“温比亚”引发河南特大暴雨的中尺度系统特征分析

王 军， 席 乐， 王超杰， 吴 迪， 刘 磊

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,郑州 450003; 2.许昌市气象局,河南 许昌 461000;3.河南省气象台,郑州 450003; 4.长葛市气象局,河南 长葛 461500)

引 言

2018年第18号台风“温比亚”深入内陆，在河南引发特大暴雨，造成严重洪涝灾害。赵培娟等[1]从环流场角度对“温比亚”和“摩羯”进行了对比分析，指出台风低压两侧冷暖平流形成的斜压能导致垂直速度加强是台风低压维持的重要机制。谷秀杰等[2]探讨了“温比亚”在河南长时间停留及转向机制。多年来的研究表明，中尺度系统是引发台风暴雨强降水的重要因素[3]。孟智勇等[4]研究指出，台风与西风槽相互作用往往通过中尺度系统引发暴雨。孙建华等[5]对“9608”号台风引发我国北方特大暴雨的中尺度对流系统进行了研究。林毅等[6]分析了“1601”号台风造成福建特大暴雨的中尺度对流系统形成机制。吴海英等[7]指出冷空气与低压倒槽内暖湿空气结合引起锋生，促进中小尺度对流发展，引发局地特大暴雨。丁治英等[8]分析了非纬向高空急流与远距离台风中尺度暴雨的关系。李英等[9]研究了登陆台风Rananim(0414)环流内中尺度幅合线的形成和作用。弱冷空气侵入台风环流，特别是从台风西侧侵入，加剧动力和热力不稳定，导致暴雨增幅[10-13]。对河南台风暴雨的研究表明，低空急流轴对台风暴雨的形成至关重要，判断辐合区和低空急流位置有利于准确预报台风暴雨落区[14-16]。

受大气环流及地形的影响，台风暴雨成因复杂，不同台风、不同地域引发暴雨的中尺度系统发展演变也存在差异。“温比亚”台风在河南引发的极端降水为近40年来罕见。本文利用常规气象观测、区域自动站加密观测、中央气象台台风定位报、FY-2F卫星逐时TBB、多普勒雷达探测及NCEP 1°×1°逐6 h再分析等资料，对“温比亚”引发河南特大暴雨的中尺度系统特征及发展机制进行研究分析，以期为此类台风暴雨预报提供参考依据。

1 降水实况和环流背景

1.1 降水实况

“温比亚”于2018年8月17日04:05在上海浦东登陆，登陆时为强热带风暴。18日03时减弱为热带风暴，并从安徽进入河南固始县。18日14时演变为热带低压，中心风速为16 m·s-1。台风中心途经河南信阳、驻马店、周口、商丘等地，19日20时移出河南，在河南境内滞留运行时间长达40 h，给河南带来了强风雨天气。

8月17日20时-19日20时，河南中东部出现大范围暴雨、大暴雨，部分地区特大暴雨(图 1a)。据河南3300个自动站降水资料统计，过程累积最大降水量553.1 mm(柘城县远襄集)，降水量≥50 mm的站点有1375个，其中有606个站点降水量为100.0-249.9 mm，250 mm及以上的站点有152个。有8个国家站日降水量突破建国以来历史极值。降水的对流特征显著，最大小时雨强达112 mm·h-1(虞城县沙集)。商丘国家基准站逐小时降水分布显示，18日10时、11时小时雨强分别达88.6 mm·h-1和93.9 mm·h-1(图 1b)。同时，河南大部分地区伴有6级以上大风，中东部阵风达8～9级。

图1 2018年8月17日20时-19日20时河南降水实况(a)与18日04-21时商丘逐小时降水量(b)

1.2 环流背景

“温比亚”引发的河南特大暴雨与中纬度西风槽、高低空急流、副热带高压(简称副高)等天气系统的有利配置有关。2018年8月17日08时500 hPa贝加尔湖(简称贝湖)附近有一低涡。台风在上海登陆后，在38°N附近东西向带状副高南侧偏东气流中向西北方向移动。17日20时，贝湖低涡槽线伸至38°N附近，带状副高断裂形成两个588 dagpm中心，分别位于高原东部和朝鲜半岛附近。18日08时500 hPa(图 2a)，高原东部副高减弱消失；朝鲜半岛附近副高有增强趋势，其西侧的东南气流为台风系统提供水汽、热力、动力条件。低槽携带冷空气逐渐东移，18日08时，925-500 hPa低槽南端触及台风环流，冷空气与台风环流暖湿空气在河南中东部交汇，不仅有利于产生强降水，而且有利于台风西北行减速停滞并转向，为引发特大暴雨创造了条件。18日08时在925-700 hPa，台风中心东侧有一条低空东南风急流，最大风速达24～26 m·s-1，该急流维持时间长，源源不断向暴雨区输送暖湿空气；850 hPa水汽通量大于32 g·cm-1·hPa-1·s-1的区域集中于河南中东部；距离暴雨中心较近的徐州上空700 hPa以下比湿达12～19 g·kg-1。17日20时-18日08时K指数显示，徐州保持36.9～38.0 ℃的高值，郑州由20.7 ℃增至37.8 ℃，层结不稳定度加剧。18日08-20时200 hPa，位于二连浩特、牡丹江一带风速≥30 m·s-1的急流轴增强并向南扩展到张家口、大连一带。高空急流轴右侧槽前的偏差风辐散具有使台风倒槽型暴雨增幅的作用[8]。18日20时500 hPa(图 2b)，由于高空急流增强，低槽中段快速东移，南段北缩；同时，朝鲜半岛南端副高显著增强，并向我国东南沿海伸展，使台风东侧风速增大，对台风转向具有引导促进作用。

图2 2018年8月18日08时(a)和20时(b)500 hPa形势场

2 冷暖平流及能量锋分析

低层冷空气从“温比亚”低压中心西北方侵入台风低压环流，对导致暴雨增幅的中尺度系统发展具有重要作用。分析温度平流场可知，低层冷空气与台风环流的作用主要显现在925 hPa和850 hPa两个层次，925 hPa冷空气势力较850 hPa的强。17日20时-18日20时，位于山西南部的冷空气由弱逐渐增强。18日08时，925 hPa冷平流中心位于山西临汾附近(图 3a)，中心值由17日20时的-2×10-5K·s-1增加到-5×10-5K·s-1，冷空气由西北向东南侵入台风环流，形成东南暖西北冷的温度场结构，冷平流前沿扩展到河南睢县、太康、驻马店、桐柏一带；暖平流中心值达4×10-5K·s-1，位于南京附近。河南中东部的强降水主要出现在18日02-20时冷空气势力较弱阶段，暴雨落区出现在925 hPa冷暖平流对峙的零线附近，暖区一侧的特大暴雨站点较冷区一侧的多。18日20时，925 hPa冷平流中心进一步增强到-14×10-5K·s-1，850 hPa冷平流中心值在18日08-20时由-2×10-5K·s-1增强到-6×10-5K·s-1，有较强冷空气侵入台风中心。

能量锋是引发强降水的重要因素，能量锋的形成与台风低层环流及附近的冷暖平流密切相关。分析假相当位温(θse)可知，18日02时925 hPa，台风中心及东侧为354 K的高值区，从河北邢台到河南三门峡有一条东北—西南向带状低值冷区，该冷区逐渐向东南方向移动增强；18日08时(图3b)，河南西部维持340 K的冷区，冷区与台风环流暖湿区之间形成θse线密集的能量锋。能量锋呈南北向，位于河南中东部，东西宽度约200 km，θse差值达12 K。低层冷空气侵入，湿斜压性增强，锋区的动力强迫作用有利于低层具备不稳定能量的暖湿空气沿能量锋区爬升，锋区是中尺度对流系统发展的重要区域。暴雨区出现在水汽通量辐合大值区与能量锋重叠的地区。18日20时以后，由于较强冷空气侵入台风低压，能量锋减弱，抑制对流发展，水汽通量值下降，降水随之减弱。

图3 2018年8月18日08时925 hPa温度平流(a)和假相当位温(b)

3 中尺度对流系统特征及发展机制

3.1 中尺度辐合线特征及其与强降水关系

中尺度辐合线有助于触发中尺度对流云团发展[17-20]。冷空气由“温比亚”中心西北方低层侵入，与台风东北方的东南暖湿气流交汇，激发中尺度辐合线增强并维持。分析地面风场可知，“温比亚”影响河南期间，其东北象限维持一条偏北气流与东南气流形成的辐合线(MCL)，呈东北-西南向(图4)。降水前期，MCL两侧的风速呈增强趋势。MCL东侧的东南风急流提供充沛的水汽和热力、动力条件。分析地面风场及其后6 h降水分布发现，18日08时MCL移至安徽西部与河南交界处，其后6 h大于100 mm的强降水落区位于河南东部(图4a)，此阶段暴雨区主要位于MCL西北侧；18日14时以后，台风逐渐减速到停滞，暴雨落区呈东西向带状位于MCL两侧(图4b)，且各有一个大于100 mm的强降水中心；18日20时，MCL东北移，其两侧的风速减弱，其后6 h降水也随之减弱(图4c)。MCL延伸至中低空，925 hPa、850 hPa辐合最强，18日08时925 hPa MCL附近散度值达-9×10-5s-1，850 hPa 强辐合中心位于中尺度辐合线西侧，有利于暖湿空气的辐合上升。由于台风移动缓慢，冷暖空气持续对峙，MCL在安徽、河南交界处或河南境内维持30 h，触发中尺度对流系统发展并长时间维持，对暴雨增幅和落区具有决定性作用。

图4 2018年8月18日08时(a)、14时(b)、20时(c)地面风场与其后≥30 mm的6 h降水量分布

3.2 中尺度云团发展特征

根据FY-2F卫星TBB资料分析，18日03时“温比亚”中心进入河南，05时在台风中心东北象限MCL上有一近似椭圆形密实的中α云团1(图5a)，东北—西南向长轴约500 km，云团中心tbb接近-70 ℃。该云团随台风低压西进，其前端云体向西南方向伸展，河南东部开始出现较强降水。05时，安徽西部云团2(图5a)发展进入河南东南部固始县境内。该云团属于中β尺度，范围较小，维持近3 h后减弱。06时(图5b)位于云团1西南侧的郸城出现30.5 mm·h-1降水。强降水落区位于云团1西南侧云顶温度梯度密集区(图5c-f)，商丘市虞城县沙集10时降水量达112 mm·h-1。11时云团1北移至新乡至菏泽一带，强度减弱。云团1尺度大，在MCL上生消演变，影响河南中东部达9 h，是此次台风暴雨过程主要的强降水中尺度系统。11时，商丘附近生成云团3(图5g)，商丘出现93.9 mm·h-1的小时降水。12时(图5h)漯河附近云团4生成，使暴雨区扩展到河南中部。13时在阜阳生成的云团5发展进入平舆至项城一带(图5i)。14时云团3位于曹县、夏邑、永城一带，中心增强至-65 ℃(图5j)。该云团中心随后向东发展，移至安徽、江苏、山东交界处，北段减弱，南段加强，商丘、濮阳等地位于云团西部，出现连续降水，20时对河南的影响减弱(图5k)。19日02时(图5l)，河南除东北部有较弱云团影响外，其余地区已无云团影响。综上所述，“温比亚”台风在河南引发的暴雨主要由1个中α云团和4个中β云团造成，其中中α云团对降水的贡献最大。

图5 2018年8月18日05-14时、20时和19日02时tbb演变图 单位:℃

3.3 中尺度对流系统的雷达产品特征

根据商丘多普勒天气雷达0.5°仰角基本反射率因子分析，18日08时，在混合型降水回波中有一条明显的强回波带，位于安徽固镇、淮北到河南虞城、商丘、睢县一带(图6a)。该强回波带在18日05时初具雏形，之后迅速发展，09-10时最大回波强度达57 dBZ(图6b)，回波顶高度为9～12 km，与过程112 mm·h-1的最大小时雨强对应。强回波带的前端与特大暴雨落区对应。14时(图6c)强回波带有所减弱，15时以后强回波带逐渐东北移，20时以后主体进一步减弱。0.5°仰角径向速度图上(图6d、e、f)，负速度区面积大于正速度区，有明显的风速辐合；零速度线表现为东北风与东南风的辐合。测站东南方低空有强盛的东南风急流，最大风速达27 m·s-1，与测站西方的大风核对应。从垂直积分液态水含量图(图6g、h、i)可知，一条最大值达28 kg·m2的垂直积分液态水含量高值带与安徽固镇到河南商丘、睢县的强回波带对应，强回波带和垂直积分液态含水量高值带与测站东南风强风速带对应。强风速带是水汽、热力、动力输送带，也是触发对流的重要系统。中尺度云团在暖湿急流输送带上发展，在暴雨区有强回波单体持续不断地移过，形成“列车效应”，影响达10 h。18日14-20时，急流有所减弱，回波及垂直积分液态水含量随之减弱。总之，在低空东南风急流轴上形成的强回波带、垂直积分液态水含量高值带维持时间长，中尺度对流系统形成“列车效应”，是引发大暴雨、特大暴雨的重要因素。

图6 2018年8月18日08时、10时、14时河南商丘雷达0.5°仰角基本反射率因子(a、b、c)、径向速度(d、e、f)和垂直积分液态水含量(g、h、i)

3.4 中尺度对流系统的发展机制

位涡既与大气涡度有关，又与大气位势有关。无论干位涡还是湿位涡，均有助于揭示暴雨过程发展演变机理，具备守恒性。对流层上部的位涡扰动下传，可以引起对流层下部及地面的低涡或气旋发展，有利于暴雨和对流天气的加强[21]。位涡计算公式为

(1)

分析18日02-20时500 hPa位涡场可知，高位涡中心随台风系统从安徽逐渐移入河南东南部，特大暴雨落区位于高位涡中心北侧200 km范围内。沿34.39 °N暴雨中心作位涡纬向垂直剖面图(图7)。由图7(a)可知，18日02时，强降水发生前夕，在400 hPa高度，台风低压环流中有一个1.5 PVU 的高位涡中心，其底部向西倾斜，随台风系统向西移动。根据位涡反演理论[22]，向前移动的高位涡对其下层大气具有吸进前缘处空气向上运动的作用。分析中高层温度平流发现，18日08时，400-500 hPa高度台风西北侧存在冷平流，500 hPa在山西南部有-4×10-5K·s-1的冷平流中心，冷空气向东南侵入台风环流，形成上干冷、下暖湿的不稳定层结。对流层中高层具有高位涡和低位温特征的干冷空气侵入台风环流，可以激发中尺度对流，在气旋暴发性发展、暴雨增幅、位势不稳定增强等方面具有重要作用[23-24]。18日08时(图7b)，在暴雨区出现从400 hPa高度向下传播的高位涡舌，1.5 PVU的等位涡线向下伸展至近地面。高位涡区诱生气旋性环流，并向下伸展，与低层锋区作用，造成温度、风场扰动，辐合加强，涡度增加，促使对流不稳定能量和潜热能的释放。18日08时500 hPa高度上在河南东部形成一个最大垂直速度达-5.2 Pa·s-1的上升中心,该中心与特大暴雨落区对应。高位涡下传，激发中尺度对流系统发展，是引发极端降水的重要机制。

图7 2018年8月18日02时(a)和08时(b)位涡场与风场

4 结 论

通过对“温比亚”台风造成的河南特大暴雨过程中环流背景、中尺度对流系统特征及发展机制等进行分析，得到以下结论：

(1)台风低压环流与中纬度西风槽、副热带高压、高低空急流等天气系统共同作用造成了河南的特大暴雨过程。西风槽携带冷空气东移与台风环流暖湿空气交汇，不仅有利于产生强降水，且有利于台风减速停滞，为引发特大暴雨创造了条件。高空急流轴右侧槽前的偏差风辐散对降水具有增幅作用。高空急流、朝鲜半岛附近副高增强，促使台风转向。低空急流为台风低压维持及环流中的中尺度对流系统发展提供了充沛的水汽、热力、动力条件。

(2)低槽携带向东南扩散的冷空气分别从925-850 hPa和400-500 hPa两个层次侵入台风低压环流。低层冷空气与台风环流中的暖湿空气在河南中东部形成θse线密集、宽度约200 km、θse差值达12 K的能量锋，有利于辐合和暖湿空气抬升。台风东北象限维持的MCL在冷空气侵入和台风逐渐停滞过程中增强并长时间维持，触发中尺度对流系统发展，对暴雨增幅和落区具有决定性作用。

(3)400-500 hPa高度冷空气向东南侵入台风环流，形成上干冷、下暖湿的不稳定层结。对流层中高层具有高位涡和低位温特征的干冷空气侵入台风环流，激发中尺度对流。位于400 hPa附近的高位涡中心下传至近地面，造成低层温度、风场扰动，辐合加强，涡度增加，促使对流不稳定能量和潜热能释放，是引发极端降水的重要机制。

(4)在台风中心东北侧低空东南风急流轴上形成的强回波带、垂直积分液态水含量高值带维持时间长，中尺度对流系统形成“列车效应”。强降水落区位于水汽通量辐合高值区与能量锋重叠的地区，集中于倒槽底部的地面辐合线附近。强降水由1个中α云团和4个中β云团造成，其中中α云团面积大，维持时间长，对降水的贡献最大。