台风“山竹”（2018）远距离暴雨的成因分析

陈淑琴 李英 范悦敏 徐哲永 李帆

1 舟山市气象局，浙江舟山 316021

2 中国气象科学研究院，北京 100081

3 中国气象局上海台风研究所，上海 200030

4 舟山市定海区气象局，浙江舟山 316000

1 引言

热带气旋暴雨在我国时有发生（段丽和陈联寿, 2005; 周玲丽等, 2009, 2011; 梁军等, 2015; 汪亚萍等, 2015; 潘劲松等, 2019），往往造成城市内涝、交通中断、房屋垮塌、农田被毁，引发地质灾害，有时还会产生远距离暴雨。陈联寿（2007）提出了热带气旋远距离降水（Tropical cyclone Remote Precipitation—TRP）定义：远距离降水发生在TC（Tropical cyclone）范围之外，但与TC之间存在内在物理联系。美国科学家Cote（2007）将此类降雨称为PREs（Predecessor Rain Events ahead of tropical cyclones），定义为位于TC或其残涡的主雨带之外，但与TC有间接联系的降水。他统计分析了1998～2006年美国的47个PRE事件，给出了PRE概念模型：（1）落区位于高空急流的右后象限；（2）中层位于西风带长波槽前；（3）位于热带水汽羽的边缘；（4）靠近或位于低层假相当位温脊线的西面，靠近锋区。Galarneau et al.（2010）合成分析多个个例的天气尺度特征指出，PRE发生在200 hPa急流西侧入口区、925 hPa假相当位温脊区、700 hPa槽前。并对美国明尼苏达州的一次特大暴雨PRE事件进行诊断分析，认为由锋面强迫的低层斜压带、以及TC带来深厚的水汽输送共同产生了一条长时间维持的中尺度对流系统。Wang et al.（2009）通过数值模拟试验证明台风Songda（2004）主要是通过外围环流向北输送水汽，在日本的远距离降水中起了加强作用。Byun and Lee（2012）统计分析了朝鲜半岛的热带气旋远距离暴雨，总结了该地区这类降水的天气形势特征，与Cote（2007）提出的概念模型类似。

国内学者也开展了很多关于TRP的研究，指出TRP与西风槽和冷空气有关（如李明等, 2011;孙力等, 2015; 曹晓岗和王慧, 2016; 陈联寿等,2017）；并提出TC的重要作用是向暴雨区输送水汽（如朱洪岩等, 2000; 范学峰等, 2007; 李改琴等,2007; 杨晓霞等, 2008; 孙欣和陈传雷, 2009; 孙兴池等, 2019; 黄克慧等, 2019）。丛春华（2011）系统研究了我国TRP，指出我国TRP主要位于环渤海地区和川陕交界处，其发生概念模型为：（1）TC通过低空急流向TRP区输送水汽；（2）中纬度槽是产生TRP的动力系统；（3）高空急流位于TRP区域北侧；（4）山脉或海岸地形的动力强迫加强垂直运动；（5）副热带高压（简称副高）脊有加强低空台风东侧东南急流向远距离暴雨区输送水汽的作用。丛春华等（2016）研究发现，台风倒槽顶端脱离出的气旋性涡旋，与西风槽和冷锋相遇形成温带气旋，从而产生暴雨。

然而，业务中发现有些台风远距离降水与上述总结的概念模型有所不同，没有西风槽配合。如，1720号台风“卡努”在广东登陆期间，浙江中北部沿海地区出现大暴雨，舟山降水量达200～400 mm，最大降水量位于普陀南岙站574 mm。1822号台风“山竹”在广东登陆，江浙沪出现大暴雨，过程雨量100～300 mm，多个站点雨强超过100 mm h-1。这两次热带气旋远距离暴雨均发生在副高588 dagpm线范围内，在暴雨发生过程中才在副高边缘产生短波槽。此类热带气旋远距离暴雨往往难以预报，而其产生机制认识还不多。如，此类暴雨如何被激发？其中短波槽是如何形成？与TC之间有何联系等问题都值得研究。本文拟采用TC的业务定位资料，高空、地面观测资料，卫星云图，江苏南通、浙江湖州、舟山的S波段多普勒雷达资料和NCEP水平分辨为0.5°×0.5°的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）再分析资料，对1822号台风“山竹”在长江三角洲地区引起的远距离暴雨过程进行分析。

2 台风“山竹”概况及其长江三角洲远距离暴雨

2018年第22号台风“山竹”于9月7日20时（北京时，下同）在西北太平洋洋面上生成，之后朝偏西方向移动，11日08时发展为超强台风，15日凌晨从菲律宾北部登陆后移入南海，减弱为强台风，并在西太平洋副高南侧偏东气流引导下向西北偏西方向移动（图1a黑线）。16日17时“山竹”在广东台山市登陆，登陆时为强台风，中心最低气压955 hPa，中心附近最大风力14级（45 m s-1）。登陆后西北行进入广西境内，17日20时中央气象台停止对其编号。“山竹”在广东登陆时强度强、结构完整、范围大。登陆后16日20时其东北方向云系长达1000多公里（图1b），覆盖华南大部分地区，此时台风云系之外的长江三角洲地区已有较强的对流云团发展（图1b黄色方框）。

2018年9月16～17日总降水量分布（图1a，未显示20 mm以下降水）显示，强降水主要分布在两个区域，一个是台风经过的广东、广西境内，最强降水在台风登陆点附近，超过400 mm。另一个在长江三角洲（简称长三角）地区的江苏、安徽南部到浙江北部，累计雨量100～250 mm，个别站点超过300 mm。两个强降水中心相距约1300 km。长三角地区的降水主要发生在16日下午到17日下午，对应台风登陆及之后西行减弱时期。长三角地区还观测到雷电和雷雨大风，降水对流性强，降水范围相对集中，3个强降水中心分别在长江口附近、杭州湾北岸的嘉兴沿海和宁波沿海。图1c给出该区域从北到南3个站的小时雨强序列，上海明珠湖站的降水主要发生在16日傍晚到17日早晨，最大雨强131 mm h-1，出现在16日夜间；嘉兴海宁主要强的降水发生在17日凌晨，最大雨强94 mm h-1；而宁波上阳小学的降水主要发生在17日白天，最大雨强104 mm h-1。

这次历时两天的暴雨过程按照降水系统的移动可分为两个阶段：第一个阶段是16日下午到夜里，苏南到浙江境内有零散的对流单体生成发展，朝偏北方向移动，在苏南浙北地区形成强对流雨带，且停滞少动。降水中心在长江口附近，雨量100～200 mm。第二阶段是17日凌晨到下午，江苏南部的雨带缓慢东移，与浙东的雨带合并后逐渐南压到浙江南部沿海。降水中心在浙北沿海，雨量也是100～200 mm。

3 大气环流背景

2018年9月16日20时地面观测资料分析的环流形势（图略）显示，山东、河南以北地区受冷高压控制，以南为台风“山竹”低压环流控制，其东北象限有一个倒槽一直伸展到长三角地区，倒槽东部为东南风，西部为东北风。

从NCEP再分析资料分析的高空环流来看，16日20时850 hPa流场（图2a）“山竹”气旋性环流范围很大，巴士海峡的东南气流到达台湾被山脉阻挡发生绕流，与海上副高共同形成一支东南偏南急流，向华东地区输送水汽。水汽通量大值中心在浙江沿海28°N附近，约为22 g s-1hPa-1cm-1，水汽通量散度负值中心在安徽南部，达-12×10-7g s-1hPa-1cm-2。17日02时（图略）“山竹”西北行，副高边缘这支偏南急流仍维持，并且水汽通量大值中心略向北推进到30°N附近，水汽辐合中心东移到江苏南部。16日20时500 hPa（图2b），“山竹”北侧副高强盛，588 dagpm脊线西伸到107°E附近，形成高压坝，不利于“山竹”北上。长三角暴雨区处于592 dagpm线附近，为副高控制，而此时是长江口附近降水最强的时刻。之后副高588 dagpm线西脊点位置维持在107°E附近，北侧有短波槽生成。其间北方在115°E附近有西风带长波槽，但槽底位于35°N以北，距长三角暴雨区约400 km，之后西风槽东移，对长三角降水影响不大。16日20时200 hPa（图略），随着“山竹”登陆，其北侧的极向流出北上，与西风带的汇合加强，30°N附近的西风带风速加大，安徽南部的安庆站实测风速由08时的12 m s-1增大到22 m s-1，杭州站由08时的14 m s-1增大到20 m s-1。这使得长三角地区的散度明显加大，江苏的辐散中心达3.2×10-5s-1，产生抽吸作用，有利于上升运动的维持和加强。从水平风和垂直涡度沿31°N的垂直分布（图2c）来看，120°E附近1000 hPa到850 hPa有东南风与东北风辐合形成的倒槽向西倾斜，正涡度中心在925 hPa附近。长三角暴雨区（黑色方框内）的涡度正值基本上在850 hPa以下，700 hPa以上涡度都是负的，2 km高度以下为东南风，2～9 km高度盛行西南风，说明倒槽仅分布在2 km以下，中高层处于副高边缘或副高范围内。

陈联寿等（2017）指出台风暴雨可分为台风环流内的暴雨和台风环流之外的暴雨两大类，台风环流内的暴雨包括倒槽暴雨等。董美莹等（2017）统计发现浙江的台风倒槽暴雨一般距离台风中心2.5～10个纬距，大于10个纬距的非常罕见，此次过程暴雨中心距离台风中心约13个纬距。虽然长三角地区850 hPa以下有台风倒槽，但与台风本体环流联系并不紧密，从850 hPa的水汽来源看，长三角地区和台风本体的水汽通道是分开的。地面降水分布图（图1a）上可见，台风北侧倒槽区的湖南、江西等地降水量非常小，基本在20 mm以下。卫星云图（图1b）上长三角的降水云团也与台风本体的螺旋云系一直是分开的。而且雷达产品显示长三角地区的降水回波前期是朝偏北方向移动，后期朝偏东方向移动，没有随台风倒槽西行。总的看来，长三角地区的降水不是台风环流内的降水，不算典型的台风倒槽降水，而是一次远距离降水过程。但是目前对台风倒槽暴雨还没有明确的定义，如果从广义来说与台风倒槽有关的暴雨都是台风倒槽暴雨，那这次过程也可以认为是远距离台风倒槽暴雨。

图1 （a）台风“山竹”的移动路径（黑色实线）及2018年9月15日20时（北京时，下同）至17日20时累计降水量（单位：mm），台风标志处为2018年9月16日20时台风位置，方框区表示远距离降水区；（b）2018年9月16日20时葵花8号红外卫星云图，方框区表示远距离暴雨云区；（c）2018年9月16～17日嘉兴海宁站、上海明珠湖站、宁波上阳小学站小时雨量时间序列Fig. 1 (a) Movement path (black solid line) of typhoon Mangosteen and accumulated precipitation (units: mm) from 2000 BJT (Beijing time) 15 September to 2000 BJT 17 September 2018, typhoon mark represents typhoon location at 2000 BJT on 16 September 2018, box represents remote precipitation area; (b) infrared cloud image of satellite GMS-8 at 2000 BJT 16 September 2018, box represents remote rainstorm cloud area; (c) time series of 1-h accumulated precipitation at Haining station in Jiaxing, Mingzhuhu station in Shanghai, and Shangyang primary school station in Ningbo during 16-17 September 2018

总的形势特点，低层形势与前人研究结果类似：台风外围有偏南风低空急流向暴雨区输送水汽，而500 hPa形势差别较大，一般台风远距离降水发生在西风槽前或槽区（Cote, 2007; 丛春华, 2011），但此次远距离降水发生在强盛的副高控制范围内，无西风槽提供涡度使降水系统发展。

4 远距离暴雨的动热力条件及台风影响

4.1 第一阶段暴雨

第一阶段最强的降水发生在2018年9月16日18～22时，主要在长江口附近。16日上午长三角地区受副高控制，天气晴好，14时地面气温高达30～33°C，用上海宝山站14时地面温度和露点温度修正08时的状态曲线得到的对流有效位能CAPE高达2245 J kg-1，地面与500 hPa的假相当位温θse差达22 K。16日20时长三角地区K指数约为36～38°C。说明16日下午到夜里大气具有较强的条件不稳定性，只要有合适的触发条件就能产生对流。

16日17时地面观测的气压场（图3a）显示，倒槽曲率最大的地方从皖南伸到苏南沿海，槽线附近及其南侧的浙江中北部地面假相当位温θse约360～364 K，为高能量区。槽线以北的江苏安徽北部有θse密集带，有弱冷空气渗透南下，槽线附近及其南侧已出现降水。20时（图3b）地面气压场变化不大，等θse线略有南压，倒槽区θse梯度增大。江苏南部部分地区6 h降水已超过100 mm，基本发生在平原地区，没有明显的地形抬升。19时（图略）地面观测的极大风，苏南沿海东南风5～6级，进入内陆后，风速减小，以4级为主，形成风速的辐合，这应该是由于海陆摩擦差异产生的。20时（图略）在崇明岛的西面出现了6～7级的北到东北风，与其东面的东南风形成辐合。而其北侧有小范围的反气旋环流，疑似雷暴高压。20～21时崇明岛的西侧还出现了8级的北到东北风。

图3 2018年9月16日（a）17时、（b）20时观测的地面气压（黑色等值线，单位：hPa）、风（风向杆，单位：m s-1）、假相当位温（红色等值线，单位：K）Fig. 3 Surface pressure (black lines, units: hPa), wind (wind shafts, units: m s-1), pseudo-equivalent potential temperature (red lines, units: K) at (a)1700 BJT and (b) 2000 BJT on 16 September 2018

浙江湖州、江苏南通的雷达反射率因子都显示16日下午开始有一些零散的对流单体生成，在低层偏南气流引导下，朝偏北方向移动，但移至江苏中南部时低层环境场转为偏北气流，对流系统无法继续北上停滞在江苏南部。18:12（图4a）在苏南形成较大范围的强回波，中心达55 dBZ。根据径向速度产品（图4b）的风速和零线的分布可以推断南通附近近地层为东北风，南通站南侧约20 km处有一条明显的辐合线。之后在这条辐合线附近一直有45～55 dBZ的强回波维持。同时南通站北面约30 km处的回波也逐渐加强，19:30（图4c）形成一条强的回波带，中心强度为50～55 dBZ。径向速度产品（图4d）显示此时南通附近近地层转为东南风，说明地面倒槽北顶，槽线应在南通站北面的辐合区中，与强降水带对应。但在南通站南侧仍有小范围的偏北风和东南风交汇，并且在崇明岛西端形成了一个尺度约10 km的气旋式涡旋（图4d中黑框内）。之后此涡旋缓慢东移，对应反射率因子产品崇明岛西端产生了一个很强的单体，组合反射率因子达到了60 dBZ，顶高达17 km。此强回波移动非常缓慢，21:06（图4e）崇明岛西部仍有很强的回波，呈弓状。径向速度产品（图4f）上弓形回波前侧有尺度约15 km的气旋（图中黑色圆圈内），北侧有尺度约10 km的反气旋性，说明此系统有强对流特征，此时地面观测到的8级偏北风为雷雨大风。20～21时在此处产生了第一阶段最大的雨强（131 mm h-1）。21:06径向速度产品（图4f）还显示低层的东南风有所加强，南通站北面的辐合线变得更加清晰，说明冷暖空气交汇更加强烈，对应此处的降水回波也加强（图4e）。21～22时雷达回波变化不大。22时以后南通站北侧的强回波带和崇明岛附近的强回波都减弱了，但在常熟附近和东面海上还有强的单体生成（图略），对应径向速度产品（图略）可以看到两个强单体对应的位置处各有一个10～20 km的辐合区。强降水回波与倒槽辐合区密切相关，而东北风和东南风的相互渗透交汇形成的中γ尺度的气旋性辐合是产生极端短时强降水的关键系统。

可见第一阶段暴雨是在强的对流不稳定条件下，对流层低层“山竹”倒槽辐合线在副高范围内触发对流产生。强对流系统产生的偏北风和东南风交汇加强了地面辐合，并形成了中γ尺度的辐合系统，又使得系统发展加强。倒槽两侧东南风和东北风势力相当，使辐合线长时间在苏南维持，强回波长时间维持在同一地方，产生极端短时强降水。

4.2 第二阶段暴雨

第二阶段是17日凌晨到夜里，17日凌晨江苏南部的雨带缓慢东移，与浙东的雨带合并后逐渐南压到浙江南部沿海，降水中心在浙北沿海，雨量也是100～200 mm。

湖州雷达产品显示16日19时（图略）在安徽南部有较强的对流单体，反射率因子50 dBZ（可能偏弱，距离雷达约180 km），顶高最高14 km，回波前侧地面1小时降温3°C。20时（图3b）在徽南浙北交界处形成一个闭合的θse低值中心，为348 K。湖州雷达产品显示23时以后苏南到浙北的回波开始朝北偏东方向移动，17日01:30（图5a）在嘉兴海宁附近形成了较强的回波单体（图中白色圆圈内），中心强度50 dBZ，顶高最高15 km。同时速度产品（图5b）可以看到近地层有下沉气流形成的辐散场（图中黑色圆圈内）。17日02时（图6a）地面观测资料显示θse低值中心到达嘉兴，受冷的下沉气流影响，附近地面气压升高，在倒槽区中部形成高压脊区，虽然还没有形成闭合的等压线，但风场已出现反气旋性环流特征。杭州湾区的等θse线变得密集，有锋生趋势。海宁附近下沉气流形成的辐散风与其南侧的东南风又形成辐合线（图5b），使得此处长时间有强的降水系统维持。02:54（图5c）在杭州湾北岸又形成了一个强的单体（图中白色圆圈内），相应的速度产品可以看到气旋性辐合（图5d中黑色圆圈内）。此后降水回波逐渐转向东北偏东方向移动，苏南的回波强度逐渐减弱。17日08时（图6b）地面θse低值中心进入杭州湾，又有所加强，中心为346 K。锋区南压到舟山、宁波沿海，锋区等θse线走向分布为东北西南向。受其影响，宁波沿海的偏北风力加大，11～12时极大风力增大到7级，与海上的东南风辐合加强。并且宁波沿海有山脉，海上东南气流上岸后会受到地形抬升。浙江舟山雷达产品显示17日上午降水回波东移过程中，强中心逐渐南压，最强的回波维持在宁波沿海直到下午，并变为东北西南走向带状（图5e），与地面图上的锋区走向一致。速度产品（图5f）可以看到强回波处有两个气旋性的环流，一个直径约40 km，另一个约20 km，匀位于海岸线附近（图中黑色圆圈内）。11～14时宁波多个站点雨强超过100 mm h-1。

图4 2018年9月16日（a、b）18:12、（c、d）19:30、（e、f）21:06南通雷达1.5°仰角的（a、c、e）反射率因子和（b、d、f）径向速度。图b、d、f中箭头表示雷达站附近低层气流方向，图d中方框、图f中圆圈表示中尺度气旋Fig. 4 (a, c, e) Reflectivity factor and (b, d, f) radial velocity with 1.5° elevation from Nantong radar at (a, b) 1812 BJT, (c, d) 1930 BJT, (e, f) 2106 BJT on 16 September 2018. The arrows in Figs. b, d and f indicate the direction of the low-level airflow near the radar station, the box in Fig. d and the circle in Fig. f indicate mesoscale cyclones

在此期间，17日02时（图略）850 hPa江苏南部发展形成一个气旋性涡旋，该涡旋是由“山竹”倒槽的北端逐渐脱离台风母体形成。涡旋东侧的偏南急流加强北抬，急流的左前方存在风场的气旋性切变，有利于涡旋的增强。同时给涡旋东侧带来很强的暖平流，约为6×10-5～12×10-5°C s-1，使该区域位势高度降低。此时对应850 hPa涡旋中心上空，500 hPa有一个短波槽发展。17日08时（图6c）在江苏沿海到杭州湾形成了一个较深的短波槽，经向尺度约4个纬度。槽前的正涡度平流加强垂直上升运动，上升运动的拉伸作用又使得中下层气旋性涡度增加。17日14时850 hPa（图略）在苏南到上海沿海形成一个中尺度低涡，可见闭合的等高线和较强的气旋性环流，中心附近最大风力20 m s-1。

17日02时沿121°E（过29°～32°N暴雨区）的垂直速度、流场、θse的剖面分布（图6d）显示，32°N以北等θse线分布非常陡峭，南方暖湿空气沿等熵面上升。暴雨区低层水平风为东南偏南风，高空为西南风（图略），有一定的垂直风切变，即水平涡度。空气在水平辐合上升过程中可把水平涡度转为垂直涡度，有利于气旋的发展。主要暴雨区上空天气尺度的上升速度中心为-2.4 hPa s-1，是非常强的上升速度。17日08时随着500 hPa短波槽的东移南压，上升速度中心南压到30°N附近（图略），地面强降水中心也随之南移，是第二阶段降水最强的时刻。

图6 2018年9月17日（a）02时、（b）08时观测的地面气压（黑色等值线，单位：hPa）、风（风向杆，单位：m s-1）、假相当位温（红色等值线，单位：K）。（c）2018年9月17日08时500 hPa位势高度（黑色等值线，单位：dagpm）、温度（红色等值线，单位：°C），棕色粗实线为槽线。（d）2018年9月17日02时假相当位温（黑色实线，单位：K）、垂直速度（红色虚线，单位：10-1 hPa s-1）、风矢量（垂直速度放大100倍）沿121°E的垂直剖面Fig. 6 Surface pressure (black lines, units: hPa), wind (wind shafts, units: m s-1), pseudo-equivalent potential temperature (red lines, units: K) at (a)0200 BJT and (b) 0800 BJT on 17 September 2018. (c) Geopotential height (black lines, units: dagpm), temperature (red lines, units: °C) at 500 hPa at 0800 BJT on 17 September 2018, the thick brown line is a trough line. (d) Vertical cross section of pseudo-equivalent potential temperature (black solid lines, units: K), vertical velocity (red dashed lines, units: 10-1 hPa s-1), wind vector (vertical velocity magnified by 100 times) along 121°E on 0200 BJT 17 September 2018

第二阶段和第一阶段相比，地面气温降低，垂直对流不稳定度有所减弱。但仍有很强的降水回波生成，主要是因为前一阶段生成的强回波单体中产生较强的低层偏北外出气流，与前侧东南风形成辐合线，辐合线上还有中γ尺度的涡旋产生，又促进了对流发展。而对流层低层台风倒槽中低涡发展，500 hPa副高边缘短波槽的生成，使暴雨区垂直速度明显增加，动力条件更为有利。长三角的强降水中心有3个（图1a），分别在长江口、杭州湾北岸的嘉兴沿海及宁波沿海，都是在水陆边界附近。地面观测资料可以看到海上的东南风到达杭州湾北岸时风速减小，形成风速的辐合（参见图3）。另外雷达径向速度产品显示在崇明岛、嘉兴及宁波沿海都有中γ尺度的涡旋系统，对应强降水回波。这种水陆边界处的涡旋系统有可能的形成原因是：由于水陆摩擦的差异，实际风与地转风的偏折角大小不同，东南风在水陆边界处会减小，并向左偏折，形成正涡度；还有可能大气受到陆地不匀均地形的阻挡，发生绕流之后形成涡旋。这都还有待进一步深入研究确认。

4.3 远距离暴雨区的涡度收支

根据以上分析，在降水过程中850 hPa台风倒槽顶端发展出低涡，500 hPa则生成短波槽，为第二阶段暴雨提供了更强的动力作用。尤其是12 h内在副高边缘形成一个明显短波槽，这种情况比较少见。下文采用涡度方程来诊断短波槽的生成发展机制。不考虑摩擦及积云对垂直涡度的输送效应，涡度方程如下：

其中，u、v分别为纬向、经向水平风速（单位：m s-1），ω为垂直速度（单位：hPa s-1），ζ为涡度（单位：s-1），f为科里奥利参数（单位：s-1）。公式右边四项分别为绝对涡度水平平流项（用A表示）、相对涡度垂直输送项（用B表示）、水平辐合辐散项（用C表示）、扭曲项（用D表示），总涡度收支用E表示。选择强降水区域（29°～33°N，118°～123°E，即图1a中方框区域）诊断涡度方程各项，采用水平分辨为0.5°×0.5°的NCEP再分析资料，中央差分的方式计算各偏微分项。

图7给出暴雨发生主要时刻涡度方程各项及总涡度收支的垂直廓线。16日14时降水开始时（图7a），总的涡度收入最大值出现在1000 hPa，为1×10-9s-2，这完全是水平辐合辐散项C提供的。16日20时（图7b）总的涡度收入1000 hPa略有增加，而850 hPa增加非常明显，达到1.8×10-9s-2，成为最大收入层，主要来自水平辐合辐散项C和扭曲项D的贡献。此时，850 hPa以上高度层相对涡度垂直输送项B开始增大，即垂直运动加强把低层的垂直涡度向上输送。17日02时（图7c）总的涡度收入最大层在850～700 hPa之间，约为2×10-9s-2，仍主要是由水平辐合辐散项C和扭曲项D贡献，其中水平辐合辐散项C达到了3.2×10-9s-2。700 hPa以上高度相对涡度垂直输送项B增加明显，最大值在500 hPa，也达到了3.2×10-9s-2，成为500 hPa涡度增加的重要原因。与此同时700～500 hPa的水平辐合辐散项C也开始增加。17日08时（图7d）总的涡度收入最大层在600～450 hPa之间，主要由垂直输送项B和水平辐合辐散项C贡献。

可以看出，整个远距离暴雨过程中主要由近地层水平辐合辐散项C提供初始扰动，然后850 hPa水平辐合辐散项C和扭曲项D共同作用使低涡发展加强。同时在垂直运动作用下把涡度往上传递，使中层700～500 hPa附近涡度增长，发展出短波槽。之后中层的水平辐合辐散项C也开始增长，使总涡度增加，短波槽进一步加深。这一过程中500 hPa以下绝对涡度水平平流项A没有正的贡献，即没有西风槽或其他外来系统为暴雨区提供正涡度。

下面通过涡度各项的水平分布结合流场进一步分析涡度的来源（图8）。上述分析可知最初的涡动扰动主要来自1000 hPa的水平辐合辐散项C。图8a给出2018年9月16日14时1000 hPa流场和水平辐合项C分布。可见两个大值中心，一个位于江苏沿海，即台风倒槽顶端，另一个在浙江、福建交界处，也是台风倒槽曲率最大处。16日20时（图略）随着台风西移，其倒槽也西行，但倒槽顶端受西面冷高压的阻挡，在江苏、安徽南部形成一条辐合线，水平辐合项C增大。可见台风倒槽提供了1000 hPa的正涡度。图8b显示16日20时850 hPa的流场和涡度扭曲项D分布。安徽南部为台风倒槽区，涡度扭曲项D在此处最大，超过50×10-9s-2，涡度扭曲项D的物理意义是由于风的垂直切变形成水平涡度，在水平分布不均匀的垂直运动作用下将使水平涡度向垂直涡度转换。由于850 hPa此处为东南急流的左前侧，风速比1000 hPa大，形成了较强的垂直风切变，即水平涡度。而倒槽区垂直速度的水平梯度较大，使水平涡度向垂直涡度转换。此时涡度水平辐合项C大值区也是位于安徽南部台风倒槽区（图略）。17日02时（图8c）850 hPa在江苏西南部形成气旋性环流中心，即低涡，涡度水平辐合项C大值位于低涡东南侧。17日08时850 hPa（图略）低涡东移到江苏南部到上海沿海，其南侧为偏南急流前沿，垂直风切变较大，形成涡度扭曲项D正值中心。总的来看，850 hPa的涡度水平辐合项C和涡度扭曲项D的大值中心都位于倒槽或低涡的东南侧或南侧，即急流的前沿左侧。可认为850 hPa的涡度来自于台风倒槽和副高边缘的偏南风急流。而前述分析表明500 hPa的涡度主要是来自于相对涡度垂直输送项B。17日02时500 hPa（图8d）显示，涡度垂直输送项B大值区位于江苏南部，对应850 hPa（图8c）低涡及海上倒槽的位置，说明500 hPa的涡度主要来自于低层。

图7 2018年9月（a）16日14时、（b）16日20时、（c）17日02时、（d）17日08时降水区（29°～33°N，118°～123°E）绝对涡度水平平流项（用A表示）、相对涡度垂直输送项（用B表示）、水平辐合辐散项（用C表示）、扭曲项（用D表示）收支及总涡度收支（E）平均的垂直分布（单位：10-9 s-2）Fig. 7 Vertical distributions (units: 10-9 s-2) of horizontal advections for absolute vorticity budget (A), vertical transport for relative vorticity budget(B), horizontal convergence and divergence for relative vorticity budget (C), distorted relative vorticity budget (D), and the total vorticity budget (E)averaged in the heavy rain area (29°-33°N, 118°-123°E) at (a) 1400 BJT, (b) 2000 BJT on 16 September 2018, (c) 0200 BJT, (d) 0800 BJT on 17 September 2018

为了进一步说明副高中短波槽的发展机制，我们对另一次相似个例的涡度收支进行诊断。2017年10月16日凌晨台风“卡努”以强热带风暴级登陆广东徐闻，10月15～16日浙江舟山、宁波和台州沿海出现大暴雨。天气形势与本次过程类似，低层850 hPa以下有台风倒槽，500 hPa处于副高588 dagpm线范围内，在暴雨过程中850 hPa形成低涡，500 hPa副高北侧边缘产生一个短波槽。诊断2017年10月15日08时到16日08时暴雨区（29°～31°N，121°～124°E）的涡度收支情况。发现两次过程暴雨区的涡度收支有共同的特点：近地层水平辐合辐散项C提供初始扰动，然后低层水平辐合辐散项C和扭曲项D共同作用使低涡发展加强，在垂直运动作用下涡度上传使中层700～500 hPa附近涡度增长，最终发展出短波槽。低层台风倒槽和副高边缘的偏南急流是该区域涡度增长的主要原因。

图8 （a）2018年9月16日14时1000 hPa流场和涡度辐散辐合项（阴影，单位：10-9 s-2）分布，（b）2018年9月16日20时850 hPa流场和涡度扭曲项（阴影，单位：10-9 s-2）分布，2018年9月17日02时（c）850 hPa流场和涡度辐散辐合项（阴影，单位：10-9 s-2）分布、（d）500 hPa流场和涡度垂直输送项（阴影，单位：10-9 s-2）分布。绿色椭圆表示整个过程暴雨区大致位置Fig. 8 (a) Stream lines, divergence and convergence vorticity term (shadings, units: 10-9 s-2) at 1000 hPa at 1400 BJT 16 September 2018, (b) stream lines and distorted vorticity term (shadings, units: 10-9 s-2) at 850 hPa at 2000 BJT 16 September 2018, (c) stream lines, divergence and convergence vorticity term (shadings, units: 10-9 s-2) at 850 hPa and (d) stream lines and vertical vorticity transport term (shadings, units: 10-9 s-2) at 500 hPa at 0200 BJT 17 September 2018. Green ellipses represent the approximate location of the rainstorm area during the whole process

5 结论

利用地面、探空观测资料、雷达遥感资料以及NCEP一日四次0.5°×0.5°再分析资料，对2018年第22号台风“山竹”影响下9月16～17日长三角区域暴雨的降水实况、天气系统和动热力条件进行诊断分析，得到以下结论：

（1）长三角暴雨发生在“山竹”云系和本体降水范围之外，距离“山竹”中心大于1000 km，是一次发生在强盛的副高环流控制下的TRP，低层受台风倒槽影响。

（2）此暴雨过程分为两个阶段：第一阶段，主要是在强的对流不稳定条件下，对流层低层“山竹”倒槽中的辐合线触发对流产生，倒槽两侧东南风和东北风势力相当，使辐合线长时间在苏南维持，产生极端强降水。同时高空“山竹”极向流出汇入西风带，加大了中纬度的西风风速和辐散，有利于上升运动的维持。第二阶段，对流不稳定条件有所减弱，但前一阶段生成的强回波中产生较强的低层偏北外出气流，与前侧东南风形成辐合线，辐合线上还有中γ尺度的涡旋产生，又促进了对流发展。台风倒槽顶端在偏南风急流的作用下形成一个低涡，500 hPa发展出一个短波槽，垂直速度明显加大，动力条件更有利。

（3）长三角的3个强降水中心分别在长江口、杭州湾北岸的嘉兴沿海及宁波沿海，都是在水陆边界附近。雷达径向速度产品显示在崇明岛、嘉兴及宁波沿海都有中γ尺度的系统，对应强降水回波。

（4）台风“山竹”对长三角地区远距离暴雨的作用：与副高之间形成偏南风低空急流向长三角地区输送水汽；台风倒槽提供初始涡度扰动，触发对流；台风高层极向流出汇入西风带，加大了中纬度的西风风速及辐散，加强了暴雨区上升运动。

（5）典型TRP的降水系统主要是东移的西风槽，而这次过程主要由低空台风倒槽和偏南急流提供初始扰动，涡度上传形成副高边缘短波槽，是不同于典型TRP事件的一个物理过程，另一次“卡努”台风的远距离暴雨也有类似的物理过程。

本研究对实际业务的启示：当南海有台风时，即使高空是高压系统控制，也应注意考虑长三角地区是否有远距离降水。地面风场辐合和雷达产品显示的辐合线与强降水相对应，而雷达产品若有中γ尺度系统，则可能有短时强降水。注意水陆边界对降水的增幅影响。

研究也存在一些有待深入探讨的问题，暴雨过程中水汽输送和降水凝结释放潜热对850 hPa低涡和500 hPa短波槽的形成是否存在积极作用。涡度诊断采用的再分析资料时空分辨率不够精细，可进行数值模拟后再作进一步分析。另外还需要对多个相似个例进行分析，得出更有代表性的结论。