2025, Vol. 45
2. 国家气象中心，北京 100081;
3. 中国气象局 · 河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003;
4. 河南省气象台，河南 郑州 450003
2. National Meteorological Center, Beijing 100081, China;
3. CMA · Henan Key Laboratory of Agrometeorological Support and Applied Technique, Zhengzhou 450003, China;
4. Henan Meteorological Observatory, Zhengzhou 450003, China
中国是世界上台风登陆最多且灾害最严重的国家之一[1]。台风的致灾因子主要来自于其引起的大风、暴雨和风暴潮[2-3]。在气候变化背景下，台风极端降水是越来越受到重视的研究热点之一，如1614号超强台风“莫兰蒂”重创厦门，闽浙粤受到严重影响，1818号强热带风暴“温比亚”给豫皖鲁苏等地带来严重洪涝，2305号超强台风“杜苏芮”在京津冀地区引发特大暴雨和洪涝等。这些极端降水事件造成了严重灾害，受到社会各界的广泛关注。
近几十年来，国内外的气象学者针对台风极端降水成因进行了大量研究，主要包括环境大气[4-5]、台风自身因子[6-7]、下垫面影响[8]等方面，所得成果为提高预报精度、防台减灾做出重要贡献。台风与环境中的多尺度天气系统，如西风槽或冷空气、副热带高压(以下简称“副高”)和大陆高压、低空急流以及中尺度云团等相互作用往往是极端降水产生的重要原因[9]。两个台风同时出现时，双台风作用也不容忽视[10]。台风自身移速[3]、强度[11]、路径及动热力结构[6]等直接影响降水的强度和分布；另外，台风倒槽在有利的条件下易产生强降水[12]。下垫面的影响常常使台风降水增幅，许多台风登陆后遇到沿海山地地形都出现了降水增幅和分布不均等明显变化[13-14]。云微物理过程与台风极端降水也密切相关[3]，如高空较强的冰相过程和大量冰粒子、霰粒子使0908号台风“莫拉克”降雨增强[15]。
1909号台风“利奇马”作为1949—2019年登陆浙江的第三强台风[16]，是台风极端降水的典型个例，影响了中国中东部大部分省份，其中浙江及山东等地135县(市)日降水量突破极端降水阈值(P≥95%[17])，22个县(市)突破历史极值，造成严重的内涝和山体滑坡[18]，共造成1 400万人受灾、56人死亡、14人失踪，直接经济损失达515亿元，具有北上影响范围广、陆上滞留时间长、风雨强度大、暴雨极端性显著、灾害损失严重等特点[19]。“利奇马”强降水成因诊断分析[18-19]表明浙江和山东的极端降水明显不同。高海面温度、弱环境垂直风切变以及强低空急流[20]，给台风的强势登陆提供有力支持；较大的对流雨滴[21]和强暖心结构[22]均表明“利奇马”具备形成极端降水的条件。登陆后中纬度高空槽与台风的相互作用[23]以及高空冷涡南下与台风倒槽或其残涡的相互作用又相继造成山东、东北地区的强降水[24]。另外，陈涛等[25]研究表明地形、眼墙处非对称性的对流分布等对台风中心移动方向左前侧降水有增强效应。
为系统地梳理“利奇马”极端降水的成因，此文对相关研究进行回顾总结，从而增加对此次过程的认识，为未来台风个例的预报及全面分析提供思路。文章第一部分介绍“利奇马”概况并对比浙江、山东两地降水的不同特征，将“利奇马”极端降水分为两大阶段；第二部分从环流形势及其配置、水汽和能量输送、双台风作用等方面入手分析两阶段极端降水共同的有利因素；第三部分根据两阶段降水不同的特征对各自的成因进行回顾总结；最后对“利奇马”极端降水可能的进一步研究方向进行讨论。
1 “利奇马”概况1909号台风“利奇马”于2019年8月4日06：00(世界时，下同)在西北太平洋生成，8月5—7日在海上迅速发展增强并保持向西北方向移动，9日17：45以中心附近最大风力为16级、最低气压为930 hPa[26]的超强台风强度在浙江台州温岭城南镇登陆(图 1a)。随后继续向西北方向移动并迅速减弱，9日20：00减弱为强台风，23：00减弱为台风并转向偏北方向移动，经过浙江、江苏后进入黄海海域[27]。11日12：50，在山东青岛沿海二次登陆(23 m ·s-1，热带风暴)，随后穿过山东半岛西部进入莱州湾回旋，直至8月13日00：00减弱为热带低压后停止编号[28-29]。受“利奇马”影响，浙江、江苏、安徽、山东等超11省份均出现暴雨以上级别的降水。利用客观天气图分析法[30-31](objective synoptic analysis technique, OSAT)分离台风降水，得到“利奇马”产生的7—13日累计降水量如图 1a所示，此文即针对OSAT分离所得的台风相关降水进行讨论和总结，不包含远距离降水。可以看到，多地累计台风降水量超过250.0 mm，其中浙江东部沿海地区以及山东中部地区是此次过程的两个极端强降水中心，且对比发现两个极端降水中心附近均有丘陵或山地地形(图 1b)。
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图 1 2019年8月7—13日台风“利奇马”实况和浙江、山东一带地形高度分布 Fig.1 Actual situation of Typhoon Lekima from 7 to 13 August 2019 and distribution of terrains in Zhejiang and Shandong a中色阶一降水量，单位为mm，黑色线一台风路径，彩色圆点─台风强度; b中色阶一地形高度，单位为m。 |
浙江全省平均面雨量为165.0 mm，部分地区降水强度为80~100 mm ·h-1，40个站点过程降水量大于500.0 mm[32]，其中最大值出现在台州括苍山(833.0 mm)[19]，温岭、北仑、玉环站台风过程降水量(473.0、405.0、318.0 mm)均破纪录，临海站10日00时24 h降水量达326.0 mm，破当地纪录[26]，造成严重洪涝灾害。山东全省平均降水量达160.1 mm，居有气象记录以来首位，其中淄博、东营、滨州、潍坊等地平均降水量均超过250.0 mm，长达80 h的台风降水持续时间也是山东有气象记录以来最长[29]，21个国家级气象观测站日降水量突破历史极值[27]，最大过程降水量为淄川西河镇梨峪口的676.6 mm，最大降水强度为潍坊临朐辛寨镇丹河水库的67.6 mm ·h-1。总之，两省降水的极端性均十分显著。然而，两地极端降水的特征有明显差异：浙江9—14日降水强度大于10 mm ·h-1尤其是10~40 mm ·h-1的站点频次明显偏多，而山东降水强度小于20 mm ·h-1的站点平均降水持续时间明显更长；同时，浙江括苍山大部分降水时段降水强度超过30 mm ·h-1，但主要降水过程仅持续24 h左右，而山东章丘降水持续时间超过2 d，但最大降水强度不到25 mm ·h-1。可见此次降水过程中，浙江体现为极端的短时强降水，效率高、强度大；而山东则体现为极端过程降水，降水强度相对较弱但持续时间异常长[18]。
根据极端降水的时空分布特征，将“利奇马”降水分为两大阶段。第一阶段(8月9日00时—10日12时)为发生在浙江东部沿海和西北山区的降水：前期是9日00—15时台风进入东海并逐渐靠近浙江沿海时，在外围螺旋雨带影响下浙江东部沿海发生降水，其中10—14时出现降水峰值；后期是9日15时—10日12时台风登陆前后到减弱为热带风暴期间带来的台风中心附近眼墙强对流降水，其中登陆后即9日18时—10日00时出现峰值[25-26]。第二阶段(10日03时—13日00时)主要是山东地区的降水：前期(10日03时—11日06时)为台风外围云系与西风槽云系相互作用，而后叠加影响，冷暖空气碰撞对峙形成倒槽对流强降水；后期(11日06时—13日00时)则是台风本体长时间在莱州湾盘旋产生的持续性降水[33-34]。
2 “利奇马”极端降水过程成因分析此次“利奇马”极端降水发生在有利的大尺度环境背景下，伴有充足的水汽和能量输送，同时1910号台风“罗莎”也起到积极作用。本节主要对整个降水过程中均产生了重要影响的3个因子进行回顾分析，同时关注每个因子在不同阶段发挥的不同作用。
2.1 稳定的环流形势及其良好配置稳定的环流形势及其良好配置既是第一阶段浙江高强度高效率降水产生的前提，也是第二阶段台风在山东经久不消的原因，副高、西风槽、大陆高压以及低空急流等天气系统从多方面影响台风的移动和发展。
登陆前“利奇马”在东南气流的引导下向西北方向稳定移动(图 2)[35]，所经暖海面一直保持在28 ℃以上[36]，是台风增强和维持的重要条件。Ding等[37]将“利奇马”与其他台风对比发现其不仅登陆时强度更强，高强度维持时间更持久，且登陆后移动路径明显距海岸更近，陆上停留时间更长，降水量也更大。这是由于南亚高压加强东伸[38]、高空槽东移阻止副高西伸，台风在鞍型场中缓慢转向偏北方向移动，且引导气流相对较弱，“利奇马”分别以超强台风、强台风、台风强度在浙江境内维持1 h、2 h、4 h[32]，直接导致极端降水的产生。
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图 2 500 hPa位势高度场及850 hPa风场和水汽通量[35] Fig.2 Geopotential height field at 500 hPa and wind/vapor flux at 850 hPa[35] 红色等值线一位势高度，单位为dagpm; 风矢一风场，风速单位为m ·s-1; 色阶—水汽通量，单位为g ·cm-1· hPa-l·s-l; a中蓝色箭头—水汽通道，字母“D”—南海低压。 |
10日12时—11日06时，200 hPa台风位于高空槽和南亚高压东部中心之间的西南急流入口区右侧，该气流最大达60 m ·s-1(11日03时)，此处的强辐散和抽吸作用及较弱的垂直风切变阻止了台风快速衰减，激发了次级环流的发展[23]。500 hPa台风逐渐并入槽区，高空槽造成的弱正位势涡度异常[23]及其下传[39]有利于释放不稳定能量，增强台风北部对流运动，并使高空急流与台风间的动力作用增强[40]。低空850 hPa增强的东南急流促进了辐合[34]。这样的环流配置使“利奇马”的动力条件比相似路径的0108号台风“桃芝”更有利[41]，表现为明显更强的低层辐合高层辐散、更剧烈的上升运动及400 hPa更大的正涡度值，有利于暴雨中心深厚垂直结构的长时间维持。
2.2 充足的水汽和能量“利奇马”整个生命史均具备异常丰富的水汽条件，比湿维持在15 g ·kg-1以上、整层大气可降水量维持在70~80 kg ·m-1长达36 h[26]。除了登陆前从所经暖海面获得的水汽和能量储备[16]，“利奇马”主要通过两条水汽输送通道获得源源不断的水汽和能量(图 2a)：一条是来自南海和孟加拉湾的西南气流，另一条是西太平洋副高与“罗莎”之间的偏东气流。
8日(图 2a)南海低压增强，西南季风占主导地位，风速最高为32 m ·s-1，强水汽输送激发了对流不稳定能量的释放，有利于台风登陆前的加强。06—12时，偏东气流开始增强并起着引导汇流的作用[39]。翁之梅等[38]通过计算48 h后向追踪轨迹发现9日00—06时(图 2b)水汽仍主要来自南海热带暖湿西南季风，这可能是由于台风从生成到登陆后直至离开浙江，正值南海夏季风爆发期间[6]。研究[42]发现浙江地区最强降水时段(9日18时—10日00时)的水汽辐合大值中心与水汽输送中心不一致，但与未来6 h实际暴雨落区相对应，且水汽通量辐合超过气候平均值5~6个标准差[35]，表明极端降水不仅需要充足的水汽，强水汽辐合也至关重要。另外，10日06时浙江西北部高达40 ℃的K指数大值中心、强对流有效位能和较大抬升指数[32]等不稳定能量条件为西北山区的强降水做出贡献。
台风登陆后长时间维持同样离不开水汽和能量输送。高晓梅等[29]分析了暖云层厚度、大气可降水量、比湿以及低空风场等，表明10—11日山东上空集聚充沛水汽，且“利奇马”较靠近海岸的特殊路径使输送过程变得更容易[37]。由图 3可知，10日06时左右相对湿度从低层迅速增大，12时相对湿度大于90%的湿层向上扩展至150 hPa附近，且风随高度顺转有暖平流，强暖湿条件一直保持到11日06时之后，与强降水时段对应。与浙江地区类似，山东特大暴雨区与水汽辐合中心相吻合[27]。强水汽辐合区持续稳定地维持在台风倒槽及东南气流辐合处，加上台风西侧干冷气流与来自黄海的强盛暖湿气流交汇以及锋生作用，对流雨带发展旺盛[19]。11日00时台风发生变性，使暴雨区上空的锋区加强、湿层增厚，能量和水汽辐合程度均有所加强[27]。山东暴雨地区存在假相当位温(θse)锋区[34]，表现为高温高湿和弱湿对流不稳定，900~700 hPa东南气流与该锋区几乎垂直，暖空气与冷空气碰撞后被抬升，垂直速度达-6 hPa ·s-1，形成达-15×10-5 s-1的强辐合中心，不稳定能量聚集，配合强水汽辐合上升释放凝结潜热，高层增暖，低层减压，又加强了辐合上升运动，正反馈作用有利于云带发展和降水增强[43]。
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图 3 2019年8月10日—13日山东暴雨区域(117.9°E，36.6°N)风场和相对湿度的高度-时间演变[27] Fig.3 Altitude-temporal evolution of wind field and relative humidity of the rainstorm area (117.9°E, 36.6°N) in Shandong from 10 to 13 August 2019[27] 色阶—相对湿度，单位为%; 箭矢—风场，风速单位为m · s-1; 横坐标粗线段—强降水时段。 |
虽然有研究[32]表明由于距离较远，“利奇马”与“罗莎”两台风之间直接的藤原效应并不明显，但台风“罗莎”仍然不同程度地影响了“利奇马”的移动、发展以及水汽输送。首先，在双台风系统的挤压下，副高呈狭长状且位置偏东偏北致“利奇马”路径偏北而未经台湾地形削弱[6]并以高强度登陆。其次，对于“利奇马”的两个水汽通道，“罗莎”既能分流南部的水汽，又能补充和增强东侧水汽，两种作用的强弱变化取决于两台风的相对位置[6]。11日00时之后，“罗莎”逐渐使“利奇马”与西南急流水汽输送通道隔断[29]，而两台风之间的东南气流明显加强，台风北侧水汽输送旺盛[23]，这可能是“利奇马”南部云系消失殆尽而东侧水汽通量大值中心及北侧强垂直运动中心得以长期维持的重要原因。同时，“罗莎”阻止了副高南落，减弱了引导气流向北的分量，是“利奇马”移速偏慢的重要原因之一。
3 分阶段极端降水成因 3.1 第一阶段浙江极端降水成因除了上述有利的大气环境以及充足的水汽和能量作为前提条件，“利奇马”在浙江地区产生如此高效率、高强度的降水，台风自身超强的强度和云系是主要原因，地形是造成降水增幅的重要因素，良好的动热力条件和云微物理过程的有利影响也起到了关键作用。
3.1.1 超强的台风强度“利奇马”登陆前迅速发展为超强台风，并维持长达51 h之后以风力为16级、最低气压为930 hPa的强度登陆，势必给沿海地区带来狂风暴雨。除此之外，“利奇马”的超强强度还体现为独特的双眼墙结构、强暖心强度以及强盛发展的中尺度对流云团。“利奇马”的双眼墙结构在8日06时左右形成，登陆前后即9日17时左右消失，内、外眼墙共存时间长达35 h，是典型的双眼墙结构维持型(concentric eyewall maintained, CEM)[44]台风，统计结果[45]表明这种特殊双眼壁结构的“9”字形台风[6]具有高强度、高湿度等特征，易产生强降水。研究[22]发现“利奇马”暖心强度与其等级呈明显正相关，登陆前23 h内暖心一直维持在10~14 ℃的极值附近，即使在登陆后台风强度迅速减弱的情况下，浙江极端降水期间暖心强度仍保持在5 ℃以上，表明台风具有大量热能聚集[46]，反映台风强度之强和维持之久。
强盛发展的中尺度对流云团是超强台风的一个重要特征，何立富等[19]研究发现台风深对流区的水平分布与强降水落区形成很好的对应(图 4)。9日12时登陆前台风北侧的螺旋云带对流发展旺盛并逐渐由东南侧逆时针向浙江旋转(图 4a)，沿海地区的降水强度为30~50 mm ·h-1(图 4e)，17时登陆前后，中心附近雨带快速增强发展[38](图 4b、c)，这可能与外眼墙半径缩小并和内眼墙汇合后增强增宽有关[45]。乐清湾附近台风核心密闭云区有黑体亮温小于或等于-70 ℃的中尺度对流云团以最高60~80 mm ·h-1的强度维持长达5 h(图 4f、g)，对括苍山833.0 mm总降水量的贡献达40%左右[35]。登陆后5 h台风已逐渐减弱(图 4d)，但核心区及其北侧旺盛发展的对流云团仍然分别造成台州大部至宁波西南部、宁波东北部强度为25~70 mm ·h-1的大暴雨(图 4h)。国家气候中心台风灾害风险评估模型统计显示，“利奇马”风雨综合强度指数为158.6，为1961年至当时最大[18]。可见结构紧密而强盛发展的台风本体是造成浙江沿海极端暴雨的根本原因[26]。
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图 4 2019年8月9日FY-2G卫星云顶亮温和小时降水量演变[26] Fig.4 Evolution of black body temperature from FY-2G satellite and hourly precipitation on 9 August 2019[26] a、b、c、d中色阶—云顶亮温，单位为℃; e、f、g、h中色阶—小时降水量，单位为mm。 |
浙江极端降水的中心位于浙江东部沿海丘陵东南部和浙江西北山区北侧(图 1a、b)，表明地形是造成浙江台风暴雨增幅的重要原因[8, 25]。浙闽丘陵地带西南部高，台州南部到温州北部地势自东向西逐渐增高，且在温州和台州交界处存在喇叭口[35]。一方面，地形的阻滞作用使台风系统移动减缓、降水持续时间延长、降水总量更大。“利奇马”西北行移速较同期台风偏慢[18]，根据中央气象台数据记录，“利奇马”在海面上移速基本保持在20 km ·h-1以上，但从近海(钓鱼岛附近)到登陆后12 h，由于受到浙江东部地形的摩擦和山脉的阻挡，移速仅为15 km ·h-1左右[32]，而越过台州西部山区后经过相对平坦的地势时在偏南气流引导下移速迅速加快，以20~30 km ·h-1的速度北上。
另一方面，山地地形的动力抬升和辐合作用对降水的增益解释了约50%的总降水强度差异，登陆前后正地形增益区在水汽条件相对劣势的情况下均出现强度明显超过水汽辐合中心的降水[42]。括苍山站(海拔1 382 m)总降水量达833.0 mm，而距离最近的羊棚头村站(海拔142 m)降水量与之悬殊，仅为215.7 mm。王凯等[8]通过对比试验发现削减浙江东部地形后降水分布变得均匀，雨量明显减小，天台山、四明山和括苍山附近的雨量中心基本消失，原辐合中心也减弱或消失，体现了浙江东部地形在此次极端降水过程的重要作用。根据图 1，浙江东部沿海两个高山区附近各有一强降水中心与之对应，结合台风流场过境风向分析发现，温州台州交界处的喇叭口地形对登陆前台风北侧与山脉东北—西南走向几乎垂直的偏东气流起到显著的抬升与辐合作用，因此总降水量最大的站点大多分布在迎风坡[8]。台风登陆后，浙江西北部东北—西南走向的天目山对偏西偏北风的抬升作用导致迎风坡降水增幅明显[32, 35]。另外，海岸线附近的摩擦辐合和抬升也是台风次级环流产生和降水增强的重要原因[38]。
3.1.3 良好的动热力条件台风在近海的高强度维持得益于环境水平风垂直切变维持较小值[6]、高低空散度场配合[19]及正涡度加强和下传[16]等多方面因子。浙江东部沿海山区地形附近特大暴雨区(120.5°~122.0°E，28°~30°N)的涡度、散度和垂直速度时空分布如图 5所示，该地区对流层整层维持正涡度，台风登陆前10 h左右500 hPa以上高空垂直运动和辐散出现峰值，700 hPa以下的上升运动和辐合也在此时开始迅速增强，为第一阶段前期降水的峰值奠定基础。登陆前后垂直运动、低层辐合高层辐散和正涡度先后达到最强，其中垂直上升运动集中在900~500 hPa并延伸至100 hPa以上，抽吸作用明显，对流深厚而旺盛，且12—20时垂直差分涡度平流的分布有利于台风内核区左前象限出现最强对流[25]，致第一阶段后期降水达到更强的峰值。另外，垂直风切变(vertical wind shear，VWS)强度与雨带降水率呈反相变化关系[38]，9日00—12时VWS持续减小而台风雨带降水率快速发展加强，与浙江前期降水迅速增强时段对应；登陆前环境水平风垂直切变维持在3 m ·s-1以下，登陆时仅为1 m ·s-1[6]，内部通风作用减弱至最小。其间强降水上空700 hPa以下被高温高湿弱不稳定层结或中性层结大气控制，配合700 hPa附近中心值达-8 Pa ·s-1的剧烈上升运动中心，易激发深层对流[35]。
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图 5 2019年8月8日00：00—11日00：00特大暴雨区(120.5°~122°E，28°~30°N)的平均垂直速度、涡度及散度的垂直剖面[26] Fig.5 Vertical profile of mean vertical velocity, vorticity and divergence over extremely torrential rain area (120.5°-122°E, 28°-30°N) from 00: 00 UTC 8 to 00: 00 UTC 11 August 2019[26] 色阶—平均垂直速度，单位为Pa· s-l; 红色等值线—涡度，单位为10-5s-1; 黑色等值线—散度，单位为10-5s-1。 |
热力条件对浙江降水有重要贡献。登陆前台风从高海面温度(29.6~30.4 ℃)的洋面获得了感热和大量潜热[20]，直至登陆后2 h暖心强度都一直维持在10 ℃以上，最高超过12 ℃[22]。综合考虑了动、热力作用的非地转湿Q矢量的辐合大值区(大于10×10-6 hPa-1 ·s-3)与台风短时强降水落区有很好的对应[6]。浙江沿海特大暴雨区的大气热源主要来自垂直运动释放的凝结潜热[26]，即低层暖湿空气被强烈抬升，大量积云对流发展并增强从而释放潜热增暖，对强降水的发生和低压环流的维持有积极作用。另外，旋转风和辐散风对水汽、能量和热量的输送起着再分配作用，二者分别发挥输送和聚集的功能[6]。同时，台风中心湿层高能区深厚发展(最高可至150 hPa)，急流特征明显，加上强烈上升运动和水汽辐合及持续的锋生强迫[25]，理想的热动力条件给浙江带来高效率、高强度的热带深对流降水[19]。
3.1.4 云微物理过程的有利影响浙江极端降水与云微物理过程有关，温州双偏振雷达资料分析[36]表明台风登陆后北仑地区上空富含大水滴；全球降水测量卫星遥感反演结果[25]表明近岸时台风的眼墙区域以热带暖云对流型降水为主，雨滴具有更大的有效直径、更高的雨滴数密度，有利于第一阶段降水峰值的出现。Zhao等[47]采用冷暖雨与总降水定量分离方法分析发现“利奇马”冷雨量占总降水量的3/4，在降水快速增强中起主导作用。由图 6可知，自9日00时起，由于上升运动(图 6b)造成水汽凝结，中低层云水和雨水以及高层冰晶逐渐增加(图 6a)，10时左右上升运动迅速增强，对应的水成物含量也快速增加并维持了较长时间，登陆前后达到最盛，其中水汽凝结过程及雨滴对云滴的吸积最活跃。另外，雨滴收集霰然后融化的过程以及雨滴的微弱蒸发对极端降水的形成有相当大的贡献，使得“利奇马”在浙江造成了比与之相似的两个台风(1814号台风“摩羯”和2004号台风“黑格比”)更极端的降水。还有研究[48-49]采用不同的云微物理参数化方案对“利奇马”进行模拟得到的结果有显著差异，表明云微物理过程与“利奇马”降水的强度、结构演变和云系中水凝物的变化密切相关。
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图 6 “利奇马”影响期间括苍山站水成物混合比及相应动力场的高度-时间剖面[47] Fig.6 Height-time cross section of hydrometeor mixing ratios and corresponding dynamic field at Kuocangshan station during the Lekima period[47] a中色阶—云水的水成物混合比，黑色等值线—雨水的水成物混合比，紫色实线—冰晶的水成物混合比，蓝色实线—雪的水成物混合比，绿色实线—霰的水成物混合比，单位为g·kg-1; a中红色虚线—温度，单位为℃; b中色阶和等值线—垂直速度，其中蓝色表示上升气流，红色表示下降气流，蓝色粗实线─零等值线，单位为m · s-1; b中风矢—风场，风速单位为m · s-1。 |
综上，浙江极端降水的天气学概念图如图 7所示，在双台风系统挤压以及西风槽和南亚高压阻挡下，副高偏东偏北，引导气流偏弱，南海低压增强了西南季风输送，配合偏东气流使充满水汽和能量的“利奇马”绕过台湾经过暖海面以超强台风登陆，台风螺旋雨带及中心附近深对流区在浙江东部沿海和西北山区又因有利地形得到降水增幅，再加上有利的动热力条件和云微物理过程，共同造成第一阶段的浙江极端降水。
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图 7 第一阶段浙江极端降水天气概念模型 Fig.7 Conceptual diagram of the first stage of extreme precipitation in Zhejiang |
山东极端降水中心基本在高度为300~600 m的鲁中地形区北侧和东南侧迎风坡(图 1)，但鲁中地形影响的主要是极端降水中心的位置(淄博西河镇)和强度，对山东大范围降水的增强作用并不明显且相对次要[29, 33]，下文将不对此单独讨论。台风登陆后非对称性结构明显增强，北侧螺旋云带发展旺盛，先后有5条中尺度雨带(RB1—5)影响山东(图 8)，形成“列车效应”[18]。RB1—4的生成均与西风槽有关，属于第二阶段前期，其中受RB3—4影响时山东降水最强，鲁中、鲁西北及鲁南等地区均出现6 h内超100.0 mm的强降水[29]。位于台风中心北侧的RB5则属于第二阶段后期，于11日06时左右开始影响山东，而后台风本体长时间维持直至13日才逐渐消亡。因此山东的极端降水除了上述有利的大气环境和丰富的水汽能量输送作为必要条件以及双台风和地形起到的辅助作用，直接原因是台风倒槽被西风槽冷空气入侵并产生相互作用，而后期最重要的原因是台风在山东长时间停滞。
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图 8 观测的雷达组合反射率因子[33] Fig.8 Observed composite radar reflectivities[33] 色阶一雷达组合反射率因子，单位为dBZ; 黑色虚线─雨带位置。 |
山东此次强降水与冷空气密切相关[27, 29]。第二阶段初，山东东北侧一东北—西南向槽前雨带引起的冷池由于热力、湿度梯度而形成辐散性出流，向东南与台风北侧边缘的暖湿气流汇合，相继产生RB1、RB2两条线性对流雨带。冷空气穿过RB2由中层侵入后下沉而暖湿气流倾斜上升，因此在不同高度触发了RB3(700 hPa)和RB4(850 hPa)，后者更强[33]。
随着中纬度槽加深(图 9)，其南部偏西风冷平流由台风西侧逐渐靠近并入侵，其中500 hPa冷平流强度更强而低层850 hPa范围更广(图 9a、c)，台风北侧温度梯度不断加大，对称不稳定性增强[23]。11日00时(图 9b、d)，西风槽后冷平流明显增强，台风在水平方向呈“半冷半暖”，尤其是500 hPa冷平流的范围和强度均增强，与台风北侧东南暖湿气流碰撞、辐合造成锋生，RB3、RB4相继向西北方向发展和传播，造成鲁中地区此次最强降水。冷空气由低层渗透进暖湿气流底部形成东北风冷垫，增强了动力辐合和上升运动，降水得到增强和维持[29]。11—12日，低层冷空气侵蚀程度比中层更强，结合热力锋参数(thermal front parameter，TFP)和锋生函数可知“利奇马”斜压性变得更明显，形成一支与气旋中心相连的暖锋，至此已完全变性为保持一定强度暖心结构的温带气旋[22]。其间山东直接受到台风螺旋雨带RB5影响，与典型台风主雨带不同[33]，这种中纬度极锋云带与台风云团发生连结而形成的稳定维持云带将减缓台风移速并带来持续暴雨[50]。由于此次冷空气与台风环流的辐合抬升同时造成了水平锋生和垂直锋消，前者有利于水汽输送和辐合抬升，后者不利于对流不稳定能量的累积和触发，因此系统稳定维持[43]，锋区保持少动，随高度明显西倾，海上暖湿气流沿锋面维持较弱的倾斜上升运动，造成第二阶段后期持续时间相当长的稳定性降水[19]。
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图 9 10日12时、11日00时500 hPa和850 hPa位势高度、风场和温度平流[27] Fig.9 Geopotential height, wind field and temperature advection at 500/850 hPa at 12:00 UTC 10 and 00:00 UTC 11[27] 色阶—温度平流，单位为10-1℃·s-1; 等值线—位势高度，单位为dagpm; 风矢—风场，风速单位为m·s-1。 |
山东地区形成极端过程降水量的主要原因是第二阶段后期台风本体超长时间的影响。“利奇马”经过浙江丘陵地区之后在西风槽前和副高西侧偏南气流共同引导下以20~30 km ·h-1的移速迅速经过地形相对平坦的江苏并北上，而进入黄海后台风移速迅速减慢至10 km ·h-1左右二次登陆，以5~10 km ·h-1的移速在山东半岛回旋徘徊超过24 h并最终消亡，直接造成山东及周边地区持续性弱降水的发生。
与台风在浙江移速减缓主要受地形摩擦不同，“利奇马”影响山东期间缓慢移动主要受环流形势制约。“利奇马”从青岛二次登陆到在莱州湾停止编号经历长达38 h，相比之下，与之路径相似的台风“桃芝”仅3 h就经过了山东(2001年8月1日)，从而造成显著不同的累计降水量[41]。二者影响时间的不同正是由环流形势的显著差异所造成的：“桃芝”和“利奇马”两台风影响山东期间均有两高(副高和大陆高压，下同)对峙，形状和位置也基本相似，但“利奇马”期间两高强度明显偏弱，台风与副高的距离明显更远，另有一台风“罗莎”阻挡副高南落，使这一形势更加稳定，偏南引导气流十分弱[41]，且相对较弱的西风槽并入产生的华北弱反气旋环流更阻止了台风北上。总之，有利的阻塞形势配合上述冷暖空气对峙和锋生锋消等因素使“利奇马”在山东地区打转停滞，超长的影响时间导致极端的过程降水。
综上，山东极端降水的天气学概念图如图 10所示，在两高一低的阻塞形势下“利奇马”沿靠近海岸的路径向偏北方向缓慢移动。“罗莎”引导西南水汽并增强东南水汽输送，高空南亚高压东部中心北侧急流入口区有强辐散，中低层来自海上的暖湿空气与槽后干冷空气碰撞，均有利于对流复合体发生发展，台风倒槽与西风槽云系相互作用产生前期强降水。后期冷空气入侵台风内部，暖湿空气沿冷垫爬行，台风在水汽和能量补充下盘旋并维持，持续的锋面性降水造成极端过程降水量。地形仅主要影响降水中心的降水量和位置，增幅作用不显著。
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图 10 第二阶段山东极端降水天气概念模型 Fig.10 Conceptual diagram of the second stage of extreme precipitation in Shandong |
基于国内外对1909号超强台风“利奇马”的部分研究成果，此文从大尺度天气形势、台风自身强度、动热力因子、云微物理、水汽和能量以及地形等方面，对两个降水中心即浙江、山东对应的两大阶段极端降水异同成因分别进行了总结。
(1) 影响极端降水全过程的因子：①西风槽、大陆高压、副高组成的阻塞形势减缓了台风移速，同时影响台风路径；②西南季风和东南气流两个水汽输送通道为台风强度维持和降水的发生提供充沛的水汽和能量，其中浙江降水主要由西南季风输送水汽，山东极端降水主要受偏东气流影响；③另有台风“罗莎”通过影响副高位置、台风移速以及对水汽的引导和增强作用直接或间接地影响着“利奇马”极端降水。
(2) 两阶段各自的特征及成因：①第一阶段浙江极端降水分为前期外围螺旋云带降水和后期眼墙强对流降水，特点是高效率、高强度。“利奇马”在有利条件下以超强强度登陆，较慢的移速使其从前期的外围螺旋云带到后期旺盛的内部云墙均严重影响了浙江。地形的抬升使降水进一步增幅，同时降水中心附近还具备较好的云微物理条件和动热力条件。②第二阶段山东极端降水又可分为前期倒槽降水以及后期锋面性持续降水，超长的降水时间和极端的过程降水量是其独特之处。前期台风倒槽被西风槽冷空气入侵并相互作用产生降水，而后二者叠加影响使台风倒槽降水达到峰值，后期变性的台风在阻塞形势下以极缓的移速在山东地区盘旋，暖湿空气在冷垫上爬升而带来持续性锋面降水，地形仅主要影响极端降水中心的降水量和位置。
虽然“利奇马”极端降水成因的研究取得了众多成果，但目前对该个例仍有值得深入探究的问题。(1)多数研究围绕浙江、山东极端降水开展，极少数研究[51]对台风残涡给东北地区带来的大暴雨进行分析，而台风所经江苏南部和东北部、安徽东南部等地区也产生了极端降水并造成严重灾害，相关研究却更少，这些地区降水的成因和独特性有待进一步研究和探讨。(2)“利奇马”降水时空分布不均匀，不同时期、不同区域的中小尺度结构和湍流特征有所不同[52]，其变化机理及对降水的影响仍待更详细地研究和讨论，如台风经过湖泊、山脉等不同下垫面对“利奇马”内部的中小尺度结构发展演变有哪些作用？(3)山东极端降水主要发生在台风变性前12 h与台风变性后6 h，部分研究[22, 27]对台风变性进行了分析，但关于变性对台风降水产生影响的动力过程有待进一步探究。(4)前期研究对台风远距离降水在概念上存在模糊不清的现象，如个别研究以降水站点与台风中心之间的距离大于800 km来判断远距离降水[33]，而台风远距离降水的定义是：①降水发生在台风的环流之外，②降水与台风本体降水之间有间隔，③降水与台风存在密切的内在联系[53]。因此，在之后的研究中对台风远距离降水的界定还需谨慎与统一。
现已有学者基于“利奇马”对台风极端降水的预报方法进行了改进研究，如Jia等[28]将台风强度引入登陆台风降水的动力统计相似集合预报模型(the Dynamical-Statistical-Analog Ensemble Forecast model for Landfalling Typhoon Precipitation, the DSAEF_LTP model)对“利奇马”开展试验使模型得到改进，赵琳娜等[54]建立欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)降水集合预报的贝叶斯模型平均(Bayesian model averaging，BMA)模型并发现该模型对“利奇马”降水集合预报有较好的订正效果，能有效改善预报离散度，提高了暴雨及以上降水落区预报的准确性。但数值模式对此次极端降水量的预报偏小，需后期主观订正调整[55]。一方面，目前数值模式预报精度仍需提高，另一方面，台风极端降水成因复杂，且对台风的观测仍然有限。因此，台风极端降水的形成机理及其预报方法的提高仍是需要长期探索的科学问题。
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