台风“山竹”引起的华南地区降水过程分析

甘琳，甘偲凤，潘江萍，王玥琪

（1.浏阳市气象局，湖南浏阳 410300；2.邵阳县气象局，湖南邵阳 422100；3.高阳县气象局，河北高阳 071500）

热带气旋是指热带和亚热带海洋形成的具有强烈暖中心涡旋的天气系统［1］。西北太平洋（包括我国的南海）是生成台风最多的海域，平均每年约有28个台风生成。长期以来许多学者对台风的发生、发展已经进行了不少研究，但是由于台风比较复杂多变，很多问题需要更进一步的研究。在分析台风问题时，首先，必须明确台风的危害性，一般而言，在台风的影响下，强降水和大风的概率较高。中国是受台风影响最多的国家之一，平均一年有7个左右台风登陆。其中，我国沿海地区受到台风的影响较大，但河北和辽宁地区也有可能会受到北上台风的影响，出现风雨天气。台风带来的雨水，可以缓解干旱，但雨水过多则可能会造成经济损失，甚至影响人们的生命安全。因此，气象部门一直重视对台风路径和风雨的预报。

台风“山竹”是我国史上对华南地区影响最严重的台风，其中，珠江三角洲地区受到的影响最为严重，尤其台风引起的强烈的风暴潮导致水位上涨，海水倒灌，给珠江口两侧带来极其严重的影响。根据相关数据的显示，该次台风“山竹”引发的潮位为史上最高。本研究将对台风“山竹”产生降水过程的成因进行分析。

1 台风“山竹”概况和风雨特征

2018年9月16日下午，“山竹”在广东阳江附近登陆。据资料统计，在台风“山竹”的影响下，我国东南沿海地区出现剧烈的强降雨现象。9月16日08：00（北京时，下同）开始，在广东地区有降水出现，其中珠江口两侧强降水明显，部分地区24 h累计降水达300 mm以上，沿海地区同时还伴有强烈的风暴潮（图1a）。9月17日08：00降水开始明显减弱（图1b），台风中心移动至广西地区，强度大大减弱。广西地区有大面积降水，其中广西西北区域有强降水分布。

图1 台风“山竹”引起华南地区的24 h降水分布（单位：mm）

2 台风“山竹”登陆后降水成因分析

台风暴雨的成因很复杂，除具备不稳定层结、充足的水汽、较强的上升运动和较长的持续时间条件外，也与台风的强度和路径、台风登陆后的维持时间和运动速度，以及热带气旋周围的环境场密切相关［2］。

2.1 大尺度环流背景

2018年9月7—15日，西太平洋副热带高压波动，东亚西风槽向东移动并加强。山竹在温暖的西北太平洋上迅速吸收能量，高空东北风强盛，环流逐渐扩大。受平均层引导的气流影响，“山竹”继续向西北偏西方向移动。

2018年9月15日08：00，500 hPa等压面上（图2a），东亚地区有西风槽，槽底部位置在35°N附近，西太平洋副热带高压在西部接近110°E，台风“山竹”中心在菲律宾北部，向西西北方向移动。西太平洋副热带有一个南北方向的高压脊，具有明显的驱动作用。根据引导气流的原理，台风会沿大型流场的平均方向移动，其移动速度相当于各层大流场速率的平均值［3］。在24 h后（图2c），随着中纬度槽向东移动，冷空气向南移动，西太平洋副热带高压的波动减弱，588 dagpm线向东退去。台风登陆后，台风“山竹”中心离副高主体较远，引导气流减弱，台风“山竹”移速变慢停留华南地区，造成华南地区的持续降水；其次下垫面由海面改为陆面，摩擦使台风强度减小。台风“山竹”外围风圈的带动海面水汽进入陆地，也是造成大量降水的重要原因之一。

在2018年9月15日08：00，850 hPa等压面上（图2b），台风中心位于菲律宾北部，同时台风“山竹”北部与西太平洋副热带高压衔接处有东北急流，南侧有西南季风急流。2018年9月16日08：00（图2d）副高脊线呈西北向，副高与台风“山竹”相结合，副高西南侧有强西北风。2018年9月17日，台风“山竹”的中心移至广西，由于地面摩擦的原因，台风“山竹”强度逐渐减弱，风圈变小，此时台风“山竹”带来的降水在华南地区即将结束。

图2 2018年9月15日（a、b）和16日（c、d）08：00 500 hPa（a、c）以及850 hPa（b、d）台风“山竹”环流形势变化（单位：dagpm）

2.2 热力条件

研究发现，海面温度不仅是影响台风发生和发展的因素之一，也是影响台风运动的非气象因素［4］。台风具有“向暖趋势”，即倾向于向高海表面温度区域移动［5］。图3为台风“山竹”热力条件变化图。

图3 台风“山竹”2018年9月15日08：00（a、b）和16日20：00（c、d）500 hPa（a、c）以及850 hPa（b、d）等压面上的温度（填色，单位：℃）和风场（矢量箭头，单位：m／s）分布

从500 hPa等压面上温度场和风场的变化来看，2018年9月15日08：00（图3a），暖心位于台风中心，台风结构稳定。2018年9月15日20：00（图3c），台风中心转移到我国南海，南海此时为高海温区，适合台风发展。暖心结构吸收海面能量后加强，较之前拥有更大的能量，使登陆广东地区带来降水的能力增强。高层平均温度升高，中心温度略有降低。在850 hPa等压面上，2018年9月15日08：00（图3b），台风“山竹”离开菲律宾，进入南海。南海温暖的高温海域非常有利于台风“山竹”暖心结构的维持和加强。2018年9月15日08：00（图3d），明显可以看出台风“山竹”暖心温度已经由前一个时次的20℃上升至22℃左右，可以看出台风“山竹”强度明显增强，导致登陆我国后产生更强的降水。

2.3 水汽条件

台风登陆陆地后，陆地表面切断了从海洋表面到台风的水汽和能量供应，低空急流成为台风获取水汽和能量的重要通道［6］。充足的水汽供应有利于热带气旋暖心的维持，外部水汽输送有利于热带气旋雨带的强对流活动，使华南地区降水增强。

从台风“山竹”登陆前2018年9月16日08：00 700 hPa高度场（图4a）的水汽通量分布可以看出，水汽集中在台风“山竹”的眼墙和大风区。在850 hPa等压面场上（图4b）水汽范围略有扩大，其中南海南侧有来自印度洋的水汽输送。2018年9月17日08：00 700 hPa等压面上，由于台风已经登陆我国，地面摩擦导致台风范围扩散，风力将带动海洋的水汽进入陆地。

孟加拉湾（10°N，95°E）至我国华南地区，西太平洋副热带高压的西南侧和台风的东南侧将沿西南季风不断向华南地区输送水汽。副热带高压以北，日本海区域（35°N，130°E）与台风“山竹”北部有水汽输送通道，稍弱于台风“山竹”南部的通道，然而台风“山竹”的降水程度较之前已经加强。丰富的水汽条件为台风“山竹”提供了潜在的热能［7］，延长了台风“山竹”的寿命，造成了华南地区的强降水。

2018年9月17日08：00阶段的台风“山竹”水汽通量的输送量达到最大。华南地区降水量达到最大。850 hPa等压面上（图4d）西太平洋副热带高压南侧，印度洋－南海低层水汽输入到台风内围，稍弱于700 hPa等压面上的水汽通量。所以对比垂直方向的水汽通量变化，水汽通量最大值在700 hPa左右。孟加拉湾、南海和日本海的水汽输送是台风“山竹”在华南地区造成降水的主要来源，其丰富的水汽通过低层急流输送到台风外围，并通过台风外围的气旋环流注入到内围环流中［8］。

图4 台风“山竹”2018年9月16日（a、b）和17日（c、d）08：00 700 hPa（a、c）以及850 hPa（b、d）水汽通量分布（单位：g·cm－1·hPa－1·s－1）

2.4 动力条件

本研究采用低层辐合、中尺度强对流暴发、涡度、上空的辐散或流出气流等因子来分析出现100 mm以及1 000 mm的极端暴雨的成因［9］。

1）散度场。

从2018年9月16日08：00高低层辐合辐散分布看出，850 hPa上在21°N—23°N附近有辐合区（图5b），在22°N附近，高层辐散强于低水平辐合（图5a-b），高空流出气流具有强大的“抽吸作用”［10］，为上升运动提供动力条件，使得台风“山竹”在陆地的强度维持。此时，200 hPa的高空急流区于2018年9月16日08：00（图5a）位于21°N—23°N，靠近广东南部沿海地区，位于北风轴线上，是一个强烈的辐散区带，南侧辐散区保持在18°N—20°N，南侧强烈辐散区的能量较弱于北侧。北侧强烈的辐散区于2018年9月16日20：00断裂，高空台风中心辐散区减弱发散，台风中心周围辐合区增多加强（图5c），低空辐合区较上一时次有缩小集中的趋势（图5d）。但来自上层的辐散气流仍具有强大的吸力，并为强降水提供动力提升，使该次暴雨的持续时间和降雨面积增加。2018年9月17日散度场强度减弱，低层仍有弱辐合运动造成降水。

图5 2018年9月16日08：00（a、b）和17日（c、d）20：00 200 hPa（a、c）以及850 hPa（b、d）散度场（填色，单位：s－1）和高度场（等值线，单位：dagpm）分布

2）垂直速度。

垂直速度是影响降水程度的重要因素之一。低空的强烈上升运动与充足的水汽条件结合，配合对流不稳定层结，就可以引发强降水。从台风“山竹”的垂直速度变化图（图略）可以看出，在2018年9月16日08：00，台风“山竹”即将登陆广东地区前的高空垂直速度结构稳定，中心有弱的下沉运动（21°N，116°E），东侧和南侧有强的上升运动。低空台风中心有比较明显的上升运动。到2018年9月16日20：00，台风中心已经转移至广东地区，由于下垫面的转换以及台风风圈的影响，高空上升运动较上一个时段减弱但是区域扩大。由于摩擦作用造成低空上升运动加强且范围扩大，强烈的上升运动造成广东乃至广西地区的强降水。

3）涡度场。

涡度场可以客观反映台风“山竹”的强度变化［11］，其中台风正涡度中心最大值一般位于500 hPa附近。从2018年9月15日12：00—16日08：00 500、850 hPa的涡度变化（图略）可以看出，变化趋势与加强趋势是一致的。根据历史台风资料可知，这一阶段的中心涡度值相对较高，台风强度处于历史平均高值。从台风“山竹”的涡度场变化可以看出，正涡度区集中在台风“山竹”中心附近（21°N，116°E），负涡度区或正、负涡度交叉区域距中心100 km左右，其中500 hPa涡度变化显示出在登陆前24 h，台风“山竹”中心的正涡度略有减弱，但是区域正涡度区域有扩大，说明环境场不断有正涡量传送到台风中心，导致登陆后降水范围更为广阔［12］。

3 结论

1）台风“山竹”生成于广阔温暖的太平洋中心，吸收了大量的能量向我国移动。西太平洋副热带高压的波动给它提供了大量的能量，暖心结构稳定加强。中国下游上空的大气温度较高，含水量较高。东亚西风槽和副热带高压控制着我国东部地区，致使华南地区有产生中尺度对流的不稳定条件［13］。

2）登陆后，西太平洋副高的维持，抑制了台风的西行，有利于台风登陆后的移速较慢，减少了能量的损失，为华南西北部的连续降水提供了稳定的背景。由于下垫面由海表向陆表转换，低层环流的强迫作用对台风降水有较强的影响［14］。

3）台风“山竹”登陆我国华南地区前，北侧与西太平洋副热带高压接壤，有东南急流，因此太平洋的水汽能够通过东南急流传输到我国的华南地区。此外台风南侧还受到西南急流的影响，从孟加拉湾输送水汽到南海和华南地区，形成中国南方强降水的水汽条件。当进入高温海区吸收的热量与强烈的水汽通道输送相结合时，流入的热量和水汽减弱了台风“山竹”膨胀冷却的影响，导致台风“山竹”低层温度水平梯度小，是台风“山竹”发展和维持的原因之一。

4）从台风“山竹”的动力分析中可以知道，在台风“山竹”的影响下，华南地区出现了强烈的高空辐散现象，在“抽吸作用”下，低层辐合上升运动加强。上层气流强烈发散和强烈的西南气流输送是台风“山竹”海上区域加强的重要原因。动力条件与水汽条件相结合促进了台风“山竹”的显著增强。受台风“山竹”登陆后的西北运动和西风区北升的影响，水汽通量面积和辐散辐合面积相应向北移动，对台风“山竹”降水增幅的发生有一定的作用。

影响台风“山竹”对华南地区产生的降水因子还有很多。由于台风影响产生降水的情况非常复杂，本研究分析可能仍有疏漏，还需要大量的研究。