引言

CHEN and LI^[1]将登陆台风暴雨分为6种：台风核心区降雨、台风螺旋雨带或外围降雨、台风内部中小尺度降雨、不稳定降雨、台前飑线雨和台风远距离暴雨。其中，台风螺旋雨带或外围降雨，台前飑线雨和台风远距离暴雨主要发生在台风前侧^[2-3]。台风登陆后产生的暴雨与外界能量的输入有直接关系^[4]，低空急流对台风残涡的维持具有十分显著的影响^[5-8]。低空急流通过中尺度扰动的形式向暴雨区输送动量、热量和水汽^[9]，有利于强对流活动连续发展。个例分析也表明，登陆台风与低空急流相互作用时容易导致连续强降水^[10-12]。冷空气对登陆台风降水也具有重要影响，其造成的强迫抬升运动可以加强台风螺旋雨带的对流过程，使不稳定能量释放^[13-14]。与此同时，地形对台风暴雨的增幅作用同样重要，复杂的地形让台风降水落区和强度的预报更为困难^[15]。1822号台风“山竹”登陆后给华南造成严重灾害，受大风和强降水影响，粤港澳出现大面积航班延误或取消、高铁停运、部分地区停工停业、学校停课，两广中小河流发生超警洪水，“山竹”是1979年以来影响珠三角大部分地区最严重的台风，造成巨大的经济损失。强降水发生前后，广东阳江探空站的CAPE(对流有效位能)值和各种抬升指数(K指数、SI指数等)表现并不显著(图略)，预报员对暴雨强度和落区的判断更加困难。本文采用NCEP/NCAR 1°×1°的FNL再分析资料，基于CMORPH(CPC MORPHing technique)卫星-地面自动站融合降水数据和FY-2G卫星反演的TBB(black-body temperature，云顶亮温)来分析“山竹”对华南强降水产生的可能物理机制，为今后预报此类登陆台风影响过程提供一些参考依据。

1 台风与降水概述

2018年第22号台风“山竹”(MANGKHUT)于9月7日12时(世界时，下同)在西太平洋洋面上生成(图 1)，随后一路西行并不断加强，15日凌晨在菲律宾吕宋岛东北部沿海登陆(超强台风级，风力17级以上，风速65 m·s^-1)，16日09时前后在广东省台山市沿海登陆我国(强台风级，风力14级，风速45 m·s^-1)，这也是2018年度最强登陆台风，9月17日09时在广西境内停止编号。受台风“山竹”影响，9月16—18日，多地出现强降水，广东、广西、海南岛北部等地出现大暴雨、局地特大暴雨，累计降雨100~280 mm，其中广东茂名、阳江、深圳、惠州及广西河池等地累计降雨300~497 mm。

2 环流背景

分析16日12时形势场(图 2a)，“山竹”登陆后在西北太平洋副热带高压(以下简称“副高”)外围引导气流的牵引下向西北方向移动，850 hPa低空急流长时间与“山竹”残余环流保持联接，急流中心风速达到20 m·s^-1，形成一条孟加拉湾—中南半岛—南海—华南的水汽输送带，在强西南风的驱动下持续向华南大气输送水汽。由于副高进一步西伸，南北气压梯度加大，有利于低层西南风加速，这是低空急流长时间与台风残涡维持的重要动力因子。由高层100 hPa环流(图 2c)可以看出，我国江南至日本南部海面一带是一个巨大的反气旋环流，存在两个中心，西边的是南亚高压，东边的是副热带高压，“山竹”位于南亚高压环流中心偏南侧，存在显著的指向西的出流，这对于低空台风残涡的维持十分有利。17日台风残涡移入广西境内(图 2b)，低空急流中心风速达到24 m·s^-1，急流一方面将孟加拉湾和南海的水汽向华南地区输送，另一方面向暴雨落区输送正涡度，高温高湿的大气加上辐合抬升运动造成华南地区对流降水持续发展，整个华南地区上空高层100 hPa依旧由南亚高压控制(图 2d)，高层辐散抽吸，低层辐合抬升，这是台风残涡登陆维持并引发暴雨的重要因素。由此可见，500 hPa副高西伸有利于台风残涡持续影响华南地区，850 hPa来自孟加拉湾的低空急流穿越南海后与副高南侧偏东风汇合后建立起一条连接华南的水汽通道，因为“山竹”的存在使得高层出流变得更强，南亚高压造成持续出流有利于低层入流、垂直上升运动的维持，这种高层辐散、低层辐合的系统配置是华南地区发生暴雨的重要天气背景。

3 环境条件分析 3.1 动力条件

吴国雄等^[16]证明了绝热无摩擦的饱和大气中湿位涡的守恒性，湿等熵面的倾斜，大气水平风垂直切变或湿斜压性增加能够导致垂直涡度的显著发展，等压面上湿位涡:

$ \begin{array}{c}{\zeta_{\mathrm{MPV}}=\zeta_{\mathrm{MPV} 1}+\zeta_{\mathrm{MPV} 2}-g(\zeta+f) \frac{\partial \theta_{\mathrm{e}}}{\partial p}+} \\ {g\left(\frac{\partial v}{\partial p} \frac{\partial \theta_{\mathrm{e}}}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial p} \frac{\partial \theta}{\partial y}\right)}\end{array} $

(1)

式(1)中符号为气象常用符号，单位：PVU，1 PVU＝10^-6 m²·K·s^-1·kg^-1，ζ_MPV2为湿斜压项，由风的垂直切变和相当位温的水平梯度决定。由华南暴雨落区大气湿位涡斜压项ζ_MPV2、垂直速度和涡度的垂直剖面图来看，16日12时(图 3a)，“山竹”登陆后华南110°~112°E之间形成强正涡度柱，垂直高度延伸至150 hPa，暴雨区上空涡度中心达到50×10^-5 s^-1，整层维持强的气旋式辐合，这是在台风本体环流的作用下暴雨区出现强的螺旋上升运动，垂直上升速度达到-5×10^-2 hPa·s^-1。同时，低层大气不稳定度开始建立，暴雨中心区域700 hPa附近ζ_MPV2出现负值中心(-0.8 PVU)且等值线密集，这对强降水落区具有重要的指示意义^[17], 同时700 hPa假相当位温水平梯度为正值(图 3c)，说明大气的斜压性主要是由水平风垂直切变导致的，500 hPa附近出现ζ_MPV2正值中心(0.2 PVU)，而200 hPa附近ζ_MPV2表现为负值，这种湿位涡正负叠加的形势有利于垂直涡度的增长。到16日18时，随着台风西移，ζ_MPV2数值显著减小(图 3b)，700 hPa假相当位温水平梯度依旧为正值(图 3d)，这主要是由于风垂直切变减小导致的，而暴雨区上空依旧为正涡度所覆盖，111°E附近850 hPa有一正涡度中心，中心值达到30×10^-5 s^-1，仍有较强的气旋式辐合，110°~112°E区域200 hPa以下都表现为上升运动，这是强降水得以维持的重要动力因子。

3.2 水汽条件

水汽主要集中在对流层下层，整层大气可降水量(PWAT)是从地面到200 hPa的水汽积分，可以代表大气中的水汽总含量。从9月15日12时起，华南上空的PWAT一直维持在40 kg·m^-2以上(图 4a)，16日随着台风“山竹”在广东登陆，华南上空PWAT逐步增加到峰值61 kg·m^-2，处于高湿的状态，为暴雨的发生提供丰沛的水汽条件。一直到18日，PWAT保持在50 kg·m^-2以上。TIAN et al.^[18]研究表明，超过75%的强降水出现在PWAT大于51 kg·m^-2环境中，由此可见，本次华南暴雨的发生有较好的本地水汽条件。为了进一步探求水汽的来源，取暴雨区域(21°~26°N，106°~114°E)计算4个方向水汽通量的垂直积分，图 4b显示强降水区4个边界的整层水汽通量及其总和。从4个方向的水汽收支来看，在台风登陆前，水汽来源主要在北侧和东侧，即台风本体带来的水汽；登陆后随着台风进一步西移，16日12时开始，西侧和南侧的整层水汽通量开始加大，这时水汽主要来源于低空急流和副热带高压边沿的汇聚。从700 hPa水汽通量场(图 4c)可以发现，来自孟加拉湾的一支低空急流穿过南海与副热带高压南侧的偏东气流汇合后向华南地区输送，中心值达到50 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1，这是暴雨得以发生的重要水汽来源。到16日18时，偏南低空急流的水汽输送依然维持，水汽通量值在暴雨区达到45 g·cm^-1·hPa^-1·s^-1(图 4d)，南边界的水汽通量随时间的变化与4个边界水汽通量总和随时间的变化基本一致，这说明来自南部的水汽输入在暴雨发生过程中占据主导地位。

3.3 云顶亮温

利用高时空分辨率的气象卫星观测资料能够分析造成暴雨的中尺度对流系统，对流云团中冷核的演变与地面降水量大值的落区间有很好的一致性^[19]。从FY-2G卫星反演的TBB空间分布可以看到，16日12时，“山竹”登陆广东后，能观测到清晰的台风本体环流产生的中尺度对流云团，TBB中心值低于-70 ℃(图 5a)，最强云团中心区对应着外围的强风速辐合区，华南地区强降水也开始加剧，暴雨落区与TBB中心区域有较好的对应关系。16日18时TBB(图 5b)显示，台风登陆后减弱，中尺度对流云团的发展厚度明显减小，来自孟加拉湾的水汽与南海湿润的大气汇合后在台风的东南侧形成强的对流云团，在强劲西南风的驱动下持续影响华南地区。6 h后，台风残涡形成的对流云团进一步减弱(图 5c)，由台风本体造成的降水也因此而弱化，此时在北部湾和南海北部有一条较强的对流云团发展，这主要是南部低空急流的发展加强所致，暴雨的发生需要源源不断的水汽和热量的输送，在台风登陆逐渐减弱后，南支低空急流无疑对暴雨的维持起着重要作用。17日06时，北部湾和南海北部的对流云团北上(图 5d)，持续影响华南地区。

3.4 热力条件

视热源和视水汽汇的计算公式^[20-21]为:

$ Q_{1}=C_{p}\left[\frac{\partial T}{\partial t}+\boldsymbol{v} \cdot \nabla T+\left(\frac{p}{p_{0}}\right)^{\kappa} \omega \frac{\partial \theta}{\partial p}\right] $

(2)

$ Q_{2}=-L\left[\frac{\partial q}{\partial t}+\boldsymbol{v} \cdot \nabla q+\omega \frac{\partial q}{\partial p}\right] $

(3)

式(2)(3)中的θ为位温, q为比湿, v为水平风矢量, ω为p坐标垂直速度，$\kappa=\frac{R}{C_{p}} $，R和C_p分别是气体常数和干空气的等压比热, L为水汽凝结潜热, p₀=1 000 hPa。

对式(2)(3)整层积分得到视热源 < Q₁>和视水汽汇 < Q₂>，这里：$ <>=\frac{1}{g} \int_{p_{0}}^{p_{t}}( ) d p$，p_t和p₀表示顶层和底层气压。视热源Q₁和视水汽汇Q₂均包含局地项、平流项和垂直运动项3个分量，取暴雨区域(22°~26°N，106°~114°E)16日00时—18日00时计算Q₁、Q₂各项在垂直方向的分布情况(图 6)。从视热源Q₁及其各项分布(图 6a)来看，局地项Q_1tg和平流项Q_1ug的作用并不显著，垂直运动项Q_1wg占主导地位，说明大气热源主要来自于垂直运动释放的凝结潜热，这在600 hPa表现的最为显著。从相应视水汽汇Q₂(图 6b)来看，局地项Q_2tg和平流项Q_2ug同样不显著，垂直运动项Q_2wg基本反映了Q₂的特征，在700 hPa达到最强。对比Q₁和Q₂可以发现，在登陆台风影响下，大气的热源中心在大气水汽汇中心上方，这主要是由台风本体和低空急流相互作用激发的强烈上升运动产生的。强垂直运动把低层暖湿气流抬升到高层，使台风气柱中的大量积云对流发展并释放潜热增暖，对流运动加强并造成较强的视热源和视水汽汇，增强高空辐散，有利于低压环流的维持和强降雨的产生。

4 结论与讨论

通过对1822号台风“山竹”对华南地区暴雨的产生物理机制进行分析发现：本次暴雨过程是在台风残涡与低空急流相互作用下发生的，来自孟加拉湾的低空急流与副高南侧偏东风汇合后持续向华南大气输送水汽和热量，使得暴雨可以持续发生；副高西伸和南亚高压的稳定维持为台风残涡持续影响华南地区提供了大尺度背景场；通过湿位涡诊断分析表明, 华南暴雨落区大气的斜压性主要是由水平风垂直切变导致的，这有利于垂直涡度的增大；在登陆台风影响下，强垂直运动把低层暖湿气流抬升到高层，产生凝结核潜热释放，对流运动加强并造成较强的视热源和视水汽汇。

此次登陆台风给华南地区带来强降水是在强的西南低空急流背景下发生的，然而影响强降水发生的因素较多，此文从单个个例分析得到的结论不一定具有普适性，后期还应该分析更多的相似个例来进一步探求登陆台风影响华南降水的成因。