2019, Vol. 39
2. 山东省气象科学研究所, 山东 济南 250031
2. Shandong Institute of Meteorological Sciences, Jinan 250031, China)
台风是山东暴雨的重要影响系统，山东淡水资源匮乏，台风带来的暴雨往往能一举解除旱情，但短时间内降水过度集中可能造成严重洪涝灾害。数值模式过去30 a在台风研究及其预报业务发展中所取得的最大成功是越来越准确的台风路径预报，但是对登陆台风降水的预报能力仍非常有限，且短时间内其预报能力很难取得突破[1]，因此，登陆台风强降水的预报研究是科研和实际业务工作中的难点和热点问题。陈联寿等[2], 陈联寿和丁一汇[3]指出，影响台风暴雨落区的3个主要因子是：台风涡旋的内部结构、台风周围环境大气影响、台风下垫面的强迫作用；台风环流中心的风速、风向辐合、台风低层不同部位的切变线、流入层气旋性弯曲的流线都将产生和加强辐合条件，台风的雨量中心常与上述低层流场特征相对应。孙兴池等[4]研究了台风“麦莎”对山东的影响，发现暴雨区与东侧的切变线相关。
丁一汇[5]指出，“75·8”特大暴雨产生的直接原因是建立了持续而强烈的水汽通道。强降水期间，可以看到一支很强的东南气流，台风暴雨就是依靠这支强而稳定的水汽通道得以维持。低空急流不但形成了暴雨发生的热力和水汽条件，也是暴雨重要的触发机制[6]。2018年深入内陆的“温比亚”台风造成山东大范围暴雨，潍坊等地受灾严重，正是因为存在大范围的低空东南急流。
在实际业务中，登陆台风的强降水落区往往根据其路径确定，这是基于暴雨在台风中心附近的假设，即路径相似的台风，降水分布也相似。但由于西风带、副热带环流形势不同及台风的自身结构、强度和地形等差异，其强降水往往偏离台风中心，台风暴雨相对眼区并非对称分布，因此，根据台风中心预报暴雨落区有很大偏差。
登陆台风暴雨的非对称性已引起人们较多关注。程正泉等[7-8]对相同路径的两个台风的暴雨落区进行了对比，认为大气环流形势的差异是相同路径的台风暴雨落区不同的原因, 其总结了近十年中国台风暴雨研究进展，指出中小尺度系统是台风暴雨中的主角，而中小尺度系统的产生与地形、台风倒槽及台风与西风槽的相互作用关系密切，中小尺度系统直接影响登陆台风的暴雨强度和分布。王瑾等[9]对“麦莎”台风暴雨落区的非对称分布进行了诊断分析，表明卫星资料的红外和水汽图像能够清晰地揭示非对称的云系结构特征和台风暴雨落区的分布，来自南海和东海强盛的热带水汽羽直抵台风中心东部，中纬度地区的极锋水汽羽东移，其尾端并入台风北部，受二者共同作用，台风降水呈非对称分布；台风中心附近的垂直流场、涡度、假相当位温和整层积分的水汽通量散度等物理量的非对称分布以及低层冷空气的侵入，共同解释了台风云系的非对称结构及强雨区非对称分布的形成原因。1210号台风“达维”强降水偏于东部象限与台风本身的非对称结构相关[10]。
台风登陆进入中纬度以后，中纬度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，产生强暴雨[1]。另外，台风是较为对称的天气系统，其大风区一般以眼区为中心均匀分布，但其进入中纬度以后，由于与副热带高压(简称“副高”)或西风槽相互作用，大风区会出现不对称分布，从而出现涡度的不对称分布，暴雨与正涡度或正涡度平流区相对应。
影响山东的台风，多数来自于菲律宾以东洋面[11]，由于山东半岛突出在黄渤海之间，登陆和影响山东半岛的台风最多，台风暴雨多数出现在半岛东部和南部沿海。但有的台风进入中纬度以后，由于与西风带环流相互作用，暴雨落区出现明显的非对称性，造成路径相似的台风，暴雨落区有很大差异，预报难度大。深入分析研究登陆台风暴雨与西风带系统的关系及形成机制，有利于提高台风暴雨的精细化预报水平。分析2000—2014年登陆北上山东的8个台风，发现当上游有西风槽时，台风西侧往往有更大范围的暴雨区，例如0421号“海马”、0713号“韦帕”和1410号“麦德姆”。反之，与副高相互作用，暴雨区趋于偏东，例如0108号“桃芝”、0509号“麦莎”和1210号“达维”。另外两个台风，1105号“米雷”是60 a来第一个在6月从黄海西进登陆山东的台风，其螺旋云系完整，暴雨对称分布，可预报性强，而0209号“风神”没有造成山东暴雨。
本文选取同样登陆北上至鲁东南且位置相近，但暴雨区完全偏于路径西北侧的0421号“海马”和东北侧的0509号“麦莎”进行对比分析，总结两个台风的暴雨落区与中纬度系统相互作用特点，以期为台风暴雨落区预报提供参考。
1 “海马”和“麦莎”台风路径与暴雨落区“海马”和“麦莎”登陆北上山东位置相近(图 1a、b)，但暴雨落区差异很大。2004年9月14日下午“海马”位于江苏北部时，造成台风中心西北侧的枣庄、临沂一带出现暴雨；台风14日20时位于鲁东南，其西北方向的淄博、潍坊一带出现暴雨，台风东北侧的山东半岛地区雨量始终较小，图 1a为“海马”台风路径及25 mm以上雨量分布，暴雨区偏于路径西北侧。而2005年8月8日08时“麦莎”登陆北上至鲁东南时，暴雨区位于其东北侧的山东半岛北部，烟台、威海出现大暴雨(图 1b)。
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图 1 台风路径(蓝点折线；a.台风“海马”，b.台风“麦莎”)与降水量≥25 mm雨区(棕虚线，单位：mm；a. 2004年9月13日08时—15日08时，b.2005年8月7日08时—8日08时) Fig.1 Track of typhoon (blue dotted polyline; a. Typhoon Haima, b. Typhoon Matsa) and area of precipitation equal to or greater than 25 mm (brown dashed line, units: mm; a. from 08:00 BST on 13 to 08:00 BST on 15 September 2004, b. from 08:00 BST on 7 to 08:00 BST on 8 August 2005) |
0421号“海马”2004年9月11日生成于台湾附近海面，虽然半径仅70 km左右(俗称“小台风”)，且强度弱。13日14时在温州登陆时即减弱为热带低压，但登陆后经久不衰，一路北上经华北进入蒙古，是罕见的穿过华北的台风。
2.1 天气形势与物理量特征“海马”暴雨区偏于其中心西北侧，与西风带环流形势及冷空气的相互作用有关。张迎新等[12]分析表明，“海马”北上过程中与中纬度低槽云系相互作用，在山东、河北地区生成许多中尺度云团，产生强降水天气，部分地区出现暴雨到大暴雨。
由14日20时天气图(图 2a)可见，台风影响期间，500 hPa环流经向度大，115°E附近高空深槽从华北伸向华南，经向度达20纬距，东北阻塞高压和副高同位相叠加，台风在阻塞高压西侧向西北方向移动，是少有的深入到我国北方的台风。
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图 2 2004年9月14日20时天气图(a. 500 hPa，b.850 hPa；蓝实线为高度场，单位：dagpm；红虚线为温度场，单位：℃；风矢为风场，单位：m·s-1；棕实线为槽线或切变线；蓝点折线为台风路径) Fig.2 Synoptic chart(a. 500 hPa, b.850 hPa; blue solid line for geopotential height, units: dagpm; red dashed line for temperature, units: ℃; wind barb for wind field, units: m·s-1; brown solid line for trough line or shear line; blue dotted polyline for track of typhoon) at 20:00 BST on 14 September 2004 |
强台风气旋性环流的伸展高度比弱台风高[2]。“海马”登陆北上山东时，已减弱为热带低压(1 004 hPa、15 m·s-1)。14日20时(图 2b)，850 hPa以下尚可看到明显气旋性环流，而700 hPa以上为强东南气流。系统在垂直方向上向西倾斜，具有西风带系统的特征。由850 hPa天气图(图 2b)可见，台风倒槽西北侧有冷空气侵入，冷暖空气交汇在台风倒槽附近。
此次过程鲁东南出现大暴雨，选取其主要暴雨时段进行分析。14日14时，台风位于119.1°E，34.6°N, 6 h降雨量≥50 mm的降水区位于台风西北方向的鲁东南地区，沂南最大，为68 mm(图 3a)。
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图 3 2004年9月14日14时天气图(a.地面图，b.500 hPa，c.850 hPa；棕虚线为6 h降雨量≥25 mm雨区；蓝点折线为台风路径；棕实线为槽线；a图中黑实线为气压场，单位：hPa；b、c图中黑实线为高度场，单位：dagpm；红点划线为温度场，单位：℃；风矢为风场，单位：m·s-1)、14日08时500 hPa涡度平流(d；点划线，单位：10-5 s-2)、850 hPa水汽通量散度(黑线，单位：10-7 g· cm-2·hPa-1·s-1)和比湿(填色，单位：g·kg-1)(e)及850 hPa相当位温θe(f；黑实线，单位：K) Fig.3 Synoptic chart (a. surface chart, b. 500 hPa, c. 850 hPa; brown dashed line for area of 6-h rainfall equal to or greater than 25 mm; blue dotted polyline for track of typhoon; brown solid line for trough line; black solid line in Fig. 3a for pressure, units: hPa; black solid line in Fig. 3b and Fig. 3c for geopotential height, units: dagpm; red dot-dash line for temperature, units: ℃; wind barb for wind field, units: m·s-1) at 14:00 BST on 14 & vorticity advection (d; units: 10-5 s-2) at 500 hPa, water vapor flux divergence (black line, units: 10-7 g· cm-2·hPa-1·s-1), and specific humidity (colored, units: g·kg-1) at 850 hPa (e), and equivalent potential temperature θe (f; black solid line, units: K) at 850 hPa at 08:00 BST on 14 September 2004 |
由图 3b可见，“海马”位于500 hPa高空深槽前，台风西侧西南风在20 m·s-1以上，高空槽前的鲁西地区出现了较强的正涡度平流(图 3d)。强正涡度平流偏于台风西北侧，可能是暴雨偏于台风中心西北侧的原因之一。
850 hPa图(图 3c)显示，台风西北侧有较强冷中心，台风西侧出现相当位温密集区(图 3f), 即锋区，冷暖空气交汇在台风西北侧, 并造成较强的水汽辐合中心(图 3e)。
由850 hPa水汽通量(图略)可见，由于副高和东北阻塞高压同位相叠加，在台风东侧形成宽广的东南急流，在华东沿海建立了较强的水汽通道。位于台风东北侧的山东半岛南部地区为水汽通量中心。山东半岛南部虽为水汽通量中心，但水汽辐合较弱，大于-10×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1水汽辐合区位于台风西北侧(图 3e)，台风东侧强盛的水汽输送，在台风西北侧与冷空气辐合，造成较强降水，14日08—14时，台风倒槽西侧出现6 h降雨量≥25 mm的东南—西北向较强雨带，最大降雨量出现在沂南，为68 mm(图 3a)，14日20时，暴雨带继续向西北方向移动，临淄6 h雨量达58 mm。
由850 hPa水汽通量散度和比湿场(图 3e)可见，台风东侧东南急流伴随着比湿≥12 g·kg-1的高湿舌，高湿舌前方比湿梯度较大，是干冷和暖湿空气的交汇处，较强辐合出现在此处。
综上所述，暴雨区出现在高比湿前方，较强水汽辐合区与相当位温密集区叠套的区域。
2.2 “海马”台风中心的热力、动力垂直结构14日14时，在地面天气图上，“海马”中心位于119.1°E，34.6°N附近，即将登陆山东，此时台风中心西北侧的沂南、薛城已出现强降雨。
为揭示台风热力、动力空间结构，制作通过台风中心的纬向和经向剖面图。由纬向垂直剖面图(图 4a、c)可见，在台风中心西侧出现θe密集区，即锋区，锋区内等温线下凹，说明冷空气从西侧入侵，锋面坡度较陡，在高空陡立的锋区前，700 hPa附近出现-10×10-3 hPa·s-1的较强上升运动(图 4c)，该强上升运动区位于台风西侧1个经距左右。
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图 4 2004年9月14日14时台风中心相当位温(黑实线，单位：K)、温度(红点划线，单位：℃)的纬向(a)和经向(b)及相当位温(黑实线，单位：K)、垂直速度(红/蓝线，单位：10-3 hPa·s-1)的纬向(c)和经向(d)剖面图 Fig.4 Zonal (a) and meridional (b) cross section of equivalent potential temperature θe (black solid line, units: K) and temperature (red dot-dash line, units: ℃) & zonal (c) and meridional (d) cross section of equivalent potential temperature θe (black solid line, units: K) and vertical velocity (red/blue line, units: 10-3 hPa·s-1) at 14:00 BST on 14 September 2004 |
在经向剖面图(图 4b、d)上，台风北侧为θe密集区，锋面坡度较小，台风位于锋面南侧，冷空气先从低层侵入台风北侧，暖湿气流沿着锋面向北爬升，在台风北侧36°~38°N之间对流层中低层出现了-12×10-3 hPa·s-1的强上升运动区，造成台风进入山东以前，其西北侧的鲁东南已出现暴雨。
台风西北侧冷空气的入侵，有两个作用：一是加强台风西北侧的低空辐合，二是锋面抬升作用明显，使强降水偏于台风中心西北侧。
3 0509号“麦莎”暴雨偏于台风路径东北侧的成因分析0509号“麦莎”是对我国北方影响较大的一个台风，其本身具有不对称结构，东侧存在西南风和东南风之间的切变线，因此，与一般台风具有较对称的圆形云系不同，“麦莎”东侧有宽广的切变云系(图略)，其强降水并不与台风中心路径重合，而是偏于台风路径的东北侧(图 1b)，2005年8月8日08时，台风中心位于鲁东南(119.3°E，35.5°N)，此时6 h降雨量≥50 mm强降水区位于其东北方向的烟台、威海，烟台6 h雨量达134 mm(图 5a)。
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图 5 2005年8月8日08时天气图(a.地面图，b.500 hPa，c.850 hPa；棕虚线为6 h降雨量≥25 mm雨区；蓝点折线为台风路径；黑实线为气压场，单位：hPa；棕实线为切变线；蓝实线为高度场，单位：dagpm；红虚线为温度场，单位：℃；风矢为风场，单位：m·s-1)、500 hPa涡度(d；黑实线，单位：10-5 s-1)、500 hPa涡度平流(e；点划线，单位：10-5s-2)及850 hPa水汽通量散度(f；黑线, 单位：10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) Fig.5 Synoptic chart (a. surface chart, b. 500 hPa, c. 850 hPa; brown dashed line for area of 6-h rainfall equal to or greater than 25 mm; blue dotted polyline for track of typhoon; black solid line for pressure, units: hPa; brown solid line for shear line; blue solid line for geopotential height, units: dagpm; red dashed line for temperature, units: ℃; wind barb for wind field, units: m·s-1), vorticity (d; black solid line, units: 10-5 s-2) at 500 hPa, vorticity advection (e; dot-dash line, units: 10-5 s-2) at 500 hPa, and water vapor flux divergence (f; black line, units: 10-7 g· cm-2·hPa-1·s-1) at 850 hPa at 08:00 BST on 8 August 2005 |
0509号“麦莎”影响期间，500 hPa主要形势特点是副高偏北偏强(图 5b)，主体在日本北部，中心达595 dagpm，贝加尔湖高压脊东移与东北高压合并加强，台风北侧出现东南—西北走向的“负倾斜”高压脊，而西风槽弱，台风降水及路径主要受高压脊影响。
3.1.1 500 hPa涡度与涡度平流“麦莎”台风登陆时大风区以眼区为中心均匀分布[3]，而登陆以后，由于与副高相互作用，演变为大风区偏于台风东侧，从而出现涡度的不对称分布。
由7日08时500 hPa风场(图略)可见，大于12 m·s-1的大风区均匀分布在台风环流各个象限，此时500 hPa涡度(图略)围绕台风中心均匀分布，台风中心也是正涡度中心。7日20时，随着台风进一步北上，与副高相互作用，台风与其东侧副高之间出现了一支东南急流，青岛风速达30 m·s-1，而台风西侧风速减小，使得台风东侧的正涡度增大。8日08时，台风位于鲁东南时，台风的东北和东南侧出现了大于9×10-5s-1的正涡度中心(图 5d)，正涡度平流中心则位于台风中心东北方向的黄海北部(图 5e)。
可见，“麦莎”北上时，由于其东侧副高强大，两者之间出现偏南急流(图 5b)，而其西侧风速减小，造成500 hPa正涡度平流中心位于台风东北侧(图 5e)。其中，黄海北部为25×10-5s-2正涡度平流中心，受该强正涡度平流区影响，8日02—08时山东半岛东北部出现强降雨(图 5a)。
3.1.2 水汽通量散度850 hPa(图 5c)上，台风西侧为一致东北风，而其东侧有一支大于16 m·s-1的低空急流从苏北伸向山东半岛，在这支急流前方有明显南到东南风切变，且在东南风急流前方又存在较大的风速辐合，850 hPa水汽通量辐合(图 5f)中心位于台风东北侧，渤海和黄海北部为-4×10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1以上的水汽辐合区，而台风中心为水汽通量辐散区。
暴雨区为强正涡度平流区与水汽通量辐合叠套的区域。
3.2 “麦莎”台风中心的热力、动力垂直结构8日08时，“麦莎”中心位于119.3°E，35.5°N附近，已减弱为热带低压。由温度、相当位温的垂直剖面(图 6a、b)可见，台风中心600 hPa以下等温线向上凸起，具有暖心结构，600 hPa以上等温线平直，对流层中高层暖心结构不明显，这与台风强度减弱有关。台风中心向上凸起的θe高能舌(345 K)伸展到600 hPa，对流层低层高温高湿。
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图 6 2005年8月8日08时台风中心相当位温(黑实线，单位：K)、温度(红点划线，单位：K)的纬向(a)和经向(b)及相当位温(黑实线，单位：K)、垂直速度(红/蓝线，单位：10-3 hPa·s-1)的纬向(c)和经向(d)剖面图 Fig.6 The same as Fig. 4, but for 08:00 BST on 8 August 2005 |
纬向剖面图(图 6a)上，台风西侧有相当位温密集区，为弱冷空气侵入造成的锋区，但并未触发上升运动，台风中心及西侧为下沉运动，可能是台风西侧为负涡度平流造成。上升运动中心位于123°E附近(图 6c)，明显偏于台风中心东侧。
经向剖面图(图 6d)上，上升运动中心位于台风中心北侧38°N附近，即最强运动位于渤海和黄海北部，这里是正涡度平流(图 5e)和水汽通量辐合(图 5f)叠加的区域，而台风中心及其南侧为弱下沉运动。
总之，台风与副高相互作用，出现东侧风速大于西侧的风场非对称结构，造成正涡度和正涡度平流都偏于台风东侧；而台风自身的非对称结构，台风东北侧出现切变线和水汽通量辐合，导致台风中心东北侧出现上升运动，造成暴雨。
4 高空急流与散度普查2000年以来登陆北上山东的台风，副高通常偏北偏强，副热带高空急流轴一般位于华北东北部—我国东北地区—日本海，即东亚副热带高空急流位于45°N左右甚至更偏北。文献[13]表明，冬季副热带急流近乎定常位于20°~30°N，夏季则向北移动15纬距左右。台风登陆北上山东时，副高一般位于一年中最偏北的位置。这支偏北的高空急流能够引导位于急流核右后方的台风北上。
由图 7a可见，“海马”登陆北上山东时，200 hPa高空急流具有非纬向特点，除了我国东北—日本海有一支风速≥60 m·s-1的西风急流，在华北地区还存在一条风速≥45 m·s-1南风次大风速带，这支急流位于高空深槽前，急流右侧的河北出现散度≥4×10-5 s-1的辐散区，高空辐散区位于台风西北侧，一方面引导台风偏西移动，另一方面加强了台风西北侧的降水量。
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图 7 200 hPa风速≥30 m·s-1急流(填色)和散度(黑实线；单位：10-5s-1)(a.2004年9月14日14时，b.2005年8月8日08时) Fig.7 Jet stream (colored area) equal to or greater than 30 m·s-1 and divergence (black solid line; units: 10-5 s-1) at 200 hPa (a. 14:00 BST on 14 September 2004, b. 08:00 BST on 8 August 2005) |
“麦莎”进入山东时上升运动呈现东部强西部弱的非对称特点，除了由于台风与副高相互作用及台风本身的非对称结构外，还与高空急流及辐散有关。
由图 7b可见，“麦莎”登陆北上山东时，200 hPa高空急流轴位于我国东北—日本海，台风中心西侧风速小，我国东北地区南部为西南风急流，这支急流产生的辐散场位于渤海和黄海北部，高空辐散始终位于台风中心东北侧，这是“麦莎”暴雨区位于台风中心东北侧的原因之一。
5 小结根据台风中心预报暴雨落区远远不能满足定点预报的精细化需求，除了台风本身的非对称结构对暴雨的重要影响，台风进入西风带后，西风带冷空气及副高的作用对台风暴雨的分布起重要作用。
1) 当台风与西风槽相互作用时，暴雨区趋向偏于台风中心西北侧。当台风与副高相互作用时，暴雨区趋向偏于台风中心东北侧。
2) 台风登陆北上影响山东时，如果处于西风带深槽前，西风槽前的正涡度平流位于台风西侧；西风槽携带的冷空气从台风西侧侵入，台风西侧出现湿斜压锋区，其造成的强迫抬升运动出现在台风中心西侧；暴雨由冷暖空气相互作用造成，暴雨区为高比湿舌前方、较强水汽辐合区与相当位温密集区叠套的区域。
3) 台风登陆北上影响山东时，如果西风带环流平直，台风与副高相互作用显著。台风东侧风速大，出现涡度和涡度平流的非对称分布，暴雨区为500 hPa正涡度平流区和低层水汽辐合的叠套区。
4) 当台风进入高空深槽前，处于偏南风高空急流东侧时，台风西侧出现非纬向的高空急流及辐散区，不仅影响台风路径，还造成暴雨区趋向偏于台风中心西侧。
如果高空急流核位于我国东北地区，高空辐散出现在台风中心东北侧，引导台风转向北上并使暴雨趋向偏于台风中心东侧。
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