臺風“溫比亞”造成河南特大暴雨診斷分析

李周 谷秀杰 王友賀 邵宇翔 席樂 栗晗

（1 中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室，鄭州 450003；2 河南省氣象臺，鄭州 450003）

0 引言

我國是世界上少數幾個受臺風影響最嚴重的國家之一，平均每年約有7個臺風（包括熱帶風暴、強熱帶風暴、臺風、強臺風和超強臺風，下同）在我國登陸，常給人民生命、國家財產和工農業生產等造成重大損失[1]。臺風災害一般包括大風、暴雨以及風暴潮。大風和風暴潮一般發生在臺風登陸前后，臺風殘渦在有利條件下還可以帶來超過登陸時的特大暴雨，造成嚴重災害。如7503號臺風“Nina”其低壓深入內陸維持不消，造成著名的“75·8”河南特大洪水，奪去數萬人生命[2]。因此對登陸熱帶氣旋的研究一直是氣象學者比較關注的一個熱點問題。陳聯壽等[3]、曾靜[4]從能量轉換、水汽輸送、中緯度斜壓鋒區和環境風場的變化等方面研究了登陸后熱帶氣旋的維持機制，結果表明，潛熱釋放和斜壓位能釋放是近?；虻顷憻釒庑訌娀蚓S持的兩種主要能源。對臺風暴雨的研究發現[5-6]，深入內陸后的臺風，即使強度已經減弱，但其外圍經常與北方冷空氣相結合，并可能產生極強的降水。關于深入內地、長生命史的臺風暴雨的研究，任麗等[7]對臺風與中緯度系統相互作用所致暴雨進行了深入分析，當臺風低壓與西風帶低渦逐漸接近過程中，臺風東北側的東南急流把海上的熱量和水汽向低渦環流輸送，在倒槽切變處輻合抬升，產生暴雨。大暴雨區位于傾斜鋒區附近，對流穩定，中層存在濕對稱不穩定，有利于加強降水強度。9608號臺風自福建登陸后繼續北上[8]，給河北、山西帶來了幾十年不遇的特大暴雨，其成因主要由于，臺風低壓與副高之間的強氣壓梯度形成的偏南風急流，將低緯度地區高溫高濕的不穩定大氣源源不斷地輸送到華北地區；以及華北北部近地面層弱冷空氣擴散南下與南來不穩定大氣的相互作用。何麗華等[9]對影響河北兩次相似路徑臺風的濕位渦對比發現，對流層中低層濕位渦正壓項（MPV1）＜0、斜壓項（MPV2）＞0區域對應暴雨區，對此類暴雨預報具有較好的指示意義；對流層高層高值濕位渦下傳，有利于位勢不穩定能量的儲存和釋放，使降水增幅。吳蓁等[10]對臺風外圍偏東氣流中的暴雨及其等熵位渦進行分析發現，大值位渦帶與降水區有較好的對應關系，正位渦異常中心的出現對降水的發生發展具有指示意義。

由于臺風是大氣環流中不斷移動的系統，不同的臺風，其大氣環流背景也各不相同，同一個臺風的不同時刻，其周圍系統也完全不同。同時，臺風帶來的風雨天氣，也受多種因素的影響，如臺風低壓自身結構、環境場特征、下墊面濕熱程度等。因此每一個登陸臺風都有其與眾不同的特點，尤其長久維持并且產生強風雨的臺風更值得深入研究其機理與成因。2018年第18號臺風“溫比亞”在河南境內滯留長達40 h，給河南省帶來的風雨影響超過50 h，臺風低壓在河南境內長時間滯留并造成強降水實屬罕見，非常有必要進行總結分析，探尋強降水發生發展的物理機制以及臺風低壓在河南境內長久滯留的可能原因。本文利用6 h間隔1°×1°的NCEP全球再分析資料和高空、地面、逐小時降水等實時觀測數據及臺風路徑等資料，通過相關物理量計算，對此次強降水天氣成因進行診斷分析，提煉預報著眼點，以便提高對臺風暴雨天氣的預報、預警能力，其研究結果將為今后的實際預報工作提供一定技術支撐。

1 過程概述

2018年8月17日08時（北京時，下同）起受臺風“溫比亞”外圍云系影響，豫東南出現陣雨、雷陣雨天氣，20時以后，隨著臺風低壓繼續西行，河南降水范圍由東南逐漸向西、向北擴展；18日凌晨當臺風低壓進入河南固始，豫東降水明顯增強，并穩定維持，直到19日05時臺風低壓緩慢移出汝南并加速向東北方向移動，豫東強降水才明顯減弱。當臺風低壓進入河南境內后，強降水落區位于臺風低壓東北象限距離低壓中心約250 km處的螺旋云帶里。2018年8月17日08時—8月19日20時累計降水量顯示（圖1a），江蘇西南部、安徽大部、河南東部和山東大部均出現100 mm以上的強降水，其中河南東部、安徽北部和山東南部超過250 mm。河南省內京廣線沿線及以東地區為暴雨，東部、東北部為大暴雨，商丘地區特大暴雨；區域站雨量站超100 mm的有685站，其中超500 mm的有3站，分別為：柘城遠襄集為553.1 mm、睢縣長崗為543.2 mm、商丘睢陽區勒馬為533.8 mm。1 h最大雨強出現在沙集站，為111.9 mm（18日14—15時）；3 h最大雨強出現在金世紀廣場，為198.5 mm（18日08—11時）；6 h最大雨強出現在遠襄集，為289.4 mm（18日11—17時）。強降水的同時部分地區伴有8級以上雷暴大風及氣旋大風（圖1b）。

圖1 2018年8月17日08時—19日20時累計降水量（a）和18日國家站大風及雷暴分布（b）Fig. 1 Precipitation from 08:00 BT 17 to 08:00 BT 19 August 2018 (a); distribution of gale and thunderstorm at national stations on 18 August 2018 (b)

本次臺風暴雨過程僅次于“75·8”暴雨。據統計是河南省1980年以來首個單站日雨量超過300 mm的臺風暴雨過程，國家站日雨量大于50 mm的有46站、大于100 mm的有25站，均位列1980年以來河南臺風暴雨過程第三名。過程期間有8個國家氣象站日雨量超歷史極值，其中夏邑站超歷史極值2倍多，商丘站日雨量最大為363.6 mm，其歷史極值雨量為193.3 mm。

2 環流背景

由500 hPa副熱帶高壓（以下簡稱副高）及臺風低壓演變（圖2a）可知，17日20時，副高脊線位于37°N、西伸點達116°E附近，副高主體控制山東半島到華北南部。隨著臺風低壓逐漸西進，副高快速東退，至18日08時，副高主體已東退到126°E以東，此時臺風低壓進入河南東南部，副高對臺風低壓基本無引導作用，臺風低壓在自身內力作用下，緩慢向西北方向移動。至19日08時，盡管副高主體仍位于120°E以東地區，但31°N附近西脊點明顯西擴，這一改變有利臺風低壓轉向東北方。另外18日14時，200 hPa在103°E附近，33°N以北地區有淺槽逐漸發展，而后逐漸加強并緩慢東移。

圖2 2018年8月17日20時—8月19日20時588 dagpm線動態圖（a），及8月18日14時（b）和20時（c）海平面氣壓場Fig. 2 Variation of 588 dagpm line from 20:00 BT 17 to 20:00 BT 19 August 2018 (a), sea level pressure field at 14:00 BT (b) and 20:00 BT (c) 18 August 2018

中低層高壓帶環繞在臺風低壓外圍除南側外的其他3個方向，海平面氣壓場與中低層環流相似，18日14時，1010 hPa高壓壩圍繞在低壓外圍（圖2b），對低壓移動起到了一定的阻擋作用；18日20時，1010 hPa高壓帶（圖2c）縮減成塊狀位于華北北部，隨著臺風低壓北側高壓逐漸減弱以及高空風場的轉向與加強[11]，臺風低壓由緩慢西北行轉為東北行。

上述分析表明，臺風登陸后副高快速東退，引導氣流明顯減弱，同時在地面場上低壓北側也受到高壓壩的阻擋，因此臺風低壓緩慢西北行或停滯。直至19日02時，200 hPa低槽東移（圖略），使槽前向東北方向輻散增強，引導臺風低壓轉向并加速向東北方向移動。由于臺風低壓在河南境內長久滯留，臺風外圍東南急流將東海的水汽源源不斷向內陸輸送，河南東部位于臺風倒槽附近強水汽輻合及垂直運動區內，因此產生了較大的累計降水量，且多站日雨量超歷史極值。

3 強降水診斷分析

3.1 動力場特征

過暴雨中心（34.4°N）分別作渦度、散度、垂直速度剖面圖。18日14時渦度垂直剖面（圖3a）顯示，正渦度柱位于115°E附近，16×10－5s－1強中心發展到800 hPa；此時散度（圖3c）的強輻合中心位于115°E附近900 hPa以下，中心強度達－8×10－5s－1，700 hPa以上為輻散區，輻散層次較深厚，但強度稍弱，對應200 hPa輻散中心值為2×10－5s－1，說明低層臺風低壓處于穩定發展階段，低層入流大于高層出流；垂直速度剖面（圖3e）顯示，大于－24×10－3hPa·s－1上升運動中心由115°E附近的800 hPa高度傾斜上升至116°E附近的500～600 hPa，從上述物理量中心強度及垂直分布可知，此時系統正處在強烈發展階段，對應強降水持續期，同時也是最大小時雨強出現時段。

圖3 2018年8月18日14時（a, c, e）和20時（b, d, f）沿34.4°N垂直剖面（a，b）渦度（單位：×10－5 s－1）；（c，d）散度（單位：×10－5 s－1）；（e，f）垂直速度（單位：×10－3 hPa·s－1）（黑色三角表示暴雨中心）Fig. 3 Vertical sections along 34.4°N at 14:00 BT (a, c, e) and 20:00 BT (b, d, f) 18 August 2018(a, b) Vorticity (unit: ×10－5 s－1); (c, d) Divergence (unit: ×10－5 s－1); (e, f) Vertical velocity (unit: ×10－3 hPa·s－1) (Black triangles indicate the centers of the rainstorm.)

18日20時，渦度剖面（圖3b）顯示，強渦旋區依然位于115°E附近，16×10－5s－1正渦度中心明顯增強，并伸展至700 hPa；此時散度剖面（圖3d）顯示，高層輻散明顯增強，中心最大值增加到6×10－5s－1位于400 hPa附近，強度略小于低層輻合；垂直速度剖面（圖3f）表明，由14時的傾斜發展為垂直，此時中心強度為－20×10－3hPa·s－1，位于700～600 hPa，中心強度及發展高度均有所減小。20時與14時動力場對比分析表明，14時大氣正處于強烈發展階段，至20時系統基本發展到頂峰，14—20時，隨著系統的強烈發展同時對應強降水的發生。20時以后系統逐漸衰減，強降水也隨之減弱。

3.2 水汽條件分析

某地區的降水強度除了與垂直運動有關外，還決定于水汽的輸送與輻合，同時充足的水汽條件還是臺風低壓得以維持的“燃料”。豫東強降水的產生與充足的水汽供應是密不可分的。從18日14時強降水發生時的850 hPa水汽通量及水汽通量散度疊加圖（圖4a）可知，水汽在臺風低壓的右后方由東海源源不斷向內陸輸入，在臺風低壓周圍除南側外其他三面均有水汽輻合，輻合中心位于商丘、周口兩地區西部，中心強度為3×10－8g·s－1·hPa－1·cm－2，至18日20時（圖4b），較強的水汽輸送依然持續，隨著低壓緩慢東北移，強輻合中心集中在低壓移動的右前方，即強降水集中的豫東地區，同時輻合中心增強到4×10－8g·s－1·hPa－1·cm－2，源源不斷的水汽供應與輻合以及強烈的上升運動，為本次極端暴雨天氣提供了充足的水汽及動力條件。

圖4 2018年8月18日14時（a）和20時（b）850 hPa水汽通量（矢量，單位：×10－3 g·s－1·hPa－1·cm－1）和水汽通量散度（色斑）疊加（黑色圓表示暴雨中心）Fig. 4 The 850 hPa water vapor flux (vectors, unit: ×10－3 g·s－1·hPa－1·cm－1) and divergence of water vapor flux(colored) at 14:00 BT (a) and 20:00 BT (b) 18 August 2018 (Black circles indicate the centers of the rainstorm.)

3.3 穩定度分析

環境場的溫、濕分布對臺風降水強度及分布也有明顯影響[2]，不穩定的大氣層結是對流天氣發生、發展的必要條件。從豫東強降水發生前的K指數及假相當位溫演變情況可知，17日14時K指數（圖5a）顯示，從安徽到河南東部均為大于36 ℃的高溫、高濕區，到18日02時（圖5b），河南東部K指數增大到38 ℃，能量進一步蓄積，夜間K指數不降反增只有兩種可能，一是低層濕度增加，二是高空有冷空氣入侵。隨著臺風低壓逐漸進入河南東南部，東南急流帶來的水汽使低層增濕明顯，中高緯低槽繼續東移，其后冷空氣不斷擴散南下與臺風外圍的暖濕空氣結合，增強了大氣的不穩定層結，同時也增加了降水強度。

圖5 2018年8月17日14時（a, c）和8月18日02時（b, d）的K指數（a, b）和沿34.4°N假相當位溫剖面（c, d，單位：K）（黑色圓或三角表示暴雨中心）Fig. 5 K index (a, b) and vertical sections of pseudo-equivalent potential temperature along 34.4°N (c, d, unit: K) at 14:00 BT 17 August 2018 (a, c) and 02:00 BT 18 August 2018 (b, d) (Black circles or triangles indicate the centers of the rainstorm.)

從假相當位溫演變可知，在116°—118°E，17日14時（圖5c），800 hPa以下假相當位溫隨高度減小，為不穩定層結；至18日02時（圖5d），低層高能舌向上延伸到600～500 hPa，在其東側119°E附近有一相對干冷的345 K的低值中心，隨著臺風低壓外圍的偏東風，該干冷空氣向西不斷入侵到暖濕氣柱內。綜上，在臺風低壓影響河南之前，豫東地區已經具備對流發生發展的能量及不穩定條件，18日凌晨，低壓進入河南境內以后，低層強烈的輻合抬升觸發豫東地區不穩定能量釋放，從而產生持續的強降水天氣。

3.4 中尺度特征

3.4.1 衛星云圖分析

從18日04—19時，強降水期間云圖及云頂亮溫（TBB）演變（圖6）可知，04—07時豫東地區對流云團逐漸發展增強并向東北方向移出商丘地區，08—13時隨著前一對流云團逐漸移出，強降水略有減弱，但后部仍不斷有新的對流單體生成并影響豫東地區，14時以后逐漸發展為組織結構較完整的強對流單體，與前面的動力場診斷相一致，同樣表明該時段系統處于強烈發展階段。強中心位于河南、山東、安徽、江蘇四省交界地區，在臺風外圍東南氣流引導下，云團向西北方向快速伸展，但強中心穩定在四省交界處原地發展加強，豫東地區處在對流單體左側邊緣地帶。從云頂亮溫（TBB）分析同樣可知，18日08—13時對流云團有所減弱，TBB中心最低值由08時的220 K升高到13時的230 K，13時以后隨著對流云團的再次增強，TBB中心最低值由14時的225 K降低至19時的215 K，強降水區TBB始終低于230 K，并且中心最低值可達215 K。

3.4.2 雷達分析

從18日08—18時雷達拼圖（圖7）演變可知，強降雨區位于距離臺風低壓中心約250 km的臺風外圍螺旋雨帶中，強降水區集中分布在臺風倒槽附近及其右側的高能區內。過程期間可分為兩個主要強降水時段，第一時段位于18日凌晨到上午，第二時段位于18日下午到傍晚。18日08時強降水回波恰好位于商丘中部，而后逐漸減弱消散（圖7a、7b）。12時以后再次有強降水回波自商丘東南部進入，經過商丘地區后18時以后移出（圖7c～7f）。強降水回波在商丘境內不斷生消，并且維持較高的降水效率，因而出現了較強的累計降水量。在臺風外圍的螺旋云帶中，大于45 dBZ的強回波成帶狀分布在低壓中心的東北象限內即強降水區，帶狀強回波隨低壓中心向東北方向緩慢移動，強回波長時間穩定少動是產生強降水的直接原因。

圖7 2018年8月18日08時（a）、10時（b）、12時（c）、14時（d）、16時（e）和18時（f）雷達拼圖Fig. 7 Radar composite image at 08:00 BT (a), 10:00 BT (b), 12:00 BT (c), 14:00 BT (d), 16:00 BT (e), and 18:00 BT (f) of 18 August 2018

3.5 物理量極端性分析

下面以商丘站為代表討論本次過程極端性的可能原因。挑選1980年以來商丘站日降水量大于50 mm的日期，針對3 km風切變（shr3）、700 hPa偏南風分量（vwnd_700）、700 hPa垂直速度（w_700）、整層可降水量（wvc）、850 hPa比濕（shum_850）、K指數（ki）、200 hPa散度（div_200）、850 hPa渦度（vort_850）等環境參數，計算所有日期的標準差倍數平均值和最大（?。┲?，并與本次過程進行對比（圖8）。如圖可知，本次過程200 hPa散度和850 hPa渦度的標準差倍數均超過歷史最大值，700 hPa垂直速度小于歷史最小值，且遠小于平均值。其他參數標準差倍數略低于最大值但明顯高于平均值，說明本次過程具有一定極端性。另外由于臺風低壓的長久滯留以及較高的降水效率便產生了較大的累計降水量。

圖8 1980年以來商丘站50 mm以上降水環境參數標準差倍數Fig. 8 Standard deviation multiple of environmental parameters with precipitation over 50 mm at Shangqiu Station since 1980

4 結論

1）分析表明，臺風低壓進入河南以后強度維持、移速緩慢，主要由于大型流場對臺風低壓的引導變弱、中低層受高壓帶阻擋，使得臺風低壓在河南境內長久徘徊停滯不前。當200 hPa西南風速明顯加大時，低壓隨之快速東北移動。

2）在臺風低壓影響河南前，豫東地區已具備強對流發生發展的能量及不穩定條件，K指數達36 ℃以上并且入夜以后增強到38 ℃以上，說明前期大氣中聚集了大量的不穩定能量，當18日凌晨低壓進入豫東南以后，低層強烈的輻合抬升觸發豫東地區不穩定能量的釋放，從而產生持續的強降水天氣。

3）動力及水汽場分析表明，強降水區大氣具有強烈的傾斜發展機制，由于低壓停滯不前，強烈傾斜發展機制維持6 h以上，并且伴有充足的水汽供應及強烈輻合，使得強降水長時間維持，累計雨量達到或超過歷史極值。

4）云圖、雷達等分析表明，在低壓外圍250 km附近的螺旋云帶中不斷有對流單體生成、合并，逐漸發展成較強雷暴單體；強降水區TBB始終低于230 K，并且中心最低值達215 K，低于一般強烈發展的對流單體220 K的最低溫度，說明對流云發展的非常旺盛；雷達回波演變可知，大于45 dBZ的強回波成帶狀分布在低壓中心的東北象限的強降水區，強回波長時間穩定少動是產生強降水的直接原因。

5）將商丘站的相關環境參數標準差倍數與歷年出現暴雨時的平均值和最大值進行對比發現，本次過程各環境參數標準差倍數明顯高于歷年平均值，且部分達到歷史最大值，具有一定極端性。