“利奇馬”臺風的特點及極端強降水的成因分析

項素清，周梅，徐亞欽，杜金杉

（1.浙江省金華市氣象局，浙江金華321000；2. 浙江省磐安縣氣象局，浙江磐安322300）

1 引言

我國每年平均有7～8 個臺風登陸。登陸臺風往往引發暴雨[1]，從而導致城鄉積澇、山體滑坡和小流域山洪等災害的發生。氣象學家和預報員對臺風暴雨進行了大量的分析和研究[2]:如臺風近海打轉[3]和后期強度突變的原因[4-5]、臺風螺旋帶和眼壁上有中尺度對流體[5-7]等。臺風和中緯度系統相互作用，使暴雨增強或產生遠距離暴雨[8]；多數臺風登陸右半圓內的暴雨范圍和強度明顯大于左半圓區。臺風登陸后強度往往減弱較快，降水也隨之減弱，但由于地形的抬升以及地表的拖曳效應會導致降水在一定時間內得到增強。臺風與地形和中緯度系統作用，還會激發中小尺度系統，從而影響降水的強度和分布[9-10]。孫密娜等[11]對兩次北上影響黃渤海的臺風過程的對比研究表明，兩者北上時與中緯度的高空槽云系結合，鋒生顯著，降水范圍增大。近十余年來，隨著觀測資料精度的提高和數值模式的發展，地形對降水影響的數值模擬研究得到進一步的發展。朱紅芳等[12]對1211 號臺風“海葵”引發的安徽強降水過程進行數值模擬，發現大別山區和皖南山區的地形對“海葵”的移動路徑和強度、降水分布和強度均有不同程度的影響；不同地形高度下模擬的臺風路徑及降水分布差異較大，降水中心強度與地形高度相關性較好，地形對暴雨增幅作用明顯。王曉芳等[13]對2006 年第4 號強熱帶風暴“碧利斯”登陸后造成內陸暴雨，特別是湘東南特大暴雨的成因進行了分析。結果表明，獨立存在于湘東南的尺度較小而強度特大的NNE-SSW 向的暴雨帶與羅宵山脈的地形影響有密切關系：地形強迫上升及其對暴雨的觸發主要不在山坡上，而是在迎風坡氣流上游平原地區（即湘東南）。黃奕武等[14]對0716號臺風“羅莎”登陸期間地形對降水的影響作了分析，發現強降水區主要分布在沿海山體的迎風坡上。分析1 h 降水量在不同強度區間的頻次分布，發現在山體地形的影響下，山脈區域降水加強。用再分析資料和地形資料計算了氣流過沿海山體時的無量綱數Fr值。由于氣流Fr較小，氣流過浙江沿海地形時更容易翻越山體。抬升位置發生在迎風坡上，因而強降水區也落在迎風坡上。吳啟樹等[15]開展了地形敏感性試驗，結果說明福建東部沿海的特殊地形對登陸福建中部沿海的臺風暴雨有明顯的增強作用，最大增幅發生在山脈迎風坡的地形坡度與氣流正交速度乘積最大的時段。

2 概況

2019年第9號臺風“利奇馬”（1909號）于8月4日14時（北京時，下同）在西北太平洋洋面上生成，生成后朝西北方向移動；7日05時加強為臺風、17時加強為強臺風、23 時加強為超強臺風；8 日21 時中心風速17級（62 m/s），中心最低氣壓915 hPa，達到最強，登陸前一直維持超強臺風強度。10 日01 時45 分在溫嶺市城南鎮登陸，登陸時中心附近最大風力16級（52 m/s），中心最低氣壓930 hPa；登陸后向北偏西方向移動，03時減弱為強臺風，05時減弱為臺風，09時減弱為強熱帶風暴；臺風先后穿過臺州、金華、紹興、杭州、湖州等地，于10 日22 時離開浙江省進入江蘇省，其中9——12時穿過金華東部地區（磐安、東陽）。

受“利奇馬”影響，浙江省普降暴雨，沿海地區出現大暴雨甚至局部特大暴雨，局地出現極端降水。8月8日08時——11日08時全省平均面雨量165 mm。各地市平均面雨量前3 位分別為臺州市291 mm、寧波市276 mm、湖州市209 mm。全省有40 個站點超過500 mm，最大過程雨量臨海括蒼山831 mm，在登陸浙江省臺風中位列第二。金華市平均面雨量128.7 mm，除磐安252.8 mm 外，其他縣市面雨量在80～150 mm之間，呈東多西少分布。單站過程雨量最大為磐安嶺干397.9 mm，其中婺城區北山336.4 mm。

據浙江省防汛指揮部統計，超強臺風“利奇馬” 致浙江省667.9萬余人受災，因災死亡46人，因災失蹤2 人，緊急轉移安置126 萬人；農作物受災面積2.34×105km2，絕收約2.3×104km2，因災倒損房屋4.1 萬間，直接經濟損失242.6 億余元。金華市直接經濟損失約6.08 億元，所幸無人員因災傷亡。本文通過分析自動氣象站、雷達、衛星等常規資料和美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NECP）的1°×1°再分析資料，對“利奇馬”的強度變化和移動路徑進行分析。特別是對造成極端強降水的原因進行分析，重點研究地形的作用。

3 “利奇馬”臺風分析

3.1 強度分析

圖1 “利奇馬”移動路徑和浙江省累積雨量

“利奇馬”8月4日在菲律賓以東洋面上生成時，東側有一個熱帶云團，6日發展成10號臺風“羅莎”；南海也有一個熱帶云團；日本南部為臺風“范斯高”，副高脊線在35°N以北。“利奇馬”在廣闊的熱帶洋面上發展，在其西北方向移動的路徑上，海水溫度都在29 ℃以上（見圖2a）；特別是在臺灣東南側經過溫度高達30 ℃以上的太平洋黑潮暖流，能量充足。“利奇馬”南側和西南季風主通道相連，東邊的副高有一支偏東急流繞過“羅莎”為它輸送水汽和能量，兩支氣流為臺風提供源源不斷的水汽供應。8 月7 日08 時臺風上空300～850 hPa 的垂直風切變為5～8 m/s（見圖3a），大小適合，有利于臺風強度加強；同時200 hPa 副熱帶急流為“利奇馬”打通了高空輻散，所以“利奇馬”強度快速增強，8 月7 日完成三級跳，由臺風加強為超強臺風。7 日20 時衛星云圖上（圖略），臺風中心密閉云區云系濃密緊致，小而清晰的臺風眼已經生成，南側是長長的螺旋云帶，臺風云系范圍龐大，環流廣闊。從8 日19 時25分衛星云圖上可以看到（見圖2b），臺風眼小而深邃，西南季風云帶仍源源不斷地為它輸送水汽。9日進入東海后，其南側和季風云系仍未斷開，西南暖濕氣流仍在供應水汽和能量。東海的表層海溫在28 ℃左右，但垂直切變有所增大（見圖3b），所以臺風強度略有減弱，登陸時中心風力為16級。“利奇馬”登陸后，雖然南側和季風云系斷開，但在它的東北側還有一支東南風急流將海上的水汽向大陸輸送，所以登陸后仍能長時間維持臺風強度不變。“利奇馬”從生成到登陸只有5～6 d 時間，正好處在它的青壯年時期，因此強度特別強。

圖3 300～850 hPa垂直風切變圖

3.2 路徑分析

臺風的移動路徑直接關系著降水的落區和強度。縱觀“利奇馬”臺風的路徑，開始路徑偏東，登陸點位置偏北，對浙江中西部影響較小；后來隨著路徑西調，影響程度明顯加大。“利奇馬”生成初期，由于海上多個熱帶系統共存，副高位置偏東偏北，引導氣流弱，主要靠內力作用向西北方向移動。8月6 日08 時500 hPa 上西太平洋副高主體592 線在140°E 以東，臺風“范斯高”已經在日本西部登陸，強度迅速減弱，河套附近有高空槽緩慢東移；7日08時“范斯高”已經消失（見圖4），副高588 線西伸加強，高空槽東移北縮；8日08時副高進一步西伸，脊線呈東西向分布，高空槽已移到渤海灣，其后的西風帶高壓脊將并入副高，使帶狀副高壩穩定維持。“利奇馬”在副高西南側東南氣流引導下穩定地朝西北方向移動。其東側的熱帶云團于8 月6 日下午發展成臺風“羅莎”，兩者中心相距1 300 km 以上，直接作用較小，但“羅莎”的存在阻擋了副高往南伸，減小了“利奇馬”向北的分量。“利奇馬”西側的南海熱帶低壓與其相距1 000 km 以內，在藤原效應的作用下，對其有向西向北的作用力。9日08時副高西伸脊點位于125°E 附近，相比前一天更偏西，所以“利奇馬”穩定朝西北方向移動直至登陸浙江臺州。由于中高緯西風帶活躍，河套以西又有高空槽東移，導致副高脊不能大尺度西伸，所以臺風登陸后繼續朝偏北方向移動，在華東沿海地區北上，無法深入內陸。由于高空槽位置偏北，“利奇馬”對浙江的影響主要是本體降水，到山東一帶才和高空槽結合產生強降水。

圖4 不同日期08時500 hPa高空圖

4 極端強降水成因分析

4.1 “利奇馬”臺風引起的強降水分析

由于引導氣流不強，“利奇馬”移動速度較慢。登陸前后移速都在15 km/h 左右，登陸后滯留浙江省長達20 h，其中超強臺風強度維持1 h，強臺風強度維持2 h，臺風強度維持4 h。浙江8 日白天開始受“利奇馬”外圍環流影響，以對流降水為主。8 日夜里受臺風螺旋雨帶影響，臺州地區降水開始明顯，部分地區出現暴雨。9 日上午降水主要集中在浙江東部沿海地區；9 日下午磐安和東陽東部受螺旋云帶影響，降水開始明顯；夜里金華全市降水變大，特別是磐安等東部地區離臺風中心近，先后受臺風螺旋云帶和密蔽云區影響，產生低質心暖云降水，降水強度非常可觀。從8 月10 日01 時30 分浙江省雷達拼圖和衛星云圖可以看到（見圖5），“利奇馬”登陸時結構完整、云系范圍廣，密蔽云區和螺旋云帶上有中尺度對流活動，臺風眼雖然已經被云覆蓋，但強度依然非常強，臺風本體云系覆蓋浙江全省。10 日02 時850 hPa 水汽通量圖表明（圖略），浙江省大部地區都處在水汽通量大值區域，輻合中心位于浙江東部，中心值達-220 g/（hPa·cm2·s），說明水汽輻合非常強。9日夜里——10日早晨是浙江省降水最集中的時段，10 日白天隨著臺風北移，強降水中心逐漸北移。

4.2 臺風后部局地極端強降水分析

雖然都被“利奇馬”臺風本體云系覆蓋，但各地的降水分布并不均勻（見圖6），極端降水往往出現在山區。本次降水量最大的括蒼山站總雨量達834.3 mm（海拔高度為1 382 m），而離它最近的羊棚頭村站降水量只有215.7 mm（海拔高度只有142 m），兩者降水量相差非常懸殊。浙江東部的山脈從雁蕩山、括蒼山到四明山均呈東北-西南走向。根據括蒼山站的逐時降水量分布來看（見圖6a），降水主要集中在8 月9 日09 時——10 日14 時之間，其中8月9日20時——10日07時小時雨強都在40 mm/h左右；從站點的氣壓變化來看，10 日04——05 時氣壓最低，也就是離臺風中心最近，10 日05——06 時受臺風云墻影響，小時雨強達80 mm/h，降水強度非常大。隨著臺風北移，氣壓上升，08 時以后降水顯著減弱。究其原因，登陸前臺風中心位于其南側，受偏東氣流影響，而偏東氣流和山脈走向近于垂直，抬升作用非常顯著，從而使降水強度加強。浙江西北部山區也是一個暴雨多發點，天目山呈東北西南分布，山體對氣流的抬升作用導致迎風坡降水增幅明顯，如安吉天荒坪海拔725 m，累積降水量達629.2 mm。

圖5 8月10日浙江省雷達拼圖和衛星云圖

圖6 8月8日20時——10日20時逐時資料

金華地處金衢盆地東段，地勢南北高、中部低。市區境內東部和東北部有大盤山和會稽山，南屬仙霞嶺，西北接龍門山及千里崗山脈。山地內側散布起伏相對和緩的丘陵，整個大盆地大致呈東北-西南走向，西面開口。金華北山（見圖7a箭頭所示）位于金華市區北側，主峰海拔1 300 m 以上，最高峰大盤山為1 314 m，面積約2.5 km2，山體走向為東北-西南。金華北山自動氣象站海拔1 191 m，過程累積降水量達336.4 mm。降水主要出現在8月9日12時——10 日22 時，強降水集中在10 日13——19 時，6 h 累積雨量196.4 mm，小時雨量20～40 mm/h，其中15 時雨強最大，達45.2 mm/h。強降水引發局地山洪爆發，一度造成險情。10日11時“利奇馬”中心已過金華同緯度。從衛星云團上看（圖略），臺風云系主要集中在臺風北側倒槽里，南側云系明顯弱；下午臺風中心移至杭州、湖州市，隨著臺風中心逐漸遠離，金華全區降水減弱；北山站降水反而增大，實屬意料之外，預報難度極大，因此有必要對其進行詳細分析。此次強降水局地性非常強，同一時段北山降水量196.4 mm、雙龍84.2 mm、羅店18.3 mm、金華站僅為9.7 mm，降水量級相差極大（見表1）。而金華站到北山站直線距離不過6.6 km，海拔相差1 000 m以上，說明地形起了非常關鍵的作用。

4.2.1 雷達和衛星云圖資料分析

從衛星云圖上看（圖略），10 日下午臺風中心移至杭州、湖州市，臺風云系主要集中在臺風北側倒槽里，南側云系明顯減弱。從金華雷達風廓線上看（見圖7b），10 日上午金華北山上空為東北風，隨著臺風北上，中午開始風向轉為偏北風，下午進一步逆轉為西北風。低層1.5 km高度西北風風速達16～20 m/s，達到低空急流的標準，高層風速14 m/s 左右。14 時30 分浙江省雷達拼圖上，臺風中心空心化，回波很弱，最強的螺旋雨帶位于上海至江蘇南部。浙江省內較強的回波主要位于浙西北山區和杭州灣一帶，其他地區雷達回波都較弱，強度一般只有20～25 dBz。在金華北山有一塊30～45 dBz的回波，該回波范圍非常小，依據外推雨最多持續1h，但實際上10 日11 時以后北山的小塊回波一直維持到20時，21時回波才減弱消散，降水停止（見圖8）。由于回波正好位于金華雷達站的位置，探測強度有可能比實際偏小。

4.2.2 水汽和能量條件

圖7 浙江省地形圖與金華雷達風廓線圖

表1 金華北山附近站點情況對比

從8月10日08時水汽通量圖來看（見圖9a），有一支西南氣流水汽輸送帶經過臺風東北側卷入臺風內部，水汽通量大值中心位于浙江中北部，金華上空有一個水汽輻合中心，中心值-260 g/（hPa·cm2·s）。14時水汽通量圖上（見圖9b），浙江上空水汽通量明顯減小，但金華和嘉興北部各有一個大值區，金華附近有一個水汽通量輻合中心，中心值-140 g/（hPa·cm2·s）。這說明水汽還是相對充沛的。10 日14 時K 指數圖上（見圖10a），浙江西北部有一個40 ℃的大值中心。從金華探空看，金華站高空為一致的西北氣流控制，K 指數達41 ℃，對流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）為1 189 J/kg，抬升指數（Lifting Index，LI）為-4。10 日14 時假相當位溫垂直剖面圖上（見圖10b），臺風附近仍是暖心結構，在29°N 附近有一個大值中心，中心值達364 K，說明水汽和不穩定能量都很好。

4.2.3 地形作用及動力機制

當水汽和能量條件具備時，動力和抬升的觸發作用非常關鍵。10 日14 時沿120°E 的散度緯向垂直剖面圖上（見圖10a），29.5°N 附近低層900 hPa 有一個輻合中心，中心值達-18×10-5/S；800 hPa以上都是輻散區，輻散中心位于700 hPa，中心值為9×10-5/S，說明此次輻合主要出現在邊界層內。同一時刻渦度和垂直速度的緯向剖面圖上（見圖11b），29.5°～30°N 上空為正渦度區，中心值為40×10-5/S，且對應整層都是上升運動區，大中心值-3.5×10-3hPa/s 位于850 hPa。由此可見從物理量診斷來看，浙江中部仍有較好的降水環流背景條件。

由于高空西北氣流與東北-西南走向的金華北山近乎垂直，因此850 hPa 以下的低層西北急流受到北山山體阻擋。地形的動力抬升作用在邊界層造成強烈的輻合上升運動，將水汽向高空輸送，水汽遇冷后凝結成云致雨，從而產生強降水。19 日下午北山站雨強都在20 mm/h 以上，說明有中尺度系統活動，即山體的抬升作用觸發了不穩定能量的釋放并激發了中尺度雨團的形成，不斷生成的中尺度雨團導致累積降水量大；同時地形的阻擋作用使系統移動減慢、降水持續時間變長、降水總量更大。從金華雷達速度圖上看，10 日下午入流大于出流，存在速度輻合，有利于降水回波的維持和加強；20時以后出流大于入流，轉為輻散，回波減弱，降水趨于結束。

圖8 8月10日不同時刻金華雷達反射率因子圖

圖9 8月10日不同時刻水汽通量圖（單位：g/（hPa·cm2·s））

圖10 8月10日14時K指數和假相當位溫圖

5 總結

（1）“利奇馬”強度強、范圍大、影響時間長。浙江受臺風螺旋雨帶和本體云墻影響，過程雨量大，局部出現極端強降水。

（2）移動路徑上高海溫、南季風輸送帶和副高南側偏東急流輸送充足的水汽和能量、高層輻散場出流條件好、垂直風切變不大等使“利奇馬”得以快速發展。

（3）“利奇馬”臺風登陸后攜帶的高濕、高能大氣為局地極端強降水的發生提供了大氣環流背景條件。K指數高達40 ℃，假相當位溫達364 K，說明水汽和能量條件都非常好。

（4）臺風后部低層強西北急流（20 m/s）垂直于東北-西南走向的北山山體，地形的動力抬升作用在邊界層造成強烈的輻合上升運動，水汽被迫抬升到高空凝結成雨，從而產生強降水。

（5）低層輻合、高層輻散，整層都是上升運動，同時處在大的水汽通量輻合中心，使水汽抬升凝結，從而形成強降水。

（6）山體的抬升作用觸發了不穩定能量的釋放，激發了中尺度雨團的形成，不斷生成的中尺度雨團，導致降水量更大。

（7）山體的阻擋作用使降水系統移動減慢，降水持續時間變長，從而使累積雨量更大。