台风“温比亚”造成河南特大暴雨诊断分析

李周 谷秀杰 王友贺 邵宇翔 席乐 栗晗

（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 河南省气象台，郑州 450003）

0 引言

我国是世界上少数几个受台风影响最严重的国家之一，平均每年约有7个台风（包括热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风，下同）在我国登陆，常给人民生命、国家财产和工农业生产等造成重大损失[1]。台风灾害一般包括大风、暴雨以及风暴潮。大风和风暴潮一般发生在台风登陆前后，台风残涡在有利条件下还可以带来超过登陆时的特大暴雨，造成严重灾害。如7503号台风“Nina”其低压深入内陆维持不消，造成著名的“75·8”河南特大洪水，夺去数万人生命[2]。因此对登陆热带气旋的研究一直是气象学者比较关注的一个热点问题。陈联寿等[3]、曾静[4]从能量转换、水汽输送、中纬度斜压锋区和环境风场的变化等方面研究了登陆后热带气旋的维持机制，结果表明，潜热释放和斜压位能释放是近海或登陆热带气旋加强或维持的两种主要能源。对台风暴雨的研究发现[5-6]，深入内陆后的台风，即使强度已经减弱，但其外围经常与北方冷空气相结合，并可能产生极强的降水。关于深入内地、长生命史的台风暴雨的研究，任丽等[7]对台风与中纬度系统相互作用所致暴雨进行了深入分析，当台风低压与西风带低涡逐渐接近过程中，台风东北侧的东南急流把海上的热量和水汽向低涡环流输送，在倒槽切变处辐合抬升，产生暴雨。大暴雨区位于倾斜锋区附近，对流稳定，中层存在湿对称不稳定，有利于加强降水强度。9608号台风自福建登陆后继续北上[8]，给河北、山西带来了几十年不遇的特大暴雨，其成因主要由于，台风低压与副高之间的强气压梯度形成的偏南风急流，将低纬度地区高温高湿的不稳定大气源源不断地输送到华北地区；以及华北北部近地面层弱冷空气扩散南下与南来不稳定大气的相互作用。何丽华等[9]对影响河北两次相似路径台风的湿位涡对比发现，对流层中低层湿位涡正压项（MPV1）＜0、斜压项（MPV2）＞0区域对应暴雨区，对此类暴雨预报具有较好的指示意义；对流层高层高值湿位涡下传，有利于位势不稳定能量的储存和释放，使降水增幅。吴蓁等[10]对台风外围偏东气流中的暴雨及其等熵位涡进行分析发现，大值位涡带与降水区有较好的对应关系，正位涡异常中心的出现对降水的发生发展具有指示意义。

由于台风是大气环流中不断移动的系统，不同的台风，其大气环流背景也各不相同，同一个台风的不同时刻，其周围系统也完全不同。同时，台风带来的风雨天气，也受多种因素的影响，如台风低压自身结构、环境场特征、下垫面湿热程度等。因此每一个登陆台风都有其与众不同的特点，尤其长久维持并且产生强风雨的台风更值得深入研究其机理与成因。2018年第18号台风“温比亚”在河南境内滞留长达40 h，给河南省带来的风雨影响超过50 h，台风低压在河南境内长时间滞留并造成强降水实属罕见，非常有必要进行总结分析，探寻强降水发生发展的物理机制以及台风低压在河南境内长久滞留的可能原因。本文利用6 h间隔1°×1°的NCEP全球再分析资料和高空、地面、逐小时降水等实时观测数据及台风路径等资料，通过相关物理量计算，对此次强降水天气成因进行诊断分析，提炼预报着眼点，以便提高对台风暴雨天气的预报、预警能力，其研究结果将为今后的实际预报工作提供一定技术支撑。

1 过程概述

2018年8月17日08时（北京时，下同）起受台风“温比亚”外围云系影响，豫东南出现阵雨、雷阵雨天气，20时以后，随着台风低压继续西行，河南降水范围由东南逐渐向西、向北扩展；18日凌晨当台风低压进入河南固始，豫东降水明显增强，并稳定维持，直到19日05时台风低压缓慢移出汝南并加速向东北方向移动，豫东强降水才明显减弱。当台风低压进入河南境内后，强降水落区位于台风低压东北象限距离低压中心约250 km处的螺旋云带里。2018年8月17日08时—8月19日20时累计降水量显示（图1a），江苏西南部、安徽大部、河南东部和山东大部均出现100 mm以上的强降水，其中河南东部、安徽北部和山东南部超过250 mm。河南省内京广线沿线及以东地区为暴雨，东部、东北部为大暴雨，商丘地区特大暴雨；区域站雨量站超100 mm的有685站，其中超500 mm的有3站，分别为：柘城远襄集为553.1 mm、睢县长岗为543.2 mm、商丘睢阳区勒马为533.8 mm。1 h最大雨强出现在沙集站，为111.9 mm（18日14—15时）；3 h最大雨强出现在金世纪广场，为198.5 mm（18日08—11时）；6 h最大雨强出现在远襄集，为289.4 mm（18日11—17时）。强降水的同时部分地区伴有8级以上雷暴大风及气旋大风（图1b）。

图1 2018年8月17日08时—19日20时累计降水量（a）和18日国家站大风及雷暴分布（b）Fig. 1 Precipitation from 08:00 BT 17 to 08:00 BT 19 August 2018 (a); distribution of gale and thunderstorm at national stations on 18 August 2018 (b)

本次台风暴雨过程仅次于“75·8”暴雨。据统计是河南省1980年以来首个单站日雨量超过300 mm的台风暴雨过程，国家站日雨量大于50 mm的有46站、大于100 mm的有25站，均位列1980年以来河南台风暴雨过程第三名。过程期间有8个国家气象站日雨量超历史极值，其中夏邑站超历史极值2倍多，商丘站日雨量最大为363.6 mm，其历史极值雨量为193.3 mm。

2 环流背景

由500 hPa副热带高压（以下简称副高）及台风低压演变（图2a）可知，17日20时，副高脊线位于37°N、西伸点达116°E附近，副高主体控制山东半岛到华北南部。随着台风低压逐渐西进，副高快速东退，至18日08时，副高主体已东退到126°E以东，此时台风低压进入河南东南部，副高对台风低压基本无引导作用，台风低压在自身内力作用下，缓慢向西北方向移动。至19日08时，尽管副高主体仍位于120°E以东地区，但31°N附近西脊点明显西扩，这一改变有利台风低压转向东北方。另外18日14时，200 hPa在103°E附近，33°N以北地区有浅槽逐渐发展，而后逐渐加强并缓慢东移。

图2 2018年8月17日20时—8月19日20时588 dagpm线动态图（a），及8月18日14时（b）和20时（c）海平面气压场Fig. 2 Variation of 588 dagpm line from 20:00 BT 17 to 20:00 BT 19 August 2018 (a), sea level pressure field at 14:00 BT (b) and 20:00 BT (c) 18 August 2018

中低层高压带环绕在台风低压外围除南侧外的其他3个方向，海平面气压场与中低层环流相似，18日14时，1010 hPa高压坝围绕在低压外围（图2b），对低压移动起到了一定的阻挡作用；18日20时，1010 hPa高压带（图2c）缩减成块状位于华北北部，随着台风低压北侧高压逐渐减弱以及高空风场的转向与加强[11]，台风低压由缓慢西北行转为东北行。

上述分析表明，台风登陆后副高快速东退，引导气流明显减弱，同时在地面场上低压北侧也受到高压坝的阻挡，因此台风低压缓慢西北行或停滞。直至19日02时，200 hPa低槽东移（图略），使槽前向东北方向辐散增强，引导台风低压转向并加速向东北方向移动。由于台风低压在河南境内长久滞留，台风外围东南急流将东海的水汽源源不断向内陆输送，河南东部位于台风倒槽附近强水汽辐合及垂直运动区内，因此产生了较大的累计降水量，且多站日雨量超历史极值。

3 强降水诊断分析

3.1 动力场特征

过暴雨中心（34.4°N）分别作涡度、散度、垂直速度剖面图。18日14时涡度垂直剖面（图3a）显示，正涡度柱位于115°E附近，16×10－5s－1强中心发展到800 hPa；此时散度（图3c）的强辐合中心位于115°E附近900 hPa以下，中心强度达－8×10－5s－1，700 hPa以上为辐散区，辐散层次较深厚，但强度稍弱，对应200 hPa辐散中心值为2×10－5s－1，说明低层台风低压处于稳定发展阶段，低层入流大于高层出流；垂直速度剖面（图3e）显示，大于－24×10－3hPa·s－1上升运动中心由115°E附近的800 hPa高度倾斜上升至116°E附近的500～600 hPa，从上述物理量中心强度及垂直分布可知，此时系统正处在强烈发展阶段，对应强降水持续期，同时也是最大小时雨强出现时段。

图3 2018年8月18日14时（a, c, e）和20时（b, d, f）沿34.4°N垂直剖面（a，b）涡度（单位：×10－5 s－1）；（c，d）散度（单位：×10－5 s－1）；（e，f）垂直速度（单位：×10－3 hPa·s－1）（黑色三角表示暴雨中心）Fig. 3 Vertical sections along 34.4°N at 14:00 BT (a, c, e) and 20:00 BT (b, d, f) 18 August 2018(a, b) Vorticity (unit: ×10－5 s－1); (c, d) Divergence (unit: ×10－5 s－1); (e, f) Vertical velocity (unit: ×10－3 hPa·s－1) (Black triangles indicate the centers of the rainstorm.)

18日20时，涡度剖面（图3b）显示，强涡旋区依然位于115°E附近，16×10－5s－1正涡度中心明显增强，并伸展至700 hPa；此时散度剖面（图3d）显示，高层辐散明显增强，中心最大值增加到6×10－5s－1位于400 hPa附近，强度略小于低层辐合；垂直速度剖面（图3f）表明，由14时的倾斜发展为垂直，此时中心强度为－20×10－3hPa·s－1，位于700～600 hPa，中心强度及发展高度均有所减小。20时与14时动力场对比分析表明，14时大气正处于强烈发展阶段，至20时系统基本发展到顶峰，14—20时，随着系统的强烈发展同时对应强降水的发生。20时以后系统逐渐衰减，强降水也随之减弱。

3.2 水汽条件分析

某地区的降水强度除了与垂直运动有关外，还决定于水汽的输送与辐合，同时充足的水汽条件还是台风低压得以维持的“燃料”。豫东强降水的产生与充足的水汽供应是密不可分的。从18日14时强降水发生时的850 hPa水汽通量及水汽通量散度叠加图（图4a）可知，水汽在台风低压的右后方由东海源源不断向内陆输入，在台风低压周围除南侧外其他三面均有水汽辐合，辐合中心位于商丘、周口两地区西部，中心强度为3×10－8g·s－1·hPa－1·cm－2，至18日20时（图4b），较强的水汽输送依然持续，随着低压缓慢东北移，强辐合中心集中在低压移动的右前方，即强降水集中的豫东地区，同时辐合中心增强到4×10－8g·s－1·hPa－1·cm－2，源源不断的水汽供应与辐合以及强烈的上升运动，为本次极端暴雨天气提供了充足的水汽及动力条件。

图4 2018年8月18日14时（a）和20时（b）850 hPa水汽通量（矢量，单位：×10－3 g·s－1·hPa－1·cm－1）和水汽通量散度（色斑）叠加（黑色圆表示暴雨中心）Fig. 4 The 850 hPa water vapor flux (vectors, unit: ×10－3 g·s－1·hPa－1·cm－1) and divergence of water vapor flux(colored) at 14:00 BT (a) and 20:00 BT (b) 18 August 2018 (Black circles indicate the centers of the rainstorm.)

3.3 稳定度分析

环境场的温、湿分布对台风降水强度及分布也有明显影响[2]，不稳定的大气层结是对流天气发生、发展的必要条件。从豫东强降水发生前的K指数及假相当位温演变情况可知，17日14时K指数（图5a）显示，从安徽到河南东部均为大于36 ℃的高温、高湿区，到18日02时（图5b），河南东部K指数增大到38 ℃，能量进一步蓄积，夜间K指数不降反增只有两种可能，一是低层湿度增加，二是高空有冷空气入侵。随着台风低压逐渐进入河南东南部，东南急流带来的水汽使低层增湿明显，中高纬低槽继续东移，其后冷空气不断扩散南下与台风外围的暖湿空气结合，增强了大气的不稳定层结，同时也增加了降水强度。

图5 2018年8月17日14时（a, c）和8月18日02时（b, d）的K指数（a, b）和沿34.4°N假相当位温剖面（c, d，单位：K）（黑色圆或三角表示暴雨中心）Fig. 5 K index (a, b) and vertical sections of pseudo-equivalent potential temperature along 34.4°N (c, d, unit: K) at 14:00 BT 17 August 2018 (a, c) and 02:00 BT 18 August 2018 (b, d) (Black circles or triangles indicate the centers of the rainstorm.)

从假相当位温演变可知，在116°—118°E，17日14时（图5c），800 hPa以下假相当位温随高度减小，为不稳定层结；至18日02时（图5d），低层高能舌向上延伸到600～500 hPa，在其东侧119°E附近有一相对干冷的345 K的低值中心，随着台风低压外围的偏东风，该干冷空气向西不断入侵到暖湿气柱内。综上，在台风低压影响河南之前，豫东地区已经具备对流发生发展的能量及不稳定条件，18日凌晨，低压进入河南境内以后，低层强烈的辐合抬升触发豫东地区不稳定能量释放，从而产生持续的强降水天气。

3.4 中尺度特征

3.4.1 卫星云图分析

从18日04—19时，强降水期间云图及云顶亮温（TBB）演变（图6）可知，04—07时豫东地区对流云团逐渐发展增强并向东北方向移出商丘地区，08—13时随着前一对流云团逐渐移出，强降水略有减弱，但后部仍不断有新的对流单体生成并影响豫东地区，14时以后逐渐发展为组织结构较完整的强对流单体，与前面的动力场诊断相一致，同样表明该时段系统处于强烈发展阶段。强中心位于河南、山东、安徽、江苏四省交界地区，在台风外围东南气流引导下，云团向西北方向快速伸展，但强中心稳定在四省交界处原地发展加强，豫东地区处在对流单体左侧边缘地带。从云顶亮温（TBB）分析同样可知，18日08—13时对流云团有所减弱，TBB中心最低值由08时的220 K升高到13时的230 K，13时以后随着对流云团的再次增强，TBB中心最低值由14时的225 K降低至19时的215 K，强降水区TBB始终低于230 K，并且中心最低值可达215 K。

3.4.2 雷达分析

从18日08—18时雷达拼图（图7）演变可知，强降雨区位于距离台风低压中心约250 km的台风外围螺旋雨带中，强降水区集中分布在台风倒槽附近及其右侧的高能区内。过程期间可分为两个主要强降水时段，第一时段位于18日凌晨到上午，第二时段位于18日下午到傍晚。18日08时强降水回波恰好位于商丘中部，而后逐渐减弱消散（图7a、7b）。12时以后再次有强降水回波自商丘东南部进入，经过商丘地区后18时以后移出（图7c～7f）。强降水回波在商丘境内不断生消，并且维持较高的降水效率，因而出现了较强的累计降水量。在台风外围的螺旋云带中，大于45 dBZ的强回波成带状分布在低压中心的东北象限内即强降水区，带状强回波随低压中心向东北方向缓慢移动，强回波长时间稳定少动是产生强降水的直接原因。

图7 2018年8月18日08时（a）、10时（b）、12时（c）、14时（d）、16时（e）和18时（f）雷达拼图Fig. 7 Radar composite image at 08:00 BT (a), 10:00 BT (b), 12:00 BT (c), 14:00 BT (d), 16:00 BT (e), and 18:00 BT (f) of 18 August 2018

3.5 物理量极端性分析

下面以商丘站为代表讨论本次过程极端性的可能原因。挑选1980年以来商丘站日降水量大于50 mm的日期，针对3 km风切变（shr3）、700 hPa偏南风分量（vwnd_700）、700 hPa垂直速度（w_700）、整层可降水量（wvc）、850 hPa比湿（shum_850）、K指数（ki）、200 hPa散度（div_200）、850 hPa涡度（vort_850）等环境参数，计算所有日期的标准差倍数平均值和最大（小）值，并与本次过程进行对比（图8）。如图可知，本次过程200 hPa散度和850 hPa涡度的标准差倍数均超过历史最大值，700 hPa垂直速度小于历史最小值，且远小于平均值。其他参数标准差倍数略低于最大值但明显高于平均值，说明本次过程具有一定极端性。另外由于台风低压的长久滞留以及较高的降水效率便产生了较大的累计降水量。

图8 1980年以来商丘站50 mm以上降水环境参数标准差倍数Fig. 8 Standard deviation multiple of environmental parameters with precipitation over 50 mm at Shangqiu Station since 1980

4 结论

1）分析表明，台风低压进入河南以后强度维持、移速缓慢，主要由于大型流场对台风低压的引导变弱、中低层受高压带阻挡，使得台风低压在河南境内长久徘徊停滞不前。当200 hPa西南风速明显加大时，低压随之快速东北移动。

2）在台风低压影响河南前，豫东地区已具备强对流发生发展的能量及不稳定条件，K指数达36 ℃以上并且入夜以后增强到38 ℃以上，说明前期大气中聚集了大量的不稳定能量，当18日凌晨低压进入豫东南以后，低层强烈的辐合抬升触发豫东地区不稳定能量的释放，从而产生持续的强降水天气。

3）动力及水汽场分析表明，强降水区大气具有强烈的倾斜发展机制，由于低压停滞不前，强烈倾斜发展机制维持6 h以上，并且伴有充足的水汽供应及强烈辐合，使得强降水长时间维持，累计雨量达到或超过历史极值。

4）云图、雷达等分析表明，在低压外围250 km附近的螺旋云带中不断有对流单体生成、合并，逐渐发展成较强雷暴单体；强降水区TBB始终低于230 K，并且中心最低值达215 K，低于一般强烈发展的对流单体220 K的最低温度，说明对流云发展的非常旺盛；雷达回波演变可知，大于45 dBZ的强回波成带状分布在低压中心的东北象限的强降水区，强回波长时间稳定少动是产生强降水的直接原因。

5）将商丘站的相关环境参数标准差倍数与历年出现暴雨时的平均值和最大值进行对比发现，本次过程各环境参数标准差倍数明显高于历年平均值，且部分达到历史最大值，具有一定极端性。