台风“温比亚”(1818)影响辽东半岛的预报分析

梁 军，冯呈呈，张胜军，刘晓初，张黎红，李婷婷

(1.辽宁省大连市气象台，辽宁 大连 116001；2.中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081)

引 言

1971—2017年辽东半岛全区性大暴雨大多由北上热带气旋(TC)与西风带冷空气相互作用变性所引发，占变性台风总数的50.0%[1-2]。这类台风暴雨通常出现在台风与西风槽相互作用过程中，在此过程中若有低空急流将水汽输送至中纬度槽前，则有利于TC的维持和大范围强降水的产生[3-6]；TC与西风槽相互作用，有的获得斜压能量变性加强(变性加强率为26.5%，略高于西北太平洋TC的变性加强率25.0%)，激发中尺度对流系统(MCS)，增加降水强度[7-10]，有的则快速填塞，降水持续时间较短；若有多个台风相互作用，台风路径、强度和降水受TC、副热带高压、西风带冷槽等多个系统影响，环境因素更为复杂[11-13]。台风变性的不同时期对所经地区降水产生的影响不同，即便路径相似、变性时期相同的台风所引发的降水也不尽相同[14-15]，因此北上TC与西风带系统相互作用下其路径、强度和降水的预报技术一直是预报业务中的难点。

2018年的1818号台风“温比亚”(Rumiba)于8月中旬北上影响辽东半岛，降水期间与西风带系统相互作用，变性加强，辽东半岛南部的大连地区从8月19日凌晨开始至20日20:00(北京时，下同)，全市平均降雨量达190.7 mm，突破了日平均降雨量历史极值，其中4个国家气象观测站日降水量突破该站有完整气象记录以来历史极值。此次强降水发生在多系统相互作用的复杂过程中，MCS非常活跃，不断有对流云团生成，造成该地区暴雨积累成灾，其变化规律和发生发展机理变得更为复杂[16]，加之模式预报的不确定性，更加剧了预报难度。本文利用中国气象局热带气旋年鉴、常规和非常规气象观测资料、FY-2G卫星的云顶亮温(TBB)和欧洲中期数值预报中心ERA-Interim全球再分析资料(水平分辨率0.125°×0.125°)，针对辽东半岛台风强降水过程，分析影响其路径、强度和降水的天气尺度环流背景及有利于中尺度对流系统发展的环境条件，以期为今后北上变性加强台风强降水业务预报提供参考。

1 台风概况和降水实况

1818号台风“温比亚”于2018年8月14日14:00在琉球群岛南部洋面上生成，生成后向西北方向移动，靠近杭州湾附近强度逐渐增强为强热带风暴，17日早晨在杭州湾北部登陆上海市(浦东新区南部沿海登陆)，强度减弱为热带风暴后继续向西北偏西方向移动，18日14:00在河南南部进一步减弱为热带低压并于19日早晨转向东北方向移动，20日早晨经黄河入海口进入渤海，加强为热带风暴后向东北偏东方向移动，20日夜间在朝鲜西北部海域消失[图1(a)]。

辽东半岛降水期间，“温比亚”由热带低压加强为热带风暴，台风中心海平面气压由19日20:00的998 hPa降至20日14:00的990 hPa[图1(b)]，近中心最大风速由13 m·s-1增至20 m·s-1。辽东半岛南部从8月19日凌晨开始至20日白天，普降大暴雨，局部特大暴雨[图1(a)]。大连市207个测站中，有21个测站出现特大暴雨(降雨量大于250 mm)，有181个测站出现大暴雨(降雨量为100～250 mm)，其余5站也现暴雨(雨量大于50 mm)。最大降雨量346.6 mm出现在大连南部旅顺的董砣子村(38.84°N，121.15°E)。此次大暴雨评估为一级暴雨灾害，属最严重级别。

图1 2018年8月19日08:00至20日20:00实况累计降水量(等值线，单位：mm)与台风“温比亚”路径(a)及台风影响辽东半岛期间“温比亚”的中心海平面气压和近中心最大风速变化(b)Fig.1 The observed rainfall (isolines, Unit: mm) from 08:00 BST 19 to 20:00 BST 20 August 2018 and the typhoon Rumiba moving track (a), sea level pressure of the typhoon center and maximum wind speed near the typhoon center with 6 h interval (b)

2 路径预报分析

国家气象中心基于GRAPES-MESO开发的中尺度区域台风模式(GRAPES-TYM)、欧洲中期天气预报中心高分辨率预报系统(ECMWF)、美国国家环境预报中心全球预报系统(GFS)模式预报产品对“温比亚”登陆后向西北偏西方向移动的路径预报基本一致，均预报了19日 “温比亚”由西北转向东北方向移动，但转向时间和转向点不尽相同(图略)。GRAPES-TYM模式预报转向时间(19日05:00)与实况一致，但转向点较实际位置偏北1个纬度，转向后向东北偏北方向移动(观测路径转向后向东北移动)；ECMWF模式预报转向时间、转向点与GRAPES-TYM模式相似，但转向后向东北方向移动，更接近观测路径；GFS模式预报转向时间比实际提前约3 h，转向点较实际位置偏东接近1个经度，转向后向东北偏东方向移动。造成“温比亚”在河南南部的转向点及转向后移动路径预报偏差的主要原因，一方面低估了西风槽和华北地区高压脊对台风西进的阻挡作用，另一方面低估了位于日本附近的副热带高压和东北地区高压对台风向北的引导作用。下面从环流背景对其进行具体分析，由于ECMWF模式预报产品更接近观测实况，所以以下分析均基于欧洲中期数值预报中心ERA-Interim全球再分析资料。

2.1 西风槽的影响

“温比亚”影响辽东半岛期间(图2)，东亚中高纬度两脊一槽的环流形势稳定维持，东部由于1819号台风“苏力”的托举作用，促使副高维持在日本海附近，其与东北地区的高压脊形成近南北向的高压带；贝加尔湖地区的高空槽区有弱冷空气东南移，逆时针卷入台风西侧，致使华北南部地区的高空槽发展加强、稳定维持，这种稳定的环流形势，既阻挡了“温比亚”的西进，又有利于其北上。

2.2 副热带高压和大陆高压的影响

随着1819号台风“苏力”的西北移，副高持续向西北扩展，“温比亚”登陆后继续西行，19日02:00，其中心纬度与副高脊线接近，台风停滞少动[图2(a)]，05:00台风中心越过副高脊线，台风开始转向；19日08:00至20日02:00[图2(b)、图2(c)]，大陆高压由青海东移至华北西部，阻挡了台风的继续西进，与此同时，发展的西风槽东侧与副高之间的偏南风气流加强，“温比亚”在加强的偏南气流引导下，快速向NNE方向移动；20日02:00后[图2(d)]，贝加尔湖地区高空槽区的弱冷空气继续向东南扩散至辽东半岛西北部，维持在东北地区的高压东移南落，引导气流由东北偏北风转为东北偏东风，台风在黄河入海口附近移入渤海向ENE移动，此间对辽东半岛产生影响。

图2 2018年8月19日02:00(a)和08:00(b)、20日02:00(c)和08:00(d)500 hPa位势高度场(实线，单位：gpm)和风矢量场(箭头，单位：m·s-1)(三角形为辽东半岛；圆点为台风中心，下同)Fig.2 The 500 hPa geopotential height (solid lines, Unit: gpm) and wind vector (arrows, Unit: m·s-1) fieldsat 02:00 BST 19 (a), 08:00 BST 19 (b), 02:00 BST 20 (c) and 08:00 BST 20 (d) August 2018(The triangles represent the Liaodong Peninsula and the dots indicate the typhoon center location，the same as below)

3 强度预报分析

各模式对台风登陆后的强度均预报登陆后快速衰减，进入渤海后增强，强度变化趋势预报接近实况，但登陆后实况强度缓慢减弱,入海后预报增强时间较实况延迟6 h左右，且强度较实况均偏弱，辽东半岛降水期间“温比亚”的中心海平面气压预报较实况高2～8 hPa。“温比亚”强度衰减缓慢和进入渤海后强度快速增强的原因与以下几个方面相关。

3.1 环境场的影响

“温比亚”影响辽东半岛期间，在对流层低层850 hPa上，其与日本海附近的副高及台风“苏力”之间形成的东南风低空急流[图3(a)、图3(b)]，将我国东部海域的水汽不断向北输送，“温比亚”获得持续的水汽输送而衰减缓慢。

与此同时，200 hPa西风槽前存在一支高空急流[图3(c)、图3(d)]，台风东北移动与中纬度高空槽靠近，20日08:00已移至急流轴南侧，高低空急流在高空急流入口区上升支环流圈内耦合，高层强辐散中心迭置在低层辐合中心上空，有利于“温比亚”的发展加强。

3.2 冷空气的影响

过台风中心的温度距平纬向垂直剖面(图4)显示，8月19日08:00台风中心上空至700 hPa已侵入冷空气[图4(a)]，暖中心在500 hPa以上，暖心结构随高度向东倾斜；台风中心附近342 K的冷中心与其东侧357 K的暖中心形成半暖半冷结构[图5(a)]，气旋性环流中假相当位温等值线密集，说明“温比亚”已变性。20日08:00，台风中心上空均为正的温度距平，700 hPa以下台风中心以东的温度明显高于其西侧[图4(b)]，形成东暖西冷的温度结构，斜压性增强，其低层环流内有围绕台风中心的环形锋带[图5(b)]，之后的6 h内，低层温度明显下降，高层增暖显著，斜压位能及潜热释放有利于台风低压的发展，台风西侧和东北侧冷暖锋特征明显，变性台风发展到最强。

图3 2018年8月19日08:00(a，c)与20日08:00(b，d)850 hPa风矢量(箭头，单位：m·s-1，阴影区水汽通量大于等于10 g·hPa-1·cm-1 ·s-1)和水汽通量散度场(等值线，单位：g·hPa-1·cm-2 ·s-1)(a，b)及 200 hPa风场(箭头，单位：m·s-1，阴影区风速大于等于25 m·s-1)、高度场(实线，单位：gpm)和散度场(虚线，单位：10-5 s-1，虚线散度大于等于1×10-5 s-1)(c，d) Fig.3 The 850 hPa wind vector (arrows, Unit: m·s-1, shaded areas for vapor flux equal to or greater than 10 g·hPa-1·cm-1 ·s-1) and vapor flux divergence field (lines, Unit: g·hPa-1·cm-2 ·s-1) (a，b), and the 200 hPa wind field (arrows, Unit: m·s-1, shaded areas for wind speed equal to or greater than 25 m·s-1) and geopotential height field (solid lines, Unit: gpm) and divergence field (dashed lines, Unit: 10-5 s-1, dashed lines for divergence equal to or greater than 1×10-5 s-1 ) (c，d) at 08:00 BST 19 (a, c) and 08:00 BST 20 (b, d) August 2018

图4 2018年8月19日08:00过台风中心33.3°N(a)和20日08:00过台风中心37.9°N(b)的温度距平(单位：℃)纬向垂直剖面Fig.4 Zonal profiles of temperature anomaly (Unit: °C) along 33.3°N at 08:00 BST 19 (a) and along 37.9°N at 08:00 BST 20 (b) August 2018

图5 2018年8月19日08:00(a)和20日08:00(b)850 hPa风场(风矢，单位：m·s-1)和假相当位温(实线，单位：K)Fig.5 The 850 hPa wind field (arrows, Unit: m·s-1) and pseudo-equivalent potential temperature (solid lines, Unit: K) at 08:00 BST 19 (a) and 08:00 BST 20 (b) August 2018

4 降水预报分析

台风降水是路径和强度的综合体现，路径和强度出现偏差，降水预报随之也有一定的偏差。下面基于三个模式的降水预报及实况24 h降水量，分析其降水的预报能力。

由8月19日20:00至20日20:00实况降水强度和分布(图6)可以看出，大暴雨及以上的强降水带有两条，一条在辽东半岛，一条在山东半岛西部。对辽东半岛强降水区，GRAPES-TYM的72 h预报出现漏报，48 h和24 h预报的降水明显加强，随着预报时效的临近模式降水预报向大调整，但辽东半岛南部的特大暴雨出现漏报；ECMWF模式对于大暴雨及以上量级的降水落区预报较实况偏西，48 h辽东半岛降水预报较72 h增强，但强降水中心均在渤海西岸，24 h预报辽东半岛大暴雨区域扩大，但特大暴雨区消失，降雨量临近调小，特大暴雨出现漏报；GFS模式预报的强降水范围较实况偏小，大暴雨及以上量级的降水落区预报较实况偏北，模式临近预报特大暴雨区消失，雨带略向南调。综合分析表明，GRAPES-TYM和ECMWF的预报最接近实况，特别是ECMWF的24 h预报，辽东半岛和山东半岛的2个强降水区均有较出色的表现。

图6 2018年8月19日20:00至20日20:00 实况累计降水及GRAPES模式、ECMWF模式、GFS模式72 h、48 h、24 h预报降水(单位：mm)Fig.6 The observed 24 h rainfall from 20:00 BST 19 to 20:00 BST 20 August and rainfall forecasted by GRAPES, ECMWF and GFS models for 72 h, 48 h and 24 h (Unit: mm)

各模式24 h均预报辽东半岛降水量在50～200 mm之间，而实况辽东半岛普降大暴雨，东部和南部特大暴雨，降水偏强的原因初步分析如下。

4.1 中尺度云团变化特征

分析TBB和850 hPa流场(图7)可以看出，8月19日08:00至20日02:00，“温比亚”由河南移至黄河入海口附近，其外围云系主要出现在台风北侧倒槽周围，受此降雨云带影响，辽东半岛出现小雨，最大雨量出现在大连南部的旅顺地区，最大雨强均不足10 mm·h-1，相应的雷达回波以稳定性降水为主(图略)；20日02:00后，“温比亚”向其西北部西风槽前云带靠近，槽后冷空气向东南偏东方向移动，台风东侧强暖湿空气与冷空气在其东北部汇合形成暖锋，暖锋带上不断有零散的、云顶亮温低于-50 ℃的中尺度对流云团生成合并，云体面积向四周扩散增大；20日05:00—17:00,辽东半岛南部普降大暴雨，最大小时降水量89.7 mm出现在大连金普新区的松木岛(39.4°N、121.74°E)，大部分地区持续短时强降水均历时4～6 h。

辽东半岛降水期间，较强的对流云团出现在“温比亚”东北部，云型为向东北伸展的盾状急流卷云，在变性台风发展最强时，其东段出现向南弯曲的强云带，但与典型的温带气旋云型不同，冷锋云带不明显。业务预报中对暖区内中尺度对流云团的强度及持续时间估计不足，降水极端性预报出现偏差。

图7 2018年8月19—20日FY-2G 低于-15 ℃的TBB(阴影,单位：℃)及850 hPa风场(风羽)和6 h累计雨量(单位：mm,等值线为雨量≥10 mm区域)分布(a)19日08:00,(b)19日20:00,(c)20日02:00，(d)20日08:00，(e)20日14:00,(f)20日20:00Fig.7 The distribution of TBB (≤-15 ℃) (shaded areas, Unit: ℃) from FY-2G, 850 hPa wind field (barbs) and 6-hour accumulated rainfall (Unit: mm, contours for rainfall equal to or greater than 10 mm) from 19 to 20 August 2018(a) 08:00 BST 19, (b) 20:00 BST 19, (c) 02:00 BST 20, (d) 08:00 BST 20, (e) 14:00 BST 20, (f) 20:00 BST 20

4.2 有利条件分析

前面分析表明，19日“温比亚”外围云系已影响辽东半岛，但该地降水不大。分析19日08:00—20:00的温度露点差(图8)可以看出，辽东半岛上空至850 hPa温度露点差(T-Td>4 ℃的空气为干空气)[17]在3 ℃左右，700 hPa及以上大气接近饱和，降水云系移至相对干冷的下垫面，不稳定度和动力抬升条件减弱，降水强度弱(回波强度在20～30 dBZ之间)。20日08:00，辽东半岛上空整层空气接近饱和，台风西侧700 hPa在西北气流引导下已有明显干侵入，台风北侧至辽东半岛之间边界层θe等值线逐渐密集[图9(a)]，斜压锋区向南倾斜，对流不稳定增大；与此同时，其上200～700 hPa之间向下伸展的暖舌与其北侧的冷空气形成的高空锋区也逐渐加强，叠加在低层锋区上，锋区上的抬升运动明显加强，其上18×10-5s-1的正涡度柱由700 hPa发展到400 hPa，且始终随高度向西北倾斜，有持续的正涡度输送，台风变性加强，上升运动在其正涡度柱的北侧靠近辽东半岛的区域发展，有利于该区域强降水的产生。20日20:00(图略)，台风气柱北侧的上升运动区东北移至朝鲜半岛西部海域，辽东半岛低层已为下沉气流控制，降水趋于停止。

分析辽东半岛(38°N—41°N、120°E—124°E)区域平均地面对流有效位能(CAPE)随时间的变化[图9(b)]可以看出，19日08:00—20:00，CAPE已被释放，辽东半岛已产生降水。20日02:00开始，CAPE再次积聚，08:00—14:00达到最大，20:00迅速减小，强降水主要发生在20日02:00后和20:00前。

4.3 降水落区与冷暖平流活动

上述分析表明，“温比亚”影响辽东半岛期间，强降水只出现在台风北部至辽东半岛之间相当位温等值线密集的锋区附近一定位置，这与台风低层环流中的冷暖平流密切相关[5,13,18]。

2018年8月20日02:00[图10(a)]，台风东部的暖平流向偏北方向移动，暖平流大值中心移至黄河入海口附近，暖平流西侧和北侧已有弱的冷平流，台风西侧和北侧冷暖平流汇合区的走向与冷锋和暖锋锋区分布基本吻合，沿着冷暖平流交汇处辐合上升运动加强，中尺度对流云团发展，山东半岛西北部已出现较强降水(阴影区)。随着台风的东北移和西风槽的靠近[图10(b)和图10(c)]，自台风西侧和北侧侵入的冷平流加强，辽东半岛附近的冷暖平流及辐合抬升均明显加强，中尺度对流云团西段由于西侧冷平流的加强而向南弯曲，台风北侧环状强对流云团维持在辽东半岛，半岛的强降水持续。至20日20:00(图略)，暖平流大值中心随台风东移至朝鲜半岛西部海域，辽东半岛低层已处于冷平流控制的下沉运动区，抑制了对流运动发展，环状云系西段逐渐松散，对流发展仅维持在云系东段，辽东半岛降水逐渐结束。

图8 2018年8月19日20:00(a，c)与20日08:00(b，d)700 hPa(a，b)及850 hPa(c，d)风场(箭头，单位：m·s-1)和温度露点差(等值线，单位：℃)Fig.8 The 700 hPa (a, b) and 850 hPa (c, d) wind fields (arrows, Unit: m·s-1) and the value of T-Td(contours, Unit: ℃) at 20:00 BST 19 (a, c) and 08:00 BST 20 (b, d) August 2018

图9 2018年8月20日08:00过台风中心(37.9°N,119.6°E)的相当位温(实线，单位：K)、风场(箭头，单位：m·s-1)和垂直涡度(阴影，单位：10-5 s-1)的经向垂直剖面(a)及辽东半岛(38°N—40°N、120°E—124°E)平均地面对流有效位能时间演变(横坐标上的粗线段为强降水时段)(b)Fig.9 The meridional vertical section of equivalent potential temperature (solid lines，Unit：K) , wind field (arrows, Unit: m·s-1, made by v and -100×ω) and vertical vorticity (shaded areas, Unit: 10-5 s-1) along the typhoon center (37.9°N,119.6°E) at 08:00 BST 20 August 2018 (a), the temporal variation of averaged surface convective available potential energy (CAPE) over the Liaodong Peninsula region (38°N-40°N, 120°E-124°E)(The thick line segment on the abscissa indicates the heavy rainfall period)(b)

图10 2018年8月20日02:00(a)、08:00(b)和14:00(c) 850 hPa风矢量场(箭头，单位：m·s-1)、温度平流(等值线，单位：10-3 K·s-1)和6 h累计雨量(阴影，单位：mm)Fig.10 The 850 hPa wind field (arrows, Unit: m·s-1), temperature advection (contours, Unit: 10-3 K·s-1) and 6-hour accumulated rainfall (shaded area，Unit：mm) at 02:00 BST (a), 08:00 BST (b) and 14:00 BST (c) on 20 August 2018

5 结 论

(1)“温比亚”预报的难点是登陆后转向点及转向后路径的预报，西风槽和大陆高压的东移阻挡了“温比亚”的西行；台风“苏力”的西北移，导致副高位置偏北，其与东北地区高压形成的高压带则有利于“温比亚”的北抬。

(2)“温比亚”和“苏力”2个台风与副高之间形成的东南风低空急流，提供了持续的水汽和能量，既有利于“温比亚”强度的维持，又诱发了辽东半岛强降水的持续发生。

(3)“温比亚”在变性过程中与西风槽以及低空急流相互作用有利于其北侧螺旋云系的发展。强降水落区与台风低层环流北侧辐合带内冷暖平流活动密切相关，冷暖平流交汇处的能量锋带对强降水有较好的指示作用。

(4)数值预报模式对转向点和转向后的路径预报存在较大分歧，除了参考集合预报产品外，还可采用相似预报手段，对比分析相似个例和误差小的数值预报模式的大尺度环境场，借助于数值预报产品和相似个例进行订正。