引言

中国是世界上台风登陆最多、台风引起灾害最严重的国家之一^[1]。台风引起的灾害主要有暴雨、大风和风暴潮3大类^[2]，其中台风暴雨是3种灾害中发生最为频繁的一种^[3]，暴雨会引起山洪爆发、泥石流及洪水泛滥等次生灾害，给人民生命及财产安全造成巨大损失^[4]。

陈联寿^[5]将台风降水分为两大部分。一部分是台风本体降水(typhoon precipitation，TP)，包括台风眼壁降水、台风螺旋雨带或外围降水、台风倒槽降水、台风内切变线降水、台前飑线降水。中国排名第一的日降水量就是在台风的直接影响下造成的：1967年10月17—19日，在台湾省的新寮，日降水量高达1 672 mm，3 d累计降水量达2 749 mm^[6]。还有一部分是台风远距离降水(typhoon remote precipitation，TRP)。TRP是中纬度地区夏季暴雨的重要形式之一，不少著名的特大暴雨均受到台风的间接影响，并且日降水量和过程降水量甚至超过台风环流主体所直接造成的降水^[7]。2021年郑州“7 ·20”特大暴雨，最大小时降水量达201.9 mm，创下中国大陆小时降水量新纪录，造成重大人员伤亡和经济损失。此次降水与2106号台风“烟花”的远距离降水密切相关^[8]。

与台风相关的降水在台风停编后依然可能存在，其中一类是台风残涡降水(typhoon remnant vortex precipitation，TRVP)。关于台风残涡的定义，目前国内还没有统一的规范或标准，有研究^[9]将台风停编后或强度(风力)降至5级(含5级)以下时残存的低压环流中心定义为残涡。虽然残涡的定义并未统一，但大量观测事实表明，弱残涡造成的降水可超过强台风^[10]，有的残涡甚至会“复活”。2023年，受2305号台风“杜苏芮”影响，华北发生极端特大暴雨，其中残涡影响阶段暴雨最活跃^[11]。台风在变性后的降水(extratropical transition precipitation，ETP)也是很重要的一个部分，台风变性并不代表降水会减弱，相反，与冷空气结合会使变性中的温带气旋激发更大的能量，带来更强的降水^[12]。

与台风相关的降水影响因子包括台风自身因子(路径、强度、移速、结构等)、大尺度环境场因子(水汽输送或急流、冷空气或西风槽、垂直风切变、台风倒槽与东风波、双台风、西北太平洋副热带高压)、下垫面条件、中小尺度系统及云微物理过程^[13]。但几种降水的主要影响因子有所差异。例如，台风强度与TP密切相关^[14-16]。然而，TRP与台风强度并没有明显的相关关系^[17-19]，与台风有关的强水汽输送对TRP的持续维持至关重要，低空急流和副热带高压(以下简称“副高”)往往在水汽输送中起到重要作用^[20-22]。残涡与中尺度西风槽相互作用获得斜压能，导致登陆台风环流出现半冷半暖结构，使不稳定层结加强和垂直运动加剧，是降水增幅的主因^[23]，ETP往往也与此有关^[12]。而与季风涌相互作用获得潜热能是台风残涡在陆地上持续维持强降水的另一主因^[23]。

2024年第3号超强台风“格美”在华东、华南、江南、华北、东北等地造成极端降水影响，影响范围广、降雨强度大、超警河流多。在“格美”影响下，TP、TRP、TRVP均有发生，这3种降水发生时天气形势及水汽输送等异同特征将在文中进行探讨。

1 数据来源

文中使用的数据主要包括：(1)国家级地面气象观测站逐小时降水数据集。该套数据是国家气象信息中心经过严格质量控制之后的逐小时站点降水数据集(http://data.cma.cn/)，使用的站点是气象观测台站(包括全国基准、基本、一般站)，去除缺测的站点，最终使用的站点数量为2 471个。文中所提到的逐日降水量，由前一日20时—当日20时(文中所提到的时间如无特殊说明，均为北京时)逐小时降水量累加所得。(2)中央气象台主观分析台风路径数据集。该资料包括台风中心位置、中心最低气压及中心附近最大风速，当台风进入中国24 h警戒线内时间间隔为1 h。(3) 欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF) ERA5数据。文中用到的温度、位势高度、比湿、风速等气象要素再分析资料使用目前的ERA5数据，垂直等压面共37层，时间分辨率为1 h，空间分辨率为0.25°×0.25°^[24] (https://cds.climate.copernicus.eu/datasets/reanalysis-era5-pressure-levels?tab=download)。(4)全球数据同化系统(Global Data Assimilation System，GDAS)数据。用HYSPLIT模式(Hybrid Single-Particle Lagrangian Intergrated Trajectory model) 追踪水汽来源时，使用的是美国国家环境信息中心GDAS数据，空间分辨率为1°×1°(ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1/)。(5)S波段双偏振天气雷达反射率因子(Z_DR)产品。

2 台风“格美”概况

2024年第3号台风“格美”于7月20日14时在菲律宾以东洋面生成，生成后向西北转偏北方向移动，强度逐渐增强，24日08时加强为超强台风级，之后维持超强台风级并在台湾岛东北部近海回旋打转，25日00时前后以强台风级在台湾省宜兰县南澳乡登陆(48 m ·s^-1，945 hPa)，登陆后穿过台湾岛北部进入台湾海峡，强度逐渐减弱，并于25日19：50前后以台风级在福建省莆田市秀屿区沿海再次登陆(33 m ·s^-1，972 hPa)。“格美”登陆后强度缓慢减弱，并向北偏西方向移动，于26日17时前后由福建进入江西境内，强度继续减弱，于27日17时前后由江西进入湖北境内，并减弱为热带低压，中央气象台于7月28日08时对其停止编号(图 1)。此后，台风残余系统在陆地上继续维持至30日。“格美”陆上维持时间约为60 h，远高于中国台风平均滞留陆地时间(20 h)。

3 台风“格美”降水特征

“格美”减弱为热带低压后，降水的影响依然持续，图 2给出了2024年7月20—30日的累计降水量。文中将受到台风环流直接影响的降水作为TP；与TP雨带之间有间隔，但又与台风之间通过明显的水汽输送通道相连的降水作为TRP；由于台风在28日停编，28日及以后受台风低压及其残余环流影响引起的降水作为TRVP。7月20—30日，中国的降水主要有两个区域：一个是华东、华南和江南地区，主要是TP及TRVP；另一个是东北及华北地区，主要是TRP。福建柘荣(27.25°N，119.9°E)的累计降水量最大，为577.0 mm，主要集中在25日和26日，日降水量分别为225.0 mm、217.5 mm，主要是TP。TRVP主要位于江西及湖南，其中湖南衡山(27.26°N，112.84°E)累计降水量为380.5 mm，降水主要集中在28日。TRP主要集中在辽宁和吉林，辽宁61个站点中有25个累计降水量超过250.0 mm，85.25%的站点降水量超过100.0 mm，而降水量最大的站点位于吉林集安(41.15°N，126.22°E)，降水量为571.7 mm，吉林集安的降水呈现双峰型，25日(178.1 mm)及27日(177.7 mm)降水量超过150.0 mm。

单日最大降水量排名前5的站点中有4个位于湖南。最大单日TRP出现在辽宁台安(41.42°N，122.43°E)，为26日的291.4 mm；最大单日TP出现在广东潮州(23.67°N，116.7°E)，为26日的278.6 mm(图 3a)；最大单日TRVP出现在湖南衡山，为28日的344.7 mm；另外，考虑到广东潮州为台风螺旋雨带处的降水，台风眼壁附近最大单日TP出现在福建长乐(25.97°N，119.5°E)，为25日的251.3 mm。将这4个站点作为代表性站点进行接下来的研究。由图 3b可以看到，福建长乐短时降水量比其他3个站点小，但降水维持时间长；辽宁台安有2个降水量峰值；广东潮州单小时降水量最大；湖南衡山的降水持续时间长。4个站点降水量最大的时刻并不相同，TP均出现在下午16时(福建长乐7月25日16时的32.8 mm，广东潮州7月26日16时的54.0 mm)，TRP及TRVP小时最强降雨分别发生在7月26日00时(辽宁台安，48.2 mm)及7月28日05时(湖南衡山，41.6 mm)。

4 环流背景

根据第3节的分析，图 4给出了4个站点降水量最大日的天气形势。

台风“格美”期间，西南季风强盛，在副高的共同作用下，降水区不断有来自低纬的水汽补充(图 4a—d)。南亚高压稳定维持且不断加强(图 4i—l)，提供了良好的高空辐散条件。受副高、大陆高压和西南季风等周边系统的共同引导，25日台风“格美”移速缓慢，08—16时，平均小时移速在10.33 km ·h^-1左右，这也是福建长乐降水量最大时段(图 3b)。且7月25日16时，福建长乐位于台风倒槽附近，有利于降水产生。

7月26日00时，500 hPa副高脊线位于35°N附近，西脊点西伸至120°E附近，台风主体庞大，沿副高边缘向西偏北方向移动。辽宁位于高空冷涡前部、槽前的急流出口区、850 hPa上暖切变附近，在副高及台风外围环流的引导下，水汽源源不断地向辽宁输送(图 4b)，并且，辽宁位于200 hPa高空急流入口区右侧(图 4j)，有利于高空辐散和对流发展。另外，台风的西南方向有西南季风的水汽输送，为台风的发展维持及TRP提供水汽和能量输送(图 4b)，这是典型的TRP环流配置^[19]，这样的环流配置为辽宁降水提供了有利的环流、水汽和能量条件。

分析发现，台风“格美”附近水汽输送一直呈现东南多、西北少的特点。7月26日16时，副高略有东退，向辽宁的水汽输送依然存在但更偏东且强度稍有减弱。但由于台风中心向西北移动，广东大部位于台风水汽输送更强的西南侧，广东东部的水汽输送明显增多，水汽输送通量超过32 g ·s^-1 ·hPa^-1 ·cm^-1(图 4b)。850 hPa，广东位于西南风与西北风切变线附近(图 4g)，200 hPa，对流层上层的南亚高压中心稳定维持在青藏高原上空。7月26日南亚高压进一步加强，为台风发展及强降水形成提供了良好的高空辐散条件(图 4k)。

7月28日05时，尽管台风中心附近的环流已经明显减弱，但在副高西侧偏南气流的影响下，仍有较强水汽向北输送。受台风外围残余环流的影响，925 hPa湖南附近的水汽通量明显加强(图 4d)，且在湖南东部，衡山处于低涡中心附近，有一条明显的南北风切变线(图 4h)，产生强辐合上升运动，有利于降水产生，台风残余环流受到其北侧高压坝的阻挡，停滞少动并在湖南附近维持时间较长，这也是湖南强降水维持时间较长的原因。

5 水汽输送特点及不稳定度

通过第4节的分析可以发现，4个站点的降水出现时环流形势有所差异，但均出现在水汽输送很强的时刻，不同站点水汽输送的主要层次是否相同？水汽的来源是否有所差异？大气可降水量及季风涌的强度有什么特点？水汽输送都很强的情况下，降水形成不稳定条件是否有所差异？这些问题将在本节进行讨论。

将代表性站点附近边长2.5°×2.5°水平范围内的大气作为“箱体”，分析站点附近4个边界的水汽输送通量及“箱体”内水汽收支情况(图 5)。Q_w、Q_e、Q_s、Q_n、Q_t分别为西、东、南、北方向的水汽收入和总的水汽收入。最大降水时刻辽宁台安和广东潮州站整层水汽收支为负，但前期有长时间的水汽积累(图 5)。由降水前12 h内整层水汽收支最强时刻各边界各层的水汽收支情况(图 6)可以看到，4个站点附近的水汽输送主要来源于南边界，福建长乐及湖南衡山还有一部分来自北边界，通过台风或残涡环流的偏北风输送，辽宁台安和广东潮州的西边界也是水汽的主要来源，水汽输送的最大层主要在850 hPa以下的低空，涡旋中心附近水汽输入更大，其中福建长乐300 hPa以下各层均为正水汽输入，水汽输入是其他站点的2倍以上，850 hPa达11.38 g ·s^-1 ·hPa^-1 ·cm^-1。湖南发生降水时虽然台风残余涡旋强度明显减弱，但其附近的水汽输入仅次于福建长乐，对湖南暴雨的产生起到重要的作用。福建长乐、辽宁台安、广东潮州及湖南衡山附近的大气可降水量分别达91 mm、67 mm、76 mm和79 mm，气团具有热带海洋气团性质，主要来自低纬地区。

由于水汽输送主要集中在850 hPa以下，选择4个站点降水最大时刻，以1 h时间步长进行向后水汽轨迹追踪72 h(图 7)。可以看到，由水汽的来源看，福建长乐及广东潮州的水汽主要来源于孟加拉湾—南海一带，在季风助力及台风引导下向东北方向输送水汽(图 7a、c)，水汽输送高度较其余2个站点更低。辽宁台安的水汽主要来源于吕宋岛以东的太平洋洋面，水汽通过台风外围的东南气流，在副高的共同作用下，输送至降水区(图 7b)。湖南的水汽主要来源于台风或其残涡环流外围环流的输送，不仅有来自西南方向的水汽输送(图 7d)，还有水汽经过台风环流由东边界及北边界输入，输送至降水区的水汽经历的路程短，更容易保持热带气团的暖湿性质。

Zhao等^[25]提出了季风涌指数(dynamic monsoon surge index，DMSI)，用于表征台风西南侧的季风强度，其计算公式如下。

$ I_{\mathrm{DMS}}=\frac{1}{N} \sum\limits_{n=1}^N U_{850}\left[x_{40 \mathrm{~W}-10 \mathrm{~W}}, y_{20 \mathrm{~S}-0}\right] $

(1)

式中：U₈₅₀是850 hPa的纬向风，风速单位为m ·s^-1；x_40W-10W、y_20S-0分别是台风西侧40°~10°、南侧20°~0°经纬度范围；N是范围内的格点数；n表示第n个格点；I_DMS是此范围内纬向风的平均值。“格美”期间08时，I_DMS在7月24日由9.81 m ·s^-1上升至12.04 m ·s^-1并且在7月28日前一直维持在12 m ·s^-1以上，7月26日最大，为13.09 m ·s^-1，广东及辽宁的最大降水量均发生在该日。季风的助力对“格美”的维持及水汽输送起到了重要作用，当季风更强时，“格美”强降水更容易发生。

此外，4个站点附近的水汽输送方向均与地形抬升方向存在较大交角。福建长乐位于戴云山东南侧，附近的水汽输送方向与山脉走向夹角近90°，在地形抬升作用下降水增幅(图 7a)。辽宁台安虽处于平原地区，但其北侧地形逐渐抬升，且东西两侧分别为松岭山与千山(图 7b)，水汽恰好通过两山之间，通过西南风输送(图 4b)汇聚，地形作用产生峡谷效应和爬坡，导致气流加大且爬升，从而使台安附近降水加大。广东潮州位于莲花山东南侧，水汽被潮州北侧的凤凰山及铜鼓峰阻挡(图 7c)，而衡山位于雪峰山、罗霄山和南岭形成的喇叭口地形处(图 7d)，向南回流的水汽(图 4c)在衡山附近汇聚抬升，有利于强降水产生。

由雷达回波来看，福建长乐在7月25日15：14左右雷达回波最强，达51.5 dBZ，但强回波区范围小(图 8a)，且强回波位于3 km以下，回波质心较低，回波顶高也较低，在6 km左右，对流云占比在30%左右。25日13时—26日00时，辽宁中部有大片的层云和积云混合回波，台安附近有一条弓状回波自西南向东北方向移动，回波强度在50 dBZ以上(图 8b)，回波顶高在12 km左右，50 dBZ的回波最高可达5.5 km左右，对流云占比达60%左右。广东受到台风外围螺旋雨带的影响，随着台风北偏西行深入内陆，台风西南侧对流回波进一步发展加强，在广东北部有一条东西方向连续的强回波亮带(图 8c)，26日15—16时，潮州位于此强回波带区，回波顶高突破12 km，对流云占比达70%左右。衡山产生强降水时，虽低压涡旋结构已经松散，但湖南东部云系密实，雷达回波图上有一片强对流回波区，沿喇叭口地形有一条南北向强雷达回波带，28日05时左右，衡山位于回波最强处，最强回波达59 dBZ(图 8d)，但50 dBZ以上的回波范围小且位于3 km以下，对流云回波顶高在12 km左右，对流云占比在30%左右。综上，台风中心或残涡附近的降水区为低质心的热带型降水，降水效率较高，而在远距离降水区及螺旋雨带中，对流活动范围更大、对流高度更高，伴随列车效应作用。

大气静力稳定度指数KI(K-index)可以用来表示气团的稳定性，其高值区表示气团暖湿且不稳定，有利于降水产生，研究^[26]表明75%的短时强降水发生在KI大于36 ℃的环境中。长乐、台安、潮州及衡山4个站点附近最大降水时刻KI分别为41.60 ℃、32.96 ℃、39.66 ℃和41.09 ℃(图 9)，说明气团处于暖湿不稳定状态。长乐及衡山暖湿不稳定更强，且位于山前(图 7a和图 7d)不稳定能量较高处，进一步解释了这2处降水效率高的原因。

6 结论

利用国家级地面气象观测站逐小时降水资料、中央气象台主观分析台风路径资料、ERA5数据和GDAS数据对超强台风“格美”期间4个站点的降水(台风本体降水、远距离降水、残涡降水)进行水汽及动力特征诊断分析，初步得到以下结论。

(1) 台风“格美”相关的降水不仅有台风本体降水，还有台风远距离降水及残涡降水。最大过程降水是台风本体降水，福建柘荣降水量为577.0 mm；最大日降水为残涡降水，湖南衡山降水量为344.7 mm；台风远距离降水影响也很广泛，辽宁85.25%的站点降水量超过100.0 mm。台风残涡降水及远距离降水也是台风相关降水中不可被忽视的一部分。

(2) 3类降水中均有很强的水汽输送，但所处的天气形势及水汽的来源有所差异。台风本体降水位于850 hPa台风倒槽附近，200 hPa南亚高压提供了高空辐散条件；辽宁台安的远距离降水出现在500 hPa槽前、850 hPa暖切变线附近、500 hPa副高西北侧及200 hPa高空急流轴右侧，这是典型的远距离降水的环流配置；湖南衡山附近有很强的南北风切变，北部高压坝的阻挡使得残涡稳定少动，更有利于强降水产生。

(3) 产生降水时，4个站点的气团均暖湿且不稳定。4个站点附近的水汽均主要来源于南边界，季风涌及台风水汽转运均起到了重要作用。福建长乐300 hPa以下各层均为正水汽输入，水汽输入是其他站点的2倍以上，850 hPa水汽通量达到11.38 g ·s^-1 ·hPa^-1 ·cm^-1。湖南发生降水时虽然台风残余涡旋强度明显减弱，但其附近的水汽输入仅次于福建长乐，对湖南暴雨的产生起到重要的作用。降水区附近大气可降水量均在65 mm以上，气团具有热带海洋气团性质。辽宁及湖南的水汽主要来源于台风附近，经台风转运到达降水区，福建及广东则主要是台风牵引季风涌，水汽来源于孟加拉湾—南海一带。水汽输送方向与地形抬升方向存在较大交角或喇叭口地形，有利于水汽汇聚抬升。

(4) 台风中心或残涡附近的降水区为低质心的热带型降水，降水效率较高，而在远距离降水区及螺旋雨带中，对流活动范围更大、对流高度更高，伴随列车效应作用。

文中着重分析了属于3类台风降水的4个站点产生降水时的水汽条件及不稳定条件，发现3类降水产生时环流特征、水汽来源存在差异，此发现是否有普适性还需进一步研究。