西太平洋臺風對隴東極端暴雨的影響

劉 英，周忠文，張 峰，趙玉娟，李巧霞

（1.甘肅省慶陽市氣象局，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅省環(huán)縣氣象局，甘肅 環(huán)縣 745700）

中國是世界上受臺風影響最大的國家之一，對中國造成影響的臺風大部分形成于西太平洋海區(qū)。臺風是最強的暴雨天氣系統(tǒng)，是一種嚴重的災(zāi)害性天氣，由于其攜帶巨大的能量和水氣，帶來狂風暴雨，對人類生活和經(jīng)濟社會的發(fā)展造成巨大的影響［1-3］。中國發(fā)生多次24 h 降雨量超過1 000 mm 的極端暴雨都有臺風參與和影響，如著名的“75.8”河南特大暴雨，“62.8”遼寧特大暴雨，2021 年“7.20”河南鄭州特大暴雨等，臺風不僅給沿海地區(qū)造成強降水，也直接或間接影響中國北方地區(qū)。國內(nèi)外諸多氣象工作者對西北地區(qū)降水、臺風及其相關(guān)領(lǐng)域做了大量研究工作，對臺風及其產(chǎn)生的氣候影響和社會影響有了新的突破［4-8］。姚宗國等［1］通過西北東部歷史降水量與同期臺風做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，正相關(guān)敏感區(qū)位于河套及以北地區(qū)，大值中心位于河套地區(qū)的寧夏、甘肅東部、陜西西北部等。李春虎等［9］通過淺水模式發(fā)現(xiàn)臺風可能是通過影響副高的位置間接影響西北東部降水。研究發(fā)現(xiàn)伴隨著西太平洋臺風的生成、西行或北上，西北地區(qū)東部出現(xiàn)的降水概率明顯增大，臺風對西北地區(qū)東部降水的影響非常明顯［10-13］。

根據(jù)隴東慶陽市暴雨預(yù)報經(jīng)驗，西太平洋臺風產(chǎn)生的源地、移動路徑、登陸地點的不同，在隴東慶陽市形成的雨帶也存在差異，需要從諸多方面去做深入的研究和探索。本研究選取隴東慶陽市近10年的極端暴雨天氣過程，利用后向軌跡方法分析臺風影響下隴東慶陽市暴雨的水氣來源，研究西太平洋臺風與隴東慶陽市極端暴雨的相關(guān)關(guān)系，無論對該區(qū)域中、短期天氣預(yù)報，還是為政府及有關(guān)部門提供防汛、抗旱決策依據(jù)，提高防災(zāi)減災(zāi)能力等，都具有重大的經(jīng)濟和社會效益。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域狀況

慶陽市位于西北地區(qū)東部，屬黃土高原溝壑區(qū)，北鄰毛烏蘇沙漠，西靠六盤山，東接子午嶺，轄7 縣1區(qū)。屬半干旱半濕潤氣候過度區(qū)，全市年平均降水量408.9～620.1 mm，降水量從東南向西北逐漸減少，北部環(huán)縣、華池、慶城三縣屬半干旱氣候區(qū)域，其余縣區(qū)屬半濕潤氣候區(qū)域。處于中國西北，相比南方地區(qū)，出現(xiàn)大暴雨的幾率較小，但是較易出現(xiàn)相對較強的短時強降水。由于地勢北高南低，海拔885～2 082 m，地勢落差極大，且山、川、塬兼有，溝、峁、梁相間，地形復(fù)雜，是國家級生態(tài)功能重要區(qū)，又是生態(tài)脆弱敏感區(qū)，其土質(zhì)疏松，最易出現(xiàn)水土流失、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，同時強地表徑流易沖毀堤岸，淹沒農(nóng)田、村莊，沖毀道路，造成城市內(nèi)澇等嚴重的地質(zhì)災(zāi)害。

1.2 資料來源與方法

暴雨數(shù)據(jù)取自慶陽市2011—2020 年下轄8 縣區(qū)國家基本站及180 個區(qū)域自動站近10 年的實況資料，西太平洋臺風數(shù)據(jù)來源于中國臺風網(wǎng)，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高），大氣環(huán)流場及衛(wèi)星云圖資料來源于Micaps 常規(guī)觀測資料及EC-thin 數(shù)值預(yù)報資料，利用Excel電子表格制圖和函數(shù)計算及后向軌跡統(tǒng)計分析等方法對資料再分析。

1.3 統(tǒng)計標準

慶陽市地處內(nèi)陸，將從西太平洋生成并能西移至128°E 附近及以西的臺風定義為影響慶陽市降水的臺風，簡稱為影響臺風。當慶陽市境內(nèi)8個縣區(qū)內(nèi)任意站點24 h累計降水量≥50 mm，稱一個暴雨日，當有10個以上的測站（縣市）出現(xiàn)了日降水≥50 mm 的降水，且有2 站日降水≥100 mm時，稱為慶陽市發(fā)生了一次極端暴雨過程。年降水量是隴東慶陽市所轄8縣區(qū)月降水量合計值。

2 近10 年西太平洋臺風登陸中國的統(tǒng)計特征

當慶陽市出現(xiàn)極端暴雨時，影響臺風多在125°E 以西、15°N 以北區(qū)域內(nèi)活動或在該區(qū)域登陸，即影響臺風在中國東南沿海范圍內(nèi)活動情況居多。影響中國的臺風路徑一般有3 條，分別是西行路徑、西北路徑和轉(zhuǎn)彎路徑，其中西北或西行路徑對中國影響最大。

對臺風頻數(shù)統(tǒng)計見表1。由表1 可知，西太平洋臺風6—11 月均有出現(xiàn)，近10 年來11 月只出現(xiàn)1 次，在2013 年，6 月出現(xiàn)10 次，10 月出現(xiàn)8 次；臺風主要集中在7—9 月，多達61 次，該時期的臺風個數(shù)約占總數(shù)的80%，其中8 月出現(xiàn)最多，達28 次，7 月次之，達18 次，7—8 月達46 次，占比近60%，這與慶陽市暴雨大多出現(xiàn)7—8 月吻合。

表1 2011—2020 年臺風登陸中國的次數(shù)及年均降水量

2011—2020 年中國在編臺風有261 個，平均每年26 個，2013 年在編臺風最多，為31 個，2011 年最少，為21 個。近10 年登陸中國的臺風有78 個，平均每年7.8 個，2013 年登陸臺風最多，為11 個，2014 年登陸臺風最少，為5 個（圖1）。近10 年平均年降水量是583.7 mm，2013 年年降水量最多，為697.7 mm，超過平均降水量的20%，也是在編臺風和登陸臺風最多的一年；2016 年年降水量最少，為432.6 mm，較近10 年平均值減少26%。

近10 年在編臺風與登陸臺風的變化趨勢見圖1。2011 年、2013 年、2016 年、2018 年、2020 年趨勢比較一致，在編臺風多，相應(yīng)的登陸臺風也較多。登陸中國的臺風個數(shù)與年降水量變化趨勢見圖2。登陸臺風與年降水量趨勢比較一致的是2011—2013年、2018 年、2020 年，2014 年登陸臺風少，年降水量較多，2016 年登陸臺風多于平均值，但年降水量為近10 年最少的年份。2013 年和2018 年是在編臺風和登陸臺風最多、次多年份，同時也是年降水量最多、次多年份。2018 年有10 個臺風登陸中國，主要集中在7—8 月，共有7 個登陸臺風，占全年登陸臺風的70%，與慶陽市主要降水集中在7—8 月的趨勢一致。研究發(fā)現(xiàn)，西太平洋暖池對流活躍，夏季風偏強，是生成臺風數(shù)偏多的主要原因，西太平洋副高偏強，位置顯著偏北，西脊點偏西，是導(dǎo)致臺風生成源地偏北、移動路徑偏北的主要原因，也是導(dǎo)致慶陽市降水量偏多的原因。

圖1 2011—2020 年在編臺風與登陸臺風個數(shù)

圖2 2011—2020 年登陸臺風及年降水量

3 慶陽市極端暴雨統(tǒng)計特征

3.1 年分布特征

近10 年發(fā)生的極端暴雨19 次（表2），年均2 次，極端暴雨出現(xiàn)的年份為2012（1 次）、2013（1 次）、2014（1 次）、2016（2 次）、2017（3 次）、2018（5 次）、2019（4 次）和2020（2 次）；2011 年、2015 年未出現(xiàn)極端暴雨。極端暴雨出現(xiàn)時間最早是2018 年（6 月24日），最晚的是2019 年（9 月9 日），這一點與慶陽市區(qū)域性暴雨和大暴雨的年代分布特征具有一致性。

3.2 月、旬分布特征

統(tǒng)計分析可見，慶陽市極端暴雨6—9 月均可出現(xiàn)，其中6 月下旬和9 月上旬各出現(xiàn)1 次，其余極端暴雨則集中在7、8 兩個月，分別是9 次和8 次，共17次，占89%。在旬分布上，7 月下旬最多，為4 次，7 月中旬和8 月上旬均為2 次，其余均為3 次（表2）。7、8月峰值正好與西太平洋臺風活動最盛期同步，也說明臺風與慶陽市極端暴雨關(guān)系較密切。

4 臺風與慶陽市極端暴雨的特征

4.1 極端暴雨特征

從2011—2020 年慶陽市極端暴雨與臺風活動的情況（表2）可知，極端暴雨過程出現(xiàn)站次最多的是“2020-08-15”暴雨過程，全市出現(xiàn)134 站次，最大降水量達125.4 mm；出現(xiàn)站次最少的暴雨過程是“2012-07-21”，2 個縣5 個站出現(xiàn)暴雨，最大降水量124.2 mm，小時雨強45.6 mm，受臺風“韋森特”西行影響；受臺風影響最明顯的極端暴雨過程是“2020-08-04”，全市有61 站次的暴雨，過程最大降水量251.5 mm，最大小時雨強是63.0 mm，受臺風“黑格比”影響；出現(xiàn)最大小時雨強的極端暴雨過程是“2019-07-21”，全市59 站次出現(xiàn)暴雨，最大小時降水量（90.8 mm）出現(xiàn)在合水縣劉家莊，打破了慶陽市有氣象記錄記載的短時強降水的極值，受臺風“丹娜絲”影響。

表2 2011—2020 年慶陽市極端暴雨與臺風活動

4.2 臺風與極端暴雨的相關(guān)關(guān)系

2018 年出現(xiàn)極端暴雨5 次，受臺風影響的只有2次，2019 年出現(xiàn)4 次極端暴雨，全部受臺風影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，2018 年有10 個臺風登陸中國，登陸個數(shù)偏多，但登陸強度整體偏弱，登陸時間比較集中，登陸時段偏北，北上臺風居多，所以對慶陽市極端暴雨影響較小，但臺風北上給慶陽市帶來充沛的水氣。2018 年有16 場暴雨，是2011—2020 年場次最多的年份，也是年降水量次少年份。西太平洋副熱帶高壓西北側(cè)的偏南氣流為強降水提供水氣和能量條件，臺風出現(xiàn)既輸送暖濕氣流，又作為強擾動源向中緯度地區(qū)頻散能量，引發(fā)內(nèi)陸暴雨［14-16］。在福建、廣東登陸的臺風對隴東影響最大，臺風登陸以后以西北路徑或西行路徑最多，受北上路徑影響的臺風只有一次是“1913”玲玲，造成“2019-09-09”極端暴雨過程，9 月7 日在東北登陸，北上過程中，向隴東慶陽市帶來充沛的水氣。

2011—2020 年近10 年慶陽出現(xiàn)19 次極端暴雨過程，占比全部暴雨過程的24%；19 場極端暴雨過程中，受臺風影響的有13 次，占比68%，影響臺風與極端暴雨根據(jù)相關(guān)系數(shù)公式（1）得出，相關(guān)系數(shù)為0.71，通過0.01 的可信度檢驗。說明隴東慶陽市68%的極端暴雨由西風帶東移系統(tǒng)和登陸臺風或遠距離影響臺風相互作用產(chǎn)生。

4.3 “1905”臺風對“2019-07-21”極端暴雨的影響分析

慶陽市地處西北地區(qū)東部，屬北溫帶半濕潤、半干旱氣候過渡區(qū)，大降水的水氣主要來源于副高外圍偏南氣流帶來的暖濕氣流，副高是隴東慶陽市暴雨的主要影響系統(tǒng)。通過對不同路徑臺風個例對比分析，臺風出現(xiàn)有利于副高的西伸北抬，且南北徑向度較大，為慶陽市強降水建立了良好的水氣通道，帶來偏南暖濕氣流與中高緯度東移的西風槽、低渦、切變線等冷性系統(tǒng)相互耦合，共同影響下，造成慶陽市強降水的產(chǎn)生。

4.3.1 環(huán)流特征分析 以“2019-07-21”受臺風“1905”丹娜絲影響的極端暴雨為例，7 月21 日8：00 500 hPa 高空圖上，歐亞中高緯為多波動的環(huán)流形勢，“1905”號臺風丹娜絲在西太平洋生成后，西行至菲律賓然后北上，在臺風北上過程中，迫使副高不斷西伸北抬，西脊點位于105°E，22°N 附近，蒙古-中西伯利亞地區(qū)則受冷渦低槽控制，槽前不斷分裂南下的冷空氣形成了階梯槽影響著西北地區(qū)西部。槽前有16 m/s 大風速帶配合，大氣斜壓性較強，高空有鋒區(qū)存在，此時慶陽市處在西風槽前及副高外圍的西南氣流控制下。

21 日20：00，200 hPa 高空圖上，慶陽市處在高空分流區(qū)，高空輻散區(qū)通風和抽吸作用有利于對流的持續(xù)和加強（圖3a）。500 hPa 高空圖上，大陸高壓和西風槽東移，受臺風丹娜絲北上影響，副高588 線略有西伸北抬，高空鋒區(qū)隨之向北推進，慶陽市處在副高588 線外圍高溫高濕的環(huán)境下，副高外圍較強的偏南氣流將水氣輸送到暴雨區(qū)，槽后冷空氣下滑，有利于不穩(wěn)定層結(jié)的建立和維持（圖3b）。700 hPa圖上寧夏至甘南之間有一切變線，從云南北部到甘肅河?xùn)|有一顯著流線存在，將孟加拉灣的水氣輸送到暴雨區(qū)，為這次暴雨過程提供了充足的水氣條件，暴雨產(chǎn)生于切變線附近（圖3c）。地面圖上慶陽市北部至四川西北部存在一冷鋒，為這次暴雨提供了動力條件。 到22 日8：00，“1905”臺風進一步北上，逐漸遠離慶陽市，副高東退到110°E 以東，水氣輸送通道被切斷，而西風槽東移，動力抬升減弱，降水隨之減弱、停止。

圖3 2019 年7 月21 日20：00 環(huán)流場

4.3.2 水氣、動力、衛(wèi)星云圖分析 產(chǎn)生區(qū)域性暴雨的主要條件是充分的水氣、強盛而持久的上升運動和不穩(wěn)定大氣層結(jié)，水氣是形成暴雨的重要條件。7月21 日20：00 700 hPa 水氣通量（圖4a）可見暴雨區(qū)位于水氣通量大值中心附近；且700 hPa 比濕≥10 g/kg，水氣來源主要是臺風北上，南海和孟加拉灣的水氣沿副高588 線向慶陽市輸送，水氣輻合中心和強降水中心對應(yīng)較好。由21 日20：00 渦度場可知（圖4b），700 hPa 慶陽市處在正渦度中心附近，中心最大值為40，而高層300 hPa 慶陽市處在負渦度中心附近，中心值為-60，這種低層正渦度，高層負渦度的配置有利于上升運動，從而有利于對流的發(fā)展和加強。從FY4G 紅外云圖可知（圖4c），21 日大尺度紅外云團自西南向東北方向移動。13：00 至18：00 慶陽基本受發(fā)展旺盛的渦旋云系控制；19：00 至20：00 時冷鋒過境，渦旋云系尾部的強對流云團開始發(fā)展，迅速增強形成了中尺度的對流云團，20：00至22：00 強對流云團發(fā)展成為超級單體風暴，邊界清晰，云頂亮溫低，出現(xiàn)了明顯的后側(cè)“V”字型，“V”字型控制的區(qū)域?qū)α髯顝姡虝r強降水最強的合水劉家莊（90.8 mm，21 日22：00 至23：00）位于其控制區(qū)，造成較強的極端暴雨。

圖4 2019 年7 月21 日20：00 水氣、動力、云情況

4.4 臺風與極端暴雨的概念模型

通過對慶陽近10 年不同路徑臺風影響的極端暴雨個例分析，發(fā)現(xiàn)極端暴雨發(fā)生時，200 hPa 圖上為高壓環(huán)流，北側(cè)有偏西風急流帶存在，風速自南向北遞增，充分說明高層的高壓環(huán)流是慶陽市極端暴雨的必要條件，起著重要的引導(dǎo)作用，偏西急流的出現(xiàn)和維持，可以為極端暴雨提供抽吸作用，促使垂直環(huán)流發(fā)展，增加暴雨的對流強度。這與侯建忠等［8］研究結(jié)論一致。500 hPa 西風帶系統(tǒng)，環(huán)流特征不完全一致，但大多數(shù)是東高西低型，慶陽市以南區(qū)域為副高控制，極端暴雨落區(qū)多出現(xiàn)在副高西側(cè)或西北側(cè)，副高的位置和強度多受西太平洋臺風西行或北上影響，臺風的出現(xiàn)可使副高西伸、北抬、東撤、南壓或加強、減弱，副高是臺風影響慶陽市極端暴雨的橋梁。700 hPa 是東高西低環(huán)流形勢，河套地區(qū)南端區(qū)域為低值區(qū)或有切變線，也存在偏南風急流，隨著臺風的西移或北抬，偏南急流風速明顯增加，是發(fā)生極端暴雨的觸發(fā)條件。高原低值系統(tǒng)或切變線的東移為慶陽市提供了上升動力，臺風的北上加大了副高和臺風之間的氣壓梯度力，有利于低層偏東急流的加強，低層偏南風也為暴雨提供了充沛的水氣輸送。

綜上所述，西太平洋臺風生成后，在不同的環(huán)境場影響下，具有不同的運動路徑，影響范圍也不同。臺風的出現(xiàn)可以使副高西伸北抬，通過直接或間接影響副高位置、范圍大小，對慶陽市強降水有不可忽視的作用，加之臺風所攜帶的大量水氣和擾動能量與中緯度環(huán)流產(chǎn)生相互作用，造成慶陽市極端暴雨主要是西風帶冷性系統(tǒng)、西太平洋副高和臺風外圍暖濕氣流耦合共同影響的結(jié)果，建立臺風對慶陽市極端暴雨影響的天氣概念模型（圖5），在使用數(shù)值預(yù)報的基礎(chǔ)上，對慶陽市夏季短時強降水及極端暴雨具有很好的指導(dǎo)意義。

圖5 影響臺風對隴東極端暴雨的概念模型

5 小結(jié)與討論

2011—2020 登陸中國的臺風有78 次，慶陽市出現(xiàn)79 次暴雨過程，其中19 次達極端暴雨，受臺風影響的有13 次。臺風與極端暴雨呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.71，通過了0.01 的可信度檢驗。

極端暴雨6—9 月均可出現(xiàn)，主要集中在7 月、8月，達17 次，占89%，7 月、8 月峰值正好與西太平洋臺風活動最盛期同步。

影響中國的臺風路徑有3 條，其中西北路徑對中國影響最大；臺風6—11 月均有出現(xiàn)，7—9 月多達62 次，占比80%，7—8 月達46 次，占比近60%，這與隴東慶陽市區(qū)域性暴雨和極端暴雨年代分布具有一致性。

臺風出現(xiàn)有利于副高的西伸北抬，通過建立臺風與極端暴雨的概念模型分析，200 hPa 高空急流、對流層中低層副高西北側(cè)偏南風急流輻合輸送水氣和能量與中高緯度東移的西風槽、低渦、切變線等冷性系統(tǒng)相互耦合，共同影響造成慶陽市強降水產(chǎn)生。

慶陽市深居內(nèi)陸，由于暴雨發(fā)生條件復(fù)雜，大尺度系統(tǒng)、中小尺度系統(tǒng)均有明顯影響，以及在不同的天氣形勢下，地形也有影響，對暴雨的成因分析也是一個復(fù)雜而又艱難的任務(wù)。