1810号台风“安比”对辽宁强降水的影响分析

陈宇 高博 王斌飞

摘要    2018年影响辽宁的台风具有数量多、强度大、降水量大的特征，其中台风“安比”在其强度维持与减弱期间影响辽宁，7月24—26日辽宁省西部及环渤海地区出现大暴雨天气。本文利用局地分析预报系统（LAPS）融合全球预报模式1°×1°预报场、卫星、多普勒雷达、GPS遥感水汽及常规观测、加密自动站等资料，分析了1810号台风“安比”移动路径和降水特点。结果表明，副热带高压外围引导气流的强弱，决定了台风的移动路径与转向时间。暖湿空气的输送与抬升、干冷空气从西侧侵入或卷入台风内部是影响台风强度变化的重要因素。“安比”影响辽宁前期，主要受台风外围水汽影响;后期台风残余云系及副热带高压后部新生暖湿气流。变性台风“安比”后部冷空气与西风带冷空气结合，与副高后部的暖湿气流交汇，形成有利于强降水的环流形势。高空辐散、低空辐合的耦合作用有利于上升运动的强烈发展。此外，通过分析大气可降水量（PWV）与降水的对应关系，揭示了高降水效率能够提前预示强降水的发生;分析雷达、卫星反映的中尺度切变、干侵入、低质心等现象，揭示了对流系统发展对强降水的作用。

关键词    台风;暴雨;大气可降水量;短时强降水;辽宁

中图分类号    P458.3        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）04-0179-08                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

近年来，登陆辽宁省及近海沿岸的台风数量增多，平均强度明显增强，造成巨大损失。北上台风在越过副热带高压西脊点转向后，具有移速快、可预报预警时间短的特点。而北上台风降水多发生在台风与中纬度系统相互作用的阶段，冷空气入侵到台风或台风倒槽，是登陆台风产生暴雨的一种重要形式，这种不同纬度的系统相叠加，将会使系统重新发展起来[1-3]。李  英等[4]提出，强降水区出现在垂直切变的下风方、台风气柱倾斜方向一侧。张雪蓉等[5]研究了登陆台风变性过程的物理机制。同时，台风环流在陆地上变性加强与冷空气入侵密切相关，变性台风的强度变化对台风暴雨起到重要作用。陈联寿等[6]提出，中纬度槽与登陆台风相互作用，可向台风或残涡提供位能和不稳定能量，使其产生更大降水。梁  军等[7]研究了影响辽东半岛的台风暴雨环流特征。吴志彦等[8]提出，干冷空气从西侧侵入台风环流，台风变性，斜压锋生，位能向动能转换，导致上升运动加强，有利于产生强降水。金荣花等[9]对登陆北上台风特征及其成因进行了分析。孙建华等[10]和吴海英等[11]对“9608”号台风与台风“海葵”（1211）进行分析发现，冷空气的入侵是导致对流发展加强产生暴雨的主要原因。

研究历史上影响辽宁的台风个例中，在登陆时热带低压强度（TD）21个，占51%;热带风暴（TS）9个，占22%;强热带风暴（STS）11个，占27%。2018年登陆辽宁的台风强度较常年平均强度强，其中AMPIL、RUMBIA为热带风暴强度，YAGI变性为温带气旋后强度相当于热带风暴。

在辽宁登陆的台风个例中，在朝阳、葫芦岛以及河北登陆的影响辽宁的台风11个，大多从我国东部沿海登陆，经华北东部进入辽宁或渤海的西部;在大连以及海上登陆的台风12个，多沿副高西侧北上消失或东北移出，穿过山东半岛或黄海北部进入辽宁南部与渤海;在丹东、朝鲜登陆的台风18个，大多自海面生成后西北移至长江口东侧，北上至黄海中部转向，在丹东或朝鲜半岛北部登陆。

受1810號台风“安比”及其残余云系影响，辽宁西部地区出现暴雨、大暴雨天气，整个过程历时近60 h。本文分析了台风“安比”北上变性后对辽宁的降水影响，残余云系及副高后部暖湿气流与冷空气再度结合以后对辽宁地区产生罕见的滞后影响，以及在大尺度、长历时降水中存在的短时强降水天气特点遇到的疑难问题。

1    台风“安比”移动路径及风雨实况

1.1    移动路径

2018年第10号台风“安比”于7月18日20：00在西北太平洋菲律宾以东洋面上生成，中心气压998 hPa，先向东北北方向移动，19日晚上开始转向西北方向，20日8：00加强为强热带风暴，一路西北上向我国东部沿海靠近。于22日12：30前后在上海市崇明岛沿海登陆，登陆时中心附近最大风力达10级（28 m/s），中心最低气压为982 hPa。台风“安比”登陆强度为强热带风暴级别，登陆后一路西北上，于24日8：00在天津市南部开始转向东北方向移动，24日17：00进入辽宁西部，强度为热带风暴级，并继续向东北方向移动，于25日8：00在吉林西部减弱消亡（图1）。

1.2    风雨实况

受台风“安比”和冷空气共同影响，7月24—26日大连、锦州、营口、朝阳、盘锦、葫芦岛地区出现100～250 mm降水;过程最大降水量214.6 mm，出现在葫芦岛连山区孤竹营乡;1 h最大降水量102.4 mm，出现在瓦房店市将军石（26日10：00—11：00）;辽宁西部地区出现7～8级阵风9～10级大风，最大风力出现在葫芦岛市绥中县永安乡，为10级（26 m/s）。主要降水过程可划分为2个阶段，分别为24日1：00至25日5：00和25日5：00至26日20：00。第一阶段辽宁受台风“安比”外围云系直接影响，以稳定性降水为主，由于台风路径偏西，降水强度和范围不大，最大小时雨强<30 mm。第二阶段受西风带冷空气、变性台风后部冷空气及副高外围暖湿气流的共同影响，辽宁以对流性降水为主，降水强度大，还伴有雷暴大风。25日5：00至26日2：00是最强降水时段，强降水落区位于朝阳、葫芦岛、锦州地区，最大降水量为179 mm，最大小时降水量为80.3 mm，抚顺、辽阳地区也出现了分散性的强降水。26日2：00—20：00辽西地区降水减弱，系统 东移南压，主要降水落区位于环渤海沿岸，大部分降水降落在海面上，陆地强降水范围不大，但是降水强度大，最大小时降水量就出现在这一时段（图2）。

2    大尺度环流形势分析

夏季辽宁地区出现暴雨与副高位置关系密切，副高的分布形态往往决定着辽宁地区水汽输送条件的利弊，通常副高呈经向型分布时，对该区水汽输送比较有利。西太平洋台风的移动，主要受太平洋副热带高压和西风带环流的影响。

2.1    副热带高压演变与台风路径及影响分析

進入2018年汛期以来，500 hPa西太平洋副热带高压强盛，主体位置较常年北抬西伸明显。从7月21日开始，副高北界位于东北地区中部约北纬45°，西脊点达到东经105°。21—22日20：00，副高呈带状，脊线呈东西向，副高中心区域位于日本海，台风在副高西侧东南气流的引导下向西北方向移动，22日夜间开始，副高主体东退，台风沿副高西侧偏南气流的引导向北偏西方向移动。24日2：00，副高西脊点东撤，引导气流减弱，台风向偏北方向移动，台风水汽开始影响辽宁;24日8：00，贝加尔湖以北冷涡发展加强，高空槽向东移动，迫使副高顶部随之东移，副高西边界转为西南—东北走向，“安比”移动路径也随之转为东北向移动，此时“安比”已开始进入高空槽前，温度不对称结构更加明显。7月24日20：00，贝湖冷涡南压，冷空气与原河套地区冷空气打通，副高外侧引导气流逐渐由偏南气流转为西南气流，西风槽处高度线与温度线近乎垂直，大气斜压性增强，暖心结构已经遭到严重破坏，台风开始向北偏东方向移动，台风云系对辽宁降水的影响逐渐结束;25日2：00，850 hPa辽宁西部出现强盛西南急流，急流强度达到20 m/s。25日8：00开始，副高后部水汽输送不断加强，辽宁湿区范围明显加大，14：00切变线开始影响辽宁西部，25日夜间，切变线加强为低涡，并逐渐东移南压，环渤海地区强降水开始发展，并维持至26日8：00。副高后侧的西南气流、台风与冷空气结合形成的切变是影响强降水的主要系统（图3）。

2.2    地面形势演变及影响

从地面气压场及风场分析，24日8：00辽宁受减弱的台风顶部暖区东南风控制，西部开始出现降水;24日20：00台风北上，向东北方向移动，中心位于内蒙东部，辽宁继续受低压前部偏南风控制;25日8：00，台风中心位置东移至吉林西部，减弱变性为温带气旋，辽宁位于低压底部影响，西部地区有地面辐合线生成;同时在河北山东交界处有新的低压中心生成;25日14：00—20：00，辽宁北侧低压中心快速东移，南侧低压中心发展为倒槽，中心位于渤海中部;内蒙东部的高压有所加强，日本海上为高压中心，在这种鞍形场的形势下辽西地区有弱冷锋生成，强降水区域主要位于倒槽顶部与冷锋附近（图4）。

2.3    水汽条件分析

2.3.1    大气可降水量（PWV）。大气可降水量取决于垂直风切变大小以及垂直水汽通量。高降水效率往往需要大气中有充沛的水汽，整层大气可降水量（PWV）能够表征整层水汽含量的多少，暴雨期间存在着极高的降水率。

从GPS反演的大气可降水量分布来看（图5），强降水期间（13：00—16：00、19：00—22：00）建昌县PWV最大达到76 mm（13：30）。25日白天，受北上台风残余水汽及副高后部暖湿气流影响，PWV达到60 mm以上的时间长达5 h，PWV达到70 mm以上持续时间达1 h（13：00—14：00），小时雨强达到80 mm。25日夜间，PWV在22：00达到最大值65 mm，小时雨强达到64 mm。从PWV值与降水量对比分析可知，第一阶段强降水的水汽条件明显强于第二阶段降水，持续时间、降水量及强降水区域也强于第二阶段降水。

从全省1 h PWV变化量分析（图6），发现其变化趋势与1 h降水量有较好的相关性。在2个强降水时段前的1～3 h期间，均出现了PWV明显增加的现象，最大可达11～15 mm，也说明水汽有1个累积的过程，由此可见，GPS可降水量的激增预示将有强降水发生，增幅达到8～10 mm以上时，有很大概率发生50 mm/h以上的强降水。在强降水出现后的1 h，PWV均出现了明显的减少现象，最大可达10～14 mm。这表明水汽条件在降水发生后明显减弱，说明本次暴雨过程以2～3 h内的短时强降水为主。

2.3.2    低层水汽来源及变化。随着台风北上减弱，25日8：00辽西地区850 hPa比湿下降到12～13 g/kg，降水减弱。25日白天随着低层水汽输送的增强，850 hPa比湿再次增大，25日14：00达到15～16 g/kg，并在整个第二阶段降水过程中一直保持在15 g/kg以上。水汽主要有2个来源，一是山东半岛的偏南气流;二是变性台风后部的偏北气流，这支气流将台风中心15 g/kg以上的水汽向南回流，为辽宁提供充足的水汽，对强降水的维持起到重要作用。东北气流也有利于低层低涡切变的发展，使水汽强烈辐合（图7）。

2.4    暴雨过程物理量特征分析

大暴雨产生在深厚的水汽层结、水汽辐合及强烈的持续上升运动区。强烈的垂直运动有利于水汽向上输送发生凝结，同时上升和下沉气流共存有利于对流活动的持续发展，这些都为暴雨的发展提供了有利的动力条件。

2.4.1    动力条件。7月25—26日，辽宁位于200 hPa高空急流入口区右侧，具有较强的高空辐散，起到抽吸作用，850 hPa、925 hPa低涡切变附近有明显的辐合，高低空耦合作用有利于上升运动的发展。25日14：00辽西地区200 hPa散度达4×10-5～5×10-5 s-1，850 hPa散度为-2×10-5～-1×10-5 s-1，此时700 hPa垂直速度约为-0.8 Pa/s。26日8：00高空辐散、低空辐合中心东移至渤海湾附近，200 hPa散度仍然达到4×10-5～5×10-5 s-1，低空辐合略有减小，700 hPa垂直速度约为-0.6 Pa/s。

2.4.2    垂直速度与时间廓线演变。虽然大尺度环流条件有利于产生上升气流，但是仍然需要触发机制将气块抬升到自由对流高度，将不稳定能量转为动能，进一步加强上升运动。辽宁西部地区均存在着明显的上升气流，东经117°～119°附近为近乎垂直的上升运动区，水平风向为东南风，风速大值区域上升运动中心近重合;台风中层500～700 hPa西侧有下沉气流，台风中心东侧为上升运动，垂直速度大值中心向冷空气向西倾斜，呈现斜升结构，见图8（a）。

观测强降水出现区域（葫芦岛地区）垂直速度廓线的时间演变情况，可以看到，在强降水期间（25日8：00—24：00），葫芦岛地区上空均存在着明显的上升气流。第一阶段降水期间，葫芦岛市区的上升气流位于850 hPa以上，主要集中在850～700 hPa，中心强度达到-0.6 Pa/s;第二阶段降水期间，葫芦岛地区上升气流集中在700 hPa以上，主要集中在700～600 hPa，中心强度为-0.5 Pa/s，强度要弱于第一阶段降水。对比2次降水时段上升气流区域的厚度和强度，说明第一阶降水受切变系统影响，动力抬升条件极强，最终导致1 h雨强达到80 mm，见图8（b）。

2.4.3    葫芦岛地区T-log p图演变。在24日20：00，葫芦岛地区上空存在明显的中低空急流，400～925 hPa均为明显的西南风，850 hPa风速达到20 m/s。在25日2段强降水期间，葫芦岛地区上空持续存在西南气流，中低层露点廓线十分接近温度廓线，整层大气比较湿润，其廓线形态属于典型的短时强降水T-log p图模型。从动力条件分析，第一阶段降水期间，13：00对流有效位能最大，达到3 200 J/kg以上;第二阶段强降水期间，22：00对流有效位能也达到了2 200 J/kg以上。伴随不稳定能量的释放，产生更强的上升气流，有利于强降水的产生（图9）。

3    强降水特点分析

3.1    强降水落区及特点

此次暴雨过程，累计降水量超过150 mm的地区主要出现在辽宁西部的朝阳县、凌源市、喀左县、葫芦岛市及建昌县。降水中心位于凌源市、葫芦岛市区北部、建昌县东北部及朝阳县南部的交界处。强降水主要分为3个阶段，分别出现在7月24日15：00—18：00、7月25日的13：00—16：00以及19：00—22：00，第一阶段降水主要受台风云系影响，造成凌源市、建昌县出现暴雨天气;后2个阶段的降水地点都主要出现在葫芦岛的北部地区（图10）。

3.2    强降水阶段性特点

第一阶段降水受台风水汽影响，暖区降水为主，持续时间长、雨强较小，最大小时雨强不超过30 mm，3 h最大降水量60 mm，未达到暴雨红色预警发布标准;后2个阶段的降水特点以短时强降水为主，从出现大暴雨的乡镇5 min降水量柱状图及1 h雨量折线图可以看到，5 min最大雨量可达12～15 mm，10 min最大雨量可达25 mm。最大1 h雨强可达40～80 mm;大部分站点3 h降水量均超过了100 mm，达到暴雨红色预警信号发布标准。

后2个阶段的降水，小时雨强的强度类似，但小时最大雨强出现的时间段特点不同，对暴雨预警信号的提前发布有一定影响。第一个强降水时段，最大小时雨强均出现在降水发生的开始阶段，通过雨强与雷达回波的对应关系、强降水区域的发展及移动方向等条件分析，预警中心于15：00—15：40连续发布3个暴雨红色预警信号，可以提前1～2 h准确发布暴雨红色预警信号。第二阶段的降水，在雨强最大的20：00—21：00前2 h，都出现了雨强10～20 mm/h的降水，为提高暴雨红色预警的准确率，预警中心于20：43发布葫芦岛南票区暴雨红色预警信号，提前时间在1 h以内。

4    短临预警技术应用

4.1    多普勒天气雷达观测资料分析

为进一步分析造成此次强降水过程的中尺度系统及其结构特征，本文利用多普勒天气雷达观测资料对强降水的2个主要时段进行了分析研究。图11给出了25日13：50朝阳雷达观测的回波顶高度、低仰角多普勒速度和基本反射率空间结构。可以看到降水的第一个主要时段具有明显的中尺度特征，对应在雷达回波顶高的分布特征上，第一阶段强降水的主要落区（葫芦岛建昌地区）存在回波顶高大于15 km的强回波区，强回波区的形状近似为椭圆形，镶嵌在片状的层状云降水回波之间。说明在强降水的第一个阶段，葫芦岛西北部的主要降水落区上空存在有组织的中尺度对流系统。在相同时次的基本反射率空间结构剖面图上，可以清楚地看到强降水落区上空由若干个对流单体相互组织形成的多单体风暴，风暴前侧相对成熟的对流单体有明显的云砧结构特征，风暴后部的西南气流入流区中仍有新生单体形成。从朝阳雷达1.5°仰角基本速度图上可以看到，在葫芦岛西北部地区上空存在由正、负速度对组成的中气旋系统，造成强降水的近椭圆形中尺度对流系统整体位于中气旋的西南位相，说明在强降水的第一阶段，对流层低层的中气旋是中尺度对流系统维持加强的主要因子，对流单体在中气旋的西南位相形成有组织的中尺度对流系统，随着中气旋西侧的西南引导气流向东北方向移动和传播，进而造成辽宁西部地区出现第一阶段强降水过程。强降水回波具有“列车效应”的特征，回波质心较低，强回波基本在0 ℃层高度以下，不存在明显回波悬垂。

对于25日夜间的第二阶段强降水过程，从25日21：39的朝阳雷达回波顶高和0.5°仰角基本速度图上，同样表现出与第一阶段类似的显著中尺度特征（图12）。从雷达回波顶高的分布特征上，第二阶段降水的中尺度对流系统位置相对偏南，位于葫芦岛市区上空，其回波顶高度在12 km左右，说明夜间第二阶段强降水过程的中尺度系统强度和范围相对偏弱。对比分析相同时次的雷达基本反射率空间结构，造成第二阶段强降水的中尺度系统依然表现出相互组织的多单体风暴特征，风暴前侧有明显的指向下游风暴传播方向的云砧结构特征。从低仰角的雷达基本速度图上，依然能看到明显的中气旋系统，说明在降水过程的2个主要时段，中尺度对流系统的组织、發展均与对流层低层的中气旋密切相关。强降水落区上空的中气旋为对流单体的发展和加强提供了有利条件，促使对流单体相互组织形成强度更高、范围更大、生命周期更长的中尺度对流系统向下游传播，进而造成了辽宁西部大范围的强降水过程。26日强降水反射率因子及垂直液态水含量更大，强回波扩展到6～7 km，具有回波悬垂的特征，低层存在弱回波区，呈现出类似于雹暴的特征，还伴有8级以上的雷暴大风。

4.2    卫星图像分析

4.2.1    红外云图分析。从此次辽西大暴雨形成过程中卫星红外云图的演变看，7月24日8：00—20：00，在台风北上过程中，伴随涡旋云系不断北上，虽然在辽宁地区未与冷空气结合，但持续时间较长，造成辽宁西部出现持续性降雨天气（图13）;7月25日5：00，台风云系进入吉林西部，受副高后部暖湿气流影响，在河北东部生成一个明显的中尺度对流系统，但在向辽宁东移的过程中逐渐减弱;25日12：00，随着冷空气的补充合并，抬升运动明显增强，中尺度对流系统迅速增强，于25日14：00达到最强且范围逐渐扩大;由于副高主体位置移动缓慢，受其后侧西南气流影响，降水区域始终位于辽宁西部地区;25日20：00—24：00，辽宁西部又一次出现中尺度对流云团，其西侧不断有尺度更小的对流云团生成，并快速移动与主体合并，造成了辽西地区第二阶段强降水的产生。

4.2.2    水汽图像分析。水汽图像代表着对流层高层的动力特征，水汽图像结构与导致垂直运动和气流变形场的大尺度天气过程有关系。在水汽图像中深灰色的色调与下沉运动有关系;暗区与对流层中部槽干冷空气有联系，白亮灰度则是表征上升运动（图14）。

干侵入是水汽图像上中等到近黑色灰度的特定区域，以重要天气尺度云系为边界，并与任何形式气旋性环流相联系。一般在气旋性发展刚开始时出现在干带前缘，与急流、位涡异常有关，也与天气尺度的下沉运动对应，动力活跃的干带可以激发气旋生。

水汽图像“暗区”为干侵入区，具有高位涡、低湿度 和“冷”的特征，高分辨率水汽图像上的“暗区”能形象地揭示干侵入演变、发展和补充的精细过程。干侵入沿着等熵面由高层向低层侵入，增强降水区上空的对流不稳定。

5    结论

（1）台风“安比”与西风带冷空气结合，与副高后部的暖湿气流交汇，在台风外围水汽、副高后部暖湿气流共同作用下水汽厚度增加形成有利于辽宁西南部地区强降水的环流形势;副高后侧暖湿气流在冷空气的作用下，激发出整层上升运动;850 hPa形成的切变线，逐渐加强为低涡;地面在渤海附近低压倒槽发展，鞍形场的形势下冷锋生成，强降水位于倒槽顶部与冷锋附近。

（2）辽西地区高空辐散强烈，起到抽吸作用，低层低涡切变附近产生辐合，高低空耦合作用有利于上升运动的强烈发展。辽宁西部地区大暴雨形成和维持的一个重要原因是干冷空气侵入，源于干冷空气的侵入加强了大暴雨区的对流性不稳定，可见干侵入对暴雨的加强和发展起重要作用。

（3）台风“安比”影响辽宁前期，主要受台风外气流影响，水汽厚度浅薄，但维持时间长，产生的累计雨量较大。后期台风残余云系，在冷空气的作用下，激发出冷暖空气交界处的整层上升运动区，以对流性降水为主。

（4）从雷达回波特征来看，2个阶段的对流云团具有不同特征。25日强降水回波具有列车效应的特征，回波質心较低，强回波基本在0 ℃层高度以下，不存在明显回波悬垂;26日强降水反射率因子及垂直液态水含量更大，强回波扩展到6～7 km，具有回波悬垂的特征，低层存在弱回波区，呈现出类似于雹暴的特征，还伴有8级以上的雷暴大风。

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