陳宏，盧煥珍，孫密娜，韓婷婷

（天津市氣象臺(tái)，天津300074）

0 引言

臺(tái)風(fēng)造成的降水不僅強(qiáng)度大，還經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和財(cái)產(chǎn)損失。臺(tái)風(fēng)暴雨的分布特征是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，因此一直受到眾多專家學(xué)者的關(guān)注[1-5]。臺(tái)風(fēng)暴雨強(qiáng)度不僅與臺(tái)風(fēng)自身結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、移動(dòng)路徑有關(guān)，而且與環(huán)境場(chǎng)中的天氣系統(tǒng)、水汽輸送甚至下墊面有密切的關(guān)系[6]。臺(tái)風(fēng)通過與其他天氣系統(tǒng)相互作用獲得能量，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化甚至變性，從而導(dǎo)致暴雨增強(qiáng)[7-8]。臺(tái)風(fēng)暴雨需要源源不斷的水汽供應(yīng)，因此對(duì)流層低層的水汽變化對(duì)臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度有很大的影響，適宜的水汽條件不僅利于臺(tái)風(fēng)環(huán)流的維持，還會(huì)加強(qiáng)雨帶中的對(duì)流活動(dòng)，從而導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)暴雨加強(qiáng)[9]。

在臺(tái)風(fēng)登陸北上的過程中，由于較高緯度上不同的大氣環(huán)境場(chǎng)以及下墊面變化等影響，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化，這種結(jié)構(gòu)變化將對(duì)暴雨落區(qū)產(chǎn)生影響。在臺(tái)風(fēng)北上的過程中，如果有冷空氣侵入臺(tái)風(fēng)，兩者相互作用后會(huì)在某一地區(qū)造成明顯的降水[10-11]。這是由于臺(tái)風(fēng)倒槽中冷暖空氣相遇會(huì)使臺(tái)風(fēng)外圍的對(duì)流強(qiáng)度、垂直渦度和上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，從而增加臺(tái)風(fēng)外圍的降水[12]，且冷空氣侵入后，臺(tái)風(fēng)從中緯度斜壓鋒區(qū)中獲取斜壓能量使其變性加強(qiáng)[13-14]，從而增加強(qiáng)輻合抬升作用[15]；同時(shí)，冷空氣有時(shí)會(huì)觸發(fā)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的生成和發(fā)展[16-18]，臺(tái)風(fēng)外圍云系中發(fā)展的中尺度雨團(tuán)往往是臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生暴雨的主要影響系統(tǒng)[19]。因此，北上臺(tái)風(fēng)暴雨由于往往受副熱帶高壓（簡稱副高）、西風(fēng)帶冷槽等多個(gè)系統(tǒng)影響，一直是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的難點(diǎn)。

1810 號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”經(jīng)山東進(jìn)入河北后移入天津，影響天津的時(shí)間較短但降水強(qiáng)度較大，臺(tái)風(fēng)在移動(dòng)過程中造成京津交界地區(qū)出現(xiàn)大暴雨落區(qū)；而2106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”雖然未經(jīng)過天津，但由于受到外圍云系的影響，降水持續(xù)時(shí)間較長，導(dǎo)致天津東部地區(qū)出現(xiàn)大暴雨。本文將利用中國氣象局最佳路徑數(shù)據(jù)、逐時(shí)自動(dòng)站資料、美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國國家大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）1°×1°再分析資料、風(fēng)云四號(hào)A 星（FY-4A）的云頂亮溫（Black Body Temperature，TBB）和常規(guī)觀測(cè)資料，重點(diǎn)分析兩次臺(tái)風(fēng)北上進(jìn)入天津過程中導(dǎo)致暴雨落區(qū)存在差異的原因，以期為以后的北上臺(tái)風(fēng)降水預(yù)報(bào)提供有益的參考依據(jù)。

1 過程概況

1.1 臺(tái)風(fēng)概況

2018年7月18日20時(shí)（北京時(shí)，下同），臺(tái)風(fēng)“安比”在西北太平洋洋面上生成；7月22日12時(shí)30分，臺(tái)風(fēng)“安比”以強(qiáng)熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度在上海市崇明島沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為10 級(jí)（風(fēng)速為28 m/s），中心最低氣壓為982 hPa；隨后不久，臺(tái)風(fēng)“安比”登陸江蘇南通啟東，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱為熱帶風(fēng)暴級(jí)別，在副高的引導(dǎo)下以熱帶風(fēng)暴的強(qiáng)度一路向北，先后穿過山東和河北，并于24 日07 時(shí)左右移入天津；臺(tái)風(fēng)“安比”中心從天津穿過，在影響天津期間臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度始終保持熱帶風(fēng)暴級(jí)別，其中心氣壓為992 hPa，風(fēng)速為18 m/s；臺(tái)風(fēng)繼續(xù)北上經(jīng)過遼寧后，7 月24 日23 時(shí)左右于內(nèi)蒙減弱為熱帶低壓后消失。

2021年7月18日02時(shí)，中央氣象臺(tái)將熱帶低壓“煙花”升格為熱帶風(fēng)暴，7 月25 日12 時(shí)30 分臺(tái)風(fēng)“煙花”在浙江省舟山市普陀區(qū)沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為13 級(jí)（風(fēng)速為38 m/s），中心最低氣壓為965 hPa；臺(tái)風(fēng)經(jīng)過浙江—江蘇—安徽進(jìn)入山東，7 月28 日08 時(shí)開始對(duì)天津地區(qū)產(chǎn)生影響；臺(tái)風(fēng)“煙花”中心雖未從天津地區(qū)直接穿過，但臺(tái)風(fēng)外圍云系給天津帶來了較強(qiáng)的降水，影響天津期間的臺(tái)風(fēng)級(jí)別為熱帶低壓，臺(tái)風(fēng)中心氣壓為985～992 hPa，風(fēng)速為15 m/s；臺(tái)風(fēng)于30 日早晨移入渤海，逐漸變性為溫帶氣旋。

圖1a為兩個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸后在陸地上的移動(dòng)路徑。臺(tái)風(fēng)“安比”在天津經(jīng)歷6 h 強(qiáng)度不變（見圖1b），導(dǎo)致天津西部出現(xiàn)強(qiáng)降水；而臺(tái)風(fēng)“煙花”則是經(jīng)過山東時(shí)強(qiáng)度不變（見圖1b），隨后在渤海灣維持較長時(shí)間，臺(tái)風(fēng)雖然一直維持在熱帶低壓級(jí)別，但臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)速?zèng)]有變化，中心氣壓略有增加，受其外圍云系的持續(xù)影響，天津地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水。

圖1 兩個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸后的移動(dòng)路徑與中心氣壓和風(fēng)速隨時(shí)間的變化Fig.1 The movement paths of the two typhoon centers after landfall and the timeseries of the central pressure and wind speed

1.2 雨情實(shí)況

受北上臺(tái)風(fēng)“安比”的影響，天津西部出現(xiàn)明顯降 水。圖2a 為2018 年7 月23 日08 時(shí)—24 日14 時(shí)和2021年7月28日08時(shí)—30日08時(shí)的累積降水量空間分布。由圖可以看出，臺(tái)風(fēng)“安比”在北上過程中造成的天津降水落區(qū)位于臺(tái)風(fēng)西側(cè)，臺(tái)風(fēng)在天津持續(xù)6 h，區(qū)域站最大累積降水為256.5 mm，國家站為213.6 mm；受北上臺(tái)風(fēng)“煙花”的影響，天津東部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水，受臺(tái)風(fēng)外圍云系影響，區(qū)域站最大累計(jì)降水為204.2 mm，國家站為173.6 mm。兩次降水過程中累計(jì)降水達(dá)到100 mm 以上的國家站均為8個(gè)（占天津市國家站的62%）。

圖2 臺(tái)風(fēng)期間的累積降水量空間分布和強(qiáng)降水代表站的降水時(shí)間變化Fig.2 Spatial distribution of cumulative rainfall and time series of heavy precipitation at representative stations for the two typhoons

為了進(jìn)一步分析兩次臺(tái)風(fēng)過程的降水時(shí)間變化特征，分別各選擇兩個(gè)累積降水量最大的站點(diǎn)的降水時(shí)間變化來進(jìn)一步分析。臺(tái)風(fēng)“安比”導(dǎo)致的強(qiáng)降水代表站點(diǎn)為天津城市氣候監(jiān)測(cè)站（以下簡稱市區(qū)國家站）和薊州梁莊站。從2018年7月23日08時(shí)—25 日08 時(shí)降水的時(shí)間演變圖可知（見圖2b），臺(tái)風(fēng)“安比”導(dǎo)致的降水主要持續(xù)時(shí)間為15 h。隨時(shí)間推移，天津地區(qū)逐小時(shí)雨強(qiáng)共出現(xiàn)兩次峰值，分別出現(xiàn)在24 日03—07 時(shí)和24 日10—12 時(shí)，對(duì)應(yīng)的市區(qū)國家站和薊州梁莊站的最大小時(shí)雨強(qiáng)分別為34.9 mm/h 和30.4 mm/h，且兩個(gè)站的短時(shí)強(qiáng)降水分別維持了5 h和3 h，降水過程表現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間短、雨強(qiáng)大的特點(diǎn)。臺(tái)風(fēng)“煙花”導(dǎo)致的強(qiáng)降水站點(diǎn)為天津市區(qū)容和里站和薊州安棋盤站。根據(jù)2021 年7月28 日08 時(shí)—30 日20 時(shí)降水的時(shí)間演變圖可知（見圖2b），這次降水持續(xù)近40 h，其中容和里站出現(xiàn)3個(gè)降水峰值，薊州安棋盤站出現(xiàn)兩個(gè)降水峰值，雨強(qiáng)在30 mm 以下，整個(gè)降水過程中未出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水，降水過程表現(xiàn)出持續(xù)時(shí)間長、雨強(qiáng)弱的特點(diǎn)。

2 環(huán)流背景

臺(tái)風(fēng)“安比”自江蘇啟東登陸后一直保持熱帶風(fēng)暴的臺(tái)風(fēng)級(jí)別繼續(xù)北上。2018 年7 月24 日02 時(shí)（見圖3a），臺(tái)風(fēng)位于500 hPa 副高的西側(cè)，副高呈南北塊狀分布，大陸高壓和副高之間存在一個(gè)東北—西南走向的高空槽，臺(tái)風(fēng)在副高西側(cè)的東南急流的引導(dǎo)下向西北方向移動(dòng)，影響京津地區(qū)。臺(tái)風(fēng)東北側(cè)有東南低空急流存在，急流中心強(qiáng)度為26 m/s，其左前方風(fēng)速輻合有利于上升運(yùn)動(dòng)加劇。隨著高空槽東移和臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)北上，7 月24 日08 時(shí)500 hPa 高空槽逐漸進(jìn)入華北西部（見圖3b），與此同時(shí)副高東撤，利于槽后冷空氣逐漸滲透下來，并逐漸影響華北地區(qū)。在整個(gè)過程中，臺(tái)風(fēng)東側(cè)的東南低空急流范圍有所擴(kuò)大，伴隨的強(qiáng)降水帶主要發(fā)生在低空急流的左前方，低空急流不僅可以為暴雨區(qū)提供充足的水汽供應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致大氣層結(jié)向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，進(jìn)而利于對(duì)流性降水的發(fā)生。

圖3 臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“煙花”期間500 hPa高度場(chǎng)（藍(lán)色等值線，單位：dagpm）、850 hPa風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s）和850 hPa急流（填色，單位：m/s）Fig.3 Geopotential height of 500 hPa(blue contour,unit:dagpm),wind(vector,unit:m/s)and jet stream of 850 hPa(shaded area,unit:m/s)during Typhoon"Ampil"and Typhoon"In-Fa"

臺(tái)風(fēng)“煙花”在安徽東部北移過程中降為熱帶低壓的級(jí)別后北上，2021年7月29日08時(shí)副高位置偏南偏東（見圖3c），臺(tái)風(fēng)主要受到500 hPa 高空槽的影響，臺(tái)風(fēng)倒槽伸至天津南部地區(qū)，其中心位于高空槽內(nèi)部，且臺(tái)風(fēng)的西北部仍然存在高空槽，其中高空槽經(jīng)向度與臺(tái)風(fēng)“安比”相比較弱，因此臺(tái)風(fēng)向東移動(dòng)過程中攜帶的冷空氣較弱。進(jìn)一步分析，臺(tái)風(fēng)“煙花”東北側(cè)的低空急流大于24 m/s，與臺(tái)風(fēng)“安比”相比強(qiáng)度略弱。7 月29 日14 時(shí)（見圖3d），臺(tái)風(fēng)與西風(fēng)槽合并后演變?yōu)楦呖詹?，影響天津的主要是臺(tái)風(fēng)西北側(cè)的東北氣流，大暴雨也主要集中在這個(gè)地區(qū)。因此，兩次北上臺(tái)風(fēng)均受到西風(fēng)槽的影響，且均有低空急流存在，但是高空槽的經(jīng)向度和影響天津地區(qū)的低空急流的風(fēng)向有所不同。

3 臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)降水成因?qū)Ρ确治?/h2>

3.1 臺(tái)風(fēng)云系分布特點(diǎn)

云圖的演變可以直觀地反映臺(tái)風(fēng)登陸期間降水非對(duì)稱分布特征的形成原因[20]。研究表明，臺(tái)風(fēng)螺旋云帶上降水不均勻性有明顯的中尺度天氣特點(diǎn)，尤其是臺(tái)風(fēng)云系上中尺度對(duì)流云團(tuán)的形成、發(fā)展和維持有利于臺(tái)風(fēng)暴雨的產(chǎn)生。進(jìn)一步分析TBB 可以判斷臺(tái)風(fēng)對(duì)流發(fā)展的旺盛程度，尤其對(duì)降水有重要的指示意義。圖4 為2018 年7 月24 日07:15—09:15 和2021 年7 月29 日05:53—07:38 的FY-4A 的TBB 分布和最近時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)中心位置，通過分析逐小時(shí)TBB 的演變可以得到中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展特點(diǎn)。從衛(wèi)星云圖上看，2018年7月24 日07:15（見圖4a），臺(tái)風(fēng)“安比”北上后，螺旋云帶的結(jié)構(gòu)不明顯，天津中西部—北部地區(qū)出現(xiàn)帶狀的中尺度云團(tuán)，云團(tuán)主要位于臺(tái)風(fēng)的西北側(cè)，且隨著TBB ≤-52 ℃的中尺度云系團(tuán)的穩(wěn)定維持，天津中西部強(qiáng)降水位置分布與亮溫梯度分布關(guān)系明顯，此時(shí)天津中西部出現(xiàn)小時(shí)雨強(qiáng)超過20 mm/h 的雨團(tuán)，并持續(xù)5 h，可見暴雨與中尺度云團(tuán)的發(fā)展對(duì)應(yīng)關(guān)系密切。圖4b 為2021 年7 月29 日的臺(tái)風(fēng)“煙花”云系，其外圍云系的對(duì)稱性和組織性較差，且TBB 較高，不利于對(duì)流的發(fā)生，TBB ≤-32 ℃的云團(tuán)主要位于天津南部和東部，因此天津地區(qū)的雨強(qiáng)較小，以穩(wěn)定性降水為主。

圖4 臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“煙花”的FY-4A的云頂亮溫（填色，單位：℃）和臺(tái)風(fēng)中心位置（黑色標(biāo)記）Fig.4 Cloud top brightness temperature(shaded area,unit:℃)and typhoon center position(black mark)of Typhoon"Ampil"and Typhoon"In-Fa"from FY-4A

3.2 臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征

臺(tái)風(fēng)“安比”進(jìn)入天津后一直向北移動(dòng)，2018 年7 月24 日08 時(shí)臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)到天津大港地區(qū)（見圖5a），臺(tái)風(fēng)東西兩側(cè)的假相當(dāng)位溫梯度均為10 K，西側(cè)的梯度大值區(qū)更靠近臺(tái)風(fēng)中心。進(jìn)一步從850 hPa的渦度水平分布來看，臺(tái)風(fēng)呈現(xiàn)出較為對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，臺(tái)風(fēng)中心基本位于正渦度中心位置，但是北側(cè)的垂直上升運(yùn)動(dòng)明顯強(qiáng)于臺(tái)風(fēng)南側(cè)，因此強(qiáng)降水主要發(fā)生在垂直上升明顯的地區(qū)。

圖5 850 hPa的正渦度（填色，單位：10-5/s）、垂直上升運(yùn)動(dòng)（黑色虛線，單位：Pa/s）和假相當(dāng)位溫（紅線，單位：K）Fig.5 Positive vorticity(shaded area,unit：10-5/s),vertical ascending motion(dashed black line,unit：Pa/s)and false equivalent potential temperature(red line,unit：K)at 850 hPa

臺(tái)風(fēng)“煙花”在北抬的過程中，西北側(cè)冷空氣侵入導(dǎo)致東西向假相當(dāng)位溫梯度明顯（見圖5b），在臺(tái)風(fēng)中心的西北側(cè)形成了一條近似西北—東南走向的能量鋒區(qū)，鋒區(qū)西側(cè)為來自西北方向的干冷空氣，相當(dāng)位溫中心為336 K，鋒區(qū)東側(cè)有較強(qiáng)的暖濕空氣向鋒區(qū)輸送水汽和能量，假相當(dāng)位溫中心值達(dá)356 K，兩側(cè)假相當(dāng)位溫中心相差18 K。進(jìn)一步分析，850 hPa的渦度和垂直上升速度相對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流而言也相應(yīng)地呈現(xiàn)出非對(duì)稱分布，渦度大值區(qū)和強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)主要分布在臺(tái)風(fēng)中心的西北側(cè)，與能量鋒區(qū)一致，此時(shí)的強(qiáng)降水也主要出現(xiàn)在這一區(qū)域。

螺旋度大小可以反映旋轉(zhuǎn)與沿旋轉(zhuǎn)軸方向運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱程度，其中垂直螺旋度為垂直速度和垂直渦度的乘積，可以綜合描述垂直上升運(yùn)動(dòng)和垂直渦度。低層的正垂直螺旋度與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向和強(qiáng)度變化關(guān)系較為密切，能夠反映系統(tǒng)的維持和發(fā)展[21-22]，因此進(jìn)一步通過分析螺旋度來分析臺(tái)風(fēng)低層渦旋的強(qiáng)度和分布。2018年7月24日08時(shí)700 hPa和850 hPa的螺旋度中心幾乎重合（圖略），均位于天津和北京的交界處，可見對(duì)流層低層的氣旋性環(huán)流垂直分布較為一致，因此臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)是正壓的。而2021 年7 月29 日20 時(shí)700 hPa 和850 hPa 的螺旋度中心分布不一致（圖略），其中700 hPa 的螺旋度中心位于京津交界，850 hPa 的螺旋中心位于天津東部的渤海西岸，臺(tái)風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)存在斜壓性，結(jié)合臺(tái)風(fēng)“煙花”期間天津地區(qū)的強(qiáng)降水落區(qū)來看（圖略），強(qiáng)降水區(qū)位于700 hPa和850 hPa螺旋度梯度的重合區(qū)。

3.3 冷空氣的作用

通過以上分析可知，兩次臺(tái)風(fēng)降水過程均受到西風(fēng)槽的影響，下面進(jìn)一步研究西風(fēng)槽冷空氣與臺(tái)風(fēng)降水之間的關(guān)系。首先研究冷空氣入侵后臺(tái)風(fēng)渦旋強(qiáng)度的變化。圖6a為2018 年7 月23 日20 時(shí)沿臺(tái)風(fēng)中心位置的溫度平流、正渦度和風(fēng)場(chǎng)的緯向-高度剖面圖。從圖中可以看出，臺(tái)風(fēng)“安比”的西側(cè)為西北風(fēng)，導(dǎo)致116°E 附近的對(duì)流層中層冷平流明顯，冷平流中心位于700 hPa，臺(tái)風(fēng)東側(cè)為偏南風(fēng)攜帶的明顯暖平流，對(duì)流層低層的暖平流發(fā)展加強(qiáng)，700 hPa處冷暖平流交匯明顯，在偏南風(fēng)和偏北風(fēng)的冷暖交匯區(qū)，臺(tái)風(fēng)西側(cè)的水平風(fēng)垂直切變?cè)鰪?qiáng)，氣旋性渦度顯著增強(qiáng)，7 月24 日08 時(shí)正渦度明顯增大（見圖6c），正渦度垂直分布較為一致，其中心最大值加強(qiáng)至24×10-5m/s以上。臺(tái)風(fēng)“煙花”期間（見圖6b），對(duì)流層中層和低層的冷平流中心分別位于115°E的600 hPa和120°E的900 hPa附近，隨著冷空氣從臺(tái)風(fēng)西側(cè)入侵，2021年7月29日20時(shí)低層的正渦度增加且中心下移（見圖6d），正渦度中心由800 hPa 下降到900 hPa，中心最大值增加至20×10-5m/s左右，但北上臺(tái)風(fēng)“煙花”的渦旋強(qiáng)度仍弱于臺(tái)風(fēng)“安比”。

圖6 臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“煙花”期間沿臺(tái)風(fēng)中心溫度平流（等值線，單位：10-5 K/s）、正渦度（填色，單位：10-5/s）與風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s）剖面Fig.6 Temperature advection(isolines,unit:10-5 K/s)，positive vorticity(shaded area,unit:10-5/s)and wind field along the typhoon center during Typhoon"Ampil"and Typhoon"In-Fa"

由于位渦與大氣渦度（旋轉(zhuǎn)性）和大氣位勢(shì)（厚度或高度）有關(guān)，因此位渦在天氣診斷分析和預(yù)報(bào)中常被用于干侵入的分析，并揭示冷空氣和位渦與氣旋發(fā)展的關(guān)系[17]。位渦的計(jì)算公式為[23]：

式中：PV為位渦，g為重力加速度，f為地轉(zhuǎn)參數(shù)，k為垂直方向矢量，?p表示等壓面梯度，V為速度，?pθ為等壓面的位溫梯度。

通過沿臺(tái)風(fēng)中心的位渦垂直分布可以分析氣旋中心強(qiáng)度的變化。由2018 年7 月23 日20 時(shí)緯向位渦和經(jīng)向位渦垂直剖面圖可以看出（圖略），在400 hPa 附近存在位渦的高值區(qū)。7 月24 日08 時(shí)整層位渦加強(qiáng)至2.7×10-6m2·K/（kg·s）（見圖7a），高位渦逐漸下傳至500 hPa附近。根據(jù)位渦守恒原理[24]，來自高層穩(wěn)定環(huán)境的高位渦氣流到達(dá)低層不穩(wěn)定環(huán)境后，其渦度增大會(huì)促進(jìn)氣旋的發(fā)生和發(fā)展，因此對(duì)流層中低層600 hPa 和800 hPa 的位渦中心強(qiáng)度增強(qiáng)至1.5×10-6m2·K/（kg·s）和2.1×10-6m2·K/（kg·s）（見圖7c）。結(jié)合假相當(dāng)位溫的垂直分布來看（見圖7c），700 hPa 以下θse隨氣壓降低有所減小，，因此大氣在低層是對(duì)流不穩(wěn)定的，利于造成強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生，因此位渦下傳為臺(tái)風(fēng)“安比”的渦旋增強(qiáng)及對(duì)流降水提供了有利的動(dòng)力條件。2021 年7 月29 日20 時(shí)臺(tái)風(fēng)“煙花”位渦為傾斜的垂直分布（見圖7b），且高位渦中心為2.5×10-6m2·K/（kg·s），強(qiáng)度小于臺(tái)風(fēng)“安比”，7 月30 日02 時(shí)位渦傾斜向下傳播（見圖7d），低層600 hPa 和900 hPa 的位渦增加明顯。從假相當(dāng)位溫垂直分布來看，與臺(tái)風(fēng)“安比”不同，臺(tái)風(fēng)“煙花”暴雨區(qū)西側(cè)和北側(cè)的θse線密集帶在116°E 和37°N 附近發(fā)生傾斜，存在一定斜壓結(jié)構(gòu)。

圖7 臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“煙花”期間假相當(dāng)位溫（黑色等值線，單位：K）與位渦（藍(lán)色虛線，單位：10-6 m2·K/（kg·s））剖面Fig.7 Vertical section of pseudo-equivalent potential temperature(black contour,unit:K)and potential vortex(blue dotted line,unit:10-6 m2·K/(kg·s))during Typhoon"Ampil"and Typhoon"In-Fa"

3.4 冷空氣引起的鋒生作用

冷空氣入侵臺(tái)風(fēng)環(huán)流后的θse密集帶說明存在鋒生過程。為了對(duì)比兩次臺(tái)風(fēng)期間冷空氣對(duì)鋒生和對(duì)流不穩(wěn)定過程的作用，進(jìn)一步分析2018 年7 月23日02時(shí)—25日08時(shí)市區(qū)國家站（見圖8a，39.0°N，117.2°E）和2021 年7 月28 日20 時(shí)—31 日02 時(shí)天津市區(qū)容和里站（見圖8b，39.17°N，117.2°E）的鋒生函數(shù)時(shí)間變化。鋒生函數(shù)表達(dá)式為[25]：

圖8 臺(tái)風(fēng)“安比”（a）和臺(tái)風(fēng)“煙花”（b）期間強(qiáng)降水區(qū)鋒生函數(shù)（填色，單位：10-10 K/（m·s））和散度（等值線，單位：10-5 m/s）的時(shí)間變化Fig.8 Time variation of frontogenesis function(shaded area,unit:10-10 K/(m·s))and divergence(unit:10-5 m/s)in the heavy rainfall area during Typhoon"Ampil"(a)and Typhoon"In-Fa"(b)

式中：F1、F2、F3、F4 分別為非絕熱加熱項(xiàng)、水平輻散項(xiàng)、水平變性項(xiàng)和與垂直運(yùn)動(dòng)有關(guān)的傾斜項(xiàng)。在臺(tái)風(fēng)“安比”影響天津期間，2018年7月24日08時(shí)的強(qiáng)降水區(qū)整層存在明顯的鋒生函數(shù)，垂直分布表明鋒生的影響是整層的，且在700 hPa 和900 hPa 附近分別有鋒生的強(qiáng)中心，強(qiáng)度均為13×10-10K/（m·s），鋒生強(qiáng)中心與天津地區(qū)強(qiáng)降水時(shí)段一致；7 月24 日14 時(shí)后，鋒生函數(shù)減弱，降水逐漸減弱，可見鋒區(qū)的增強(qiáng)有利于大暴雨的發(fā)生和發(fā)展，且在900 hPa 以下有明顯的輻合。在臺(tái)風(fēng)“煙花”影響天津期間，2021年7 月29日20時(shí)僅在近地面—800 hPa附近有明顯的鋒生，其強(qiáng)度略弱于臺(tái)風(fēng)“安比”，從垂直方向上看鋒生影響是非正壓的，其中30 日02 時(shí)的鋒生中心位于800 hPa，強(qiáng)度為11×10-10K/（m·s）且鋒生維持（見圖9a），出現(xiàn)150 mm 的降水站點(diǎn)主要位于850 hPa 鋒生和鋒消的交匯區(qū)，臺(tái)風(fēng)“煙花”導(dǎo)致的強(qiáng)降水站點(diǎn)主要位于鋒生函數(shù)和假相當(dāng)位溫的梯度區(qū)（見圖9b），且與臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的斜壓性關(guān)系密切。

圖9 臺(tái)風(fēng)“安比”（a）和臺(tái)風(fēng)“煙花”期間（b）累積降水>150 mm的站點(diǎn)分布（紅點(diǎn)）、850 hPa的鋒生函數(shù)（填色，單位：10-10 K/（m·s））和假相當(dāng)位溫（單位：K）Fig.9 Distribution of stations with accumulated precipitation greater than 150 mm(red dots)，frontogenesis function at 850 hPa(shaded area,unit:10-10 K/(m·s))and pseudo-equivalent potential temperature(unit:K)during Typhoon"Ampil"(a)and Typhoon"In-Fa"(b)

3.5 水汽輸送條件

暴雨不僅與動(dòng)力和熱力因子有關(guān)，充足的水汽供應(yīng)也是暴雨發(fā)生的必要條件，其中水汽通量及其散度輻合可表征外地水汽對(duì)雨區(qū)內(nèi)水汽的補(bǔ)充[26]。從低層925 hPa 水汽通量、水汽通量散度和風(fēng)矢量分布可以看出，2018 年7 月24 日08 時(shí)（見圖10a），臺(tái)風(fēng)在進(jìn)入天津北上過程中東側(cè)一直存在偏南風(fēng)低空急流，一方面為暴雨區(qū)提供了源源不斷的水汽，另一方面將海上的熱量向臺(tái)風(fēng)經(jīng)過地區(qū)輸送，使臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度得以維持，其東側(cè)的低空急流始終維持，經(jīng)過渤海后水汽得以補(bǔ)充，在向北推進(jìn)過程中水汽通量高值區(qū)強(qiáng)度變化不大，臺(tái)風(fēng)的西北部有一明顯的帶狀水汽輻合帶，不對(duì)稱分布更加明顯，水汽輻合中心位于京津交界附近，中心強(qiáng)度為-120×10-8g/（s·cm2·hPa），暴雨位置與水汽通量的密集帶和水汽輻合大值區(qū)對(duì)應(yīng)。而2021 年7 月29 日20 時(shí)（見圖10b），臺(tái)風(fēng)“煙花”北側(cè)的東南氣流經(jīng)渤海向天津東部地區(qū)不斷輸送水汽，最強(qiáng)的水汽輻合中心位于渤海西岸的天津東部沿海地區(qū)，其輻合強(qiáng)度略弱于臺(tái)風(fēng)“安比”，水汽通量較臺(tái)風(fēng)“安比”低約4×10-8g/（s·cm2·hPa）。

圖10 臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“煙花”期間925 hPa水汽通量（等值線，單位：g/（s·hPa·cm））、水汽通量散度（填色，單位：10-8g/（s·cm2·hPa））和風(fēng)矢量（單位：m/s）分布Fig.10 Water vapor flux(contour,unit:g/(s·hPa·cm)),water vapor flux divergence(shaded area,unit:10-8 g/(s·cm2·hPa))and wind vector(unit:m/s)during Typhoon"Ampil"and Typhoon"In-Fa"

進(jìn)一步分析水汽通道對(duì)水汽集中的貢獻(xiàn)程度，選取了116.5°～118.2°E、38.5°～40.3°N 范圍內(nèi)4 條邊界來分析兩次臺(tái)風(fēng)過程中天津地區(qū)水汽的收支情況。從4個(gè)邊界的凈收支上看（見圖11a），在臺(tái)風(fēng)“安比”導(dǎo)致的強(qiáng)降水開始前，東邊界主要為天津水汽的凈流入方，西邊界主要為水汽的凈流出方，而南邊界以弱的凈流入為主，北邊界為弱的凈流出。因此偏東水汽輸送為最重要的水汽來源，對(duì)天津強(qiáng)降水的水汽集中有正貢獻(xiàn)?？傮w來看，2018年7月24日20時(shí)前總的水汽收支為正值，水汽源源不斷向降水區(qū)集中，20時(shí)后總收支變?yōu)樨?fù)值，即當(dāng)水汽由凈收入轉(zhuǎn)為凈支出后，強(qiáng)降水逐漸趨于停止，降水量迅速減少。從臺(tái)風(fēng)“煙花”的水汽收支情況來看（見圖11b），在強(qiáng)降水發(fā)生前，南邊界主要為天津水汽的凈流入方，北邊界主要為水汽的凈流出方，而東邊界以弱的凈流入為主，西邊界為弱的凈流出，偏南水汽輸送為最重要的水汽來源。但與臺(tái)風(fēng)“安比”不同的是，在臺(tái)風(fēng)“煙花”導(dǎo)致的強(qiáng)降水開始后，降水區(qū)的總收入始終是增加的，可以持續(xù)為降水區(qū)提供水汽，為其較長時(shí)間的降水提供有利條件。

圖11 臺(tái)風(fēng)“安比”（a）和臺(tái)風(fēng)“煙花”（b）期間天津地區(qū)1 000～300 hPa整層的水汽收支時(shí)間序列Fig.10 Time series of vertically integrated water vapor budget between 1 000 hPa and 300 hPa in Tianjin during the periods of Typhoon"Ampil"(a)and Typhoon"In-Fa"(b)

4 結(jié)論

本文使用中國氣象局最佳路徑數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖、自動(dòng)站資料、NCEP/NCAR 再分析資料和常規(guī)觀測(cè)資料，分析了2106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”和1810 號(hào)臺(tái)風(fēng)“安比”北上過程中受到西風(fēng)帶高空槽的影響導(dǎo)致天津地區(qū)強(qiáng)降水落區(qū)存在差異的原因。結(jié)論如下：

①臺(tái)風(fēng)“安比”和臺(tái)風(fēng)“煙花”在北上過程中強(qiáng)度保持不變，均給天津地區(qū)帶來明顯降水，但是大暴雨落區(qū)位置以及降水的強(qiáng)度和持續(xù)性卻存在顯著差異，其中臺(tái)風(fēng)“安比”的降水強(qiáng)度大，大暴雨主要集中在天津西部，而臺(tái)風(fēng)“煙花”降水持續(xù)時(shí)間長，降水效率低，大暴雨主要位于天津東部。

②兩次臺(tái)風(fēng)降水分布差異與臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)、位置和環(huán)境氣流密切相關(guān)。在臺(tái)風(fēng)“安比”影響期間，正壓結(jié)構(gòu)維持，副高東撤導(dǎo)致槽后有冷空氣滲透并與偏東南暖濕低空急流交匯，中尺度云團(tuán)發(fā)展，利于對(duì)流性降水的發(fā)生。臺(tái)風(fēng)“煙花”則與西風(fēng)槽合并后演變?yōu)楦呖詹?，由于冷平流較弱，中尺度云團(tuán)不明顯，雨強(qiáng)較小，以穩(wěn)定性降水為主。

③臺(tái)風(fēng)“安比”西側(cè)冷暖交匯，風(fēng)切變?cè)龃?，正渦度增強(qiáng)，高層高位渦氣流到達(dá)對(duì)流層低層，位渦下傳導(dǎo)致900 hPa 新的位渦中心被激發(fā)，且對(duì)流層低層螺旋度中心幾乎重合，鋒區(qū)垂直且有一定增強(qiáng)，共同為臺(tái)風(fēng)“安比”期間的渦旋增強(qiáng)及大暴雨的發(fā)生和發(fā)展提供了有利的動(dòng)力條件。臺(tái)風(fēng)“煙花”暴雨區(qū)西側(cè)和北側(cè)的θse密集帶發(fā)生傾斜，斜壓性明顯，強(qiáng)降水落區(qū)恰好位于700 hPa 和850 hPa 螺旋度梯度的重合區(qū)，強(qiáng)降水站點(diǎn)主要位于鋒生函數(shù)和假相當(dāng)位溫的梯度區(qū)。

④水汽分析發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)“安比”正面襲擊天津，對(duì)流層低層?xùn)|南急流經(jīng)渤海后水汽得以補(bǔ)充，在臺(tái)風(fēng)西北部形成明顯的帶狀水汽輻合帶，東邊界主要為天津水汽的凈流入方，偏東水汽輸送為最重要的水汽來源，對(duì)天津強(qiáng)降水的水汽集中有正貢獻(xiàn)，水汽和冷暖空氣均交匯于京津交界并誘發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。臺(tái)風(fēng)“煙花”經(jīng)山東折向渤海，臺(tái)風(fēng)北側(cè)的東南氣流經(jīng)渤海向天津東部地區(qū)不斷輸送水汽，最強(qiáng)的水汽輻合中心位于天津東部沿海地區(qū)，南邊界主要為天津水汽的凈流入方，偏南水汽輸送為持續(xù)降水提供水汽來源。