熱帶風暴艾云尼持續性強降水成因分析*

楊舒楠 路屹雄 張芳華 陶亦為

1 國家氣象中心，北京 100081 2 國家氣候中心，北京 100081 3 中國氣象局-河海大學水文氣象研究聯合實驗室，北京 100081

提 要： 以熱帶風暴艾云尼(1804)為研究對象，利用常規、非常規觀測以及NCEP分析資料等探討了 “弱”臺風的持續性強降水成因。大尺度環流背景導致“艾云尼”引導氣流很弱，臺風移速緩慢，長時間維持在我國近海。南海季風爆發初期的異常強西南季風和臺風馬力斯(1805)的偏東急流將水汽、動量持續向臺風環流輸送。凈水汽收支診斷顯示:臺風影響前期，水汽主要來自南邊界；后期，東邊界水汽流入增加，維持了臺風環流的持續性水汽輸入，造成廣東沿海水汽通量輻合及高濕、高能環境條件的持續。廣東沿海長時間維持較強東南向岸風，在海岸線及沿海地形作用下低層輻合持續，疊加高空輻散，為強降水的持續產生和中尺度對流系統的觸發提供了有利動力條件，對流層低層東南風風速增強與降水量陡增吻合較好。臺風中尺度對流系統活躍，伴隨5個階段的中尺度對流雨帶的發生、發展。沿海地區對流不斷新生、中尺度螺旋雨帶發展、臺風本體降水和外圍中尺度對流雨帶的疊加以及兩條暖濕輸送帶中海上對流的移入等,共同造成廣東沿海中尺度對流系統的持續存在和持續性強降水的產生。

引 言

中國東鄰西北太平洋，是世界上受臺風影響最嚴重的國家之一，平均每年約有7～8個臺風在我國登陸。臺風對中國最重要的影響是登陸臺風引發的暴雨和洪澇災害，我國歷史上幾大破紀錄的暴雨災害均與臺風有關(Chen et al,2010)。長期以來臺風暴雨研究都是臺風研究的重要方面之一(謝惠敏等，2016；Wang et al,2017；許映龍等，2015)。但相比于路徑預報，臺風暴雨預報仍存在較多難點，是臺風預報的薄弱環節之一(徐燚等，2019；鈕學新等，2005)。

臺風強度是影響臺風降水強度的因素之一(鈕學新等，2010)，但影響臺風降水的因素較多，其與雨量強度之間的關系較為復雜。受不同環流影響，有時很強的臺風登陸后減弱很快，風雨影響并不大；而較弱的臺風，在有利環境條件下也能持續不消，造成持續性強降水(羅玲等，2013；尹潔等，2008)。臺風登陸后的暴雨強度和持續時間受諸多因素影響，源源不斷的水汽輸送、中低緯環流相互作用、中尺度系統影響及地形作用等均是造成臺風登陸后維持不衰和暴雨持續的重要因素(陳聯壽和丁一匯，1979；楊舒楠等，2018；岳彩軍等，2019)。

水汽是登陸臺風陸上維持的一個重要條件,也是臺風暴雨增幅的主要原因之一(Li and Chen,2007)。與臺風環流相關聯的水汽場特征差異將造成完全迥異的降水強度及分布特征。對于登陸我國的臺風，南海西南季風是重要的水汽輸送通道(陳超等，2015)，其對登陸臺風陸上強度的維持有重要影響(李英等，2005)，從而決定臺風暴雨的空間、時間分布及降水強度(盧山等，2008；朱紅芳等，2019)。葉成志和李昀英(2011)對強熱帶風暴碧利斯(0604)的研究指出，“碧利斯”登陸后低壓環流的長時間維持及其與南海季風的相互作用,是造成湖南東南部罕見致洪暴雨的重要成因。

臺風中經常出現的局地性強烈天氣往往由中小尺度對流系統所引起(陳聯壽和丁一匯，1979)，螺旋雨帶則是這些中尺度對流系統的主要源地之一(程正泉等，2005)。中尺度雨帶是臺風降水的最主要特征之一，是臺風非對稱結構的重要體現，同時又與臺風暴雨災害緊密關聯(閆非等，2012；王勇等，2010；朱佩君等，2005)。臺風中的中尺度雨帶結構特征變化對于臺風降水有直接關系(周海光，2010；王勇和丁治英，2008)，中尺度對流系統中的物理量特征分布可以較好地示蹤臺風暴雨的落區和強度演變(王勇等，2010)。

2018年第4號臺風艾云尼影響我國期間強度為熱帶風暴或熱帶低壓，強度相對較弱。但其登陸前后，在華南及江南部分地區，尤其是廣東沿海，造成了罕見的連續性暴雨，強降水持續時間長達5 d以上，部分站點累積雨量突破歷史極值，給當地人民的生產生活和財產安全造成很大影響。本文將針對此次“弱”臺風的持續性強降水成因進行探討，從而為此類臺風暴雨的預報及防災減災工作提供一定參考依據。

1 資料與方法

本文選用常規地面觀測，1 h降水量(包括國家站和自動站)、中央氣象臺臺風路徑資料、衛星云圖以及雷達資料等，對“艾云尼”的降水實況、中尺度對流系統特征等進行分析。選用NCEP的6 h間隔，1°×1°分辨率的全球分析資料(FNL)等，對環流形勢、動熱力條件等進行診斷分析。

為分析環流形勢的異常特征，利用NCEP-NCAR 1988—2017年(共計30年)的2.5°×2.5°再分析資料對環流場的標準化異常(SD)進行計算(楊舒楠和端義宏，2020)。

SD=(F-M)/σ

式中：F為某一氣象場或物理量的值；M為該變量30年的氣候平均，為去除小波動對統計結果的影響，在計算氣候平均時，對每一天的變量都進行了21 d的滑動平均(前后各10 d)；σ為變量場氣候標準差。標準化異常表征變量場偏離氣候態的程度，一般情況下，|SD|≥3σ表示存在較明顯異常。

為研究臺風暖濕氣流來源及空氣塊物理屬性，選用HYSPLIT跡線模式(Stein et al, 2015；Rolph，2017)對空氣質點進行軌跡分析。該模式由美國國家海洋與大氣管理局空氣資源實驗室和澳大利亞墨爾本氣象研究中心聯合開發，用于計算空氣質點運動軌跡。本文選用0.5°×0.5°的NCEP全球數據同化系統(GDAS)分析數據計算質點后向運動軌跡，以探尋臺風環流中暖濕氣流的源地及移動路徑。

2 臺風暴雨過程簡介

“艾云尼”生成于南海中部洋面，隨后向偏北方向緩慢移動(圖1a)，6月6日早晨至夜間在海南東北部和雷州半島海岸線附近回旋打轉，隨后向東北方向移動，6—7日先后在廣東徐聞、海南海口和廣東陽江三次登陸。“艾云尼”移速約為10 km·h-1，遠小于臺風平均移速(20 km·h-1)，具有移速緩慢、路徑復雜和多次登陸等特點。

受其影響，6月5日08時至10日08時，海南島、廣東、湘贛南部、浙江西部等地出現大范圍暴雨、大暴雨(圖1a)，其中，廣東沿海、海南島北部出現特大暴雨，局地過程累計降水量超400 mm(圖1b)，最大達835 mm。“艾云尼”降水持續時間長，尤其廣東沿海降水持續達5 d。以廣東海豐為例(位置見圖1a)，其≥10 mm·h-1(20 mm·h-1)的小時雨強持續了28 h(12 h)，其中有3 h的小時雨強超50 mm·h-1。臺風外圍螺旋雨帶發展強盛，對流單體降水效率較高，最大小時雨量達124 mm(圖略)。受“長時間”和“高效率”降水影響，廣東沿海多站點降水量突破歷史極值。

“艾云尼”強度相對較弱(熱帶風暴或熱帶低壓)，最大風速僅8級左右。但卻給廣東沿海帶來了持續性強降水。本文針對此次弱臺風影響下的持續性強降水成因進行探討，以總結此類臺風暴雨的環流特征及動、熱力條件特點，拓展臺風暴雨預報思路。

3 臺風緩慢移動

“艾云尼”影響過程中，臺風移速緩慢，臺風環流在近海長期維持，是造成臺風持續性強降水的重要環流背景條件。

臺風移動既受內部因子作用，又受環境條件影響(朱乾根等，2007)。其中臺風內力與臺風環流大小和強度有關，“艾云尼”環流范圍較小(最大風速半徑和7級風圈分別約為80和100 km)，強度較弱，因此內力非常小。當臺風強度較弱，內力較小時，臺風一般沿大型環境流場的引導氣流移動(朱乾根等，2007；畢鑫鑫等，2018；Wu and Wang,2000)。為詳細分析引導氣流對“艾云尼”移動的影響，本文參照Wu et al(2011)的定義，選用臺風中心440 km半徑(四個緯距)范圍，850～300 hPa的質量權重整層平均風場定義為臺風的深層引導氣流。

計算的臺風引導氣流與臺風的實際移動速度非常接近(圖2)，表明臺風的緩慢移動與特殊的大尺度環流造成的弱引導氣流有密切關系。“艾云尼”影響我國期間，青藏高原上空的大陸高壓較氣候態明顯偏強，而位于菲律賓以北洋面上的副熱帶高壓也較氣候態略偏強(圖略)，臺風位于副熱帶高壓和大陸高壓之間的過渡帶，環境流場等高線較稀疏，氣壓梯度力較小(圖3a)，導致引導氣流較弱(圖2)。且隨著副熱帶高壓東退，6日02時之后臺風環流處于鞍型場中(圖3a)，進一步使得引導氣流大小出現陡降(圖2)。這種鞍型場的大尺度環流特征一直從6日02時持續到7日08時，這一時段整層平均引導氣流僅為2～3 m·s-1。此外，從引導氣流的方向看，在這一階段中，大尺度環境流場的引導氣流方向存在較大變化，呈現出逆時針旋轉，因此在此種弱的大尺度環境引導氣流下，臺風移動緩慢，并發生打轉。

圖1 2018年臺風艾云尼降水觀測實況(a)6月5日08時至10日08時過程累計降水量(填色，綠色圓點為臺風路徑,方框為圖11珠江三角洲降水計算范圍)，(b)過程累計降水量≥400 mm站點分布(紅點，包含國家站和自動站)及廣東地形(陰影)

圖2 2018年6月5—8日臺風艾云尼引導氣流大小(黑線)和方向(箭頭)，以及臺風移動速度(灰線)

4 持續的水汽輸送過程

活躍的季風及持續的水汽輸入會引起臺風環流的長時間維持，并導致持續性暴雨(王黎娟等，2011；Gao et al,2009)。“艾云尼”影響期間處于南海季風爆發初期，南海夏季風緯向風強度指數達7.5 m·s-1，較氣候平均值(2.4 m·s-1)顯著偏高。5°～15°N的西風帶上，低層緯向風較強，標準化距平達2σ～4σ(圖3b，圖4)。此外，“艾云尼”影響后期，與臺風馬力斯(1805)的偏東氣流打通，導致-3σ～-2σ的東風異常(圖4)。上述兩支明顯強于氣候態的氣流將能量和水汽源源不斷向臺風輸送。臺風環流(南北方向12個緯度、東西方向13個經度)水汽收支計算顯示(圖5)，南海西南季風是臺風降水的重要水汽通道，受其影響，臺風南邊界一直存在較強的水汽凈流入，尤其800 hPa以下。雖然南邊界對流層中層的水汽輸送在7日08時后有所減小，但東邊界水汽通道的打通迅速彌補了南邊界的水汽，使得臺風環流的總水汽流入得以長時間維持。

圖3 2018年6月6日20時(a)500 hPa，(b)850 hPa位勢高度場(藍色實線，單位：dagpm)、風場(風向桿)及風速(填色，≥8 m·s-1)(紫色方框代表廣東的西部和東部沿海區域)

在西南季風環境和雙臺風環流影響下，臺風南側到東側存在一條明顯的水汽輸送帶。廣東西部沿海(21°～22.5°N、110°～114°E)和東部沿海(22°～23.5°N、113°～117°E)的平均水汽條件演變顯示(圖6)：強水汽輸送給廣東沿海800 hPa以下的整個對流層低層均帶來連續4～5 d的持續水汽通量輻合。水汽的不斷輸入造成該地區850 hPa比濕長時間維持在14～15 g·kg-1(圖6)，大氣整層可降水量超70 mm，為強降水的產生提供有利的水汽條件。

此外，受強水汽和能量輸入影響，臺風的南側和東側具有高溫、高濕、高能環境條件。臺風暖濕空氣質點后向運動軌跡(圖7)顯示，高溫、高濕氣塊主要來自中國南海和菲律賓以東洋面，其在移動過程中，溫度逐漸上升，相對濕度始終維持在70%～90%。暖濕氣塊的不斷匯入，導致高溫、高濕環境條件得以維持或增強，能量不斷聚集，廣東沿海的對流有效位能值始終維持在1 200～2 000 J·kg-1，假相當位溫持續超過348～352 K(圖略)。

圖4 2018年6月7日08時850 hPa風場及緯向風速標準化異常(填色)(紅色和黑色點分別為“艾云尼”和“馬力斯”位置)

圖5 2018年6月5日08時至10日08時臺風環流(a)南，(b)東邊界凈水汽收支

圖6 2018年6月5日08時至10日08時，廣東(a)西部沿海和(b)東部沿海的區域平均水汽通量(填色)、水汽通量輻合(紅色虛線，單位：10-9 g·cm-1·hPa-2·s-1)及比濕(等值線，單位：g·kg-1)的垂直時間剖面

5 下墊面導致的輻合抬升機制

從動力條件看，受臺風環流影響廣東沿海對流層低層長期維持著一支與海岸線接近垂直的超過18 m·s-1的東南急流，該東南急流對強降水的產生十分重要。花都站風廓線顯示(圖8a)，該站對流層中低層為東南或偏南風，風隨高度順轉，有暖平流，有利于上升運動發展。6月8日13:30—15:40，花都1.2～3.5 km風速顯著增強，最大風速達22～25 m·s-1(藍色方框)；同時，邊界層大風速區向近地面延伸，近地面風速由10 m·s-1迅速增至12～16 m·s-1(黑色方框)。花都地處山前，邊界層東南風風速增大使地形抬升作用增強，因此14—15時降水出現陡增(圖8b)。15:40后，隨著東南風風速的減小，花都的降水量也迅速減弱，東南風風速演變與降水量變化之間具有很好的對應關系。

為定量分析持續性強降水的動力條件，圖9給出了廣東西部沿海和東部沿海的平均散度時間演變。對于廣東西部沿海，6月5日至7日夜間，800 hPa以下始終維持著非常強的輻合(圖9a)。7日20時，臺風在陽江登陸，西部沿海低層輻合迅速增強，且在垂直方向上延伸至700 hPa(圖9a)，暴雨的動力條件增強顯著。廣東西部沿海，先后受臺風外圍東南氣流向岸風輻合及臺風本體輻合影響，動力條件持續時間較長。

圖7 利用HYSPLIT跡線模式計算的臺風艾云尼環流1.5 km高度(藍線)和5 km高度(紅線)空氣質點后向傳播軌跡(上)及2018年6月6日08時至9日02時空氣質點的相對濕度(中)和溫度(下)演變(a)空氣質點位置：23°N、115°E，23°N、116°E，24°N、116°E，(b)空氣質點位置：25°N、116°E，26°N、116°E，27°N、114°E

圖8 廣東花都站2018年6月8日(a)12—16時雷達風廓線風羽圖(顏色為風速大小)及(b)09—18時小時降水量演變(單位：mm)

圖9 2018年6月5日08時至10日08時廣東(a)西部沿海和(b)東部沿海的區域平均風場(風羽)、風速(填色,≥8 m·s-1)和散度場(等值線，單位：10-6 s-1)的垂直時間剖面

對于廣東東部沿海，其始終處于臺風環流右側，東南向岸風在沿海地形作用下造成的強低層輻合維持時間更長(圖9b)。6日20時之前，臺風中心距離較遠，東南風較弱(6～8 m·s-1)。隨著臺風的靠近，風速逐漸增大至14～16 m·s-1，且大風速區的垂直延展范圍不斷擴大。在持續東南向岸風及沿海海岸線和地形的作用下，廣東東部沿海的低層輻合維持時間長達5 d，為強降水提供了持續的動力條件。

6 持續的中尺度對流過程

受高濕、高能環境條件影響，加上東南向岸風輻合及海岸線和地形的動力觸發，廣東沿海中尺度對流系統十分活躍，伴隨持續的中尺度對流的發生、發展(圖10)。就珠江三角洲(圖1a綠色方框，以下簡稱珠三角)而言，受5個階段的中尺度對流雨帶發展、演變的影響，其區域站點平均小時雨強呈現出明顯的波動演變特征，并具有5個降水量峰值(圖11)。下面將重點針對這5個階段的中尺度對流過程演變進行討論。

第一階段(6月5日10—17時)：臺風中心位于海南島東南方向距廣東沿海約400 km處，此時外圍環流已在廣東西部沿海引起一條沿海岸線的強對流帶(圖略)，最大回波強度為55～60 dBz。但該對流的強回波范圍較小，影響較局地，小時雨強較弱(圖11)，且雨帶迅速西北抬，影響時間短。

第二階段(6日00—22時)：在持續向岸風影響下，對流明顯加強(圖10a～10c)。6日10時，廣東沿海對流由三部分組成(圖10a)：雷州半島附近的弱臺風本體對流；珠三角附近由東南向岸風引起的強回波(55～60 dBz，影響時間較長、范圍較廣)；以及汕頭到揭陽附近快速移動的強回波(僅在6日08—10時對局地造成了強降水)。中尺度對流系統產生后，一方面隨大尺度流場向東北方向平移，另一方面珠三角不斷有新對流產生。新對流的觸發疊加上游對流的移入，導致廣東沿海對流的長時間維持(圖10a～10c)。

圖10 2018年6月6日(a)10時、(b)12時、(c)14時，7日(d)03時、(e)05時、(f)07時，8日(g)04時、(h)06時和(i)08時華南沿海地區雷達拼圖

圖11 2018年6月5—9日珠三角地區17個國家站平均小時降水量和最大小時降水量演變

第三階段(7日00—22時)：隨著臺風向廣東沿海靠近及偏東風水汽通道的建立，廣東沿海風速、水汽和能量均迅速增加，中尺度對流的組織化特征明顯增強，出現多條較細的東南—西北向強回波帶(圖10d～10f)，珠三角最大小時降水量達38.1 mm。此時，對流系統產生后，逐漸發展形成多條中尺度螺旋雨帶(圖10d～10f)。中尺度螺旋雨帶的發展使對流產生后不會被迅速平移出高濕、高能區，加上臺風中心移動緩慢，對流得以長時間維持，降水強度及持續時間均明顯提高。

第四階段(8日00—20時)：臺風第三次登陸，將大量水汽和能量攜帶至廣東沿海，降水迅速增強，珠三角平均和最大小時降水量分別達18.8和84.7 mm(圖11)，為最強降水時段。對流發展旺盛、組織化程度進一步增強，中尺度螺旋雨帶特征更明顯，雨帶強度、空間尺度及維持時間均顯著提高(圖10g～10i)。雷達回波表現為兩條寬廣的中尺度螺旋雨帶，分別對應西南季風和東南風(由偏東氣流近海轉向形成)兩條暖濕輸送帶。對流在海上產生后，沿兩支入流發展，在沿海地區的有利環境條件下增強，從而引起長達20 h的強降水。此外，冷空氣入侵使湘贛南部及廣東地區的不穩定條件增強，850與500 hPa溫差達28～32℃，進一步導致降水增幅。

第五階段(8日20時至9日06時)：受冷空氣和地面摩擦影響，臺風環流逐漸被破壞，降水顯著減弱，但臺風南側的西南暖濕氣流中仍有中尺度對流系統被觸發，但隨著環境條件的轉差，對流持續時間較短，且影響范圍較小，雖然單站小時雨強仍很強，但強降水非常局地(圖11)。

綜上所述，高濕、高能環境條件下，沿海地區受不同階段的對流系統接連影響，對流被不斷激發、疊加。中尺度螺旋雨帶發展，臺風本體和外圍云帶對流接力以及海上對流的移入等因素共同導致廣東沿海中尺度對流雨帶的長時間維持，從而造成持續性強降水。尤其7—8日，中尺度螺旋雨帶特征明顯，螺旋雨帶形成后，對流沿臺風切向向下游移動，引起了強烈的對流性降水和明顯的“列車效應”。

7 結論與討論

臺風艾云尼強度較弱，但卻造成十分嚴重的暴雨災害，廣東沿海強降水持續長達5 d，多站降水量突破歷史極值。本文利用常規、非常規觀測及分析數據等對“弱”臺風艾云尼的持續性強降水成因進行探討，主要結論如下：

(1) “艾云尼”影響期間，臺風處于兩高之間的過渡帶，大尺度環流背景受鞍型場控制，環境流場等高線稀疏，引導氣流非常弱(2～3 m·s-1)，且引導氣流的方向多變，導致臺風移動緩慢，并出現打轉。臺風環流在近海的長時間維持是持續強降水的重要環流背景條件。

(2)異常強西南季風帶來的臺風南邊界水汽輸送，以及雙臺風背景下，臺風馬力斯偏東急流提供的東邊界水汽補充，共同導致臺風環流水汽輸入的持續。受其影響，臺風水汽條件十分充沛，高溫、高濕空氣不斷被卷入臺風環流，造成廣東沿海連續出現4～5 d的強水汽通量輻合，同時沿海地區高濕、高能環境條件得以維持。

(3)臺風外圍持續的東南向岸風及海岸線和沿海地形作用下，廣東沿海長時間維持著較強的低層風場輻合，疊加高空輻散，有利于強降水的產生及中尺度對流系統的觸發。對流層低層東南風風速的增大及大風速區向近地面層的延伸與降水的增強吻合較好。

(4)中尺度對流系統活躍，存在5個階段的中尺度雨帶的發展、演變。中尺度雨帶中對流不斷新生，隨后沿切向發展，導致“列車效應”的產生。臺風本體降水和外圍對流雨帶的疊加、中尺度螺旋雨帶的發展以及兩條暖濕輸送帶中海上對流的移入等因素共同造成廣東沿海地區中尺度對流系統的持續。

(5)本文通過對艾云尼持續性強降水成因的綜合分析揭示了弱引導氣流造成臺風緩慢移動、西南季風和雙臺風影響下強水汽輸送的維持、向岸風造成的沿海輻合抬升以及中尺度對流系統等對持續性強降水產生的作用，但對地形作用的定量性診斷、強降水的微物理特征、中尺度螺旋雨帶發展演變機制機理等的科學問題仍需要進一步的研究和更深入的探討。