2019年9號臺風“利奇馬”倒槽暴雨過程初步診斷分析

丁曉敏 邵禹晨 程昕 顏雅瓊 唐舟 秦亞蘭

關鍵詞臺風倒槽;冷空氣;暴雨;診斷分析;濕位渦

臺風是影響我國的主要天氣系統之一，影響期間往往會帶來極端降水天氣。“7503”號臺風“妮娜”在河南林莊24h降水量達到1062mm，“0012”號臺風在江蘇響水造成830mm以上降水，突破江蘇歷史暴雨極值。近年來，國內外對于臺風暴雨的發生、發展機理等做了很多研究，認為臺風暴雨的強度和分布與三個要素有關，即內部結構影響、環境大氣控制和下墊面強迫，尤其是大氣環境對臺風暴雨強度和分布有重要影響。高低空急流、西風槽、以及北方有冷空氣南下等諸多物理因子有利于臺風暴雨的維持。Rodgers EB等分析了水汽條件和垂直風切變等對臺風強度和臺風降水量的影響。Dang RO等研究表明，中低緯度環流系統的相互作用對登陸臺風降水的突然增幅有重要作用。wei N等認為，水面或臺風暴雨會把水汽反饋到臺風氣柱，有利于暖心的維持。侯淑梅等分析影響山東省的熱帶氣旋極端降水均伴有低空急流。端義宏等認為登陸臺風風雨分布取決于臺風內部環流結構和水汽循環工程。

2019年9號臺風“利奇馬”在浙江省溫嶺市城南鎮登陸后一直北上，先后影響浙江、福建、江蘇、上海、安徽、山東、河南、河北、天津、遼寧、吉林等地區。此次臺風過程影響范圍廣、強度大、災害重，多個國家站的最大日降水量突破歷史極值。

1資料與方法

利用常規地面觀測資料和FNL（分辨率0.25°×0.25°）逐3h再分析資料，通過診斷分析強降水時段宿遷本地的環流形勢特征、水汽輸送特征、動力特征、熱力特征等，對“利奇馬”臺風影響江蘇宿遷的大暴雨過程進行分析，探討其形成成因與機制，加深對臺風造成的極端降水的認識。壽紹文研究指出，濕位渦這一物理量不僅表征了大氣動力、熱力屬性，而且考慮了水汽的作用，對濕位渦進行診斷可以探尋熱力、動力和水汽條件與降水的關系，從而揭示降水發生、發展的物理機制。文章在物理量場的診斷方面，除了分析水汽通量、渦度、散度、垂直速度、假相當位溫以外，也著重分析了濕位渦的特征。濕位渦的單位為PVU，1PVU=10-6 m2-K-s。濕位渦可以分解為濕正壓項（MPVl）和濕斜壓項（MPV2），即：MPV—MPVl+MPV2。

2“利奇馬”臺風概況

2.1“利奇馬”臺風概況及影響實況

超強臺風“利奇馬”8月10日01：45在浙江省溫嶺市城南鎮沿海登陸，登陸時中心附近最大風力有16級（52m/s），這使其成為2019年以來登陸中國的最強臺風和1949年以來登陸浙江第三強的臺風;隨后縱穿浙江、江蘇兩省并移入黃海海面，最終于8月13日14：00被中央氣象臺停止編號。8-9日，“利奇馬”臺風東北側副熱帶高壓西進后東退，引導氣流的偏西分量轉偏北分量;9日后期鞍形場建立，臺風移動速度緩慢，東側副高阻擋，北上過程中不利于東北轉向，臺風西北行;10日后高空槽東移，副高東退，臺風路徑偏北。“利奇馬”臺風8月9日開始影響我省，12日結束，影響時間長、范圍廣，造成的風雨強。10日22：00左右從太湖南部進入我省，經蘇州、無錫、南通、鹽城，11日12：00從連云港市灌云縣灌西鹽場入海，在江蘇境內逗留14h。

受臺風“利奇馬”影響，整個臺風影響過程，全市所有120個鄉鎮（街道）量均超過50mm，其中，111個鄉鎮（街道）雨量超過100mm，14個鄉鎮（街道）雨量超過200mm，雨量排名前三分別為：沭陽高墟鎮251.6mm，沭陽韓山鎮237.1mm，沭陽顏集鎮221.4mm。全市57個鄉鎮（街道）最大風速超過7級，其中，11個鄉鎮（街道）最大風速達到8級，最大風速排名前三分別為：泗陽高渡鎮19.2m/s（8級），沭陽高墟鎮18.9m/s（8級），泗洪半城鎮18.9m/s（8級）。10日我市主要以降水天氣為主，整體上看強降水時段主要在11：00～15：00和17：00N23：00這2個時段，全市118個鄉鎮（街道）雨量超過50 mm，其中，76個鄉鎮（街道）雨量超過100mm，最強降水出現在泗洪;11日我市主要以大風天氣為主，全市57個鄉鎮（街道）出現7級以上大風天氣，最大風速19.2m/s，宿遷、泗洪、泗陽3個縣區的降水強度明顯減弱，強降水區域主要在我市沭陽縣等東北部地區，最強降水出現在沭陽東北部的高墟鎮，強降水時段為11日05：00～07：00最大小時雨強56.9mm;12日臺風影響基本上結束，天氣逐漸轉好。

2.2環流形勢

從9日08：00的形勢場來看，500 hPa高空呈兩脊一槽的結構，高空槽東移南壓，高空槽東西兩側各有一高壓脊，“利奇馬”臺風西側高空槽后為大陸高壓，東北方向為副熱帶高壓。

西邊洋面上還存在另外的臺風“羅莎”，2個臺風均位于副高的西南側，“利奇馬”在東南氣流的引導下向西北方向移動，“羅莎”相對穩定少動，700～850 hPa上東南風急流強盛。9日20：00（圖1a），鞍形場建立，副熱帶高壓分裂為南北兩段，南段副高迅速減弱南退，“利奇馬”在北部副高的引導下繼續向西北緩慢移動。10日凌晨1：45在浙江省溫嶺市城南鎮沿海登陸，05：00左右高空槽與“利奇馬”臺風倒槽在我市西部結合（圖1b），10日10：00我市自東向西開始出現強降水天氣。10日后期高空槽東移，副高東退，臺風路徑偏北，10日22：00左右“利奇馬”從太湖南部進入我省，強度較前期明顯減弱（圖1c），11日12：00從連云港市灌云縣灌西鹽場入海（圖1d）。

3強降水物理量診斷

在強降水出現的時間段選取宿遷、高墟、泗陽、洪澤濕地四個站點對此次倒槽暴雨過程進行水汽條件、動力條件和熱力條件診斷分析，分析探討造成強降水的物理機制。

3.1水汽輸送情況分析

西南季風的暖濕氣流輸送和副高南側東南風氣流雙通道為此次臺風倒槽暴雨過程輸送了充沛的水汽，從水汽通量/水汽通量散度的時間—高度垂直剖面圖上（圖4）可以看到在中低層有明顯的水汽通量的輻合，強的水汽輻合為“利奇馬”提供了強烈的潛熱加熱。其中，宿遷（圖2a）、泗陽（圖2c）和高墟（圖2d）主要有3個時間段的水汽通量的輻合，分別是9日20：00～10日20：00、11日02：00～11日08：00以及11日08：00～12日20：00，而洪澤（圖2b）有2段：9日20：00～10日20：00、11日02：00～12日20：00。其中，10日除了泗陽在上午和傍晚左右都有水汽通量及輻合的大值區（水汽通量最大值45g/（hPa·m·s）），其他3個站都是在下午到傍晚之間有水汽通量的強輻合，水汽通量最大值為45g/（hPa·m·s），同時，對應著較強的水汽通量輻合，強輻合區最大值為一60 g/（hPa·cm2·s）。從10日20：00 850 hPa的水汽通量圖上（圖3）可以看到，在西南急流的水汽輸送通道發生斷裂，轉成偏西氣流，并入“羅莎”西南側偏西氣流中。11日凌晨副高南側東南風急流加強，為本地降水有聚積了充足水汽，宿遷、泗陽、高墟三個站點在此時間段內都有明顯的水汽通量的聚集和輻合，以高墟站的水汽通量最大，為50g/（hPa·m·s）以上，也在高墟產生了極端強降水。11日12：00“利奇馬”經連云港入海繼續進行水汽的補充，臺風外圍螺旋雨帶進一步北移，我市降水明顯減弱。

3.2動力擾動條件分析

從4個站的渦度、散度時間—高度剖面圖上（圖4）也可以看到，10日凌晨南部地區（圖4b、4c）開始邊界層底層開始出現弱輻合區，925～850 hPa為輻散區，為之后降水云團的發生發展提供初始的擾動力：14：00～17：00輻合區明顯發展，輻合區伸展到對流層中層700hPa左右，同時，對應著較強的正渦度區，正渦度區伸展到高層，尤其是洪澤湖濕地（圖4b）輻合區最大值一20 S，正渦度最大值為18，具有強烈的中低層輻合高層輻散的結構特征，有利于對流的組織和發展，10日14：00，從1000 hPa渦度場和散度場的平面圖上來看，在洪澤湖濕地有明顯的輻合區和正渦度的大值區，宿遷（圖4a）850 hPa為強輻合區（最大值：-20），850～600hPa左右為強輻散區，700 hPa以下對應較強正渦度區（最大值：18），高墟（圖4d）也出現了低層輻合高層輻散同時配合有正渦度區的結構，但強度相對較弱：10日夜間-11日凌晨，除了洪澤，其他3個站點的渦度和散度均持續上述結構特征。

從垂直速度圖上來看，在上述分析的3個時間段內，較為明顯的上升運動區在925 hPa以上，邊界層內上升運動較弱。泗陽（圖5c）、高墟（圖5d）垂直速度很弱，低層最大垂直上升速度為Pa/s;宿遷（圖5a）的垂直上升速度相對較大，10日夜間-11日凌晨最大值為4 Pa/s，高度在500 hPa左右：洪澤濕地（圖5b）在10日14：00～17：00在925～300 hPa上升運動強烈，垂直上升速度最大值為4 Pa/s。

3.3對流不穩定特征分析

假相當位溫隨高度減小代表對流不穩定，通過對假相當位溫的垂直剖面進行分析，可以對對流不穩定特征有直觀的了解。分析假相當位溫的時間高度垂直剖面，10日14：00～17：00，4個站都不存在明顯的對流不穩定特征，10日夜間-11日凌晨，在700 hPa高度以下存在弱的對流不穩定特征。分析10日14：00（圖6a）和11日05：00（圖6b）4個站點的假相當位溫垂直遞減率，10日14：00洪澤濕地和泗陽隨高度有遞減的特征，但遞減率很小，遞減率為1～2K/hPa，其他站點隨高度無明顯遞減特征，表明此次強降水的對流特征不明顯。

4濕位渦分析

分析925 hPa濕正壓項MPV1分布圖發現，強降水開始之前MPV1即為負值，所以降水之前低層儲備了大量水汽和熱動力條件。對10日14：00 4個站的MPVl濕正壓項的經度一高度垂直剖面進行分析，邊界層內MPVl均為負值覆蓋，宿遷、泗陽、高墟3個站暴雨區MPVl中心值為-4 PVU，洪澤濕地MPV1中心值絕對值更大為-8PVU，對應著較強的對流不穩定。除了泗陽，其他3個站600hPa高度層及以上MPV1為正，對流穩定，這種濕對流穩定區和不穩定區疊置的配置有利于低層輻合加強，對暴雨的增幅有積極作用。對流層中高層有正的MPV1值向東向南伸展，正值中心與負值中心相間分布，可能是因為西側有冷空氣向東向南侵入暖濕環境，使得中高層的對流穩定變為對流不穩定，至11日05：00（圖7）MPVl負值區被壓縮到更底層，絕對值增大，又聚積了大量的水汽和熱動力條件，700～850 hPaMPV1正值區較之前增大近10倍，中低層有較強的干冷空氣入侵。

分析10日14：00 4個站的MPV2濕斜壓項的經度一高度垂直剖面圖，邊界層內MPV2均為正值，宿遷、泗陽兩個站暴雨區MPV2中心值為3 PVU，洪澤濕地、高墟MPV2中心值更大為8PVU。至11日05：00（圖8），700～925hPa出現高絕對值的負值區，中心最大絕對值達8～14 PVU，最大的MPV2中心值在高墟（圖8d），垂直風切變明顯增強達20 m/s，干冷氣流的侵入使得大氣層斜壓性明顯增強，有利于降水的增幅，11日凌晨高墟出現了大暴雨天氣，小時雨強50mm以上。

5結論

“利奇馬”超強臺風為2019年影響我國的最強臺風，影響時間長、范圍廣，造成的風雨強，在我市出現了大范圍的大暴雨和大風天氣，這次大范圍大暴雨天氣過程，是臺風倒槽與冷空氣相結合產生的，大暴雨區位于臺風倒槽之中。

（1）此次強降水以臺風本體降水為主，對流不強，但冷空氣的侵入，使得臺風外圍環流斜壓性增強，垂直風切變增強，導致對流不穩定能量及潛熱能釋放，部分地區的強降水具有一定的對流性天氣特征。

（2）從水汽條件來看，“利奇馬”攜帶大量水汽，我市高水汽通量配合強水汽輻合為強降水提供了充沛的水汽和不穩定能量，這也是造成此次大范圍大暴雨天氣的主要原因。8月10日白天臺風西南側西南季風的暖濕氣流輸送和副高南側東南風氣流雙通道為此次臺風倒槽暴雨過程輸送了充沛的水汽，西南急流水汽通道斷裂后，8月10日夜間-11日凌晨，臺風東部東南風急流通道加強，繼續為北部強降水提供充足的水汽和能量。

（3）從動力抬升條件上來看，在降水開始之前，邊界層內的弱輻合以及700～850hPa的輻散為降水提供了初始擾動，垂直上升運動較弱，降水期間，在500hPa以下基本上都維持著正渦度，低層強輻合高層強輻散，垂直上升運動明顯增強，是此次強降水過程的有利動力支撐。

（4）從熱力條件來看，西南急流和東南急流帶來大量水汽的同時，也為“利奇馬”提供了充足的潛熱加熱。分析假相當位溫可知，降水期間的熱力不穩定特征不明顯。對濕位渦進行分析，發現降水之前低層就儲備了大量的水汽和熱動力條件，強降水發生時，低層對應MPVl<0，MPV2>0。降水期間低層對流不穩定有所發展，600hPa高度之上濕對流穩定區和不穩定區疊置的配置有利于低層輻合加強，對流層中高層MPV1正值中心與負值中心相間分布，可能是因為西側有冷空氣向東向南侵入暖濕環境，MPV2絕對值明顯增大，這些條件使得大氣斜壓性增強，垂直風切變增強，對暴雨的增幅有積極作用。