两次北上台风引发冀北极端降水的对比分析

Comparative Analysis of Extreme Precipitation in Northern Hebei Province Caused by Two Northward Typhoon Cases

摘要

利用NCEP/NCAR再分析资料、自动气象观测站数据， 分析发生在河北省承德市的“安比”（1810）台风暴雨和“海棠”（1710）台风暴雨过程，比对冷空气活动、作用形式及其对降水的影响。结果表明：（1）两次过程在中纬度西风槽冷空气影响下的降水差异明显，“海棠”暴雨雨强明显强于台风“安比”，但后者降水生命史更长；（2）“海棠”残余环流北上影响承德市时，西风槽冷空气主体沿西北气流入侵环流，而台风“安比”暴雨过程仅受西风槽分裂出的弱冷空气影响。由于冷空气影响形式不同，前者的正涡度带沿切变区分布，大值区位于残余环流东侧，而后者的正涡度沿西风槽和台风环流分布，大值区位于环流西北侧。两次过程低层冷空气入侵均先于高层，较强冷空气影响台风环流时，有利于降水强度增强；弱冷空气影响环流时，则有利于降水强度维持。

Abstract

The rainstorm processes of Typhoon “Ampil” （1810） and Typhoon “Haitang” （1710） in Chengde， Hebei Province in terms of the activity process， the forms of action， and the impact on precipitation of cold air were comparatively analyzed based on conventional observation data， ground automatic station data and NCEP （1°×1°） 6h interval FNL reanalysis data. The results of the analysis showed that （1） there were obvious differences in precipitation between the two typhoon processes under the influence of cold air in the mid-latitude westerly trough， the depression rainstorm of Typhoon “Haitang” significantly stronger than that of the Typhoon “Ampil”， but the latter had a longer duration of precipitation； that （2） when the residual circulation of Typhoon “Haitang” going northward affected Chengde， the main part of cold air in the mid-latitude westerly trough invaded the circulation along the northwest airflow， but the rainstorm processes of Typhoon “Ampil”were only affected by the weak cold air split from the westerly trough；as the results of the different forms of cold air intrusion， the former positive vorticity zone was distributed along the shear zone， the large value zone was located on the east side of the residual circulation， while the latter positive vorticity zone was distributed along the westerly trough and typhoon circulation， and the large value zone was located on the northwest side of the circulation. The research indicated that the intrusion of cold air in the lower layer preceded that of the upper layer in both processes， when the strong cold flow affected the circulation， it was conducive to the increase of the precipitation intensity； when the weak cold flow affected the circulation， it was conducive to the maintenance of the precipitation intensity.

Graphical abstract

关键词

台风暴雨 / 减弱低压 / 冷空气 / 对比分析

Key words

typhoon rainstorm / typhoon depression / cold air / comparative analysis

台风登陆后一般会带来暴雨天气，台风暴雨预报一直是预报业务关注的重点，对登陆台风降水的研究也一直是研究人员关注的热点问题^［1⁃5］。华北地区由台风引起的暴雨平均约每年1次，且主要在夏季，尤以7、8月最多^［6⁃8］。尽管每年影响北方的台风（减弱低压）次数不多，但仍是造成我国北方暴雨的重要天气系统，如历史上罕见的华北特大暴雨过程“75·8”（7503）、“82·8”（8209）、“96·8”（9608）均由登陆台风北上造成。台风深入内陆后受地面摩擦和降水等影响，强度会明显减弱，但当其与北方冷空气相互作用时仍能产生暴雨，因此研究冷空气对台风暴雨的影响对科学开展防灾减灾工作具有重要意义。

已有研究发现，弱冷空气的侵入有利于台风发展，而强冷空气则使其减弱，冷空气活动与台风降水增幅有密切联系^［9］。台风登陆北上后，低层冷空气会侵入形成冷垫，而台风低压暖湿气流在冷空气上滑行，加强和维持能量锋区，有利于长时间持续降水^［10］。张霞等^［11］通过分析台风与中纬度系统的相互作用，指出对流层中层干冷空气向低层伸展与低层暖湿气流交汇时，有利于暴雨的持续和增强。曹晓岗等^［12］指出，低槽后 偏北气流携带北方冷空气南下与台风外围暖湿空气交汇，造成大气层结不稳定和上升运动的加强是“13·10”上海特大暴雨形成的重要原因。吴海英等^［13］研究发现，东北冷涡后部南下冷空气是台风“海葵”中尺度对流系统特大暴雨产生的重要诱因，冷空气与台风低压内辐合上升的暖湿空气交汇引起对流层中层锋生，促进暴雨产生。李慧琳等^［14］对相似路径的1109号台风“梅花”和1215号台风对比分析后发现，台风登陆后影响时间的长短与冷空气的配合有密切关系。高晓梅等^［15］通过分析1210号台风“达维”影响山东的暴雨落区，发现冷空气对台风降水落区影响较大，低空冷空气的侵入对鲁西北降水增幅起了很大作用。陈鹏等^［16］指出西风槽后中低层干冷空气南下与偏南暖湿气流交汇，在台风北侧形成能量锋区，随着冷空气向南逐渐扩散，暖湿空气沿能量锋区向上爬升，触发强烈的上升运动，降水增强。台风“麦德姆”（1410）和“苏迪罗”（1513）的冷空气作用形式及对台风暴雨的影响不同，两个台风在冷空气影响下的强降水分布差异显著^［17］。周冠博等^［18］利用天气动力学诊断分析方法，对2007号“海高斯”和1713号“天鸽”台风强度突然增强的成因进行对比分析。赵奕昕等^［19］基于GA-BP神经网络模型，以郑州市2021年7月为例对降水量进行预测，结果显示该模型能较为准确地预测极端降水天气。北上热带气旋是影响我国华北和东北地区的重要天气系统，常造成我国北方地区的风灾和水灾^［20］。

以上研究工作得到许多有益的结论，说明台风登陆后在北上过程随着结构的演变以及受周围其他天气系统的复杂影响，在不同位置、不同阶段引起的降水差异性可能会很大。2017年8月2日至3日，受1710号台风“海棠”减弱低压影响，承德市出现强降雨天气，多地出现大暴雨；2018年7月23日至24日，1810号 台风“安比”北上并以热带风暴级强度直接影响承德市，出现区域性暴雨天气。两次暴雨由台风环流与北方冷空气相互作用产生，但由于冷空气影响方式不同，其强降水特征差异显著。本文所使用的数据资料主要包括：NCEP/NCAR提供的FNL全球再分析及其预报场资料（空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为6 h）；区域气象观测站风场和降水量资料（时间分辨率为1 h）；台风路径来自中国气象局热带气旋最佳路径数据集（时间分辨率为3 h），数据获取网址：https：//tcdata.typhoon.org.cn。通过对这两次过程进行对比分析，进一步研究台风暴雨过程中冷空气活动、作用形式的不同及其对降水的影响，为提高我国北方地区受登陆台风暴雨影响的预报预警水平、预防和减轻暴雨灾害提供参考。

1 台风概况及降水对比

1.1 台风概况

2017年第10号台风“海棠”于7月28日在南沙群岛附近生成，后向东北方向移动，7月30日下午减弱并在台湾南部登陆。接着向西北方向移动，8月1日在江西南部减弱为热带低压，当天上午11：00（北京时间，下同）持续减弱，编号取消。但此后台风“海棠”残余环流继续北上，造成河北省东北部出现强降雨天气，承德市多地出现暴雨或大暴雨。

2018年第10号台风“安比”于7月18日在西北太平洋生成，后向西北方向移动，7月22日12：30前后在上海崇明岛登陆。“安比”登陆后持续北上，以热带风暴级强度影响京津冀地区，于7月23日至24日造成京津冀地区强降雨。7月25日02：00“安比”在内蒙古东南部变性为温带气旋，编号停止。

1.2 降水特征

受台风“海棠”减弱低压影响，2017年8月2日至3日，承德市出现强降雨天气，全市平均降水量72.4 mm，最大降水量为270 mm（以下简称“过程1”）。受台风“安比”影响，2018年7月23日至24日，承德市出现强降雨天气，全市平均降水量60.7 mm，最大降水量为181 mm（以下简称“过程2”）。

从降水空间分布来看（图1），降水范围广，强降水主要在中南部县区，100 mm以上降水集中在承德市南部，“过程2”降水具有明显梯度特征。从两次过程的逐小时降水来看（图略），在冷空气进入时，降水有明显增加。两次过程在小时雨强、持续时间方面存在明显差异，“过程2”降水持续时间更长，但雨强明显弱于“过程1”。“过程1”最大小时雨强达到69.0 mm/h，降水持续约7 h；“过程2”最大小时雨强为34.7 mm/h，过程中小时降水量基本维持在15 mm以内，降水分布在7月24日04：00—19：00，降水生命史约15 h。

2 天气形势对比分析

2017年8月2日20：00，台风“海棠”减弱低压环流位于鲁豫皖交界处，中高纬地区（112°E，42°N）附近有西风槽东移；南支槽位于116°E，30°N附近，槽后西北气流与残余低压环流西侧的北风相连，引导冷空气向低压环流内输送。副高位于朝鲜半岛上空，形成东阻形势，南支槽在副高阻挡下缓慢东移，地面低压倒槽位于河北东部（图2a）。3日02：00，西风槽东移南压，槽前西南气流有所加强；580特征线明显南调，说明有冷空气南下。副高减弱东退，减弱低压在西南气流的引导下持续北上，地面低压倒槽北抬至承德市中南部地区，冷暖空气在承德市强烈交绥，产生暴雨天气（图2b）。8月3日08：00，中高纬西风槽与台风残余环流合并后移出承德市（图略）。

2018年7月24日02：00，中纬度西风槽位于河套西部，承德市位于槽前正涡度平流区，有利于上升运动发展。副高呈块状，588 hPa特征线西脊点位于42°N，119°E附近。台风“安比”位于山东省附近，台风倒槽则位于河北省东部，其右侧东南气流持续向河北输送大量水汽（图2c）。7月24日08：00，台风沿副热带高压外围引导气流持续向北移动，台风西侧气流与西风槽前气流相连，环流外围的584特征线有所南调，说明有冷空气侵入台风环流（图2d）。7月24日20：00，热带风暴移出承德市并与西风槽冷空气主体结合，强度随之迅速减弱（图略）。

3 冷空气与台风（减弱低压）环流结合对比分析

2017年8月2日20：00，“海棠”残余环流北侧有弱冷空气与环流相接，说明低层有冷空气影响环流（图3a）。8月3日02：00，低层冷空气从北侧持续入侵残余环流，影响承德市的冷空气呈连续分布特征且强度有所增强，说明“海棠”减弱低压在北上过程中持续受北方低层冷空气入侵影响，冷暖空气在承德市强烈交汇，降水强度明显增强（图3b）。2018年7月24日02：00，有小股弱冷空气被卷入台风环流西北侧（图3c）；7月24日08：00，随着台风环流的持续北上，西风槽区冷空气主体并未与台风环流交汇，被台风环流卷入的弱冷空气位于环流北侧，冷空气影响范围有所扩大且主要位于承德市，降水随之出现明显增幅（图3d）。

假相当位温显示对流层中层和低层干冷空气活动较明显，冷空气前沿缓慢东移南压，承德市位于θ_se 高梯度区，但两次过程中冷空气入侵形式及冷暖空气交汇方式存在明显差异。“海棠”减弱低压暴雨，中纬度西风槽冷空气主体沿西北气流入侵残余环流，冷空气与暖湿气流沿残余环流北侧的低压倒槽交汇，形成一条东北-西南向的假相当位温高梯度带（图4a、b）。台风“安比”暴雨，槽前西南气流区有一条暖空气带将西风槽冷空气主体与台风环流隔离，但西风槽分裂出的小股冷空气在西北气流引导下从环流西侧入侵。台风“安比”环流较为暖湿，其周围空气较环流相对干冷，环流周围的相对干冷空气也会被卷入台风环流，冷暖空气沿环流交汇（图4c）。此外，“安比”过程中对流层低层有小股干冷空气被台风环流卷入（图4d）。

4 动力、热力条件对比分析

从动力条件来看，“海棠”减弱低压暴雨过程中，冷空气沿西北气流入侵残余环流，其与偏南气流形成明显切变，正涡度带沿切变区（对应低压倒槽）呈东北-西南向分布，大值区位于残余环流东侧偏南气流区（图5a）；而台风“安比”暴雨过程中，冷空气主要为西风槽分裂出的小股弱冷空气，正涡度主要沿西风槽和台风环流分布，其大值区位于环流西北侧东南急流区（图5b）。

500 hPa位涡（PV）分布能很好反映对流层中层冷空气活动特征，而地面锋生往往能说明对流层低层有冷空气入侵。从500 hPa位涡和975 hPa锋生分布情况可见（图6），“海棠”减弱低压暴雨和台风“安比”暴雨的对流层中层PV分布存在显著差异。“海棠”残余环流对应PV大值带与中纬度冷槽对应PV大值带逐渐由分隔转变为接近、交汇，而“安比”低压环流对应PV大值带与冷槽对应PV大值带没有明显交汇过程，但有小股弱冷空气入侵现象。两次暴雨过程中，冷暖空气交汇处均有锋生现象，承德市南部也均有锋生存在，说明有冷暖空气交汇，而锋生作用也为降水提供有利动力条件。

中纬度西风槽在两次过程中的作用具有明显差异（图7），“海棠”残余环流西侧存在明显冷平流且呈连续分布特征，说明西风槽冷空气主体与暖湿气流直接发生作用，而“安比”环流区内（116°~120°E）为较强暖平流逐渐转变为弱冷平流，且该弱冷平流与西风槽冷空气主体造成的冷平流之间被一显著暖平流带分隔，这与图4c特征相对应，说明西风槽冷空气主体并未影响到台风环流，而是其分裂出的一股股弱冷空气被台风环流卷入与暖湿气流发生作用。此外，两次过程中对流层低层冷空气均先于中层入侵环流，这有利于降水持续。对比降水实况可知，西风槽冷空气主体与环流直接作用时的雨强会更大，而在弱冷空气影响下则更有利于 降水强度维持。

5 结论

上述研究得到以下结论。

（1）两次台风暴雨过程的共同点均是由于中纬度西风槽冷空气作用而产生的强降水，且两次过程中的低层冷空气入侵均先于高层。

（2）两次台风暴雨过程的不同点在于降雨雨强、持续时间等降水特征方面的明显差异。“海棠”过程雨强大、持续时间短；而“安比”过程雨强明显小于前者、持续时间偏长。

（3）降水特征有区别的原因是“海棠”残余环流北上影响承德市过程中，中纬度西风槽冷空气主体沿西北气流入侵环流从而有利于降水强度加强，并且冷空气沿西北气流南下与偏南气流形成切变，正涡度带沿切变区分布，大值区位于残余环流东侧偏南气流区；台风“安比”过程中，西风槽冷空气主体未直接影响台风环流，而是其分裂出的小股冷空气被台风环流卷入从而有利于维持降水持续时间，并且正涡度主要沿西风槽和台风环流分布，其大值区位于环流西北侧东南急流区。

北上台风与冷空气的相互作用是造成北方（中高纬度）地区暴雨发生的主要原因之一，其复杂的相互 作用过程及决定暴雨特点的机制仍不十分清楚，也是当前气象预报的难点。本文对两次台风暴雨过程的冷空气作用进行比较研究，揭示出台风暴雨强度和分布特点与冷空气的侵入方式、强度等有关，有利于提高对华北地区台风暴雨个例，特别是冷空气作用的客观认识，为今后的预报提供参考。另外，两次过程的暴雨区集中在燕山南麓迎风坡，地形抬升作用、地形增幅效果也是未来需要继续研究解决的问题之一。

参考文献

[1] 余贞寿， 冀春晓， 倪东鸿， 等. 台风“韦帕”（0713） 引发华东暴雨过程的诊断比较［J］. 气象科学， 2012， 32（1）：101-109.

[2] 陈联寿， 罗哲贤， 李英. 登陆热带气旋研究的进展［J］. 气象学报， 2004， 62（5）：541-549.

[3] 程正泉， 陈联寿， 徐祥德， 等. 近10年中国台风暴雨研究进展［J］. 气象， 2005， 31（12）： 3-9.

[4] 陈红专， 叶成志， 唐群， 等. 2013年影响湖南的两次相似路径台风暴雨对比分析［J］. 气象科学， 2016， 36（4）：537-546．

[5] 王承伟， 曹蕾， 王晓雪， 等. 北上台风造成黑龙江省暴雨事件的气候特征［J］. 沙漠与绿洲气象， 2023， 17（1）： 39-45.

[6] 边清河， 丁治英， 吴明月， 等. 华北地区台风暴雨的统计特征分析［J］. 气象， 2005， 31（3）： 61-65.

[7] 王媛， 郑丽娜. 2000—2021年影响山东的北上台风分类及降水落区分析［J］. 沙漠与绿洲气象， 2023， 17（2）： 162-169.

[8] 杜惠良，黄新晴，冯晓伟，等.弱冷空气与台风残留低压相互作用对一次大暴雨过程的影响［J］.气象，2011，37（7）：847-856.

[9] 丁治英， 陈久康. 有效能量和冷空气活动与台风暴雨增幅的研究［J］. 热带气象学报， 1995， 11（1）： 80-85.

[10] 何立富， 梁生俊， 毛卫星， 等. 0513号台风泰利异常强暴雨过程的综合分析［J］. 气象， 2006， 32（4）： 84-90.

[11] 张霞， 王咏青， 王君， 等. 台风海棠与中纬度系统相互作用对河南暴雨的影响［J］. 气象科技，2008， 36（1）： 55-62.

[12] 曹晓岗， 王慧， 漆梁波. 台风与冷空气对“13·10”上海特大暴雨过程的影响分析［J］. 暴雨灾害， 2014， 33（4）： 351-362.

[13] 吴海英，陈海山，曾明剑，等.冷空气对台风“海葵”（1211）倒槽特大暴雨作用分析［J］.热带气象学报，2014，30（5）： 871-880.

[14] 李慧琳， 高松影， 徐璐璐， 等. 影响辽东半岛两次相似路径的台风对比分析［J］. 气象与环境学报， 2015， 31（1）： 6-13.

[15] 高晓梅， 王令军， 闫凤君， 等. 台风“达维”影响山东的暴雨落区及路径特征分析［J］. 海洋预报， 2015， 32（2）： 72-78.

[16] 陈鹏， 庞玥， 张虹， 等. 台风与冷空气对重庆“9·17”大暴雨的影响分析［J］. 暴雨灾害， 2017， 36（3）： 227-234.

[17] 杨舒楠， 陈涛， 刘建勇. 两次台风暴雨冷空气影响对比分析［J］. 气象科技， 2018， 46（2）：324-335.

[18] 周冠博，董林，吕心艳，等.台风“海高斯”和“天鸽”快速加强成因的对比分析［J］.气候与环境研究，2022，46（2）： 324-335.

[19] 赵奕昕，李薇，朱家明. 基于GA-BP神经网络的极端降水定量分析与预测［J］. 内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版）， 2022， 51（6）： 576-581.

[20] 周小珊， 杨阳， 杨森， 等. 北上热带气旋气候特征分析［J］. 气象与环境学报， 2007， 23（6）：1-5.

基金资助

河北省重点研发计划资助项目“基于深度学习的两类非平衡大数据分类理论、方法及应用研究”(19210310D)

中国气象局气象干部培训学院河北分院教科研资助项目“短期气候预测技术应用培训研究”(19ky09)