2020, Vol. 40
2. 成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225;
3. 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，江苏 南京 210044
2. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;
3. Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China
我国是世界上受台风影响最为严重的国家之一[1]，台风，尤其是登陆台风，能带来大风、暴雨和风暴潮，引发气象灾害，其中以暴雨灾害最为普遍[2]。台风是最强的暴雨天气系统[3]，往往伴随极端降水的发生，0604号台风“碧利斯”(强热带风暴级)就是一个典型的例子。“碧利斯”造成包括福建、浙江、江西、湖南、广东和广西在内的6个省份发生大暴雨甚至特大暴雨[4]，多个降水极值中心过程降水量超过400 mm。由于暴雨雨量大，引发了严重的汛情，受灾人员有2 962.2万人，因灾死亡612人，直接经济损失高达266亿元人民币[5]，造成的死亡人数为当时近十年最多。
近几十年来，为了提高预报精度、防台减灾，国内外气象工作者对台风极端降水的形成机理做了大量研究，主要可以归为三个方面：环境大气、台风内部结构[6-7]以及下垫面强迫的影响[8]，其中环境大气的作用包括水汽输送或急流[9-14]、冷空气[15]或西风槽[16-19]、垂直风切变[20-22]等。“碧利斯”影响范围广，引发灾害重，针对其极端降水成因从多方面展开研究。多数人从大尺度环流背景、水汽输送、西南季风、物理量诊断等方面进行了暴雨成因分析[23-26]，指出西北太平洋副热带高压的稳定少动为“碧利斯”产生持续性降水提供了稳定的背景场，西南季风的增强则提供了必要的水汽条件。石顺吉等[27]和余锦华等[28]发现环境垂直风切变对“碧利斯”一波非对称降水结构的形成有显著影响。滕代高等[29]指出涡合并和自激增长形成的中尺度系统与风暴涡旋的相互作用是“碧利斯”登陆后产生强降水的可能机制。叶成志和李昀英[30]发现湘东南向北开口的喇叭口地形的辐合抬升对湘东南暴雨有明显增幅作用。此外，REN and CUI[7]从云微物理角度揭示了“碧利斯”暴雨增幅成因。现有研究回顾主要是综合性的[31-35]，针对个例的总结较少[36-37]，并且缺乏对“碧利斯”的研究回顾。“碧利斯”引发暴雨形成的机制复杂，本文将对其极端降水成因回顾总结，以期对此次极端降水过程有较全面的认识。
文章第一部分介绍“碧利斯”概况，第二部分分别从有利的大尺度形势、中尺度系统的影响、地形作用、云微物理过程以及动力因子的诊断分析等5个方面做一个回顾总结，文章最后一部分讨论“碧利斯”极端降水机理的独特性以及进一步可能的研究方向。
1 “碧利斯”概况“碧利斯”于2006年7月9日06时(世界时，UTC，下同)在菲律宾以东洋面上生成(图 1a)，11日凌晨增强为强热带风暴，13日15时登陆我国台湾省，14日04时50分在福建省北部的霞浦附近再次登陆，登陆时中心气压为975 hPa(图 1b)，中心附近最大风力达11级(最大风速30 m·s-1)。随后继续向西北偏西方向移动，14日08时在福建省闽侯县降级为热带风暴，15日08时在江西省境内进一步减弱为热带低压，此后其强度继续减弱，向西偏南方向移动，先后穿越湖南、广西等省区，最终“碧利斯”于17日晚在越南北部地区减弱消失。
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图 1 强热带风暴“碧利斯”(0604)的移动路径(a)和最大风速(虚线，单位：m·s-1)、中心最低气压(实线，单位：hPa)变化(b)(引自周玉淑等[26]) Fig.1 Track (a) of Severe Tropical Storm BILIS (2006) and changes of its maximum wind speed (dashed line, units: m·s-1) and minimum air pressure (solid line, units: hPa) at the center (b) (Credit: ZHOU et al.[26]) |
“碧利斯”过程雨量大，极值中心主要有三个，分别对应着降水的三个阶段，三个阶段中以第二个阶段最为突出[38]。利用客观天气图分析法[39-41](objective synoptic analysis technique，OSAT)分离台风降水，图 2a是“碧利斯”的过程降水，降水期为7月12—17日，超过250 mm的极端降水主要有三个中心：福建东北部，湖南和广东的交界处以及广东东部和福建南部的沿海地区。极大值位于湖南和广东交界处，其中广东博罗站(569.4 mm)和湖南永兴站(504.2 mm)过程降水量均超过了500 mm。将“碧利斯”的过程降水分布(图 2a)与我国东南丘陵地形(图 2b)对比，发现三个极端降水中心分别位于我国浙闽丘陵东南沿海地区、南岭附近以及浙闽丘陵西南部的沿海地区，“碧利斯”引发的强降水可能与这些山脉地形存在密切联系。此次降水过程可分为三个阶段(图 3)：第一阶段是“碧利斯”登陆前后7月13日12时—14日12时(图 3a)，强降水中心出现在福建北部和浙江南部的沿海地区，降水普遍大于100 mm，从地理分布上这一阶段的降水中心出现在“碧利斯”的北侧；第三阶段降水发生在7月15日12时—16日12时(图 3c)，强降水中心位于广东和福建沿海地区，强降水带(雨量R>100 mm)从海岸向内陆延伸100 km，全长近700 km；相对于以上两个阶段，发生在7月14日12时—15日12时的第二阶段(图 3b)降水极端性更为突出，7月14日12—18时湖南、广东和江西的交界处测站的6 h累计降水量极值小于25 mm，而到了14日18时—15日06时测站的逐6 h累计降水量极值均超过95 mm，12 h累计降水量极值达到特大暴雨(雨量R＞120 mm)级别[4]，暴雨强度显著增强，降水中心由“碧利斯”北侧移到其南侧，广东东北部、江西南部和湖南南部地区此阶段24 h累计降雨量大于100 mm，湖南省记录的局部最大降雨量超过250 mm。
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图 2 强热带风暴“碧利斯”(0604)过程降水量分布(a；单位：mm)与中国东南丘陵地形(b；单位：m) Fig.2 Distribution of precipitation (a; units: mm) induced by BILIS (2006) and topographic map of Southeast Hills (b; units: m) |
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图 3 强热带风暴“碧利斯”(0604)的观测降水量(阴影，单位：mm，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表三个阶段的降水中心，台风符号是三个阶段起止时间风暴中心所在位置；a. 7月13日12时—14日12时，b. 7月14日12时—15日12时，c. 7月15日12时—16日12时；引自GAO et al.[38]) Fig.3 Observed precipitation (shaded, units: mm) induced by BILIS (2006) from 12:00 UTC 13 to 12:00 UTC 14 (a), from 12:00 UTC 14 to 12:00 UTC 15 (b), and from 12:00 UTC 15 to 12:00 UTC 16 (c) July 2006 (Ⅰ, Ⅱ, and Ⅲ denote the centers of the three stages of precipitation; the locations of the storm centers at the starting and ending times for the three stages are marked by typhoon symbols; Credit: GAO et al.[38]) |
成因分析[38]表明，第一阶段是由于内核环流和外部雨带与沿海地形相互作用，造成在环流右前侧的浙江和福建产生暴雨，这是由陆地和海洋之间的差异引起的摩擦辐合造成的；第三阶段的降水是由“碧利斯”环流与南海季风的相互作用以及在浙闽丘陵西南侧的沿海地区抬升造成的。由于第二阶段降水造成了大范围严重的洪涝灾害，研究主要集中在这一阶段，其极端降水机制较为复杂，接下来将总结有利的大尺度形势、中尺度系统的影响、地形作用、云的微物理过程以及天气诊断分析等5个方面的研究。
2.1 有利的大尺度形势暴雨尤其是特大暴雨是由多种环流与天气系统相互作用产生的[42]。研究主要从大陆高压、副热带高压和西南季风揭示“碧利斯”极端降水成因，副热带高压主要影响“碧利斯”的路径和移速，大陆高压和西南季风对其强度维持具有重要作用。
“碧利斯”登陆后，东亚中纬度地区为两槽一脊的环流形势且稳定少动(图 4a)，副热带高压加强西伸与大陆高压脊打通，在低压环流北部形成一个强大高压坝，“碧利斯”处在北部的大陆高压、东部的副热带高压和南部的低纬赤道高压环流包围之中。在此环流背景下，风暴环流与高压系统相互作用，一方面导致“碧利斯”登陆后缓慢西行，另一方面有利于其气旋性环流的维持，这种有利的大尺度环流造成了持续强烈的台风暴雨[5, 43]。此间，大陆高压的加强不仅阻止了风暴的北进，还导致“碧利斯”西北象限的东北风加强，使“碧利斯”登陆后仍能维持较大的动量输送，同时还增强了“碧利斯”高层的辐散，有利于其残涡维持和强降水的持续[44]。
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图 4 2006年7月14日00时(a)和18时(b)高低空环流场(等值线：500 hPa高度场，单位：dagpm；风向杆：200 hPa风速大于30 m·s-1的风速矢，矢量箭头：850 hPa风速大于12 m·s-1的风速矢；引自王黎娟等[4]) Fig.4 Circulation field at 00:00 UTC (a) and 18:00 UTC (b) 14 July 2006 (contour for geopotential height at 500 hPa, units: dagpm; wind shaft for wind barb with speed larger than 30 m·s-1 at 200 hPa; arrow for wind barb with speed larger than 12 m·s-1 at 850 hPa; Credit: WANG et al.[4]) |
稳定的水汽输送也是热带气旋强降水产生的重要条件[45]，李英等[9]指出登陆后的热带气旋若与一支低空水汽通道连接，则热带气旋可长久维持，反之则迅速消亡。“碧利斯”登陆24 h左右后减弱为热带低压，其残涡在陆上维持近96 h，研究[46]发现其登陆后一直与一条水汽通量强输送带连接，7月15日00时，环流东侧最大水汽通量甚至超过45 g·cm-1·hPa-1· s-1，如此强的水汽输送非常少见。强的水汽输送与天气系统密切相关：15日后南海季风准单周和准双周振荡由负值变为正值(以南风为主)，南海季风爆发，使降水得以加强和维持。在此期间，索马里急流和80°~100°E越赤道气流也加强北抬，同样增强了水汽和潜热的输送[47-48]。戴竹君等[49]进一步通过模拟水汽输送路径，发现在暴雨增幅前水汽主要从热带气旋环流的东北侧进入，主要输送850 hPa以上的大气；增幅后的水汽主要来源于中低层孟加拉湾的西南气流，这是由于西南季风加强(图 4b)，季风涌爆发使原先断裂的水汽输送通道被打通[50](图 5b)。充沛的水汽输送不仅加剧了对流不稳定，低层辐合与高层辐散也增强，从而产生强的抽吸效应，为大暴雨的产生提供了动力抬升条件[24]，造成华南暴雨增幅[51-52]。
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图 5 2006年7月14日00时(a)和18时(b)850 hPa水汽通量(单位：g·cm-1·hPa-1·s-1，阴影区为水汽通量大于15 g·cm-1·hPa-1·s-1的区域；引自王黎娟等[4]) Fig.5 Water vapor flux at 850 hPa at 00:00 UTC (a) and 18:00 UTC (b) 14 July 2006 (units: g·cm-1·hPa-1·s-1; shaded area for water vapor flux larger than 15 g·cm-1·hPa-1·s-1; Credit: WANG et al.[4]) |
研究[53-54]表明，中尺度对流系统(MCS)往往是造成台风特大暴雨的重要因素之一，台风登陆后，其周围的中小尺度系统或云团与残涡的合并往往是台风暴雨增幅的一种可能机制[55]。丁一汇[37]也指出，普遍测到的101~102 mm·h-1的这种雨强是高低压这类天气系统解释不了的，它们实际是由暴雨中的中尺度天气系统造成的。
“碧利斯”登陆发生暴雨时，从常规地面观测资料、雷达资料以及卫星红外云图可以发现在强降水地区有MCS发生发展，这与西南季风以及垂直风切变密切相关。在“碧利斯”引发暴雨增幅时，降水中心附近对流层低层的相当位温θe高值区从地面向上发展，是对流不稳定最显著的区域[56, 57]，且7月14—17日一直处于季风活跃期[58]，强西南季风的持续维持为风暴输送大量水汽和不稳定能量[59]。此外，对流层中上层的干空气层对不稳定能量有一定的累积作用[60]，大陆高压以北的冷空气与来自低纬的西南季风的作用也有利于该地区不稳定能量的储存[29]。在此背景下，低压环流的动力抬升作用导致不稳定能量释放，使华南上空产生中尺度涡、中尺度辐合线以及中尺度辐合中心，这为MCS的发展和维持提供了有利的环境条件，从而华南地区多MCS发生发展[61]。此外，环境垂直风切变产生次级环流，使“碧利斯”环流的西南侧为上升气流，MCS多生成于低压环流的西南象限[57]，这也是降水分布不对称的原因之一。湖南南部的强降水就是在垂直切变强迫的次级环流约束下，MCS在湿不稳定条件下迅速发展，并在向南移动的过程中增强所产生的。
中尺度分析[62]还揭示出中尺度系统通过不同尺度涡旋自组织过程产生。初始时刻是多个小尺度云块或云团，通过合并增长为较大尺度的γ中尺度和β中尺度云团，最后多个中尺度云团再合并成天气尺度云团，产生的多尺度对流云团不断移近风暴与风暴云系结合，从而产生强烈的降水。
2.3 地形作用“碧利斯”登陆后，地形主要影响湘东南的降水，位于粤北、赣南的降雨主体似乎与地形关系不大[38]。湖南省东、南、西三面被山地环绕，东邻东北—西南向的罗霄山脉，南倚准东西向的南岭山脉，三面环山的分布形成一个向北开口的喇叭口地形。研究不仅揭示了NNE—SSW向暴雨带与罗霄山迎风面走向一致(图 6a)，而且也认识到地形通过强迫抬升和喇叭口地形的辐合作用使降水大为增强。
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图 6 2006年7月15日00—06时6 h降水分布(a；阴影为地形高度)和00时925 hPa流场(b)(引自王晓芳和胡伯威[64]) Fig.6 Distribution of precipitation from 00:00 UTC to 06:00 UTC (a; shaded for topographic height) and circulation field at 925 hPa at 00:00 UTC 15 July 2006 (b) (Credit: WANG and HU[64]) |
根据雷达和地面加密观测资料分析可知，7月14日14时有大片混合性回波在江西西南部生成，并沿着罗霄山脉发展成强回波中心带，23时在“碧利斯”缓慢西移过程中，回波整体不断向西南方向移动，并且在湘东南地区形成窄带回波的“列车效应”。结合红外云图的黑体亮温(TBB)分布可以发现，在15日02时，湘东南黑体亮温tBB < -62 ℃的云团面积不断扩大，并在该云团内部出现了黑体亮温tBB < -80 ℃的亮云核，资兴站在15日02—03时雨强达67.9 mm·h-1，出现的这种特大雨强从天气尺度环流、水汽条件等很难解释，这可能与湘东南的特殊地形密切相关。
由7月15日08时925 hPa流场和地形分布(图 6b)可以看出，在湘东南有明显一致的西北气流与罗霄山脉相交(交角接近60°)。湘东南地形对“碧利斯”中这支偏北强风速气流的阻挡和强迫抬升，一方面有利于水汽输送和中尺度对流系统发生、发展[30]，另一方面地形的抬升作用与地面中尺度辐合线产生的上升运动相结合，加强了产生特大暴雨的动力作用，位于罗霄山和南岭夹角处的湘东南出现强降水[63]，特大暴雨中心永兴县连续10 h的雨强超过10 mm·h-1，其中2 h最大雨量可达50 mm；王晓芳和胡伯威[64]根据PIERRHUMBERT等人的理论推算发现，这种地形强迫上升和对暴雨的触发不在山坡上，而在迎风坡上游平原地区(即湘东南)。
2.4 云微物理过程的影响“碧利斯”登陆后，广东、湖南、江西三省交界处出现暴雨增幅，REN and CUI[7]指出随着季风涌爆发，季风与低压环流相互作用，水汽输送和抬升加强，水汽凝结成云水的过程也增强。云水增加主要通过两个途径对暴雨增幅产生贡献(图 7)：一是云水与雨水碰并收集促进雨水含量增加(Pracw)，二是云中雪粒子增加与霰粒子碰并进而融化成雨水(Pgmlt)。汪亚萍等[65]在此基础上利用高分辨率数值模拟资料，将“碧利斯”产生的降水分为对流降水和层云降水，发现暴雨增幅发生时段，对流降水对暴雨增幅的贡献较大。刘圣楠和崔晓鹏[66]进一步指出，暴雨发生时段，“霰融化造成雨滴增长”与“云滴与雨滴碰并”过程比暴雨发生前更加活跃，尤其是“霰融化造成雨滴增长”增强更明显。
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图 7 强热带风暴“碧利斯”(0604)暴雨增幅云微物理成因示意图(图中Cnd表示过饱和水汽凝结成云水，Psacw表示雪粒子碰并云水造成雪粒子增长，Pracw表示雨滴碰并云水造成雨滴增长，Pgmlt表示霰粒子融化成雨滴，Dgacs表示霰粒子碰并雪粒子干增长；示意图引自REN and CUI[7]) Fig.7 Flow chart of cloud microphysical cause of rainstorm amplification associated with BILIS (2006) (Cnd for condensation of supersaturated vapor to cloud water, Psacw for snow accretion of cloud water, Pracw for rain accretion of cloud water, Pgmlt for melting of graupel, Dgacs for accretion of snow by graupel; Credit: REN and CUI[7]) |
“碧利斯”在第二阶段的降水明显表现出是对流降水，此次强降水是在水汽充分、不稳定层结以及抬升条件都得到满足的条件下产生的。在暴雨发生时，强降水地区上空低层为西南气流，水汽输送较强，而高层是西北风，水汽含量少，这样就形成了上干下湿的结构，产生不稳定层结，加上强的垂直上升气流，使得大量湿空气抬升释放大量的凝结潜热，而且高低不同的环流形势使“碧利斯”在登陆华南沿海后产生高层辐散、低层辐合，有利于上升运动的加强[23, 42]，研究表明这种垂直运动与地形、垂直风切变、温度平流以及锋生作用相关，这四个方面可能是产生第二阶段强降水所必要的抬升机制[38]。此外，有研究[67]选取湿热力平流参数、广义对流涡度矢量垂直分量、水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量、热力切变平流参数和Q矢量散度等8个动力因子进行分析，发现水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量以及热力散度垂直通量等4个因子与小时降水量变化以及云水凝物相关性强，能很好地指示降水云系的发展以及地面降水过程的发生。同时，王黎娟等[4]对“碧利斯”暴雨增幅过程进行高分辨率数值模拟并诊断分析，表明散度垂直通量以及湿位涡分布与暴雨增幅降水均有良好的对应关系，对强降水落区有着较好的指示意义，其中垂直散度通量的对应关系更好。
3 总结与展望基于国内部分气象专家对0604号强热带风暴“碧利斯”的研究成果，从有利的大尺度形势、中尺度系统的影响、地形作用、云微物理过程的影响以及动力因子的诊断分析等5个方面对强热带风暴“碧利斯”引发极端降水的成因进行总结，显示，大部分研究集中在降水的第二阶段，即暴雨及暴雨增幅过程，得出极端降水是由多尺度系统相互作用以及地形等有利因素共同影响的结果：在稳定的背景场中，“碧利斯”缓慢西行，西南季风爆发是环流得以维持并产生极端降水的主要原因；中尺度系统演变发展并与低压环流相互作用是暴雨增幅的可能机制；地形是湘东南产生特大暴雨的重要原因；广东、湖南、江西交界处暴雨增幅的发生主要通过两个途径，一是云水增加与雨水碰并增加降水和雪粒子增加与霰粒子碰并进而融化成雨水，二是通过诊断分析可知此次暴雨是在水汽、不稳定性以及抬升条件都满足的条件下产生的对流降水，上升运动强烈。
“碧利斯”强度不强，登陆一天后减弱为热带低压，其残涡在陆上维持四天之久，降水强度大，引发灾害重，降水分布不均匀，具有这些特点主要在于“碧利斯”极端降水成因存在自身独特性：1)通常，台风登陆后受大陆高压阻挡时往往移动变慢、强度迅速减弱，暴雨也难以维持；而“碧利斯”登陆后虽受大陆高压的阻挡，高压却使低压环流西北象限的东北风加强，为“碧利斯”输送较大动量，有益于低压环流的维持。2)“碧利斯”登陆期间处于西南季风活跃期，索马里急流与80°~100°E跨赤道气流也加强北抬，在此有利环境下，季风涌爆发，水汽输送之强非常少见。此间，西南季风、跨赤道气流的加强与低压环流的“默契配合”是此个例的一大特色，也是其长时间维持的重要原因之一。3)“碧利斯”与南海季风相互作用，激发中尺度强降水系统不断发生，“碧利斯“不仅起到携带水汽的作用，还有动力抬升作用，这是季风和台风相互作用的典型例子。
尽管“碧利斯”暴雨成因的研究取得很多成果，但是目前对此个例的研究仍有待进一步深入：1)相对于第二阶段，第一和第三阶段的极端降水成因研究较少。然而，第一与第三阶段均达到极端降水的程度，且同样造成严重的灾害，那么，第一和第三阶段的极端降水成因是什么？具有怎样的独特性？与第二阶段降水有什么不同？2)“碧利斯”降水一个重要特征是雨量分布高度不对称，登陆后降水主要出现在路径左侧，现有研究已从西南季风和中尺度系统的角度进行解释，还有研究指出环境垂直风切变对“碧利斯”非对称降水发挥着极为重要的作用。既然如此，垂直风切变是如何影响“碧利斯”降水分布的？对其强度是否有明显影响？地形、“碧利斯”移速、强度等对非对称降水是否也有重要影响？3)南海季风是影响“碧利斯”极端降水的重要因子，其与热带风暴相互作用产生大暴雨的物理机制，有待于从能量转化的角度进行探讨。
针对强热带风暴“碧利斯”引发大范围极端降水的过程，尽管对此次路径预报较为准确，却远远低估了对第二阶段降水强度的预报，是值得深入思考的问题：这不仅涉及台风极端降水形成的复杂过程，也与中尺度天气的有限观测、目前数值模式对极端降水的有限预报能力有关。因此，加强对台风极端降水形成机理及其预报方法研究将是一个长期的过程。
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