2024, Vol. 50 
2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081
2. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
辽东半岛大范围强降水多发生于北上台风与中纬度系统相互作用的变性过程中, 约占变性台风总数的一半(梁军和陈联寿，2005；钟颖旻等，2009；孙莎莎等，2017)。此类台风与西风槽相互作用若获得斜压能量可变性加强，激发中尺度对流系统(MCS)，从而增加降水强度(Kofron et al，2010；梁军等，2019；杨晓亮等，2023；符娇兰等，2023；于玉斌等，2024)。与此同时，若有低空急流或多台风提供持续的水汽输送，则有利于台风强度的维持、对流云降水效率的提高和极端强降水的产生(Sun and Zhang，2017；杨舒楠和端义宏，2020；何立富等，2020；王科等，2021；杨浩等，2022；饶晨泓等，2022；汪小康等，2022；张芳华等，2023)。由于变性台风的结构变化，其雨带呈明显的非对称结构(Jones et al，2003；Atallah et al，2007；Anwender et al，2008；梁军等，2015；高拴柱，2020；向纯怡等，2020)，引发的强降水分布与冷暖锋的位置和强度、能量及高空冷空气下传的区域密切相关(梁军等，2008；吴丹等，2021)。台风在不同变性阶段的结构特征不尽相同(Klein et al，2002；Deng and Ritchie, 2018)，直接影响其强度和强降水的分布。在此过程中，台风与副热带、西风带或另一热带系统相互作用时，影响台风路径、强度和降水的环境因素更为复杂，相关的预报技术一直是业务中的难点。
2011—2023年，北上影响辽东半岛的台风多达15个，仅2018年就有3个登陆北上(吕心艳等，2021)。辽东半岛历史罕见大暴雨多由北上进入渤海的变性台风引发，特别是2018年“温比亚”影响期间，半岛南部的大连地区平均降水量达190.7 mm，突破了全区日平均降水量历史极值，98%的区域出现大暴雨。在多尺度、多系统、多台风的复杂过程中，MCS(包括中尺度涡旋、中尺度辐合线和干线等)变得非常活跃，甚至沿同一条中尺度辐合线不断有对流云团生成(杨舒楠和端义宏，2020；高拴柱，2020；薛煜等，2021)，造成影响地区的降水强度变大、强降水时间变长，台风暴雨发生发展的中尺度环境和触发机制更为复杂。常用业务预报模式对变性台风降水的极端性、对流云降雨效率及强降水落区的预报较实况有较大偏差，这常常会导致降水强度和落区预报失败，给台风灾害防御带来困难和挑战。研究登陆北上变性台风的结构变化及其降水强度和分布的关键影响因子，对提高此类台风暴雨预报的精度有实际意义。本文针对登陆北上进入渤海引发辽东半岛强降水的变性台风多个例，利用动态合成分析方法，研究其强降水期间的大尺度环流特征、台风暴雨的中尺度结构变化特征及强降水落区的关键影响因子，以期为今后北上变性台风强降水业务预报提供参考。
1 资料及台风个例选取和研究方法所用资料为常规观测资料、大连地区逐1 h自动气象站雨量资料; FY-2D卫星的黑体亮温(TBB)产品(0.1°×0.1°，主要用于分析“0509”“1818”“1909”“2106”号台风)、日本气象厅3 h一次的TBB资料(1°×1°，主要用于分析“8108”“8509”“9711”号台风); 欧洲中期数值预报中心ERA-Interim再分析资料(0.25°×0.25°); 台风的中心位置、强度等数据取自中国气象局《热带气旋年鉴》和台风最佳路径数据集。
台风样本选取原则兼顾登陆季节及进入渤海时的强度，即登陆季节相近，进入渤海时强度相差不大，辽东半岛降水期间强度维持多超过24 h，台风中心海平面气压偏差为0~2 hPa。所选登陆北上进入渤海引发辽东半岛强降水的台风样本包括“8108”“8509”“9711”“0509”“1818”“1909”“2106”号(图 1)，图中台风路径起始点为25°N以北的位置。登陆地多在温州北部到长江口一带，登陆后多向偏北方向移动，且均有变性过程。7个台风个例基本为东北转向路径，多在进入渤海前18~24 h引发辽东半岛的降水，降水期间辽东半岛位于台风东北或东北偏北方向。7个台风引发的强降水均呈现西南—东北向带状分布，过程降水量多在100~200 mm，“2106”号台风影响期间由于其路径偏西，辽东半岛东部降水量偏小；最大小时降水强度多在20~40 mm·h-1，但“1818”号台风影响期间出现超过50 mm·h-1的极端短时强降水，这与“1819”号台风和西太平洋副热带高压(以下简称副高)之间持续向北充沛的水汽输送密切相关(梁军等，2020)。以辽东半岛降水开始前30 h为基准，对以上7个台风样本暴雨前(后)时刻的物理量进行动态合成。即采用伴随台风的移动坐标系，以台风移动过程中各时刻中心所在位置作为移动坐标原点进行样本合成。该方法中台风总是位于研究区域中心，既能保持台风结构的相对完整，又能使台风在大尺度环流形势下的相对位置基本保持不变，从而减少了样本平均时物理量的相互抵消。为分析中尺度对流系统对北上变性台风降水的影响，采用Shuman-Shapiro九点滤波算子平滑常规物理量场和TBB数据提取中尺度物理量场。
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图 1 台风样本路径(点线)和累计降水量(等值线，单位：mm) 注：台风位置间隔6 h，三角形代表辽东半岛地区。 Fig. 1 Tracks (dotted line) of sampled typhoons and the accumulated precipitation (contour, unit: mm) |
分析辽东半岛降水前后24 h动态合成的500 hPa环流特征(图 2a~2c)发现，台风中心的东南侧为副高，东北象限为位于东北地区的大陆高压，副高与其北部的大陆高压形成的经向高压带稳定维持，有利于台风北上；西北象限有西风槽靠近，且西风带冷空气逆时针卷入台风西南部，均伴有变性过程，环流结构由准对称逐渐演变为非对称结构。
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图 2 辽东半岛(a，d，g)降水开始前24 h，(b，e，h)降水开始时，(c，f，i)6 h降水量＞30 mm时合成的(a~c)500 hPa高度场(实线，单位：gpm)和温度场(虚线，单位：℃)，(d~f)850 hPa水平风(风矢) 和风速(阴影，≥8 m·s-1)及水汽通量场(实线，≥12 g·cm-1·hPa-1·s-1)，(g~i)200 hPa高度场(实线，单位：gpm)、水平风(风矢)和风速(阴影，≥30 m·s-1)及散度场(虚线，≥1×10-5 s-1) 注：台风中心位于坐标原点，向北、向东为正，向南、向西为负；格距为1个经/纬度；图d中长箭头表示风速大值中心。 Fig. 2 Composite (a-c) 500 hPa geopotential height field (solid line, unit: gpm) and temperature field (dashed line, unit: ℃), (d-f) 850 hPa horizontal wind (wind vector), wind speed (shaded, ≥8 m·s-1) and moisture flux (solid line, ≥12 g·cm-1·hPa-1·s-1) and (g-i) 200 hPa geopotential height field (solid line, unit: gpm), horizontal wind (wind vector), wind speed (shaded, ≥30 m·s-1) and divergence field (dashed line, ≥ 1×10-5 s-1) of (a, d, g) 24 h before precipitation, (b, e, h) onset of precipitation and (c, f, i) 6 h accumulated precipitation over 30 mm in Liaodong Peninsula |
对合成的850 hPa水平风和水汽通量场(图 2d~2f) 进行分析，发现降水前24 h的低空风速大值中心有两个，分别位于西南(图 2d中西南方向箭头南侧)、东南象限，降水后风速大值中心主要在东南象限。低空急流带上的水汽通量大值区表明低空急流是台风强度维持和强降水持续的主要水汽输送带，水汽主要来源于南海至孟加拉湾及副高西侧的东部海域。北上台风持续获得水汽和能量补充有利于其强度的维持和大范围强降水的产生，降水发生后24 h，水汽输送减弱。进一步分析合成的四个边界水汽通量平均值的垂直变化(图 3)可以看出，850 hPa以下的东边界、南边界和850 hPa以上的西边界、南边界有明显的水汽流入，尤其是925 hPa以下的东、南边界始终有较强的水汽流入，表明水汽主要来源于南边界和东边界。降水开始后，1000~300 hPa的东边界和北边界的水汽通量为负值，表明这两个边界有水汽流出。
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图 3 辽东半岛(a)降水开始前24 h，(b)降水开始时，(c)6 h降水量＞30 mm时合成的四个边界水汽通量平均值的垂直变化曲线 Fig. 3 Vertical profiles of composite the moisture fluxes across four boundaries of (a) 24 h before precipitation, (b) onset of precipitation and (c) 6 h accumulated precipitation over 30 mm in Liaodong Peninsula |
对合成的200 hPa水平风和散度场(图 2g~2i)进行分析，发现辽东半岛台风降水发生前，在对流层中高层西风槽前存在一支西南风高空急流(HLJ)。台风东北象限始终维持着一支中心风速大于30 m· s-1的西南急流，随着中纬度高空槽靠近，高空出流逐渐加强，HLJ急流轴入口区南侧的辐散中心值由2×10-5 s-1增至3×10-5 s-1以上，高层辐散抽吸作用的持续有利于对流层低层台风低压环流和强降水的维持。
2.2 环境风垂直切变在北上渤海变性台风影响辽东半岛期间，台风螺旋雨带的MCS和强降水区呈现明显的非对称性分布，这与环境风垂直切变密切相关。研究表明，在北半球，当影响台风的水平风垂直切变大于7.5 m· s-1时，台风雨带的MCS及其强降水区主要出现在顺切变方向及其左侧(Chen et al，2006)。
图 4是台风区域(以台风中心为中心的10个经/ 纬度范围)平均水平风和风速的垂直分布(图 4a)及平均850~200 hPa环境垂直风切变(图 4b)的时间演变。可以看出，辽东半岛强降水开始前，700 hPa以下盛行东南风，低层东南风风速随高度减小，500 hPa以上转为西南风；降水开始时(0 h)，台风逐渐移近对流层高层偏南风大值区，环境风垂直切变增至17 m·s-1，风向为西南偏西风(图 4b)。此时，对流层低层台风环流中心向西南方向拉伸为椭圆形，逐渐呈现西北冷、东南暖的非对称结构。台风区域的对流云团沿垂直切变的方向主要出现在台风北部。此间辽东半岛位于台风北部，处于顺切变方向的左侧，位于强对流发展区。可见，北上台风变性过程中环境风垂直切变的增强，对其降水的非对称分布起决定性作用。
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图 4 台风区域平均(a)水平风(风矢)和风速(等值线，单位：m·s-1)高度-时间演变，(b)850~200 hPa平均垂直风切变时间演变 注：横坐标中0代表降水开始时刻，正、负数值分别表示降水开始后和开始前，下同；图b中箭矢代表垂直风切变方向，折线代表其大小。 Fig. 4 (a) Height-time variation of horizontal wind field (wind vector) and wind speed (contour, unit: m·s-1) and (b) time series of vertical wind shear from 850 hPa to 200 hPa averaged over the typhoon areas |
分析合成的温度距平纬向垂直剖面(图 5)可以看出，台风降水前后，台风中心上空500 hPa以上均为暖中心，700 hPa以下均已有冷空气侵入，气温下降1~3℃。低层的冷空气随西北气流自北向南、自西向东侵入，台风中心附近的暖中心与其北侧、西侧的冷中心形成半暖半冷的结构，围绕台风中心形成半环形，台风中心西侧和东北侧出现假相当位温等值线密集带，具有中尺度冷(图 6中西侧箭头)、暖(图 6中东侧箭头)锋特征，变性台风降水增强。同时，由合成的温度距平经向垂直剖面(图略)可以发现，台风中心南侧温度正距平贯穿对流层，暖心高度在600~250 hPa，其北侧有冷中心相对应，也呈现显著的非对称结构。
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图 5 辽东半岛(a)降水开始前24 h，(b)降水开始时，(c)6 h降水量＞30 mm时过台风中心合成的温度距平(等值线和阴影，单位：℃)的纬向垂直剖面 注：横坐标中0代表台风中心，向东为正，向西为负。 Fig. 5 Zonal vertical cross-sections of composite temperature anomaly (contour and shaded, unit: ℃) through typhoon center of (a) 24 h before precipitation, (b) onset of precipitation and (c) 6 h accumulated precipitation over 30 mm in Liaodong Peninsula |
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图 6 辽东半岛(a)降水开始前24 h，(b)降水开始时，(c)6 h降水量＞30 mm时合成的850 hPa风场(风矢，风速≥8 m·s-1)和假相当位温(等值线，单位：K) 注：黑色粗箭头代表锋面。 Fig. 6 Composite 850 hPa wind field (wind vector, ≥8 m·s-1) and pseudo-equivalent potential temperature (contour, unit: K) of (a) 24 h before precipitation, (b) onset of precipitation and (c) 6 h accumulated precipitation over 30 mm in Liaodong Peninsula |
上述分析表明，登陆北上进入渤海的台风影响辽东半岛期间，卷入的冷空气加强，环境风垂直切变明显偏强，台风的涡旋结构非对称结构明显。由于台风与水汽输送通道持续相连，台风衰减缓慢。
3 辽东半岛暴雨的中尺度特征及成因 3.1 云系特征辽东半岛强降水期间，围绕台风眼区的螺旋云带TBB低于-32℃，暴雨开始前(图 7a)，螺旋云带在经向上已被拉长近南北向，云体呈现明显的非对称结构，台风中心附近的东北象限对流最强。之后的变性过程中(图 7b, 7c)，螺旋云带中尺度对流云团在其东北象限台风外围发展，显示了变性台风非对称的结构变化特征。
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图 7 辽东半岛(a)降水开始前24 h，(b)降水开始时，(c)6 h降水量>30 mm时合成的TBB(填色, ≤-15℃)和850 hPa风场(风矢) 注：红色方框区域代表辽东半岛暴雨区。 Fig. 7 Composite TBB (colored, ≤-15℃) and 850 hPa wind field (wind vector) of (a) 24 h before precipitation, (b) onset of precipitation and (c) 6 h accumulated precipitation over 30 mm in Liaodong Peninsula |
冷暖空气相互作用激发对流发展，有利于北上台风强度的维持和强降水的产生。台风影响辽东半岛期间垂直运动扰动场(图 8)的分布特征也表明，围绕台风中心下沉和上升运动是相间排列的，具有明显的波动结构，向上伸展至200 hPa。降水前24 h波动结构主要分布在台风中心南侧；降水开始时围绕台风中心南北基本对称；随着北方扰动增强，北侧波动增强，辽东半岛强降水开始。降水期间，南方扰动虽有减弱，但波列仍维持，有利于对流运动，台风强度维持，辽东半岛降水持续时间超过18 h。
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图 8 辽东半岛(a)降水开始前24 h，(b)降水开始时, (c)6 h降水量＞30 mm时过台风中心合成的扰动垂直速度(单位：10-1 Pa·s-1)的经向垂直剖面 注：蓝色粗线段代表暴雨区，下同；横坐标中0代表台风中心，向北为正，向南为负, 下同。 Fig. 8 Meridional vertical cross-sections of composite disturbance vertical velocity (unit: 10-1 Pa·s-1) through typhoon center of (a) 24 h before precipitation, (b) onset of precipitation and (c) 6 h accumulated precipitation over 30 mm in Liaodong Peninsula |
由此可见，北上台风具有明显的中尺度波动特征。台风波列向中心北侧发展，振幅强、范围广，有利于减缓台风强度衰减，使得辽东半岛强降水维持时间长。
3.3 暴雨区的降水条件辽东半岛降水期间，暴雨区位于台风东北侧。图 9是台风影响期间辽东半岛(38°~40°N、121°~ 123°E)区域平均的气象要素垂直分布随时间的演变。从相当位温和水平风场(图 9a)的演变可以看出，500 hPa以上和850 hPa以下为相当位温大值区，700~500 hPa出现降温，两者分别在降水开始前后比较明显。这是由于降水期间辽东半岛高层始终处于东北地区大陆暖高压内，持续向东北伸展的暖温度脊阻挡了自北向东南扩散的冷空气，边界层的相当位温仍维持较大值。随着台风北上逐渐靠近温度槽底，对流层中高层西风带干冷空气与低层台风东侧的暖湿气流上下叠置，大气垂直对流不稳定度加大，有利于辽东半岛降水发生。同时，台风北移靠近高空槽，其对流层低层的水平辐合明显加大，冷暖气流的交汇以及强风垂直切变加剧了辽东半岛的上升运动(图 9b)，积聚的不稳定能量得以释放，引发强降水。
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图 9 辽东半岛上空(38°~40°N、121°~123°E)合成的平均(a)相当位温(等值线，单位：K)和水平风(风矢)，(b)比湿(填色)和垂直速度(等值线，单位：10-1Pa·s-1)的高度-时间演变 Fig. 9 Height-time variations of (a) equivalent potential temperature (contour, unit: K) and horizontal wind (wind vector), (b) specific humidity (colored) and vertical velocity (contour, unit: 10-1 Pa·s-1) averaged over Liaodong Peninsula (38°-40°N, 121°-123°E) |
上述分析表明，辽东半岛台风降水期间低层伴有明显的中尺度锋生现象，位于台风北侧锋区内，过台风中心做相当位温和垂直流场的经向剖面，其中垂直风矢量由经向风v与100w合成(图 10)。降水前24 h(图 10a)，台风中心北侧700 hPa以下已有冷空气，台风中心南侧为相当位温大值区和等值线密集区，辽东半岛(图 10a中6~10个格点区域)低层相当位温等值线稀疏。降水开始时(图 10b)，台风中心上空700 hPa以上的暖空气与其北侧中低层的冷空气所形成的高空锋区逐渐加强，强锋区和正涡度区自低层到高层出现向北、向西的倾斜(图略)，台风中心附近的上升运动明显加强。与此同时，随着700 hPa以下冷空气的加强，台风北侧辽东半岛(图 10b中2~7个格点区域)低层相当位温等值线逐渐密集，该区域对流发展旺盛。降水加强时(图 10c)，700 hPa以下暖湿输送明显加强，500 hPa高空槽靠近台风低压，高空暖舌继续下伸，台风中心与辽东半岛(图 10c中1~6个格点区域)间的高、低空锋区加强，正涡度大值中心继续向上伸展至600 hPa，同时涡度柱向西北倾斜，不断获得正涡度输送；此时，辽东半岛850 hPa以下有明显的次级环流，将对流层中低层的冷空气卷入强辐合中心，有利于半岛地区的对流持续。降水期间，辽东半岛上空对流层低层远离冷空气中心，强降水发生在暖锋锋生区。
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图 10 辽东半岛(a)降水开始前24 h，(b)降水开始时，(c)6 h降水量＞30 mm时合成的过台风中心相当位温(等值线，单位：K)、涡度(填色)和v-100w环流(箭矢)的经向垂直剖面 Fig. 10 Meridional cross-sections of composite equivalent potential temperature (contour, unit: K), vorticity (colored) and v-100w circulation (arrow) through the typhoon center of (a) 24 h before precipitation, (b) onset of precipitation and (c) 6 h accumulated precipitation over 30 mm in Liaodong Peninsula |
由此可见，台风西北侧的冷空气自对流层中高层向下楔形侵入，辽东半岛低层锋区随高度向西北倾斜，对流不稳定增大，强的辐合抬升在台风的东北侧、东南侧发展，辽东半岛位于台风北侧的中尺度对流区，强降水发生在暖锋锋生过程中，降水强度大、持续时间长。
4 结论本文对登陆北上进入渤海引发辽东半岛强降水的变性台风的结构特征进行了动态合成分析，得到以下结论：
(1) 台风登陆北移靠近西风带高空槽，高空向东北方向的流出气流增强，且与偏南风低空急流连通，获得较多的水汽能量和斜压位能，强度衰减缓慢。
(2) 台风变性为半冷半暖斜压结构，具有明显的中尺度波动特征，有利于其北侧中尺度对流活动发展；在较强的环境风垂直切变作用下，台风强降水沿垂直切变下风方左侧主要出现在台风东北象限。
(3) 辽东半岛位于台风东北象限，台风影响下低层的水平辐合较强，水平风垂直切变增大，深厚的上升运动维持；同时，冷空气自台风西北侧对流层中高层倾斜下沉，与低层暖湿气流叠加，加大对流不稳定度，触发辽东半岛强降水。
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