陳淑琴 李英 范悅敏 徐哲永 李帆

1 舟山市氣象局，浙江舟山 316021

2 中國氣象科學(xué)研究院，北京 100081

3 中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030

4 舟山市定海區(qū)氣象局，浙江舟山 316000

1 引言

熱帶氣旋暴雨在我國時有發(fā)生（段麗和陳聯(lián)壽, 2005; 周玲麗等, 2009, 2011; 梁軍等, 2015; 汪亞萍等, 2015; 潘勁松等, 2019），往往造成城市內(nèi)澇、交通中斷、房屋垮塌、農(nóng)田被毀，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，有時還會產(chǎn)生遠距離暴雨。陳聯(lián)壽（2007）提出了熱帶氣旋遠距離降水（Tropical cyclone Remote Precipitation—TRP）定義：遠距離降水發(fā)生在TC（Tropical cyclone）范圍之外，但與TC之間存在內(nèi)在物理聯(lián)系。美國科學(xué)家Cote（2007）將此類降雨稱為PREs（Predecessor Rain Events ahead of tropical cyclones），定義為位于TC或其殘渦的主雨帶之外，但與TC有間接聯(lián)系的降水。他統(tǒng)計分析了1998～2006年美國的47個PRE事件，給出了PRE概念模型：（1）落區(qū)位于高空急流的右后象限；（2）中層位于西風帶長波槽前；（3）位于熱帶水汽羽的邊緣；（4）靠近或位于低層假相當位溫脊線的西面，靠近鋒區(qū)。Galarneau et al.（2010）合成分析多個個例的天氣尺度特征指出，PRE發(fā)生在200 hPa急流西側(cè)入口區(qū)、925 hPa假相當位溫脊區(qū)、700 hPa槽前。并對美國明尼蘇達州的一次特大暴雨P(guān)RE事件進行診斷分析，認為由鋒面強迫的低層斜壓帶、以及TC帶來深厚的水汽輸送共同產(chǎn)生了一條長時間維持的中尺度對流系統(tǒng)。Wang et al.（2009）通過數(shù)值模擬試驗證明臺風Songda（2004）主要是通過外圍環(huán)流向北輸送水汽，在日本的遠距離降水中起了加強作用。Byun and Lee（2012）統(tǒng)計分析了朝鮮半島的熱帶氣旋遠距離暴雨，總結(jié)了該地區(qū)這類降水的天氣形勢特征，與Cote（2007）提出的概念模型類似。

國內(nèi)學(xué)者也開展了很多關(guān)于TRP的研究，指出TRP與西風槽和冷空氣有關(guān)（如李明等, 2011;孫力等, 2015; 曹曉崗和王慧, 2016; 陳聯(lián)壽等,2017）；并提出TC的重要作用是向暴雨區(qū)輸送水汽（如朱洪巖等, 2000; 范學(xué)峰等, 2007; 李改琴等,2007; 楊曉霞等, 2008; 孫欣和陳傳雷, 2009; 孫興池等, 2019; 黃克慧等, 2019）。叢春華（2011）系統(tǒng)研究了我國TRP，指出我國TRP主要位于環(huán)渤海地區(qū)和川陜交界處，其發(fā)生概念模型為：（1）TC通過低空急流向TRP區(qū)輸送水汽；（2）中緯度槽是產(chǎn)生TRP的動力系統(tǒng)；（3）高空急流位于TRP區(qū)域北側(cè)；（4）山脈或海岸地形的動力強迫加強垂直運動；（5）副熱帶高壓（簡稱副高）脊有加強低空臺風東側(cè)東南急流向遠距離暴雨區(qū)輸送水汽的作用。叢春華等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，臺風倒槽頂端脫離出的氣旋性渦旋，與西風槽和冷鋒相遇形成溫帶氣旋，從而產(chǎn)生暴雨。

然而，業(yè)務(wù)中發(fā)現(xiàn)有些臺風遠距離降水與上述總結(jié)的概念模型有所不同，沒有西風槽配合。如，1720號臺風“卡努”在廣東登陸期間，浙江中北部沿海地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，舟山降水量達200～400 mm，最大降水量位于普陀南岙站574 mm。1822號臺風“山竹”在廣東登陸，江浙滬出現(xiàn)大暴雨，過程雨量100～300 mm，多個站點雨強超過100 mm h-1。這兩次熱帶氣旋遠距離暴雨均發(fā)生在副高588 dagpm線范圍內(nèi)，在暴雨發(fā)生過程中才在副高邊緣產(chǎn)生短波槽。此類熱帶氣旋遠距離暴雨往往難以預(yù)報，而其產(chǎn)生機制認識還不多。如，此類暴雨如何被激發(fā)？其中短波槽是如何形成？與TC之間有何聯(lián)系等問題都值得研究。本文擬采用TC的業(yè)務(wù)定位資料，高空、地面觀測資料，衛(wèi)星云圖，江蘇南通、浙江湖州、舟山的S波段多普勒雷達資料和NCEP水平分辨為0.5°×0.5°的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）再分析資料，對1822號臺風“山竹”在長江三角洲地區(qū)引起的遠距離暴雨過程進行分析。

2 臺風“山竹”概況及其長江三角洲遠距離暴雨

2018年第22號臺風“山竹”于9月7日20時（北京時，下同）在西北太平洋洋面上生成，之后朝偏西方向移動，11日08時發(fā)展為超強臺風，15日凌晨從菲律賓北部登陸后移入南海，減弱為強臺風，并在西太平洋副高南側(cè)偏東氣流引導(dǎo)下向西北偏西方向移動（圖1a黑線）。16日17時“山竹”在廣東臺山市登陸，登陸時為強臺風，中心最低氣壓955 hPa，中心附近最大風力14級（45 m s-1）。登陸后西北行進入廣西境內(nèi)，17日20時中央氣象臺停止對其編號?！吧街瘛痹趶V東登陸時強度強、結(jié)構(gòu)完整、范圍大。登陸后16日20時其東北方向云系長達1000多公里（圖1b），覆蓋華南大部分地區(qū)，此時臺風云系之外的長江三角洲地區(qū)已有較強的對流云團發(fā)展（圖1b黃色方框）。

2018年9月16～17日總降水量分布（圖1a，未顯示20 mm以下降水）顯示，強降水主要分布在兩個區(qū)域，一個是臺風經(jīng)過的廣東、廣西境內(nèi)，最強降水在臺風登陸點附近，超過400 mm。另一個在長江三角洲（簡稱長三角）地區(qū)的江蘇、安徽南部到浙江北部，累計雨量100～250 mm，個別站點超過300 mm。兩個強降水中心相距約1300 km。長三角地區(qū)的降水主要發(fā)生在16日下午到17日下午，對應(yīng)臺風登陸及之后西行減弱時期。長三角地區(qū)還觀測到雷電和雷雨大風，降水對流性強，降水范圍相對集中，3個強降水中心分別在長江口附近、杭州灣北岸的嘉興沿海和寧波沿海。圖1c給出該區(qū)域從北到南3個站的小時雨強序列，上海明珠湖站的降水主要發(fā)生在16日傍晚到17日早晨，最大雨強131 mm h-1，出現(xiàn)在16日夜間；嘉興海寧主要強的降水發(fā)生在17日凌晨，最大雨強94 mm h-1；而寧波上陽小學(xué)的降水主要發(fā)生在17日白天，最大雨強104 mm h-1。

這次歷時兩天的暴雨過程按照降水系統(tǒng)的移動可分為兩個階段：第一個階段是16日下午到夜里，蘇南到浙江境內(nèi)有零散的對流單體生成發(fā)展，朝偏北方向移動，在蘇南浙北地區(qū)形成強對流雨帶，且停滯少動。降水中心在長江口附近，雨量100～200 mm。第二階段是17日凌晨到下午，江蘇南部的雨帶緩慢東移，與浙東的雨帶合并后逐漸南壓到浙江南部沿海。降水中心在浙北沿海，雨量也是100～200 mm。

3 大氣環(huán)流背景

2018年9月16日20時地面觀測資料分析的環(huán)流形勢（圖略）顯示，山東、河南以北地區(qū)受冷高壓控制，以南為臺風“山竹”低壓環(huán)流控制，其東北象限有一個倒槽一直伸展到長三角地區(qū)，倒槽東部為東南風，西部為東北風。

從NCEP再分析資料分析的高空環(huán)流來看，16日20時850 hPa流場（圖2a）“山竹”氣旋性環(huán)流范圍很大，巴士海峽的東南氣流到達臺灣被山脈阻擋發(fā)生繞流，與海上副高共同形成一支東南偏南急流，向華東地區(qū)輸送水汽。水汽通量大值中心在浙江沿海28°N附近，約為22 g s-1hPa-1cm-1，水汽通量散度負值中心在安徽南部，達-12×10-7g s-1hPa-1cm-2。17日02時（圖略）“山竹”西北行，副高邊緣這支偏南急流仍維持，并且水汽通量大值中心略向北推進到30°N附近，水汽輻合中心東移到江蘇南部。16日20時500 hPa（圖2b），“山竹”北側(cè)副高強盛，588 dagpm脊線西伸到107°E附近，形成高壓壩，不利于“山竹”北上。長三角暴雨區(qū)處于592 dagpm線附近，為副高控制，而此時是長江口附近降水最強的時刻。之后副高588 dagpm線西脊點位置維持在107°E附近，北側(cè)有短波槽生成。其間北方在115°E附近有西風帶長波槽，但槽底位于35°N以北，距長三角暴雨區(qū)約400 km，之后西風槽東移，對長三角降水影響不大。16日20時200 hPa（圖略），隨著“山竹”登陸，其北側(cè)的極向流出北上，與西風帶的匯合加強，30°N附近的西風帶風速加大，安徽南部的安慶站實測風速由08時的12 m s-1增大到22 m s-1，杭州站由08時的14 m s-1增大到20 m s-1。這使得長三角地區(qū)的散度明顯加大，江蘇的輻散中心達3.2×10-5s-1，產(chǎn)生抽吸作用，有利于上升運動的維持和加強。從水平風和垂直渦度沿31°N的垂直分布（圖2c）來看，120°E附近1000 hPa到850 hPa有東南風與東北風輻合形成的倒槽向西傾斜，正渦度中心在925 hPa附近。長三角暴雨區(qū)（黑色方框內(nèi)）的渦度正值基本上在850 hPa以下，700 hPa以上渦度都是負的，2 km高度以下為東南風，2～9 km高度盛行西南風，說明倒槽僅分布在2 km以下，中高層處于副高邊緣或副高范圍內(nèi)。

陳聯(lián)壽等（2017）指出臺風暴雨可分為臺風環(huán)流內(nèi)的暴雨和臺風環(huán)流之外的暴雨兩大類，臺風環(huán)流內(nèi)的暴雨包括倒槽暴雨等。董美瑩等（2017）統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)浙江的臺風倒槽暴雨一般距離臺風中心2.5～10個緯距，大于10個緯距的非常罕見，此次過程暴雨中心距離臺風中心約13個緯距。雖然長三角地區(qū)850 hPa以下有臺風倒槽，但與臺風本體環(huán)流聯(lián)系并不緊密，從850 hPa的水汽來源看，長三角地區(qū)和臺風本體的水汽通道是分開的。地面降水分布圖（圖1a）上可見，臺風北側(cè)倒槽區(qū)的湖南、江西等地降水量非常小，基本在20 mm以下。衛(wèi)星云圖（圖1b）上長三角的降水云團也與臺風本體的螺旋云系一直是分開的。而且雷達產(chǎn)品顯示長三角地區(qū)的降水回波前期是朝偏北方向移動，后期朝偏東方向移動，沒有隨臺風倒槽西行?？偟目磥?，長三角地區(qū)的降水不是臺風環(huán)流內(nèi)的降水，不算典型的臺風倒槽降水，而是一次遠距離降水過程。但是目前對臺風倒槽暴雨還沒有明確的定義，如果從廣義來說與臺風倒槽有關(guān)的暴雨都是臺風倒槽暴雨，那這次過程也可以認為是遠距離臺風倒槽暴雨。

圖1 （a）臺風“山竹”的移動路徑（黑色實線）及2018年9月15日20時（北京時，下同）至17日20時累計降水量（單位：mm），臺風標志處為2018年9月16日20時臺風位置，方框區(qū)表示遠距離降水區(qū)；（b）2018年9月16日20時葵花8號紅外衛(wèi)星云圖，方框區(qū)表示遠距離暴雨云區(qū)；（c）2018年9月16～17日嘉興海寧站、上海明珠湖站、寧波上陽小學(xué)站小時雨量時間序列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

總的形勢特點，低層形勢與前人研究結(jié)果類似：臺風外圍有偏南風低空急流向暴雨區(qū)輸送水汽，而500 hPa形勢差別較大，一般臺風遠距離降水發(fā)生在西風槽前或槽區(qū)（Cote, 2007; 叢春華, 2011），但此次遠距離降水發(fā)生在強盛的副高控制范圍內(nèi)，無西風槽提供渦度使降水系統(tǒng)發(fā)展。

4 遠距離暴雨的動熱力條件及臺風影響

4.1 第一階段暴雨

第一階段最強的降水發(fā)生在2018年9月16日18～22時，主要在長江口附近。16日上午長三角地區(qū)受副高控制，天氣晴好，14時地面氣溫高達30～33°C，用上海寶山站14時地面溫度和露點溫度修正08時的狀態(tài)曲線得到的對流有效位能CAPE高達2245 J kg-1，地面與500 hPa的假相當位溫θse差達22 K。16日20時長三角地區(qū)K指數(shù)約為36～38°C。說明16日下午到夜里大氣具有較強的條件不穩(wěn)定性，只要有合適的觸發(fā)條件就能產(chǎn)生對流。

16日17時地面觀測的氣壓場（圖3a）顯示，倒槽曲率最大的地方從皖南伸到蘇南沿海，槽線附近及其南側(cè)的浙江中北部地面假相當位溫θse約360～364 K，為高能量區(qū)。槽線以北的江蘇安徽北部有θse密集帶，有弱冷空氣滲透南下，槽線附近及其南側(cè)已出現(xiàn)降水。20時（圖3b）地面氣壓場變化不大，等θse線略有南壓，倒槽區(qū)θse梯度增大。江蘇南部部分地區(qū)6 h降水已超過100 mm，基本發(fā)生在平原地區(qū)，沒有明顯的地形抬升。19時（圖略）地面觀測的極大風，蘇南沿海東南風5～6級，進入內(nèi)陸后，風速減小，以4級為主，形成風速的輻合，這應(yīng)該是由于海陸摩擦差異產(chǎn)生的。20時（圖略）在崇明島的西面出現(xiàn)了6～7級的北到東北風，與其東面的東南風形成輻合。而其北側(cè)有小范圍的反氣旋環(huán)流，疑似雷暴高壓。20～21時崇明島的西側(cè)還出現(xiàn)了8級的北到東北風。

圖3 2018年9月16日（a）17時、（b）20時觀測的地面氣壓（黑色等值線，單位：hPa）、風（風向桿，單位：m s-1）、假相當位溫（紅色等值線，單位：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、江蘇南通的雷達反射率因子都顯示16日下午開始有一些零散的對流單體生成，在低層偏南氣流引導(dǎo)下，朝偏北方向移動，但移至江蘇中南部時低層環(huán)境場轉(zhuǎn)為偏北氣流，對流系統(tǒng)無法繼續(xù)北上停滯在江蘇南部。18:12（圖4a）在蘇南形成較大范圍的強回波，中心達55 dBZ。根據(jù)徑向速度產(chǎn)品（圖4b）的風速和零線的分布可以推斷南通附近近地層為東北風，南通站南側(cè)約20 km處有一條明顯的輻合線。之后在這條輻合線附近一直有45～55 dBZ的強回波維持。同時南通站北面約30 km處的回波也逐漸加強，19:30（圖4c）形成一條強的回波帶，中心強度為50～55 dBZ。徑向速度產(chǎn)品（圖4d）顯示此時南通附近近地層轉(zhuǎn)為東南風，說明地面倒槽北頂，槽線應(yīng)在南通站北面的輻合區(qū)中，與強降水帶對應(yīng)。但在南通站南側(cè)仍有小范圍的偏北風和東南風交匯，并且在崇明島西端形成了一個尺度約10 km的氣旋式渦旋（圖4d中黑框內(nèi)）。之后此渦旋緩慢東移，對應(yīng)反射率因子產(chǎn)品崇明島西端產(chǎn)生了一個很強的單體，組合反射率因子達到了60 dBZ，頂高達17 km。此強回波移動非常緩慢，21:06（圖4e）崇明島西部仍有很強的回波，呈弓狀。徑向速度產(chǎn)品（圖4f）上弓形回波前側(cè)有尺度約15 km的氣旋（圖中黑色圓圈內(nèi)），北側(cè)有尺度約10 km的反氣旋性，說明此系統(tǒng)有強對流特征，此時地面觀測到的8級偏北風為雷雨大風。20～21時在此處產(chǎn)生了第一階段最大的雨強（131 mm h-1）。21:06徑向速度產(chǎn)品（圖4f）還顯示低層的東南風有所加強，南通站北面的輻合線變得更加清晰，說明冷暖空氣交匯更加強烈，對應(yīng)此處的降水回波也加強（圖4e）。21～22時雷達回波變化不大。22時以后南通站北側(cè)的強回波帶和崇明島附近的強回波都減弱了，但在常熟附近和東面海上還有強的單體生成（圖略），對應(yīng)徑向速度產(chǎn)品（圖略）可以看到兩個強單體對應(yīng)的位置處各有一個10～20 km的輻合區(qū)。強降水回波與倒槽輻合區(qū)密切相關(guān)，而東北風和東南風的相互滲透交匯形成的中γ尺度的氣旋性輻合是產(chǎn)生極端短時強降水的關(guān)鍵系統(tǒng)。

可見第一階段暴雨是在強的對流不穩(wěn)定條件下，對流層低層“山竹”倒槽輻合線在副高范圍內(nèi)觸發(fā)對流產(chǎn)生。強對流系統(tǒng)產(chǎn)生的偏北風和東南風交匯加強了地面輻合，并形成了中γ尺度的輻合系統(tǒng)，又使得系統(tǒng)發(fā)展加強。倒槽兩側(cè)東南風和東北風勢力相當，使輻合線長時間在蘇南維持，強回波長時間維持在同一地方，產(chǎn)生極端短時強降水。

4.2 第二階段暴雨

第二階段是17日凌晨到夜里，17日凌晨江蘇南部的雨帶緩慢東移，與浙東的雨帶合并后逐漸南壓到浙江南部沿海，降水中心在浙北沿海，雨量也是100～200 mm。

湖州雷達產(chǎn)品顯示16日19時（圖略）在安徽南部有較強的對流單體，反射率因子50 dBZ（可能偏弱，距離雷達約180 km），頂高最高14 km，回波前側(cè)地面1小時降溫3°C。20時（圖3b）在徽南浙北交界處形成一個閉合的θse低值中心，為348 K。湖州雷達產(chǎn)品顯示23時以后蘇南到浙北的回波開始朝北偏東方向移動，17日01:30（圖5a）在嘉興海寧附近形成了較強的回波單體（圖中白色圓圈內(nèi)），中心強度50 dBZ，頂高最高15 km。同時速度產(chǎn)品（圖5b）可以看到近地層有下沉氣流形成的輻散場（圖中黑色圓圈內(nèi)）。17日02時（圖6a）地面觀測資料顯示θse低值中心到達嘉興，受冷的下沉氣流影響，附近地面氣壓升高，在倒槽區(qū)中部形成高壓脊區(qū)，雖然還沒有形成閉合的等壓線，但風場已出現(xiàn)反氣旋性環(huán)流特征。杭州灣區(qū)的等θse線變得密集，有鋒生趨勢。海寧附近下沉氣流形成的輻散風與其南側(cè)的東南風又形成輻合線（圖5b），使得此處長時間有強的降水系統(tǒng)維持。02:54（圖5c）在杭州灣北岸又形成了一個強的單體（圖中白色圓圈內(nèi)），相應(yīng)的速度產(chǎn)品可以看到氣旋性輻合（圖5d中黑色圓圈內(nèi)）。此后降水回波逐漸轉(zhuǎn)向東北偏東方向移動，蘇南的回波強度逐漸減弱。17日08時（圖6b）地面θse低值中心進入杭州灣，又有所加強，中心為346 K。鋒區(qū)南壓到舟山、寧波沿海，鋒區(qū)等θse線走向分布為東北西南向。受其影響，寧波沿海的偏北風力加大，11～12時極大風力增大到7級，與海上的東南風輻合加強。并且寧波沿海有山脈，海上東南氣流上岸后會受到地形抬升。浙江舟山雷達產(chǎn)品顯示17日上午降水回波東移過程中，強中心逐漸南壓，最強的回波維持在寧波沿海直到下午，并變?yōu)闁|北西南走向帶狀（圖5e），與地面圖上的鋒區(qū)走向一致。速度產(chǎn)品（圖5f）可以看到強回波處有兩個氣旋性的環(huán)流，一個直徑約40 km，另一個約20 km，勻位于海岸線附近（圖中黑色圓圈內(nèi)）。11～14時寧波多個站點雨強超過100 mm h-1。

圖4 2018年9月16日（a、b）18:12、（c、d）19:30、（e、f）21:06南通雷達1.5°仰角的（a、c、e）反射率因子和（b、d、f）徑向速度。圖b、d、f中箭頭表示雷達站附近低層氣流方向，圖d中方框、圖f中圓圈表示中尺度氣旋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

在此期間，17日02時（圖略）850 hPa江蘇南部發(fā)展形成一個氣旋性渦旋，該渦旋是由“山竹”倒槽的北端逐漸脫離臺風母體形成。渦旋東側(cè)的偏南急流加強北抬，急流的左前方存在風場的氣旋性切變，有利于渦旋的增強。同時給渦旋東側(cè)帶來很強的暖平流，約為6×10-5～12×10-5°C s-1，使該區(qū)域位勢高度降低。此時對應(yīng)850 hPa渦旋中心上空，500 hPa有一個短波槽發(fā)展。17日08時（圖6c）在江蘇沿海到杭州灣形成了一個較深的短波槽，經(jīng)向尺度約4個緯度。槽前的正渦度平流加強垂直上升運動，上升運動的拉伸作用又使得中下層氣旋性渦度增加。17日14時850 hPa（圖略）在蘇南到上海沿海形成一個中尺度低渦，可見閉合的等高線和較強的氣旋性環(huán)流，中心附近最大風力20 m s-1。

17日02時沿121°E（過29°～32°N暴雨區(qū)）的垂直速度、流場、θse的剖面分布（圖6d）顯示，32°N以北等θse線分布非常陡峭，南方暖濕空氣沿等熵面上升。暴雨區(qū)低層水平風為東南偏南風，高空為西南風（圖略），有一定的垂直風切變，即水平渦度?？諝庠谒捷椇仙仙^程中可把水平渦度轉(zhuǎn)為垂直渦度，有利于氣旋的發(fā)展。主要暴雨區(qū)上空天氣尺度的上升速度中心為-2.4 hPa s-1，是非常強的上升速度。17日08時隨著500 hPa短波槽的東移南壓，上升速度中心南壓到30°N附近（圖略），地面強降水中心也隨之南移，是第二階段降水最強的時刻。

圖6 2018年9月17日（a）02時、（b）08時觀測的地面氣壓（黑色等值線，單位：hPa）、風（風向桿，單位：m s-1）、假相當位溫（紅色等值線，單位：K）。（c）2018年9月17日08時500 hPa位勢高度（黑色等值線，單位：dagpm）、溫度（紅色等值線，單位：°C），棕色粗實線為槽線。（d）2018年9月17日02時假相當位溫（黑色實線，單位：K）、垂直速度（紅色虛線，單位：10-1 hPa s-1）、風矢量（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

第二階段和第一階段相比，地面氣溫降低，垂直對流不穩(wěn)定度有所減弱。但仍有很強的降水回波生成，主要是因為前一階段生成的強回波單體中產(chǎn)生較強的低層偏北外出氣流，與前側(cè)東南風形成輻合線，輻合線上還有中γ尺度的渦旋產(chǎn)生，又促進了對流發(fā)展。而對流層低層臺風倒槽中低渦發(fā)展，500 hPa副高邊緣短波槽的生成，使暴雨區(qū)垂直速度明顯增加，動力條件更為有利。長三角的強降水中心有3個（圖1a），分別在長江口、杭州灣北岸的嘉興沿海及寧波沿海，都是在水陸邊界附近。地面觀測資料可以看到海上的東南風到達杭州灣北岸時風速減小，形成風速的輻合（參見圖3）。另外雷達徑向速度產(chǎn)品顯示在崇明島、嘉興及寧波沿海都有中γ尺度的渦旋系統(tǒng)，對應(yīng)強降水回波。這種水陸邊界處的渦旋系統(tǒng)有可能的形成原因是：由于水陸摩擦的差異，實際風與地轉(zhuǎn)風的偏折角大小不同，東南風在水陸邊界處會減小，并向左偏折，形成正渦度；還有可能大氣受到陸地不勻均地形的阻擋，發(fā)生繞流之后形成渦旋。這都還有待進一步深入研究確認。

4.3 遠距離暴雨區(qū)的渦度收支

根據(jù)以上分析，在降水過程中850 hPa臺風倒槽頂端發(fā)展出低渦，500 hPa則生成短波槽，為第二階段暴雨提供了更強的動力作用。尤其是12 h內(nèi)在副高邊緣形成一個明顯短波槽，這種情況比較少見。下文采用渦度方程來診斷短波槽的生成發(fā)展機制。不考慮摩擦及積云對垂直渦度的輸送效應(yīng)，渦度方程如下：

其中，u、v分別為緯向、經(jīng)向水平風速（單位：m s-1），ω為垂直速度（單位：hPa s-1），ζ為渦度（單位：s-1），f為科里奧利參數(shù)（單位：s-1）。公式右邊四項分別為絕對渦度水平平流項（用A表示）、相對渦度垂直輸送項（用B表示）、水平輻合輻散項（用C表示）、扭曲項（用D表示），總渦度收支用E表示。選擇強降水區(qū)域（29°～33°N，118°～123°E，即圖1a中方框區(qū)域）診斷渦度方程各項，采用水平分辨為0.5°×0.5°的NCEP再分析資料，中央差分的方式計算各偏微分項。

圖7給出暴雨發(fā)生主要時刻渦度方程各項及總渦度收支的垂直廓線。16日14時降水開始時（圖7a），總的渦度收入最大值出現(xiàn)在1000 hPa，為1×10-9s-2，這完全是水平輻合輻散項C提供的。16日20時（圖7b）總的渦度收入1000 hPa略有增加，而850 hPa增加非常明顯，達到1.8×10-9s-2，成為最大收入層，主要來自水平輻合輻散項C和扭曲項D的貢獻。此時，850 hPa以上高度層相對渦度垂直輸送項B開始增大，即垂直運動加強把低層的垂直渦度向上輸送。17日02時（圖7c）總的渦度收入最大層在850～700 hPa之間，約為2×10-9s-2，仍主要是由水平輻合輻散項C和扭曲項D貢獻，其中水平輻合輻散項C達到了3.2×10-9s-2。700 hPa以上高度相對渦度垂直輸送項B增加明顯，最大值在500 hPa，也達到了3.2×10-9s-2，成為500 hPa渦度增加的重要原因。與此同時700～500 hPa的水平輻合輻散項C也開始增加。17日08時（圖7d）總的渦度收入最大層在600～450 hPa之間，主要由垂直輸送項B和水平輻合輻散項C貢獻。

可以看出，整個遠距離暴雨過程中主要由近地層水平輻合輻散項C提供初始擾動，然后850 hPa水平輻合輻散項C和扭曲項D共同作用使低渦發(fā)展加強。同時在垂直運動作用下把渦度往上傳遞，使中層700～500 hPa附近渦度增長，發(fā)展出短波槽。之后中層的水平輻合輻散項C也開始增長，使總渦度增加，短波槽進一步加深。這一過程中500 hPa以下絕對渦度水平平流項A沒有正的貢獻，即沒有西風槽或其他外來系統(tǒng)為暴雨區(qū)提供正渦度。

下面通過渦度各項的水平分布結(jié)合流場進一步分析渦度的來源（圖8）。上述分析可知最初的渦動擾動主要來自1000 hPa的水平輻合輻散項C。圖8a給出2018年9月16日14時1000 hPa流場和水平輻合項C分布。可見兩個大值中心，一個位于江蘇沿海，即臺風倒槽頂端，另一個在浙江、福建交界處，也是臺風倒槽曲率最大處。16日20時（圖略）隨著臺風西移，其倒槽也西行，但倒槽頂端受西面冷高壓的阻擋，在江蘇、安徽南部形成一條輻合線，水平輻合項C增大?？梢娕_風倒槽提供了1000 hPa的正渦度。圖8b顯示16日20時850 hPa的流場和渦度扭曲項D分布。安徽南部為臺風倒槽區(qū)，渦度扭曲項D在此處最大，超過50×10-9s-2，渦度扭曲項D的物理意義是由于風的垂直切變形成水平渦度，在水平分布不均勻的垂直運動作用下將使水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)換。由于850 hPa此處為東南急流的左前側(cè)，風速比1000 hPa大，形成了較強的垂直風切變，即水平渦度。而倒槽區(qū)垂直速度的水平梯度較大，使水平渦度向垂直渦度轉(zhuǎn)換。此時渦度水平輻合項C大值區(qū)也是位于安徽南部臺風倒槽區(qū)（圖略）。17日02時（圖8c）850 hPa在江蘇西南部形成氣旋性環(huán)流中心，即低渦，渦度水平輻合項C大值位于低渦東南側(cè)。17日08時850 hPa（圖略）低渦東移到江蘇南部到上海沿海，其南側(cè)為偏南急流前沿，垂直風切變較大，形成渦度扭曲項D正值中心?？偟膩砜?，850 hPa的渦度水平輻合項C和渦度扭曲項D的大值中心都位于倒槽或低渦的東南側(cè)或南側(cè)，即急流的前沿左側(cè)。可認為850 hPa的渦度來自于臺風倒槽和副高邊緣的偏南風急流。而前述分析表明500 hPa的渦度主要是來自于相對渦度垂直輸送項B。17日02時500 hPa（圖8d）顯示，渦度垂直輸送項B大值區(qū)位于江蘇南部，對應(yīng)850 hPa（圖8c）低渦及海上倒槽的位置，說明500 hPa的渦度主要來自于低層。

圖7 2018年9月（a）16日14時、（b）16日20時、（c）17日02時、（d）17日08時降水區(qū)（29°～33°N，118°～123°E）絕對渦度水平平流項（用A表示）、相對渦度垂直輸送項（用B表示）、水平輻合輻散項（用C表示）、扭曲項（用D表示）收支及總渦度收支（E）平均的垂直分布（單位：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

為了進一步說明副高中短波槽的發(fā)展機制，我們對另一次相似個例的渦度收支進行診斷。2017年10月16日凌晨臺風“卡努”以強熱帶風暴級登陸廣東徐聞，10月15～16日浙江舟山、寧波和臺州沿海出現(xiàn)大暴雨。天氣形勢與本次過程類似，低層850 hPa以下有臺風倒槽，500 hPa處于副高588 dagpm線范圍內(nèi)，在暴雨過程中850 hPa形成低渦，500 hPa副高北側(cè)邊緣產(chǎn)生一個短波槽。診斷2017年10月15日08時到16日08時暴雨區(qū)（29°～31°N，121°～124°E）的渦度收支情況。發(fā)現(xiàn)兩次過程暴雨區(qū)的渦度收支有共同的特點：近地層水平輻合輻散項C提供初始擾動，然后低層水平輻合輻散項C和扭曲項D共同作用使低渦發(fā)展加強，在垂直運動作用下渦度上傳使中層700～500 hPa附近渦度增長，最終發(fā)展出短波槽。低層臺風倒槽和副高邊緣的偏南急流是該區(qū)域渦度增長的主要原因。

圖8 （a）2018年9月16日14時1000 hPa流場和渦度輻散輻合項（陰影，單位：10-9 s-2）分布，（b）2018年9月16日20時850 hPa流場和渦度扭曲項（陰影，單位：10-9 s-2）分布，2018年9月17日02時（c）850 hPa流場和渦度輻散輻合項（陰影，單位：10-9 s-2）分布、（d）500 hPa流場和渦度垂直輸送項（陰影，單位：10-9 s-2）分布。綠色橢圓表示整個過程暴雨區(qū)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 結(jié)論

利用地面、探空觀測資料、雷達遙感資料以及NCEP一日四次0.5°×0.5°再分析資料，對2018年第22號臺風“山竹”影響下9月16～17日長三角區(qū)域暴雨的降水實況、天氣系統(tǒng)和動熱力條件進行診斷分析，得到以下結(jié)論：

（1）長三角暴雨發(fā)生在“山竹”云系和本體降水范圍之外，距離“山竹”中心大于1000 km，是一次發(fā)生在強盛的副高環(huán)流控制下的TRP，低層受臺風倒槽影響。

（2）此暴雨過程分為兩個階段：第一階段，主要是在強的對流不穩(wěn)定條件下，對流層低層“山竹”倒槽中的輻合線觸發(fā)對流產(chǎn)生，倒槽兩側(cè)東南風和東北風勢力相當，使輻合線長時間在蘇南維持，產(chǎn)生極端強降水。同時高空“山竹”極向流出匯入西風帶，加大了中緯度的西風風速和輻散，有利于上升運動的維持。第二階段，對流不穩(wěn)定條件有所減弱，但前一階段生成的強回波中產(chǎn)生較強的低層偏北外出氣流，與前側(cè)東南風形成輻合線，輻合線上還有中γ尺度的渦旋產(chǎn)生，又促進了對流發(fā)展。臺風倒槽頂端在偏南風急流的作用下形成一個低渦，500 hPa發(fā)展出一個短波槽，垂直速度明顯加大，動力條件更有利。

（3）長三角的3個強降水中心分別在長江口、杭州灣北岸的嘉興沿海及寧波沿海，都是在水陸邊界附近。雷達徑向速度產(chǎn)品顯示在崇明島、嘉興及寧波沿海都有中γ尺度的系統(tǒng)，對應(yīng)強降水回波。

（4）臺風“山竹”對長三角地區(qū)遠距離暴雨的作用：與副高之間形成偏南風低空急流向長三角地區(qū)輸送水汽；臺風倒槽提供初始渦度擾動，觸發(fā)對流；臺風高層極向流出匯入西風帶，加大了中緯度的西風風速及輻散，加強了暴雨區(qū)上升運動。

（5）典型TRP的降水系統(tǒng)主要是東移的西風槽，而這次過程主要由低空臺風倒槽和偏南急流提供初始擾動，渦度上傳形成副高邊緣短波槽，是不同于典型TRP事件的一個物理過程，另一次“卡努”臺風的遠距離暴雨也有類似的物理過程。

本研究對實際業(yè)務(wù)的啟示：當南海有臺風時，即使高空是高壓系統(tǒng)控制，也應(yīng)注意考慮長三角地區(qū)是否有遠距離降水。地面風場輻合和雷達產(chǎn)品顯示的輻合線與強降水相對應(yīng)，而雷達產(chǎn)品若有中γ尺度系統(tǒng)，則可能有短時強降水。注意水陸邊界對降水的增幅影響。

研究也存在一些有待深入探討的問題，暴雨過程中水汽輸送和降水凝結(jié)釋放潛熱對850 hPa低渦和500 hPa短波槽的形成是否存在積極作用。渦度診斷采用的再分析資料時空分辨率不夠精細，可進行數(shù)值模擬后再作進一步分析。另外還需要對多個相似個例進行分析，得出更有代表性的結(jié)論。