台风“狮子山”与中纬度系统相互作用所致暴雨成因分析

任 丽，赵 玲，孙 磊，韩 冰，张 月

（1.黑龙江省气象台，黑龙江 哈尔滨 150030； 2.绥化市气象局，黑龙江 哈尔滨152002）

登陆北上或近海北上影响我国北方地区的台风，平均每年仅为2～3个，7—9月上旬为高峰期[1-2]。台风北上与中高纬度系统相互作用会激发出暴雨，冷空气侵入使其变性，台风变性过程中的温压场分布、强度结构、降水特征等都会发生显著变化，可以带来暴雨和大风等灾害。许多学者对此进行了研究，发现：台风的变性加强与西风带高空槽的强度密切相关[3-9]。台风与不同强度高空槽相互作用过程中，较深槽伴随较强冷平流、正涡度平流以及较强的高空辐散，从而影响台风低压的维持和发展[3]；北方冷空气对北上台风引起的降水十分关键，降水主要由台风外围螺旋雨带造成。日本海高压伸向中国东北地区的高压脊，对大风的形成有重要作用，台风登陆后影响时间的长短与登陆后冷空气的配合有密切关系[4]；东北冷涡作为典型的高空冷涡，其外围高空急流对台风并入东北冷涡过程中的发展具有重要的影响[5]。每一次暴雨过程均是在有利的天气尺度背景下，由中尺度对流系统活动造成的[6-8]。

2016年8月29日，“1610号”台风“狮子山”越过30°N，与朝鲜半岛上空的低涡在逐渐靠近的过程中，发生藤原效应，并一路西行最终并入到低涡环流中。台风在西风带40°N以北，转为西行路径，极为罕见。台风将海上的热量和水汽向低涡输送，低涡不断加强，并稳定维持多日，给东北地区带来大范围持续多日的强降水天气。29日20时—30日20时吉林省图们市、延吉市24 h降水量分别达到了174.6 mm、124.6 mm，均突破历史极值。此次暴雨天气，具有持续时间长，累积降水量大，受台风路径预报影响大等特点，给预报工作带来很大的困难，因此需要对此类暴雨天气进行深入的诊断分析。本文利用常规观测资料和NCEP FNL的1.0°×1.0°气象再分析资料，分析了此次暴雨过程中的动力、水汽和不稳定条件，探究中纬度系统与热带系统相互作用引发暴雨的原因，为今后预报台风降水积累经验。

1 台风概况、风雨影响及资料和方法

1.1 资料和方法

利用2016年8月29日—9月1日地面观测网提供的降水资料，台风网提供的台风路径及水平分辨率为 1.0°×1.0°的美国环境预报中心（National Center of Environmental Prediction，NCEP） 再分析（Final Analysis，FNL）格点资料，分析产生暴雨的大尺度环境背景场，计算温度平流、水汽通量、水汽通量散度、比湿、相当位温和湿位涡等物理量，使用天气动力学诊断方法对本次暴雨天气进行分析，探讨暴雨过程中物理量的演变规律，为更好地分析和预报此类暴雨天气提供依据。

1.2 台风概况及风雨影响

2016年第10号台风生成于西北太平洋洋面上，8月20日凌晨位于32°N被命名为“狮子山”，是1977年以来生成位置最北的台风。26日02时，“狮子山”经历33 h的停滞打转（移速≤5 km/h）后，向东北方向移动，其强度和移动速度不断加强，24日14时加强为强台风。28日14时—29日08时“狮子山”加强为超强台风，近中心最大风速为52 m/s（16级），移速增大到24～28 km/h。之后，“狮子山”强度逐渐减弱，在快速向北移动过程中偏西分量不断增加，移向由东北方向转为北偏西方向。于30日16时50分前后在日本本州北部岩手县登陆，登陆时为强热带风暴，31日凌晨减弱为热带风暴，于4：30前后在俄罗斯海参崴附近沿海再次登陆，并以50 km/h的速度向偏西方向移动，进入吉林省。31日17时在吉林省磐石市境内变性为温带气旋，停止编号。“狮子山”在日本岛登陆后一路西行直到吉林境内停止编号，台风在西风带40°N以北，转为西行路径，极为罕见。

图1 2016年8月29日08时—9月1日08时累积降水量、“狮子山”路径和地形高度分布

8月29日下午东北地区东部率先出现降水，之后东北地区大部出现连续多日的阴雨天气。截至9月1日08时（图1），东北地区东部大部分地区累积降水量超过50 mm，其中小兴安岭迎风坡及长白山脉附近超过100 mm，吉林省图们市累积降水量最大，为236.8 mm。地形有利于中尺度对流系统的发生发展[10]，根据降水量分布与地形高度图（图1a）发现地形对暴雨的增幅作用不可忽视。东部地区在降水的同时出现了大风天气。

图们站降水出现在29—31日，从逐时雨量图上看（图2），最大雨强为17 mm/h，降水分布较为均匀。降水性质上，29—30日为持续性降水，期间伴有对流活动；31日转为阵性降水，雨强逐渐减小。气压变化剧烈：在狮子山逐渐移近的过程中，图们站气压持续下降，从29日15时的1 004.6 hPa连续下降到31日04时的977.2 hPa，38 h变压达到-27.4 hPa。

图2 8月29—31日图们站逐时降水量和气压演变

2 大尺度环流背景

2.1 高空环流形势

2016年8月下旬，极地冷空气较为活跃，向南移动到亚洲极圈附近，同时有冷空气分裂南下，表现为在我国东北地区多短波槽活动。8月26日08时，500 hPa，贝加尔湖南侧，有短波槽新生，槽后有冷中心配合，冷平流促使其在东移的过程中不断发展加深。27日08时，该短波槽移至东北地区东部到黄海附近，随着其经向度的不断加大，在朝鲜半岛附近切断成低涡。低涡生成以后稳定维持在朝鲜半岛上空，强度逐渐加强。1610号台风“狮子山”于26日转为向北移动以后，在西北太平洋上向北偏东方向移动，逐渐接近朝鲜半岛上空的低涡。期间西太平洋副热带高压与鄂霍次克海上的高压脊合并加强，在日本岛以东的洋面上形成强大而稳定的阻塞高压。

29日14时（图3a），洋面上的阻塞高压呈西北—东南向的块状结构，“狮子山”位于块状高压西南侧，受偏南风引导向北移动。朝鲜半岛上空的低涡缓慢向东移动，两个气旋在逐渐靠近的过程中，受到彼此风场影响，呈气旋式互绕，发生藤原效应。此后“狮子山”向北移动过程中偏西分量逐渐加大，移速加快，与朝鲜半岛上的低涡逐渐接近。31日02时（图3b），阻塞高压加强西伸，“狮子山”移至日本海上，与低涡相距不足5个经距。之后2个气旋环流合并，缓慢向西移动。

850 hPa上，29日14时低涡中心位于日本海上，其北侧的倒槽切变逐渐伸向东北地区，切变东侧有东南风低空急流建立，东北地区东部降水开始。之后低涡缓慢向西移动并不断加强，随着“狮子山”与低涡的接近，2个气旋的外围环流逐渐合并，东南风低空急流不断加强，东北地区的雨强随之加大。31日02时，“狮子山”移到低涡东北侧，两者更加接近，外围环流合并后，风速明显加大，系统东侧的东南风低空急流最大风速≥28 m·s-1。2个系统合并以后，继续向西移动，降水强度随着东南风低空急流强度和范围的减弱而减小。

2.2 中低纬度系统相互作用

30日08时（图4a），低涡位于日本海南部，温度场上表现为从大兴安岭地区伸向涡后部的温度槽，温度槽与狮子山相距较远，并未破坏台风的暖心结构。从台风中心附近的暖中心到黑龙江省东北部为温度脊。此时狮子山的涡度区表现为准对称结构，涡度垂直分布基本呈现为正压状态。随后，狮子山向西偏北方向移动，更加靠近低涡，与其配合的暖中心逐渐远离台风中心。31日08时（图4b），850 hPa上，狮子山环流中心移至中俄边界，与低涡更加接近，扩散南下的冷空气逐渐与台风环流发生相互作用，促使其低层暖中心消失，温度脊东移到西北太平洋到日本海一带。狮子山中心附近涡度强度明显减弱，其准对称的结构遭到破坏，正涡度大值区维持在台风西侧及北侧倒槽内。垂直剖面上，狮子山的正涡度区与西风带低涡的正涡度区在低层基本融为一体；对流层高层，其正涡度中心依然维持。可见两个气旋之间已经发生了明显的相互作用。

图3 500 hPa高度场（实线，单位：gpm）、温度场（虚线，单位：℃）和850 hPa水平风场阴影为低空急流）

图4 850 hPa高度场（实线，单位：gpm）、温度场（虚线，单位：℃）和风场分布

西风带低涡和狮子山环流之间的相互作用，还可以从温度平流的变化上发现：狮子山北上过程中随着偏西分量的不断加大，与朝鲜半岛附近低涡逐渐靠近，低涡后部的冷平流逐渐侵入到台风中心，破坏了台风的暖心结构，使其减弱变性。30日08时，沿台风中心取经向剖面（图5a），可见台风维持暖心结构，中心温度明显高于周围大气温度，对流层中高层尤为明显，偏高6～7℃。台风东侧和北侧是从暖洋面上吹来的偏南风和偏东风，对流层中低层为强暖平流，最大可达400×10-5K·s-1；其西侧和南侧为西北风冷平流，携带着弱冷空气进入台风内部，逐渐靠近台风中心。30日20时（图5b），冷平流已经侵入到台风中心，中低层冷平流加强到-400×10-5K·s-1；台风的暖心结构逐渐遭到破坏，与周围空气的温度对比减小。31日08时（图5c），台风移至长白山东麓，其中心温度对比较弱，高层400 hPa和低层900 hPa附近温差最大，为2～3℃；冷暖平流的范围和强度明显减小。此后，台风中心的暖空气逐渐被冷空气取代，变性为温带气旋。

3 物理量诊断分析

3.1 水汽条件

低涡自生成以来稳定维持在日本海附近，狮子山快速向北移动，逐渐靠近低涡。从低层的水汽通量、水汽通量散度及垂直速度分布来看，在两个气旋逐渐接近的过程中（图6a，6b），外部环流逐渐合并，狮子山将海上的热量和水汽沿着外围环流向北输送到低涡环流中，使低涡不断加强，并在其北侧倒槽切边处辐合抬升，形成强降水。特别是在长白山脉、小兴安岭的迎风坡的地形抬升作用，形成暴雨中心。

图5 温度平流（等值线，单位：10-5K·s-1）和温度距平（阴影，单位：℃）沿台风中心的纬向剖面

图 6 850 hPa 水汽通量，水汽通量散度（阴影，单位：10-5g·s-1·cm-2·hPa-1）和垂直速度（等值线，单位：Pa·s-1）

3.2 动力条件

高、低空急流为暴雨提供了有利的动力、热力和水汽条件。分析200 hPa流场和风场分布发现，原本位于日本海上的高空急流随着台风狮子山向北向西移动，急流轴强度和范围逐渐加大，由东西向转为东北—西南向，并逐渐与东亚大陆上的急流断裂。30日08时（图7a）这支高空急流移至我国东北和俄罗斯远东地区，急流轴风速在60 m·s-1以上。东南风低空急流从“狮子山”北侧经过日本海到东北地区东部，急流轴风速超过20 m·s-1。东北地区东部一直处于高空急流核右后方的强辐散区，和低空急流核前方的强辐合区。高空辐散和低空辐合的耦合，再加上低空海上输送的暖湿气流的热力强迫，使低层大气产生了强烈的上升运动，从而产生暴雨天气。

沿暴雨中心图们站（129.5°E，42.57°N）绘制纬向垂直剖面图（图7b），高空急流右侧为高空辐散区，辐散中心位于 400～200 hPa，强度超过 6×10-5s-1，低空急流前侧为低空辐合区，沿着长白山脉迎风坡辐合加强，高度抬高，辐合中心达-12×10-5s-1。强上升运动出现在长白山脉迎风坡，高层强辐散、低层强辐合的区域，与强降水相对应。

3.3 不稳定条件

850 hPa假相当位温θse水平分布上，台风“狮子山”具有的高能量一直表现为θse高值中心，并且θse大小与台风强度变化呈正比。高能舌从西北太平洋伸向我国东北地区，在吉林和黑龙江东部形成锋区，不断加强（图8a）。31日08时以后（图8b），随着台风强度的减弱，与其相伴的θse中心强度不断减小，锋区也随之减弱，降水强度逐渐减小。

偏东气流引导海上的暖湿空气向西移动，增强大气的斜压性从而使垂直扰动得到发展。沿图们站的θse、比湿及垂直运动的垂直剖面图上，可见暖湿空气自东向西移动，与大陆上干冷空气的交界面上θse等值线逐渐密集并向西移动的过程。8月30日08 时（图 8c），125°～130°E 为向西倾斜的锋区，锋区西侧为干冷空气活动区；东侧对流层中低层的偏东风从海上输送暖湿空气，整层大气表现为较高的假相当位温和较大的水汽含量，低层尤为明显（低层θse≥344 K，比湿≥12 g·kg-1），因此低层锋区最强。暖湿空气沿着倾斜锋区向上爬升，在图们站附近的上升运动显著加强，降水随之加强。之后锋区随着偏东风缓慢向西推进。31日08时（图8d），锋区向西移动并减弱，降水强度较前期弱（图2）。

自从Bennets et al[11]提出湿位涡概念以来，湿位涡就被广泛应用于各种尺度的研究中，特别是在台风暴雨等的研究中得到广泛应用。等压面上ζmpv的表达式可写成如下形式：

图7 8月30日08时高、低空急流（a，黑实线为高空急流，阴影为低空急流，箭矢为低空风场，散度为细等值线，单位：10-5s-1；经向风用阴影表示，单位：m·s-1）和v-w（w放大100倍）沿图们站（b，灰色实心圆为图们站）的纬向剖面

图 8 850 hPa 30 日 08 时（a）、31 日 08时（b）θse（实线，单位：K）、比湿（虚线，单位：g·kg-1）和30日 08时（c）、31日08时（d）v-w（w放大100倍）沿42.6°N的纬向剖面

ζmpv1和ζmpv2分别是是湿位涡的正压项和斜压项。图9是2016年8月30日08时和31日08时ζmpv沿42.6°N的垂直剖面图，发现中纬度系统与台风环流造成强降水时大气的稳定度和斜压性不同。2016年8月30日08时，ζmpv1正值中心从对流层高层沿着倾斜锋区向下传递到中低层，低层正湿位涡迅速增加，在850 hPa附近形成5 PVU的大值中心，垂直涡度在此处获得增长，有利于低层涡旋发展，使降水增幅。高层冷空气沿着锋区以正位涡柱的形式侵入低层，与锋区前对流不稳定的暖湿空气对峙，锋区加强，表现为强斜压性 ζmpv2＜0。130°E 附近，850～600 hPa，在线附近负值一侧的阴影区ζmpv＜0（图 9a，红色圆圈区域），表现为湿对称不稳定。湿对称不稳定区 ζmpv1＞0，ζmpv2＜0，即强斜压性是湿对称不稳定产生的主要原因。大暴雨区位于倾斜锋区附近，对流稳定，中层存在湿对称不稳定，有利于加强降水强度。

31日08时（图9b），锋区向西移动5个经距，强度减弱，台风移到吉林省，受台风活动影响，127°E以东（白山脉迎风坡），大气转为正压结构 ζmpv2＞0，对流层中低层600 hPa以下，大气对流不稳定，转为阵性降水。

4 结论与讨论

图 9 2016年 8月 30日 08时（a）和 31日 08时（b）沿 42.6°N 的ζmpv和纬向剖面

（1）鄂海东阻和朝鲜半岛附近低涡的存在，使狮子山移到中纬度西风带中转为西行路径。东北地区的强降水先后由西风带低涡和狮子山两个系统活动造成。在两个气旋逐渐接近过程中，狮子山东北侧的东南急流把海上的热量和水汽向低涡环流输送，在倒槽切变处辐合抬升，产生暴雨。

（2）东北地区东部一直处于高空急流核右后方的强辐散区，和低空急流核前方的强辐合区。高空辐散和低空辐合的耦合，再加上低空海上输送的暖湿气流的热力强迫，使得对应的低层大气产生了强烈的上升运动，从而产生暴雨天气。大暴雨区位于倾斜锋区附近，对流稳定，中层存在湿对称不稳定，有利于加强降水强度。

（3）地形对暴雨的增幅作用明显，地形有利于中尺度对流系统的发生发展。累积降水量超过100mm的站点基本都处于长白山脉或小兴安岭的迎风坡。

（4）台风在西风带40°N以北，转为西行路径，极为罕见。是什么原因导致了使中纬度低涡与台风发生相互作用的异常大尺度环流形势的稳定维持，还需要进一步研究。