热带气旋(Tropical cyclone, TC)的路径、强度、维持机制及相应的天气变化一直是气象研究的热点问题, 国内外不少极端暴雨记录都与TC活动有关, 因此对影响我国的TC及其引发的灾害一直作为人们关注的焦点, 气象学者对TC活动展开了广泛的研究, 取得一系列的成果。

台风登陆后维持并停滞、水汽源源不断输送、中低纬环流相互作用、中尺度系统影响及地形作用等, 是造成台风大暴雨的基本成因(陈联寿等, 1979)。持续性台风大暴雨多发生在高空辐散和低空辐合的叠加区, 由于高空辐散的抽吸作用, 使得登陆台风低压的垂直运动和低空的辐合运动加强(陈联寿等, 2002; Chen, 2001)。王鹏云等(1994)研究表明, 登陆台风在强度维持的情况下, 造成的大范围暴雨主要发生在高空急流入口区右侧的强辐散流场的下方, 且受地形、海岸线等下垫面的影响较大。登陆华东的台风大范围暴雨区往往出现在台风中心以北、东风与南北走向海岸和山脉的辐合以及台风倒槽区(陈联寿等, 2002; Chen, 2002)。胡春梅等(2005)根据登陆华南地区台风强度的变化将其分为突然增强和突然减弱两类, 突然增强类的台风一般位于副高的西南侧或南侧, 由于低空明显的西南气流卷入使得水汽输送充足, 使其带来的影响更大。许爱华等(2006)对台风“云娜”致浙江暴雨的过程分为台风环流本身作用, 以及台风残留低压与中纬度西风带共同作用两个阶段进行分析, 前者降水强度大且集中, 后者降水强度较小但范围更广。台风的数值模拟研究表明, 饱和湿度和大型水体有利于登陆热带气旋环流的维持和暴雨加强(陈联寿等, 2004; 李英等, 2005)。台风引发暴雨的地形敏感性试验发现, 地形作用会使得低层扰动增强, 产生中尺度对流涡旋(杨仁勇等, 2014; 梁军等, 2014)。

北上台风的数量虽然相对较少, 但配合中纬度系统的共同影响, 极其容易造成致灾性的大暴雨和强天气。研究表明, 北上台风导致的暴雨主要发生在台风与中纬度环流系统相互作用下的变性阶段(蒋尚成等, 1981), 随着台风结构逐渐从正压结构演变成温带气旋的斜压结构, 呈现出了明显的非对称特征(Harr et al, 2002; Klein et al, 2000, 2002)。北上台风变性后, 受外围冷空气的影响, 使得台风外围环流和倒槽降水大幅加强, 而冷空气入侵至台风中心附近时会使得降水幅度明显减小(钮学新等, 2005)。李英等(2013)分析了Winnie(9711)台风变性加强过程中的降水变化特征发现, 对流涡度矢量垂直分量反映了台风环流内中尺度锋区与风垂直切变的相互作用, 850 hPa上的大值区对强降水落区有较好的指示意义。孙力等(2015)对台风“布拉万”致东北暴雨过程进行数值模拟, 结果表明受中纬度西风槽带来的干冷空气影响, 台风登陆后的降水和环流结构具有明显的不对称性, 降水主要集中在台风中心西北侧的能量锋区附近。王承伟等(2017)对冷空气入侵“灿鸿”台风引发东北暴雨的分析表明, 冷空气自低层进入台风环流, 大气层结相对稳定, 降水以连续性为主, 对流较弱。而这与台风引发强对流暴雨不同, 台风“浣熊”致粤东大暴雨是冷空气由高层进入台风环流, 斜压位能增加, 伴随冷空气的下沉, 暖气流被迫上升, 导致位能强烈释放(程正泉等, 2014)。赵宇等(2016)对台风“海鸥”致山东暴雨的分析发现, 干冷空气使暖湿气流强迫斜升, 条件性对称不稳定的发展造成了暴雨的产生。

本文采用地面常规观测、探空资料、热带气旋最佳路径资料, 风云二号气象卫星资料, 以及NCEP/NCAR全球再分析资料, 对2016年8月29日至9月1日台风“狮子山”并入温带气旋过程中, 二者相互作用下引发的东北地区强降水进行分析。此次降水持续时间较长, 主要分为两个阶段:台风“狮子山”远距离通过外围环流间接影响阶段(温带气旋影响阶段), 以及台风并入温带气旋, 相互作用而造成强降水阶段(共同影响阶段), 文中重点分析共同影响阶段双方热、动力结构、水汽输送的特征, 及其对东北强降水的影响。

所使用的资料包括常规地面观测站资料, 探空资料, 以及中国气象局热带气旋最佳路径数据集中的台风路径, 中心气压和最大风速数据。另外, 为了分析台风和温带气旋的云系特征和降水带的关系, 使用了中国国家气象中心风云二号气象卫星遥感资料, 其空间水平分辨率为1°×1°, 时间分辨率为1 h。为了对台风和温带气旋相互作用下维持和发展的背景环流进行分析, 使用了美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的全球再分析资料, 其空间水平分辨率为1°×1°、时间分辨率为6 h, 为了分析引发东北地区强降水的机制, 使用了0.25°×0.25°高水平分辨率的全球再分析资料。文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1569号的中国地图制作, 底图无修改。

2016年第10号台风“狮子山”于8月20日02:00(北京时, 下同)在西北太平洋洋面上生成, 其中心位于日本东京偏南方约410 km的洋面上, 呈回旋状移动。8月29日17:00, 台风“狮子山”中心位于距离日本东京东南方向约510 km的西北太平洋洋面上(中心最大风速和最低气压分别为42 m·s^-1, 950 hPa, 下同)。8月30日17:00台风“狮子山”登陆日本本州(30 m·s^-1, 970 hPa), 30日20:00移入日本海(25 m·s^-1, 980 hPa), 向西北转偏西方向移动, 31日02:00台风中心位于海上(23 m·s^-1, 975 hPa), 随后移速逐渐加快, 31日07:50左右, 台风“狮子山”以热带风暴强度进入我国吉林省东部, 近中心最大风速18 m·s^-1, 中心最低气压975 hPa[图 1(a), (b)]。8月29日20:00至31日08:00温带气旋持续加强, 中心气压由990 hPa下降到979 hPa, 而台风“狮子山”自29日08:00强度持续衰减, 31日02:00在日本海上中心气压下降5 hPa, 台风“狮子山”与温带气旋中心逐渐靠近, 最终于31日14:00二者中心合并[图 1(a)]。

图 1(Fig. 1)

图 1 2016年台风“狮子山”6 h间隔路径(实心圆点线)和温带气旋移动路径(空心圆点线)(a)及台风“狮子山”中心气压和中心最大风速(b) Fig. 1 Track of typhoon Lionrock (line with solid circle), extratropical cyclone (line with hollow circle) (a) and its central pressures and central maximum wind speed (b) in 2016

受温带气旋和台风“狮子山”的共同影响, 8月29日傍晚至9月1日白天, 我国东北地区出现强风雨天气。吉林中东部、黑龙江东南部、辽宁东北部大雨到暴雨, 吉林东部局部大暴雨, 沿吉林、黑龙江东南部出现100 mm以上的强降雨带(图 2), 降水过程持续60 h, 持续时间长, 降雨量分布不均匀。

图 2(Fig. 2)

图 2 2016年8月29日20:00至9月1日08:00中国东北地区累计降水量分布(单位: mm) Fig. 2 The distribution of cumulative observed precipitations in Northeast China from 20:00 on 29 August to 08:00 on 1 September 2016.Uint: mm

图 3给出8月29-31日台风“狮子山”并入温带气旋过程中500 hPa位势高度场的演变特征。从大尺度环流形势的配置来看, 29-31日, 我国东北地区至日本海一带受副热带高压西侧的温带气旋控制, 随着副热带高压西北向发展, 其高压脊逐渐伸至鄂霍次克海, 东亚上空呈现明显经向环流形势, 台风“狮子山”沿副热带高压外围向西北方向移动, 逐渐靠近日本本州, 登陆前台风维持着相对独立的高空环流, 移出本州后, 受到低压系统的吸引及高空环流的引导, 台风“狮子山”向西北偏西方向移动, 8月30日20:00前后台风环流并入温带气旋环流中, 温带气旋发展, 随后二者中心继续靠近, 31日14:00左右, 中心完全重合, 合并后的温带气旋环流稳定控制着我国东北地区。

图 3(Fig. 3)

图 3 2016年8月29-31日台风“狮子山”并入温带气旋过程中500 hPa位势高度场分布(单位: dagpm) 黑色圆点为台风中心位置, 黑色点线为台风路径 Fig. 3 The distribution of 500 hPa geopotential height field during the integration of typhoon Lionrock into the extratropical cyclone from 29 to 31 August 2016.Unit: dagpm.The black dot represents Lionrock's center, and the black dotted line denotes the path of the typhoon

为了分析台风“狮子山”并入温带气旋过程中台风结构, 以及云带和雨带结构的变化特征, 从8月29日20:00至31日20:00 6 h一次的TBB资料和850 hPa风场(图 4)。可以看出, 8月29日20:00台风“狮子山”登陆日本本州前, 台风主体云系分布基本呈圆形, TBB强负值表示的对流云主要出现在台风周围偏南, 此时40^oN以北为发展中非对称的温带气旋云系, 偏北气流中存在块状对流云团影响东北地区东部[图 4(a)], 受其影响29日午后已经开始出现降水。伴随台风西北向移动靠近本州, 台风云系与温带气旋云系底部靠拢汇合, 形成台风伸向西北方向的混合云带[图 4(b)]。台风登陆至入海前后, 30日14:00(图略)和20:00[图 4(c)]较强的TBB负值区开始在台风环流北部发展, 混合云带有所加强, 转为东西走向, 这与副热带高压向西北伸进发展有关, 登陆期间台风强度减弱, 强对流云团出现在台风环流北部, 偏东气流使得涡旋云系中的对流云团南压发展, 对应主体雨带南压至东北地区东南部。此后, 台风东西向云带两端向南弯曲[图 4(d)], 入海后台风逐渐汇入到温带气旋云系主体中, 整个云带曲率加大形成环状的趋势, 云系发展, 强雨带向南扩展。8月31日08:00-20:00[图 4(e), (f)]形成成熟的趋于对称的云系, 台风“狮子山”与温带气旋合并后发展为一个成熟的温带气旋, 之后云系减弱, 降水减弱。

图 4(Fig. 4)

图 4 2016年8月29日20:00至31日20:00中国东北地区6 h一次的TBB(彩色区, 单位: ℃)和850 hPa风场(矢量, 单位: m·s-1)分布 Fig. 4 The distributions of TBB (color area, unit: ℃) and 850 hPa wind field (vector, unit: m·s-1) at 6 hours interval in Northeast China from 20:00 on 29 to 20:00 on 31 August 2016

总体来看, 台风“狮子山”并入温带气旋过程中云系结构变化明显, 由基本对称的热带涡旋云系演变为非对称的斜压云系, 最终并入到温带气旋中, 促使整体发展为一个成熟的温带气旋云系。我国东北地区主雨带呈现沿气旋式环流自北向南扩展。整个过程东北地区以积层混合云为主, 对流云的发展和较长的持续时间造成了东北地区较大的过程降水量。

环境风垂直切变对台风发展的影响存在很大的不确定性, 研究表明, 强的垂直风切变会抑制台风的形成和加强(Mcbride et al, 1981; Zehr, 2003), 但也有研究认为, 在一定的垂直风切变环境中, 反而更有利于台风的发展。徐明等(2009)通过统计研究发现, 当登陆台风很强时, 环境风垂直切变一般在9 m·s^-1以下, 但是也不会特别低。为了分析台风“狮子山”的动力结构和环境风特征, 从30日08:00到31日08:00的环境风速和风向的垂直切变(图 5)可以看出, 30日08:00台风登陆本州至再次入海前[图 5(a)], 环境风垂直切变一直维持在10 m·s^-1以下, 较小的垂直风切使得台风“狮子山”的暖心结构维持, 且风垂直切变矢量维持反气旋环流, 高空为辐散形势, 使台风在登陆期间强度不至于衰减过快。台风“狮子山”进入日本海后, 垂直风切变加强, 最高风速达到25 m·s^-1[图 5(b)], 偏东的垂直风切变矢量引导台风汇入到温带气旋环流当中。随后台风再次登陆, 中心与温带气旋逐渐合并, 环境风垂直切变迅速减小[图 5(c)]。分析表明, 台风“狮子山”与温带气旋相互作用过程中进入到强垂直风切变的环境, 这会使得台风涡旋环流在垂直方向上发生倾斜, 暖心结构被破坏, 向温带气旋特征转变。

图 5(Fig. 5)

图 5 2016年8月30日08:00至31日08:00中国东北地区200 hPa与850 hPa之间U风速垂直切变(等值线, 单位: m·s-1)和风矢量切变(矢量, 单位: m·s-1) 黑色圆点为台风中心位置, 黑色点线为台风路径 Fig. 5 U-wind vertical shear (contour, unit: m·s-1) and wind vector shear (vector, unit: m·s-1) between 200 hPa and 850 hPa in Northeast China from 08:00 on 30 to 08:00 on 31 August 2016.The black dot represents Lionrock's center, and the black dotted line denotes the path of the typhoon

为了分析台风“狮子山”垂直动力结构特征, 图 6给出高空急流和高、低层的水平散度分布。当台风上空为强辐散时, 二级环流的抽吸作用会加强低空的垂直运动, 同时加强低空的辐合作用, 从而有利于台风环流的维持和加强(余贞寿等, 2007; 颜玲等, 2017)。30日20:00台风“狮子山”再次入海[图 6(a)], 台风中心位于高空急流边缘, 低层850 hPa台风环流北侧和西侧为强水平辐合, 西侧辐合区进入到200 hPa高层强辐散区内, 并叠加于一个强中心下方, 台风中心以西动力加强, 呈现不对称发展和垂直向西倾斜。31日02:00[图 6(b)], 台风中心进入到高空急流内, 低层辐合加强, 有利于台风“狮子山”强度维持; 同时强辐合区位于高空偏东急流入口区右侧, 高低空急流在上升支环流圈内耦合, 温带气旋有正涡度平流输送, 广泛的高层辐散叠置于低层辐合上空, 有利于温带气旋的加强发展。31日08:00[图 6(c)]台风再次登陆, 高空辐散减弱, 主要位于东北地区上空, 台风与温带气旋合并后其中心附近仍然维持着较强的低层辐合。东北地区的强降水区始终与低层强辐合区一致, 低层辐合与高空辐散的配置及强度直接影响着降水分布、强度及持续时间。

图 6(Fig. 6)

图 6 2016年8月30日20:00至31日08:00中国东北地区200 hPa急流(矢量, 单位: m·s-1)和散度(彩色区, 单位: ×10-4 s-1)以及850 hPa散度(等值线, 单位: ×10-4 s-1)分布 黑色圆点为台风中心位置, 黑色点线为台风路径 Fig. 6 Distributions of jet (vector, unit: m·s-1) and divergence (color area, unit: ×10-4 s-1) at 200 hPa and divergence at 850 hPa (contour, unit: ×10-4 s-1) in Northeast China from 20:00 on 30 to 08:00 on 31 August 2016.The black dot represents Lionrock's center, and the black dotted line denotes the path of the typhoon

从低层850 hPa水汽通量和风矢量分布[图 7(a), (b)]可以看出, 受台风“狮子山”和温带气旋共同影响, 主要的水汽来源有两条:一条为东南气流引导的日本以东西北太平洋的水汽; 另一条为气旋式环流外围西南气流引导的我国东海及日本海南部的水汽。台风“狮子山”自靠近日本本州, 水汽输送呈现出不对称结构, 台风再次入海后, 受高空急流的影响这一特征更加明显, 30日20:00[图 7(a)]水汽通量大值区位于台风环流东北部, 31日02:00[图 7b]水汽通量大值逐渐远离台风环流, 对台风的水汽输送减弱, 合并过程温带气旋顶部的东北气流引导着东北地区的水汽输送。

图 7(Fig. 7)

图 7 2016年8月30-31日台风中心850 hPa风场(矢量, 单位: m·s-1)、水汽通量(彩色区, 单位: g·kg-1·m·s-1)分布(a, b)及沿41°N(c)和43°N(d)水汽通量散度(彩色区, 单位: ×10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)和垂直速度(等值线, 单位: Pa·s-1)垂直剖面 Fig. 7 Distributions of moisture flux (color area, unit: g·kg-1·m·s-1) and wind field (vector, unit: m·s-1) at 850 hPa (a, b), latitudinal-pressure sections of divergence of moisture flux (color area, unit: ×10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1) and vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) along 41°N (c) and 43°N (d) across typhoon center from 30 to 31 August 2016

从水汽通量散度和垂直速度的垂直剖面[图 7(c), (d)]可以看出, 台风“狮子山”和东北强降水的水汽主要来源于对流层中低层500 hPa以下, 明显的水汽输送集中在低层。30日20:00[图 7(c)], 台风外围水汽辐合和垂直上升气流呈现明显倾斜和不对称特征, 强垂直运动出现在台风中心西侧, 上升气流引导水汽向西倾斜对高层输送, 台风以西外围较强的水汽辐合区达到600 hPa附近; 此阶段我国东北上空的中低层有强的水汽辐合抬升, 水汽随上升气流输送至中高层冷却凝结使强降水维持。31日02:00[图 7(d)]台风“狮子山”再次入海后水平尺度减小, 使得台风中心附近水汽辐合及上升运动的水平尺度减小; 台风外围出现水汽辐散, 以西为下沉运动, 与上升气流形成明显的垂直环流圈, 且上升强于下沉, 这有利于暖心维持而不至于衰减过快(Braun, 2006); 此阶段低空东北急流对我国东北持续输送水汽, 从而维持着较强的低层水汽辐合和高层水汽辐散, 有利于强降水的持续并向南扩展。台风“狮子山”并入温带气旋过程中, 二者共同影响下水汽输送的水平、垂直分布以及水汽辐合区的变化对降水分布和强度有着重要的影响。

图 8给出经过台风中心假相当位温和垂直环流的纬向剖面。在台风登陆本州前, 台风和温带气旋维持着各自热力结构。台风中心具有明显的垂直暖心结构, 暖中心在600 hPa附近, 强度达360 K, 高空辐散对低层空气抽吸, 暖中心对应强上升气流; 此阶段温带气旋控制着东北地区, 偏冷的下沉气流控制东北地区南部(图略)。台风“狮子山”进入日本海后逐渐并入温带气旋[图 8(a)], 台风暖心垂直向西倾斜, 低层暖中心仍然对应较强的上升气流, 但中高层暖气团沿冷空气向西爬升, 携带暖空气与温带气旋偏暖气团相结合, 在冷暖气团交汇处加强锋生, 温带气旋加强, 东北地区降水加强, 主要是由锋区中激发的对流引起。31日08:00[图 8(b)], 台风与温带气旋进一步合并, 其中心附近上空暖气团和上升气流变得浅薄, 中低层有冷空气向暖气团侵入, 台风斜升气流与温带气旋偏冷下沉气流在锋面处形成较大尺度的垂直环流, 温带气旋的强度得到维持, 有利于东北地区的降水持续, 强降水范围加大。台风“狮子山”再次登陆后[图 8(c)], 中心与温带气旋逐渐重合, 台风的暖心结构消亡, 温带气旋热力特征减弱, 垂直环流减弱, 降水强度减弱、降水逐渐结束。

图 8(Fig. 8)

图 8 2016年8月31日02:00-20:00沿台风中心假相当位温(彩色区, 单位: K)和垂直环流[流线, u, w×(-10), 单位: m·s-1, Pa·s-1]的纬向垂直剖面 Fig. 8 Latitudinal-pressure sections of equivalent potential temperature (color area, unit: K) and vertical circulation [stream line, u, w×(-10), unit: m·s-1, Pa·s-1] across typhoon center from 02:00 to 20:00 on 31 August 2016

台风“狮子山”并入温带气旋过程, 垂直结构的明显倾斜和暖心结构的破坏受到强垂直风切变的影响, 但这不能完全解释环流内的降水落区, 而低层环流中活跃的冷暖平流, 对降水分布影响很大。图 9给出850 hPa风场、600 hPa与900 hPa等压面之间的厚度以及850 hPa温度平流分布, 厚度分布反映出对流发展程度, 配合风矢量反映出整个低层冷、暖平流的活动。30日20:00[图 9(a), (c)]台风“狮子山”再次入海, 受小股冷空气侵入和台风北移形成相对冷平流的共同影响, 台风暖中心较前期减弱, 冷、暖平流分布于环流南北两侧, 厚度场上形成北高南低, 反映出台风环流以北对流发展旺盛; 气旋环流中的暖平流向西推进, 东北地区降水出现在暖平流带里, 雨带相应的西进并向南扩展, 厚度梯度大值区南压, 强雨带也随之南压。31日02:00[图 9(b), (d)]台风“狮子山”暖心一定程度上维持, 偏东气流引导下继续向西建立广泛的暖平流带, 东北地区降水伴随暖平流带的南压向南扩展, 厚度梯度增大的区域, 降雨增强。当台风“狮子山”再次登陆继续并入温带气旋(图略), 偏北气流引导弱冷空气不断的从底层侵入, 受弱冷平流影响, 东北地区的降水逐渐减弱。台风并入温带气旋过程中, 降水主要发生在暖平带中, 强降水区与等厚度线密集带有着较好的对应, 对强降水具有直接的指示。

图 9(Fig. 9)

图 9 2016年8月30-31日850 hPa水平温度平流分布(a, b, 彩色区, 单位: ×10-5 ℃·s-1)及850 hPa风场(风羽, 单位: m·s-1)、600 hPa与900 hPa等压面之间的厚度(彩色区, 单位: gpm)(c, d) 实心方点表示6 h降水量大于等于20 mm的站点, 黑色圆点为台风中心位置, 黑色点线为台风路径 Fig. 9 Distributions of temperature advection at 850 hPa (a, b, color area, unit: ×10-5℃·s-1), wind field at 850 hPa (barb, unit: m·s-1) and thickness between 600 hPa and 900 hPa (color area, unit: gpm) (c, d).Solid square represents station that 6-hour cumulative precipitations ≥20 mm, the black dot represents Lionrock's center, and the black dotted line denote the path of the typhoon

为了进一步分析台风并入温带气旋过程中热、动力结构和水汽输送的变化对东北强降水的影响, 图 10给出累计降水量为100 mm以上强降水区(见图 1)的物理量随时间演变。从4个强降水站点[延吉(129.5°E, 42.87°N), 和龙(129.0°E, 42.53°N), 天池(128.08°E, 42.02°N), 梅河口(125.63°E, 42.53°N)]8月29日20:00至31日20:00 6 h降水的时间演变[图 10(a)]以及31日02:00-08:00 6 h降水的空间分布[图 10(b), 放大的强降水站点自北向南依次为延吉、和龙、天池, 梅河口位于最西向]可以看到, 降水时空分布不均匀, 强降水主要集中在东北地区东部, 降水自东向西发展。29日20:00各站点6 h降水均小于20 mm, 雨强较小, 随时间推移站点雨强明显增强, 呈现出两个峰值, 分别为30日08:00前后[延吉39 mm·(6h)^-1, 和龙35 mm·(6h)^-1, 天池25 mm·(6h)^-1]和30日20:00到31日02:00前后[和龙站增强为42 mm·(6h)^-1, 天池站增强为60 mm·(6h)^-1], 31日08:00天池站降水继续增强为77 mm·(6h)^-1, 同时降水向西南发展, 梅河口站由31日02:00的20 mm·(6h)^-1增加至40 mm·(6h)^-1。上述降水增强发展的特征与云图TBB分析中对流云团的发展特征一致。

图 10(Fig. 10)

图 10 2016年8月29日20:00至31日20:00 4个强降水区站点6 h降水量时间演变(a)及31日02:00-08:00 6 h降水分布(b, 单位: mm) Fig. 10 The distribution of 6-hour precipitation in heavy precipitation region from 20:00 on 29 to 20:00 on 31 August 2016 (a), and the precipitation distribution from 02:00 to 08:00 on 31 August 2016 (b, unit: mm)

从强降水区水平散度和垂直速度高度分布的时间演变, 以及温度平流、水汽通量散度和风场高度分布的时间演变(图 11)。可以看到, 自台风并入到温带气旋环流外围起, 强降水区开始受到高空急流的影响, 热、动力作用和水汽输送显著增强, 29日20:00前后, 850 hPa以下出现辐合中心(-2.0×10^-4 s^-1), 配合有较强的垂直上升运动, 同时存在弱的暖平流和水汽输送, 东北地区降水开始。30日08:00前后, 温带气旋偏东气流加强, 强降水区上空的暖平流输送加强(14×10^-5℃·s^-1), 中心位于850 hPa附近, 弱的冷平流(-2×10^-5℃·s^-1)叠加在暖平流之上, 高层辐散增强(1.6×10^-4 s^-1), 伴随有强的低层辐合和垂直上升运动, 对流降水开始增强。30日20:00至31日02:00前后, 台风“狮子山”再次入海进一步并入温带气旋, 温带气旋加强发展, 台风进入到强的垂直切变环境, 强降水区的高空急流增强, 并处于加强的气旋环流中心顶部, 动力和水汽输送的低层辐合明显加强(分别达到-2.5×10^-4 s^-1和-3.5×10^-7 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1以上), 高层辐散和垂直上升运动维持, 同时暖平流输送加强(20×10^-5 ℃·s^-1), 并且暖平流中心和水汽辐合中心层次下降到925 hPa, 低层水汽充沛, 使得抬升凝结高度较低, 暖云体的质心下降, 从而降水效率进一步增强。对比整个降水阶段物理量分布与强降水的关系, 发现强低层辐合、高层辐散, 促使强的垂直上升运动, 配合充沛水汽和强暖平流的输送, 对应着强降水的发生, 前者在时间上略提前, 对强降水具有很好的指示。结合探空资料的分析(图 12), 低层风向随高度顺转, 存在暖平流, 中层为弱的干冷平流, 伴随着对流降水的发生, 能量很快释放, 但低层加强的暖平流输送又使得对流有效位能得到补充, 且整个过程湿层条件较好, 大气层结条件有利于强降水的发生。另外, 小股干冷空气自高层向低层缓慢侵入, 浅薄冷空气逐渐将暖气团抬离地面, 下沉干冷空气缓慢占据降水区, 使得降水持续时间长、结束缓慢。降水具有持续性, 伴有较强对流降水的发生。台风并入温带气旋过程中, 相互作用下温带气旋加强发展, 带来了增强的动力、水汽和能量的输送, 是引起东北地区强降水的主要原因。值得提到的是, 天池站受到长白山迎风坡对降水的增幅作用明显, 在降水向西发展的过程中, 降水量明显增加, 这可能是由于地形作用使低层扰动增强, 有利于中尺度对流涡旋产生造成(杨仁勇等, 2014; 梁军等, 2014), 但地形对本次降水过程的影响仍需进一步研究。

图 11(Fig. 11)

图 11 2016年8月29-31日强降水区代表格点(129.50°E, 42.75°N, 和龙和延吉站附近)垂直速度(等值线, 单位:Pa·s-1)和水平散度(彩色区, 单位: ×10-4 s-1)(a), 以及水平温度平流(等值线, 单位: ×10-5℃·s-1)、水汽通量散度(彩色区, 单位: ×10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)和水平风场(矢量, 单位: m·s-1)(b)高度分布的时间演变 Fig. 11 time series of pressure distribution of vertical velocity (contour, unit: Pa·s-1) and divergence (color area, unit: ×10-4 s-1) (a), and the temperature advection (contour, unit: ×10-5℃·s-1), divergence of moisture flux (color area, unit: ×10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1) and wind vectors (vector, unit: m·s-1) (b) on the representative grid (129.50°E, 42.75°N, near Yanji and Helong stations)

图 12(Fig. 12)

图 12 2016年8月30日08:00延吉站的斜温-对数压力图 灰线为能量廓线; 左黑线为露点廓线; 右黑线为温度廓线 Fig. 12 Oblique temperature logarithmic pressure diagram of Yanji station at 08:00 on 30 August 2016.Gray line denote energy profile.Black line on the left and right denote dew point profile and the temperature profile, respectively

基于常规地面观测站资料、探空资料、卫星资料以及NCEP/NCAR高分辨率全球再分析资料, 对2016年第10号台风“狮子山”并入温带气旋过程中相互作用机制及引发的东北地区强降水机制进行分析, 着重分析了台风并入温带气旋过程中, 二者相互作用下热、动力结构、水汽输送变化等特征及对东北地区降水分布和强度的影响。得到主要结论如下:

(1) 台风“狮子山”并入温带气旋过程中, 由原来对称的热带涡旋云系, 发展为非对称斜压云系, 完全并入后, 最终演变为一个成熟的温带气旋云系。整体云系的西北侧沿气旋式环流有对流云团生成、发展和移动, 东北地区主雨带呈南压趋势, 且以积层混合云为主, 对流云的发展和较长的持续时间造成了东北地区较大的过程降水量。

(2) 台风“狮子山”与温带气旋相互作用, 再次入海时进入到强的风垂直切变环境, 高空为急流区, 具有强水平辐散。台风涡旋环流呈明显不对称性, 自低层向高层向西倾斜, 二级环流抽吸作用使得台风中心附近北侧和西侧低空辐合加强, 垂直运动加强; 同时高低空急流在高空急流入口区上升环流圈耦合, 对温带气旋有正涡度平流输送, 有利于温带气旋的加强发展。

(3) 台风“狮子山”并入温带气旋的过程, 双方的热力结构和水汽输送特征发生变化:台风暖心结构维持一段时间后遭遇破坏, 水汽输送呈现不对称和垂直向西倾斜结构, 逐渐远离台风环流; 温带气旋锋生发展, 暖湿气流沿锋面斜升, 同时触发对流的发展。

综合热力、动力和水汽输送物理机制的分析, 台风并入温带气旋过程中, 温带气旋明显发展, 台风“狮子山”中心强度有所维持而不至于过快衰减, 但其热力、动力性质发生显著变化。台风并入温带气旋过程中, 相互作用下温带气旋加强发展, 带来了增强的动力、水汽和能量的输送, 是引起东北地区强降水的主要原因。降水主要发生在暖平流带里, 厚度梯度大值区对强降水落区具有很好的直接指示, 强低层辐合、高层辐散, 促使强的垂直上升运动, 配合充沛水汽和强暖平流的输送, 对应着强降水的发生。弱的干冷空气自高层向低层缓慢侵入, 使得降水持续时间长、结束缓慢。降水总体具有持续性, 伴有较强对流降水的发生。另外, 迎风坡地形对降水的增幅作用明显, 但仍需进一步研究。