環渤海地區熱帶氣旋遠距離降水的統計分析與數值模擬

邢 蕊，易笑園，朱月佳，馮呈呈，王慶元，馬建銘

(1.天津市濱海新區氣象局，天津 300457；2.天津市氣象臺，天津 300074；3.安徽省氣象臺，合肥 230031；4.大連市氣象臺，遼寧 大連 116000；5.天津海洋中心氣象臺，天津 300074)

引 言

熱帶氣旋(Tropical Cyclone,簡稱TC)是生成于溫暖洋面上的強烈的氣旋性渦旋，并與復雜的環境場[1-2]、中緯度系統[3-6]、副熱帶高壓等[7-8]發生相互作用，往往伴隨著暴雨、風暴潮等災害性天氣。氣象學者針對TC開展了多方面的研究，并取得了諸多成果[9-14]。TC除了環流本身所帶來的暴雨以外，在其閉合環流之外的上千千米的地區也可觸發較強烈的降水，即熱帶氣旋遠距離降水[15-16](Tropical Cyclone Remote Precipitation，簡稱TRP)。叢春華[16]、Cote[17]、丁治英[18]等分別給出了熱帶氣旋遠距離降水的定義，指出遠距離降水發生在TC閉合環流之外，與TC間存在著內在聯系，并給出了一些定量化的標準。關于TRP的研究已取得了很多成果。例如蔣尚城[19]概括了遠距離TC與西風槽相互作用在北方產生的大暴雨過程，重點指出了TC與副高之間的東南低空急流的特征和作用。其他研究也指出低層與TC相聯系的低空急流由TC沿副高邊緣轉向并指向遠距離降水，起到了向降水區輸送能量和水汽的作用[20-22]。除此之外，TC還可以激發大氣波動向中緯度地區遠距離傳播，從而對中緯度地區的天氣系統產生影響[23-24]。叢春華等[16]給出了關于熱帶氣旋遠距離降水的概念模型，并分別指出了TC、副高、中緯度天氣系統及地形在TRP中的作用。另外，叢春華等[25]曾對遠距離降水進行了系統的研究，通過統計分析發現環渤海地區和川陜交界處為中國熱帶氣旋遠距離暴雨高發區，并分別針對這兩個遠距離暴雨高頻區進行了有、無遠距離暴雨時的合成分析，對比了二者在水汽輸送，天氣形勢等方面的不同。楊曉霞等[26]針對山東省熱帶氣旋遠距離暴雨進行了研究，選取兩組在山東有、無遠距離暴雨的熱帶氣旋進行環流場合成，并指出了山東省有、無遠距離暴雨時天氣形勢等的不同特征。

本研究則在前人研究的基礎上，針對遠距離降水高頻區之一的環渤海地區，研究TRP的基本特征及TC、副高與中緯度降水系統之間的聯系。

1 資料與方法

將環渤海地區35°-45°N、110°-125°E作為熱帶氣旋遠距離降水的研究區域。選取研究個例的標準如下：(1)降水發生在TC環流之外；(2)在 850 hPa水汽通量分布圖上，降水區與TC之間有一條明顯的水汽通道(水汽通量在850 hPa 以下≥5 g/(s·hPa·cm))；(3)沿水汽通道需有產生降水的中緯度天氣系統配合；(4)降水持續時間至少為6 h，累積降水量至少為20 mm。

另外，本文采用WRF-ARW3.3.1進行熱帶氣旋遠距離降水的數值模擬試驗研究。

所用到的主要資料包括由美國國家大氣研究中心和美國國家環境預報中心(NCEP)提供的FNL(Final Operational Global Analysis)全球分析資料(水平分辨率為1°×1°，時間間隔為6 h)，TRMM熱帶降雨測量衛星的資料，中國氣象局上海臺風研究所(CMA/STI)熱帶氣旋最佳路徑資料，以及東京區域臺風中心的熱帶氣旋最佳路徑數據集(RSMC-TOYKO資料)。

2 統計分析

2.1 環渤海地區熱帶氣旋遠距離降水的特征

對中國氣象局上海臺風研究所熱帶氣旋最佳路徑資料(CMA/STI)中TC信息統計發現，西北太平洋地區2005-2015年間的6-9月有編號的TC共155個，其中在環渤海地區產生遠距離降水的TC個數為20個，占TC總數的12.9%，發生概率較低。

與這20個TC過程相關的遠距離降水過程共有27次，其月際分布特征見表1，其中，7、8月發生遠距離降水的次數最多，占總數的85.2%。

表2為2005-2015年每年遠距離降水過程出現的頻次。從表2中可見，遠距離降水的發生具有顯著的年際變化特征。其中，2010年至2013年遠距離降水的發生較為集中，2014、2015年無遠距離降水。遠距離降水的年際分布特征與TC的年際分布之間并無明顯的相關關系，6-9月TC較多的年份并不與遠距離降水發生較多的年份一致(表略)。另外，發生在目標區域中遠距離降水的尺度基本為上百千米的中尺度降水，6 h累積雨量最大為100～120 mm，最小為20～30 mm。

表2 2005-2015年每年遠距離降水過程出現頻次

2.2 產生遠距離降水的熱帶氣旋特征

2.2.1 遠距離降水與熱帶氣旋強度的關系

為了便于統計與合成，揭示環渤海地區遠距離降水的基本特征及建立其相關的概念模型，將這27次遠距離降水過程按每間隔6 h記為一次遠距離降水事件進行劃分，樣本數據中的遠距離降水事件共計78次。對產生遠距離降水時相應的TC強度進行統計分析發現，各強度級別的TC均可引發遠距離降水。其中，熱帶風暴和強熱帶風暴級別的共占57.7%(見表3)。而引發遠距離降水的TC的最大強度從熱帶風暴到超強臺風均有(見表4)，其中70.0%在臺風及以上級別?？梢娫谟欣拇髿獗尘跋拢魏螐姸燃墑e的TC均可引發遠距離降水。

表3 產生遠距離降水時刻熱帶氣旋強度分布

表4 引發遠距離降水的熱帶氣旋最大強度分布

2.2.2 產生遠距離降水時熱帶氣旋中心位置分布

遠距離降水發生時，TC主要集中在臺灣島附近的海域，區域范圍大致為15°-30°N，105°-130°E(圖略)，且TC中心的位置基本與遠距離降水呈準南北向的分布。根據遠距離降水時850 hPa的不同環流形勢，可分為4種類型。分型標準為：(1)遠距離降水發生在 850 hPa中緯度的低渦中，且低渦尺度較?。?2)遠距離降水發生在850 hPa副高脊線南側副高邊緣地區；(3)遠距離降水發生在850 hPa低渦底部及副高北部邊緣，且低渦尺度較大；(4)遠距離降水發生在850 hPa副高脊線北側副高西北邊緣地區。將4種類型分別進行合成，并根據850 hPa環流形勢的主要特征，將這4種類型分別命名為低渦型、副高脊線南部邊緣型、低渦底部型和副高脊線北部邊緣型。另外，這4種不同類型的遠距離降水對應TC位置的分布也具有一定的差異(如圖1所示)：(1)對應第一種類型的遠距離降水，TC主要位于臺灣島以南、菲律賓以北的南海海域；(2)第二種類型的遠距離降水，TC主要位于臺灣島東側的西太平洋上；(3)第三種類型中，TC的分布較為分散，在南海、西太平洋及東海海域均有一定的分布；(4)第四種類型中，TC主要分布在臺灣島周圍的海域。

圖1 遠距離降水發生區域與4種類型(a、b、c、d)相應的熱帶氣旋中心位置分布

2.2.3 產生遠距離降水的熱帶氣旋路徑特征

將這27次遠距離降水過程的TC路徑進行1.0°×1.0°經緯度網格插值，得出相應的TC路徑頻次分布圖(圖2)。由圖2可見，發源于我國臺灣省和菲律賓以東洋面向西北方向移動的TC路徑是主導路徑，約占TC總數的50.0%左右；其次是偏西路徑，約占總數的25.0%；偏北路徑和其他轉折類的路徑占25.0%。另外，統計分析發現，這些TC的移動速度一般在10～30 km/h的范圍以內。

圖2 所有產生遠距離降水的熱帶氣旋路徑頻次分布

2.3 引起遠距離降水的中緯度天氣系統的特征

對2005-2015年間發生遠距離降水時的中緯度天氣系統進行統計分析發現，925-500 hPa均有低值系統活動并引發降水。其中，遠距離降水均位于500 hPa西風槽前；925-700 hPa的影響系統多數為切變線、倒槽或低渦；地面則主要受冷鋒、倒槽、氣旋、輻合線或副高邊緣偏南氣流的影響。當TC攜帶的熱量與水汽輸送到達中緯度地區時，中緯度地區不穩定層結得到加強和發展，TC外圍環流與中緯度系統相遇時，易觸發中緯度地區不穩定能量的釋放，產生暴雨天氣[27]。

3 合成分析

3.1 天氣形勢及水汽通量的合成分析

根據前面的分析，遠距離降水可以分為4種類型，合成后分別命名為低渦型(11.6%)、副高脊線南部邊緣型(12.8%)、低渦底部型(34.6%)和副高脊線北部邊緣型(41.0%)。所采用的合成方法如下：以臺風中心為中心點，取東南西北各45個格點，將各類型中遠距離降水個例的所有時次進行合成，合成范圍為91×91個格點，水平分辨率為1°×1°。值得注意的是，由于各時次合成范圍的經緯度信息不同，合成時將各自的經緯度信息忽略，得到圖3，臺風中心的坐標為(0,0)，坐標值代表距離臺風中心的經緯度。

圖3中，第一種類型為低渦型(圖3a1、3b1)。在850 hPa(圖3a1)，副高主體位置偏東，臺風位于副熱帶高壓的西南側，引起遠距離降水的中緯度低渦位于副高的西北側，低渦尺度較小，低渦與臺風中心基本位于同一經度上，呈準南北向的分布。在500 hPa(圖3b1)，遠距離降水位于淺槽前部，臺風與影響槽之間有高壓壩阻擋。從水汽通量場來看(圖4a)，TC西南有一條準東西向的條狀水汽輸送帶，將大量水汽源源不斷地輸送到TC中。除此以外，TC東側副高邊緣還有一條較為寬廣的偏東風水汽輸送帶。這兩條水汽輸送帶匯聚在TC中，由TC東北方向與副高間的東南風急流向北轉向輸送至中緯度的遠距離降水區中。由于東南風急流的水汽輸送帶較其他三類更為寬廣，因此遠距離降水區的水汽通量比其他3類更顯著，造成的降水也較其他3類的強。

第二種類型為副高脊線南部邊緣型(圖3a2、3b2)。該類型中副高脊線呈西北-東南向的分布形勢，遠距離降水發生在副高脊線以南、TC環流之外的西北側，與TC的距離較近。在500 hPa，遠距離降水發生在槽前(圖3b2)，影響槽的范圍較為寬廣，強度比第一種類型的強。從水汽通量場來看(圖4b)，臺風西南側的水汽輸送帶與第一種類型的較為類似，但副高南側邊緣的偏東風水汽輸送帶較第一種類型的弱，遠距離降水位于臺風西北側水汽通量矢量輻合區及水汽通量梯度大值區內。

第三種類型為低渦底部型(圖3a3、3b3)。遠距離降水位于850 hPa副高邊緣低渦的底部(圖3a3)，低渦的尺度比第一種類型的明顯偏大，中心位置也較為偏北，而副高和臺風的相對位置分布則與第一種類型的類似。由圖3(b3)可知，遠距離降水仍位于500 hPa槽前，與第一種類型相比，槽區更為淺薄。在水汽通量場上(圖4c)，TC西南側準東西向的水汽輸送帶與前兩種類型相似。除此以外，TC東側還有一條來自副高南側邊緣的偏東風水汽輸送帶，但強度較弱，來自TC的水汽輸送帶沿副高邊緣向北轉向，并將水汽向中高緯度輸送到遠距離降水區。

第四種類型為副高脊線北部邊緣型(圖3a4、3b4)。遠距離降水位于850 hPa副高西北側邊緣、副高脊線以北(圖3a4)。臺風位于副高西南側。與前3種類型相比，臺風所在經度范圍內的副高北側無明顯的低渦活動。500 hPa有較為明顯的高空槽，遠距離降水仍位于槽前(圖3b4)。從水汽場來看(圖4d)，水汽來源包括來自臺風西南側的準東西向的水汽輸送帶，以及來自臺風南部的偏南風水汽輸送帶。另外，由于受雙臺風作用的影響，還有來自其東側的尺度較小的TC的水汽輸送作用的影響。這與其他3種類型不同，這3支水汽輸送帶在TC中匯合，并在北側轉向，將水汽輸送到中高緯度地區。

以上分析表明，雖然4種類型的850 hPa天氣形勢分布有較大差異，但遠距離降水均發生在500 hPa高空槽前，且與TC之間通過水汽通道建立聯系。下面將從高低空急流的角度來分析TC與遠距離降水在動力方面的聯系。

3.2 高低空急流的合成分析

在這4種類型的低空急流分布中(圖 5a-d)，在臺風西南側均有一條顯著的西到西南風的急流輸送帶，與圖4中的水汽輸送帶相對應。其中，低渦型的低空急流由臺風沿副高邊緣一直伸向遠距離降水區，這是由西低東高的環流形勢造成的(圖3a1)。從圖5(a)與風速、垂直速度及流場圖(圖6a)可見，與遠距離降水相對應的上升運動大值區位于低空急流出口區的左側、高空急流的右側，即高低空急流的耦合區域?？梢娭芯暥鹊蜏u型的遠距離降水的發生除與臺風的水汽輸送有關外，還與來自臺風沿副高邊緣伸向中緯度的低空急流有關。在第二種類型中，遠距離降水發生在低空急流出口區頂端左側、高空急流的右下方(圖5b)。低空急流明顯由臺風低壓環流造成。從圖6(b)可見，與遠距離降水相對應的上升運動區仍位于高低空急流的耦合區域。而在第三、四種類型中，遠距離降水發生在高空急流右側的下方(圖5c、d，圖6c、d)，與臺風有關的低空急流的聯系不密切。

圖3 4種類型的850 hPa(a1、a2、a3、a4)及500 hPa(b1、b2、b3、b4)位勢高度場與降水的合成

圖4 合成后4種類型(a、b、c、d)整層積分(1000-300 hPa)的水汽通量(陰影)及水汽通量矢量(箭頭)

圖5 合成后4種類型(a、b、c、d)的200 hPa高空急流(陰影部分)與850 hPa低空急流

圖6 合成后4種類型(a、b、c、d)的過熱帶氣旋與遠距離降水的水平全風速(陰影)、垂直速度(等值線)和流場經向垂直剖面

由以上的分析可見，在第一、二種類型中，與臺風相關的低空急流和中緯度的高空急流耦合，從而觸發遠距離降水。因此，除水汽通道以外，遠距離降水與臺風、副高間還存在動力方面的聯系。

4 遠距離降水的數值模擬試驗研究

為進一步對遠距離降水、TC與副高間的高低空急流耦合關系進行研究，本文利用WRF3.3.1版本的中尺度數值預報模式,對0509號熱帶氣旋進行數值模擬試驗。模式采用兩重雙向嵌套，水平分辨率分別為45 km和15 km，垂直分層為28層，積云參數化方案采用Lin等的方案，微物理過程外層采用Betts-Miller-Janjic方案，內層采用Betts-Miller-Janjic方案，長波輻射和短波輻射方案分別采用RRTM和Dudhia scheme方案，邊界層方案采用YSU。0509號熱帶氣旋“麥莎”于2005年7月31日生成于西太平洋的廣闊洋面上，隨后向西北方向移動。8月6日03：40，強臺風“麥莎”在浙江省玉環縣干江鎮登陸，登陸時中心附近最大風力為14級(45 m/s)，氣壓為950 hPa?！胞溕杯h流不僅給浙江、安徽、江蘇、山東等省直接帶來狂風暴雨，還在環渤海地區間接引發遠距離降水(圖略)。從TRMM資料給出的降水實況來看，遠距離降水時段主要集中在2005年8月4日12時至5日00時(圖略)。模式模擬的臺風路徑和強度及24 h累積降水與實況的對比見圖7和圖8。

由圖7可見，模擬得到的TC路徑和強度變化與實況相比雖有一定的差異，但總體變化趨勢較為一致。由模擬的24 h累積降水量來看(圖8)，TC及環渤海區域的降水在落區位置上較為一致，但模擬的降水比TRMM資料的偏強。模擬的降水發生的主要時段(4日18時至5日06時)比實況落后約6 h(圖略)?？傮w來說，模擬試驗較為成功地反映了實況特征，結果可用。

圖7 RSMC-TOYKO資料與模擬的臺風路徑(a)及強度(b)

圖8 TRMM資料(a)和模擬(b)的2005年8月4日00時至5日00時的24 h累積降水單位：mm

采用第一重網格的模擬資料進行分析發現，4日12時環渤海區域(山東半島區域)位于低空急流出口區8 m/s風速區的左側邊緣與高空急流入口區的右側邊緣相疊加的區域(圖9a)，此時遠距離降水還未發生。至4日18時，山東半島及附近區域發生降水。此時隨著TC向北移動，低空急流向北推進，在山東半島區域低空急流出口區左側風速梯度加大，而高空仍對應急流入口區右側邊緣地區(圖9b)。可見，在高低空急流的有利配置條件下，降水更易發生在低層氣象要素梯度較大的區域。從沿121°E的垂直剖面圖也可發現，4日12時(圖10a)至18時(圖10b)，高空急流的主體基本位于40°-50°N、350-100 hPa的區域范圍內，位置未發生顯著變化。隨著TC向北推進，低層大風速帶也隨之北移，整層風速增大，在低層大風速區邊緣(氣象要素梯度較大的地區)及高空急流邊緣下方激發垂直運動，產生對流性降水。

圖9 2005年8月4日12時(a)與18時(b)200 hPa高空急流(陰影)與850 hPa低空急流的疊加

圖10 2005年8月4日12時(a)與18時(b)沿121°E的全風速與垂直速度(等值線)剖面

通過以上分析發現，TC除了向遠距離降水區通過輸送水汽建立聯系之外，還可通過TC北上時外圍環流導致的低空急流邊緣水平氣象要素的劇烈變化引發遠距離降水。在高低空急流耦合的背景下，TC北上引起的中緯度環渤海地區低層急流邊緣水平氣象要素的劇烈變化,可導致遠距離降水的發生。這是除水汽通道外，TC與遠距離降水間的又一個物理聯系。

5 結論與討論

本文利用FNL全球再分析資料,對發生在環渤海地區2005-2015年間的6-9月間的熱帶氣旋遠距離降水進行分析，得出了關于TC及中緯度降水系統的一些統計特征，并根據850 hPa天氣形勢的不同分布特征，將遠距離降水分為4種類型：低渦型、副高脊線南部邊緣型、低渦底部型、副高脊線北部邊緣型，并對這4種類型進行了合成分析,得出的主要結論如下：

(1)4種類型的遠距離降水均發生在500 hPa高空槽前。TC、副高與中緯度的降水系統三者關系密切，TC與副高間的東南急流起到了輸送水汽和能量的作用，并且源自TC的水汽沿副高邊緣向北轉向進入到中緯度的遠距離降水區。

(2)TC、遠距離降水與副高之間還存在動力方面的聯系。在第一、二種類型中與TC相關的低空急流和中緯度的高空急流耦合，觸發遠距離降水。但這種高低空急流的耦合機制目前并不清楚，還需進一步的討論。

(3)遠距離降水的數值模擬試驗表明，TC除了通過向遠距離降水區輸送水汽建立聯系之外，在高低空急流耦合的背景下，還可通過TC北上時外圍環流導致的低空急流邊緣水平氣象要素的劇烈變化引發遠距離降水。這是除水汽通道外，熱帶氣旋與遠距離降水間的又一個物理聯系。