huán)流維持，臺風東側的偏南低空急流是形成遠距離暴雨的關鍵。螺旋雨帶的組織傳播是臺風暴雨預報的難點，其發(fā)生發(fā)展與臺風環(huán)流切向基本氣流的渦度徑向切變引起的渦旋羅斯貝波有關[30-34]。梁旭東等[35]、雷小途[36]對凝結潛熱正反饋機制也進行了深入研究，認為對流上升、潛熱釋放和眼墻維持三者之間的正反饋機制有利于臺風登陸后長時間維持和降雨增加；另外，地形作用[37-42]對登陸臺風暴雨增幅也有重要貢獻。

超強臺風利奇馬(1909)于2019年8月10日凌晨登陸浙江，具有陸上滯留時間長、風雨強度大、北上影響范圍廣、暴雨極端性顯著、災害損失嚴重等特點。受其影響，8月9—12日華東大部以及遼寧南部多地出現(xiàn)大暴雨，局地特大暴雨。極端強降雨誘發(fā)嚴重洪澇和山體滑坡，導致重大人員傷亡與經(jīng)濟財產(chǎn)損失，據(jù)不完全統(tǒng)計，超強臺風利奇馬(1909)共造成1400萬人受災，56人死亡，14人失蹤，直接經(jīng)濟損失515億元。臺風災害風險評估模型統(tǒng)計顯示，其風雨綜合強度指數(shù)為1961年以來最大。超強臺風利奇馬由于近?？焖偌訌?，登陸后在深厚天氣系統(tǒng)背景條件下出現(xiàn)快速空心化和非對稱結構，發(fā)展強盛的本體云墻和螺旋雨帶在浙江產(chǎn)生極端強降雨，同時臺風尚在浙江北部，便誘發(fā)山東地區(qū)出現(xiàn)遠距離暴雨，且非對稱臺風云系與西風槽結合出現(xiàn)長時間冷暖對峙等因素導致中央氣象臺對浙江、山東總雨量預報較實況偏小，強降雨開始時間略有滯后，對暴雨極端性有所低估。盡管針對登陸臺風暴雨的研究已有很多成果，但預報業(yè)務中仍有不少難點問題需要進行更深入分析。本文利用地面加密觀測資料、YF-2G衛(wèi)星TBB(black body temperature)產(chǎn)品和FY-3D MWHSII 微波濕度計資料、全國雷達拼圖、NCEP FNL分析資料(水平分辨率為1°×1°)對超強臺風利奇馬(1909)強降雨觀測特征、熱動力結構演變、中低緯度相互作用、水汽輸送條件等方面進行診斷，以揭示極端強降雨產(chǎn)生的天氣動力學成因，為提高登陸臺風暴雨預報能力提供依據(jù)。

1 強降雨觀測特征

2019年8月10日01:45(北京時，下同)超強臺風利奇馬(1909)(簡稱利奇馬)在浙江溫嶺城南鎮(zhèn)登陸，登陸時中心風力16級(52 m·s-1，超強臺風級)。登陸后，利奇馬以偏北路徑先后經(jīng)過浙江、江蘇后進入黃海海域，于11日20:50在山東青島沿海二次登陸(23 m·s-1，熱帶風暴)。其后穿過山東半島西部于12日早上進入萊州灣回旋，13日上午減弱為熱帶低壓， 14:00對其停止編號(圖1a)。

圖1 利奇馬臺風路徑(點線)及日雨量超歷史極值站點(圓點)分布(a)和2019年8月8日08:00—14日08:00累積雨量(填色表示雨量超過100 mm)(b)Fig.1 The track of typhoon Lekima(the dot-line) with stations of extreme daily rainfall(the dot)(a)and the accumulated rainfall from 0800 BT 8 Aug to 0800 BT 14 Aug in 2019(the shaded denotes rainfall over 100 mm)(b)

受利奇馬影響，8月8日08:00—14日08:00浙江、上海、江蘇大部、安徽東部、山東以及遼寧南部等地先后出現(xiàn)大暴雨(圖1b)，局部特大暴雨，過程雨量為100～300 mm，其中浙江東部以及山東中部出現(xiàn)極端強降雨，兩地過程雨量達350～600 mm，臺州括蒼山最大為833 mm。浙江極端強降雨區(qū)靠近東部沿海，位于浙東山地東側，呈南北帶狀分布，小時雨強大，降雨時段集中。山東極端強降雨區(qū)主要位于黃河入?？谀蟼戎林胁可降乇眰群蜄|側，呈塊狀分布，其小時雨強較弱但持續(xù)時間長。本次過程降雨的極端性體現(xiàn)在兩個方面：①兩地共有21個縣(市)氣象站日雨量突破歷史極值(圖1a)，浙江6個站，山東15個站。最大日雨量分別是浙江括蒼山725.1 mm和山東昌樂474.1 mm。 ②就過程雨量而言，浙江和山東全省區(qū)域平均雨量分別為165 mm和158 mm，分別為其登陸臺風過程雨量歷史排名第2位和第1位(山東為其有記錄以來過程雨量最大值)。

由小時雨強實況監(jiān)測(圖2)可知，浙江和山東兩省短時強降雨(雨強不低于20 mm·h-1)分布與過程雨量大值區(qū)有較好對應關系，雨強超過40 mm·h-1的站點分布與極端強降雨區(qū)較為吻合，但山東小時雨強明顯弱于浙江。浙江地區(qū)雨強超過40 mm·h-1的站點大多集中在浙東和西北部山區(qū)；雨強超過60 mm·h-1站點集中在浙東括蒼山和雁湯山東側、寧波以及浙西北天目山區(qū)，局地雨強超過80 mm·h-1。對山東地區(qū)而言，短時強降雨主要分布在山東中部及半島南側，小時雨強超過40 mm·h-1的站點數(shù)明顯少于浙江，且較為稀疏，多分布在魯中山地附近，位于濰坊、淄博和東營等地。

由代表站點小時雨量實況(圖2c、圖2d)可知，浙江括蒼山(累積雨量833 mm)在臺風登陸前后有8個小時雨強超過40 mm·h-1，最大小時雨量為84.4 mm；山東淄川(累積雨量676 mm)雨強明顯弱于括蒼山，僅有9個小時雨強超過20 mm·h-1，最大小時雨量不足30 mm·h-1，但降雨時間持續(xù)約80 h, 是括蒼山(降雨持續(xù)42 h)降雨時間近2倍。

圖2 2019年8月8—14日浙江和山東范圍短時強降雨監(jiān)測實況(a)9日20:00—10日20:00浙江，(b)10日20:00—11日20:00山東，(c)浙江括蒼山單站小時雨量，(d)山東淄川單站小時雨量 Fig.2 Monitoring of short-term heavy rainfall in Zhejiang and Shandong from 8 Aug to 14 Aug in 2019(a)Zhejiang area from 2000 BT 9 Aug to 2000 BT 10 Aug in 2019，(b)Shandong area from 2000 BT 10 Aug to 2000 BT 11 Aug in 2019，(c)hourly rainfall at Kuocangshan of Zhejiang,(d)hourly rainfall at Zichuan of Shandong

2 臺風利奇馬環(huán)流背景演變

由500 hPa高度場和850 hPa風場分布(圖3)可以看到，利奇馬在登陸北上期間，西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)、中緯度西風槽與臺風環(huán)流的配置及相互作用，為利奇馬深入北上和長時間維持提供了良好的背景條件。同時，臺風東北側極為強盛的東南低空急流源源不斷的熱量水汽輸送，以及華北西風槽引導中層干冷空氣不斷侵入，為臺風結構演變和極端強降雨發(fā)生提供了充足的熱力和動力條件支持。

2019年8月9日20:00利奇馬中心位于浙江東部近海(圖3a)，其北側為高壓脊區(qū)控制，中緯度西風槽位于內蒙古中部至陜南一帶。受500 hPa副高西側偏南風引導，臺風中心將沿NNW方向緩慢逼近浙江南部而后北上。臺風中心附近風場結構完整，500 hPa高度場中心與低層風場中心重合。低層850 hPa風場結構顯示，臺風中心區(qū)風速超過40 m·s-1，其北側東南風十分強盛，低空急流區(qū)普遍接近30 m·s-1，有利于來自東部洋面水汽和熱量長時間充沛輸送。

8月10日20:00臺風進入浙蘇交界處(圖3b)，中緯度西風槽進入華北后加深發(fā)展，受副高西側偏南氣流和華北西風槽前偏南氣流的共同引導，利奇馬北上速度將有所加快。槽后干冷空氣不斷從西側侵入，使臺風西側濕度減小而對流減弱；臺風高低層環(huán)流仍維持垂直正壓結構。從低層850 hPa風場結構看，眼區(qū)摩擦填塞效應加大，中心區(qū)風速不足12 m·s-1，臺風強度明顯減弱，空心化特征明顯；同時臺風東北象限與副高之間等高線較為密集，而臺風西側風速明顯減弱，導致利奇馬非對稱結構較為突出，臺風北側東風倒槽向北伸展至山東北部，華東沿海低層風速大值帶(20～30 m·s-1)向北推進到山東中東部。

8月11日20:00臺風中心進入山東半島南部沿海(圖3c)，華北西風槽斷裂，華北槽南段并入臺風環(huán)流，冷空氣開始侵入臺風本體。500 hPa高度環(huán)流中心較低層風場輻合中心出現(xiàn)向西偏離，表明利奇馬高層結構受到破壞；利奇馬低層動力結構也出現(xiàn)了明顯變化，其北側低層風速大值區(qū)推進到遼東半島至山東西部，來自渤海的東南急流(20～25 m·s-1)與來自西風槽后的偏北氣流在山東中西部交匯，并將臺風倒槽向偏西方向推進；至12日14:00利奇馬環(huán)流與西風槽融合(圖略)，處在鞍型場之中，有利于臺風在萊州灣區(qū)長時間回旋；低層東北和東南兩支氣流仍在山東西部長時間對峙，冷空氣的不斷侵入導致利奇馬850 hPa低層動力場進一步減弱。

由此可見，在利奇馬登陸前后及北上進程中，副高、臺風及中緯度西風槽等中低緯系統(tǒng)相互作用為利奇馬長時間北上與極端強降雨的發(fā)生提供有利的環(huán)境條件；而天氣系統(tǒng)配置關系、臺風熱動力結構演變以及冷空氣影響，導致浙江和山東在主導系統(tǒng)、降雨性質等方面均有所區(qū)別：浙江極端強降雨主要由登陸前外圍螺旋雨帶及深厚臺風本體降雨所致；而山東地區(qū)極端強降雨產(chǎn)生主要是臺風北上過程中，倒槽遠距離暴雨與臺風進入山東后冷空氣侵入及臺風減弱變性形成鋒面降雨的疊加效應。

圖3 2019年8月9日20:00(a)、10日20:00(b)、11日 20:00(c)500 hPa位勢高度(等值線，單位：dagpm)和850 hPa風場(風羽表示風速不低于6 m·s-1，填色表示風速大于20 m·s-1區(qū)域，紅色粗線為槽線)Fig.3 500 hPa geopotential height(the contour,unit:dagpm) and 850 hPa wind(the barb denotes velocity no less than 6 m·s-1，the shaded denotes the wind speed more than 20 m·s-1，the red think line denotes trough line) at 2000 BT 9 Aug(a)，2000 BT 10 Aug(b)，2000 BT 11 Aug(c) in 2019

3 浙江極端強降雨成因

3.1 利奇馬登陸前后結構特征

觀測資料顯示，浙江極端強降雨(雨量超過350 mm)主要時段發(fā)生在利奇馬登陸前后6 h內，主降雨區(qū)位于浙江東部。利用高分辨率FY-2G衛(wèi)星TBB產(chǎn)品，可以直觀地展示利奇馬水平結構。對比逐小時自動氣象站實時雨量可以看到，臺風深對流區(qū)(TBB低于-62℃)水平分布和強降雨落區(qū)有很好的對應關系。

圖4為2019年8月9日23:00—10日05:00 FY-2G衛(wèi)星TBB產(chǎn)品(間隔為3 h)及對應的3 h累積雨量。9日23:00在利奇馬逐漸逼近浙江近海時，外圍螺旋云帶開始影響浙江西部。螺旋云帶上有帶狀對流在浙北杭州灣一線強盛發(fā)展，顯示該地區(qū)有較好的潛在不穩(wěn)定環(huán)境條件。臺風眼區(qū)清晰，雙眼墻結構完整，眼墻云區(qū)密實，對流發(fā)展深厚。外眼墻云頂TBB低于-62℃，內眼墻和內核區(qū)TBB為-80～-72℃)。這一階段，對應3 h強降雨區(qū)主要位于浙江東部及沿海。10日02:00，05:00利奇馬登陸初期，臺風眼區(qū)完整，結構對稱，臺風中心眼墻區(qū)深對流發(fā)展旺盛，其云頂TBB低于-72℃，顯示臺風本體經(jīng)過的浙東東部附近降雨極為強盛。臺風北側對流云系明顯強于南側，外圍螺旋雨帶向浙江北部和長江口區(qū)發(fā)展，而臺風西南方向對流明顯減弱；對應時次3 h雨量顯示，隨著利奇馬登陸后緩慢向北移動，臺風本體雙眼墻區(qū)深對流云系給浙江東部帶來穩(wěn)定的高效率降雨，05:00和08:00的3 h雨量均持續(xù)超過50 mm, 局部超過100 mm。

圖4 2019年8月9日23:00—10日05:00 FY-2G衛(wèi)星TBB(TBB低于-52℃)演變及對應的3 h累積雨量Fig.4 The evolution of FY-2G TBB(below -52℃) with 3 h accumulated rainfall from 2300 BT 9 Aug to 0500 BT 10 Aug in 2019

3.2 浙江極端強降雨水汽輸送特征

由850 hPa水汽通量分布(圖略)可知，利奇馬登陸浙江前后，850 hPa主要水汽輸送來自臺灣以東洋面和東海。在東海附近存在風速大于30 m·s-1的急流區(qū)，強盛的東南風水汽輸送在浙江和長江入?？趨^(qū)域持續(xù)維持，為浙江強降雨提供了充沛的水汽條件，也有利于利奇馬登陸后長時間維持。8月9日20:00臺風前進方向水汽輸送呈明顯增強趨勢，水汽通量超過380 g·kg-1·m·s-1大值區(qū)主要集中在東海至浙江中東部和長江三角洲地區(qū)，由于浙東丘陵地形的抬升作用有利于水汽輻合，導致浙江東部出現(xiàn)強降雨；10日02:00隨著利奇馬登陸溫州，水汽輸送通量大值區(qū)仍維持在臺風本體和東北側的東海附近。登陸北上后，臺風南側的水汽輸送明顯減小，而水汽輸送通量大值區(qū)緩慢向北推進至江蘇中部。

從水汽通量散度垂直變化看，利奇馬登陸前后6 h內，浙江東部極端強降雨區(qū)的水汽通量輻合十分強盛，由于強降雨水汽貢獻主要來源于低層水汽輻合，因此，重點關注對流層中低層。登陸前的8月9日20:00(圖5a)，臺風中心及前進方向500 hPa以下水汽通量輻合均強于-9×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，距離臺風中心左側100～200 km的浙江東部強降雨區(qū)上空出現(xiàn)了極強的水汽通量輻合中心，超過-4.2×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1的強水汽通量輻合主要位于850 hPa以下的邊界層內，極值中心達-5.1×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1。登陸時的10日02:00(圖5b)，水汽輻合中心位于臺風中心附近的浙東沿海地區(qū)，強于-1.0×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1水汽輻合區(qū)主要出現(xiàn)在700 hPa以下，邊界層輻合極值中心為-4.2×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1。至10日08:00(圖5c)，浙江東部極端強降雨區(qū)上空強于-1.0×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1水汽輻合高度明顯下降，主要集中在800 hPa以下；邊界層輻合中心強度略有下降，極值中心為-3.9×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1。

圖5 2019年8月9日20:00(a)、10日02:00(b)、10日08:00(c)水汽通量散度(等值線，單位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)沿臺風中心的緯向-垂直剖面(其中黑色三角為對應時刻臺風中心位置，黑粗線為極端強降雨區(qū)位置)Fig.5 Cross-section of the moisture flux divergence(the contour,unit:10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1) along the typhoon center at 2000 BT 9 Aug(a),0200 BT 10 Aug(b),0800 BT 10 Aug(c) in 2019(the black triangle denotes the typhoon center，the black thick line denotes the location of extremely strong rainfall)

3.3 浙江極端強降雨動力條件

從沿臺風中心渦度和散度場的經(jīng)向垂直分布看，8月9日20:00登陸前 (圖6a)，臺風中心區(qū)的上空為伸展到200 hPa高度之上的龐大正渦度柱，臺風中心最大正渦度柱大于+6×10-4s-1，顯示利奇馬超強臺風垂直正壓結構；臺風散度場的垂直分布與臺風正渦柱的對稱分布有所偏離，中低層輻合區(qū)主要分布在臺風中心及西側約300 km范圍，最強輻合中心區(qū)與浙江東部極端強降雨區(qū)極為吻合，邊界層最大輻合中心值達-2.25×10-4s-1；10日02:00臺風中心區(qū)上空仍維持龐大正渦度柱(圖6b)，但深厚強輻合區(qū)偏于臺風中心東側約60～80 km，極端強降雨區(qū)西側輻合強度減弱，顯示臺風登陸后受地形摩擦耗散影響，其前進方向輻合抬升作用出現(xiàn)減弱，但臺風中心右側強烈輻合上升區(qū)將逼近和持續(xù)影響浙江東部。10日08:00臺風中心區(qū)上空正渦度柱強度減弱(圖6c)，特別是臺風西側邊界層渦度明顯減弱，顯示臺風結構的對稱性受到破壞；盡管輻合區(qū)高度明顯降低，但極端強降雨區(qū)附近仍維持強烈的輻合抬升動力條件，輻合中心值仍保持在-2.25×10-4s-1。

從浙江東部水平散度分布(圖略)看，低層輻合主要發(fā)生在850 hPa以下的邊界層內，低層輻合主要出現(xiàn)在8月9日14:00后，輻合中心強度維持在-1.5×10-4～-5×10-5s-1，且與臺風高層強輻散配置關系良好，二級環(huán)流的抽吸作用使垂直上升運動加強。 利奇馬登陸前后，臺風西側和北側是明顯的輻合上升運動區(qū)，極端強降雨落區(qū)與浙江東部山地地形關系密切，由10日05:00地面加密風場與地形配置(圖7a)可知，浙東山地地形海拔高度多在400～700 m，超過350 mm的強降雨區(qū)基本位于地形迎風坡一側或喇叭口，其對應地面風場上存在3支氣流明顯的風向切變與偏東氣流的風速輻合，偏東暖濕氣流在地形迎風坡受到強迫抬升?？梢?，除臺風系統(tǒng)本體降雨外，浙江東部山地地形對極端強降雨的產(chǎn)生也有一定增幅作用。

浙江東部極端強降雨區(qū)上空平均垂直速度隨時間變化(圖7b)顯示，強降雨區(qū)平均垂直速度十分強勁，上升運動直達對流層頂，最大上升速度超過-3×10-2Pa·s-1，強烈上升運動主要發(fā)生在8月9日14:00—10日08:00。登陸初期，對應時段強烈的低層輻合和高層輻散、穿透對流層頂?shù)膹妱派仙\動，表明臺風本體發(fā)展強盛的對流云墻整體熱力和動力條件十分理想，高效率的熱帶深對流系統(tǒng)降雨效率高，雨強大。登陸前螺旋雨帶長時間影響，加上登陸后臺風本體發(fā)展旺盛的深對流系統(tǒng)強降雨，為浙江東部帶來極端強降雨。

圖6 2019年8月9日20:00(a)、10日02:00(b)、10日08:00(c)沿臺風中心渦度(填色)和散度(等值線，單位：10-5 s-1)剖面(黑色三角為對應時刻臺風中心位置，黑粗線為極端強降雨區(qū)位置)Fig.6 Cross-section of vorticity(the shaded) and divergence velocity(the contour,unit：10-5 s-1) along the typhoon center at 2000 BT 9 Aug(a),0200 BT 10 Aug(b),0800 BT Aug(c) in 2019(the black triangle denotes the typhoon center,the black thick line denotes the location of extremely strong rainfall)

圖7 2019年8月10日05:00風場(風矢)和地形(填色)(紅色箭頭表示氣流，紅色虛線表示輻合線)(a)及 9—12 日浙江東部極端強降雨區(qū)(圖7a中藍色方框區(qū)域)平均垂直運動(填色)時間剖面圖(b)Fig.7 The wind field(the vector) at 0500 BT 10 Aug 2019 with terrain(the shaded)(the red vector denotes airflow,the red dashed line denotes convergence)(a) and cross-section of average vertical velocity(the shaded) in the east of Zhejiang(the blue box area showed in Fig.7a)(b)

4 山東極端強降雨成因

從影響系統(tǒng)和降雨實況演變看，山東強降雨可分為兩個階段：遠距離暴雨和穩(wěn)定性降雨階段。遠距離暴雨發(fā)生在臺風北上過程中(2019年8月10日20:00—11日20:00)，利奇馬進入江蘇后，臺風本體出現(xiàn)明顯空心化，北側非對稱結構加強，強降雨集中在臺風北側，東風倒槽頂端直達山東，倒槽降雨以及螺旋雨帶的不斷匯入，導致山東中部強降雨持續(xù)；穩(wěn)定性降雨階段發(fā)生在臺風抵達山東境內并在萊州灣回旋變性階段(11日夜間至12日)，受中緯度西風槽并入臺風環(huán)流影響，冷暖空氣在臺風西側長時間對峙，在山東中西部形成第2階段穩(wěn)定性降雨。山東中部地區(qū)日雨量的極端性主要由遠距離暴雨產(chǎn)生，而山東過程雨量的極端性則來自兩個降雨階段的共同影響。

4.1 臺風倒槽遠距離暴雨

4.1.1 非對稱風場結構的水汽輸送

在利奇馬抵達浙江和江蘇交界處，臺風東北側第1象限低層850 hPa強盛東南風急流(25～30 m·s-1)長時間維持(圖8)，非對稱低空風場結構為山東中部產(chǎn)生極端強降雨提供了充沛的水汽條件?？梢钥吹?，利奇馬在江蘇南部北上過程中(圖8a、圖8b)，利奇馬臺風倒槽向北伸展至山東北部和渤海，準南北向的臺風倒槽穩(wěn)定維持在山東中部強降雨區(qū)一帶，來自東海和黃海強盛的水汽輸送不斷向臺風倒槽強降雨區(qū)推送。大于380 g·kg-1·m·s-1的大值區(qū)出現(xiàn)在臺風北側和東側，而臺風西側和南側的水汽通量較小，同時，利奇馬臺風中心區(qū)水汽輸送通量明顯減小，表明其空心化程度進一步加劇。

從925 hPa風場和水汽通量散度水平分布(圖8c、圖8d)看，925 hPa風場切變和水汽輻合區(qū)與臺風遠暴雨落區(qū)有較好的對應關系。隨著臺風在江蘇境內北上，臺風邊界層風場同樣呈現(xiàn)出明顯不對稱，臺風東側洋面和沿海邊界層東南風急流風速達20～25 m·s-1，利奇馬北側東風倒槽頂端直達山東北部，且穩(wěn)定位于山東中部極端強降雨區(qū)附近，臺風中心距離倒槽頂端接近600～800 km,強水汽通量輻合區(qū)(-3×10-6～-1×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1)穩(wěn)定位于倒槽附近和其東側東南風風速輻合處，顯示山東遠距離暴雨在臺風進入江蘇時已經(jīng)開始，且隨著利奇馬北上，位于倒槽附近和東側的水汽通量輻合中心區(qū)持續(xù)維持山東中部一帶。雷達資料(圖略)顯示，2019年8月10日14:00—11日08:00為山東地區(qū)遠距離暴雨最主要時段，臺風北側倒槽、來自黃海的強盛東南風暖濕氣流與臺風西側東北風干冷氣流交匯，鋒生作用導致遠距離對流回波帶在山東中部一帶維持，其南側多條螺旋雨帶也不斷向偏北方向移動和匯入。

4.1.2 山東遠距離暴雨熱動力條件

沿臺風中心渦度和散度場垂直分布顯示，隨著利奇馬北上進入江蘇境內，此時臺風強度從登陸時的超強臺風大幅減弱為熱帶風暴強度。對應臺風系統(tǒng)的龐大正渦度柱已明顯減弱，伸展高度開始降到200 hPa以下，臺風中心最大正渦度柱強度從6×10-4s-1降到2×10-4s-1；臺風水平散度場的分布出現(xiàn)明顯非對稱結構。大范圍低層輻合區(qū)位于北風中心北側，從臺風中心附近一直伸展38°N附近，顯示臺風北側倒槽向北發(fā)展至600 km以外的山東北部。8月11日02:00臺風中心區(qū)上空垂直正渦度柱強度顯著減弱(圖9a)，但正渦柱位置較臺風中心向北偏離，這可能是臺風非對稱結構發(fā)展所致。此時臺風中心北部低層輻合顯著加強，臺風北部基本均處于上升運動區(qū)，特別是位于35.4～37.3°N的山東極端降雨區(qū)低層輻合強度繼續(xù)發(fā)展，位于最大輻合中心(-1.25×10-4s-1)，表明位于臺風倒槽頂端距離臺風中心約600 km的山東中部地區(qū)遠距離暴雨極為有利的動力條件；至11日08:00臺風中心區(qū)上空正渦度柱強度進一步減弱(圖9b)，處在300 hPa 以下且略向北傾斜。臺風北側低層輻合區(qū)繼續(xù)向北推進到遼東半島38°N附近，位于山東中部一帶的極端降雨區(qū)仍處在低層輻合上升區(qū)大值中心，但輻合強度有所下降，最大輻合中心為-2.5×10-5s-1。

沿臺風中心假相當位溫和垂直速度場的垂直分布顯示， 8月11日02:00暖心結構偏于臺風中心區(qū)北側超過100 km(圖9c)，與臺風中心正渦度柱對應的強烈上升運動明顯偏離，位于臺風北側120 km處并直抵300 hPa對流層高層，表明利奇馬的不對稱結構加劇，且臺風北側上升運動向北推進，山東中部強降雨區(qū)上空為緯向上升運動，最大緯向速度為-2.0×10-2Pa·s-1； 08:00隨著臺風正渦度柱明顯減弱(圖9d)，臺風中心附近低層假相當位溫暖心結構趨于破壞，對應的上升運動明顯減弱。此時臺風北側遠距離暴雨區(qū)(35.5°～37.5°N)仍然維持緯向上升運動，隨著利奇馬北行，強上升運動區(qū)向北擴展至38°N附近，上升速度也明顯增大，顯示利奇馬造成的遠距離強降雨也同步加強。

由FY-3D 衛(wèi)星MWHSII微波濕度計183 GHz通道不同高度云圖(圖略)可知，8月11日00:29水平方向上利奇馬水汽分布非對稱結構顯著。利奇馬空心化明顯，臺風中心和南部區(qū)域水汽干區(qū)，臺風高水汽對流云系主要位于臺風東側和北側，3條外圍螺旋雨帶較為清晰旺盛，而臺風南側云系特征不明顯；垂直方向上臺風正壓結構在低層立體感較好，遠距離螺旋云帶特征低層云水含量豐沛，高濕度區(qū)更為清晰，對流層中上層利奇馬層狀云系覆蓋則更為明顯；至11日12:19高空槽鋒面云系進入山東中西部并侵入臺風內部，臺風中心區(qū)云系消散，眼區(qū)特征不明顯。同時，隨著利奇馬進入山東境內，其北側高濕區(qū)螺旋云帶也在北上過程中逐漸并入利奇馬西北側層狀云系中。

圖8 2019年8月11日風場及水汽輸送(a)02：00 850 hPa風場(風矢，不低于20 m·s-1)和水汽輸送通量(填色，單位：g·kg-1·m·s-1)，(b)08：00 850 hPa風場(風矢，不低于20 m·s-1)和水汽輸送通量(填色，單位：g·kg-1·m·s-1)，(c)02：00 925 hPa風場(風羽，不低于12 m·s-1)和水汽輸送通量散度(填色，單位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)，(d)08：00 925 hPa風場(風羽，不低于12 m·s-1)和水汽輸送通量散度(填色，單位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)Fig.8 Wind field and water vapor transfer on 11 Aug 2019 (a)850 hPa wind(the arrow,no less that 20 m·s-1) and moisture flux(the shaded，unit：g·kg-1·m·s-1) at 0200 BT,(b)850 hPa wind(the arrow,no less that 20 m·s-1) and moisture flux(the shaded，unit：g·kg-1·m·s-1) at 0800 BT,(c)925 hPa wind(the barb,no less than 12 m·s-1) and moisture flux divergence(the shaded,unit:10-7 g·kg-1·m·s-1) at 0200 BT,(d)925 hPa wind(the barb,no less than 12 m·s-1) and moisture flux divergence(the shaded,unit:10-7 g·kg-1·m·s-1) at 0800 BT

圖9 2019年8月11日02:00(a)、08:00(b)沿臺風中心渦度(填色)和散度(等值線，單位：10-5 s-1)的經(jīng)向垂直剖面及11日02:00(c)、08:00(d)沿臺風中心假相當位溫(紅色等值線，單位：K)和經(jīng)向環(huán)流(風矢為經(jīng)向風和垂直速度(擴大100倍)合成，黑色等值線為不超過-0.5×10-2 Pa·s-1的上升運動區(qū))經(jīng)向垂直剖面(黑色三角為對應時刻臺風中心位置，黑粗線為極端強降雨區(qū)位置)Fig.9 Cross-section of positive vorticity(the shaded) and divergence(the contour，unit:10-5 s-1) along the typhoon center at 0200 BT(a) and 0800 BT(b) on 11 Aug 2019 with cross-section of θse(the red contour,unit:K) and meridional vertical velocity(the vector is the combination of meridional wind and vertical movement(multiplied by 100),the black contour denotes the area upward movement no more than -0.5×10-2 Pa·s-1) along the typhoon center at 0200 BT(c) and 0800 BT(d)on 11 Aug 2019(the black triangle denotes the location of typhoon center,the black thick line denotes the location of extremely strong rainfall)

4.1.3 山地遠距離暴雨回波特征

山東極端強降雨過程實況顯示，山東遠距離降雨發(fā)生在利奇馬臺風出現(xiàn)空心化之后，臺風北側東風倒槽向北大幅伸展。隨著利奇馬進入江蘇北上，臺風倒槽頂端直達山東北部，對流系統(tǒng)多發(fā)生在東風倒槽東側東南氣流暖區(qū)一側，該區(qū)域具有一定的不穩(wěn)定能量和抬升條件。雷達回波顯示，山東極端強降雨的產(chǎn)生不但與東風倒槽北段降雨回波直接相關，還與臺風北上過程中3條螺旋云帶的先后并入有關，而山東中部山地地形也與北上臺風氣流匹配保持一致，有利于迎風坡的列車效應。8月10日21:00山東中部倒槽回波帶發(fā)展加強(圖10a)，其北段與位于東北地區(qū)的西風槽回波相連，倒槽回波帶呈東北—西南向，組合反射率因子為35～50 dBZ。同時臺風北側存在3條較為完整的螺旋對流云帶回波，分別位于山東南部(A3處)、江蘇北部(A2處)和江蘇南部(A3處)。地面風場(圖略)顯示，這3條回波主要由來自東海和黃海東南氣流與東北氣流動力輻合觸發(fā)，并隨臺風北上向北偏西方向持續(xù)移動和傳播；11日01:00倒槽回波帶在山東中部維持穩(wěn)定少動(圖10b)，且強度略有加強，與東風倒槽區(qū)有利的動力條件與低層水汽輻合區(qū)對應；隨著臺風北上，螺旋雨帶A3處已經(jīng)完全并入倒槽回波區(qū)，而螺旋雨帶A2也從蘇北北推到山東南部至半島東南沿海一帶，A2處和A3處南側東南氣流暖區(qū)一側不斷有新生的強對流單體向螺旋狀對流回波帶內匯入；11日05:00位于山東中部的回波系統(tǒng)位置穩(wěn)定(圖10c)，其南側螺旋狀對流回波帶A2處也開始往山東中部倒槽回波區(qū)匯入，導致山東中部倒槽區(qū)回波加強。A2處南側和進入渤海東側不斷形成的對流單體，在逆時針方向切向移動和傳播過程中，在地形迎風坡形成列車效應，導致山東中部持續(xù)性臺風倒槽強降雨發(fā)生。從11日02：00地面加密風場和精細地形配置(圖11)看，利奇馬北上過程中，伴隨多條螺旋回波帶的向北推進和不斷向倒槽區(qū)的匯入，來自黃海北部的強盛東南風和來自渤海南部的東北氣流在山東中部山地地形區(qū)輻合，其地形高度一般為300～600 m，風向與風速的輻合主要發(fā)生在山地北側和東南側地形迎風坡處，與極端強降雨區(qū)十分吻合，地形條件有利于螺旋回波帶南側和東北側暖濕區(qū)不斷新生的新生單體產(chǎn)生列車效應，從而有利于降雨持續(xù)增幅。

圖10 2019年8月10日21:00(a)、11日01:00(b)、11日05:00(c)雷達組合反射率因子(填色)(黑色圓點為臺風中心位置)Fig.10 Combined reflectivity factors(the shaded) at 2100 BT 10 Aug(a),0100 BT 11 Aug(b) and 0500 BT 11 Aug(c) in 2019(the black dot denotes the typhoon center)

圖11 2019年8月11日02:00地面風場(風矢)和地形(填色)Fig.11 The surface wind(the vector) at 0200 BT 11 Aug 2019 with terrain(the shaded)

4.2 冷空氣侵入階段分析

隨著利奇馬二次登陸山東半島并北上進入渤海萊州灣，華北西風槽底部已逐漸融入臺風渦旋環(huán)流之中。從渦度和垂直上升速度經(jīng)向垂直分布(圖略) 看，臺風中心上空正渦柱強度明顯減弱，伸展高度不足500 hPa高度。在臺風穿過半島并進入萊州灣時，利奇馬上空正渦柱出現(xiàn)傾斜，顯示臺風開始出現(xiàn)斜壓變性過程，逐漸趨于減弱消亡。而上升運動區(qū)位于臺風正渦柱附近西側，穩(wěn)定維持在118°E附近的山東中部地區(qū)。

沿臺風中心假相當位溫和緯向風垂直速度的垂直分布顯示，8月11日20:00(圖12a)，500 hPa高度以下利奇馬仍維持弱暖心結構，且偏離臺風中心東側約80 km；臺風西側對流層中低層假相當位溫的垂直分布清晰顯示，由于500 hPa西風槽引導冷空氣從低層不斷侵入臺風內部，臺風西側偏北氣流與來自黃渤海的低層偏東氣流在山東中西部交匯，兩股不同性質的干冷氣團和暖濕氣流長時間對峙，鋒生作用導致在118°E附近區(qū)域形成假相當位溫高梯度帶，且假相當位溫鋒區(qū)隨高度有明顯西傾結構；對應的緯向垂直速度也顯示，上升氣流沿鋒區(qū)爬升，最大緯向垂直速度僅為-1×10-2Pa·s-1；12日02:00(圖12b)、12日08:00 (圖12c) ,利奇馬在進入山東半島至萊州灣期間，臺風假相當位溫暖心結構消亡。隨著利奇馬向西北方向移動，臺風中心西側假相當位溫密集帶穩(wěn)定維持，隨著低層冷空氣不斷向臺風中心侵入，假相當位溫鋒區(qū)有所加強并緩慢逼近119°E，在山東中部地區(qū)穩(wěn)定少動，鋒區(qū)上持續(xù)維持弱的傾斜上升運動。實況顯示，在此期間，來自黃渤海暖濕氣流沿冷墊爬升導致山東中西部出現(xiàn)第2階段穩(wěn)定性降雨，其長時間持續(xù)對山東強降雨區(qū)過程雨量的極端性也有一定貢獻。

圖12 2019年8月11日20:00(a)、12日02:00(b)、12日08:00(c)沿臺風中心假相當位溫(紅色等值線，單位：K)和緯向垂直環(huán)流(風矢為緯向風與垂直速度(擴大100倍)的合成，黑色等值線為不超過-0.2×10-2 Pa·s-1的上升運動區(qū))緯向垂直剖面(棕色虛線為假相當位溫鋒區(qū)，藍色箭頭表示干冷侵入)Fig.12 Cross-section of θse(the red contour,unit:K) and zonal vertical velocity(the vector is the combination of zonal wind and vertical movement(multiplied by 100),the black contour denotes the upward movement no more than -0.2×10-2 Pa·s-1)) along the typhoon center at 2000 BT 11 Aug(a),0200 BT 12 Aug(b),0800 BT 12 Aug(c) in 2019(the brown dotted line denotes θse front area,the blue arrow denotes dry cold invasion)

5 結 論

研究表明：

1) 臺風利奇馬(1909)降雨過程影響范圍廣，華東多省先后出現(xiàn)大暴雨，浙江和山東降雨極端性強，極端強降雨區(qū)(過程雨量超過350 mm)主要位于浙江東部和山東中部，兩省全省平均雨量位列過程雨量歷史前兩位，極值中心分別為833 mm和612 mm，并有21個站突破日雨量歷史極值。浙江極端強降雨主要由發(fā)展強盛的臺風本體產(chǎn)生，雨強大且時段集中；山東強降雨的極端性則是來自于臺風倒槽遠距離暴雨和長時間維持的鋒面性質降雨形成的疊加效應，其雨強較弱但持續(xù)時間超出浙江近1倍。

2) 利奇馬登陸北上期間，副高、臺風及中緯度西風槽等系統(tǒng)相互作用以及臺風東北側極為強盛的東南風低空急流(風速超過30 m·s-1)，為利奇馬長時間維持和極端強降雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件；而天氣系統(tǒng)配置關系、臺風熱動力結構演變以及冷空氣影響，導致浙江和山東極端強降雨在天氣動力學成因方面有明顯差異。

3) 利奇馬強度超過6×10-4s-1正渦柱垂直結構和直達對流層頂?shù)膹娏疑仙\動，以及臺風東側充沛的東南急流(風速超過30 m·s-1)水汽輸送和散度場的高低層配置等熱動力條件，加上結構密實的眼區(qū)云墻(TBB低于-72℃)以及發(fā)展強盛的深對流系統(tǒng)降雨屬性(雨強為60～80 mm·h-1)，導致極端強降雨出現(xiàn)在浙江東部。

4) 山東遠距離暴雨與臺風北上過程中非對稱結構演變密切相關。利奇馬抵達浙北開始，非對稱風場結構導致東風倒槽頂端一直伸展至山東，邊界層強盛東南風急流水汽輸送以及與偏東氣流輻合抬升，引發(fā)距離利奇馬600 km外的山東地區(qū)出現(xiàn)暴雨；臺風北側穩(wěn)定維持的東風倒槽對流回波區(qū)在山東中部一帶穩(wěn)定維持，其南側3條主螺旋雨帶不斷逆時針方向北上和匯入，在山東中部地形迎風坡形成列車效應導致山東中部極端強降雨的發(fā)生。

5) 隨著利奇馬進入山東半島，臺風渦旋暖心結構逐漸消亡。500 hPa干冷空氣從低層侵入臺風環(huán)流內部，西風槽冷鋒云系開始并入臺風西側云系之中，冷暖空氣交匯在山東中西部地區(qū)形成一條穩(wěn)定的假相當位溫高梯度區(qū)，鋒區(qū)隨高度明顯西傾，來自黃渤海暖濕氣流沿冷墊爬升導致山東中西部出現(xiàn)第2階段穩(wěn)定性降雨，其長時間持續(xù)對山東過程雨量的極端性有一定貢獻。