臺風“鲇魚”(1617)導致的江西持續性暴雨天氣過程成因

張娟娟，劉 波，張 瑛

1. 江西省氣候中心，江西 南昌 3300962. 江西省氣象臺，江西 南昌 330096

0 引 言

登陸以后的臺風會因摩擦耗損而趨于衰亡，但有的登陸臺風衰減后的剩余低壓在一定條件下會再度加強，造成比登陸時更為嚴重的災害。熱帶氣旋登陸后引發的暴雨是我國的主要氣象災害之一(陳聯壽和丁一匯，1979)。王瑾等(2007)對臺風“麥莎”登陸后暴雨落區分布進行診斷分析，探討臺風云系的非對稱結構及強雨區非對稱分布的形成原因。程正泉等(2005)研究表明，臺風登陸時在其前進方向右側的暴雨范圍及強度往往大于左側。若臺風登陸后能長時間與低空急流保持聯結，則對臺風殘渦維持和持續性強降水形成有利(李英等，2004；程正泉等，2009；郭達烽等，2013)。孫興池等(2009)對臺風暴雨個例分析表明，低空急流攜帶的暖濕平流導致低層增暖增濕而使得不穩定層結維持。也有研究指出當冷空氣入侵臺風西側使其獲得斜壓能量，有利于臺風低壓維持和降水增幅(許愛華等，2006；劉維鑫等，2016)。由此可見，登陸臺風暴雨的形成不僅涉及臺風路徑、強度、移速、本體結構，還與環境場條件、地形等諸多因素密不可分。因此,在日常預報業務中如何準確預報深入內陸臺風的暴雨，仍然是需要解決的技術難點。

2016年深入內陸進入江西的第17號臺風“鲇魚”，其中心在江西境內僅維持5 h，卻給江西多個地區帶來大暴雨，個別區域特大暴雨，3 h雨量接近100 mm，最大24 h雨量超過300 mm，災害造成嚴重的經濟損失。文中，利用常規地面觀測資料、衛星和雷達資料以及NCEP再分析資料，對臺風“鲇魚”在江西引發的持續性暴雨天氣過程進行分析，力圖揭示此次臺風暴雨過程的成因和機理，以期為登陸臺風暴雨預報提供參考。

1 臺風概況和風雨影響

2016年第17號臺風“鲇魚”于9月23日08時(北京時，下同)在西北太平洋上生成，26日08時其中心位于距離臺灣臺東市東偏南方向680 km海域，中心附近最大風力有14級(42 m/s，強臺風級)。27日14時在臺灣花蓮縣沿海登陸，28日04時40分前后在福建惠安縣沿海再次登陸，中心附近最大風力12級(33 m/s，臺風級)。28日夜間在福建龍巖境內減弱為熱帶低壓，29日02時前后進入江西境內，其風力進一步減弱，已很難確定環流中心，中央氣象臺于08時停止對其編號。

受臺風影響，從9月28日開始江西大部分地區出現暴雨，局部大暴雨，個別站點出現特大暴雨。暴雨范圍廣是此次天氣過程特點之一。此次降水天氣過程還可分為兩個階段：第一階段臺風本體降水(圖略)，28日08時—29日08時暴雨區主要位于江西省南部和中南部；第二階段臺風與冷空氣相結合降水，29日08時—30日08時暴雨區位于江西省西北部。此次臺風暴雨過程共導致江西省71個縣(市、區)的822個站點出現大暴雨，103個縣(市、區)的3 202個站點出現暴雨，其中宜黃縣和廬山市為整個暴雨過程的最大中心。過程雨量居前三位的分別是宜黃縣楊坊村223.5 mm、中堡村173.3 mm和廬山市小天茶池173.3 mm。楊坊村強降雨主要集中在28日至29日凌晨，此后降水明顯減弱。小天茶池強降雨分為兩個階段，第一階段28日晚上至29日凌晨，第二階段29日白天至夜間。兩站的小時雨強均不強，除小天茶池有2個時次的雨強超過20 mm/h以外，其他時次雨強均在20 mm/h以下，但是兩站雨強超過10 mm/h的時長則分別達9 h和14 h，可見強降雨持續時間較長。受臺風暴雨影響，江西省撫州市臨川區、宜黃縣以及南昌市新建區不同程度受災，特別是農業受到重創而損失嚴重。

受冷空氣和臺風共同影響，此次暴雨過程還伴有大風，8—9級大風持續時間長、范圍廣，時間為28日08時—29日20時，超過36 h(鄱陽湖地區)；29日08時廬山最大風速達到25 m/s，星子28日20時最大風速達到24 m/s。從江西省南部到北部平原河谷地區均出現大風，但主要集中在贛江沿岸和鄱陽湖周邊地區。另外，此次過程還伴有明顯降溫，江西省大部分地區29日最低溫度比28日下降了7—9 ℃，其中彭澤下降了14 ℃。

2 環流形勢與云系特征

分析28日08時(圖1a)至29日08時(圖1b)500 hPa高度層環流形勢發現，歐亞中高緯地區一直維持緯向環流，中西伯利亞地區至我國新疆北部有高原槽東移發展。低緯地區副熱帶高壓穩定維持在海上，其脊線位于30°—33°N。我國四川、貴州等地為大陸高壓控制。臺風處于大陸副熱帶高壓和西太平洋副熱帶高壓之間的鞍型場中，并沿西太平洋副熱帶高壓西南側的東南氣流逐漸往西北方向移動，其天氣系統配置整體穩定。因受地面冷空氣阻擋，臺風移動緩慢，移速為15—25 km/h。29日08時新疆北部高原槽東移，20時移至陜西、河南、湖北地區，同時“鲇魚”減弱后的臺風低壓繼續西行，其強度明顯減弱，兩者在江西省西部相互結合作用。

圖1 2016年9月28日08時(a)和29日08時(b)500 hPa層位勢高度場(單位:dagpm)Fig. 1 500-hPa geopotential height fields (unit:dagpm) at (a) 08:00 BT on 28th September, 2016 and (b) 08:00 BT on 29th September, 2016

28日凌晨臺風登陸時本體環流完整(圖略)，中低層輻合深厚，最高到達500 hPa層，這有利于上升運動的建立和維持。臺風中心附近的密閉云區仍然發展旺盛，受偏東氣流引導，云區內不斷有中尺度對流云團分裂并經過江西省中南部，造成大范圍暴雨；同時臺風北側倒槽一直延伸至長江中下游地區，江西省北部處于倒槽的輻合動力抬升區，倒槽后部有東北向、偏東向、東南向三支氣流交匯于江西省北部，三支氣流的大風速核均超過20 m/s。三支強氣流的交匯，一方面增強低層動力抬升強度，另一方面使得水汽往暴雨區上空源源不斷輸送，有利于臺風暴雨的增強。29日850 hPa層以上的低壓倒槽向西北方向移動，臺風本體環流減弱，倒槽內東北向和東南向兩支氣流的強度明顯減弱，其中后者風速為12 m/s?？梢娤噍^于28日，29日更有利的條件是500 hPa層低槽東移與臺風環流在江西省西北部相結合。28—29日副熱帶西風急流穩定位于35°—40°N，江西地區上空處于副熱帶西風急流入口區的右側。高空輻散的抽吸作用有利于維持深厚持久的上升運動，也有利于低層氣壓進一步降低，維持臺風強度，從而形成持久性降水。

在第一次登陸后，臺風“鲇魚”原來的完整對稱結構逐漸遭到破壞，但是，由于臺風東南側和東側的急流仍與暖濕洋面連接，因此低空急流仍可繼續向臺風進一步輸送暖濕空氣，這有利于臺風東南側、東側和東北側云團的發展(圖2a)。由于臺風進一步向內陸西北方向移動，臺風的對流云系逐漸往北推移，在此過程中其結構更加松散(圖2b、c)，但臺風中心附近的福建、江西交界處仍有強對流云團發展，云團逐漸西北行影響江西省東南部地區，其TBB中心值小于-60 ℃。上游福建地區仍有中尺度對流云團發展，在未來時間內也會影響江西省東南部，形成持續性降水。分析還發現，除了在臺風本體內有對流云團發展，在臺風北側的東北向、偏東向、東南向三支急流交匯區也有一條明顯的密閉云團發展，28日其TBB中心值小于-50 ℃。29日臺風環流進一步北移減弱，其北側的環流也北抬西行(圖2d)，其中的主要對流云團發展也進一步減弱，結構更為松散，對流云團主要影響江西省西北部，其TBB值小于-30 ℃。

圖2 2016年9月28日08時(a)、13時(b)、20時(c)、29日01時(d)TBB分布(單位：℃)Fig. 2 Distributions of TBB (unit:℃) at 08:00 BT (a), 13:00 BT (b) and 20:00 BT (c) on 28th September, 2016 and 01:00 BT on 29th (d) September, 2016

3 水汽分布及演變特征

分析850 hPa層水汽通量(圖3)和水汽通量散度(圖略)發現，雖然臺風已經登陸，但是水汽輸送通道仍然維持。臺風東側有水汽通量中心，水汽通道從水汽通量中心一直往南延伸至洋面上，形成一條水汽輸送帶。低層850 hPa自東海至暴雨區的水汽通量中心達64×10-5g/(cm·hPa·s)。在水汽通量中心左側存在水汽通量散度中心，其值達-18×10-7g/(cm2·hPa·s)。暴雨區附近有較強的水汽輸送和輻合，為強降水提供了充足的水汽。850 hPa層上有一支由偏南風和偏東風匯合而成的低空急流，其中心風速大于20 m/s，急流將海上的水汽和熱量源源不斷輸送至臺風暴雨區。

圖3 2016年9月28日08時(a)和20時(b)850 hPa層水汽通量分布(單位:g/(cm·hPa·s))Fig. 3 Vapor flux distributions (unit:g/(cm·hPa·s)) of 850 hPa layer at 08:00 BT (a) and 20:00 BT (b) on 28th September, 2016

分析寧都和廬山兩個暴雨中心的水汽通量散度時間-高度剖面(4a、b)可知，水汽輻合主要發生在600 hPa層以下的中低層。在暴雨發生前6 h，暴雨區上空已逐漸有水汽輻合區形成。寧都站從28日開始低層一直存在水汽通量輻合，至28日夜間水汽輻合逐漸增強，對應28日寧都站出現持續性強降水。29日凌晨，水汽通量散度大值區逐漸向上伸展至600 hPa層附近，在低層形成深厚的水汽輻合區。29日白天850 hPa層以下均為強的水汽輻合區，其中心強度達-12×10-7g/(cm2·hPa·s)。廬山站降水分為兩個階段，一是27日臺風倒槽附近的降水，低層有水汽輻合中心，持續時間不長；二是從28日夜間開始臺風環流與冷空氣相結合形成的強降水，700 hPa層以下為持續的強水汽輻合區，其中心強度達-6×10-7g/(cm2·hPa·s)，對應29日廬山站出現持續強降水。

圖4 寧都(a)、廬山(b)水汽通量散度的時間-高度剖面(單位:g/(cm2·hPa·s))Fig. 4 Time-height profiles of water vapor flux divergence (unit:g/(cm2·hPa·s)) at Ningdu (a) and Lushan (b)

4 臺風降水多尺度特征

4.1 第一階段臺風本體降水

4.1.1 臺風本體影響

分析臺風低壓維持期間28日14時渦度和垂直速度沿116°E的垂直剖面(圖5a)發現，28°N以南均為大范圍的正渦度區，渦度零線達150 hPa層，其中心值為24×10-6s-1。由此可知，28日臺風登陸以后，即使其強度減弱、環流逐漸被破壞，但中心附近仍維持上下層一致的垂直正渦度柱結構，臺風低壓仍然是大范圍的深厚系統，有強盛的旋轉和垂直上升運動。分析各時次中低層渦度場(圖略)發現，正渦度區主要位于臺風低壓中心以及臺風北側風向輻合帶，同時覆蓋浙江、福建、廣東東部、江西東南部等地區。28日江西省東南部上空的正渦度區與暴雨區分布較為一致。隨著臺風低壓的減弱，暴雨區上空正渦度中心的強度逐漸減弱。分析寧都單點垂直速度隨時間的分布(圖5b)發現，在江西強降水區上空27°N附近，從28日下午開始整層的持續而強有力的上升運動一直存在，其最大高度達200 hPa層。其中最強上升時段為28日夜間至29日上午，上升運動中心位于850 hPa層附近，對應于江西省東南部的強降水中心。

圖5 2016年9月28日14時渦度(等值線，單位：10-6 s-1)、垂直速度(陰影，單位Pa/s)沿116°E垂直剖面(a)和寧都單點10倍垂直速度的時間-高度剖面(b)Fig. 5 Vorticity (contour; unit:10-6 s-1) and vertical velocity (shadow; unit:Pa/s) along 116°E vertical section at 14:00 BT 28th September, 2016 (a), time-height section of 10 times vertical velocity at Ningdu (b)

4.1.2 對流層低層偏東氣流作用

分析地面形勢場(圖略)發現，27日高壓中心位于內蒙古，其強度為1 032.5 hPa，位于高壓底部的偏東氣流的風速為10 m/s左右。28日高壓中心逐漸東移南壓，強度為1 025 hPa，高壓底部的偏東氣流逐漸加強。隨著高壓中心繼續東移南壓，高壓中心與臺風低壓之間的氣壓梯度進一步增大，臺風底部的偏東氣流也隨之再度加強，風速達到28 m/s。分析850 hPa層流場和散度場(圖略)發現，28日臺風北側和東側各存在一支中心風速大于20 m/s的東北氣流和偏東氣流，這兩支氣流呈氣旋式旋轉并且逐漸匯合，在30°N附近形成氣流強輻合帶；在氣流交匯區附近為強的散度輻合中心。同時臺風高層存在明顯的偏東氣流與偏南氣流的風向、風速輻散區，正好對應于低層臺風中心偏北側的輻合帶，形成“高層輻散、低層輻合”的垂直耦合，有利于氣流垂直運動的加強，為暴雨天氣提供了動力條件。同時，在此垂直耦合區域云圖上存在東北—西南向發展的螺旋云帶(圖略)。

4.2 第二階段冷空氣與臺風形成穩定降水

何立富等(2006)研究指出，中緯度地區冷空氣從850 hPa層以下低層不斷侵入臺風低壓的北部，增強了其北側的東北氣流，與來自東部海面的東風氣流在臺風低壓北部形成匯合，造成大暴雨。另外李英等(2004)研究表明，臺風北側、西側的冷空氣與低壓環流結合有斜壓鋒生作用，有利于強降水維持或發展。

4.2.1 冷空氣作用

此次異常大暴雨過程同樣與低層冷空氣有關，雖然高空槽冷空氣主體位置偏北，但從溫度平流沿115°E的垂直剖面(圖6a)來看，從28日早晨開始，中低層700 hPa以下一直到邊界層1 000 hPa都有冷平流逐漸南下至長江流域，冷平流輸送最強在900 hPa層附近，在30°—32°N附近形成冷堆，冷平流中心強度達-26 K/s。至29日上午(圖6b)，25°—30°N地區中低層以下700—1 000 hPa層暖平流輸送同樣明顯，而最強暖平流出現在850 hPa層，其中心強度達28 K/s。冷、暖平流交匯在30°N附近，從28日凌晨至29日下午(圖略)形成長達36h的對峙，冷空氣侵入暖濕氣流底部，形成冷墊，使得臺風低壓的暖濕氣流在冷空氣之上滑行，兩者相互作用，增強了大氣的斜壓性和低層輻合動力抬升作用。

圖6 2016年9月28日08時(a)、29日08時(b)溫度平流(單位:K/s)沿115°E的垂直剖面Fig. 6 Temperature advections (unit:K/s) along 115°E vertical section at 08:00 BT on 28th September, 2016 (a) and 29th September, 2016 (b), respectively

同時，分析28日925 hPa層流場(圖略)發現，華北低槽引導冷空氣從低層南壓至長江中下游一帶。南壓的冷高壓與臺風低壓之間的氣壓梯度明顯增大，導致臺風北側的偏東氣流明顯加強，形成了風速為20 m/s左右的東北向急流。這支急流與臺風低壓東部的東南氣流和偏東氣流在暴雨區附近上空交匯，一方面使得臺風北部的動力輻合和上升運動得以加強和維持，另一方面將東部洋面上的水汽持續不斷地輸送至暴雨區上空，形成臺風北側暴雨區的水汽輸通道，兩方面的作用使得江西省北部地區暴雨顯著加強。

4.2.2 冷空氣、熱帶低壓相互作用的鋒生過程

第4.2.1節分析表明，此次異常大暴雨過程與低層冷空氣有關，冷空氣侵入暖濕氣流底部而形成冷墊，使得臺風低壓中的暖濕氣流在冷空氣上抬升輻合。

分析28日白天低層850 hPa層的θse水平分布(圖7)發現，08時鋒面位于32°N以北地區，從廣東至福建上空存在一個南北向分布的θse高值區，不穩定能量被源源不斷從海上輸送到大陸，使得高能舌在28日暴雨過程期間持續存在，暴雨區位于高能舌的頂端。江淮流域以北為θse低值區，28日夜間隨著冷空氣的不斷南移。冷空氣從湖北、湖南沿中路南下形成θse低值區，尤其在湖北、湖南、江西三省交界處形成θse低值中心，其強度為330 K。隨著冷空氣鋒區南壓，在臺風西側的江西省上空θse明顯增強且梯度增大，尤其是江西省西北部冷暖空氣交匯區鋒生作用明顯，鋒生加強觸發降水的再度加強發展，對應29日廬山出現強降水。

圖7 2016年9月28日08時(a)、29日02時(b)850 hPa層θse分布(單位：℃)Fig. 7 The θse distributions of 850 hPa layer at 08:00 BT on 28th September, 2016 (a) and 02:00 BT (b) on 29th September, 2016 (units:℃), respectively

分析θse沿115°E的垂直剖面(圖略)發現，28日08時鋒面位于32°N以北，江西上空基本為暖濕空氣控制，26°—28°N區域上空600 hPa層有大于344 K的高值區，同時在400—500 hPa層內有干冷空氣向南擴展，并且逐漸向低層擴散，此時暴雨出現在弱的對流不穩定區。29日凌晨，在邊界層內冷空氣南下，主體鋒區位于30°—32°N，而在鋒區南側28°—30°N之間區域θse梯度增大。能量鋒區的加強，一方面使得臺風低壓的不穩定能量得到進一步釋放，另一方面也使得低層的動力抬升作用增強。

4.3 高低空急流的相互作用

強降水期間，隨著高空槽東移，江西地區上空一直處于副熱帶西風急流入口區的右側，反映在云圖上呈反氣旋彎曲的急流邊界十分清晰，表明高空急流增強，入口區的輻散也增強。江西省北部還存在明顯的偏東氣流與偏南氣流的風向輻散(圖略)，高空輻散的抽吸作用有利于維持深厚持久的上升運動，并且也有利于低層減壓，維持臺風強度，從而造成持久降水。同時從850 hPa層風速大于12 m/s的偏東風急流區演變來看，隨著臺風逐漸向西北方向行進，偏東氣流的12 m/s以上大風速區也逐漸西傳。江西省中北部處于高空急流右側的輻散區，低空急流核西傳，江西省中北部處于低空急流的頂端，“低層輻合、高空輻散”的上下層配置激發了對流天氣的發展。同時低空急流的西傳，使得洋面上的暖濕空氣輸送增強，進而低層的位勢不穩定能量增加。強降水出現在高空急流核右后方強輻散區和低空急流核前側強輻合區。

4.4 地形作用

陳瑞閃(2002)研究指出，地形引起降水增幅主要取決于兩個因素:一是低層風速，風速愈大地形對降水的增幅作用愈強；二是氣流的暖濕程度，氣流愈暖愈濕，地形對降水的增幅作用愈明顯。當臺風趨近陸地時，因地形影響臺風前部的低空輻合加強。臺風登陸后，受山脈影響經常會在臺風右前方出現強烈天氣。在“鲇魚”登陸進入江西后的本體降水階段，28日08時沿暴雨中心25°N合成的緯向環流垂直剖面(圖8a)顯示，臺風偏東氣流在山脈處被明顯抬升，在116°E附近邊界層至低層出現氣旋輻合中心，與之對應的寧都出現強降水中心。29日02時臺風進一步往西北方向移動，結合廬山地形分析此時緯向環流垂直剖面(圖8b)發現，廬山西部為高山，東部為平原，強盛的東南暖濕氣流經平原輸送至山區，受地形脅迫而抬升，因此處于山前迎風坡的廬山產生此次暴雨過程中最強降水。再者，江西省北部的強偏東氣流和南部的強東南氣流與山脈走向存在較大的交角，這進一步加劇水汽的地形輻合。由此可知，地形對此次臺風暴雨增幅也有一定貢獻。

圖8 2016年9月28日08時(a)、29日02時(b)水平風速和10倍垂直速度合成環流分別沿25°N和29°N的垂直剖面Fig. 8 Horizontal wind speed and 10 times vertical speed combined circulation along the vertical section of 25°N at 08:00 BT on 28th September, 2016 (a), and 29°N at 09:00 BT on 29th September, 2016 (b)

5 小 結

利用常規地面觀測、衛星、雷達資料以及NCEP再分析資料，分析了臺風“鲇魚”在江西引起的持續性暴雨天氣過程的成因和機理，發現：

1) 臺風在西行過程中天氣系統穩定維持，臺風移動非常緩慢，持續的天氣尺度動力抬升有利于一定雨強的穩定性降水維持，這是在江西產生區域性暴雨、局部大暴雨天氣原因之一。另一方面則是由于臺風系統與冷空氣相互作用，延長了強降水時間，也使得降水再度增強。

2) 臺風登陸后水汽輸送通道仍然維持，主要存在于中低層的水汽輸送帶為強降水發生提供充足的水汽和熱力條件。水汽通量中心和水汽輻合區對強降水落區具有一定的指示意義。

3) 登陸以后臺風強度減弱，但仍維持大范圍的正渦度區，且主要位于臺風低壓中心和臺風北側風向輻合帶。正渦度區中心附近中尺度對流云團的生成發展，形成持續性強降水。臺風北側的偏東氣流的氣旋式旋轉、匯合而形成的氣流強輻合帶，與臺風高層氣流輻散區共同形成高低層的垂直耦合，增強了天氣系統的動力抬升。

4) 低層冷空氣侵入臺風低壓北部，與臺風暖濕氣流形成長時間對峙。冷空氣與臺風環流間的相互作用，增強大氣斜壓性和低層輻合動力抬升作用，有利于強降水的維持和發展。

5) 臺風影響期間，江西省北部風向與山脈走向存在較大的交角，加劇了水汽的地形輻合，地形對降水的增幅作用明顯。