1822号台风“山竹”引起浙江东北部大暴雨成因分析

方艳莹，钱燕珍，申华羽，吕劲文，薛国强

（1. 宁波市气象服务中心，浙江宁波315012；2. 宁波市气象灾害应急预警中心，浙江宁波315012；3. 宁波市气象台，浙江宁波315012）

1 引言

台风是造成浙江地区暴雨灾害的重要天气系统。台风源自海洋，是复杂海气相互作用的产物[1]。按台风中心和暴雨落区的相对位置，台风暴雨可分为台风本体暴雨和台风远距离暴雨[2-3]。台风远距离暴雨具有降雨量大、突发性强和降水时段集中等特点[4]，在实际预报服务中难度很大。近几十年来，台风远距离暴雨研究取得不少新成果，一些研究表明，台风远距离暴雨常与西风槽以及北方冷空气南下等有关[5-6]。在有利的大尺度环流背景下，中小尺度系统活动尤其是中尺度对流云团在台风倒槽内发展是造成远距离暴雨的一个重要原因[7]。刘文婷[8]通过研究1410号台风“麦德姆“，指出在对流不稳定以及弱的条件对称不稳定环境下，对流单体可能会沿着辐合线爆发造成暴雨；由于秋季冷空气逐渐开始活跃，高安宁等[9]认为秋台风在暖湿气流和入侵的冷空气影响下形成辐合，导致温湿度梯度增大，促进了中尺度对流的发生和发展，对暴雨起到增强作用；黄莉等[10]认为秋季适当冷空气的入侵对台风暴雨有明显的增幅作用。另外，蒋尚城等[11-12]认为，台风东侧低空急流在中低纬度系统相互作用引发的暴雨中起重要作用；当台风外围出现东南急流，同时地面有波动发展时，应警惕暴雨的发生[13-14]。当然水汽输送对台风暴雨也很重要，源源不断的水汽输送有利于台风环流的维持及雨带中对流活动的加强，从而促进暴雨的发展[15-17]。以上工作从不同角度给出了远距离台风暴雨，特别是秋季远距离台风暴雨的形成原因及相关分析方法。

1949—2017年登陆我国广东的秋台风（9—11月）共有70 个，平均每年1 个左右。期间引起浙江东北部较大范围出现50 mm 以上降雨量的共有10 个台风，占秋季登陆广东台风的14%，相当于每20 a出现3个，属于小概率事件。其中有7个造成了区域性大暴雨，包括最近10 a出现的3个，表明与此类台风相关的浙江大暴雨事件有增多趋势。由于此类过程累积雨量往往较大，再加上当时已进入汛期尾声，当地水库蓄水比较丰沛，防汛压力大，对雨量预报要求高，所以预报服务的难度非常高。

本文利用自动站常规资料、卫星云图以及美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NECP）的1°×1°再分析资料等，对1822号南海台风“山竹”登陆广东减弱期间浙江东北部出现大暴雨的成因进行诊断分析，以期了解此次大暴雨过程的触发机制和物理过程，并对以后类似暴雨过程的预报有所帮助和启发。

2 “山竹”概况和浙江雨情

2.1 “山竹”概况

2018 年第22 号 台 风“山竹”于9 月16 日17 时（北京时，下同）前后以强台风在广东省江门市台山沿海登陆，登陆时中心附近最大风力14级（45 m/s），登陆后往西北偏西方向移动，强度逐渐减弱，17 日20 时停止编报。“山竹”是当年登陆我国的最强台风，具有范围大、强度强和台风倒槽明显等特征。

2.2 雨情

浙江东北部部分地区于16 日下午开始出现阵雨，17 日下午雨渐止，强降水集中时段出现在16 日夜里—17日中午前后。16日16时—17日16时浙江东北部普遍出现了暴雨（见图1a），其中嘉兴和宁波普降大暴雨。嘉兴面雨量122.2 mm，最大为海宁223.9 mm，雨量超过200 mm 有3 个站，超过100 mm有74个站；宁波面雨量113.9 mm，最大为象山麦地山294.6 mm，雨量超过250 mm 有2 个站，超过200 mm有16 个站，超过100 mm 有193 个站。本次过程有降水集中、雨强强和雨量大等特点。

小时雨量分布图表明16 日23 时起海宁站降水开始增强（见图1b），一直到17 日04 时前后雨势减弱，小时雨强在20 mm 以上的强降雨持续了4 个多小时，其中17 日01—02 时小时雨强达94.2 mm。强对流云团东南移后，17 日白天宁波中北部普遍出现1 h 雨强超过20 mm 的短时强降水，象山麦地山站10—13时3 h累计降水279.8 mm（见图1c）。可见雨强特别强。

图1 2018年9月16日16时—9月17日16时浙江省雨情与地区雨量分布

2.3 降水性质分析

本次强降水过程伴有雷电（见图2a）。9月16日16 时—17 日16 时，嘉兴共发生雷电1 372 次，其中正地闪116 次，负地闪1 256 次，闪电主要发生在17日00—03 时，3 h 共发生闪电872 次；宁波共发生雷电6 733 次，其中正地闪1 213 次，负地闪5 520 次，从17 日02 时起开始增多，13 时以后明显减少，其中17日09—13时，4 h共发生闪电4 379次。强雷电的发生区域、集中活动期和强降水出现的时间以及落区基本一致，表明此次强降水过程和对流系统的活动相关性较大。

9月17日02时海宁站1 h雨强达94.2 mm，12时象山麦地山站1 h 雨强达180.8 mm。分别对海宁站17 日02 时（见图2b）及象山麦地山站17 日12 时（见图2c）0.5°仰角雷达回波作垂直剖面，由图可见，海宁站附近最强回波达52 dBz，象山麦地山站附近最强回波达60 dBz 以上，两者的回波顶高均超过0 ℃线甚至超过了-20 ℃线，达到了强对流的回波高度，两个站强回波的出现时间也和闪电频数的时间分布相对应，进一步表明本次过程是对流性质的降水。

3 暴雨成因分析

浙江东北部的暴雨出现在距离1822 号台风“山竹”1 500 km 以外的地方，那么这个暴雨是否与台风活动有关？我们先从相对直观的云图进行分析。

3.1 对流云团

图2 强降水时段内降水性质分析

从风云2E 卫星红外1 通道的黑体亮度温度（Black Body Temperature，TBB）可见（见图3），“山竹”范围大，南北长约14 个纬距，东西宽约12 个经距。16 日下午起宁波西南侧“山竹”倒槽东北部有分散性对流云团产生（图略），16日20时浙江北部有一明显强对流云团（见图3a），最强云顶亮温达到-70 ℃以下，随后强对流云团缓慢南压；17 日02 时强对流云团位于嘉兴南部、杭州湾地区以及宁波东北部（见图3b）；17 日08 时强对流云团位于宁波、舟山及其以东海面上（见图3c），强度略有减弱，最强云顶亮温在-60 ℃以下，宁波慈溪、镇海、北仑等地在08 时前后均出现了1 h 超过30 mm 的短时强降水，镇海站小时雨强超过10 mm 的时间达5 h；17 日14时强对流云团主体已南压至台州附近（见图3d），该对流云团最强云顶亮温达到了-70 ℃，台州北侧的宁海和象山在10—13时受该强对流云团影响，出现了强降水和强雷电，象山站2 h 最大雨强达到了175.4 mm；17 日16 时之后，浙江东北部强降水过程基本结束。云图分析可见，对流云团先是在“山竹” 外围东北侧生成，随着“山竹”的西移，对流云团逐渐脱离台风外围云系，并向东南方向移动，先加强后减弱。

从以上分析可见对流云团的发生与“山竹”外围云系有一定的关联，随着“山竹”的西移，其他系统又造成了云团进一步发展和往东南方向移动，那么影响系统具体有哪些呢？

3.2 影响系统

3.2.1 副高

李春虎等[18]研究认为西行台风和副热带高压（以下简称“副高”）的相互作用会使副高的中心位置西伸，强度增强。9 月13 日起我国中东部大部分地区都受副高控制，16 日08 时500 hPa（图略）副高呈块状，脊线在30°N 附近，最西伸至108°E 附近，一直到17日（见图4），浙江东北部都处于副高控制下。持续副高控制下，浙江东北部以晴热天气为主，气温较高，能量积聚明显。

3.2.2 台风倒槽

从地面图上分析，“山竹”北侧有台风倒槽发展，特别是东北侧倒槽发展旺盛，9 月16 日14 时倒槽北伸至江苏南部（图略），浙江东北部位于倒槽东北侧，有明显的东南急流输送和风向辐合。从台风倒槽的位置分析，暴雨区位于倒槽东北侧，与台风有一定的关联。随着“山竹”登陆并西移，17日倒槽减弱。

3.2.3 冷空气

9月16日河套以东有高空槽东移，16日20时浙江东北部500 hPa 以西南风为主（见图4a），17 日08时（见图4b），浙江东北部500 hPa 转为西偏北风向，江苏大多为西北风向，说明有弱冷空气渗透。700 hPa 环流形势（图略）和500 hPa 相似。850 hPa 上，17日08时浙江与江苏交界处有东西向的弱辐合带，是西北风和西偏南风的辐合，浙江东北部的强降水区域正好位于该辐合线的南侧。地面上16 日夜里弱冷空气扩散南下，地面辐合生成并发展，本次强降水过程也与该系统的触发有关。

分析实况地面流场图，16日20时嘉兴海宁附近有一偏西气流和东南气流形成的辐合中心（见图5a）。随着弱冷空气的渗透，23 时该处有偏北气流和东南气流的辐合（见图5b），17 日05 时在宁波的镇海和北仑附近出现了偏北气流和偏南气流形成的辐合中心（见图5c），08 时辐合中心南压至象山港附近，且辐合有所加强，12 时以后影响浙江东北部的中尺度辐合明显减弱。地面辐合的发展减弱比雨势的增大和减小提前了1～3 h左右。

由影响系统分析可见，在前期副高控制的浙江东北部，连续晴热积聚了能量；“山竹”倒槽东北侧的对流云团在沿海高湿高能区域有所发展；弱冷空气的侵入使得低层辐合加强，造成了对流云团的进一步发展，强降水是由这些系统先后影响共同造成的。

4 物理量诊断

4.1 稳定度和能量条件

4.1.1 探空物理量

图4 不同时刻形势场图（红色虚线：500 hPa温度场，单位:℃；紫色实线：500 hPa高度场，单位：dagpm；棕色实线：图a为500 hPa槽线、图b为850 hPa切变线；风向杆：500 hPa风场）

图5 不同时刻地面流场图

表1 2018年9月16日08时—9月17日08时探空物理量

对流云团的发生、发展还可以从本次降水过程的环境物理量特征中得到印证（见表1）。9 月16 日08 时—9 月17 日08 时嘉兴和宁波抬升指数（Lifted Index，LI）在-3～-4 ℃，有较明显的条件性不稳定度；而K指数普遍在32 ℃以上，尤其是16日20时和17 日08 时均在35 ℃以上，超过了本地强对流发生发展的阈值，表明降水过程中大气层结有明显的不稳定性。16 日08 时嘉兴和宁波的对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）值均在1 500 J/kg 左右，16 日20 时嘉兴增至1 809 J/kg，宁波增至1 687 J/kg，表明16 日白天CAPE 积聚，为对流性天气的发生、发展提供了有利条件，该指标对暴雨的预报有12 h左右的提前量。

4.1.2 假相当位温θse分布

“山竹”登陆前，江南大部地区由副高控制，气温较高，能量得以积聚。从925 hPa 上假相当位温（θse）的水平分布来看，16日14时江苏到苏浙交界处有θse密集带（见图6a），基本呈东北-西南向分布，在密集带西北侧θse较低，有干冷空气；在其东南侧θse较高，有暖湿气流，θse密集带的存在表示有弱的干冷空气向台风倒槽侵入；同时，θse密集带也代表了能量锋的形成，由于能量锋有利于对流系统的发生、发展，因此沿着θse密集带有出现强降水的可能[19]。浙江东北部此时位于该θse密集带前方高值区中心，这阶段有不稳定能量积聚，之后该θse密集带逐渐往南移，促使浙江东北部低层的暖湿空气抬升，导致降水过程增强；浙江东北部地区一直到17日02 时θse都普遍在350 K 以上，能量较高，此后，θse逐渐减小，925 hPa 上θse的增大和减小，比雨势的增大和减小提前了12h左右。

沿121°E，做28°～35°N 之间的θse垂直剖面图。由图6b 可见，16 日14 时850 hPa 以下的长江以南地区有明显的θse密集带，浙江东北部高温、高湿，淮河流域有干冷空气向南推进，促进了对流的生成和发展，并引起强降水；20 时（图略）该θse密集带有所减弱，17日02时（图略）θse密集带南移并继续减弱。垂直剖面上θse密集带的强弱变化比雨势增减提前了12 h左右。

4.1.3 湿位涡分析

大暴雨的发生、发展常伴有气旋性垂直涡度的迅速增大[20]，因此研究气旋性垂直涡度的变化可以更好地了解暴雨成因。不考虑ω 的水平变化，湿位涡（Moist Potential Vorticity，MPV）在P 坐标系中的表达式为[21]：

式中：ζ 为绝对涡度矢量；f 为科氏参数；θe为相当位温。第一项（MPV1）包含了惯性稳定性( ζ + f )

图6 2018年9月16日14时θse分布（单位：K）

沿着121°E 做湿位涡垂直剖面，在台风“山竹” 登陆之前，600 hPa 以下24°～33°N 的我国东南沿海MPV1 均为负值，登陆前后大的负值中心在26°N 附近，最小值可达-1.0 PVU（图略），随后MPV1负值中心向北移动，强度略有减弱。17 日02 时30°N 附近中低层MPV1 有弱的负值（见图7a），表明有对流不稳定能量，若有低层辐合，将促进上升运动的发展，在台风环流水汽输送的配合下，有利于对流性降水的发生、发展；700 hPa 以下的低层，MPV2 值为正（见图7b），气旋性垂直涡度得以增长，此时正是嘉兴海宁降水最强时段。17 日08 时30°N 附近MPV1的负值区范围有所扩大（见图7c），高度有所增加，MPV2 仍为正值，因此强降水维持。17 日14 时，MPV1 负值中心移至30°N 附近800 hPa 高度上，且值有所增大，主要是由于副高西伸北抬，此时降水逐渐减弱停止，气温上升，大气层结不稳定，而在这一时段内MPV2 大值中心略有南移（见图7d），在29°N 附近的低层有弱的正值中心，宁波象山地区（约29.5°N 附近）刚经历了2～3 h 的持续强降水，与上文所提强降水过程有东南移的特点一致。由上文可知，湿位涡能较好的诊断和预报暴雨过程。

4.2 水汽及来源分析

图7 2018年9月17日不同时刻湿位涡沿121°E经向垂直剖面图（单位：PVU，1 PVU＝10-6 m2·K/（s·kg））

图8 不同时刻以宁波为中心不同高度48 h水汽后向轨迹（红色实线：约900 hPa；蓝色实线：约850 hPa；绿色实线：约700 hPa；黄色实心圆：台风中心位置，图a为9月14日20时，图b为9月15日08时）

为了分析本次大暴雨过程的水汽来源，应用美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic Atmospheric Administration，NOAA）等开发的混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式（HYbrid Single -Particle Lagrangian Integrated Trajectory，HYSPLIT-4）和全球资料同化系统（Global Data Assimilation System , GDAS）资料[24-25]，对2018 年9 月16 日20 时和9 月17 日08 时宁波逐小时的48 h 后向水汽源轨迹进行分析（见图8）。由图可见，本次大暴雨发生前和发生时的低层水汽源均来自于台风中心位置的东侧，且随着台风的西移，水汽源位置也逐渐西移，说明本次大暴雨过程中水汽来源和台风有关。

持续不断的水汽供应是暴雨形成的重要条件，取本次强降水区域范围：28°～31°N，119°～123°E，计算该时段该区域4个方向截面（1 000 hPa和100 hPa）的水汽通量收支。计算公式如下（东、南、西、北4个方向的水汽通量收支分别用Fe、Fs、Fw、Fn表示，总的用F表示）[26-27]：

式中：P0为100 hPa，Ps为表面气压，λ为经度，φ为纬度；总的水汽通量收支公式为：

图9 所选区域4个边界面水汽水平通量及其总和（1 000～100 hPa积分）

正值表示该区域水汽流入，负值表示该区域水汽流出。图9 中各线是所选区域4 个方向水汽水平通量及其总和。从图9可以看到水汽流入总量比较充沛，16 日08—20 时水汽呈递增趋势，20 时水汽流入达最大值，约40×104g/（cm·hPa·s）左右，此后水汽流入总量逐渐下降，17日02—08时有一个快速减小过程，此后呈缓慢波动减小趋势；17日0时起降水逐渐增强，而浙江东北部的强降水在17 日13 时之后减弱，16时基本结束。16日“山竹”靠近并登陆我国，由于其位于整个关注区域的南侧，南侧水汽流入逐渐增多，16日20时之后成为水汽来源最多的地方，最大值超过50×104g/（cm·hPa·s）；东侧水汽在“山竹”登陆后迅速减少，从早期的60×104g/（cm·hPa·s）以上减少至10×104g/（cm·hPa·s）以下；北侧和西侧主要是水汽输出，较稳定的输出在10～20×104g/（cm·hPa·s）左右。

图10 不同时刻850 hPa水汽通量（彩色阴影）、水汽通量散度（彩色阴影）及风场（风向杆）

通过分析可知，水汽收入主要来自关注区域的东面和南面，水汽来源主要来自台风环流，偏东和偏南气流的输入对浙江东北部的强降水起了很大作用，水汽的增减比雨势的增减有12 h左右的提前。

通常情况下，水汽通量和水汽通量散度能较好地反映水汽大小、输送方向及辐合情况，强降水的持续也和急流有较好的相关性[28]。16日14时，“山竹” 及其倒槽所在区域水汽通量值较大（图略），浙江大部分地区在台风外围环流中，浙江和福建交界处有一水汽通量大值区，最大值可达28 g/（cm2·hPa·s）。图10a是9月16日20时850 hPa的水汽通量分布，浙江处于东南风急流中，闽浙交界处的水汽通量大值区已有所北抬，强度略有减弱，最大值达到20 g/（cm2·hPa·s），输送到浙江东北部的水汽通量在8～16 g/（cm2·hPa·s）左右；17 日00 时前后强降水过程开始，17 日02 时（图略）该处水汽通量仍维持较大值，东南气流的持续输入是造成强降水的原因之一，17 日08 时（图略）水汽通量值开始迅速减小，14时浙江东北部水汽通量基本在4 g/（cm2·hPa·s）以下（见图10b），强降水过程已经减弱并趋于结束。

9 月16 日20 时，浙江东北部850 hPa 的水汽通量散度也出现了一个弱的负值中心（见图10c），极小值约为-4×10-5g/（cm2·hPa·s），且还有东南风的风速辐合（蓝色椭圆形内），这都有利于水汽的辐合；17 日08 时宁波地区水汽通量散度极值达到了-6×10-5g/（cm2·hPa·s），此后6 h宁波大部地区都出现了强降水，随后东南急流减弱，水汽通量散度减小（见图10d），降水也随之减弱并结束。

由此可见，此次强降水过程850 hPa 水汽通量和水汽通量散度场的变化对强降水的大小和落区有一定的指示效应，其增减相比雨量的增减有6 h左右的提前。

5 总结与讨论

统计分析表明登陆广东的台风虽然离浙江较远，但台风倒槽可能给浙江带来暴雨，特别是秋台风，如有冷空气结合，会使降雨出现增幅。通过分析2018年9月16日16时—17日16时强降水过程以及台风“山竹”所起的作用，得到如下结论：

（1）本次强降水过程具有降水时间集中、雨强强、累积雨量大等特点，并伴有强雷电；强降水发生在台风“山竹”登陆广东后减弱过程期间，“山竹”台风倒槽为对流云团在浙江东北部产生提供了条件，副高提供了能量，弱冷空气的侵入使得低层辐合加强，使对流云团进一步发展，强降水是这些系统先后影响共同造成的。

（2）通过对湿位涡的分析，发现在对流不稳定条件下，即MPV1＜0 时，与暖湿气流相联系的MPV2 的发展，触发了垂直涡度的增长，促进了本次大暴雨过程的发生和发展。强降水发生在能量锋区附近，且浙江东北部925 hPa θse值上升至350 K以上；能量场的位置和梯度大小对强降水预报有12 h左右的提前量。

（3）本次大暴雨过程的水汽主要来自台风东侧，充沛的偏东和偏南气流为大暴雨的发生、发展提供了必要的水汽条件；低层水汽辐合，高层水汽辐散，使上升运动发展，并促进强降水的形成，此次大暴雨过程中低层水汽通量分布和水汽通量散度的增减相比雨量的增减有6 h左右的提前。

（4）在预报实践过程中，虽然主要侧重台风倒槽、冷空气、低空急流等位置和相互作用的分析，但是对当地层结的稳定性判断，以及水汽、能量等的输入情况及变化也需要格外关注。