辽宁东南半岛两次北上台风暴雨特征及成因对比分析

崔曜鹏 杨磊 孙丽 高艳波 魏海宁 华婧婧 崔景轩 刘春溪

（1.东北冷涡研究重点开放实验室，辽宁 沈阳110166；2.本溪市气象局，辽宁 本溪117000；3.辽宁省气象灾害监测预警中心，辽宁 沈阳110166）

引言

辽宁省位于渤海、渤海海峡和黄海北部，是热带气旋可直接登陆并造成影响的中国最北的省份。近年来，台风北上导致辽宁出现大风、强降水天气，常常引发城市内涝、山洪、泥石流和山体滑坡等灾害，严重危害该地区人民生命财产、国防建设及工农业生产，有关部门已开展了登陆辽宁省台风的相关分析研究［1-3］。针对中国不同地区登录的台风气候特征、暴雨形成机制等也已有大量的研究［4-10］。陈传雷等［1］统计了1949—2010年登陆辽宁热带气旋特征，66%以热带低压的强度登陆，89%在其他地区登陆进入黄渤海后在辽宁再次登陆，台风在辽宁登陆后移动路径主要有东北向、偏北向和西北向3种移动路径。由于台风本身具有有利于产生辐合辐散的环流形势，同时携带充沛的水汽，可以造成强降水，即使在北上过程中可能变性减弱为温带气旋，但常受到冷空气侵入或从其他台风获取持续的暖湿能量供给，同样可以形成区域性暴雨［11-14］。台风登陆后形成暴雨的因素复杂，且通常具有非对称性特征［15-16］。目前对北上台风进入黄、渤海后登陆影响辽宁的研究仍较少，多台风相互作用形成暴雨的个例研究还不多，北上台风降水预报仍然是预报业务上的薄弱环节，因此有必要加强北上台风暴雨的研究。

2010年以来，辽宁省多次受到北上台风影响，造成区域性暴雨天气，其中以2012年“达维”和2017年“海棠”台风对辽宁造成的暴雨影响最大，两次过程均导致辽宁东南半岛出现区域性暴雨，两次台风暴雨的降水及其影响因素有待于进一步对比分析。因此，本文利用多种资料对这两次台风暴雨期间降水特征的差异性及形成这种差异的原因进行探讨，以期加深对北上台风暴雨形成机制的认识，为台风暴雨预报以及辽宁东南半岛暴雨预报提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用资料包括美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）提供的空间分辨率1°×1°、时间间隔6 h的再分析资料。地面自动气象站观测的降水资料。FY-2G红外云图0.1°×0.1°逐小时云顶黑体辐射亮温（TBB）（由国家卫星气象中心提供）。雷达资料使用营口SA波段多普勒雷达反射率因子和径向速度资料。

1.2 研究方法

首先利用地面降水资料分析两次暴雨期间降水特征差异，然后利用卫星和雷达资料对比中尺度对流系统的结构特征。最后从天气学角度入手，利用NCEP再分析资料对比两次暴雨过程环流形势，并计算水汽通量、水汽通量散度、假相当位温等物理量，筛选距离暴雨点最近网格点（123°E，40°N）的探空曲线，重点对比两次暴雨发生期间环境物理量和Tlog P图特征差异，进而分析两次暴雨过程降水特征差异的原因。

2 结果分析

2.1 降水实况对比

由于2012年和2017年台风减弱后的残余低压北上影响辽宁，辽宁省东南半岛分别出现了两次极端暴雨过程。图1为两次极端暴雨过程雨量变化和根据NCEP再分析资料海平面气压场的低压中心定位台风停编以后的残涡中心位置。2012年8月2日20：00至4日08：00期间（以下简称过程1），“达维”残余低压C从山东进入渤海湾后，逐渐向东北移动影响辽宁南部，导致辽宁东南部出现区域性大暴雨天气，最大降水量出现在庄河市仙人洞镇，累积雨量达到330 mm，最大小时雨强为瓦房店市红河镇的51 mm·h-1。2017年8月2日“海棠”台风减弱后的低压D1与西风槽东移带来的干冷空气结合，在地面形成了新生气旋D2。3日20：00至4日20：00（以下简称过程2），辽宁东南半岛受到逐渐减弱并向东南移动的“海棠”残余低压和北上的新生气旋共同影响，出现区域性大暴雨天气，最大降水量出现在岫岩县哨子河乡马岭村，累积雨量达到503 mm，最大小时雨强为岫岩县哨子河乡永贵村的113 mm·h-1。两次暴雨过程中，闪电定位仪显示辽宁省东南半岛存在弱雷电天气，地闪次数分别为21次和55次，过程2 中对流性特征要更强。对比两次降水过程（表1），过程1降水特点是暴雨站点个数多，辽宁中南部大部分累积雨量达到100—250 mm，同时持续时间长，持续时间达30 h。过程2的特点为降水主要集中在辽宁南部山区一带，小时降雨量超过50 mm站次高达125站次，小时雨强明显大于过程1，但是过程2的持续时间较短，大部分站点降水持续仅12 h。虽然两次过程均出现特大暴雨，但是雨强和持续时间存在明显差异，下文将对导致降水特点差异的主要因素进行分析。

图1 2012年8月2日20：00至4日08：00过程1（a）、2017年8月3日08：00至4日20：00过程2（b）累积降水量分布、过程1（c）和过程2（d）暴雨过程主要降水时段单站逐时雨量Fig.1 Distribution of cumulative precipitation from 20：00 on August 2 to 08：00 on August 4，2012，during Process 1（a）and from 08：00 on August 3 to 20：00 on August 4，2017，during Process 2（b），and variation of hourly precipitation at typical stations during Process 1（c）and Process 2（d）

表1 2012年8月和2017年8月辽宁两次特大暴雨过程降雨概况Table 1 Information of precipitation during the two extreme rainstorm s in August of 2012 and 2017 in Liaoning province

2.2 中尺度分析

2.2.1 卫星红外云图对比

2012年和2017年辽宁两次台风暴雨过程中的卫星红外云图演变见图2，两次强降水期间均受到中尺度对流云团的影响。过程1，2012年8月2日夜间，“达维”主体云团虽然位于山东半岛，但是受其远距离影响，在辽东半岛和渤海一带激发了中尺度云团A1（图略）。3日05：00（图2a），A1云团尺度达到100 km，云顶黑体亮温（Black Body Temperature，TBB）最低达到-52℃，受其影响，辽东半岛出现了20—40 mm的短时强降水。05：00开始，随着“达维”逐渐北上，倒槽影响辽宁南部，台风主体北侧的降水云不断生成发展，在08：00合并为近300 km的中尺度云团A2（图2b），A2云团TBB最低达到-52℃，对流云TBB低值中心处出现本次过程最大小时雨强51 mm·h-1（图2c）；同时A2影响辽东半岛长达10 h，是过程1中影响辽东半岛降水时间最长的对流云，辽东半岛在3日白天出现持续性降水。3日20：00（图2d），“达维”主体已经北上到渤海西部，位于“达维”北侧倒槽的降水云团A3从渤海海峡北上影响辽宁，随后“达维”主体云团A4也向东北方向移动，A3和A4共同导致3日傍晚至夜间的降水，但是由于北上过程中降水云逐渐减弱，TBB仅为-42℃，小时雨强也降低到30 mm·h-1以下。过程1期间受到多个强降水云团共同作用，导致辽宁南部出现持续暴雨天气。

图2 2012年8月3日过程1的05：00 TBB（a）、08：00 TBB和500 hPa位势高度（b）、12：00 TBB（c）、20：00 TBB和500 hPa位势高度（d）、2017年8月3日过程2的21：00 20：00 500 hPa位势高度（e）、4日01：00 TBB（f）、03：00 TBB和02：00 500 hPa位势高度（g）、06：00 TBB（h）Fig.2 Distribution of temperature of black body（TBB）at 05：00（a），TBB and geopotential height at 500 hPa at 08：00（b），TBB at 12：00（c），and TBB and geopotential height at 500 hPa at 20：00（d）on August 3，2012，in Process 1，and distribution of TBB at 21：00 and geopotential height at 500 hPa at 20：00 on August 3（e），and TBB at 01：00（f），TBB at 03：00 and and geopotential height at 500 hPa at 02：00（g），and TBB at 06：00（h）on August 4，2017，in Process 2

过程2，2017年8月3日21：00开始，辽宁省岫岩县开始有小尺度云团生成（图2e），逐渐发展成中α尺度云团B1，并向东北方向移动。4日01：00（图2f），岫岩县再次触发新生小尺度云团B2并且发展迅猛。中尺度云团B2更是长达8 h影响岫岩县，在此期间虽然逐渐向东移动，但是从雷达回波图上发现，在中尺度云团的尖端不断有新生对流单体生成，并且直接涌入到中尺度云团中，进而导致中尺度云团移动缓慢同时对岫岩县影响时间更长。4日03：00（图2g），云团B2发展到中β尺度，TBB最低达到-62℃，低于过程1，同时云团梯度也更大，对流云特征更为明显，因此4日05：00—07：00期间，强对流云B2（图2h）导致的最大小时雨强达到113 mm·h-1。4日白天，虽然中尺度云团继续向东移动，但是“海棠”残余低压倒槽在辽宁东南部形成中尺度地面辐合线，继续触发小尺度云团并且涌入到中尺度云团中（图略），导致4日白天岫岩县出现降水。过程2虽然也存在多个云团共同影响的现象，但是新生小尺度积云涌入中尺度云团进而导致中尺度云团稳定少动的现象更为明显，尤其对流云TBB低于-62℃，形成了对流性降水特征明显的极端暴雨过程。

2.2.2 雷达回波特征对比

选取两次过程中的主要降水时段，对比分析雷达回波特征的差异。从营口SA波段多普勒雷达1.5°仰角反射率因子来看（图3a和图3b），过程1中存在多个对流系统形成的列车效应（图略），回波强度达到40—50 dBz，而过程2中对流系统在辽宁东南部生成，并且缓慢向东移动，在其生成区域不断有对流系统生成，存在后向传播现象，因此对流系统表现为准静止状态，同时雷达回波强度达到50—60 dBz，强度更大的对流系统影响岫岩县哨子河乡，是导致哨子河乡极端雨强的根本原因。从雷达回波的剖面来看（图3e和图3f），两次过程强回波中心均较低，是强降水雷达回波主要特征［18-20］。但是两次过程对流系统伸展高度有所不同，过程1中40 dBz雷达回波伸展高度约为6 km，而过程2中40 dBz雷达回波伸展高度接近9 km，这也表明过程2的雷达回波伸展高度更高，体现更多的是对流性降水特征。40 dBz以上的强回波大多集中在5 km（约是0℃温度层的高度）层以下，因此降水也以暖云为主。

图3 2012年8月3日12：17过程1和2017年8月4日04：43过程2营口SA雷达过程1（a），过程2（b）1.5°仰角反射率因子、过程1（c）、过程2（d）径向速度以及沿图a和图b白色实线AB的过程1（e）、过程2（f）反射率因子、过程1（g）、过程2（h）径向速度剖面图Fig.3 Distribution of reflectivity factor w ith an elevation of 1.5°measured by a SA radar in Yingkou at 12：17 on August 3，2012（Process 1）（a）and at 04：43 on August 4，2017（Process 2）（b），and radical velocity in Process 1（c）and Process 2（d），and crossing sections of reflectivity factor along the white AB line in Fig.1a and Fig.1b in Process 1（e）and Process 2（f），and radical velocity in Process 1（g）and Process 2（h）

从径向速度图来看（图3c和图3d），过程1中零等风速线呈S型，在大连和营口地区存在大尺度风场辐合，体现出大尺度气旋北上过程的风场特征［21］，而过程2中雷达风场体现的是中尺度辐合风场特征。从径向速度的垂直剖面来看，过程1中径向速度辐合层仅发展到3 km（图3g），过程2中径向速度辐合层伸展的高度更高，达到9 km，并且向强回波中心倾斜（图3h），这种深厚又倾斜的上升气流更有利于对流系统的继续触发和维持，进而导致雷达回波图出现后向传播的特征。综上，过程1中受到多个对流云团不断影响，降水持续时间更长，但是对流系统表现大尺度气旋雷达特征，降水稳定性特征更为明显；过程2中受到发展更为强盛的对流云影响，降水具有明显的对流性特征。下文将重点从环境条件分析两次暴雨的成因及降水特征差异。

2.3 暴雨成因对比

2.3.1 环流背景

（5）在智能电网的继电保护系统当中，其中的自适应控制技术主要就是根据电力系统的电力故障状态和运行方式的变化来对定值、性能以及保护特性进行相应的改变的技术。自适应继电保护是一种比较新型的继电保护技术，它能够让继电保护技术对于电力系统的多种变化，在很短的时间内就能够完全适应，不仅让智能电网继电保护的可靠性得到了加强，让系统的保护作用得到了明显的改善，让能够显著让经济效益得到提高。

过程1中，2012年8月2日夜间，第10号台风“达维”主体位于山东境内，在缓慢北上过程中由圆形逐渐转为椭圆形，同时中国南海存在另外两个台风，第9号台风“苏拉”从浙江登陆，第11号台风“海葵”在副热带高压（简称“副高”）588 dagpm线南边界生成并旋转，“海葵”对副高南落起到了阻挡作用；内蒙中部的短波槽逐渐东移，东北中部存在冷涡系统（图略）。因此，在2日夜间，“达维”地面倒槽逐渐影响辽宁南部，东北低压后部偏北气流逐渐侵入倒槽顶部，导致2日夜间辽东半岛出现降水。3日白天，“达维”倒槽稳定位于辽东半岛，不断触发中尺度对流云并形成了近300 km的中尺度云团A2。“苏拉”东侧和副高西侧形成了达到24 m·s-1的东南风急流带，“达维”受到东南急流带的引导气流作用逐渐西北上。辽宁东南部位于副高588 dagpm线的西边界（图2b），副高西侧与“达维”、“苏拉”台风东侧形成了横跨120°—125°E、30°—40°N的偏南急流带，源源不断向辽东半岛输送水汽，辽宁东南部位于850 hPa水汽通量锋区上，同时该区域的水汽通量高达20—25 g-1·cm-1·hPa-1·s-1（图4a），非常有利于产生持续性强降水。3日20：00（图略），“达维”中心虽然仍然在山东境内，西风槽已经东移到中国华北中东部，“达维”的引导气流转为副高西北侧与高空槽前的西南气流，因此“达维”开始向东北方向移动，从渤海湾入海口逐渐影响辽宁，因此导致辽东半岛继续出现强降水。

图4 2012年8月3日08：00过程1（a）、2017年8月4日02：00过程2（b）850 hPa风场、水汽通量和海平面气压Fig.4 Distribution of wind field and water vapor flux at 850 hPa，and the sea level pressure at 08：00 on August 3，2012，in Process 1（a）and at 02：00 on August 4，2017，in Process 2（b）

过程2发生前，第10号台风“海棠”已经减弱为狭长型的温带气旋，从中国华北进入辽宁西部，与北方短波槽携带冷空气相遇，狭长的“海棠”北侧生成一个闭合低压系统，逐渐向东北方向移动，而“海棠”残余低压稳定维持在中国江淮北部至华北地区［22］。2017年8月3日夜间（图4b），850 hPa风场显示北上的新生气旋已经到达中国东北中部，海平面中心气压达到992.5 hPa，狭长的“海棠”残余低压跨度长达10个纬度。500 hPa，584 dagpm线的西北边界影响辽宁，第5号台风“奥鹿”在副高南边界，也对副高东退南落起到阻挡作用（图2g）。在“海棠”残余低压与副高西侧存在横跨30°—40°N的偏南气流水汽通道，辽宁东部沿海水汽通量与过程1相同，也达到20—25 g-1·cm-1·hPa-1·s-1。值得注意的是，北方短波槽以及北上气旋后部冷空气不断南下，与“海棠”残余低压东侧源源不断输送来的暖湿空气在辽东半岛交汇，进而导致辽宁南部在3日夜间出现特大暴雨天气，尤其小时雨强最大甚至达到113 mm·h-1。4日白天，狭长的“海棠”稳定维持在辽宁东南部（图略），导致4日白天辽宁东南部继续出现降水，但是由于东北气旋已经北上至黑龙江省，并没有北方冷空气侵入到暖湿气流中的现象，所以辽宁东南部降水强度有所减弱。

对比两次过程发现，过程1暴雨在台风倒槽里发展，过程2是在台风输送的暖湿空气与对流层干冷空气的相互作用中产生。两次过程辽宁均受到多台风影响，远距离台风对阻止副高东退南落以及建立北上台风引导气流起到关键作用。

2.3.2 水汽条件对比

两次暴雨期间受到多台风以及副高边缘共同形成的强盛水汽输送带影响，源源不断的水汽输送导致850 hPa有明显的湿舌延伸到辽宁，辽宁东南半岛850 hPa比湿均达到14—16 g·kg-1，同时也存在明显的水汽辐合中心，水汽通量散度的辐合中心也达到-60×10-8g·cm-2·hPa-1·s-1（图5a和图5b），850 hPa比湿和水汽通量散度均达到辽宁登陆台风暴雨过程物理量的预报阈值［23］。

图5 2012年8月3日08：00过程1（a）和2017年8月4日02：00过程2（b）850 hPa水汽通量散度和比湿以及2012年8月3日08：00过程1（c）和2017年8月4日02：00过程2（d）123°E、40°N的T-log P图Fig.5 Distribution of water vapor flux divergence and specific hum idity at 850 hPa at 08：00 on August 3，2012，in Process 1（a）and at 02：00 on August 4，2017，in Process 2（b），and the T-log P p lots at location 123°E，40°N at 08：00 on August 3，2012，in Process 1（c）and at 02：00 on August 4，2017，in Process 2（d）

T-log P图更能体现整层温湿廓线的演变，基于NCEP FNL 1°×1°逐6 h再分析资料制作了123°E、40°N的T-log P图（图5c和图5d），两次强降水过程期间，近地面层相对湿度较大，这也会导致抬升凝结高度较低，降低了蒸发及夹卷作用，有利于降水效率的提高［24］。但是两次过程温湿廓线特征还是存在差异，过程1中整层温度和露点廓线接近饱和并且维持时间更长，整层大气处于接近饱和的状态，这种探空曲线在中国华南和江淮流域暴雨过程中更为常见，有利于出现持续性的强降水［25-26］；过程2中由于北方短波槽和北上气旋后侧干冷空气逐渐南下，这也导致500 hPa以上存在明显的干区，这种上干下湿的水汽分布配合500 hPa以下深厚的饱和层更有利于产生对流性降水［27-28］。从对流层中层侵入的北方干冷空气是“海棠”与“达维”产生不同量级暴雨的关键因素，因此过程2的小时雨强最大达到113 mm·h-1（表1），并且地闪次数要高于过程1。

图6 2012年8月3日08：00过程1（a）和2017年8月4日02：00过程2（b）850 hPa假相当位温和500 hPa相对湿度、2012年8月3日08：00过程1（c）和2017年8月4日02：00过程2（d）假相当位温和风场沿40°N剖面Fig.6 Distribution of potential pseudo-equivalent tem perature at 850 hPa and relative hum idity at 500 hPa at 08：00 on August 3，2012，in Process 1（a）and at 20：00 on August 3，2017，in Process 2（b），and crossing sections of potential pseudo-equivalent temperature and winds along the 40°N at 08：00 on August 3，2012，in Process 1（c）and at 02：00 on August 4，2017，in Process 2（d）

上文提到的位势不稳定是一种潜在不稳定，它的实现需要大尺度系统或地形造成的抬升作用［30］。从辐合辐散特征来看（图7），在两次过程中均存在低层辐合高层辐散的风场特征。过程1，由于从地面到600 hPa，辽宁东南部均受到“达维”台风倒槽的影响，所以在辽宁上空辐合层由地面伸展到500 hPa，辐合中心强度达到-6×10-5s-1，高空400—200 hPa存在明显的强辐散中心，这种低空辐合、高空辐散的散度场导致上升运动区发展到200 hPa，同时最大上升速度达到-2.4 Pa·s-1。而过程2仅在800 hPa以下存在辐合风场特征，辐合中心虽然也达到-6×10-5s-1，但是并没有高空辐散风场的现象。所以过程1中，大尺度辐合辐散造成的上升速度区发展的高度和强度均高于过程2。另外，由于辽宁东南半岛为长白山余脉，当台风残涡缓慢移动时，其源源不断输送的偏南气流沿着地形爬升会产生持续性的抬升，这可能是在过程2中，不断在辽东半岛触发强降水云团的原因，最终造成岫岩县出现特大暴雨。

图7 2012年8月3日08：00过程1（a）和2017年8月4日02：00过程2（b）风散度、垂直速度和风场沿40°N剖面Fig.7 Crossing sections of wind divergence，vertical velocity，and wind field along the 40°N at 08：00 on August 3，2012 in Process 1（a）and at 02：00 on August 4，2017，in Process 2（b）

3 结论与讨论

（1）2012年和2017年两次北上台风暴雨过程中辽东半岛的降水特征存在差异，过程1为大范围的稳定持续性暴雨过程，持续时间长达30 h，过程2小时雨强明显大于过程1，出现极端小时雨强达到113 mm·h-1的暴雨过程，更多为对流性降水。

（2）过程1中受台风倒槽触发的多个中尺度云团形成的列车效应是导致持续暴雨的主要原因，雷达径向速度具有大尺度风场辐合特征；过程2中由于小尺度单体不断涌入到中尺度云团中，雷达图存在后向传播特征，云顶亮温较低，强回波达到50—60 dBz，中尺度辐合风场特征明显，辐合层伸展高度达到9 km，所以过程2的对流性降水特征更为明显。过程1的暴雨过程在“达维”台风倒槽里发展，过程2的暴雨过程是在“海棠”台风输送的暖湿空气与对流层干冷空气的相互作用中产生。两次过程均受到多台风影响，远距离台风对阻止副高东退南落以及建立北上台风引导气流起到关键作用。