2009 号台风“美莎克”登陆后长时间维持及给吉林省带来强降水的成因分析

2021-05-14蔡柠泽于文立王太然

气象灾害防御 2021年1期

蔡柠泽于文立王太然

（1.白山市气象局，吉林白山 134300；2.临江市气象局，吉林临江 134600）

1 引言

热带气旋（TC），是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋，是一种强大而深厚的热带天气系统。它的路径、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是气象学者研究的焦点。陈联寿等[1-2]指出，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重要因素。李英等[3]指出，TC 登陆后长久维持的主要原因有：TC低层正涡度衰减缓慢并保持一定强度；TC 高层不断从环境场斜压区获得正涡度的补充；从外界获得热量和水汽的补充以支持积云对流发展, 而反过来积云对流产生的热量又对TC 的维持有积极地反馈作用。

吉林省位于40°N 以北，虽北上能登陆吉林省的台风数量相对较少，但减弱后的气旋若与中纬度系统相互配合，也易引发大范围的暴雨天气。蒋尚成等[4]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，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，其呈现出明显的非对称特征。孙力等[5]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。

历史上在吉林省正面登陆且长时间维持的台风较为罕见，因此对台风“美莎克”登陆吉林省后长时间维持并造成大范围暴雨天气的原因进行诊断分析，对更准确地预报直接北上型台风给吉林省带来的大范围强降水天气具有重要的指示意义。此次降水持续时间较长，主要分为两个阶段：台风“美莎克”通过外围云系影响阶段；以及台风与长波槽相遇、相互作用而造成强降水阶段。本文主要分析台风与长波槽相互作用阶段双方热力结构、动力结构、水汽输送的特征，及其对吉林省强降水的影响。

2 台风路径及吉林省降水情况

台风“美莎克”于2020 年8 月28 日08 时生成于菲律宾以东洋面，位于17.2°N，130.8°E。生成后先西行，于29 日14 时转向偏北方向移动，并在9 月1 日05—22 时在浙江东部海面上加强为超强台风。 9 月3 日02 时以强台风等级在朝鲜半岛南部登陆。登陆后“美莎克”继续沿偏北路径穿过日本海，并于3 日11 时在朝鲜咸镜北道再次登陆，登陆时中心气压968hPa，移速为58km/h。 3 日14时进入我国境内吉林省延边州和龙市，强度减弱为热带风暴，中心气压为970hPa，移速为49km/h，之后移动方向转为西北，中心气压为972hPa。3 日20 时移出吉林省进入黑龙江省继续向西北移动，中心气压为975hPa。4 日08 时减弱为热带低压。5日20 时之后移出我国，之后低压环流填塞。“美莎克”从二次登陆到停止编号持续时间长达29h，穿越10 个纬度，是正面影响吉林省的生命史维持较长的一个热带气旋。吉林省降水从9 月2 日14 时开始到4 日05 时降水基本结束，共经历了39h。全省普遍出现大到暴雨，部分地方出现大暴雨。其中磐石解放南屯过程降水量达到220.6mm，最大小时雨强达57mm/h。

3 大尺度环流演变分析

3.1 200hPa 高空急流

“美莎克”登陆前，200hPa 高空急流轴型为经向槽前气旋弯曲型，走向为东北—西南向，这与罗亚丽等[6]的台风登陆形势下暴雨200hPa 高空有明显的NE—SW 向高空急流的研究结果相同。这类经向急流更利于斜压不稳定的维持。高空急流从9 月2 日14 时起逐渐加强北抬，影响吉林省，此时吉林省位于高空急流正下方；到3 日08 时急流轴北抬至黑龙江省北部，吉林省位于急流轴右侧气流辐散区，高空辐散引起上下层质量调整，形成变压风叠加在即将二次登陆的台风上空，也有利于台风登陆后的维持。

图1 2020 年9 月1 日20 时（a）、2 日20 时（b）、3 日08 时（c）、4 日02 时（d）500hPa 位势高度（黑色等值线，单位：10gpm）、温度（红色等值线，单位：℃）和风（风向杆，单位：m/s）

3.2 500hPa 环流场

图1 给出“美莎克”与西风槽相遇并逐渐合并为一个系统的过程中500hPa 位势高度场、风场和温度场的演变特征。从大尺度环流形势的配置来看，9 月1 日20 时（图1a），我国中高纬度地区为两脊一槽形势，内蒙古东部到华北一带为东北—西南向长波槽控制，长波槽中不断有冷空气南下补充，槽向南伸展；日本海一带为脊区，副高强盛，呈“Ω”形，脊线位于日本海海面上，在台风东部形成阻塞形势，东亚上空处于这种东高西低的经向环流形势之中，此时台风位于朝鲜半岛南部东海洋面上。之后副高不断加强北抬，到2 日20时（图1b）副高与大陆高压打通，强度明显加强，台风西侧长波槽则继续加深。台风受槽前西南气流和副高西侧偏南气流共同引导，向北移动。另外由地面形势方程得知：低压系统向负变压方向移动，此时长波槽与台风相互吸引、靠近。 3 日08 时（图1c）高空槽与台风开始合并为一个系统，形成一个大闭合环流，环流中心等温线密集，冷暖气团交汇，锋生明显。 4 日02 时（图1d）500hPa 台风暖中心消失，系统变为冷气团性质。

4 台风维持和降水分析

4.1 涡度特征

台风高层从环境场斜压区获得正涡度的补充是登陆后长久维持的主要原因之一[3]。分析“美莎克”两次登陆前后低压中心涡度纬向垂直剖面图（图2）。9 月2 日20 时（图2a），台风一次登陆前，台风呈明显的对称性结构，最大涡度中心位于850hPa 附近，为9.0×10-4s-1。3 日02 时（图2b），登陆后台风强度迅速减弱，低层最大涡度中心减弱为6.0×10-4s-1左右。之后台风重新入海，在3 日08 时（图2c），二次登陆前850hPa 涡度中心进一步减弱，而中层400hPa 左右涡度加强，出现一个5.0×10-4s-1左右的涡度大值中心，这是由于500hPa 长波槽与台风合并，槽前正涡度平流输送使得台风中层获得正涡度的补充。 3 日14 时，二次登陆后（图2d）台风深厚的对称性结构转为非对称结构，高层正涡度中心消失，低层正涡度中心减弱，正涡度区的伸展高度降低到300hPa 左右。在此后的24h 里（3 日14 时到4 日14 时），高层200—400hPa 的正涡度维持并略有加强，低层850hPa 正涡度中心先加强后减弱。 4 日20 时以后，正涡度在垂直方向上的伸展高度逐渐降低，强度明显减弱。

图2 2020 年9 月2 日20 时（a）、3 日02 时（b）、3 日08 时（c）、3 日14 时（d）、4 日02 时（e）、4 日14 时（f）台风中心涡度（单位：10-5s-1）纬向垂直剖面

4.2 水汽输送特征

台风可以从外界获得热量和水汽补充来支持积云对流的发展，而积云对流释放热量反过来又帮助台风维持暖心结构[7]。分析台风登陆前后850hPa 水汽通量及风矢量（图3），发现台风“美莎克”的水汽输送通道有3 条：一是气旋式环流外围西南气流引导的我国东海水汽；二是西太平洋上偏东气流通过10 号台风“海神”转为偏南气流对台风“美莎克”进行持续地远距离输送；三是东南气流引导的日本以西的日本海的水汽。台风二次登陆前（图3a），水汽输送为三条通道共同作用；9月3 日14 时台风二次登陆后（图3b），水汽输送为第二、第三条通道作用为主，此时与登陆前相比水汽输送呈明显的不对称结构，水汽通量大值中心由台风环流中心移向台风环流东北部，并逐渐远离台风环流，水汽输送明显减弱。这三条水汽通道给台风中心源源不断地注入暖湿空气，为积云对流的发展提供了动力和能量。活跃的积云对流导致的热量、水汽垂直输送以及凝结潜热释放使空气增温，高空增暖引起质量外流，形成明显的辐散气流。高空流出的加强使地面降压，有助于台风气旋性环流的维持，因此台风“美莎克”在登陆以后仍能得到长久的维持。

图3 2020 年9 月3 日02 时（a）、14 时（b）台风中心850 hPa 风场（矢量，单位：m/s）和水汽通量（彩色，单位：g·kg-1·m·s-1）分布

图4 2020 年9 月3 日08 时（a）、14 时（b）沿台风中心的水汽通量散度（彩色，单位：10-7g·hPa-1·cm-2·s-1）和垂直速度（等值线，单位：Pa/s）的垂直剖面

从台风中心水汽通量散度和垂直速度的纬向剖面（图4）可以看出，台风“美莎克”引起吉林省暴雨天气的水汽输送主要集中在低层。 9 月3 日08 时台风二次登陆前，台风低层500hPa 以下水汽辐合和垂直上升气流呈明显的倾斜和不对称特征，此时台风中心位于39.1°N，129.4°E，500hPa 强上升运动中心出现在台风中心西侧，水汽辐合也向西倾斜，这是由于500hPa 长波槽和台风开始合并。上升气流引导低层水汽自东向西、自下向上的向高层输送，台风以西外围较强的水汽辐合区达到700hPa 高度附近。 3 日14 时台风二次登陆后，台风与长波槽融合为一个系统，台风较小尺度的强垂直上升运动转为大范围向西倾斜的弱上升运动，有多个上升运动强中心。此时低层水汽辐合和高层水汽辐散区范围均变大，强度均变弱，这种低层水汽辐合高层水汽辐散配合较好的上升运动形势始终维持到4 日02 时左右。水汽随上升气流输送至中高层冷却凝结释放潜热，利于台风结构的维持，也利于吉林省降水的维持。

4.3 热力条件与锋生

图5 给出台风中心假相当位温和垂直环流的纬向剖面。在台风接近陆地和岛屿前，海上的台风具有明显的垂直暖心结构，暖中心对应强上升气流。此时中纬度长波槽位于内蒙古东部，正不断加深南压，冷槽控制地区为偏冷的下沉气流。此时台风和长波槽距离较远，维持着各自的热力结构。到9 月2 日14 时（图5a），中纬度长波槽已南伸至35°N 附近，此时台风“美莎克”中心位于31.7°N，127.0°E，此时台风暖气团和冷槽带来的冷空气相遇，600hPa 以下冷、暖气团相遇产生下沉气流，600hPa 以上冷、暖气团相遇在台风左侧产生较强的上升气流。 3 日08 时（图5b），在台风“美莎克”二次登陆前，台风暖心向西倾斜，暖空气沿冷空气向西爬升，台风斜升气流与高空槽带来的偏冷下沉气流在锋面处形成的闭合垂直环流，使高低层热量水汽交换，形成对流，对流释放的潜热又促进冷暖气团交汇处的锋生，吉林省降水加强。冷空气自低层进入台风环流，大气层结相对稳定，吉林省降水以连续性为主。到3 日14 时（图5c）台风“美莎克”进入我国境内时，台风结构进一步被破坏，此时台风与长波槽进一步合并，其中心附近上空暖气团和上升气流变得浅薄，中低层冷空气侵入暖气团中心，台风斜升气流与长波槽偏冷下沉气流在锋面处形成较大尺度的垂直环流。 4 日08 时（图5d）台风暖中心继续减弱，近地面变为下沉气流，锋区环流和能量场开始减弱，降水减弱。整个过程中，长波槽携带的冷空气缓慢持续地从低层侵入台风暖中心，直至台风完全变性。