遠距離臺風暴雨研究綜述

胡 楠，張婷婷，袁志學，屠文芬(.江蘇省睢寧縣氣象局，江蘇睢寧00;.山東省濱州市氣象局，山東濱州56600)

臺風暴雨主要有3種類型，即臺風環流本身造成的暴雨、臺風與西風帶系統或熱帶其他系統共同作用造成的暴雨、受地形影響而形成的暴雨［1］。根據臺風登陸后產生暴雨的不同特點，陳聯壽將其劃分為由于臺風環流本身造成的暴雨和臺風的遠距離暴雨2種［2］。陶詩言研究發現登陸臺風往往有4塊暴雨區與之相伴［3］，王亦平將這4塊暴雨區劃分為臺風眼壁暴雨、臺風的內外螺旋雨帶暴雨、臺風外圍伸向北方的倒槽區暴雨、遠離臺風的北方中緯度西風槽前暴雨［4］。上述第4塊暴雨區位于臺風的北方，與臺風中心相去甚遠，是臺風與中緯度系統相互作用的產物，稱為遠距離臺風暴雨。陳聯壽將此類臺風暴雨定義為降水發生在臺風范圍之外、降雨與臺風存在著內在的物理聯系［5］。由此可見，臺風遠距離暴雨和臺風環流暴雨區是明顯分離的。楊曉霞等分析指出臺風遠距離暴雨是臺風與中緯度系統相互作用的結果，降水特征上表現為突發性強、降水強度大、降水時段集中，是臺風影響我國內陸地區降水的重要形式，常引起強烈的暴雨天氣［6］。筆者在此從多角度總結遠距離臺風暴雨研究的已有成果，從遠距離臺風暴雨的氣候特征切入，不但對已有學者系統總結過的中緯度系統相互作用和臺風自身影響做了歸納［7－8］，且對暴雨區的中小尺度對流系統、重力慣性波作用做了一些總結。

1 遠距離臺風暴雨的氣候特征

氣候特征的研究有助于總體上把握遠距離臺風暴雨的形成規律，也有利于預報水平的提高。樂群等研究發現登陸臺風活躍的年份和登陸臺風偏少的年份臺風的最大降水量并無明顯差異，且從氣候學角度分析，副高脊線的位置與臺風登陸次數明顯相關［9］;雷小途等統計分析1951～1996年間中低緯度熱帶氣旋活動的不同特征，指出約65%的熱帶氣旋能夠影響到中緯度地區［10］;韓暉采用氣候統計診斷方法分析了1951～2001年間對我國產生影響的臺風及相應的降水情況，總結出近50年我國臺風暴雨的時空特征:①空間分布不均，差異明顯。在頻次方面表現為由東南沿海向西北內陸逐漸減少;在平均強度方面，華北和東北南部的一些地區反而普遍比華南、華東地區高;臺風暴雨強度在最大值上地域差別不明顯;②時間分布季節性明顯。臺風暴雨的雨季是5～11月，其中7～9月是高峰期(遠距離臺風暴雨集中于這個階段);在發生頻次方面年際振蕩和年代際的起伏明顯，且頻次和強度均呈現出上升的趨勢;③太平洋表層海水溫度異常與我國臺風的活躍程度之間存在著制約關系(臺風活動的變化滯后于海水溫度的變化1～2個季節)，這種關系厄爾尼諾時期非常明顯，呈現出厄爾尼諾年臺風暴雨偏少，而拉尼娜年臺風暴雨相較偏多的趨勢;④大氣環流形勢對遠距離臺風暴雨有巨大影響，臺風暴雨與前一年冬季的大氣環流存在隔季遙相關，與夏季的大氣環流存在同期相關，且在某些地區特別突出［11］。

2 臺風與中緯度系統的相互作用

臺風與周圍環境流場的相互作用是決定臺風發展、移動和暴雨分布的重要原因［1］，已有大量的研究表明，中緯度西風帶系統和副熱帶高壓是引起遠距離臺風暴雨的關鍵系統。仇永炎著重分析了臺風槽、河套西風槽、日本海渤海高壓、東南風急流以及弱冷空氣侵入，并將以上5個因子作為臺風暴雨分型的判據，得出多數遠距離臺風暴雨可能是由于臺風與西風槽相互作用所致［12］。從春華等進一步指出臺風遠距離暴雨是臺風與其相鄰的中緯度系統(包括西風槽、東北冷渦、西南渦、弱冷空氣、高低空急流及副熱帶高壓等)相互作用的結果［7］。此外，李江南研究發現華北東北特大暴雨與高空急流、臺風登陸后強度的維持、臺風中有倒槽向北伸展以及北方有冷空氣南下等許多因素有關［8］。下面著重對引起暴雨的中緯度系統逐一進行討論。

2.1 臺風倒槽 我國一些臺風降水的最大值往往并不出現在臺風本身的雨區中，而是產生在臺風北部倒槽和弱冷空氣結合的地方，這種臺風外圍暴雨有時可遠離臺風中心近千公里，稱為臺風倒槽暴雨［13］。臺風倒槽東北部的西南氣流提供充足的水汽，而倒槽區的強輻合作用又能產生強烈的上升運動，為不穩定能量的釋放提供初始擾動。當臺風倒槽伸入中緯度西風帶中，與西風槽的相互疊加，或是有弱冷空氣侵入，均會加強臺風倒槽區的暴雨。張少林等分析指出中緯度分裂南下的冷空氣與倒槽偏南的暖濕氣流結合是造成豫東、魯西南地區降水的原因，而隨著倒槽的北伸和冷空氣的進一步侵入導致了山東地區的暴雨產生［14］。楊曉霞等研究發現臺風倒槽區的溫度場呈現出東暖西冷的不對稱結構，可以極大加強高層的熱成風，加大低層的輻合，從而促使上升運動增強，是產生暴雨的根本原因之一［6］。暴雨區位于低層臺風倒槽的強輻合區和臺風北側的暖平流區。李改琴等在研究臺風海棠引起的遠距離暴雨時，發現在倒槽輻合線上的強中β尺度對流復合系統是暴雨產生的直接原因［15］。臺風倒槽對暴雨的影響主要有3種形式，即臺風倒槽與弱冷空氣相配合產生、倒槽內暖濕切變線的中尺度對流復合體(MCC)產生、臺風倒槽中的東風波登陸產生。

2.2 西風槽 中高緯的西風槽對遠距離臺風暴雨的貢獻主要是提供了有利的大尺度背景，具體表現為低層輻合、高層輻散，槽前正渦度平流，這種環流背景下十分有利于垂直運動的發展和降雨的維持。此外，西風槽引起的低層負變壓可以使低層的水汽輻合上升，為暴雨提供充分的水汽供應。因此，中高緯的西風槽是臺風暴雨增幅的重要條件。張曉惠等在研究熱帶低壓“浣熊”時發現，熱帶低壓與中緯度低槽發生同位相疊加形成明顯的低壓中心和負變壓中心，正渦度平流的加大并先于低槽的發展，是降水的觸發機制之一［16］。通過數值模擬表明，加強或減弱西風槽將導致降水的加強或減弱［17］。李明等對3次遠距離臺風大暴雨天氣進行了綜合分析，發現環流背景表現為在中東部高壓脊的阻擋下，西風槽或高原槽東移至河套地區穩定維持，并與臺風外圍系統相互作用［18］。在這種類似半熱帶系統的形勢下，臺風攜帶的水汽源源不斷向中緯地區輸送，同時給暴雨區提供很大的不穩定能量。

2.3 高空急流 臺風暴雨與高、低空急流的配置密切相關，我國暴雨往往產生在高空急流右后方和低空急流左前方。大量的研究表明，非緯向高空急流右側的氣流輻散為暴雨的形成提供了有利的高空輻散形勢，高層輻散引起上下層質量的調整，形成變壓風疊加在低空氣流之上，從而形成低空急流，這是高空急流對低空急流的強迫作用［19－21］。非緯向高空急流與遠距離臺風暴雨有著密切的關系，當暴雨增幅時，200 hPa高空急流有增強轉豎的趨勢［19］。對臺風麥莎的診斷分析表明，200 hPa SW－S風達到了高空急流的強度，此急流在48°N處呈準東西走向，但在45°N及以南地區就急轉為SW－S走向，此非緯向的急流與暴雨的落區有很好的相關性［20］。統計分析表明，暴雨發生時，90%的情況下200 hPa高空為西南急流，而暴雨區則位于高空急流右后方［21］。蔣尚城等研究指出高空急流可以把暴雨區上空的凝結潛熱迅速帶走，使暴雨區不穩定得以重建［22］。這些研究顯示了非緯向的高空急流在臺風遠距離暴雨中的重要作用。

2.4 低空急流 相關統計表明［3］，低空急流與暴雨密切相關，對于每一次過程，有的是在暴雨發生之前就先有強風軸出現，而有的則是在暴雨過程中偏南風速不斷增大。多數暴雨發生在低空急流軸線的左前方，是暴雨落區的一個重要判據。低空急流為暴雨的發生提供充沛的水汽。在臺風靠近副熱帶高壓時，其北部與副高之間形成了強大的氣壓梯度力，于是產生了東風急流，成為了暴雨區的重要水汽輸送帶。徐遠波通過對十堰“05.8”遠距離登陸臺風特大暴雨的多尺度分析發現，臺風登陸后形成的低壓渦旋群與其北面的副熱帶高壓之間有很強的偏東氣流形成，這股東風氣流從海上一直伸展到內陸，成為“05.8”十堰特大臺風暴雨的主要水汽通道［23］。朱洪巖通過臺風加強的敏感性試驗表明，加強后的臺風改變了水汽輸送量和水汽輸送通道;與控制試驗的診斷結果相比，不僅河南中部降水區對應一個水汽輻合中心，且在膠東半島地區出現了一個大的水汽輻合中心［17］。所以，臺風的強度直接影響了水汽在中緯度地區的輻合輻散。低空急流暴雨區低層增暖增濕使得大氣層結向不穩定狀態發展，不穩定能量得以組建或重建。一旦動力抬升條件具備，暴雨系統一觸即發。周玲麗等數值試驗表明臺風東南側云帶為臺風外圍的暖濕氣流，為臺風輸送水汽和能量;臺風北側云帶為來自北方的弱干冷空氣，侵入到臺風暖濕環流之中，由此形成了一條過臺風中心并南北向延伸的能量鋒［24］。

2.5 弱冷空氣 弱冷空氣的侵入，使干冷空氣疊加于臺風暖濕氣流之上，形成有利的上升運動條件，邊界層內的水汽迅速集中并向上層輸送;此外，冷暖交匯處在低層表現為具有自身垂直環流的中尺度系統——干線，可導致強烈的對流風暴，起到對輻合線上中尺度擾動及其所伴隨的強雨團的觸發作用。張經珍在分析9907號熱帶風暴造成的山東“99.8”大暴雨時發現弱冷空氣與低空東南急流輸送來的暖濕空氣相互作用，形成了較強的位勢不穩定，并觸發了不穩定能量釋放，產生強降水［25］。杜慧良通過雷達風廓線資料發現，降水區低層有東北氣流冷墊且維持較長時間，低層冷性的東北氣流嵌入到副高北側的暖空氣下面，使暖性的西南氣流在其上面迅速發生對流上升運動，產生強降水［26］。弱冷空氣侵入的機制可概括為來自北方的弱冷空氣與登陸臺風外圍偏東氣流所帶來的暖濕氣流交匯于暴雨區，形成位勢不穩定，同時，暖濕空氣受到冷空氣的抬升形成上升運動，使低層的水汽向上輸送，并觸發了不穩定能量的釋放。

2.6 副熱帶高壓 副熱帶高壓作為天氣尺度的系統對臺風暴雨的形成和發展起著間接的作用，其作用主要體現在以下幾個方面:①阻擋西風槽東移，引導臺風向西風槽移動，形成有利于降水的穩定形勢。副熱帶高壓以及其脊線的移動對臺風暴雨帶的移動和消失有密切聯系。孫建華等在討論中低緯相互作用的年季變化時指出，夏季副熱帶高壓突然北跳，以及赤道輻合帶十分活躍、位置偏北的環境下可能有更多的機會出現中低緯系統的相互作用，使遠距離臺風暴雨發生的可能性增加［27］。楊曉霞等通過統計山東地區的遠距離臺風暴雨發現，副高脊線的位置與暴雨的發生有密切聯系，當副高脊線位于山東之南時，能夠產生遠距離臺風暴雨，其中當副高脊線位于26°～30°N時暴雨發生率最高，為63.9%，而當副高脊線控制山東境內時，無暴雨發生［6］。②與臺風低壓形成強大的氣壓梯度力，加強臺風北側的東風急流，為暴雨區輸送暖濕氣流。③通過影響臺風的登陸路徑來影響臺風暴雨的降區。

3 地形的影響

地形對臺風暴雨的影響有以下幾個方面:①地形阻擋產生的氣流強迫上升運動，有利不穩定能量的觸發。當臺風靠近迎風坡時，暴雨較多，在背風坡時，降水較少。② 喇叭口地形的輻合作用是造成特大暴雨的有利地形，如“75.8”暴雨發生在三面環山的馬蹄形地形中，當臺風移近時就導致了特大暴雨，板橋附近林莊的過程總降水量達1 631 mm。③海岸的摩擦輻合作用。雖然臺風登陸后受摩擦作用后會減弱，但由于邊界層內的摩擦導致了低層水汽通量的輻合，使降水量不降反升。利用數值模擬進行敏感試驗，研究人員對地形影響臺風暴雨有了更加深刻的認識。Wu等研究發現去除臺灣地區地形后，由于沒有地形抬升作用，臺風暴雨的分布迥然不同，且地形與季風氣流和臺風的相對方向會調整季風氣流和臺風環流，從而使得這兩股氣流的匯合地點發生變化，繼而導致最大降水量的位置發生變化［28］。Tuleya等利用三重嵌套可移動網格模式詳細討論了海島多山地形對熱帶氣旋的影響，模擬結果表明，海島地形影響熱帶氣旋的運動和結構;受海島地形影響，熱帶氣旋的路徑通常會向北偏折;來自山地的干空氣侵入熱帶氣旋，會影響氣旋內部的潛能釋放和垂直結構，使氣旋在登陸之前就會減弱，并在越過海島后重新加強;熱帶氣旋在穿越海島時，其內部的結構會發生變化，其暖中心和低壓中心會發生移位，使降水中心偏離低壓中心［29］。地形強迫因素的作用對于變性臺風移動路徑、臺風暴雨落區分布及其降水強度有顯著的影響［30］。王曉芳等對臺風碧利斯的模擬表明，地形抬升機制對暴雨的觸發主要在迎風坡上游平原地區，而不是在山坡上［31］。馬玉芬等模擬表明地形高度越高，地形強迫抬升作用產生垂直運動越明顯，地形抬升機制在臺風登陸時刻最強［32］。冀春曉等模擬表明在臺風登陸期間，當地形抬升造成上升運動時，其上空整層大氣必有輻散氣流以進行補償，高層輻散低層輻合導致抽吸作用顯著，又由于臺風輸送水汽使低層濕度足夠大，濕空氣抬升凝結產生降水或抬升觸發對流造成的降水量不可忽視的;此外，在地形影響的作用下，臺風西北側低層往往有中尺度氣旋性渦旋系統發生發展，并形成中尺度雨團［33］。

4 重力慣性波

臺風越強越大，產生的暴雨也越大。從暴雨產生的條件來看，臺風氣旋北部常有偏東風急流或臺風倒槽，為暴雨區輸送暖濕空氣，是暴雨的主要水汽來源并形成位勢不穩定層結;臺風低壓渦旋為暴雨區的上升運動提供初始擾動;臺風能夠激發出重力慣性波，同樣能夠觸發不穩定能量的釋放［34］。臺風中起主要作用的是重力慣性內波，且在層結較不穩定、緯度較低、臺風半徑較小、臺風螺旋臂數較大的條件下，臺風中的重力波較不穩定，低緯基本流場的水平切變對重力波的發生發展有重要作用［35］。Chow等利用數值模式驗證了臺風中的重力慣性波是其螺旋云帶產生的主要機制［36］。Tepper研究指出熱帶氣旋在臺風眼壁附近產生重力波，并向外傳播成為螺旋雨帶［37］。Diereks通過數值試驗認為上升氣流中的潛熱加熱導致螺旋雨帶間距增大，進而把雨帶推向離中心更遠的區域［38］。熱帶氣旋臺風中的重力慣性波是導致臺風暴雨突然增幅的機制之一，重力慣性波能夠引起上升運動，能夠觸發潮濕不穩定的大氣運動的發展。丁治英等數值模擬結果表明，9216號臺風的暴雨增幅過程與中－α尺度重力慣性波的發展、傳播有關，而積云對流潛熱的反饋作用加強了非地轉風和重力慣性波振幅，從而導致了暴雨的增幅進一步加大［34］。當重力慣性波向穩定度減小的方向傳播時，波能量最易加強。李英等對臺風麥莎的研究表明，麥莎雨帶具有顯著的波狀分布特征和遠距離傳播特征，其北向傳播的大型雨帶分布特征與大氣慣性波、大氣重力內波的混合波特征有關，且只有在適當的大氣層結與合適的重力波垂直波數條件下，臺風擾動才能激發此類遠距離傳播的波動，并形成大范圍的波狀雨帶［39］。

5 中尺度系統的作用

天氣尺度的系統為暴雨的發生提供大的環流背景，而中尺度系統才是直接產生暴雨的天氣系統。在遠距離臺風暴雨中，常見的能夠形成暴雨的中尺度系統有螺旋云帶、中尺度輻合云團、中尺度輻合線、中尺度低壓等。董美瑩等在研究臺風時發現，熱帶氣旋東側往往伴隨一支東南風或東風急流，對應于熱帶氣旋東側一條強大的螺旋云帶，中小尺度的對流云團鑲嵌其中，每個發展旺盛的對流云團的出現對應地面降水的突然增幅［40］。劉曉波等在分析臺風羅莎引發上海暴雨時指出，隨著干冷空氣南下和臺風外圍暖濕氣流北上，輻合加強，為激發臺風外圍中尺度對流云團提供了動力抬升機制，是造成暴雨的主要原因［41］。趙宇等分析指出由于臺風低壓外圍水汽和動量的向北輸送促使臺風倒槽發展，在熱力和動力的作用下臺風倒槽內形成β中尺度低渦，進而形成暴雨中心，而正的渦度局地變化增強，有利于臺風倒槽發展和中尺度低渦形成［42］。

6 小結

從最近幾十年對遠距離臺風暴雨的研究來看，已有的研究成果主要是從臺風暴雨個例入手，對暴雨的天氣學特征進行研究，著重分析臺風與中低緯各種天氣系統的相互作用，以及臺風自身環流、地形等因素對暴雨的影響。盡管中低緯系統的相互作用機理非常復雜，目前也沒有很好的理論能夠解釋這種作用，但若從暴雨發生發展的基本條件來看，以上討論的各形成機制均可以歸結到提供水汽和上升運動這兩點。綜合國內外目前關于遠距離臺風暴雨已有的研究成果，得到如下結論:

(1)中高緯的西風槽為臺風遠距離降水提供低層輻合、高層輻散以及槽前正渦度平流的大尺度背景，有利于垂直運動的發展和降雨的維持。

(2)臺風倒槽的北伸與弱冷空氣相配合，倒槽內暖濕切變線的中尺度對流復合體(MCC)產生，以及倒槽中的東風波登陸，對遠距離暴雨貢獻極大。

(3)高空急流提供了有利的高層輻散形勢，其增強轉豎對遠距離臺風暴雨的增幅有很好的指示作用。

(4)低空急流(東風)為遠距離臺風暴雨提供了豐沛的水汽，且使得大氣層結向不穩定狀態發展，不穩定能量得以組建或重建。

(5)弱冷空氣對臺風暴雨的產生主要起到三方面的作用，即造成暴雨初始的上升運動、造成邊界層內的水汽集中并向上輸送、對于輻合線上的中尺度擾動及其所伴隨的強雨團起到觸發作用。

(6)副熱帶高壓對遠距離臺風暴雨的作用主要表現為形成有利形勢，副高位置偏北的環境下可能有更多的機會出現中低緯系統的相互作用，使遠距離臺風暴雨發生的可能性增加。

(7)地形對遠距離臺風暴雨的影響為阻擋產生的氣流強迫上升運動，有利不穩定能量的觸發;喇叭口地形的輻合作用;海岸的摩擦輻合作用。

(8)重力慣性波是螺旋云帶產生的主要機制，在適當的大氣層結與合適的重力波垂直波數條件下，臺風擾動激發遠距離傳播的波動，并形成大范圍的波狀雨帶。

(9)中小尺度的對流云團發展旺盛對應地面降水的突然增幅，β中尺度低渦形成暴雨中心。

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