台风“鲇鱼”(1617)导致的江西持续性暴雨天气过程成因

张娟娟，刘 波，张 瑛

1. 江西省气候中心，江西 南昌 3300962. 江西省气象台，江西 南昌 330096

0 引 言

登陆以后的台风会因摩擦耗损而趋于衰亡，但有的登陆台风衰减后的剩余低压在一定条件下会再度加强，造成比登陆时更为严重的灾害。热带气旋登陆后引发的暴雨是我国的主要气象灾害之一(陈联寿和丁一汇，1979)。王瑾等(2007)对台风“麦莎”登陆后暴雨落区分布进行诊断分析，探讨台风云系的非对称结构及强雨区非对称分布的形成原因。程正泉等(2005)研究表明，台风登陆时在其前进方向右侧的暴雨范围及强度往往大于左侧。若台风登陆后能长时间与低空急流保持联结，则对台风残涡维持和持续性强降水形成有利(李英等，2004；程正泉等，2009；郭达烽等，2013)。孙兴池等(2009)对台风暴雨个例分析表明，低空急流携带的暖湿平流导致低层增暖增湿而使得不稳定层结维持。也有研究指出当冷空气入侵台风西侧使其获得斜压能量，有利于台风低压维持和降水增幅(许爱华等，2006；刘维鑫等，2016)。由此可见，登陆台风暴雨的形成不仅涉及台风路径、强度、移速、本体结构，还与环境场条件、地形等诸多因素密不可分。因此,在日常预报业务中如何准确预报深入内陆台风的暴雨，仍然是需要解决的技术难点。

2016年深入内陆进入江西的第17号台风“鲇鱼”，其中心在江西境内仅维持5 h，却给江西多个地区带来大暴雨，个别区域特大暴雨，3 h雨量接近100 mm，最大24 h雨量超过300 mm，灾害造成严重的经济损失。文中，利用常规地面观测资料、卫星和雷达资料以及NCEP再分析资料，对台风“鲇鱼”在江西引发的持续性暴雨天气过程进行分析，力图揭示此次台风暴雨过程的成因和机理，以期为登陆台风暴雨预报提供参考。

1 台风概况和风雨影响

2016年第17号台风“鲇鱼”于9月23日08时(北京时，下同)在西北太平洋上生成，26日08时其中心位于距离台湾台东市东偏南方向680 km海域，中心附近最大风力有14级(42 m/s，强台风级)。27日14时在台湾花莲县沿海登陆，28日04时40分前后在福建惠安县沿海再次登陆，中心附近最大风力12级(33 m/s，台风级)。28日夜间在福建龙岩境内减弱为热带低压，29日02时前后进入江西境内，其风力进一步减弱，已很难确定环流中心，中央气象台于08时停止对其编号。

受台风影响，从9月28日开始江西大部分地区出现暴雨，局部大暴雨，个别站点出现特大暴雨。暴雨范围广是此次天气过程特点之一。此次降水天气过程还可分为两个阶段：第一阶段台风本体降水(图略)，28日08时—29日08时暴雨区主要位于江西省南部和中南部；第二阶段台风与冷空气相结合降水，29日08时—30日08时暴雨区位于江西省西北部。此次台风暴雨过程共导致江西省71个县(市、区)的822个站点出现大暴雨，103个县(市、区)的3 202个站点出现暴雨，其中宜黄县和庐山市为整个暴雨过程的最大中心。过程雨量居前三位的分别是宜黄县杨坊村223.5 mm、中堡村173.3 mm和庐山市小天茶池173.3 mm。杨坊村强降雨主要集中在28日至29日凌晨，此后降水明显减弱。小天茶池强降雨分为两个阶段，第一阶段28日晚上至29日凌晨，第二阶段29日白天至夜间。两站的小时雨强均不强，除小天茶池有2个时次的雨强超过20 mm/h以外，其他时次雨强均在20 mm/h以下，但是两站雨强超过10 mm/h的时长则分别达9 h和14 h，可见强降雨持续时间较长。受台风暴雨影响，江西省抚州市临川区、宜黄县以及南昌市新建区不同程度受灾，特别是农业受到重创而损失严重。

受冷空气和台风共同影响，此次暴雨过程还伴有大风，8—9级大风持续时间长、范围广，时间为28日08时—29日20时，超过36 h(鄱阳湖地区)；29日08时庐山最大风速达到25 m/s，星子28日20时最大风速达到24 m/s。从江西省南部到北部平原河谷地区均出现大风，但主要集中在赣江沿岸和鄱阳湖周边地区。另外，此次过程还伴有明显降温，江西省大部分地区29日最低温度比28日下降了7—9 ℃，其中彭泽下降了14 ℃。

2 环流形势与云系特征

分析28日08时(图1a)至29日08时(图1b)500 hPa高度层环流形势发现，欧亚中高纬地区一直维持纬向环流，中西伯利亚地区至我国新疆北部有高原槽东移发展。低纬地区副热带高压稳定维持在海上，其脊线位于30°—33°N。我国四川、贵州等地为大陆高压控制。台风处于大陆副热带高压和西太平洋副热带高压之间的鞍型场中，并沿西太平洋副热带高压西南侧的东南气流逐渐往西北方向移动，其天气系统配置整体稳定。因受地面冷空气阻挡，台风移动缓慢，移速为15—25 km/h。29日08时新疆北部高原槽东移，20时移至陕西、河南、湖北地区，同时“鲇鱼”减弱后的台风低压继续西行，其强度明显减弱，两者在江西省西部相互结合作用。

图1 2016年9月28日08时(a)和29日08时(b)500 hPa层位势高度场(单位:dagpm)Fig. 1 500-hPa geopotential height fields (unit:dagpm) at (a) 08:00 BT on 28th September, 2016 and (b) 08:00 BT on 29th September, 2016

28日凌晨台风登陆时本体环流完整(图略)，中低层辐合深厚，最高到达500 hPa层，这有利于上升运动的建立和维持。台风中心附近的密闭云区仍然发展旺盛，受偏东气流引导，云区内不断有中尺度对流云团分裂并经过江西省中南部，造成大范围暴雨；同时台风北侧倒槽一直延伸至长江中下游地区，江西省北部处于倒槽的辐合动力抬升区，倒槽后部有东北向、偏东向、东南向三支气流交汇于江西省北部，三支气流的大风速核均超过20 m/s。三支强气流的交汇，一方面增强低层动力抬升强度，另一方面使得水汽往暴雨区上空源源不断输送，有利于台风暴雨的增强。29日850 hPa层以上的低压倒槽向西北方向移动，台风本体环流减弱，倒槽内东北向和东南向两支气流的强度明显减弱，其中后者风速为12 m/s。可见相较于28日，29日更有利的条件是500 hPa层低槽东移与台风环流在江西省西北部相结合。28—29日副热带西风急流稳定位于35°—40°N，江西地区上空处于副热带西风急流入口区的右侧。高空辐散的抽吸作用有利于维持深厚持久的上升运动，也有利于低层气压进一步降低，维持台风强度，从而形成持久性降水。

在第一次登陆后，台风“鲇鱼”原来的完整对称结构逐渐遭到破坏，但是，由于台风东南侧和东侧的急流仍与暖湿洋面连接，因此低空急流仍可继续向台风进一步输送暖湿空气，这有利于台风东南侧、东侧和东北侧云团的发展(图2a)。由于台风进一步向内陆西北方向移动，台风的对流云系逐渐往北推移，在此过程中其结构更加松散(图2b、c)，但台风中心附近的福建、江西交界处仍有强对流云团发展，云团逐渐西北行影响江西省东南部地区，其TBB中心值小于-60 ℃。上游福建地区仍有中尺度对流云团发展，在未来时间内也会影响江西省东南部，形成持续性降水。分析还发现，除了在台风本体内有对流云团发展，在台风北侧的东北向、偏东向、东南向三支急流交汇区也有一条明显的密闭云团发展，28日其TBB中心值小于-50 ℃。29日台风环流进一步北移减弱，其北侧的环流也北抬西行(图2d)，其中的主要对流云团发展也进一步减弱，结构更为松散，对流云团主要影响江西省西北部，其TBB值小于-30 ℃。

图2 2016年9月28日08时(a)、13时(b)、20时(c)、29日01时(d)TBB分布(单位：℃)Fig. 2 Distributions of TBB (unit:℃) at 08:00 BT (a), 13:00 BT (b) and 20:00 BT (c) on 28th September, 2016 and 01:00 BT on 29th (d) September, 2016

3 水汽分布及演变特征

分析850 hPa层水汽通量(图3)和水汽通量散度(图略)发现，虽然台风已经登陆，但是水汽输送通道仍然维持。台风东侧有水汽通量中心，水汽通道从水汽通量中心一直往南延伸至洋面上，形成一条水汽输送带。低层850 hPa自东海至暴雨区的水汽通量中心达64×10-5g/(cm·hPa·s)。在水汽通量中心左侧存在水汽通量散度中心，其值达-18×10-7g/(cm2·hPa·s)。暴雨区附近有较强的水汽输送和辐合，为强降水提供了充足的水汽。850 hPa层上有一支由偏南风和偏东风汇合而成的低空急流，其中心风速大于20 m/s，急流将海上的水汽和热量源源不断输送至台风暴雨区。

图3 2016年9月28日08时(a)和20时(b)850 hPa层水汽通量分布(单位:g/(cm·hPa·s))Fig. 3 Vapor flux distributions (unit:g/(cm·hPa·s)) of 850 hPa layer at 08:00 BT (a) and 20:00 BT (b) on 28th September, 2016

分析宁都和庐山两个暴雨中心的水汽通量散度时间-高度剖面(4a、b)可知，水汽辐合主要发生在600 hPa层以下的中低层。在暴雨发生前6 h，暴雨区上空已逐渐有水汽辐合区形成。宁都站从28日开始低层一直存在水汽通量辐合，至28日夜间水汽辐合逐渐增强，对应28日宁都站出现持续性强降水。29日凌晨，水汽通量散度大值区逐渐向上伸展至600 hPa层附近，在低层形成深厚的水汽辐合区。29日白天850 hPa层以下均为强的水汽辐合区，其中心强度达-12×10-7g/(cm2·hPa·s)。庐山站降水分为两个阶段，一是27日台风倒槽附近的降水，低层有水汽辐合中心，持续时间不长；二是从28日夜间开始台风环流与冷空气相结合形成的强降水，700 hPa层以下为持续的强水汽辐合区，其中心强度达-6×10-7g/(cm2·hPa·s)，对应29日庐山站出现持续强降水。

图4 宁都(a)、庐山(b)水汽通量散度的时间-高度剖面(单位:g/(cm2·hPa·s))Fig. 4 Time-height profiles of water vapor flux divergence (unit:g/(cm2·hPa·s)) at Ningdu (a) and Lushan (b)

4 台风降水多尺度特征

4.1 第一阶段台风本体降水

4.1.1 台风本体影响

分析台风低压维持期间28日14时涡度和垂直速度沿116°E的垂直剖面(图5a)发现，28°N以南均为大范围的正涡度区，涡度零线达150 hPa层，其中心值为24×10-6s-1。由此可知，28日台风登陆以后，即使其强度减弱、环流逐渐被破坏，但中心附近仍维持上下层一致的垂直正涡度柱结构，台风低压仍然是大范围的深厚系统，有强盛的旋转和垂直上升运动。分析各时次中低层涡度场(图略)发现，正涡度区主要位于台风低压中心以及台风北侧风向辐合带，同时覆盖浙江、福建、广东东部、江西东南部等地区。28日江西省东南部上空的正涡度区与暴雨区分布较为一致。随着台风低压的减弱，暴雨区上空正涡度中心的强度逐渐减弱。分析宁都单点垂直速度随时间的分布(图5b)发现，在江西强降水区上空27°N附近，从28日下午开始整层的持续而强有力的上升运动一直存在，其最大高度达200 hPa层。其中最强上升时段为28日夜间至29日上午，上升运动中心位于850 hPa层附近，对应于江西省东南部的强降水中心。

图5 2016年9月28日14时涡度(等值线，单位：10-6 s-1)、垂直速度(阴影，单位Pa/s)沿116°E垂直剖面(a)和宁都单点10倍垂直速度的时间-高度剖面(b)Fig. 5 Vorticity (contour; unit:10-6 s-1) and vertical velocity (shadow; unit:Pa/s) along 116°E vertical section at 14:00 BT 28th September, 2016 (a), time-height section of 10 times vertical velocity at Ningdu (b)

4.1.2 对流层低层偏东气流作用

分析地面形势场(图略)发现，27日高压中心位于内蒙古，其强度为1 032.5 hPa，位于高压底部的偏东气流的风速为10 m/s左右。28日高压中心逐渐东移南压，强度为1 025 hPa，高压底部的偏东气流逐渐加强。随着高压中心继续东移南压，高压中心与台风低压之间的气压梯度进一步增大，台风底部的偏东气流也随之再度加强，风速达到28 m/s。分析850 hPa层流场和散度场(图略)发现，28日台风北侧和东侧各存在一支中心风速大于20 m/s的东北气流和偏东气流，这两支气流呈气旋式旋转并且逐渐汇合，在30°N附近形成气流强辐合带；在气流交汇区附近为强的散度辐合中心。同时台风高层存在明显的偏东气流与偏南气流的风向、风速辐散区，正好对应于低层台风中心偏北侧的辐合带，形成“高层辐散、低层辐合”的垂直耦合，有利于气流垂直运动的加强，为暴雨天气提供了动力条件。同时，在此垂直耦合区域云图上存在东北—西南向发展的螺旋云带(图略)。

4.2 第二阶段冷空气与台风形成稳定降水

何立富等(2006)研究指出，中纬度地区冷空气从850 hPa层以下低层不断侵入台风低压的北部，增强了其北侧的东北气流，与来自东部海面的东风气流在台风低压北部形成汇合，造成大暴雨。另外李英等(2004)研究表明，台风北侧、西侧的冷空气与低压环流结合有斜压锋生作用，有利于强降水维持或发展。

4.2.1 冷空气作用

此次异常大暴雨过程同样与低层冷空气有关，虽然高空槽冷空气主体位置偏北，但从温度平流沿115°E的垂直剖面(图6a)来看，从28日早晨开始，中低层700 hPa以下一直到边界层1 000 hPa都有冷平流逐渐南下至长江流域，冷平流输送最强在900 hPa层附近，在30°—32°N附近形成冷堆，冷平流中心强度达-26 K/s。至29日上午(图6b)，25°—30°N地区中低层以下700—1 000 hPa层暖平流输送同样明显，而最强暖平流出现在850 hPa层，其中心强度达28 K/s。冷、暖平流交汇在30°N附近，从28日凌晨至29日下午(图略)形成长达36h的对峙，冷空气侵入暖湿气流底部，形成冷垫，使得台风低压的暖湿气流在冷空气之上滑行，两者相互作用，增强了大气的斜压性和低层辐合动力抬升作用。

图6 2016年9月28日08时(a)、29日08时(b)温度平流(单位:K/s)沿115°E的垂直剖面Fig. 6 Temperature advections (unit:K/s) along 115°E vertical section at 08:00 BT on 28th September, 2016 (a) and 29th September, 2016 (b), respectively

同时，分析28日925 hPa层流场(图略)发现，华北低槽引导冷空气从低层南压至长江中下游一带。南压的冷高压与台风低压之间的气压梯度明显增大，导致台风北侧的偏东气流明显加强，形成了风速为20 m/s左右的东北向急流。这支急流与台风低压东部的东南气流和偏东气流在暴雨区附近上空交汇，一方面使得台风北部的动力辐合和上升运动得以加强和维持，另一方面将东部洋面上的水汽持续不断地输送至暴雨区上空，形成台风北侧暴雨区的水汽输通道，两方面的作用使得江西省北部地区暴雨显著加强。

4.2.2 冷空气、热带低压相互作用的锋生过程

第4.2.1节分析表明，此次异常大暴雨过程与低层冷空气有关，冷空气侵入暖湿气流底部而形成冷垫，使得台风低压中的暖湿气流在冷空气上抬升辐合。

分析28日白天低层850 hPa层的θse水平分布(图7)发现，08时锋面位于32°N以北地区，从广东至福建上空存在一个南北向分布的θse高值区，不稳定能量被源源不断从海上输送到大陆，使得高能舌在28日暴雨过程期间持续存在，暴雨区位于高能舌的顶端。江淮流域以北为θse低值区，28日夜间随着冷空气的不断南移。冷空气从湖北、湖南沿中路南下形成θse低值区，尤其在湖北、湖南、江西三省交界处形成θse低值中心，其强度为330 K。随着冷空气锋区南压，在台风西侧的江西省上空θse明显增强且梯度增大，尤其是江西省西北部冷暖空气交汇区锋生作用明显，锋生加强触发降水的再度加强发展，对应29日庐山出现强降水。

图7 2016年9月28日08时(a)、29日02时(b)850 hPa层θse分布(单位：℃)Fig. 7 The θse distributions of 850 hPa layer at 08:00 BT on 28th September, 2016 (a) and 02:00 BT (b) on 29th September, 2016 (units:℃), respectively

分析θse沿115°E的垂直剖面(图略)发现，28日08时锋面位于32°N以北，江西上空基本为暖湿空气控制，26°—28°N区域上空600 hPa层有大于344 K的高值区，同时在400—500 hPa层内有干冷空气向南扩展，并且逐渐向低层扩散，此时暴雨出现在弱的对流不稳定区。29日凌晨，在边界层内冷空气南下，主体锋区位于30°—32°N，而在锋区南侧28°—30°N之间区域θse梯度增大。能量锋区的加强，一方面使得台风低压的不稳定能量得到进一步释放，另一方面也使得低层的动力抬升作用增强。

4.3 高低空急流的相互作用

强降水期间，随着高空槽东移，江西地区上空一直处于副热带西风急流入口区的右侧，反映在云图上呈反气旋弯曲的急流边界十分清晰，表明高空急流增强，入口区的辐散也增强。江西省北部还存在明显的偏东气流与偏南气流的风向辐散(图略)，高空辐散的抽吸作用有利于维持深厚持久的上升运动，并且也有利于低层减压，维持台风强度，从而造成持久降水。同时从850 hPa层风速大于12 m/s的偏东风急流区演变来看，随着台风逐渐向西北方向行进，偏东气流的12 m/s以上大风速区也逐渐西传。江西省中北部处于高空急流右侧的辐散区，低空急流核西传，江西省中北部处于低空急流的顶端，“低层辐合、高空辐散”的上下层配置激发了对流天气的发展。同时低空急流的西传，使得洋面上的暖湿空气输送增强，进而低层的位势不稳定能量增加。强降水出现在高空急流核右后方强辐散区和低空急流核前侧强辐合区。

4.4 地形作用

陈瑞闪(2002)研究指出，地形引起降水增幅主要取决于两个因素:一是低层风速，风速愈大地形对降水的增幅作用愈强；二是气流的暖湿程度，气流愈暖愈湿，地形对降水的增幅作用愈明显。当台风趋近陆地时，因地形影响台风前部的低空辐合加强。台风登陆后，受山脉影响经常会在台风右前方出现强烈天气。在“鲇鱼”登陆进入江西后的本体降水阶段，28日08时沿暴雨中心25°N合成的纬向环流垂直剖面(图8a)显示，台风偏东气流在山脉处被明显抬升，在116°E附近边界层至低层出现气旋辐合中心，与之对应的宁都出现强降水中心。29日02时台风进一步往西北方向移动，结合庐山地形分析此时纬向环流垂直剖面(图8b)发现，庐山西部为高山，东部为平原，强盛的东南暖湿气流经平原输送至山区，受地形胁迫而抬升，因此处于山前迎风坡的庐山产生此次暴雨过程中最强降水。再者，江西省北部的强偏东气流和南部的强东南气流与山脉走向存在较大的交角，这进一步加剧水汽的地形辐合。由此可知，地形对此次台风暴雨增幅也有一定贡献。

图8 2016年9月28日08时(a)、29日02时(b)水平风速和10倍垂直速度合成环流分别沿25°N和29°N的垂直剖面Fig. 8 Horizontal wind speed and 10 times vertical speed combined circulation along the vertical section of 25°N at 08:00 BT on 28th September, 2016 (a), and 29°N at 09:00 BT on 29th September, 2016 (b)

5 小 结

利用常规地面观测、卫星、雷达资料以及NCEP再分析资料，分析了台风“鲇鱼”在江西引起的持续性暴雨天气过程的成因和机理，发现：

1) 台风在西行过程中天气系统稳定维持，台风移动非常缓慢，持续的天气尺度动力抬升有利于一定雨强的稳定性降水维持，这是在江西产生区域性暴雨、局部大暴雨天气原因之一。另一方面则是由于台风系统与冷空气相互作用，延长了强降水时间，也使得降水再度增强。

2) 台风登陆后水汽输送通道仍然维持，主要存在于中低层的水汽输送带为强降水发生提供充足的水汽和热力条件。水汽通量中心和水汽辐合区对强降水落区具有一定的指示意义。

3) 登陆以后台风强度减弱，但仍维持大范围的正涡度区，且主要位于台风低压中心和台风北侧风向辐合带。正涡度区中心附近中尺度对流云团的生成发展，形成持续性强降水。台风北侧的偏东气流的气旋式旋转、汇合而形成的气流强辐合带，与台风高层气流辐散区共同形成高低层的垂直耦合，增强了天气系统的动力抬升。

4) 低层冷空气侵入台风低压北部，与台风暖湿气流形成长时间对峙。冷空气与台风环流间的相互作用，增强大气斜压性和低层辐合动力抬升作用，有利于强降水的维持和发展。

5) 台风影响期间，江西省北部风向与山脉走向存在较大的交角，加剧了水汽的地形辐合，地形对降水的增幅作用明显。