引言

登陆北上或近海北上影响我国北方地区的台风，平均每年仅为2~3个，7—9月上旬为高峰期(王秀萍等，2006；金荣花等，2006)。台风北上过程中，会与冷空气发生相互作用，并激发出暴雨，乃至特大暴雨，许多学者对此进行了研究。发现：因为冷空气侵入造成强迫抬升，加强台风内螺旋雨带的强烈对流，加剧不稳定能量释放，触发强降水产生(魏应植等，2008)；适当强度冷空气侵入台风倒槽和外围，可以加剧动力和热力不稳定，使冷空气影响到的附近地区降水量明显增加(钮学新等，2005)；台风北上到较高纬度与高空冷槽相结合会引发大范围的暴雨、大暴雨天气(刘学刚等，2011)。冬季冷空气可以到达热带洋面的台风外围，当弱冷空气侵入台风低层，使斜压性加强，气旋性扰动加大，台风强度增强；当强冷空气进入台风中低层，破坏其暖心结构，使台风填塞减弱(何洁琳等，2009)；台风倒槽中冷暖空气相遇，促使大气的斜压性增强，不仅产生了对流性不稳定，而且提供了有利于暖湿气流抬升的动力条件(尹东屏等，2011)；由南向北伸展的台风倒槽，中高纬度西风槽，以及北方冷空气等系统相互作用还会导致台风远距离降水(杜惠良等，2011；范学锋等，2007；梁卫芳等，2009；井喜等，2005)。

黑龙江省地处祖国最北部，直接受到台风影响的机会不多，1215号台风布拉万中心到达黑龙江省时，强度为热带风暴，并迅速向北移动穿过该省，使其中东部地区经历了狂风暴雨的洗礼，哈尔滨站出现了1961年以来最大的日降水量。这是2000年以来正面袭击黑龙江省的台风中强度最强、风雨影响最大的一次。本文利用黑龙江省地面观测网提供的降水资料、NCEP的1°×1°气象再分析资料和FY-2E卫星云图资料，分析了此次大暴雨过程中的动力、水汽和不稳定条件及卫星云图特征，探究冷空气与热带系统相互作用引发大暴雨的主要原因，为今后预报台风降水积累经验。

1 雨情及大尺度环流背景 1.1 雨情概况

2012年15号强台风布拉万于8月28日22时50分前后在朝鲜西北部地区登陆，登陆时强度为强热带风暴，之后向北偏东方向移动，进入我国东北地区，并正面袭击了黑龙江省，29日08时台风中心移入黑龙江省，中心风速为20 m·s^-1，为热带风暴。

受到台风外围云系影响，8月28日20时黑龙江省南部地区降水率先开始，29日“布拉万”穿过黑龙江省中部地区。受其影响，中部地区普降暴雨，个别市县达到大暴雨，最大降水出现在哈尔滨为150 mm(图 1a)，这是1961年以来哈尔滨出现的最大单日降水。黑龙江省中、东部地区同时出现大风天气，大部分市县瞬时风力在6级以上，最大达10级。

哈尔滨站，降水出现在29日00—16时，从逐时降水量上看(图 1b)，最大雨强为26.9 mm·h^-1，降水分布较为均匀。由于哈尔滨站离台风中心较近，风力较大，平均风力为5级(8.0 m·s^-1)，阵风最大达到7级；气压变化剧烈，从00时的999 hPa连续下降到08时的988 hPa，8 h变压达到-11 hPa。

“布拉万”给我国东北地区东部带来了大范围的暴雨天气，暴雨区分布在其中心路径附近(图 2a)，根据地形高度图(图 2b)，发现沿台风路径的几个大暴雨区，除了哈尔滨附近的几个站点处于平原外，其他的大暴雨点基本都处于长白山脉或小兴安岭的迎风坡，特别是伊春站离台风中心较远，还出现了110 mm的降水。地形有利于中尺度对流系统的发生发展(冀春晓等，2007)，可见地形对暴雨的增幅作用不可忽视。

1.2 台风概况及环流背景

“布拉万”于8月20日14时在西北太平洋洋面上生成，缓慢向西北方向移动并不断加强。8月25日17时，“布拉万”中心位于浙江象山东南方向约1060 km的西北太平洋洋面上加强为超强台风，近中心最大风速为52 m·s^-1(16级)，之后保持超强台风的强度加速移入东海海面。在继续向北移动过程中强度逐渐减弱，移动速度不断增加，于8月28日22时50分前后在朝鲜西北部的平安北道南部沿海登陆，登陆时为强热带风暴，中心附近最大风速为28 m·s^-1(10级)，中心最低气压为975 hPa；停编时间为29日17时。

8月27日08时(图略)，亚洲中高纬环流较为平直，贝加尔湖附近有短波槽活动；副高呈带状，位置较常年偏西偏北，副高脊线超过了35°N。1215号台风布拉万自生成后一直向西北方向移动，逐渐移到副高西南侧。贝加尔湖附近的短波槽在东移过程中发展加深，“布拉万”发展成超强台风，其自身环流稳定强大，受到这两方面因素的影响，副高缓慢东退，副高主体由带状变成块状，“布拉万”也加速北上。28日20时(图 3)，副高东退到130°E以东，“布拉万”移至朝鲜西南部沿海，倒槽已经影响到我国东北地区，其外围的风力较大，特别是东侧有大面积的大风区，为东南和偏南风，有利于海上的水汽向东北地区输送，并在倒槽处形成辐合，为暴雨的产生和维持提供了有利条件。之后，“布拉万”向北移动过程中的偏东分量逐渐增加，逐渐并入到西风槽中减弱消失。

1.3 中低纬系统相互作用

“布拉万”移入黄海海面后，东亚中高纬度环流的经向度加大，60°N以北有极地冷空气活动，俄罗斯远东地区有短波槽携带弱冷空气东移南下, 并在850 hPa上形成低涡，温度场上表现为从高纬度伸向大兴安岭地区的温度槽。28日14时，从河套地区到黑龙江省西南部为温度脊，阻隔了北方冷空气与“布拉万”外围云系的联系(图 4a)，在500 hPa涡度场上“布拉万”的涡度区表现为准对称结构(图 4c)，沿其中心作垂直剖面(图略)，涡度垂直分布基本呈现为正压状态。28日20时(图 4b)，弱冷空气继续随着低涡、低槽东移南下，从河套地区向北伸展的暖脊逐渐被削弱，扩散南下的弱冷空气逐渐与台风环流发生相互作用，引发了东北地区的强降水。此时“布拉万”中心附近500 hPa的涡度强度明显减弱，其准对称的结构遭到破坏，正涡度区伸展到台风倒槽内。沿其中心作垂直剖面(图略)，可见大气的斜压性增大，表现为西风带上游系统的正涡度区在整个对流层内迅速发展，特别是对流层高层中低纬不同系统之间的正涡度区完全融为一体，可见在对流层高层，西风槽和“布拉万”两者之间已经发生了明显的相互作用，从而引发了东北地区的强降雨天气。

西风带短波槽和“布拉万”环流之间的相互作用，还可以从温度平流的变化时序图上发现，“布拉万”进入东海以后，其西北部冷平流的范围逐渐增大，强度逐渐加强。28日20时，对流层高层(图 5a)，台风中心东部和北部都是从暖洋面上吹来的偏南风和偏东风，表现为暖平流，其西部和南部多为西北风，携带着弱冷空气进入台风内部，表现为较强的冷平流。沿台风中心作经向剖面(图 5b)，可见对流层低层及台风中心北部的暖平流，低层的暖平流最强，最大可达500×10^-5 K·s^-1，此时东海、黄海和日本海的海面温度较高，有利于“布拉万”强度的维持。台风中心南部的对流层中高层(800~200 hPa)则为冷平流，在500~300 hPa之间冷平流最强，最大可达-600×10^-5 K·s^-1，冷空气从高层逐渐渗透到台风内部。而台风的暖心结构也是从对流层高层逐渐遭到破坏，图 5b的温度场上，400 hPa以下可见台风中心温度明显高于周围大气温度，而对流层上层的温差已经不存在了。

2 不稳定条件

高空槽引导冷空气向东南方向移动还可增强大气的斜压性从而使垂直扰动得到发展。沿45.7°N的假相当位温及比湿的垂直剖面图上(图 6)，可以看到干冷空气自西向东移动，在与暖湿空气的交界面上θ_se等值线逐渐密集向东移动的过程。8月28日20时(图 6a)，123°E以东的对流层中低层为偏东风或偏南风从海上输送暖湿空气，整层大气表现为较高的假相当位温和较大的水汽含量(低层比湿≥14 g·kg^-1)；123°E以西的对流层中高层有干冷空气活动，此时尚未影响到暴雨区。29日02时(图 6b)，干冷空气东移与东部暖湿空气之间的能量锋区明显加强，在123°~128°E，850 hPa以上θ_se等值线密集且非常陡立，是垂直涡度强烈发展的区域(吴国雄等，1995)。对流层中低层的θ_se的数值几乎不变，说明该区域的中低层垂直方向上存在强烈的上升运动，有利于低层的水汽和热量向上混合输送。同时在能量锋区上比湿梯度加大，暴雨区上空表现为上干冷、下暖湿的状态，大气的不稳定度显著增加。29日08时(图 6c)，随着冷空气的向东推进，等θ_se密集区及强上升运动区也向东移，并逐渐加强，受到冷空气东移的影响，暴雨区上空长时间存在强斜压性和不稳定层结，降水得到加强。

湿位涡(ξ_mpv)是包含了动力、热力和水汽因子的物理量，已经被广泛应用于中尺度气象学的研究中(Zhang et al，1995；袁佳双等，2001)。有降水发生的湿过程，若不考虑非绝热加热和摩擦效应，湿位涡守恒(Hoskins, 1974)，如果层结对流稳定，且ξ_mpv是负值，那么大气是湿对称不稳定的，这样降水容易增幅(陆汉城等，2002；吴国雄等，1997)。

等压面上ξ_mpv的表达式可写成如下形式：

$ \begin{array}{l} {\xi _{{\rm{mpv}}}} = - g{\rm{ }}({\xi _p} + f)\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial p}} + g\left({\frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial x}} - \frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial y}}} \right)\\ {\xi _p} = \frac{{\partial v}}{{\partial x}} - \frac{{\partial u}}{{\partial y}}\\ {\xi _{{\rm{mpv1}}}} = - g({\xi _p} + f)\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial p}}\\ {\xi _{{\rm{mpv2}}}} = g\left({\frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial x}} - \frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _{\rm{e}}}}}{{\partial y}}} \right) \end{array} $

ξ_mpv1和ξ_mpv2分别是湿位涡的正压项和斜压项。图 7是2012年8月29日02时ξ_mpv、ξ_mpv1和ξ_mpv2沿45.7°N的垂直剖面图。可见暴雨区(123°~130°E)对流层低层∂θ_e/∂p＞0，大气对流不稳定；700 hPa以上，∂θ_e/∂p＜0，大气对流稳定(图 7a)；950~600 hPa，在∂θ_e/∂p=0线附近负值一侧的阴影区ξ_mpv＜0(图 7a，圆圈区域)，表现为湿对称不稳定。考察湿对称不稳定区正压项ξ_mpv1和斜压项ξ_mpv2的贡献，该处ξ_mpv1＞0(图 7b)，ξ_mpv2＜0(图 7c)，即强斜压性是湿对称不稳定产生的主要原因。由于湿对称不稳定区具有弱稳定性(∂θ_e/∂p≈0)，ξ_mpv1＞0，说明垂直涡度在此处获得了增长。大暴雨区(127°E附近)，对流层低层的对流不稳定和对流层中层的湿对称不稳定的同时存在，有利于对流运动的维持和发展。

3 水汽条件

“布拉万”自生成后，一直在海上活动，其自身从海上携带了大量的水汽，登陆以后，尽管地面摩擦作用使其强度有所减弱，但东侧的偏南和东南气流把海上的热量和水汽向台风环流输送，有利于其强度的维持。29日02时，“布拉万”减弱为热带风暴，水汽通量图上(图 8a)，可见其东侧从日本海到黑龙江省为大的水汽通量区，最大可达45 g·s^-1·cm^-1·hPa^-1；位于东海南部的台风天秤(1214) 强度为强热带风暴，其东侧气流沿着副高外围向北并入“布拉万”环流中，为其提供了水汽和热量。两条水汽通道的建立，为大暴雨的产生提供了充沛的水汽条件。与之对应的大气可降水量分布图上(图 8b)，显示≥60 mm的可降水量大值区分布在“天秤”中心到“布拉万”眼区周围的较大范围内，可见在双台风的水汽通道上，大气的含水量十分充沛。台风倒槽内也是可降水量的大值区，黑龙江省中东部地区的可降水量≥45 mm。

水汽通量散度场表现更明显：“布拉万”的水汽辐合大值区出现在倒槽内，并随其向北移动，与暴雨区有较好的对应关系。29日02时850 hPa上黑龙江省中南部地区开始出现水汽辐合大值区(图 8a)，辐合强度迅速增强到-18×10^-5 g·s^-1·cm^-2·hPa^-1，沿强辐合区中心取垂直剖面(图略)，可见较强辐合区(≥-6×10^-5 g·s^-1·cm^-2·hPa^-1)从地面可以伸展至500 hPa，在暴雨区附近形成了深厚的高湿环境，为对流的不稳定增长以及暴雨的维持提供了条件。

4 动力条件

2012年8月29日02时以后，哈尔滨站的降水强度迅速增强(图 1)，6 h内出现了99.9 mm强降水，分析此时的涡度和散度场的垂直配置情况(图 9a)，发现在45°N附近，850~600 hPa有正涡度中心，强度达到22×10^-5 s^-1，正涡度区从地面向上延伸到350 hPa，形成了一个自下向上的正涡管，促使对流发展。散度场上，850 hPa出现了-14×10^-5 s^-1的强辐合中心，350~300 hPa附近则为10×10^-5 s^-1的强辐散中心，与前一时刻对比发现，受到冷空气的影响，低层辐合和高层辐散都明显增强。此时暴雨区具备了中尺度环境下有利于对流发展的低层辐合、高层辐散的动力配置结构(陈红专等，2009)。在大暴雨区上空，涡度场和散度场的垂直结构配置一致，这种垂直结构促进了暴雨的维持和加强。

垂直速度场上表现为上升速度迅速增强的过程，在大暴雨区附近(45°N附近)，900~200 hPa均为上升气流，上升运动深厚强大，强上升中心位于对流层中下层850~400 hPa，最大的上升速度达到-2.5 Pa·s^-1(图 9b)。在此区域内，整个对流层均处于高湿区中(相对湿度≥90%)，表明强烈上升运动和充分水汽条件合理配置对暴雨的发生至关重要(王巍巍等，2007)。下沉气流位于47°N附近，强度达到0.5 Pa·s^-1，与大暴雨区的上升气流形成明显的垂直环流，其水平尺度在300~400 km，具有中尺度次级环流特征，结合降水实况来看，次级环流上升气流附近的降水明显获得加强。随后，随着强降水对垂直环流的正反馈作用，上升和下沉气流均获得加强，并随着台风倒槽向北移动，给黑龙江省中北部地区带来暴雨天气。

5 卫星云图

“布拉万”向北移动过程中由于冷空气从西北方向侵入，台风中心南部逐渐出现下沉气流，在卫星云图上表现为晴空区，并出现锋面气旋结构。28日20时(图 10)，布拉万表现为不对称结构，台风中心北部云系发展旺盛，特别是靠近冷空气一侧有对流活动。22时，随着台风的北移，北部对流旺盛的区域进入黑龙江省，其东南部地区降水强度开始加大，29日00—06时，台风云系逐渐显现出锋面气旋的特征，黑龙江省中部地区对流活跃，并维持较长时间，地面上出现集中的强降水时段。08时，气旋中心附近的对流云随着系统北移，影响到黑龙江省，降水强度减弱，局地性更强，中部地区降水持续时间长，导致大暴雨出现。卫星云图也可以反映出本次暴雨过程是冷暖空气相互作用所致。

6 小结

1215号台风布拉万是近年来影响黑龙江省最为严重的台风，它在北上深入内陆过程中不仅产生了强烈的降水，造成了严重的城市内涝及地质灾害，还带来了严重的风灾，造成树木和农作物大面积倒伏。本文对“布拉万”北上过程中与冷空气相互作用所致大暴雨的过程进行了诊断研究，结论如下：

(1) 大暴雨的产生与冷空气活动有关。冷空气向东南方向移动增强了大气的斜压性，有利于斜压扰动的发展。大暴雨区上空存在明显的能量锋区，表现为上干冷、下暖湿的状态，大气的不稳定度显著增加，中低层垂直方向上存在强烈的上升运动，有利于低层的水汽和热量向上混合输送。强斜压性和不稳定层结的长时间维持，降水得到加强。

(2) 对流层低层的对流不稳定和对流层中层的湿对称不稳定的共同存在有利于大暴雨区对流运动的维持和发展。

(3) 水汽条件充沛。台风中心东侧的偏南和东南急流把海上的热量和水汽向台风环流输送，同时1214号台风天秤东侧气流沿着副高外围向北并入“布拉万”环流中，两条大尺度水汽输送带向暴雨区源源不断地输送水汽，并在倒槽附近辐合抬升，产生强降水。

(4) 暴雨发生过程中，低空正涡度迅速增强，正涡度区向上延伸到350 hPa，形成了一个自下向上的正涡管，促使对流发展。散度场上表现为低层辐合、高层辐散的动力配置结构。涡度场和散度场的垂直结构配置一致，这种垂直结构为暴雨的维持和加强提供了重要的动力机制。中尺度次级环流上升气流附近的降水明显获得加强，同时强降水对垂直环流有正反馈作用，为大暴雨的出现提供了持续强劲的上升运动。

(5) 地形对暴雨的增幅作用不可忽视。除了哈尔滨附近的几个站点处于平原外，其他大暴雨点基本都处于长白山脉或小兴安岭的迎风坡，特别是伊春站离台风中心较远，还出现了110 mm的降水，可见地形有利于中尺度对流系统的发生发展。