台风利奇马(1909)极端强降雨观测特征及成因

何立富 陈 双 郭云谦

(国家气象中心， 北京 100081)

引 言

登陆台风极易引发严重的暴雨洪涝，常导致突发性重大灾害发生。台风登陆后，其结构演变、强降雨分布特征一直是台风研究的热点，也是天气预报业务的难点。国内外学者通过理论研究、数值模拟和诊断分析对登陆台风维持机理的相关研究取得了很多成果[1-7]，如低空急流持久的水汽输送通道、从中纬度获得斜压能量、较好的垂直风切变环境条件以及有利的高层辐散配置均有利于台风在陆地上维持。一般而言，暴雨区多位于台风中心东侧和北侧，且与台风动力场、热力场的不对称结构有关[8-11]；也有少量个例的强降雨区位于台风西侧或西南侧，主要与弱冷空气从台风西侧侵入触发暖区对流有关[12-13]。陶祖钰等[14]对台风远距离暴雨研究指出，登陆台风暴雨，尤其是远距离暴雨发生机制较为复杂，暴雨落区多呈现非对称分布；对华东沿海登陆台风非对称结构的分析[15-17]表明，高层辐散场诱发低层产生切变风场辐合，形成台风倒槽是出现结构非对称的机制之一；而中纬度中高层干冷空气的侵入也可导致登陆台风云系结构改变、西侧水汽截断与空心化[18-22]。李英等[23]、杜惠良等[24]、钮学新等[25]相关研究表明：北上台风远距离暴雨增幅通常与中纬度系统相互作用有关，西风槽携带较强冷平流、正涡度平流以及较强的槽前高空辐散，有利于台风的维持和变性发展，从而影响雨强；低层冷空气侵入台风外围，可促使暖空气抬升，有利于触发强降雨，但冷空气路径不同也会造成登陆台风暴雨空间分布的差异[26-27]。此外，叶成志等[28]、丁治英等[29]研究认为，台风登陆后若长时间与西南季风相联系，将有利于台风环流维持，台风东侧的偏南低空急流是形成远距离暴雨的关键。螺旋雨带的组织传播是台风暴雨预报的难点，其发生发展与台风环流切向基本气流的涡度径向切变引起的涡旋罗斯贝波有关[30-34]。梁旭东等[35]、雷小途[36]对凝结潜热正反馈机制也进行了深入研究，认为对流上升、潜热释放和眼墙维持三者之间的正反馈机制有利于台风登陆后长时间维持和降雨增加；另外，地形作用[37-42]对登陆台风暴雨增幅也有重要贡献。

超强台风利奇马(1909)于2019年8月10日凌晨登陆浙江，具有陆上滞留时间长、风雨强度大、北上影响范围广、暴雨极端性显著、灾害损失严重等特点。受其影响，8月9—12日华东大部以及辽宁南部多地出现大暴雨，局地特大暴雨。极端强降雨诱发严重洪涝和山体滑坡，导致重大人员伤亡与经济财产损失，据不完全统计，超强台风利奇马(1909)共造成1400万人受灾，56人死亡，14人失踪，直接经济损失515亿元。台风灾害风险评估模型统计显示，其风雨综合强度指数为1961年以来最大。超强台风利奇马由于近海快速加强，登陆后在深厚天气系统背景条件下出现快速空心化和非对称结构，发展强盛的本体云墙和螺旋雨带在浙江产生极端强降雨，同时台风尚在浙江北部，便诱发山东地区出现远距离暴雨，且非对称台风云系与西风槽结合出现长时间冷暖对峙等因素导致中央气象台对浙江、山东总雨量预报较实况偏小，强降雨开始时间略有滞后，对暴雨极端性有所低估。尽管针对登陆台风暴雨的研究已有很多成果，但预报业务中仍有不少难点问题需要进行更深入分析。本文利用地面加密观测资料、YF-2G卫星TBB(black body temperature)产品和FY-3D MWHSII 微波湿度计资料、全国雷达拼图、NCEP FNL分析资料(水平分辨率为1°×1°)对超强台风利奇马(1909)强降雨观测特征、热动力结构演变、中低纬度相互作用、水汽输送条件等方面进行诊断，以揭示极端强降雨产生的天气动力学成因，为提高登陆台风暴雨预报能力提供依据。

1 强降雨观测特征

2019年8月10日01:45(北京时，下同)超强台风利奇马(1909)(简称利奇马)在浙江温岭城南镇登陆，登陆时中心风力16级(52 m·s-1，超强台风级)。登陆后，利奇马以偏北路径先后经过浙江、江苏后进入黄海海域，于11日20:50在山东青岛沿海二次登陆(23 m·s-1，热带风暴)。其后穿过山东半岛西部于12日早上进入莱州湾回旋，13日上午减弱为热带低压， 14:00对其停止编号(图1a)。

图1 利奇马台风路径(点线)及日雨量超历史极值站点(圆点)分布(a)和2019年8月8日08:00—14日08:00累积雨量(填色表示雨量超过100 mm)(b)Fig.1 The track of typhoon Lekima(the dot-line) with stations of extreme daily rainfall(the dot)(a)and the accumulated rainfall from 0800 BT 8 Aug to 0800 BT 14 Aug in 2019(the shaded denotes rainfall over 100 mm)(b)

受利奇马影响，8月8日08:00—14日08:00浙江、上海、江苏大部、安徽东部、山东以及辽宁南部等地先后出现大暴雨(图1b)，局部特大暴雨，过程雨量为100～300 mm，其中浙江东部以及山东中部出现极端强降雨，两地过程雨量达350～600 mm，台州括苍山最大为833 mm。浙江极端强降雨区靠近东部沿海，位于浙东山地东侧，呈南北带状分布，小时雨强大，降雨时段集中。山东极端强降雨区主要位于黄河入海口南侧至中部山地北侧和东侧，呈块状分布，其小时雨强较弱但持续时间长。本次过程降雨的极端性体现在两个方面：①两地共有21个县(市)气象站日雨量突破历史极值(图1a)，浙江6个站，山东15个站。最大日雨量分别是浙江括苍山725.1 mm和山东昌乐474.1 mm。 ②就过程雨量而言，浙江和山东全省区域平均雨量分别为165 mm和158 mm，分别为其登陆台风过程雨量历史排名第2位和第1位(山东为其有记录以来过程雨量最大值)。

由小时雨强实况监测(图2)可知，浙江和山东两省短时强降雨(雨强不低于20 mm·h-1)分布与过程雨量大值区有较好对应关系，雨强超过40 mm·h-1的站点分布与极端强降雨区较为吻合，但山东小时雨强明显弱于浙江。浙江地区雨强超过40 mm·h-1的站点大多集中在浙东和西北部山区；雨强超过60 mm·h-1站点集中在浙东括苍山和雁汤山东侧、宁波以及浙西北天目山区，局地雨强超过80 mm·h-1。对山东地区而言，短时强降雨主要分布在山东中部及半岛南侧，小时雨强超过40 mm·h-1的站点数明显少于浙江，且较为稀疏，多分布在鲁中山地附近，位于潍坊、淄博和东营等地。

由代表站点小时雨量实况(图2c、图2d)可知，浙江括苍山(累积雨量833 mm)在台风登陆前后有8个小时雨强超过40 mm·h-1，最大小时雨量为84.4 mm；山东淄川(累积雨量676 mm)雨强明显弱于括苍山，仅有9个小时雨强超过20 mm·h-1，最大小时雨量不足30 mm·h-1，但降雨时间持续约80 h, 是括苍山(降雨持续42 h)降雨时间近2倍。

图2 2019年8月8—14日浙江和山东范围短时强降雨监测实况(a)9日20:00—10日20:00浙江，(b)10日20:00—11日20:00山东，(c)浙江括苍山单站小时雨量，(d)山东淄川单站小时雨量 Fig.2 Monitoring of short-term heavy rainfall in Zhejiang and Shandong from 8 Aug to 14 Aug in 2019(a)Zhejiang area from 2000 BT 9 Aug to 2000 BT 10 Aug in 2019，(b)Shandong area from 2000 BT 10 Aug to 2000 BT 11 Aug in 2019，(c)hourly rainfall at Kuocangshan of Zhejiang,(d)hourly rainfall at Zichuan of Shandong

2 台风利奇马环流背景演变

由500 hPa高度场和850 hPa风场分布(图3)可以看到，利奇马在登陆北上期间，西太平洋副热带高压(简称副高)、中纬度西风槽与台风环流的配置及相互作用，为利奇马深入北上和长时间维持提供了良好的背景条件。同时，台风东北侧极为强盛的东南低空急流源源不断的热量水汽输送，以及华北西风槽引导中层干冷空气不断侵入，为台风结构演变和极端强降雨发生提供了充足的热力和动力条件支持。

2019年8月9日20:00利奇马中心位于浙江东部近海(图3a)，其北侧为高压脊区控制，中纬度西风槽位于内蒙古中部至陕南一带。受500 hPa副高西侧偏南风引导，台风中心将沿NNW方向缓慢逼近浙江南部而后北上。台风中心附近风场结构完整，500 hPa高度场中心与低层风场中心重合。低层850 hPa风场结构显示，台风中心区风速超过40 m·s-1，其北侧东南风十分强盛，低空急流区普遍接近30 m·s-1，有利于来自东部洋面水汽和热量长时间充沛输送。

8月10日20:00台风进入浙苏交界处(图3b)，中纬度西风槽进入华北后加深发展，受副高西侧偏南气流和华北西风槽前偏南气流的共同引导，利奇马北上速度将有所加快。槽后干冷空气不断从西侧侵入，使台风西侧湿度减小而对流减弱；台风高低层环流仍维持垂直正压结构。从低层850 hPa风场结构看，眼区摩擦填塞效应加大，中心区风速不足12 m·s-1，台风强度明显减弱，空心化特征明显；同时台风东北象限与副高之间等高线较为密集，而台风西侧风速明显减弱，导致利奇马非对称结构较为突出，台风北侧东风倒槽向北伸展至山东北部，华东沿海低层风速大值带(20～30 m·s-1)向北推进到山东中东部。

8月11日20:00台风中心进入山东半岛南部沿海(图3c)，华北西风槽断裂，华北槽南段并入台风环流，冷空气开始侵入台风本体。500 hPa高度环流中心较低层风场辐合中心出现向西偏离，表明利奇马高层结构受到破坏；利奇马低层动力结构也出现了明显变化，其北侧低层风速大值区推进到辽东半岛至山东西部，来自渤海的东南急流(20～25 m·s-1)与来自西风槽后的偏北气流在山东中西部交汇，并将台风倒槽向偏西方向推进；至12日14:00利奇马环流与西风槽融合(图略)，处在鞍型场之中，有利于台风在莱州湾区长时间回旋；低层东北和东南两支气流仍在山东西部长时间对峙，冷空气的不断侵入导致利奇马850 hPa低层动力场进一步减弱。

由此可见，在利奇马登陆前后及北上进程中，副高、台风及中纬度西风槽等中低纬系统相互作用为利奇马长时间北上与极端强降雨的发生提供有利的环境条件；而天气系统配置关系、台风热动力结构演变以及冷空气影响，导致浙江和山东在主导系统、降雨性质等方面均有所区别：浙江极端强降雨主要由登陆前外围螺旋雨带及深厚台风本体降雨所致；而山东地区极端强降雨产生主要是台风北上过程中，倒槽远距离暴雨与台风进入山东后冷空气侵入及台风减弱变性形成锋面降雨的叠加效应。

图3 2019年8月9日20:00(a)、10日20:00(b)、11日 20:00(c)500 hPa位势高度(等值线，单位：dagpm)和850 hPa风场(风羽表示风速不低于6 m·s-1，填色表示风速大于20 m·s-1区域，红色粗线为槽线)Fig.3 500 hPa geopotential height(the contour,unit:dagpm) and 850 hPa wind(the barb denotes velocity no less than 6 m·s-1，the shaded denotes the wind speed more than 20 m·s-1，the red think line denotes trough line) at 2000 BT 9 Aug(a)，2000 BT 10 Aug(b)，2000 BT 11 Aug(c) in 2019

3 浙江极端强降雨成因

3.1 利奇马登陆前后结构特征

观测资料显示，浙江极端强降雨(雨量超过350 mm)主要时段发生在利奇马登陆前后6 h内，主降雨区位于浙江东部。利用高分辨率FY-2G卫星TBB产品，可以直观地展示利奇马水平结构。对比逐小时自动气象站实时雨量可以看到，台风深对流区(TBB低于-62℃)水平分布和强降雨落区有很好的对应关系。

图4为2019年8月9日23:00—10日05:00 FY-2G卫星TBB产品(间隔为3 h)及对应的3 h累积雨量。9日23:00在利奇马逐渐逼近浙江近海时，外围螺旋云带开始影响浙江西部。螺旋云带上有带状对流在浙北杭州湾一线强盛发展，显示该地区有较好的潜在不稳定环境条件。台风眼区清晰，双眼墙结构完整，眼墙云区密实，对流发展深厚。外眼墙云顶TBB低于-62℃，内眼墙和内核区TBB为-80～-72℃)。这一阶段，对应3 h强降雨区主要位于浙江东部及沿海。10日02:00，05:00利奇马登陆初期，台风眼区完整，结构对称，台风中心眼墙区深对流发展旺盛，其云顶TBB低于-72℃，显示台风本体经过的浙东东部附近降雨极为强盛。台风北侧对流云系明显强于南侧，外围螺旋雨带向浙江北部和长江口区发展，而台风西南方向对流明显减弱；对应时次3 h雨量显示，随着利奇马登陆后缓慢向北移动，台风本体双眼墙区深对流云系给浙江东部带来稳定的高效率降雨，05:00和08:00的3 h雨量均持续超过50 mm, 局部超过100 mm。

图4 2019年8月9日23:00—10日05:00 FY-2G卫星TBB(TBB低于-52℃)演变及对应的3 h累积雨量Fig.4 The evolution of FY-2G TBB(below -52℃) with 3 h accumulated rainfall from 2300 BT 9 Aug to 0500 BT 10 Aug in 2019

3.2 浙江极端强降雨水汽输送特征

由850 hPa水汽通量分布(图略)可知，利奇马登陆浙江前后，850 hPa主要水汽输送来自台湾以东洋面和东海。在东海附近存在风速大于30 m·s-1的急流区，强盛的东南风水汽输送在浙江和长江入海口区域持续维持，为浙江强降雨提供了充沛的水汽条件，也有利于利奇马登陆后长时间维持。8月9日20:00台风前进方向水汽输送呈明显增强趋势，水汽通量超过380 g·kg-1·m·s-1大值区主要集中在东海至浙江中东部和长江三角洲地区，由于浙东丘陵地形的抬升作用有利于水汽辐合，导致浙江东部出现强降雨；10日02:00随着利奇马登陆温州，水汽输送通量大值区仍维持在台风本体和东北侧的东海附近。登陆北上后，台风南侧的水汽输送明显减小，而水汽输送通量大值区缓慢向北推进至江苏中部。

从水汽通量散度垂直变化看，利奇马登陆前后6 h内，浙江东部极端强降雨区的水汽通量辐合十分强盛，由于强降雨水汽贡献主要来源于低层水汽辐合，因此，重点关注对流层中低层。登陆前的8月9日20:00(图5a)，台风中心及前进方向500 hPa以下水汽通量辐合均强于-9×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1，距离台风中心左侧100～200 km的浙江东部强降雨区上空出现了极强的水汽通量辐合中心，超过-4.2×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1的强水汽通量辐合主要位于850 hPa以下的边界层内，极值中心达-5.1×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1。登陆时的10日02:00(图5b)，水汽辐合中心位于台风中心附近的浙东沿海地区，强于-1.0×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1水汽辐合区主要出现在700 hPa以下，边界层辐合极值中心为-4.2×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1。至10日08:00(图5c)，浙江东部极端强降雨区上空强于-1.0×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1水汽辐合高度明显下降，主要集中在800 hPa以下；边界层辐合中心强度略有下降，极值中心为-3.9×10-5g·hPa-1·cm-2·s-1。

图5 2019年8月9日20:00(a)、10日02:00(b)、10日08:00(c)水汽通量散度(等值线，单位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)沿台风中心的纬向-垂直剖面(其中黑色三角为对应时刻台风中心位置，黑粗线为极端强降雨区位置)Fig.5 Cross-section of the moisture flux divergence(the contour,unit:10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1) along the typhoon center at 2000 BT 9 Aug(a),0200 BT 10 Aug(b),0800 BT 10 Aug(c) in 2019(the black triangle denotes the typhoon center，the black thick line denotes the location of extremely strong rainfall)

3.3 浙江极端强降雨动力条件

从沿台风中心涡度和散度场的经向垂直分布看，8月9日20:00登陆前 (图6a)，台风中心区的上空为伸展到200 hPa高度之上的庞大正涡度柱，台风中心最大正涡度柱大于+6×10-4s-1，显示利奇马超强台风垂直正压结构；台风散度场的垂直分布与台风正涡柱的对称分布有所偏离，中低层辐合区主要分布在台风中心及西侧约300 km范围，最强辐合中心区与浙江东部极端强降雨区极为吻合，边界层最大辐合中心值达-2.25×10-4s-1；10日02:00台风中心区上空仍维持庞大正涡度柱(图6b)，但深厚强辐合区偏于台风中心东侧约60～80 km，极端强降雨区西侧辐合强度减弱，显示台风登陆后受地形摩擦耗散影响，其前进方向辐合抬升作用出现减弱，但台风中心右侧强烈辐合上升区将逼近和持续影响浙江东部。10日08:00台风中心区上空正涡度柱强度减弱(图6c)，特别是台风西侧边界层涡度明显减弱，显示台风结构的对称性受到破坏；尽管辐合区高度明显降低，但极端强降雨区附近仍维持强烈的辐合抬升动力条件，辐合中心值仍保持在-2.25×10-4s-1。

从浙江东部水平散度分布(图略)看，低层辐合主要发生在850 hPa以下的边界层内，低层辐合主要出现在8月9日14:00后，辐合中心强度维持在-1.5×10-4～-5×10-5s-1，且与台风高层强辐散配置关系良好，二级环流的抽吸作用使垂直上升运动加强。 利奇马登陆前后，台风西侧和北侧是明显的辐合上升运动区，极端强降雨落区与浙江东部山地地形关系密切，由10日05:00地面加密风场与地形配置(图7a)可知，浙东山地地形海拔高度多在400～700 m，超过350 mm的强降雨区基本位于地形迎风坡一侧或喇叭口，其对应地面风场上存在3支气流明显的风向切变与偏东气流的风速辐合，偏东暖湿气流在地形迎风坡受到强迫抬升。可见，除台风系统本体降雨外，浙江东部山地地形对极端强降雨的产生也有一定增幅作用。

浙江东部极端强降雨区上空平均垂直速度随时间变化(图7b)显示，强降雨区平均垂直速度十分强劲，上升运动直达对流层顶，最大上升速度超过-3×10-2Pa·s-1，强烈上升运动主要发生在8月9日14:00—10日08:00。登陆初期，对应时段强烈的低层辐合和高层辐散、穿透对流层顶的强劲上升运动，表明台风本体发展强盛的对流云墙整体热力和动力条件十分理想，高效率的热带深对流系统降雨效率高，雨强大。登陆前螺旋雨带长时间影响，加上登陆后台风本体发展旺盛的深对流系统强降雨，为浙江东部带来极端强降雨。

图6 2019年8月9日20:00(a)、10日02:00(b)、10日08:00(c)沿台风中心涡度(填色)和散度(等值线，单位：10-5 s-1)剖面(黑色三角为对应时刻台风中心位置，黑粗线为极端强降雨区位置)Fig.6 Cross-section of vorticity(the shaded) and divergence velocity(the contour,unit：10-5 s-1) along the typhoon center at 2000 BT 9 Aug(a),0200 BT 10 Aug(b),0800 BT Aug(c) in 2019(the black triangle denotes the typhoon center,the black thick line denotes the location of extremely strong rainfall)

图7 2019年8月10日05:00风场(风矢)和地形(填色)(红色箭头表示气流，红色虚线表示辐合线)(a)及 9—12 日浙江东部极端强降雨区(图7a中蓝色方框区域)平均垂直运动(填色)时间剖面图(b)Fig.7 The wind field(the vector) at 0500 BT 10 Aug 2019 with terrain(the shaded)(the red vector denotes airflow,the red dashed line denotes convergence)(a) and cross-section of average vertical velocity(the shaded) in the east of Zhejiang(the blue box area showed in Fig.7a)(b)

4 山东极端强降雨成因

从影响系统和降雨实况演变看，山东强降雨可分为两个阶段：远距离暴雨和稳定性降雨阶段。远距离暴雨发生在台风北上过程中(2019年8月10日20:00—11日20:00)，利奇马进入江苏后，台风本体出现明显空心化，北侧非对称结构加强，强降雨集中在台风北侧，东风倒槽顶端直达山东，倒槽降雨以及螺旋雨带的不断汇入，导致山东中部强降雨持续；稳定性降雨阶段发生在台风抵达山东境内并在莱州湾回旋变性阶段(11日夜间至12日)，受中纬度西风槽并入台风环流影响，冷暖空气在台风西侧长时间对峙，在山东中西部形成第2阶段稳定性降雨。山东中部地区日雨量的极端性主要由远距离暴雨产生，而山东过程雨量的极端性则来自两个降雨阶段的共同影响。

4.1 台风倒槽远距离暴雨

4.1.1 非对称风场结构的水汽输送

在利奇马抵达浙江和江苏交界处，台风东北侧第1象限低层850 hPa强盛东南风急流(25～30 m·s-1)长时间维持(图8)，非对称低空风场结构为山东中部产生极端强降雨提供了充沛的水汽条件。可以看到，利奇马在江苏南部北上过程中(图8a、图8b)，利奇马台风倒槽向北伸展至山东北部和渤海，准南北向的台风倒槽稳定维持在山东中部强降雨区一带，来自东海和黄海强盛的水汽输送不断向台风倒槽强降雨区推送。大于380 g·kg-1·m·s-1的大值区出现在台风北侧和东侧，而台风西侧和南侧的水汽通量较小，同时，利奇马台风中心区水汽输送通量明显减小，表明其空心化程度进一步加剧。

从925 hPa风场和水汽通量散度水平分布(图8c、图8d)看，925 hPa风场切变和水汽辐合区与台风远暴雨落区有较好的对应关系。随着台风在江苏境内北上，台风边界层风场同样呈现出明显不对称，台风东侧洋面和沿海边界层东南风急流风速达20～25 m·s-1，利奇马北侧东风倒槽顶端直达山东北部，且稳定位于山东中部极端强降雨区附近，台风中心距离倒槽顶端接近600～800 km,强水汽通量辐合区(-3×10-6～-1×10-6g·hPa-1·cm-2·s-1)稳定位于倒槽附近和其东侧东南风风速辐合处，显示山东远距离暴雨在台风进入江苏时已经开始，且随着利奇马北上，位于倒槽附近和东侧的水汽通量辐合中心区持续维持山东中部一带。雷达资料(图略)显示，2019年8月10日14:00—11日08:00为山东地区远距离暴雨最主要时段，台风北侧倒槽、来自黄海的强盛东南风暖湿气流与台风西侧东北风干冷气流交汇，锋生作用导致远距离对流回波带在山东中部一带维持，其南侧多条螺旋雨带也不断向偏北方向移动和汇入。

4.1.2 山东远距离暴雨热动力条件

沿台风中心涡度和散度场垂直分布显示，随着利奇马北上进入江苏境内，此时台风强度从登陆时的超强台风大幅减弱为热带风暴强度。对应台风系统的庞大正涡度柱已明显减弱，伸展高度开始降到200 hPa以下，台风中心最大正涡度柱强度从6×10-4s-1降到2×10-4s-1；台风水平散度场的分布出现明显非对称结构。大范围低层辐合区位于北风中心北侧，从台风中心附近一直伸展38°N附近，显示台风北侧倒槽向北发展至600 km以外的山东北部。8月11日02:00台风中心区上空垂直正涡度柱强度显著减弱(图9a)，但正涡柱位置较台风中心向北偏离，这可能是台风非对称结构发展所致。此时台风中心北部低层辐合显著加强，台风北部基本均处于上升运动区，特别是位于35.4～37.3°N的山东极端降雨区低层辐合强度继续发展，位于最大辐合中心(-1.25×10-4s-1)，表明位于台风倒槽顶端距离台风中心约600 km的山东中部地区远距离暴雨极为有利的动力条件；至11日08:00台风中心区上空正涡度柱强度进一步减弱(图9b)，处在300 hPa 以下且略向北倾斜。台风北侧低层辐合区继续向北推进到辽东半岛38°N附近，位于山东中部一带的极端降雨区仍处在低层辐合上升区大值中心，但辐合强度有所下降，最大辐合中心为-2.5×10-5s-1。

沿台风中心假相当位温和垂直速度场的垂直分布显示， 8月11日02:00暖心结构偏于台风中心区北侧超过100 km(图9c)，与台风中心正涡度柱对应的强烈上升运动明显偏离，位于台风北侧120 km处并直抵300 hPa对流层高层，表明利奇马的不对称结构加剧，且台风北侧上升运动向北推进，山东中部强降雨区上空为纬向上升运动，最大纬向速度为-2.0×10-2Pa·s-1； 08:00随着台风正涡度柱明显减弱(图9d)，台风中心附近低层假相当位温暖心结构趋于破坏，对应的上升运动明显减弱。此时台风北侧远距离暴雨区(35.5°～37.5°N)仍然维持纬向上升运动，随着利奇马北行，强上升运动区向北扩展至38°N附近，上升速度也明显增大，显示利奇马造成的远距离强降雨也同步加强。

由FY-3D 卫星MWHSII微波湿度计183 GHz通道不同高度云图(图略)可知，8月11日00:29水平方向上利奇马水汽分布非对称结构显著。利奇马空心化明显，台风中心和南部区域水汽干区，台风高水汽对流云系主要位于台风东侧和北侧，3条外围螺旋雨带较为清晰旺盛，而台风南侧云系特征不明显；垂直方向上台风正压结构在低层立体感较好，远距离螺旋云带特征低层云水含量丰沛，高湿度区更为清晰，对流层中上层利奇马层状云系覆盖则更为明显；至11日12:19高空槽锋面云系进入山东中西部并侵入台风内部，台风中心区云系消散，眼区特征不明显。同时，随着利奇马进入山东境内，其北侧高湿区螺旋云带也在北上过程中逐渐并入利奇马西北侧层状云系中。

图8 2019年8月11日风场及水汽输送(a)02：00 850 hPa风场(风矢，不低于20 m·s-1)和水汽输送通量(填色，单位：g·kg-1·m·s-1)，(b)08：00 850 hPa风场(风矢，不低于20 m·s-1)和水汽输送通量(填色，单位：g·kg-1·m·s-1)，(c)02：00 925 hPa风场(风羽，不低于12 m·s-1)和水汽输送通量散度(填色，单位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)，(d)08：00 925 hPa风场(风羽，不低于12 m·s-1)和水汽输送通量散度(填色，单位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)Fig.8 Wind field and water vapor transfer on 11 Aug 2019 (a)850 hPa wind(the arrow,no less that 20 m·s-1) and moisture flux(the shaded，unit：g·kg-1·m·s-1) at 0200 BT,(b)850 hPa wind(the arrow,no less that 20 m·s-1) and moisture flux(the shaded，unit：g·kg-1·m·s-1) at 0800 BT,(c)925 hPa wind(the barb,no less than 12 m·s-1) and moisture flux divergence(the shaded,unit:10-7 g·kg-1·m·s-1) at 0200 BT,(d)925 hPa wind(the barb,no less than 12 m·s-1) and moisture flux divergence(the shaded,unit:10-7 g·kg-1·m·s-1) at 0800 BT

图9 2019年8月11日02:00(a)、08:00(b)沿台风中心涡度(填色)和散度(等值线，单位：10-5 s-1)的经向垂直剖面及11日02:00(c)、08:00(d)沿台风中心假相当位温(红色等值线，单位：K)和经向环流(风矢为经向风和垂直速度(扩大100倍)合成，黑色等值线为不超过-0.5×10-2 Pa·s-1的上升运动区)经向垂直剖面(黑色三角为对应时刻台风中心位置，黑粗线为极端强降雨区位置)Fig.9 Cross-section of positive vorticity(the shaded) and divergence(the contour，unit:10-5 s-1) along the typhoon center at 0200 BT(a) and 0800 BT(b) on 11 Aug 2019 with cross-section of θse(the red contour,unit:K) and meridional vertical velocity(the vector is the combination of meridional wind and vertical movement(multiplied by 100),the black contour denotes the area upward movement no more than -0.5×10-2 Pa·s-1) along the typhoon center at 0200 BT(c) and 0800 BT(d)on 11 Aug 2019(the black triangle denotes the location of typhoon center,the black thick line denotes the location of extremely strong rainfall)

4.1.3 山地远距离暴雨回波特征

山东极端强降雨过程实况显示，山东远距离降雨发生在利奇马台风出现空心化之后，台风北侧东风倒槽向北大幅伸展。随着利奇马进入江苏北上，台风倒槽顶端直达山东北部，对流系统多发生在东风倒槽东侧东南气流暖区一侧，该区域具有一定的不稳定能量和抬升条件。雷达回波显示，山东极端强降雨的产生不但与东风倒槽北段降雨回波直接相关，还与台风北上过程中3条螺旋云带的先后并入有关，而山东中部山地地形也与北上台风气流匹配保持一致，有利于迎风坡的列车效应。8月10日21:00山东中部倒槽回波带发展加强(图10a)，其北段与位于东北地区的西风槽回波相连，倒槽回波带呈东北—西南向，组合反射率因子为35～50 dBZ。同时台风北侧存在3条较为完整的螺旋对流云带回波，分别位于山东南部(A3处)、江苏北部(A2处)和江苏南部(A3处)。地面风场(图略)显示，这3条回波主要由来自东海和黄海东南气流与东北气流动力辐合触发，并随台风北上向北偏西方向持续移动和传播；11日01:00倒槽回波带在山东中部维持稳定少动(图10b)，且强度略有加强，与东风倒槽区有利的动力条件与低层水汽辐合区对应；随着台风北上，螺旋雨带A3处已经完全并入倒槽回波区，而螺旋雨带A2也从苏北北推到山东南部至半岛东南沿海一带，A2处和A3处南侧东南气流暖区一侧不断有新生的强对流单体向螺旋状对流回波带内汇入；11日05:00位于山东中部的回波系统位置稳定(图10c)，其南侧螺旋状对流回波带A2处也开始往山东中部倒槽回波区汇入，导致山东中部倒槽区回波加强。A2处南侧和进入渤海东侧不断形成的对流单体，在逆时针方向切向移动和传播过程中，在地形迎风坡形成列车效应，导致山东中部持续性台风倒槽强降雨发生。从11日02：00地面加密风场和精细地形配置(图11)看，利奇马北上过程中，伴随多条螺旋回波带的向北推进和不断向倒槽区的汇入，来自黄海北部的强盛东南风和来自渤海南部的东北气流在山东中部山地地形区辐合，其地形高度一般为300～600 m，风向与风速的辐合主要发生在山地北侧和东南侧地形迎风坡处，与极端强降雨区十分吻合，地形条件有利于螺旋回波带南侧和东北侧暖湿区不断新生的新生单体产生列车效应，从而有利于降雨持续增幅。

图10 2019年8月10日21:00(a)、11日01:00(b)、11日05:00(c)雷达组合反射率因子(填色)(黑色圆点为台风中心位置)Fig.10 Combined reflectivity factors(the shaded) at 2100 BT 10 Aug(a),0100 BT 11 Aug(b) and 0500 BT 11 Aug(c) in 2019(the black dot denotes the typhoon center)

图11 2019年8月11日02:00地面风场(风矢)和地形(填色)Fig.11 The surface wind(the vector) at 0200 BT 11 Aug 2019 with terrain(the shaded)

4.2 冷空气侵入阶段分析

随着利奇马二次登陆山东半岛并北上进入渤海莱州湾，华北西风槽底部已逐渐融入台风涡旋环流之中。从涡度和垂直上升速度经向垂直分布(图略) 看，台风中心上空正涡柱强度明显减弱，伸展高度不足500 hPa高度。在台风穿过半岛并进入莱州湾时，利奇马上空正涡柱出现倾斜，显示台风开始出现斜压变性过程，逐渐趋于减弱消亡。而上升运动区位于台风正涡柱附近西侧，稳定维持在118°E附近的山东中部地区。

沿台风中心假相当位温和纬向风垂直速度的垂直分布显示，8月11日20:00(图12a)，500 hPa高度以下利奇马仍维持弱暖心结构，且偏离台风中心东侧约80 km；台风西侧对流层中低层假相当位温的垂直分布清晰显示，由于500 hPa西风槽引导冷空气从低层不断侵入台风内部，台风西侧偏北气流与来自黄渤海的低层偏东气流在山东中西部交汇，两股不同性质的干冷气团和暖湿气流长时间对峙，锋生作用导致在118°E附近区域形成假相当位温高梯度带，且假相当位温锋区随高度有明显西倾结构；对应的纬向垂直速度也显示，上升气流沿锋区爬升，最大纬向垂直速度仅为-1×10-2Pa·s-1；12日02:00(图12b)、12日08:00 (图12c) ,利奇马在进入山东半岛至莱州湾期间，台风假相当位温暖心结构消亡。随着利奇马向西北方向移动，台风中心西侧假相当位温密集带稳定维持，随着低层冷空气不断向台风中心侵入，假相当位温锋区有所加强并缓慢逼近119°E，在山东中部地区稳定少动，锋区上持续维持弱的倾斜上升运动。实况显示，在此期间，来自黄渤海暖湿气流沿冷垫爬升导致山东中西部出现第2阶段稳定性降雨，其长时间持续对山东强降雨区过程雨量的极端性也有一定贡献。

图12 2019年8月11日20:00(a)、12日02:00(b)、12日08:00(c)沿台风中心假相当位温(红色等值线，单位：K)和纬向垂直环流(风矢为纬向风与垂直速度(扩大100倍)的合成，黑色等值线为不超过-0.2×10-2 Pa·s-1的上升运动区)纬向垂直剖面(棕色虚线为假相当位温锋区，蓝色箭头表示干冷侵入)Fig.12 Cross-section of θse(the red contour,unit:K) and zonal vertical velocity(the vector is the combination of zonal wind and vertical movement(multiplied by 100),the black contour denotes the upward movement no more than -0.2×10-2 Pa·s-1)) along the typhoon center at 2000 BT 11 Aug(a),0200 BT 12 Aug(b),0800 BT 12 Aug(c) in 2019(the brown dotted line denotes θse front area,the blue arrow denotes dry cold invasion)

5 结 论

研究表明：

1) 台风利奇马(1909)降雨过程影响范围广，华东多省先后出现大暴雨，浙江和山东降雨极端性强，极端强降雨区(过程雨量超过350 mm)主要位于浙江东部和山东中部，两省全省平均雨量位列过程雨量历史前两位，极值中心分别为833 mm和612 mm，并有21个站突破日雨量历史极值。浙江极端强降雨主要由发展强盛的台风本体产生，雨强大且时段集中；山东强降雨的极端性则是来自于台风倒槽远距离暴雨和长时间维持的锋面性质降雨形成的叠加效应，其雨强较弱但持续时间超出浙江近1倍。

2) 利奇马登陆北上期间，副高、台风及中纬度西风槽等系统相互作用以及台风东北侧极为强盛的东南风低空急流(风速超过30 m·s-1)，为利奇马长时间维持和极端强降雨的发生提供了有利的环境条件；而天气系统配置关系、台风热动力结构演变以及冷空气影响，导致浙江和山东极端强降雨在天气动力学成因方面有明显差异。

3) 利奇马强度超过6×10-4s-1正涡柱垂直结构和直达对流层顶的强烈上升运动，以及台风东侧充沛的东南急流(风速超过30 m·s-1)水汽输送和散度场的高低层配置等热动力条件，加上结构密实的眼区云墙(TBB低于-72℃)以及发展强盛的深对流系统降雨属性(雨强为60～80 mm·h-1)，导致极端强降雨出现在浙江东部。

4) 山东远距离暴雨与台风北上过程中非对称结构演变密切相关。利奇马抵达浙北开始，非对称风场结构导致东风倒槽顶端一直伸展至山东，边界层强盛东南风急流水汽输送以及与偏东气流辐合抬升，引发距离利奇马600 km外的山东地区出现暴雨；台风北侧稳定维持的东风倒槽对流回波区在山东中部一带稳定维持，其南侧3条主螺旋雨带不断逆时针方向北上和汇入，在山东中部地形迎风坡形成列车效应导致山东中部极端强降雨的发生。

5) 随着利奇马进入山东半岛，台风涡旋暖心结构逐渐消亡。500 hPa干冷空气从低层侵入台风环流内部，西风槽冷锋云系开始并入台风西侧云系之中，冷暖空气交汇在山东中西部地区形成一条稳定的假相当位温高梯度区，锋区随高度明显西倾，来自黄渤海暖湿气流沿冷垫爬升导致山东中西部出现第2阶段稳定性降雨，其长时间持续对山东过程雨量的极端性有一定贡献。