引言

台风是产生暴雨的主要天气系统，经常带来极端性降水，造成严重灾害^[1]。预报台风暴雨最重要的两个因素是雨强和降雨落区，而影响台风暴雨落区的主要因子是台风涡旋内部结构、台风周围环境大气影响以及台风下垫面强迫作用^[2]。近几十年来，国内外学者对台风暴雨机理开展了深入探讨，涉及引发暴雨的气候背景^[3-5]到多尺度动力、热力机制等方面^[6-11]。同时，针对登陆北上后强度长期维持甚至加强的台风也进行了大量研究^[12-15]。陈联寿和孟智勇^[16]，陈联寿等^[17]研究表明，潜热释放和斜压位能释放是近海或登陆热带气旋加强和维持的两个主要能源。李英等^[18]研究发现，登陆后长期维持的热带气旋仍能够从外界获得动能和水汽补充来支持积云对流发展。钮学新等^[19]对影响登陆台风降水量的主要因素分析表明，热带气旋强度是影响台风降水中心强度的主要因素之一，冷空气入侵可大幅度增加热带气旋外围及倒槽的降水量。陈见等^[20]发现超强台风“尤特”残留低涡与季风涌相互作用获得潜热能是“尤特”残涡复苏并造成特大暴雨的主要能量来源。在登陆台风降水预报方面，任福民和向纯怡^[21]提出开展动力-统计相似预报，探索减小数值模式降水预报误差将是很有潜力的研究方向。由于下垫面摩擦及水汽供应减弱，登陆北上的台风强度将逐渐减弱，带来的强风、暴雨和风暴潮等灾害也趋于减轻^[22]，但是，移向较高纬度地区的台风往往受到中纬度斜压系统影响，一些减弱后的台风仍会造成强的风雨(例如7503号、9711号台风等)。由于登陆台风与中纬度系统相互作用是较复杂的过程，其机理仍不很清楚^[23]。目前，登陆台风造成的暴雨，仍然是业务预报中的难点。本文利用气象卫星、多普勒天气雷达、区域自动观测站及常规观测资料，结合NCEP/NCAR逐日6 h再分析资料(0.25°×0.25°)，对2018年18号台风“温比亚”在登陆北上过程中引发山东特大暴雨的成因进行分析，以期对以后这类台风暴雨的预报提供参考。

1 “温比亚”移动路径及给山东带来的降水

2018年18号台风“温比亚”生成于我国东海洋面，8月17日04时(北京时，下同)以热带风暴强度登陆上海浦东(登陆前短暂增强至强热带风暴)，登陆后向西偏北方向移动，强度逐渐减弱，18日14时在河南境内减弱为热带低压，19日05时在河南东部转向东北方向，19日20时左右“温比亚”进入山东省单县，20日05时，在黄河口附近进入渤海，20日07时强度有所加强(图 1a)。台风移动异常缓慢(约10 km·h^-1)，受其外围影响，鲁东南地区17日17时开始产生降水。从17日17时开始至20日14时，对山东影响达69 h，导致山东大部地区产生暴雨至大暴雨，局部特大暴雨。山东全省平均总降水量达135.5 mm，突破1951年有气象观测记录以来的过程降水量极值。在鲁西南的济宁、鲁中南部的泰安及东营至潍坊一带出现250 mm以上的特大暴雨(图 1b)，泰安徂徕镇土门村雨量达到511.2 mm，突破历史极值。此次过程导致潍坊、济宁、菏泽等13市81个县(市、区)不同程度受灾，农作物受灾面积达61.63万hm²，其中绝收3.79万hm²，造成直接经济损失215.13亿元。

2 产生强降水的中尺度系统特征 2.1 卫星云图TBB特征

此次台风残余环流造成的极端降水具有降水范围广、雨量大，且存在多个强降水中心等特点。从TBB所反映的降水云系演变可以看出：“温比亚”登陆上海浦东时(图 2a)，台风中心附近云系密实，结构基本轴对称，台风东侧外围有发展旺盛的螺旋雨带，内蒙古一带有明显的西风槽云系呈带状分布，两云系间基本为晴空区。至8月17日17时(图 2b)，台风中心附近仍较为密实，外围螺旋雨带开始影响鲁东南地区，随着西风槽与台风系统逐渐移近，两云系间不断有新的对流云生成(黑框区域内)，新生云团呈窄带状，强度不强。18日00时至08时(图 2c、d)，随着台风逐渐深入内陆，其外围强降水云系从东侧逆时针旋转至台风北部，台风中心南侧云系逐渐消散，环流中心上空晴空区不断扩大，结合地面观测实况，台风强度减弱，强降水区和强风速区逐渐远离环流中心(图略)，开始出现“空心”结构^[24]。

18日15时(图 2e)，伴随台风与西风槽云系合并，云系中对流云团发展明显。特别值得注意的是，在与低空急流相对应的台风东侧，沿急流输送方向有强的对流云带发展(图 2e中方框)，以鲁中山区南侧迎风坡发展最为旺盛。此后，台风云系持续减弱，结构松散并逐渐远离台风中心(图 2g)，至19日20时，台风东侧再次出现强对流云带发展(图 2f中方框)，最强对流区位于东营、潍坊一带，对应此地区强降水时段。

19日夜间开始，残余的台风环流云系逐渐呈现出组织性，开始具有温带气旋逗点状云系特征(图 2i)，20日白天，逗点云系尾部冷锋云系自西向东影响半岛地区降水。

通过以上TBB演变特征结合降水落区分析可知，此次山东极端降水过程可分为三个阶段：第一阶段集中于17日下午至夜间，鲁东南及鲁中南部地区受台风外围螺旋云系影响产生降水(图 3a)；18日白天到19日白天，伴随西风槽东移，冷空气与台风环流作用，强降水落区主要集中于台风北部倒槽附近，从西南向东北延伸(图 3b)；19日夜间至20日白天，受变性后的温带气旋影响，主要降水落区位于半岛一带(图 3c)。特大暴雨的产生出现在冷暖空气相互作用的第二阶段，说明台风残余环流与弱冷空气相互作用是产生极端降水的重要原因。因此，本文将着重对这一阶段强降水产生原因进行分析。

2.2 雷达回波特征

“温比亚”过程共出现3个特大暴雨中心，分别位于鲁西南、鲁中南部和鲁中北部附近，分布较为分散，这与台风过程中中小尺度系统的存在有关。通过逐时降水量(图略)分析，其中鲁西南小时降水量以10~20 mm为主，个别时次超过50 mm，而鲁中南部和鲁中北部在18日下午至19日下午部分时段降水效率较高，连续多时次出现超过50 mm的短时强降水。

对应雷达回波图也可以看到，18日下午和19日下午是中尺度系统的两个强盛发展期，自鲁东南至鲁中南部存在较强带状回波(图 4a、c)，两个时期回波形态存在差异。18日下午，带状回波呈纬向型，新生回波在东侧生成，回波带逐渐向北移动(图 4a)。18日夜间至19日上午，强对流回波整体较弱，组织性较差，分散于鲁中山区一带(图 4b)，19日14时起鲁南至鲁中山区多条强回波带自南向北发展，呈经向型产生“列车效应”，至17时回波北段到达潍坊、东营一带(图 4c)，回波带强度达到50 dBz，并在该地区强烈发展，造成该地区的强降水。

3 大气环流背景

17日08时，500 hPa贝加尔湖附近有一冷涡维持，冷涡底部西风槽较为深厚，副热带高压(以下简称“副高”)西伸与大陆高压合并呈带状盘踞在黄河流域，将“温比亚”环流与北部冷空气完全隔绝(图略)。17日20时，随着副高与大陆高压断裂，冷涡后部开始有冷空气伴随短波槽东移南下(图略)。在此种形势下，18日20时，台风已减弱为热带低压，中心位于河南境内，500 hPa中纬度地区多短波槽活动，与台风环流不断作用，造成台风环流内冷区南压(图 5a)，850 hPa上自东北向南存在冷舌，河南南部有弱冷空气中心，与东南急流带来的暖湿空气交汇，形成温度锋区(图 5b)。高低层系统正压性相对较强(图 5c)，强降水落区呈带状弯曲位于台风倒槽附近，6 h降水量超过100 mm，距离台风中心约2个纬距。

随着冷涡后部小股冷空气不断南下与台风残余环流相互作用，低压环流强度持续减弱。至19日20时，500 hPa上台风环流已并入西风带系统，被较强的西风槽取代(图 5d)，850 hPa上冷暖平流更加显著(图 5e)。伴随着弱冷空气的影响，各层系统间正压性被破坏，呈现出明显的斜压特征，强降水落区位于700 hPa槽前，中心强度达到特大暴雨，呈块状位于低层倒槽顶端附近，与环流中心距离较远(3~4个纬距)(图 5f)。

根据以上分析，“温比亚”北上过程中，贝加尔湖附近冷涡稳定维持导致冷空气频发，不断东移南下的小股冷空气持续与其北侧倒槽相互作用，是台风减弱环流倒槽附近强降水得以维持的重要原因。

4 冷空气对“温比亚”及降水的影响

“温比亚”登陆后强度持续减弱，对比逐6 h降水落区分布(图略)可以发现，倒槽附近暴雨落区范围逐渐缩小，山东强降水落区存在逐渐远离台风中心的趋势，与TBB特征演变中云系变化特征相吻合(图 2)。

为了更好地探究冷暖空气结合对台风强度和降水的影响，分别沿台风中心和倒槽附近强降水落区做剖面进行分析可以发现：在冷空气影响台风环流前，台风暖心结构明显，倒槽附近上升运动强盛，上升高度可达200 hPa，强上升运动中心位于600 hPa左右(18日08时，图略)。随着短波槽东移，带来弱冷空气影响，18日20时(图 6a)，台风中心500 hPa以上被西风槽替代，正压结构遭到破坏，槽后对流层中高层存在干冷空气下沉，同时台风西侧800 hPa以下有明显向台风中心侵入的下沉运动，台风中心西侧112°E附近转为西北风，中心上空上升运动明显减弱。此时倒槽附近对流层中层同样伴随弱冷空气侵入至800 hPa附近，与倒槽上方200 hPa至700 hPa间向下伸展的暖舌间形成锋区，其东侧暖湿空气沿锋面斜升获得斜压能量，上升运动中心位于400 hPa附近，另一上升中心位于地面倒槽东侧800 hPa附近，对应强降水落区位于倒槽附近偏东一侧(图 6b)。

至19日20时，台风中心上空500 hPa以下均为西风槽控制，中心东侧东南急流转为槽前西南气流，400 hPa以上环流趋于平直，强度进一步减弱(图 6c)。而在倒槽强降水落区上方(图 6d)，对流层500 hPa高空槽东移，强的斜压锋区位于600~400 hPa之间，与倒槽相位基本叠加，槽前强上升运动中心与低层倒槽辐合上升区结合，上升运动强度加强，范围更加集中，700 hPa附近上升速度中心达到-24×10^-3 hPa·s^-1，造成此时段潍坊、东营一带出现特大暴雨。

在此次过程中，台风中心附近冷空气影响到达近地层，破坏暖心结构，导致台风强度减弱，台风中心附近降水逐渐减弱。而倒槽伸展偏北，是东南急流和冷空气的主要结合区，冷空气在对流层中层与暖湿空气汇合，配合中层不断增强的冷暖平流，形成锋区，斜压不稳定能量增强，暖湿空气在锋区附近上升，并与低层倒槽辐合上升运动相配合，共同引发倒槽附近特大暴雨。

5 强降水产生机制 5.1 水汽条件

“温比亚”极端强降水的产生离不开充沛的水汽条件。其水汽源地分为两个阶段，登陆前，水汽主要来源于孟加拉湾和南海，自南向北输送的水汽经黄海形成水汽通道(图略)，登陆后，随着台风北上和大尺度环流的调整，南海与黄海间水汽通道断裂，水汽主要来自东海及黄海中部(图 7a-c)。从水汽通量垂直分布上可以看出，水汽输送主要位于800 hPa以下，最强输送中心位于950 hPa附近，中心值可达30 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1(图 7d)，东南急流源源不断地将水汽从东海向山东区域输送，为此次过程提供了充足的水汽条件。

对应主要降水时段，山东大部地区850 hPa比湿维持在12~14 g·kg^-1(图 7a-c)，超过山东夏季暴雨预报比湿指标。分析水汽通量散度场可以看出，18日20时，强水汽通量辐合区(大于8×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1)呈窄带状位于倒槽偏东侧，走向与倒槽基本垂直，中心值为-24×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1(图 7a)，其形态和位置与倒槽过去6 h降水落区尤其是暴雨落区非常吻合(图 5c)。到19日08时，水汽辐合区呈逆时针旋转至倒槽附近，中心强度略有减弱(-20×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1)(图 7b)，对应暴雨落区位于鲁西南处呈带状(图略)，与水汽辐合区走势基本一致，大暴雨落区范围减小。19日20时伴随急流再次加强，水汽辐合中心强度再次增至-24×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1(图 7c)，呈块状位于东营、潍坊一带，对应该时段暴雨落区同样呈块状，并出现特大暴雨中心(图 5f)。通过以上与逐6 h降水量的对比可以发现，850 hPa水汽通量辐合强度大于8×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1的区域与暴雨落区的形态和位置对应良好，且辐合强度的变化对降水量多少有一定指示意义，在今后台风降水预报中可进行参考。

5.2 不稳定层结

台风环流中的中小尺度系统是产生台风暴雨的重要因素，中小尺度系统产生的强对流具有降水效率高、局地性强等特征，是造成强降水中心分布不均的重要原因，而强对流的发生离不开有利的环境条件。此次过程中，除鲁西北外，山东大部地区500 hPa以下存在对流不稳定(图 8)，不稳定中心位于鲁东南地区，且该地区低层存在假相当位温高能脊，说明能量条件非常充沛。

这种广泛存在的不稳定层结为强对流的发生和发展提供了有利的能量条件，通过上节分析，这种不稳定层结的形成得益于中层弱冷空气和低层强暖湿气流的输送。

5.3 动力辐合条件

“温比亚”减弱为热带低压(18日14时)后仍给山东带来了显著降水，由散度场来看，该时段倒槽附近对流层中低层仍有明显的辐合存在，低层辐合较强，至中层逐渐减弱，高层转为辐散场(图略)。将500 hPa以下辐合区叠加，可看到在18日20时(图 9a)，受冷空气影响，虽该时次倒槽系统正压性较强，但其倒槽附近辐合区并不集中，呈带状弯曲位于倒槽两侧(图 9c)，与实况降水分布基本一致；随着冷空气的不断南下，18日夜间至19日上午，辐合区强度减弱(图 9b)，强辐合范围逐渐集中，基本位于倒槽附近。至19日20时，随着又一次西风槽东移影响，辐合区移至鲁中山区西北侧，强度有所增强，且辐合区的范围和位置与降水落区对应良好(图 5f)。

5.4 地形作用

通过与地形匹配可以发现，18日14时鲁东南地区局地强回波走向与此时地面东南偏东盛行风风向一致(图 10a)，而19日上午低层强风速带减弱(图 10b)，对流发展也有所减弱，19日下午14时开始，随着南支急流的再次北抬，偏南气流与东北强风速带在潍坊一带形成辐合(图 10c)，此辐合线长期维持，伴随对流强烈发展。综上，这种“列车效应”的回波走向与低层强风速带的风向吻合，初始生成的位置多位于鲁中山区迎风坡处，在这种山脉抬升作用下，低层强风速带形成风向或风速辐合线，触发不稳定能量，产生与地形基本正交的中尺度回波带，引发持续性局地强降水，这也是此次过程中鲁南和鲁中南部局地特大暴雨的重要影响因素。

6 结论

针对2018年8月17—20日台风“温比亚”(1818)造成的山东罕见的特大暴雨过程，本文利用气象卫星、多普勒天气雷达、区域自动观测站及常规观测资料，结合NCEP/NCAR逐日6 h再分析资料(0.25°×0.25°)对其强降水原因进行分析，主要得到以下结论：

1) 此次极端降水可分为三个阶段，分别受台风外围螺旋云系、倒槽和变性后温带气旋影响，其中冷空气与台风倒槽相互作用对强降水的维持起到了重要作用。

2) 在“温比亚”登陆后缓慢北上过程中，强降水落区从台风东侧逆时针转至北部倒槽附近，并逐渐远离台风中心，同时，台风中心压强升高，风力减小，强度逐渐减弱。

3) 对应主要降水时段，弱冷空气从对流层中层侵入台风倒槽，中层冷暖平流增强形成锋区，暖湿空气沿锋面斜升获得斜压能量，与低层倒槽辐合上升运动相结合，引发了倒槽附近特大暴雨的发生。

4) 此次山东极端性降水的水汽源地主要来自东海，低空急流稳定维持将水汽输送至台风倒槽附近，强水汽输送带集中在800 hPa以下台风东侧，850 hPa水汽通量辐合强度大于8×10^-6 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1的区域与暴雨落区的形态和位置对应良好，且辐合强度的变化对降水量多少有一定指征意义，在以后台风降水预报中可进行参考。

5) 从对流层中层侵入的弱冷空气和低层的强暖湿气流输送促进了对流不稳定层结的发展和维持，低层强风速带在鲁中山区迎风坡强迫抬升不断触发中尺度对流系统，在中高层气流引导和地形作用下产生“列车效应”，这也是造成此次过程中局地特大暴雨的重要因素。