环渤海地区热带气旋远距离降水的统计分析与数值模拟

邢 蕊，易笑园，朱月佳，冯呈呈，王庆元，马建铭

(1.天津市滨海新区气象局，天津 300457；2.天津市气象台，天津 300074；3.安徽省气象台，合肥 230031；4.大连市气象台，辽宁 大连 116000；5.天津海洋中心气象台，天津 300074)

引 言

热带气旋(Tropical Cyclone,简称TC)是生成于温暖洋面上的强烈的气旋性涡旋，并与复杂的环境场[1-2]、中纬度系统[3-6]、副热带高压等[7-8]发生相互作用，往往伴随着暴雨、风暴潮等灾害性天气。气象学者针对TC开展了多方面的研究，并取得了诸多成果[9-14]。TC除了环流本身所带来的暴雨以外，在其闭合环流之外的上千千米的地区也可触发较强烈的降水，即热带气旋远距离降水[15-16](Tropical Cyclone Remote Precipitation，简称TRP)。丛春华[16]、Cote[17]、丁治英[18]等分别给出了热带气旋远距离降水的定义，指出远距离降水发生在TC闭合环流之外，与TC间存在着内在联系，并给出了一些定量化的标准。关于TRP的研究已取得了很多成果。例如蒋尚城[19]概括了远距离TC与西风槽相互作用在北方产生的大暴雨过程，重点指出了TC与副高之间的东南低空急流的特征和作用。其他研究也指出低层与TC相联系的低空急流由TC沿副高边缘转向并指向远距离降水，起到了向降水区输送能量和水汽的作用[20-22]。除此之外，TC还可以激发大气波动向中纬度地区远距离传播，从而对中纬度地区的天气系统产生影响[23-24]。丛春华等[16]给出了关于热带气旋远距离降水的概念模型，并分别指出了TC、副高、中纬度天气系统及地形在TRP中的作用。另外，丛春华等[25]曾对远距离降水进行了系统的研究，通过统计分析发现环渤海地区和川陕交界处为中国热带气旋远距离暴雨高发区，并分别针对这两个远距离暴雨高频区进行了有、无远距离暴雨时的合成分析，对比了二者在水汽输送，天气形势等方面的不同。杨晓霞等[26]针对山东省热带气旋远距离暴雨进行了研究，选取两组在山东有、无远距离暴雨的热带气旋进行环流场合成，并指出了山东省有、无远距离暴雨时天气形势等的不同特征。

本研究则在前人研究的基础上，针对远距离降水高频区之一的环渤海地区，研究TRP的基本特征及TC、副高与中纬度降水系统之间的联系。

1 资料与方法

将环渤海地区35°-45°N、110°-125°E作为热带气旋远距离降水的研究区域。选取研究个例的标准如下：(1)降水发生在TC环流之外；(2)在 850 hPa水汽通量分布图上，降水区与TC之间有一条明显的水汽通道(水汽通量在850 hPa 以下≥5 g/(s·hPa·cm))；(3)沿水汽通道需有产生降水的中纬度天气系统配合；(4)降水持续时间至少为6 h，累积降水量至少为20 mm。

另外，本文采用WRF-ARW3.3.1进行热带气旋远距离降水的数值模拟试验研究。

所用到的主要资料包括由美国国家大气研究中心和美国国家环境预报中心(NCEP)提供的FNL(Final Operational Global Analysis)全球分析资料(水平分辨率为1°×1°，时间间隔为6 h)，TRMM热带降雨测量卫星的资料，中国气象局上海台风研究所(CMA/STI)热带气旋最佳路径资料，以及东京区域台风中心的热带气旋最佳路径数据集(RSMC-TOYKO资料)。

2 统计分析

2.1 环渤海地区热带气旋远距离降水的特征

对中国气象局上海台风研究所热带气旋最佳路径资料(CMA/STI)中TC信息统计发现，西北太平洋地区2005-2015年间的6-9月有编号的TC共155个，其中在环渤海地区产生远距离降水的TC个数为20个，占TC总数的12.9%，发生概率较低。

与这20个TC过程相关的远距离降水过程共有27次，其月际分布特征见表1，其中，7、8月发生远距离降水的次数最多，占总数的85.2%。

表2为2005-2015年每年远距离降水过程出现的频次。从表2中可见，远距离降水的发生具有显著的年际变化特征。其中，2010年至2013年远距离降水的发生较为集中，2014、2015年无远距离降水。远距离降水的年际分布特征与TC的年际分布之间并无明显的相关关系，6-9月TC较多的年份并不与远距离降水发生较多的年份一致(表略)。另外，发生在目标区域中远距离降水的尺度基本为上百千米的中尺度降水，6 h累积雨量最大为100～120 mm，最小为20～30 mm。

表2 2005-2015年每年远距离降水过程出现频次

2.2 产生远距离降水的热带气旋特征

2.2.1 远距离降水与热带气旋强度的关系

为了便于统计与合成，揭示环渤海地区远距离降水的基本特征及建立其相关的概念模型，将这27次远距离降水过程按每间隔6 h记为一次远距离降水事件进行划分，样本数据中的远距离降水事件共计78次。对产生远距离降水时相应的TC强度进行统计分析发现，各强度级别的TC均可引发远距离降水。其中，热带风暴和强热带风暴级别的共占57.7%(见表3)。而引发远距离降水的TC的最大强度从热带风暴到超强台风均有(见表4)，其中70.0%在台风及以上级别。可见在有利的大气背景下，任何强度级别的TC均可引发远距离降水。

表3 产生远距离降水时刻热带气旋强度分布

表4 引发远距离降水的热带气旋最大强度分布

2.2.2 产生远距离降水时热带气旋中心位置分布

远距离降水发生时，TC主要集中在台湾岛附近的海域，区域范围大致为15°-30°N，105°-130°E(图略)，且TC中心的位置基本与远距离降水呈准南北向的分布。根据远距离降水时850 hPa的不同环流形势，可分为4种类型。分型标准为：(1)远距离降水发生在 850 hPa中纬度的低涡中，且低涡尺度较小；(2)远距离降水发生在850 hPa副高脊线南侧副高边缘地区；(3)远距离降水发生在850 hPa低涡底部及副高北部边缘，且低涡尺度较大；(4)远距离降水发生在850 hPa副高脊线北侧副高西北边缘地区。将4种类型分别进行合成，并根据850 hPa环流形势的主要特征，将这4种类型分别命名为低涡型、副高脊线南部边缘型、低涡底部型和副高脊线北部边缘型。另外，这4种不同类型的远距离降水对应TC位置的分布也具有一定的差异(如图1所示)：(1)对应第一种类型的远距离降水，TC主要位于台湾岛以南、菲律宾以北的南海海域；(2)第二种类型的远距离降水，TC主要位于台湾岛东侧的西太平洋上；(3)第三种类型中，TC的分布较为分散，在南海、西太平洋及东海海域均有一定的分布；(4)第四种类型中，TC主要分布在台湾岛周围的海域。

图1 远距离降水发生区域与4种类型(a、b、c、d)相应的热带气旋中心位置分布

2.2.3 产生远距离降水的热带气旋路径特征

将这27次远距离降水过程的TC路径进行1.0°×1.0°经纬度网格插值，得出相应的TC路径频次分布图(图2)。由图2可见，发源于我国台湾省和菲律宾以东洋面向西北方向移动的TC路径是主导路径，约占TC总数的50.0%左右；其次是偏西路径，约占总数的25.0%；偏北路径和其他转折类的路径占25.0%。另外，统计分析发现，这些TC的移动速度一般在10～30 km/h的范围以内。

图2 所有产生远距离降水的热带气旋路径频次分布

2.3 引起远距离降水的中纬度天气系统的特征

对2005-2015年间发生远距离降水时的中纬度天气系统进行统计分析发现，925-500 hPa均有低值系统活动并引发降水。其中，远距离降水均位于500 hPa西风槽前；925-700 hPa的影响系统多数为切变线、倒槽或低涡；地面则主要受冷锋、倒槽、气旋、辐合线或副高边缘偏南气流的影响。当TC携带的热量与水汽输送到达中纬度地区时，中纬度地区不稳定层结得到加强和发展，TC外围环流与中纬度系统相遇时，易触发中纬度地区不稳定能量的释放，产生暴雨天气[27]。

3 合成分析

3.1 天气形势及水汽通量的合成分析

根据前面的分析，远距离降水可以分为4种类型，合成后分别命名为低涡型(11.6%)、副高脊线南部边缘型(12.8%)、低涡底部型(34.6%)和副高脊线北部边缘型(41.0%)。所采用的合成方法如下：以台风中心为中心点，取东南西北各45个格点，将各类型中远距离降水个例的所有时次进行合成，合成范围为91×91个格点，水平分辨率为1°×1°。值得注意的是，由于各时次合成范围的经纬度信息不同，合成时将各自的经纬度信息忽略，得到图3，台风中心的坐标为(0,0)，坐标值代表距离台风中心的经纬度。

图3中，第一种类型为低涡型(图3a1、3b1)。在850 hPa(图3a1)，副高主体位置偏东，台风位于副热带高压的西南侧，引起远距离降水的中纬度低涡位于副高的西北侧，低涡尺度较小，低涡与台风中心基本位于同一经度上，呈准南北向的分布。在500 hPa(图3b1)，远距离降水位于浅槽前部，台风与影响槽之间有高压坝阻挡。从水汽通量场来看(图4a)，TC西南有一条准东西向的条状水汽输送带，将大量水汽源源不断地输送到TC中。除此以外，TC东侧副高边缘还有一条较为宽广的偏东风水汽输送带。这两条水汽输送带汇聚在TC中，由TC东北方向与副高间的东南风急流向北转向输送至中纬度的远距离降水区中。由于东南风急流的水汽输送带较其他三类更为宽广，因此远距离降水区的水汽通量比其他3类更显著，造成的降水也较其他3类的强。

第二种类型为副高脊线南部边缘型(图3a2、3b2)。该类型中副高脊线呈西北-东南向的分布形势，远距离降水发生在副高脊线以南、TC环流之外的西北侧，与TC的距离较近。在500 hPa，远距离降水发生在槽前(图3b2)，影响槽的范围较为宽广，强度比第一种类型的强。从水汽通量场来看(图4b)，台风西南侧的水汽输送带与第一种类型的较为类似，但副高南侧边缘的偏东风水汽输送带较第一种类型的弱，远距离降水位于台风西北侧水汽通量矢量辐合区及水汽通量梯度大值区内。

第三种类型为低涡底部型(图3a3、3b3)。远距离降水位于850 hPa副高边缘低涡的底部(图3a3)，低涡的尺度比第一种类型的明显偏大，中心位置也较为偏北，而副高和台风的相对位置分布则与第一种类型的类似。由图3(b3)可知，远距离降水仍位于500 hPa槽前，与第一种类型相比，槽区更为浅薄。在水汽通量场上(图4c)，TC西南侧准东西向的水汽输送带与前两种类型相似。除此以外，TC东侧还有一条来自副高南侧边缘的偏东风水汽输送带，但强度较弱，来自TC的水汽输送带沿副高边缘向北转向，并将水汽向中高纬度输送到远距离降水区。

第四种类型为副高脊线北部边缘型(图3a4、3b4)。远距离降水位于850 hPa副高西北侧边缘、副高脊线以北(图3a4)。台风位于副高西南侧。与前3种类型相比，台风所在经度范围内的副高北侧无明显的低涡活动。500 hPa有较为明显的高空槽，远距离降水仍位于槽前(图3b4)。从水汽场来看(图4d)，水汽来源包括来自台风西南侧的准东西向的水汽输送带，以及来自台风南部的偏南风水汽输送带。另外，由于受双台风作用的影响，还有来自其东侧的尺度较小的TC的水汽输送作用的影响。这与其他3种类型不同，这3支水汽输送带在TC中汇合，并在北侧转向，将水汽输送到中高纬度地区。

以上分析表明，虽然4种类型的850 hPa天气形势分布有较大差异，但远距离降水均发生在500 hPa高空槽前，且与TC之间通过水汽通道建立联系。下面将从高低空急流的角度来分析TC与远距离降水在动力方面的联系。

3.2 高低空急流的合成分析

在这4种类型的低空急流分布中(图 5a-d)，在台风西南侧均有一条显著的西到西南风的急流输送带，与图4中的水汽输送带相对应。其中，低涡型的低空急流由台风沿副高边缘一直伸向远距离降水区，这是由西低东高的环流形势造成的(图3a1)。从图5(a)与风速、垂直速度及流场图(图6a)可见，与远距离降水相对应的上升运动大值区位于低空急流出口区的左侧、高空急流的右侧，即高低空急流的耦合区域。可见中纬度低涡型的远距离降水的发生除与台风的水汽输送有关外，还与来自台风沿副高边缘伸向中纬度的低空急流有关。在第二种类型中，远距离降水发生在低空急流出口区顶端左侧、高空急流的右下方(图5b)。低空急流明显由台风低压环流造成。从图6(b)可见，与远距离降水相对应的上升运动区仍位于高低空急流的耦合区域。而在第三、四种类型中，远距离降水发生在高空急流右侧的下方(图5c、d，图6c、d)，与台风有关的低空急流的联系不密切。

图3 4种类型的850 hPa(a1、a2、a3、a4)及500 hPa(b1、b2、b3、b4)位势高度场与降水的合成

图4 合成后4种类型(a、b、c、d)整层积分(1000-300 hPa)的水汽通量(阴影)及水汽通量矢量(箭头)

图5 合成后4种类型(a、b、c、d)的200 hPa高空急流(阴影部分)与850 hPa低空急流

图6 合成后4种类型(a、b、c、d)的过热带气旋与远距离降水的水平全风速(阴影)、垂直速度(等值线)和流场经向垂直剖面

由以上的分析可见，在第一、二种类型中，与台风相关的低空急流和中纬度的高空急流耦合，从而触发远距离降水。因此，除水汽通道以外，远距离降水与台风、副高间还存在动力方面的联系。

4 远距离降水的数值模拟试验研究

为进一步对远距离降水、TC与副高间的高低空急流耦合关系进行研究，本文利用WRF3.3.1版本的中尺度数值预报模式,对0509号热带气旋进行数值模拟试验。模式采用两重双向嵌套，水平分辨率分别为45 km和15 km，垂直分层为28层，积云参数化方案采用Lin等的方案，微物理过程外层采用Betts-Miller-Janjic方案，内层采用Betts-Miller-Janjic方案，长波辐射和短波辐射方案分别采用RRTM和Dudhia scheme方案，边界层方案采用YSU。0509号热带气旋“麦莎”于2005年7月31日生成于西太平洋的广阔洋面上，随后向西北方向移动。8月6日03：40，强台风“麦莎”在浙江省玉环县干江镇登陆，登陆时中心附近最大风力为14级(45 m/s)，气压为950 hPa。“麦莎”环流不仅给浙江、安徽、江苏、山东等省直接带来狂风暴雨，还在环渤海地区间接引发远距离降水(图略)。从TRMM资料给出的降水实况来看，远距离降水时段主要集中在2005年8月4日12时至5日00时(图略)。模式模拟的台风路径和强度及24 h累积降水与实况的对比见图7和图8。

由图7可见，模拟得到的TC路径和强度变化与实况相比虽有一定的差异，但总体变化趋势较为一致。由模拟的24 h累积降水量来看(图8)，TC及环渤海区域的降水在落区位置上较为一致，但模拟的降水比TRMM资料的偏强。模拟的降水发生的主要时段(4日18时至5日06时)比实况落后约6 h(图略)。总体来说，模拟试验较为成功地反映了实况特征，结果可用。

图7 RSMC-TOYKO资料与模拟的台风路径(a)及强度(b)

图8 TRMM资料(a)和模拟(b)的2005年8月4日00时至5日00时的24 h累积降水单位：mm

采用第一重网格的模拟资料进行分析发现，4日12时环渤海区域(山东半岛区域)位于低空急流出口区8 m/s风速区的左侧边缘与高空急流入口区的右侧边缘相叠加的区域(图9a)，此时远距离降水还未发生。至4日18时，山东半岛及附近区域发生降水。此时随着TC向北移动，低空急流向北推进，在山东半岛区域低空急流出口区左侧风速梯度加大，而高空仍对应急流入口区右侧边缘地区(图9b)。可见，在高低空急流的有利配置条件下，降水更易发生在低层气象要素梯度较大的区域。从沿121°E的垂直剖面图也可发现，4日12时(图10a)至18时(图10b)，高空急流的主体基本位于40°-50°N、350-100 hPa的区域范围内，位置未发生显著变化。随着TC向北推进，低层大风速带也随之北移，整层风速增大，在低层大风速区边缘(气象要素梯度较大的地区)及高空急流边缘下方激发垂直运动，产生对流性降水。

图9 2005年8月4日12时(a)与18时(b)200 hPa高空急流(阴影)与850 hPa低空急流的叠加

图10 2005年8月4日12时(a)与18时(b)沿121°E的全风速与垂直速度(等值线)剖面

通过以上分析发现，TC除了向远距离降水区通过输送水汽建立联系之外，还可通过TC北上时外围环流导致的低空急流边缘水平气象要素的剧烈变化引发远距离降水。在高低空急流耦合的背景下，TC北上引起的中纬度环渤海地区低层急流边缘水平气象要素的剧烈变化,可导致远距离降水的发生。这是除水汽通道外，TC与远距离降水间的又一个物理联系。

5 结论与讨论

本文利用FNL全球再分析资料,对发生在环渤海地区2005-2015年间的6-9月间的热带气旋远距离降水进行分析，得出了关于TC及中纬度降水系统的一些统计特征，并根据850 hPa天气形势的不同分布特征，将远距离降水分为4种类型：低涡型、副高脊线南部边缘型、低涡底部型、副高脊线北部边缘型，并对这4种类型进行了合成分析,得出的主要结论如下：

(1)4种类型的远距离降水均发生在500 hPa高空槽前。TC、副高与中纬度的降水系统三者关系密切，TC与副高间的东南急流起到了输送水汽和能量的作用，并且源自TC的水汽沿副高边缘向北转向进入到中纬度的远距离降水区。

(2)TC、远距离降水与副高之间还存在动力方面的联系。在第一、二种类型中与TC相关的低空急流和中纬度的高空急流耦合，触发远距离降水。但这种高低空急流的耦合机制目前并不清楚，还需进一步的讨论。

(3)远距离降水的数值模拟试验表明，TC除了通过向远距离降水区输送水汽建立联系之外，在高低空急流耦合的背景下，还可通过TC北上时外围环流导致的低空急流边缘水平气象要素的剧烈变化引发远距离降水。这是除水汽通道外，热带气旋与远距离降水间的又一个物理联系。