甘琳，甘偲鳳，潘江萍，王玥琪

（1.瀏陽市氣象局，湖南瀏陽 410300；2.邵陽縣氣象局，湖南邵陽 422100；3.高陽縣氣象局，河北高陽 071500）

熱帶氣旋是指熱帶和亞熱帶海洋形成的具有強烈暖中心渦旋的天氣系統(tǒng)［1］。西北太平洋（包括我國的南海）是生成臺風(fēng)最多的海域，平均每年約有28個臺風(fēng)生成。長期以來許多學(xué)者對臺風(fēng)的發(fā)生、發(fā)展已經(jīng)進行了不少研究，但是由于臺風(fēng)比較復(fù)雜多變，很多問題需要更進一步的研究。在分析臺風(fēng)問題時，首先，必須明確臺風(fēng)的危害性，一般而言，在臺風(fēng)的影響下，強降水和大風(fēng)的概率較高。中國是受臺風(fēng)影響最多的國家之一，平均一年有7個左右臺風(fēng)登陸。其中，我國沿海地區(qū)受到臺風(fēng)的影響較大，但河北和遼寧地區(qū)也有可能會受到北上臺風(fēng)的影響，出現(xiàn)風(fēng)雨天氣。臺風(fēng)帶來的雨水，可以緩解干旱，但雨水過多則可能會造成經(jīng)濟損失，甚至影響人們的生命安全。因此，氣象部門一直重視對臺風(fēng)路徑和風(fēng)雨的預(yù)報。

臺風(fēng)“山竹”是我國史上對華南地區(qū)影響最嚴(yán)重的臺風(fēng)，其中，珠江三角洲地區(qū)受到的影響最為嚴(yán)重，尤其臺風(fēng)引起的強烈的風(fēng)暴潮導(dǎo)致水位上漲，海水倒灌，給珠江口兩側(cè)帶來極其嚴(yán)重的影響。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示，該次臺風(fēng)“山竹”引發(fā)的潮位為史上最高。本研究將對臺風(fēng)“山竹”產(chǎn)生降水過程的成因進行分析。

1 臺風(fēng)“山竹”概況和風(fēng)雨特征

2018年9月16日下午，“山竹”在廣東陽江附近登陸。據(jù)資料統(tǒng)計，在臺風(fēng)“山竹”的影響下，我國東南沿海地區(qū)出現(xiàn)劇烈的強降雨現(xiàn)象。9月16日08：00（北京時，下同）開始，在廣東地區(qū)有降水出現(xiàn)，其中珠江口兩側(cè)強降水明顯，部分地區(qū)24 h累計降水達(dá)300 mm以上，沿海地區(qū)同時還伴有強烈的風(fēng)暴潮（圖1a）。9月17日08：00降水開始明顯減弱（圖1b），臺風(fēng)中心移動至廣西地區(qū)，強度大大減弱。廣西地區(qū)有大面積降水，其中廣西西北區(qū)域有強降水分布。

圖1 臺風(fēng)“山竹”引起華南地區(qū)的24 h降水分布（單位：mm）

2 臺風(fēng)“山竹”登陸后降水成因分析

臺風(fēng)暴雨的成因很復(fù)雜，除具備不穩(wěn)定層結(jié)、充足的水汽、較強的上升運動和較長的持續(xù)時間條件外，也與臺風(fēng)的強度和路徑、臺風(fēng)登陸后的維持時間和運動速度，以及熱帶氣旋周圍的環(huán)境場密切相關(guān)［2］。

2.1 大尺度環(huán)流背景

2018年9月7—15日，西太平洋副熱帶高壓波動，東亞西風(fēng)槽向東移動并加強。山竹在溫暖的西北太平洋上迅速吸收能量，高空東北風(fēng)強盛，環(huán)流逐漸擴大。受平均層引導(dǎo)的氣流影響，“山竹”繼續(xù)向西北偏西方向移動。

2018年9月15日08：00，500 hPa等壓面上（圖2a），東亞地區(qū)有西風(fēng)槽，槽底部位置在35°N附近，西太平洋副熱帶高壓在西部接近110°E，臺風(fēng)“山竹”中心在菲律賓北部，向西西北方向移動。西太平洋副熱帶有一個南北方向的高壓脊，具有明顯的驅(qū)動作用。根據(jù)引導(dǎo)氣流的原理，臺風(fēng)會沿大型流場的平均方向移動，其移動速度相當(dāng)于各層大流場速率的平均值［3］。在24 h后（圖2c），隨著中緯度槽向東移動，冷空氣向南移動，西太平洋副熱帶高壓的波動減弱，588 dagpm線向東退去。臺風(fēng)登陸后，臺風(fēng)“山竹”中心離副高主體較遠(yuǎn)，引導(dǎo)氣流減弱，臺風(fēng)“山竹”移速變慢停留華南地區(qū)，造成華南地區(qū)的持續(xù)降水；其次下墊面由海面改為陸面，摩擦使臺風(fēng)強度減小。臺風(fēng)“山竹”外圍風(fēng)圈的帶動海面水汽進入陸地，也是造成大量降水的重要原因之一。

在2018年9月15日08：00，850 hPa等壓面上（圖2b），臺風(fēng)中心位于菲律賓北部，同時臺風(fēng)“山竹”北部與西太平洋副熱帶高壓銜接處有東北急流，南側(cè)有西南季風(fēng)急流。2018年9月16日08：00（圖2d）副高脊線呈西北向，副高與臺風(fēng)“山竹”相結(jié)合，副高西南側(cè)有強西北風(fēng)。2018年9月17日，臺風(fēng)“山竹”的中心移至廣西，由于地面摩擦的原因，臺風(fēng)“山竹”強度逐漸減弱，風(fēng)圈變小，此時臺風(fēng)“山竹”帶來的降水在華南地區(qū)即將結(jié)束。

圖2 2018年9月15日（a、b）和16日（c、d）08：00 500 hPa（a、c）以及850 hPa（b、d）臺風(fēng)“山竹”環(huán)流形勢變化（單位：dagpm）

2.2 熱力條件

研究發(fā)現(xiàn)，海面溫度不僅是影響臺風(fēng)發(fā)生和發(fā)展的因素之一，也是影響臺風(fēng)運動的非氣象因素［4］。臺風(fēng)具有“向暖趨勢”，即傾向于向高海表面溫度區(qū)域移動［5］。圖3為臺風(fēng)“山竹”熱力條件變化圖。

圖3 臺風(fēng)“山竹”2018年9月15日08：00（a、b）和16日20：00（c、d）500 hPa（a、c）以及850 hPa（b、d）等壓面上的溫度（填色，單位：℃）和風(fēng)場（矢量箭頭，單位：m／s）分布

從500 hPa等壓面上溫度場和風(fēng)場的變化來看，2018年9月15日08：00（圖3a），暖心位于臺風(fēng)中心，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。2018年9月15日20：00（圖3c），臺風(fēng)中心轉(zhuǎn)移到我國南海，南海此時為高海溫區(qū)，適合臺風(fēng)發(fā)展。暖心結(jié)構(gòu)吸收海面能量后加強，較之前擁有更大的能量，使登陸廣東地區(qū)帶來降水的能力增強。高層平均溫度升高，中心溫度略有降低。在850 hPa等壓面上，2018年9月15日08：00（圖3b），臺風(fēng)“山竹”離開菲律賓，進入南海。南海溫暖的高溫海域非常有利于臺風(fēng)“山竹”暖心結(jié)構(gòu)的維持和加強。2018年9月15日08：00（圖3d），明顯可以看出臺風(fēng)“山竹”暖心溫度已經(jīng)由前一個時次的20℃上升至22℃左右，可以看出臺風(fēng)“山竹”強度明顯增強，導(dǎo)致登陸我國后產(chǎn)生更強的降水。

2.3 水汽條件

臺風(fēng)登陸陸地后，陸地表面切斷了從海洋表面到臺風(fēng)的水汽和能量供應(yīng)，低空急流成為臺風(fēng)獲取水汽和能量的重要通道［6］。充足的水汽供應(yīng)有利于熱帶氣旋暖心的維持，外部水汽輸送有利于熱帶氣旋雨帶的強對流活動，使華南地區(qū)降水增強。

從臺風(fēng)“山竹”登陸前2018年9月16日08：00 700 hPa高度場（圖4a）的水汽通量分布可以看出，水汽集中在臺風(fēng)“山竹”的眼墻和大風(fēng)區(qū)。在850 hPa等壓面場上（圖4b）水汽范圍略有擴大，其中南海南側(cè)有來自印度洋的水汽輸送。2018年9月17日08：00 700 hPa等壓面上，由于臺風(fēng)已經(jīng)登陸我國，地面摩擦導(dǎo)致臺風(fēng)范圍擴散，風(fēng)力將帶動海洋的水汽進入陸地。

孟加拉灣（10°N，95°E）至我國華南地區(qū)，西太平洋副熱帶高壓的西南側(cè)和臺風(fēng)的東南側(cè)將沿西南季風(fēng)不斷向華南地區(qū)輸送水汽。副熱帶高壓以北，日本海區(qū)域（35°N，130°E）與臺風(fēng)“山竹”北部有水汽輸送通道，稍弱于臺風(fēng)“山竹”南部的通道，然而臺風(fēng)“山竹”的降水程度較之前已經(jīng)加強。豐富的水汽條件為臺風(fēng)“山竹”提供了潛在的熱能［7］，延長了臺風(fēng)“山竹”的壽命，造成了華南地區(qū)的強降水。

2018年9月17日08：00階段的臺風(fēng)“山竹”水汽通量的輸送量達(dá)到最大。華南地區(qū)降水量達(dá)到最大。850 hPa等壓面上（圖4d）西太平洋副熱帶高壓南側(cè)，印度洋－南海低層水汽輸入到臺風(fēng)內(nèi)圍，稍弱于700 hPa等壓面上的水汽通量。所以對比垂直方向的水汽通量變化，水汽通量最大值在700 hPa左右。孟加拉灣、南海和日本海的水汽輸送是臺風(fēng)“山竹”在華南地區(qū)造成降水的主要來源，其豐富的水汽通過低層急流輸送到臺風(fēng)外圍，并通過臺風(fēng)外圍的氣旋環(huán)流注入到內(nèi)圍環(huán)流中［8］。

圖4 臺風(fēng)“山竹”2018年9月16日（a、b）和17日（c、d）08：00 700 hPa（a、c）以及850 hPa（b、d）水汽通量分布（單位：g·cm－1·hPa－1·s－1）

2.4 動力條件

本研究采用低層輻合、中尺度強對流暴發(fā)、渦度、上空的輻散或流出氣流等因子來分析出現(xiàn)100 mm以及1 000 mm的極端暴雨的成因［9］。

1）散度場。

從2018年9月16日08：00高低層輻合輻散分布看出，850 hPa上在21°N—23°N附近有輻合區(qū)（圖5b），在22°N附近，高層輻散強于低水平輻合（圖5a-b），高空流出氣流具有強大的“抽吸作用”［10］，為上升運動提供動力條件，使得臺風(fēng)“山竹”在陸地的強度維持。此時，200 hPa的高空急流區(qū)于2018年9月16日08：00（圖5a）位于21°N—23°N，靠近廣東南部沿海地區(qū)，位于北風(fēng)軸線上，是一個強烈的輻散區(qū)帶，南側(cè)輻散區(qū)保持在18°N—20°N，南側(cè)強烈輻散區(qū)的能量較弱于北側(cè)。北側(cè)強烈的輻散區(qū)于2018年9月16日20：00斷裂，高空臺風(fēng)中心輻散區(qū)減弱發(fā)散，臺風(fēng)中心周圍輻合區(qū)增多加強（圖5c），低空輻合區(qū)較上一時次有縮小集中的趨勢（圖5d）。但來自上層的輻散氣流仍具有強大的吸力，并為強降水提供動力提升，使該次暴雨的持續(xù)時間和降雨面積增加。2018年9月17日散度場強度減弱，低層仍有弱輻合運動造成降水。

圖5 2018年9月16日08：00（a、b）和17日（c、d）20：00 200 hPa（a、c）以及850 hPa（b、d）散度場（填色，單位：s－1）和高度場（等值線，單位：dagpm）分布

2）垂直速度。

垂直速度是影響降水程度的重要因素之一。低空的強烈上升運動與充足的水汽條件結(jié)合，配合對流不穩(wěn)定層結(jié)，就可以引發(fā)強降水。從臺風(fēng)“山竹”的垂直速度變化圖（圖略）可以看出，在2018年9月16日08：00，臺風(fēng)“山竹”即將登陸廣東地區(qū)前的高空垂直速度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，中心有弱的下沉運動（21°N，116°E），東側(cè)和南側(cè)有強的上升運動。低空臺風(fēng)中心有比較明顯的上升運動。到2018年9月16日20：00，臺風(fēng)中心已經(jīng)轉(zhuǎn)移至廣東地區(qū)，由于下墊面的轉(zhuǎn)換以及臺風(fēng)風(fēng)圈的影響，高空上升運動較上一個時段減弱但是區(qū)域擴大。由于摩擦作用造成低空上升運動加強且范圍擴大，強烈的上升運動造成廣東乃至廣西地區(qū)的強降水。

3）渦度場。

渦度場可以客觀反映臺風(fēng)“山竹”的強度變化［11］，其中臺風(fēng)正渦度中心最大值一般位于500 hPa附近。從2018年9月15日12：00—16日08：00 500、850 hPa的渦度變化（圖略）可以看出，變化趨勢與加強趨勢是一致的。根據(jù)歷史臺風(fēng)資料可知，這一階段的中心渦度值相對較高，臺風(fēng)強度處于歷史平均高值。從臺風(fēng)“山竹”的渦度場變化可以看出，正渦度區(qū)集中在臺風(fēng)“山竹”中心附近（21°N，116°E），負(fù)渦度區(qū)或正、負(fù)渦度交叉區(qū)域距中心100 km左右，其中500 hPa渦度變化顯示出在登陸前24 h，臺風(fēng)“山竹”中心的正渦度略有減弱，但是區(qū)域正渦度區(qū)域有擴大，說明環(huán)境場不斷有正渦量傳送到臺風(fēng)中心，導(dǎo)致登陸后降水范圍更為廣闊［12］。

3 結(jié)論

1）臺風(fēng)“山竹”生成于廣闊溫暖的太平洋中心，吸收了大量的能量向我國移動。西太平洋副熱帶高壓的波動給它提供了大量的能量，暖心結(jié)構(gòu)穩(wěn)定加強。中國下游上空的大氣溫度較高，含水量較高。東亞西風(fēng)槽和副熱帶高壓控制著我國東部地區(qū)，致使華南地區(qū)有產(chǎn)生中尺度對流的不穩(wěn)定條件［13］。

2）登陸后，西太平洋副高的維持，抑制了臺風(fēng)的西行，有利于臺風(fēng)登陸后的移速較慢，減少了能量的損失，為華南西北部的連續(xù)降水提供了穩(wěn)定的背景。由于下墊面由海表向陸表轉(zhuǎn)換，低層環(huán)流的強迫作用對臺風(fēng)降水有較強的影響［14］。

3）臺風(fēng)“山竹”登陸我國華南地區(qū)前，北側(cè)與西太平洋副熱帶高壓接壤，有東南急流，因此太平洋的水汽能夠通過東南急流傳輸?shù)轿覈娜A南地區(qū)。此外臺風(fēng)南側(cè)還受到西南急流的影響，從孟加拉灣輸送水汽到南海和華南地區(qū)，形成中國南方強降水的水汽條件。當(dāng)進入高溫海區(qū)吸收的熱量與強烈的水汽通道輸送相結(jié)合時，流入的熱量和水汽減弱了臺風(fēng)“山竹”膨脹冷卻的影響，導(dǎo)致臺風(fēng)“山竹”低層溫度水平梯度小，是臺風(fēng)“山竹”發(fā)展和維持的原因之一。

4）從臺風(fēng)“山竹”的動力分析中可以知道，在臺風(fēng)“山竹”的影響下，華南地區(qū)出現(xiàn)了強烈的高空輻散現(xiàn)象，在“抽吸作用”下，低層輻合上升運動加強。上層氣流強烈發(fā)散和強烈的西南氣流輸送是臺風(fēng)“山竹”海上區(qū)域加強的重要原因。動力條件與水汽條件相結(jié)合促進了臺風(fēng)“山竹”的顯著增強。受臺風(fēng)“山竹”登陸后的西北運動和西風(fēng)區(qū)北升的影響，水汽通量面積和輻散輻合面積相應(yīng)向北移動，對臺風(fēng)“山竹”降水增幅的發(fā)生有一定的作用。

影響臺風(fēng)“山竹”對華南地區(qū)產(chǎn)生的降水因子還有很多。由于臺風(fēng)影響產(chǎn)生降水的情況非常復(fù)雜，本研究分析可能仍有疏漏，還需要大量的研究。