2017, Vol. 37
2. 北京大学物理学院大气与海洋科学系，北京 100871;
3. 山东省气象局，山东 济南 250031
2. Department of Atmospheric and Oceanic Sciences, School of Physic, Peking University, Beijing 100871, China;
3. Shandong Meteorological Bureau, Jinan 250031, China
要准确预报台风暴雨就要准确预报台风暴雨的强度和落区，两者缺一不可。台风暴雨落区预报受多种因子影响，有较大不确定性，是很复杂的问题。暴雨落区首先与台风涡旋内部结构有关。台风涡旋水平结构可分三层，即台风内核区、中间为外包区、再向外为外围区，这三个区都是台风暴雨的落区。相对于台风中心，每个登陆台风其暴雨多呈不对称分布，不同登陆台风因受不同物理因子影响，其暴雨落区也各不相同。台风暴雨落区的主要影响因子可分三类，即台风涡旋内部结构、台风周围环流和天气系统的影响以及不同海岸、山脉地形、海湾、湖泊等的强迫作用。这三类因子影响着登陆台风暴雨的落区和雨量分布。
台风暴雨可分为台风环流内的暴雨和台风环流之外的暴雨。台风环流内的暴雨对应于台风眼壁或内核区、台风螺旋雨带即外包区以及外围区。台风环流之外的暴雨与台风本体脱离，但与台风存在着紧密的物理联系。例如，有的台风会在涡旋范围之外的前进方向激发出一条飑线，称为台前飑线，该飑线会产生强暴雨；有的台风环流与中纬度西风槽相互作用在槽前产生暴雨；与台风相关的暴雨落区还可能出现在更远的地方，相距台风几千千米处，这种甚远距离的台风暴雨可能由台风变性后并入长波所产生的下游效应造成。台风边缘或以外气流受山脉地形作用会出现地形暴雨，地形暴雨可以出现在台风涡旋之外，也可以出现在涡旋之内。分析和研究台风暴雨不同落区，对提高台风暴雨的预报能力有重要参考价值。本文将对台风暴雨的落区及其物理机制做简要总结。
1 影响台风暴雨落区分布的因子很多物理因子影响着登陆台风暴雨的落区分布，尽管错综复杂，但可概括为三类(图 1)：台风涡旋环流内的结构特征、台风周围环流和天气系统影响、台风环流下垫面地形强迫作用。
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图 1 影响台风暴雨强度和落区的诸因子 Fig.1 Factors that affect typhoon-associated rainfall rate and distribution |
台风中最明显的结构特征是内核眼壁。通常台风中最强的暴雨由眼壁对流造成。除眼壁外，强降水还分布在螺旋雨带的范围内。台风登陆时雨带的螺旋结构受到破坏，但台风强降水会在外包区强对流所在范围内出现。台风涡旋范围内在螺旋雨带甚至眼壁上有时会出现中尺度小涡，强降水落区也会由小涡产生。例如台风Mujigae(1522)在其外围螺旋雨带上出现了数十个超级单体[1]。著名的大西洋飓风Isabel(2013)在其内核出现了6个中尺度小涡，1个位于飓风中心，另外5个在周围眼壁上形成海星状[2]。在台风涡旋范围内还经常出现中尺度切变线，常出现的部位为台风的北侧、西南侧和东南侧[3]，出现在北侧的是台风环流东南风和东北风的切变，称为台风倒槽，该切变区经常出现很强的暴雨，有时甚至超过台风中心暴雨。这些中尺度小涡和中尺度切变往往会产生很强的暴雨。此外，台风涡旋上层云的微物理结构也会影响台风暴雨(图 1)，冰粒子、软雹(soft hail)和霰(graupel)的垂直和水平分布、浓度等相对于其他粒子对暴雨落区的影响较大[4]。
1.2 台风周围环流和系统影响台风周围环流和系统对台风暴雨落区的影响可分为三类(图 1)。
1) 干冷空气和辐合线
台风周围干冷空气侵入会破坏台风内核暖心结构，其结果有两种可能，一是可造成“空心”台风，使内核暴雨消失或减弱。另一种可能是使台风变性，通常会使暴雨落区扩大。台风前方的干冷空气与台风外围潮湿东南气流辐合会发展成台前飑线，台前飑线会在台风涡旋之外形成一块与台风密切相关的暴雨落区。西北太平洋西部中纬度东北信风带来的干冷空气与台风东南气流辐合，会在台风北侧形成很强的倒槽辐合区，这会使得我国东南沿海台风在倒槽区产生强暴雨。
2) 季风涌
东亚和南海不仅台风频繁，也是全球季风最为活跃的地区之一。台风与西南气流输送的季风云团相遇的机率很高，被台风卷入的季风云团可能会改变台风暴雨的落区。
3) 中纬度西风槽
中纬度西风槽是影响登陆台风暴雨落区最为重要的环境天气系统，它会使台风暴雨落区向北伸展，形成台风中心暴雨南北不对称分布。中纬度西风槽与台风环流的相互作用不仅会造成台风变性，改变暴雨落区，也是形成台风远距离暴雨的主要原因。
1.3 下垫面的强迫作用登陆台风下垫面特征对台风暴雨落区也有显著影响。台风在登陆前后，其环流相对海岸有向岸风和离岸风，这会产生台风暴雨落区的不对称分布。统计结果①显示，登陆华南的台风通常中心东侧降雨落区大于西侧；登陆华东的台风通常中心北侧降雨落区大于南侧。山脉地形的迎风坡和背风坡同样会产生相应的暴雨。
①胡皓2017年博士论文部分成果。
2 台风涡旋范围内的暴雨落区 2.1 眼壁暴雨台风内核由眼区和眼壁组成，眼区为下沉运动，晴空少云。眼壁为对流环形区，台风中最强的暴雨往往出现在这一环形区内。内核是台风最具有特色的结构特征。台风环形眼壁有收缩和扩张的变化，这往往和台风强度变化有关。有时在眼壁收缩时会在其外另生一眼环，出现同心双眼现象，其结果往往是内眼消失，外眼取而代之，眼环扩大。双眼现象多见于登陆之前的海上台风，登陆之后的台风少见。眼环的这种变化和替换会影响内核暴雨强度和落区。有的台风靠近陆地时会变成空心台风，主要是大陆干冷空气入侵破环内核结构所致，这样的台风登陆时，内核暴雨强度弱、落区范围小。
台风眼壁暴雨强度和落区并不完全由台风的强度和尺度决定，环境系统与台风的相互作用和地形的影响也会造成眼壁暴雨强度的变化以及落区的不对称性。当台风与季风涌相遇，西南气流将潮湿季风云团在台风南侧卷入，眼壁南环会出现很强暴雨，通常位于台风路径的左侧。当台风与西北太平洋东北信风遭遇时，干冷的东北风和台风潮湿的东南风形成强辐合，会显著加强台风的内核暴雨。
2.2 螺旋雨带暴雨螺旋雨带是台风另一个颇有特点的结构，它的形态和分布与地球尺度西风带中的长波或称罗斯贝(Rossby)波相似，故也称为涡旋Rossby波。它出现在台风外包和外围区，主要出现在外包区。台风带来的大范围降雨区就出现在这一区域。
通常台风涡旋环流包含3~4条螺旋雨带，每条雨带由强对流系统组成。不同雨带的物理参数(如水汽含量、垂直运动、涡度、云顶霰和冰粒子浓度等)、结构(如有的雨带中含有中尺度小涡或中尺度切变线等)以及与环境环流系统的相互作用有所不同，导致各雨带不同的降水强度和分布特征。另外，螺旋雨带具有生消、旋转、收缩、扩展、停滞等活动特征，使降水强度和分布变化很复杂。台风登陆以后受到陆面摩擦和山脉地形的影响，雨带的螺旋结构变得模糊，但这并不影响定量估测台风环流内的雨强和落区。
2.3 小涡暴雨台风环流内会产生小涡。小涡在台风的不同部位都可能产生。小涡往往会对应强暴雨落区。超级单体是一类比较典型的小涡。台风环境下由于垂直风切变较弱，其超级单体一般强度较弱、尺度较小、质心偏低，常被称为Mini-supercell。台风内的龙卷往往由这些迷你超级单体产生。台风内的龙卷多出现在台风的东北象限或前进方向的右前象限，强度一般较弱，多出现在下午。台风中的龙卷多会成群出现。大部分的台风龙卷都出现在北半球，大西洋飓风中的龙卷显著多于西北太平洋台风中的龙卷。台风龙卷多形成于距离海岸线500 km以内以及台风登陆之前12 h到登陆之后的24 h之内[5]。
2015年10月4日，台风Mujigae在湛江登陆，其螺旋雨带中一个超级单体造成了三个龙卷[1]。最强的一个龙卷(EF3级)出现在佛山，造成4人死亡，90多人受伤。北京大学联合广东佛山龙卷风研究中心开展了台风龙卷的详细灾害调查和雷达分析，得到了龙卷灾害分布和近地面风场特征，揭示了EF风速与视频风速估计的一致性、漏斗云地面直径和EF等值线的关联、雷达上龙卷涡旋与漏斗云地面位置的相对偏差信息以及雷达上龙卷涡旋强度与地面灾害强度的对应关系(图 2)。这个超级单体同时还造成了局地强降水(图 2d)。这些结果为未来台风龙卷的预警提供了重要观测事实。
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图 2 台风Mujigae(1522)造成的龙卷分布(a，包含佛山龙卷的照片)，台风的卫星云图以及台风和龙卷的路径(b)，台风造成佛山龙卷时刻的雷达回波(c), 以及螺旋雨带上造成佛山龙卷的超级单体的基本反射率(d，黑线为龙卷路径)和径向风(e)分布(e中还显示了漏斗云地面位置(红色星号)和地面灾害路径以及雷达观测的中气旋(黑色圆圈)与龙卷涡旋(TVS，黑点)的对应关系)。图片摘自文献[1] Fig.2 The Foshan tornado and its parent supercell characteristics caused by Typhoon Mujigae(1522) on 4 October 2015. Adapted from reference [1] |
有的台风会有倒槽形成。倒槽位于台风北侧，由潮湿的东南气流和东北气流辐合而成。倒槽暴雨可能会很强，有时会超过眼壁暴雨。在福建登陆的台风，其倒槽暴雨落区出现在浙江。
2.5 切变暴雨台风中有可能会形成两条中尺度切变线。它们通常位于台风的西南侧和东南侧，分别为由偏北风和偏西风以及西南风和东南风形成的切变。当冷空气侵入台风，代表冷空气的东北风或西北风与台风中的西南风或东南风在台风的外包区或外围区形成一定走向的中尺度切变。这类中尺度切变往往会产生暴雨。
3 台风涡旋环流外与台风有关的暴雨落区台风涡外暴雨是指暴雨落区与台风涡旋内雨区不相连结，但暴雨的发生机理与台风密切相关。
3.1 台前飑线暴雨台前飑线并不是台风本身的结构，它是台风在其前进方向前方被激发出来的中尺度辐合带，往往产生很强的风雨天气。据2007年6月—2009年10月三年多的资料统计[6]表明，有43%的登陆台风携带着台前飑线。台前飑线多出现在8月、下午至前半夜、台风移动方向的右前象限距离台风中心约600 km处。与中纬度飑线相比，台前飑线长度较短、生命期较短、要素变化较弱、可降水量较强、冷池偏弱。台前飑线长度为200 km左右，最大雷达反射率为57~62 dBz, 生命期约为4 h，移速约为12 m·s-1。台前飑线维持时间虽短，但其暴雨落区中雨强较强，平均小时降水率为18 mm·h-1。
台前飑线的形成是台风与周围环境复杂相互作用的结果。低空强辐合和抬升、充沛水汽、强的不稳定层结是台前飑线生成的有利条件。台前飑线多形成于台风和副热带高压的过渡地带。低空垂直风切变一般与飑线的走向垂直，强度较弱。台风和周边天气系统相互作用往往首先在地面形成中尺度辐合线。台风东南潮湿气流输送充沛水汽，形成高湿环境，增强了辐合区的对流有效位能(CAPE)，形成不稳定层结(图 3)。飑线多发生在预先存在的地面辐合线上，主要的触发机制为低层的中尺度锋生、辐合或汇流，而非天气尺度的强迫。
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图 3 台前飑线的形成 Fig.3 The formation of a squall line in front of a typhoon |
台风Kammuri(0809)是一个典型携带台前飑线的台风，数值试验[6]能成功模拟出台前飑线的发展过程。敏感性试验表明，如果剔除台风，地面辐合线上即使出现零散对流也无法组织发展成飑线，主要原因是因台风被剔除之后，辐合变弱，水汽输入减少，CAPE减弱。较弱的台风造成的台前飑线强度较弱、长度和维持时间都较短。可见台风本体对台前飑线的形成和发展具有显著的影响。
3.2 台风远距离暴雨落区台风与远处中纬度西风槽相互作用在槽前产生的暴雨称为台风远距离暴雨(typhoon remote precipitation，简称TRP)，这块暴雨落区与台风中心相距上千千米，与台风本体暴雨分割开来。TRP是一个小概率事件，只有14.7%的台风产生TRP[7]。TRP在中国、日本和美国都有发生。TRP在美国被称为Pre rainfall events(PRE)。
我国TRP事件有两个高频落区[7]，即环渤海地区和川陕交界处。出现时间为6—9月，尤以7、8月为高频月份。西北或偏西路径进入南海北部或在华南沿海登陆以及登陆东南沿海或在东部沿海转向的台风易于产生TRP。TRP雨量一般能达暴雨或大暴雨，维持时间一般为2 d左右。
TRP的产生与台风向槽前的水汽输送密切相关。产生TRP的台风能将水汽输送到远处，而不产生TRP的台风水汽仅限制在台风范围内，未能输送到远处(中纬度)(图 4)[7]。台风Songda (0419)和中纬度西风槽相互作用在台风中心1 200 km以北的日本产生了远距离暴雨落区[8]，这块远距离暴雨落区的产生与台风Songda向中纬度槽前输送水汽密切相关。热带风暴Vicente (1208)的远距离水汽输送对北京“7·21”特大暴雨有重要贡献[9]。Vicente从菲律宾以东洋面向西北偏西方向移动，于2012年7月21日移入南海东北部。从低层850 hPa流场(图 5)可以看出，Vicente外围一支东南气流输送水汽直达北京地区。TRP的位置和强度与台风的强度有关。台风Vicente的数值试验结果[9]表明，减弱台风强度会使水汽输送偏弱偏南，暴雨落区南移，低层涡减弱，暴雨变弱，增强台风的试验显示，水汽输送增强，落区移到偏北位置，低层涡度加强，雨量加强。
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图 4 产生TRP(a)和不产生TRP(b)两组台风造成的水汽通量垂直积分(积分从地面至300 hPa；单位：106g·cm-1·s-1；阴影表示积分值≥ 6×106 g·cm-1·s-1)的对比(前者能将水汽输送到远处落区，后者只能将水汽围绕台风输送)。图片摘自文献[7] Fig.4 Comparison of water vapor transportation between TRP group and No TRP group(TRP group can transport moisture to farther region while No TRP group can not). Adapted from reference [7] |
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图 5 2012年7月21日14时850 hPa的水汽通量(箭头；单位：10-3 g· cm-1· hPa-1 ·s-1；填色表示水汽通量的值≥ 9×10-3 g·cm-1·hPa-1·s-1；热带风暴Vicente(1208)将水汽输送到远处的北京地区)。图片摘自文献[11] Fig.5 Water vapor flux (vectors; 10-3 g ·cm-1· hPa-1· s-1) with the magnitude of ≥ 9×10 -3 g·cm -1·hPa -1·s -1 shaded. Severe storm Vicente transport moisture to Beijing area far from the storm location. Adapted from reference [11] |
台风Matsa(0509)是一个产生远距离暴雨的台风。Matsa于2005年8月4日和5日移向浙江南部沿海，TRP出现在山东半岛和辽东半岛，一些地区12 h雨量超过100 mm。对台风Matsa的个例分析[10]表明，TRP是台风和西风槽相互作用的产物。数值研究发现，TRP与台风存在密切关系，台风东侧东南气流对往TRP落区的水汽输送十分重要。不同强度西风槽的敏感性试验结果表明，西风槽对TRP同样很重要，TRP的雨量大小和西风槽的强弱存在正相关。
3.3 变性下游效应暴雨落区西北太平洋是台风变性的高频海域，当台风在西北太平洋西部或中国东部沿海转向北上，与中纬度西风槽相遇，就有发生变性的可能。西风槽是中纬度Rossby波列中的一个。当转向台风与中纬度西风槽相互作用或并入槽内时，台风携带的大量水汽和涡度输入槽内，会导致槽的加强和发展。受能量频散的影响，变性事件所在中纬度槽的加强发展会经过Rossby波列传播，跨过北太平洋，引起变性事件遥远的下游Rossby波槽的发展，从而产生暴雨，通常称此为变性台风的下游效应(downstream-effect rainfall)[11]。强暴雨落区有可能出现在北美洲。暴雨虽然发生在变性事件下游遥远处，但它和上游台风的变性密切相关。
4 地形暴雨台风内核区、外包区、外围区环流都可能和山脉产生辐合抬升，或因山脉地形强迫而产生小涡，使暴雨增幅。地形暴雨通常出现在台风外包区或外围区。热带风暴Fitow(0114)在穿过琼州海峡时，其外围环流与海南岛五指山辐合，在山脉强迫作用下，在向风侧生成一中尺度小涡，并产生了Fitow最强的暴雨落区[12]。我国台湾岛的中央山脉多次在台风倒槽区产生很强的暴雨，山脉暴雨的雨强有时超过台风内核区暴雨[13]。
地形对TRP的落区也有一定的影响，对其强度有增幅作用。台风Meari(0422)在日本Kyushu登陆时，最强暴雨落区竟出现在Meari东面相距500 km的Kii半岛上，那里有三块暴雨落区，其中一块出现在山脉地形区。在敏感性试验中移除了该山脉，这块暴雨落区也就消失了[13]，这表明该暴雨落区是由山脉地形造成的。
5 小结台风暴雨落区是不同尺度、不同高度、不同纬度、不同经度环流相互作用并在下垫面影响下的产物，其机理复杂，预报难度大，了解台风暴雨落区形成的原因，有助于提高其预报准确性。本文对不同落区暴雨出现的机理作了总结，对业务预报具有一定的参考价值。
由台风引起的暴雨落区，总体可分为台风环流内的暴雨和台风环流之外的暴雨两大类。台风环流内的暴雨落区与台风结构密切相关，可分为眼壁暴雨、螺旋雨带暴雨、小涡暴雨、倒槽暴雨、切变暴雨。通常最强的暴雨出现在眼壁区，但倒槽暴雨往往会超过眼壁暴雨，有时小涡暴雨、切变暴雨和地形引起的暴雨也会超过眼壁暴雨。台风环流外的暴雨落区主要有台前飑线暴雨、远距离暴雨和变性下游效应暴雨。地形对台风环流内的暴雨和台风环流之外的暴雨的强度和落区都可能造成重要影响。
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