“溫比亞”引發(fā)河南特大暴雨的中尺度系統(tǒng)特征分析

王 軍， 席 樂， 王超杰， 吳 迪， 劉 磊

(1.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450003; 2.許昌市氣象局,河南 許昌 461000;3.河南省氣象臺,鄭州 450003; 4.長葛市氣象局,河南 長葛 461500)

引 言

2018年第18號臺風(fēng)“溫比亞”深入內(nèi)陸，在河南引發(fā)特大暴雨，造成嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。趙培娟等[1]從環(huán)流場角度對“溫比亞”和“摩羯”進(jìn)行了對比分析，指出臺風(fēng)低壓兩側(cè)冷暖平流形成的斜壓能導(dǎo)致垂直速度加強(qiáng)是臺風(fēng)低壓維持的重要機(jī)制。谷秀杰等[2]探討了“溫比亞”在河南長時間停留及轉(zhuǎn)向機(jī)制。多年來的研究表明，中尺度系統(tǒng)是引發(fā)臺風(fēng)暴雨強(qiáng)降水的重要因素[3]。孟智勇等[4]研究指出，臺風(fēng)與西風(fēng)槽相互作用往往通過中尺度系統(tǒng)引發(fā)暴雨。孫建華等[5]對“9608”號臺風(fēng)引發(fā)我國北方特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)進(jìn)行了研究。林毅等[6]分析了“1601”號臺風(fēng)造成福建特大暴雨的中尺度對流系統(tǒng)形成機(jī)制。吳海英等[7]指出冷空氣與低壓倒槽內(nèi)暖濕空氣結(jié)合引起鋒生，促進(jìn)中小尺度對流發(fā)展，引發(fā)局地特大暴雨。丁治英等[8]分析了非緯向高空急流與遠(yuǎn)距離臺風(fēng)中尺度暴雨的關(guān)系。李英等[9]研究了登陸臺風(fēng)Rananim(0414)環(huán)流內(nèi)中尺度幅合線的形成和作用。弱冷空氣侵入臺風(fēng)環(huán)流，特別是從臺風(fēng)西側(cè)侵入，加劇動力和熱力不穩(wěn)定，導(dǎo)致暴雨增幅[10-13]。對河南臺風(fēng)暴雨的研究表明，低空急流軸對臺風(fēng)暴雨的形成至關(guān)重要，判斷輻合區(qū)和低空急流位置有利于準(zhǔn)確預(yù)報臺風(fēng)暴雨落區(qū)[14-16]。

受大氣環(huán)流及地形的影響，臺風(fēng)暴雨成因復(fù)雜，不同臺風(fēng)、不同地域引發(fā)暴雨的中尺度系統(tǒng)發(fā)展演變也存在差異。“溫比亞”臺風(fēng)在河南引發(fā)的極端降水為近40年來罕見。本文利用常規(guī)氣象觀測、區(qū)域自動站加密觀測、中央氣象臺臺風(fēng)定位報、FY-2F衛(wèi)星逐時TBB、多普勒雷達(dá)探測及NCEP 1°×1°逐6 h再分析等資料，對“溫比亞”引發(fā)河南特大暴雨的中尺度系統(tǒng)特征及發(fā)展機(jī)制進(jìn)行研究分析，以期為此類臺風(fēng)暴雨預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 降水實(shí)況和環(huán)流背景

1.1 降水實(shí)況

“溫比亞”于2018年8月17日04:05在上海浦東登陸，登陸時為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。18日03時減弱為熱帶風(fēng)暴，并從安徽進(jìn)入河南固始縣。18日14時演變?yōu)闊釒У蛪海行娘L(fēng)速為16 m·s-1。臺風(fēng)中心途經(jīng)河南信陽、駐馬店、周口、商丘等地，19日20時移出河南，在河南境內(nèi)滯留運(yùn)行時間長達(dá)40 h，給河南帶來了強(qiáng)風(fēng)雨天氣。

8月17日20時-19日20時，河南中東部出現(xiàn)大范圍暴雨、大暴雨，部分地區(qū)特大暴雨(圖 1a)。據(jù)河南3300個自動站降水資料統(tǒng)計，過程累積最大降水量553.1 mm(柘城縣遠(yuǎn)襄集)，降水量≥50 mm的站點(diǎn)有1375個，其中有606個站點(diǎn)降水量為100.0-249.9 mm，250 mm及以上的站點(diǎn)有152個。有8個國家站日降水量突破建國以來歷史極值。降水的對流特征顯著，最大小時雨強(qiáng)達(dá)112 mm·h-1(虞城縣沙集)。商丘國家基準(zhǔn)站逐小時降水分布顯示，18日10時、11時小時雨強(qiáng)分別達(dá)88.6 mm·h-1和93.9 mm·h-1(圖 1b)。同時，河南大部分地區(qū)伴有6級以上大風(fēng)，中東部陣風(fēng)達(dá)8～9級。

圖1 2018年8月17日20時-19日20時河南降水實(shí)況(a)與18日04-21時商丘逐小時降水量(b)

1.2 環(huán)流背景

“溫比亞”引發(fā)的河南特大暴雨與中緯度西風(fēng)槽、高低空急流、副熱帶高壓(簡稱副高)等天氣系統(tǒng)的有利配置有關(guān)。2018年8月17日08時500 hPa貝加爾湖(簡稱貝湖)附近有一低渦。臺風(fēng)在上海登陸后，在38°N附近東西向帶狀副高南側(cè)偏東氣流中向西北方向移動。17日20時，貝湖低渦槽線伸至38°N附近，帶狀副高斷裂形成兩個588 dagpm中心，分別位于高原東部和朝鮮半島附近。18日08時500 hPa(圖 2a)，高原東部副高減弱消失；朝鮮半島附近副高有增強(qiáng)趨勢，其西側(cè)的東南氣流為臺風(fēng)系統(tǒng)提供水汽、熱力、動力條件。低槽攜帶冷空氣逐漸東移，18日08時，925-500 hPa低槽南端觸及臺風(fēng)環(huán)流，冷空氣與臺風(fēng)環(huán)流暖濕空氣在河南中東部交匯，不僅有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水，而且有利于臺風(fēng)西北行減速停滯并轉(zhuǎn)向，為引發(fā)特大暴雨創(chuàng)造了條件。18日08時在925-700 hPa，臺風(fēng)中心東側(cè)有一條低空東南風(fēng)急流，最大風(fēng)速達(dá)24～26 m·s-1，該急流維持時間長，源源不斷向暴雨區(qū)輸送暖濕空氣；850 hPa水汽通量大于32 g·cm-1·hPa-1·s-1的區(qū)域集中于河南中東部；距離暴雨中心較近的徐州上空700 hPa以下比濕達(dá)12～19 g·kg-1。17日20時-18日08時K指數(shù)顯示，徐州保持36.9～38.0 ℃的高值，鄭州由20.7 ℃增至37.8 ℃，層結(jié)不穩(wěn)定度加劇。18日08-20時200 hPa，位于二連浩特、牡丹江一帶風(fēng)速≥30 m·s-1的急流軸增強(qiáng)并向南擴(kuò)展到張家口、大連一帶。高空急流軸右側(cè)槽前的偏差風(fēng)輻散具有使臺風(fēng)倒槽型暴雨增幅的作用[8]。18日20時500 hPa(圖 2b)，由于高空急流增強(qiáng)，低槽中段快速東移，南段北縮；同時，朝鮮半島南端副高顯著增強(qiáng)，并向我國東南沿海伸展，使臺風(fēng)東側(cè)風(fēng)速增大，對臺風(fēng)轉(zhuǎn)向具有引導(dǎo)促進(jìn)作用。

圖2 2018年8月18日08時(a)和20時(b)500 hPa形勢場

2 冷暖平流及能量鋒分析

低層冷空氣從“溫比亞”低壓中心西北方侵入臺風(fēng)低壓環(huán)流，對導(dǎo)致暴雨增幅的中尺度系統(tǒng)發(fā)展具有重要作用。分析溫度平流場可知，低層冷空氣與臺風(fēng)環(huán)流的作用主要顯現(xiàn)在925 hPa和850 hPa兩個層次，925 hPa冷空氣勢力較850 hPa的強(qiáng)。17日20時-18日20時，位于山西南部的冷空氣由弱逐漸增強(qiáng)。18日08時，925 hPa冷平流中心位于山西臨汾附近(圖 3a)，中心值由17日20時的-2×10-5K·s-1增加到-5×10-5K·s-1，冷空氣由西北向東南侵入臺風(fēng)環(huán)流，形成東南暖西北冷的溫度場結(jié)構(gòu)，冷平流前沿擴(kuò)展到河南睢縣、太康、駐馬店、桐柏一帶；暖平流中心值達(dá)4×10-5K·s-1，位于南京附近。河南中東部的強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在18日02-20時冷空氣勢力較弱階段，暴雨落區(qū)出現(xiàn)在925 hPa冷暖平流對峙的零線附近，暖區(qū)一側(cè)的特大暴雨站點(diǎn)較冷區(qū)一側(cè)的多。18日20時，925 hPa冷平流中心進(jìn)一步增強(qiáng)到-14×10-5K·s-1，850 hPa冷平流中心值在18日08-20時由-2×10-5K·s-1增強(qiáng)到-6×10-5K·s-1，有較強(qiáng)冷空氣侵入臺風(fēng)中心。

能量鋒是引發(fā)強(qiáng)降水的重要因素，能量鋒的形成與臺風(fēng)低層環(huán)流及附近的冷暖平流密切相關(guān)。分析假相當(dāng)位溫(θse)可知，18日02時925 hPa，臺風(fēng)中心及東側(cè)為354 K的高值區(qū)，從河北邢臺到河南三門峽有一條東北—西南向帶狀低值冷區(qū)，該冷區(qū)逐漸向東南方向移動增強(qiáng)；18日08時(圖3b)，河南西部維持340 K的冷區(qū)，冷區(qū)與臺風(fēng)環(huán)流暖濕區(qū)之間形成θse線密集的能量鋒。能量鋒呈南北向，位于河南中東部，東西寬度約200 km，θse差值達(dá)12 K。低層冷空氣侵入，濕斜壓性增強(qiáng)，鋒區(qū)的動力強(qiáng)迫作用有利于低層具備不穩(wěn)定能量的暖濕空氣沿能量鋒區(qū)爬升，鋒區(qū)是中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展的重要區(qū)域。暴雨區(qū)出現(xiàn)在水汽通量輻合大值區(qū)與能量鋒重疊的地區(qū)。18日20時以后，由于較強(qiáng)冷空氣侵入臺風(fēng)低壓，能量鋒減弱，抑制對流發(fā)展，水汽通量值下降，降水隨之減弱。

圖3 2018年8月18日08時925 hPa溫度平流(a)和假相當(dāng)位溫(b)

3 中尺度對流系統(tǒng)特征及發(fā)展機(jī)制

3.1 中尺度輻合線特征及其與強(qiáng)降水關(guān)系

中尺度輻合線有助于觸發(fā)中尺度對流云團(tuán)發(fā)展[17-20]。冷空氣由“溫比亞”中心西北方低層侵入，與臺風(fēng)東北方的東南暖濕氣流交匯，激發(fā)中尺度輻合線增強(qiáng)并維持。分析地面風(fēng)場可知，“溫比亞”影響河南期間，其東北象限維持一條偏北氣流與東南氣流形成的輻合線(MCL)，呈東北-西南向(圖4)。降水前期，MCL兩側(cè)的風(fēng)速呈增強(qiáng)趨勢。MCL東側(cè)的東南風(fēng)急流提供充沛的水汽和熱力、動力條件。分析地面風(fēng)場及其后6 h降水分布發(fā)現(xiàn)，18日08時MCL移至安徽西部與河南交界處，其后6 h大于100 mm的強(qiáng)降水落區(qū)位于河南東部(圖4a)，此階段暴雨區(qū)主要位于MCL西北側(cè)；18日14時以后，臺風(fēng)逐漸減速到停滯，暴雨落區(qū)呈東西向帶狀位于MCL兩側(cè)(圖4b)，且各有一個大于100 mm的強(qiáng)降水中心；18日20時，MCL東北移，其兩側(cè)的風(fēng)速減弱，其后6 h降水也隨之減弱(圖4c)。MCL延伸至中低空，925 hPa、850 hPa輻合最強(qiáng)，18日08時925 hPa MCL附近散度值達(dá)-9×10-5s-1，850 hPa 強(qiáng)輻合中心位于中尺度輻合線西側(cè)，有利于暖濕空氣的輻合上升。由于臺風(fēng)移動緩慢，冷暖空氣持續(xù)對峙，MCL在安徽、河南交界處或河南境內(nèi)維持30 h，觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展并長時間維持，對暴雨增幅和落區(qū)具有決定性作用。

圖4 2018年8月18日08時(a)、14時(b)、20時(c)地面風(fēng)場與其后≥30 mm的6 h降水量分布

3.2 中尺度云團(tuán)發(fā)展特征

根據(jù)FY-2F衛(wèi)星TBB資料分析，18日03時“溫比亞”中心進(jìn)入河南，05時在臺風(fēng)中心東北象限MCL上有一近似橢圓形密實(shí)的中α云團(tuán)1(圖5a)，東北—西南向長軸約500 km，云團(tuán)中心tbb接近-70 ℃。該云團(tuán)隨臺風(fēng)低壓西進(jìn)，其前端云體向西南方向伸展，河南東部開始出現(xiàn)較強(qiáng)降水。05時，安徽西部云團(tuán)2(圖5a)發(fā)展進(jìn)入河南東南部固始縣境內(nèi)。該云團(tuán)屬于中β尺度，范圍較小，維持近3 h后減弱。06時(圖5b)位于云團(tuán)1西南側(cè)的鄲城出現(xiàn)30.5 mm·h-1降水。強(qiáng)降水落區(qū)位于云團(tuán)1西南側(cè)云頂溫度梯度密集區(qū)(圖5c-f)，商丘市虞城縣沙集10時降水量達(dá)112 mm·h-1。11時云團(tuán)1北移至新鄉(xiāng)至菏澤一帶，強(qiáng)度減弱。云團(tuán)1尺度大，在MCL上生消演變，影響河南中東部達(dá)9 h，是此次臺風(fēng)暴雨過程主要的強(qiáng)降水中尺度系統(tǒng)。11時，商丘附近生成云團(tuán)3(圖5g)，商丘出現(xiàn)93.9 mm·h-1的小時降水。12時(圖5h)漯河附近云團(tuán)4生成，使暴雨區(qū)擴(kuò)展到河南中部。13時在阜陽生成的云團(tuán)5發(fā)展進(jìn)入平輿至項(xiàng)城一帶(圖5i)。14時云團(tuán)3位于曹縣、夏邑、永城一帶，中心增強(qiáng)至-65 ℃(圖5j)。該云團(tuán)中心隨后向東發(fā)展，移至安徽、江蘇、山東交界處，北段減弱，南段加強(qiáng)，商丘、濮陽等地位于云團(tuán)西部，出現(xiàn)連續(xù)降水，20時對河南的影響減弱(圖5k)。19日02時(圖5l)，河南除東北部有較弱云團(tuán)影響外，其余地區(qū)已無云團(tuán)影響。綜上所述，“溫比亞”臺風(fēng)在河南引發(fā)的暴雨主要由1個中α云團(tuán)和4個中β云團(tuán)造成，其中中α云團(tuán)對降水的貢獻(xiàn)最大。

圖5 2018年8月18日05-14時、20時和19日02時tbb演變圖 單位:℃

3.3 中尺度對流系統(tǒng)的雷達(dá)產(chǎn)品特征

根據(jù)商丘多普勒天氣雷達(dá)0.5°仰角基本反射率因子分析，18日08時，在混合型降水回波中有一條明顯的強(qiáng)回波帶，位于安徽固鎮(zhèn)、淮北到河南虞城、商丘、睢縣一帶(圖6a)。該強(qiáng)回波帶在18日05時初具雛形，之后迅速發(fā)展，09-10時最大回波強(qiáng)度達(dá)57 dBZ(圖6b)，回波頂高度為9～12 km，與過程112 mm·h-1的最大小時雨強(qiáng)對應(yīng)。強(qiáng)回波帶的前端與特大暴雨落區(qū)對應(yīng)。14時(圖6c)強(qiáng)回波帶有所減弱，15時以后強(qiáng)回波帶逐漸東北移，20時以后主體進(jìn)一步減弱。0.5°仰角徑向速度圖上(圖6d、e、f)，負(fù)速度區(qū)面積大于正速度區(qū)，有明顯的風(fēng)速輻合；零速度線表現(xiàn)為東北風(fēng)與東南風(fēng)的輻合。測站東南方低空有強(qiáng)盛的東南風(fēng)急流，最大風(fēng)速達(dá)27 m·s-1，與測站西方的大風(fēng)核對應(yīng)。從垂直積分液態(tài)水含量圖(圖6g、h、i)可知，一條最大值達(dá)28 kg·m2的垂直積分液態(tài)水含量高值帶與安徽固鎮(zhèn)到河南商丘、睢縣的強(qiáng)回波帶對應(yīng)，強(qiáng)回波帶和垂直積分液態(tài)含水量高值帶與測站東南風(fēng)強(qiáng)風(fēng)速帶對應(yīng)。強(qiáng)風(fēng)速帶是水汽、熱力、動力輸送帶，也是觸發(fā)對流的重要系統(tǒng)。中尺度云團(tuán)在暖濕急流輸送帶上發(fā)展，在暴雨區(qū)有強(qiáng)回波單體持續(xù)不斷地移過，形成“列車效應(yīng)”，影響達(dá)10 h。18日14-20時，急流有所減弱，回波及垂直積分液態(tài)水含量隨之減弱。總之，在低空東南風(fēng)急流軸上形成的強(qiáng)回波帶、垂直積分液態(tài)水含量高值帶維持時間長，中尺度對流系統(tǒng)形成“列車效應(yīng)”，是引發(fā)大暴雨、特大暴雨的重要因素。

圖6 2018年8月18日08時、10時、14時河南商丘雷達(dá)0.5°仰角基本反射率因子(a、b、c)、徑向速度(d、e、f)和垂直積分液態(tài)水含量(g、h、i)

3.4 中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展機(jī)制

位渦既與大氣渦度有關(guān)，又與大氣位勢有關(guān)。無論干位渦還是濕位渦，均有助于揭示暴雨過程發(fā)展演變機(jī)理，具備守恒性。對流層上部的位渦擾動下傳，可以引起對流層下部及地面的低渦或氣旋發(fā)展，有利于暴雨和對流天氣的加強(qiáng)[21]。位渦計算公式為

(1)

分析18日02-20時500 hPa位渦場可知，高位渦中心隨臺風(fēng)系統(tǒng)從安徽逐漸移入河南東南部，特大暴雨落區(qū)位于高位渦中心北側(cè)200 km范圍內(nèi)。沿34.39 °N暴雨中心作位渦緯向垂直剖面圖(圖7)。由圖7(a)可知，18日02時，強(qiáng)降水發(fā)生前夕，在400 hPa高度，臺風(fēng)低壓環(huán)流中有一個1.5 PVU 的高位渦中心，其底部向西傾斜，隨臺風(fēng)系統(tǒng)向西移動。根據(jù)位渦反演理論[22]，向前移動的高位渦對其下層大氣具有吸進(jìn)前緣處空氣向上運(yùn)動的作用。分析中高層溫度平流發(fā)現(xiàn)，18日08時，400-500 hPa高度臺風(fēng)西北側(cè)存在冷平流，500 hPa在山西南部有-4×10-5K·s-1的冷平流中心，冷空氣向東南侵入臺風(fēng)環(huán)流，形成上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)。對流層中高層具有高位渦和低位溫特征的干冷空氣侵入臺風(fēng)環(huán)流，可以激發(fā)中尺度對流，在氣旋暴發(fā)性發(fā)展、暴雨增幅、位勢不穩(wěn)定增強(qiáng)等方面具有重要作用[23-24]。18日08時(圖7b)，在暴雨區(qū)出現(xiàn)從400 hPa高度向下傳播的高位渦舌，1.5 PVU的等位渦線向下伸展至近地面。高位渦區(qū)誘生氣旋性環(huán)流，并向下伸展，與低層鋒區(qū)作用，造成溫度、風(fēng)場擾動，輻合加強(qiáng)，渦度增加，促使對流不穩(wěn)定能量和潛熱能的釋放。18日08時500 hPa高度上在河南東部形成一個最大垂直速度達(dá)-5.2 Pa·s-1的上升中心,該中心與特大暴雨落區(qū)對應(yīng)。高位渦下傳，激發(fā)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展，是引發(fā)極端降水的重要機(jī)制。

圖7 2018年8月18日02時(a)和08時(b)位渦場與風(fēng)場

4 結(jié) 論

通過對“溫比亞”臺風(fēng)造成的河南特大暴雨過程中環(huán)流背景、中尺度對流系統(tǒng)特征及發(fā)展機(jī)制等進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)臺風(fēng)低壓環(huán)流與中緯度西風(fēng)槽、副熱帶高壓、高低空急流等天氣系統(tǒng)共同作用造成了河南的特大暴雨過程。西風(fēng)槽攜帶冷空氣東移與臺風(fēng)環(huán)流暖濕空氣交匯，不僅有利于產(chǎn)生強(qiáng)降水，且有利于臺風(fēng)減速停滯，為引發(fā)特大暴雨創(chuàng)造了條件。高空急流軸右側(cè)槽前的偏差風(fēng)輻散對降水具有增幅作用。高空急流、朝鮮半島附近副高增強(qiáng)，促使臺風(fēng)轉(zhuǎn)向。低空急流為臺風(fēng)低壓維持及環(huán)流中的中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展提供了充沛的水汽、熱力、動力條件。

(2)低槽攜帶向東南擴(kuò)散的冷空氣分別從925-850 hPa和400-500 hPa兩個層次侵入臺風(fēng)低壓環(huán)流。低層冷空氣與臺風(fēng)環(huán)流中的暖濕空氣在河南中東部形成θse線密集、寬度約200 km、θse差值達(dá)12 K的能量鋒，有利于輻合和暖濕空氣抬升。臺風(fēng)東北象限維持的MCL在冷空氣侵入和臺風(fēng)逐漸停滯過程中增強(qiáng)并長時間維持，觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)發(fā)展，對暴雨增幅和落區(qū)具有決定性作用。

(3)400-500 hPa高度冷空氣向東南侵入臺風(fēng)環(huán)流，形成上干冷、下暖濕的不穩(wěn)定層結(jié)。對流層中高層具有高位渦和低位溫特征的干冷空氣侵入臺風(fēng)環(huán)流，激發(fā)中尺度對流。位于400 hPa附近的高位渦中心下傳至近地面，造成低層溫度、風(fēng)場擾動，輻合加強(qiáng)，渦度增加，促使對流不穩(wěn)定能量和潛熱能釋放，是引發(fā)極端降水的重要機(jī)制。

(4)在臺風(fēng)中心東北側(cè)低空東南風(fēng)急流軸上形成的強(qiáng)回波帶、垂直積分液態(tài)水含量高值帶維持時間長，中尺度對流系統(tǒng)形成“列車效應(yīng)”。強(qiáng)降水落區(qū)位于水汽通量輻合高值區(qū)與能量鋒重疊的地區(qū)，集中于倒槽底部的地面輻合線附近。強(qiáng)降水由1個中α云團(tuán)和4個中β云團(tuán)造成，其中中α云團(tuán)面積大，維持時間長，對降水的貢獻(xiàn)最大。