1810號臺風“安比”對遼寧強降水的影響分析

陳宇 高博 王斌飛

摘要 ? ?2018年影響遼寧的臺風具有數量多、強度大、降水量大的特征，其中臺風“安比”在其強度維持與減弱期間影響遼寧，7月24—26日遼寧省西部及環渤海地區出現大暴雨天氣。本文利用局地分析預報系統（LAPS）融合全球預報模式1°×1°預報場、衛星、多普勒雷達、GPS遙感水汽及常規觀測、加密自動站等資料，分析了1810號臺風“安比”移動路徑和降水特點。結果表明，副熱帶高壓外圍引導氣流的強弱，決定了臺風的移動路徑與轉向時間。暖濕空氣的輸送與抬升、干冷空氣從西側侵入或卷入臺風內部是影響臺風強度變化的重要因素。“安比”影響遼寧前期，主要受臺風外圍水汽影響;后期臺風殘余云系及副熱帶高壓后部新生暖濕氣流。變性臺風“安比”后部冷空氣與西風帶冷空氣結合，與副高后部的暖濕氣流交匯，形成有利于強降水的環流形勢。高空輻散、低空輻合的耦合作用有利于上升運動的強烈發展。此外，通過分析大氣可降水量（PWV）與降水的對應關系，揭示了高降水效率能夠提前預示強降水的發生;分析雷達、衛星反映的中尺度切變、干侵入、低質心等現象，揭示了對流系統發展對強降水的作用。

關鍵詞 ? ?臺風;暴雨;大氣可降水量;短時強降水;遼寧

中圖分類號 ? ?P458.3 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）04-0179-08 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

近年來，登陸遼寧省及近海沿岸的臺風數量增多，平均強度明顯增強，造成巨大損失。北上臺風在越過副熱帶高壓西脊點轉向后，具有移速快、可預報預警時間短的特點。而北上臺風降水多發生在臺風與中緯度系統相互作用的階段，冷空氣入侵到臺風或臺風倒槽，是登陸臺風產生暴雨的一種重要形式，這種不同緯度的系統相疊加，將會使系統重新發展起來[1-3]。李 ?英等[4]提出，強降水區出現在垂直切變的下風方、臺風氣柱傾斜方向一側。張雪蓉等[5]研究了登陸臺風變性過程的物理機制。同時，臺風環流在陸地上變性加強與冷空氣入侵密切相關，變性臺風的強度變化對臺風暴雨起到重要作用。陳聯壽等[6]提出，中緯度槽與登陸臺風相互作用，可向臺風或殘渦提供位能和不穩定能量，使其產生更大降水。梁 ?軍等[7]研究了影響遼東半島的臺風暴雨環流特征。吳志彥等[8]提出，干冷空氣從西側侵入臺風環流，臺風變性，斜壓鋒生，位能向動能轉換，導致上升運動加強，有利于產生強降水。金榮花等[9]對登陸北上臺風特征及其成因進行了分析。孫建華等[10]和吳海英等[11]對“9608”號臺風與臺風“海葵”（1211）進行分析發現，冷空氣的入侵是導致對流發展加強產生暴雨的主要原因。

研究歷史上影響遼寧的臺風個例中，在登陸時熱帶低壓強度（TD）21個，占51%;熱帶風暴（TS）9個，占22%;強熱帶風暴（STS）11個，占27%。2018年登陸遼寧的臺風強度較常年平均強度強，其中AMPIL、RUMBIA為熱帶風暴強度，YAGI變性為溫帶氣旋后強度相當于熱帶風暴。

在遼寧登陸的臺風個例中，在朝陽、葫蘆島以及河北登陸的影響遼寧的臺風11個，大多從我國東部沿海登陸，經華北東部進入遼寧或渤海的西部;在大連以及海上登陸的臺風12個，多沿副高西側北上消失或東北移出，穿過山東半島或黃海北部進入遼寧南部與渤海;在丹東、朝鮮登陸的臺風18個，大多自海面生成后西北移至長江口東側，北上至黃海中部轉向，在丹東或朝鮮半島北部登陸。

受1810號臺風“安比”及其殘余云系影響，遼寧西部地區出現暴雨、大暴雨天氣，整個過程歷時近60 h。本文分析了臺風“安比”北上變性后對遼寧的降水影響，殘余云系及副高后部暖濕氣流與冷空氣再度結合以后對遼寧地區產生罕見的滯后影響，以及在大尺度、長歷時降水中存在的短時強降水天氣特點遇到的疑難問題。

1 ? ?臺風“安比”移動路徑及風雨實況

1.1 ? ?移動路徑

2018年第10號臺風“安比”于7月18日20：00在西北太平洋菲律賓以東洋面上生成，中心氣壓998 hPa，先向東北北方向移動，19日晚上開始轉向西北方向，20日8：00加強為強熱帶風暴，一路西北上向我國東部沿海靠近。于22日12：30前后在上海市崇明島沿海登陸，登陸時中心附近最大風力達10級（28 m/s），中心最低氣壓為982 hPa。臺風“安比”登陸強度為強熱帶風暴級別，登陸后一路西北上，于24日8：00在天津市南部開始轉向東北方向移動，24日17：00進入遼寧西部，強度為熱帶風暴級，并繼續向東北方向移動，于25日8：00在吉林西部減弱消亡（圖1）。

1.2 ? ?風雨實況

受臺風“安比”和冷空氣共同影響，7月24—26日大連、錦州、營口、朝陽、盤錦、葫蘆島地區出現100～250 mm降水;過程最大降水量214.6 mm，出現在葫蘆島連山區孤竹營鄉;1 h最大降水量102.4 mm，出現在瓦房店市將軍石（26日10：00—11：00）;遼寧西部地區出現7～8級陣風9～10級大風，最大風力出現在葫蘆島市綏中縣永安鄉，為10級（26 m/s）。主要降水過程可劃分為2個階段，分別為24日1：00至25日5：00和25日5：00至26日20：00。第一階段遼寧受臺風“安比”外圍云系直接影響，以穩定性降水為主，由于臺風路徑偏西，降水強度和范圍不大，最大小時雨強<30 mm。第二階段受西風帶冷空氣、變性臺風后部冷空氣及副高外圍暖濕氣流的共同影響，遼寧以對流性降水為主，降水強度大，還伴有雷暴大風。25日5：00至26日2：00是最強降水時段，強降水落區位于朝陽、葫蘆島、錦州地區，最大降水量為179 mm，最大小時降水量為80.3 mm，撫順、遼陽地區也出現了分散性的強降水。26日2：00—20：00遼西地區降水減弱，系統 東移南壓，主要降水落區位于環渤海沿岸，大部分降水降落在海面上，陸地強降水范圍不大，但是降水強度大，最大小時降水量就出現在這一時段（圖2）。

2 ? ?大尺度環流形勢分析

夏季遼寧地區出現暴雨與副高位置關系密切，副高的分布形態往往決定著遼寧地區水汽輸送條件的利弊，通常副高呈經向型分布時，對該區水汽輸送比較有利。西太平洋臺風的移動，主要受太平洋副熱帶高壓和西風帶環流的影響。

2.1 ? ?副熱帶高壓演變與臺風路徑及影響分析

進入2018年汛期以來，500 hPa西太平洋副熱帶高壓強盛，主體位置較常年北抬西伸明顯。從7月21日開始，副高北界位于東北地區中部約北緯45°，西脊點達到東經105°。21—22日20：00，副高呈帶狀，脊線呈東西向，副高中心區域位于日本海，臺風在副高西側東南氣流的引導下向西北方向移動，22日夜間開始，副高主體東退，臺風沿副高西側偏南氣流的引導向北偏西方向移動。24日2：00，副高西脊點東撤，引導氣流減弱，臺風向偏北方向移動，臺風水汽開始影響遼寧;24日8：00，貝加爾湖以北冷渦發展加強，高空槽向東移動，迫使副高頂部隨之東移，副高西邊界轉為西南—東北走向，“安比”移動路徑也隨之轉為東北向移動，此時“安比”已開始進入高空槽前，溫度不對稱結構更加明顯。7月24日20：00，貝湖冷渦南壓，冷空氣與原河套地區冷空氣打通，副高外側引導氣流逐漸由偏南氣流轉為西南氣流，西風槽處高度線與溫度線近乎垂直，大氣斜壓性增強，暖心結構已經遭到嚴重破壞，臺風開始向北偏東方向移動，臺風云系對遼寧降水的影響逐漸結束;25日2：00，850 hPa遼寧西部出現強盛西南急流，急流強度達到20 m/s。25日8：00開始，副高后部水汽輸送不斷加強，遼寧濕區范圍明顯加大，14：00切變線開始影響遼寧西部，25日夜間，切變線加強為低渦，并逐漸東移南壓，環渤海地區強降水開始發展，并維持至26日8：00。副高后側的西南氣流、臺風與冷空氣結合形成的切變是影響強降水的主要系統（圖3）。

2.2 ? ?地面形勢演變及影響

從地面氣壓場及風場分析，24日8：00遼寧受減弱的臺風頂部暖區東南風控制，西部開始出現降水;24日20：00臺風北上，向東北方向移動，中心位于內蒙東部，遼寧繼續受低壓前部偏南風控制;25日8：00，臺風中心位置東移至吉林西部，減弱變性為溫帶氣旋，遼寧位于低壓底部影響，西部地區有地面輻合線生成;同時在河北山東交界處有新的低壓中心生成;25日14：00—20：00，遼寧北側低壓中心快速東移，南側低壓中心發展為倒槽，中心位于渤海中部;內蒙東部的高壓有所加強，日本海上為高壓中心，在這種鞍形場的形勢下遼西地區有弱冷鋒生成，強降水區域主要位于倒槽頂部與冷鋒附近（圖4）。

2.3 ? ?水汽條件分析

2.3.1 ? ?大氣可降水量（PWV）。大氣可降水量取決于垂直風切變大小以及垂直水汽通量。高降水效率往往需要大氣中有充沛的水汽，整層大氣可降水量（PWV）能夠表征整層水汽含量的多少，暴雨期間存在著極高的降水率。

從GPS反演的大氣可降水量分布來看（圖5），強降水期間（13：00—16：00、19：00—22：00）建昌縣PWV最大達到76 mm（13：30）。25日白天，受北上臺風殘余水汽及副高后部暖濕氣流影響，PWV達到60 mm以上的時間長達5 h，PWV達到70 mm以上持續時間達1 h（13：00—14：00），小時雨強達到80 mm。25日夜間，PWV在22：00達到最大值65 mm，小時雨強達到64 mm。從PWV值與降水量對比分析可知，第一階段強降水的水汽條件明顯強于第二階段降水，持續時間、降水量及強降水區域也強于第二階段降水。

從全省1 h PWV變化量分析（圖6），發現其變化趨勢與1 h降水量有較好的相關性。在2個強降水時段前的1～3 h期間，均出現了PWV明顯增加的現象，最大可達11～15 mm，也說明水汽有1個累積的過程，由此可見，GPS可降水量的激增預示將有強降水發生，增幅達到8～10 mm以上時，有很大概率發生50 mm/h以上的強降水。在強降水出現后的1 h，PWV均出現了明顯的減少現象，最大可達10～14 mm。這表明水汽條件在降水發生后明顯減弱，說明本次暴雨過程以2～3 h內的短時強降水為主。

2.3.2 ? ?低層水汽來源及變化。隨著臺風北上減弱，25日8：00遼西地區850 hPa比濕下降到12～13 g/kg，降水減弱。25日白天隨著低層水汽輸送的增強，850 hPa比濕再次增大，25日14：00達到15～16 g/kg，并在整個第二階段降水過程中一直保持在15 g/kg以上。水汽主要有2個來源，一是山東半島的偏南氣流;二是變性臺風后部的偏北氣流，這支氣流將臺風中心15 g/kg以上的水汽向南回流，為遼寧提供充足的水汽，對強降水的維持起到重要作用。東北氣流也有利于低層低渦切變的發展，使水汽強烈輻合（圖7）。

2.4 ? ?暴雨過程物理量特征分析

大暴雨產生在深厚的水汽層結、水汽輻合及強烈的持續上升運動區。強烈的垂直運動有利于水汽向上輸送發生凝結，同時上升和下沉氣流共存有利于對流活動的持續發展，這些都為暴雨的發展提供了有利的動力條件。

2.4.1 ? ?動力條件。7月25—26日，遼寧位于200 hPa高空急流入口區右側，具有較強的高空輻散，起到抽吸作用，850 hPa、925 hPa低渦切變附近有明顯的輻合，高低空耦合作用有利于上升運動的發展。25日14：00遼西地區200 hPa散度達4×10-5～5×10-5 s-1，850 hPa散度為-2×10-5～-1×10-5 s-1，此時700 hPa垂直速度約為-0.8 Pa/s。26日8：00高空輻散、低空輻合中心東移至渤海灣附近，200 hPa散度仍然達到4×10-5～5×10-5 s-1，低空輻合略有減小，700 hPa垂直速度約為-0.6 Pa/s。

2.4.2 ? ?垂直速度與時間廓線演變。雖然大尺度環流條件有利于產生上升氣流，但是仍然需要觸發機制將氣塊抬升到自由對流高度，將不穩定能量轉為動能，進一步加強上升運動。遼寧西部地區均存在著明顯的上升氣流，東經117°～119°附近為近乎垂直的上升運動區，水平風向為東南風，風速大值區域上升運動中心近重合;臺風中層500～700 hPa西側有下沉氣流，臺風中心東側為上升運動，垂直速度大值中心向冷空氣向西傾斜，呈現斜升結構，見圖8（a）。

觀測強降水出現區域（葫蘆島地區）垂直速度廓線的時間演變情況，可以看到，在強降水期間（25日8：00—24：00），葫蘆島地區上空均存在著明顯的上升氣流。第一階段降水期間，葫蘆島市區的上升氣流位于850 hPa以上，主要集中在850～700 hPa，中心強度達到-0.6 Pa/s;第二階段降水期間，葫蘆島地區上升氣流集中在700 hPa以上，主要集中在700～600 hPa，中心強度為-0.5 Pa/s，強度要弱于第一階段降水。對比2次降水時段上升氣流區域的厚度和強度，說明第一階降水受切變系統影響，動力抬升條件極強，最終導致1 h雨強達到80 mm，見圖8（b）。

2.4.3 ? ?葫蘆島地區T-log p圖演變。在24日20：00，葫蘆島地區上空存在明顯的中低空急流，400～925 hPa均為明顯的西南風，850 hPa風速達到20 m/s。在25日2段強降水期間，葫蘆島地區上空持續存在西南氣流，中低層露點廓線十分接近溫度廓線，整層大氣比較濕潤，其廓線形態屬于典型的短時強降水T-log p圖模型。從動力條件分析，第一階段降水期間，13：00對流有效位能最大，達到3 200 J/kg以上;第二階段強降水期間，22：00對流有效位能也達到了2 200 J/kg以上。伴隨不穩定能量的釋放，產生更強的上升氣流，有利于強降水的產生（圖9）。

3 ? ?強降水特點分析

3.1 ? ?強降水落區及特點

此次暴雨過程，累計降水量超過150 mm的地區主要出現在遼寧西部的朝陽縣、凌源市、喀左縣、葫蘆島市及建昌縣。降水中心位于凌源市、葫蘆島市區北部、建昌縣東北部及朝陽縣南部的交界處。強降水主要分為3個階段，分別出現在7月24日15：00—18：00、7月25日的13：00—16：00以及19：00—22：00，第一階段降水主要受臺風云系影響，造成凌源市、建昌縣出現暴雨天氣;后2個階段的降水地點都主要出現在葫蘆島的北部地區（圖10）。

3.2 ? ?強降水階段性特點

第一階段降水受臺風水汽影響，暖區降水為主，持續時間長、雨強較小，最大小時雨強不超過30 mm，3 h最大降水量60 mm，未達到暴雨紅色預警發布標準;后2個階段的降水特點以短時強降水為主，從出現大暴雨的鄉鎮5 min降水量柱狀圖及1 h雨量折線圖可以看到，5 min最大雨量可達12～15 mm，10 min最大雨量可達25 mm。最大1 h雨強可達40～80 mm;大部分站點3 h降水量均超過了100 mm，達到暴雨紅色預警信號發布標準。

后2個階段的降水，小時雨強的強度類似，但小時最大雨強出現的時間段特點不同，對暴雨預警信號的提前發布有一定影響。第一個強降水時段，最大小時雨強均出現在降水發生的開始階段，通過雨強與雷達回波的對應關系、強降水區域的發展及移動方向等條件分析，預警中心于15：00—15：40連續發布3個暴雨紅色預警信號，可以提前1～2 h準確發布暴雨紅色預警信號。第二階段的降水，在雨強最大的20：00—21：00前2 h，都出現了雨強10～20 mm/h的降水，為提高暴雨紅色預警的準確率，預警中心于20：43發布葫蘆島南票區暴雨紅色預警信號，提前時間在1 h以內。

4 ? ?短臨預警技術應用

4.1 ? ?多普勒天氣雷達觀測資料分析

為進一步分析造成此次強降水過程的中尺度系統及其結構特征，本文利用多普勒天氣雷達觀測資料對強降水的2個主要時段進行了分析研究。圖11給出了25日13：50朝陽雷達觀測的回波頂高度、低仰角多普勒速度和基本反射率空間結構。可以看到降水的第一個主要時段具有明顯的中尺度特征，對應在雷達回波頂高的分布特征上，第一階段強降水的主要落區（葫蘆島建昌地區）存在回波頂高大于15 km的強回波區，強回波區的形狀近似為橢圓形，鑲嵌在片狀的層狀云降水回波之間。說明在強降水的第一個階段，葫蘆島西北部的主要降水落區上空存在有組織的中尺度對流系統。在相同時次的基本反射率空間結構剖面圖上，可以清楚地看到強降水落區上空由若干個對流單體相互組織形成的多單體風暴，風暴前側相對成熟的對流單體有明顯的云砧結構特征，風暴后部的西南氣流入流區中仍有新生單體形成。從朝陽雷達1.5°仰角基本速度圖上可以看到，在葫蘆島西北部地區上空存在由正、負速度對組成的中氣旋系統，造成強降水的近橢圓形中尺度對流系統整體位于中氣旋的西南位相，說明在強降水的第一階段，對流層低層的中氣旋是中尺度對流系統維持加強的主要因子，對流單體在中氣旋的西南位相形成有組織的中尺度對流系統，隨著中氣旋西側的西南引導氣流向東北方向移動和傳播，進而造成遼寧西部地區出現第一階段強降水過程。強降水回波具有“列車效應”的特征，回波質心較低，強回波基本在0 ℃層高度以下，不存在明顯回波懸垂。

對于25日夜間的第二階段強降水過程，從25日21：39的朝陽雷達回波頂高和0.5°仰角基本速度圖上，同樣表現出與第一階段類似的顯著中尺度特征（圖12）。從雷達回波頂高的分布特征上，第二階段降水的中尺度對流系統位置相對偏南，位于葫蘆島市區上空，其回波頂高度在12 km左右，說明夜間第二階段強降水過程的中尺度系統強度和范圍相對偏弱。對比分析相同時次的雷達基本反射率空間結構，造成第二階段強降水的中尺度系統依然表現出相互組織的多單體風暴特征，風暴前側有明顯的指向下游風暴傳播方向的云砧結構特征。從低仰角的雷達基本速度圖上，依然能看到明顯的中氣旋系統，說明在降水過程的2個主要時段，中尺度對流系統的組織、發展均與對流層低層的中氣旋密切相關。強降水落區上空的中氣旋為對流單體的發展和加強提供了有利條件，促使對流單體相互組織形成強度更高、范圍更大、生命周期更長的中尺度對流系統向下游傳播，進而造成了遼寧西部大范圍的強降水過程。26日強降水反射率因子及垂直液態水含量更大，強回波擴展到6～7 km，具有回波懸垂的特征，低層存在弱回波區，呈現出類似于雹暴的特征，還伴有8級以上的雷暴大風。

4.2 ? ?衛星圖像分析

4.2.1 ? ?紅外云圖分析。從此次遼西大暴雨形成過程中衛星紅外云圖的演變看，7月24日8：00—20：00，在臺風北上過程中，伴隨渦旋云系不斷北上，雖然在遼寧地區未與冷空氣結合，但持續時間較長，造成遼寧西部出現持續性降雨天氣（圖13）;7月25日5：00，臺風云系進入吉林西部，受副高后部暖濕氣流影響，在河北東部生成一個明顯的中尺度對流系統，但在向遼寧東移的過程中逐漸減弱;25日12：00，隨著冷空氣的補充合并，抬升運動明顯增強，中尺度對流系統迅速增強，于25日14：00達到最強且范圍逐漸擴大;由于副高主體位置移動緩慢，受其后側西南氣流影響，降水區域始終位于遼寧西部地區;25日20：00—24：00，遼寧西部又一次出現中尺度對流云團，其西側不斷有尺度更小的對流云團生成，并快速移動與主體合并，造成了遼西地區第二階段強降水的產生。

4.2.2 ? ?水汽圖像分析。水汽圖像代表著對流層高層的動力特征，水汽圖像結構與導致垂直運動和氣流變形場的大尺度天氣過程有關系。在水汽圖像中深灰色的色調與下沉運動有關系;暗區與對流層中部槽干冷空氣有聯系，白亮灰度則是表征上升運動（圖14）。

干侵入是水汽圖像上中等到近黑色灰度的特定區域，以重要天氣尺度云系為邊界，并與任何形式氣旋性環流相聯系。一般在氣旋性發展剛開始時出現在干帶前緣，與急流、位渦異常有關，也與天氣尺度的下沉運動對應，動力活躍的干帶可以激發氣旋生。

水汽圖像“暗區”為干侵入區，具有高位渦、低濕度 和“冷”的特征，高分辨率水汽圖像上的“暗區”能形象地揭示干侵入演變、發展和補充的精細過程。干侵入沿著等熵面由高層向低層侵入，增強降水區上空的對流不穩定。

5 ? ?結論

（1）臺風“安比”與西風帶冷空氣結合，與副高后部的暖濕氣流交匯，在臺風外圍水汽、副高后部暖濕氣流共同作用下水汽厚度增加形成有利于遼寧西南部地區強降水的環流形勢;副高后側暖濕氣流在冷空氣的作用下，激發出整層上升運動;850 hPa形成的切變線，逐漸加強為低渦;地面在渤海附近低壓倒槽發展，鞍形場的形勢下冷鋒生成，強降水位于倒槽頂部與冷鋒附近。

（2）遼西地區高空輻散強烈，起到抽吸作用，低層低渦切變附近產生輻合，高低空耦合作用有利于上升運動的強烈發展。遼寧西部地區大暴雨形成和維持的一個重要原因是干冷空氣侵入，源于干冷空氣的侵入加強了大暴雨區的對流性不穩定，可見干侵入對暴雨的加強和發展起重要作用。

（3）臺風“安比”影響遼寧前期，主要受臺風外氣流影響，水汽厚度淺薄，但維持時間長，產生的累計雨量較大。后期臺風殘余云系，在冷空氣的作用下，激發出冷暖空氣交界處的整層上升運動區，以對流性降水為主。

（4）從雷達回波特征來看，2個階段的對流云團具有不同特征。25日強降水回波具有列車效應的特征，回波質心較低，強回波基本在0 ℃層高度以下，不存在明顯回波懸垂;26日強降水反射率因子及垂直液態水含量更大，強回波擴展到6～7 km，具有回波懸垂的特征，低層存在弱回波區，呈現出類似于雹暴的特征，還伴有8級以上的雷暴大風。

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