远距离台风暴雨研究综述

胡 楠，张婷婷，袁志学，屠文芬(.江苏省睢宁县气象局，江苏睢宁00;.山东省滨州市气象局，山东滨州56600)

台风暴雨主要有3种类型，即台风环流本身造成的暴雨、台风与西风带系统或热带其他系统共同作用造成的暴雨、受地形影响而形成的暴雨［1］。根据台风登陆后产生暴雨的不同特点，陈联寿将其划分为由于台风环流本身造成的暴雨和台风的远距离暴雨2种［2］。陶诗言研究发现登陆台风往往有4块暴雨区与之相伴［3］，王亦平将这4块暴雨区划分为台风眼壁暴雨、台风的内外螺旋雨带暴雨、台风外围伸向北方的倒槽区暴雨、远离台风的北方中纬度西风槽前暴雨［4］。上述第4块暴雨区位于台风的北方，与台风中心相去甚远，是台风与中纬度系统相互作用的产物，称为远距离台风暴雨。陈联寿将此类台风暴雨定义为降水发生在台风范围之外、降雨与台风存在着内在的物理联系［5］。由此可见，台风远距离暴雨和台风环流暴雨区是明显分离的。杨晓霞等分析指出台风远距离暴雨是台风与中纬度系统相互作用的结果，降水特征上表现为突发性强、降水强度大、降水时段集中，是台风影响我国内陆地区降水的重要形式，常引起强烈的暴雨天气［6］。笔者在此从多角度总结远距离台风暴雨研究的已有成果，从远距离台风暴雨的气候特征切入，不但对已有学者系统总结过的中纬度系统相互作用和台风自身影响做了归纳［7－8］，且对暴雨区的中小尺度对流系统、重力惯性波作用做了一些总结。

1 远距离台风暴雨的气候特征

气候特征的研究有助于总体上把握远距离台风暴雨的形成规律，也有利于预报水平的提高。乐群等研究发现登陆台风活跃的年份和登陆台风偏少的年份台风的最大降水量并无明显差异，且从气候学角度分析，副高脊线的位置与台风登陆次数明显相关［9］;雷小途等统计分析1951～1996年间中低纬度热带气旋活动的不同特征，指出约65%的热带气旋能够影响到中纬度地区［10］;韩晖采用气候统计诊断方法分析了1951～2001年间对我国产生影响的台风及相应的降水情况，总结出近50年我国台风暴雨的时空特征:①空间分布不均，差异明显。在频次方面表现为由东南沿海向西北内陆逐渐减少;在平均强度方面，华北和东北南部的一些地区反而普遍比华南、华东地区高;台风暴雨强度在最大值上地域差别不明显;②时间分布季节性明显。台风暴雨的雨季是5～11月，其中7～9月是高峰期(远距离台风暴雨集中于这个阶段);在发生频次方面年际振荡和年代际的起伏明显，且频次和强度均呈现出上升的趋势;③太平洋表层海水温度异常与我国台风的活跃程度之间存在着制约关系(台风活动的变化滞后于海水温度的变化1～2个季节)，这种关系厄尔尼诺时期非常明显，呈现出厄尔尼诺年台风暴雨偏少，而拉尼娜年台风暴雨相较偏多的趋势;④大气环流形势对远距离台风暴雨有巨大影响，台风暴雨与前一年冬季的大气环流存在隔季遥相关，与夏季的大气环流存在同期相关，且在某些地区特别突出［11］。

2 台风与中纬度系统的相互作用

台风与周围环境流场的相互作用是决定台风发展、移动和暴雨分布的重要原因［1］，已有大量的研究表明，中纬度西风带系统和副热带高压是引起远距离台风暴雨的关键系统。仇永炎着重分析了台风槽、河套西风槽、日本海渤海高压、东南风急流以及弱冷空气侵入，并将以上5个因子作为台风暴雨分型的判据，得出多数远距离台风暴雨可能是由于台风与西风槽相互作用所致［12］。从春华等进一步指出台风远距离暴雨是台风与其相邻的中纬度系统(包括西风槽、东北冷涡、西南涡、弱冷空气、高低空急流及副热带高压等)相互作用的结果［7］。此外，李江南研究发现华北东北特大暴雨与高空急流、台风登陆后强度的维持、台风中有倒槽向北伸展以及北方有冷空气南下等许多因素有关［8］。下面着重对引起暴雨的中纬度系统逐一进行讨论。

2.1 台风倒槽 我国一些台风降水的最大值往往并不出现在台风本身的雨区中，而是产生在台风北部倒槽和弱冷空气结合的地方，这种台风外围暴雨有时可远离台风中心近千公里，称为台风倒槽暴雨［13］。台风倒槽东北部的西南气流提供充足的水汽，而倒槽区的强辐合作用又能产生强烈的上升运动，为不稳定能量的释放提供初始扰动。当台风倒槽伸入中纬度西风带中，与西风槽的相互叠加，或是有弱冷空气侵入，均会加强台风倒槽区的暴雨。张少林等分析指出中纬度分裂南下的冷空气与倒槽偏南的暖湿气流结合是造成豫东、鲁西南地区降水的原因，而随着倒槽的北伸和冷空气的进一步侵入导致了山东地区的暴雨产生［14］。杨晓霞等研究发现台风倒槽区的温度场呈现出东暖西冷的不对称结构，可以极大加强高层的热成风，加大低层的辐合，从而促使上升运动增强，是产生暴雨的根本原因之一［6］。暴雨区位于低层台风倒槽的强辐合区和台风北侧的暖平流区。李改琴等在研究台风海棠引起的远距离暴雨时，发现在倒槽辐合线上的强中β尺度对流复合系统是暴雨产生的直接原因［15］。台风倒槽对暴雨的影响主要有3种形式，即台风倒槽与弱冷空气相配合产生、倒槽内暖湿切变线的中尺度对流复合体(MCC)产生、台风倒槽中的东风波登陆产生。

2.2 西风槽 中高纬的西风槽对远距离台风暴雨的贡献主要是提供了有利的大尺度背景，具体表现为低层辐合、高层辐散，槽前正涡度平流，这种环流背景下十分有利于垂直运动的发展和降雨的维持。此外，西风槽引起的低层负变压可以使低层的水汽辐合上升，为暴雨提供充分的水汽供应。因此，中高纬的西风槽是台风暴雨增幅的重要条件。张晓惠等在研究热带低压“浣熊”时发现，热带低压与中纬度低槽发生同位相叠加形成明显的低压中心和负变压中心，正涡度平流的加大并先于低槽的发展，是降水的触发机制之一［16］。通过数值模拟表明，加强或减弱西风槽将导致降水的加强或减弱［17］。李明等对3次远距离台风大暴雨天气进行了综合分析，发现环流背景表现为在中东部高压脊的阻挡下，西风槽或高原槽东移至河套地区稳定维持，并与台风外围系统相互作用［18］。在这种类似半热带系统的形势下，台风携带的水汽源源不断向中纬地区输送，同时给暴雨区提供很大的不稳定能量。

2.3 高空急流 台风暴雨与高、低空急流的配置密切相关，我国暴雨往往产生在高空急流右后方和低空急流左前方。大量的研究表明，非纬向高空急流右侧的气流辐散为暴雨的形成提供了有利的高空辐散形势，高层辐散引起上下层质量的调整，形成变压风叠加在低空气流之上，从而形成低空急流，这是高空急流对低空急流的强迫作用［19－21］。非纬向高空急流与远距离台风暴雨有着密切的关系，当暴雨增幅时，200 hPa高空急流有增强转竖的趋势［19］。对台风麦莎的诊断分析表明，200 hPa SW－S风达到了高空急流的强度，此急流在48°N处呈准东西走向，但在45°N及以南地区就急转为SW－S走向，此非纬向的急流与暴雨的落区有很好的相关性［20］。统计分析表明，暴雨发生时，90%的情况下200 hPa高空为西南急流，而暴雨区则位于高空急流右后方［21］。蒋尚城等研究指出高空急流可以把暴雨区上空的凝结潜热迅速带走，使暴雨区不稳定得以重建［22］。这些研究显示了非纬向的高空急流在台风远距离暴雨中的重要作用。

2.4 低空急流 相关统计表明［3］，低空急流与暴雨密切相关，对于每一次过程，有的是在暴雨发生之前就先有强风轴出现，而有的则是在暴雨过程中偏南风速不断增大。多数暴雨发生在低空急流轴线的左前方，是暴雨落区的一个重要判据。低空急流为暴雨的发生提供充沛的水汽。在台风靠近副热带高压时，其北部与副高之间形成了强大的气压梯度力，于是产生了东风急流，成为了暴雨区的重要水汽输送带。徐远波通过对十堰“05.8”远距离登陆台风特大暴雨的多尺度分析发现，台风登陆后形成的低压涡旋群与其北面的副热带高压之间有很强的偏东气流形成，这股东风气流从海上一直伸展到内陆，成为“05.8”十堰特大台风暴雨的主要水汽通道［23］。朱洪岩通过台风加强的敏感性试验表明，加强后的台风改变了水汽输送量和水汽输送通道;与控制试验的诊断结果相比，不仅河南中部降水区对应一个水汽辐合中心，且在胶东半岛地区出现了一个大的水汽辐合中心［17］。所以，台风的强度直接影响了水汽在中纬度地区的辐合辐散。低空急流暴雨区低层增暖增湿使得大气层结向不稳定状态发展，不稳定能量得以组建或重建。一旦动力抬升条件具备，暴雨系统一触即发。周玲丽等数值试验表明台风东南侧云带为台风外围的暖湿气流，为台风输送水汽和能量;台风北侧云带为来自北方的弱干冷空气，侵入到台风暖湿环流之中，由此形成了一条过台风中心并南北向延伸的能量锋［24］。

2.5 弱冷空气 弱冷空气的侵入，使干冷空气叠加于台风暖湿气流之上，形成有利的上升运动条件，边界层内的水汽迅速集中并向上层输送;此外，冷暖交汇处在低层表现为具有自身垂直环流的中尺度系统——干线，可导致强烈的对流风暴，起到对辐合线上中尺度扰动及其所伴随的强雨团的触发作用。张经珍在分析9907号热带风暴造成的山东“99.8”大暴雨时发现弱冷空气与低空东南急流输送来的暖湿空气相互作用，形成了较强的位势不稳定，并触发了不稳定能量释放，产生强降水［25］。杜慧良通过雷达风廓线资料发现，降水区低层有东北气流冷垫且维持较长时间，低层冷性的东北气流嵌入到副高北侧的暖空气下面，使暖性的西南气流在其上面迅速发生对流上升运动，产生强降水［26］。弱冷空气侵入的机制可概括为来自北方的弱冷空气与登陆台风外围偏东气流所带来的暖湿气流交汇于暴雨区，形成位势不稳定，同时，暖湿空气受到冷空气的抬升形成上升运动，使低层的水汽向上输送，并触发了不稳定能量的释放。

2.6 副热带高压 副热带高压作为天气尺度的系统对台风暴雨的形成和发展起着间接的作用，其作用主要体现在以下几个方面:①阻挡西风槽东移，引导台风向西风槽移动，形成有利于降水的稳定形势。副热带高压以及其脊线的移动对台风暴雨带的移动和消失有密切联系。孙建华等在讨论中低纬相互作用的年季变化时指出，夏季副热带高压突然北跳，以及赤道辐合带十分活跃、位置偏北的环境下可能有更多的机会出现中低纬系统的相互作用，使远距离台风暴雨发生的可能性增加［27］。杨晓霞等通过统计山东地区的远距离台风暴雨发现，副高脊线的位置与暴雨的发生有密切联系，当副高脊线位于山东之南时，能够产生远距离台风暴雨，其中当副高脊线位于26°～30°N时暴雨发生率最高，为63.9%，而当副高脊线控制山东境内时，无暴雨发生［6］。②与台风低压形成强大的气压梯度力，加强台风北侧的东风急流，为暴雨区输送暖湿气流。③通过影响台风的登陆路径来影响台风暴雨的降区。

3 地形的影响

地形对台风暴雨的影响有以下几个方面:①地形阻挡产生的气流强迫上升运动，有利不稳定能量的触发。当台风靠近迎风坡时，暴雨较多，在背风坡时，降水较少。② 喇叭口地形的辐合作用是造成特大暴雨的有利地形，如“75.8”暴雨发生在三面环山的马蹄形地形中，当台风移近时就导致了特大暴雨，板桥附近林庄的过程总降水量达1 631 mm。③海岸的摩擦辐合作用。虽然台风登陆后受摩擦作用后会减弱，但由于边界层内的摩擦导致了低层水汽通量的辐合，使降水量不降反升。利用数值模拟进行敏感试验，研究人员对地形影响台风暴雨有了更加深刻的认识。Wu等研究发现去除台湾地区地形后，由于没有地形抬升作用，台风暴雨的分布迥然不同，且地形与季风气流和台风的相对方向会调整季风气流和台风环流，从而使得这两股气流的汇合地点发生变化，继而导致最大降水量的位置发生变化［28］。Tuleya等利用三重嵌套可移动网格模式详细讨论了海岛多山地形对热带气旋的影响，模拟结果表明，海岛地形影响热带气旋的运动和结构;受海岛地形影响，热带气旋的路径通常会向北偏折;来自山地的干空气侵入热带气旋，会影响气旋内部的潜能释放和垂直结构，使气旋在登陆之前就会减弱，并在越过海岛后重新加强;热带气旋在穿越海岛时，其内部的结构会发生变化，其暖中心和低压中心会发生移位，使降水中心偏离低压中心［29］。地形强迫因素的作用对于变性台风移动路径、台风暴雨落区分布及其降水强度有显著的影响［30］。王晓芳等对台风碧利斯的模拟表明，地形抬升机制对暴雨的触发主要在迎风坡上游平原地区，而不是在山坡上［31］。马玉芬等模拟表明地形高度越高，地形强迫抬升作用产生垂直运动越明显，地形抬升机制在台风登陆时刻最强［32］。冀春晓等模拟表明在台风登陆期间，当地形抬升造成上升运动时，其上空整层大气必有辐散气流以进行补偿，高层辐散低层辐合导致抽吸作用显著，又由于台风输送水汽使低层湿度足够大，湿空气抬升凝结产生降水或抬升触发对流造成的降水量不可忽视的;此外，在地形影响的作用下，台风西北侧低层往往有中尺度气旋性涡旋系统发生发展，并形成中尺度雨团［33］。

4 重力惯性波

台风越强越大，产生的暴雨也越大。从暴雨产生的条件来看，台风气旋北部常有偏东风急流或台风倒槽，为暴雨区输送暖湿空气，是暴雨的主要水汽来源并形成位势不稳定层结;台风低压涡旋为暴雨区的上升运动提供初始扰动;台风能够激发出重力惯性波，同样能够触发不稳定能量的释放［34］。台风中起主要作用的是重力惯性内波，且在层结较不稳定、纬度较低、台风半径较小、台风螺旋臂数较大的条件下，台风中的重力波较不稳定，低纬基本流场的水平切变对重力波的发生发展有重要作用［35］。Chow等利用数值模式验证了台风中的重力惯性波是其螺旋云带产生的主要机制［36］。Tepper研究指出热带气旋在台风眼壁附近产生重力波，并向外传播成为螺旋雨带［37］。Diereks通过数值试验认为上升气流中的潜热加热导致螺旋雨带间距增大，进而把雨带推向离中心更远的区域［38］。热带气旋台风中的重力惯性波是导致台风暴雨突然增幅的机制之一，重力惯性波能够引起上升运动，能够触发潮湿不稳定的大气运动的发展。丁治英等数值模拟结果表明，9216号台风的暴雨增幅过程与中－α尺度重力惯性波的发展、传播有关，而积云对流潜热的反馈作用加强了非地转风和重力惯性波振幅，从而导致了暴雨的增幅进一步加大［34］。当重力惯性波向稳定度减小的方向传播时，波能量最易加强。李英等对台风麦莎的研究表明，麦莎雨带具有显著的波状分布特征和远距离传播特征，其北向传播的大型雨带分布特征与大气惯性波、大气重力内波的混合波特征有关，且只有在适当的大气层结与合适的重力波垂直波数条件下，台风扰动才能激发此类远距离传播的波动，并形成大范围的波状雨带［39］。

5 中尺度系统的作用

天气尺度的系统为暴雨的发生提供大的环流背景，而中尺度系统才是直接产生暴雨的天气系统。在远距离台风暴雨中，常见的能够形成暴雨的中尺度系统有螺旋云带、中尺度辐合云团、中尺度辐合线、中尺度低压等。董美莹等在研究台风时发现，热带气旋东侧往往伴随一支东南风或东风急流，对应于热带气旋东侧一条强大的螺旋云带，中小尺度的对流云团镶嵌其中，每个发展旺盛的对流云团的出现对应地面降水的突然增幅［40］。刘晓波等在分析台风罗莎引发上海暴雨时指出，随着干冷空气南下和台风外围暖湿气流北上，辐合加强，为激发台风外围中尺度对流云团提供了动力抬升机制，是造成暴雨的主要原因［41］。赵宇等分析指出由于台风低压外围水汽和动量的向北输送促使台风倒槽发展，在热力和动力的作用下台风倒槽内形成β中尺度低涡，进而形成暴雨中心，而正的涡度局地变化增强，有利于台风倒槽发展和中尺度低涡形成［42］。

6 小结

从最近几十年对远距离台风暴雨的研究来看，已有的研究成果主要是从台风暴雨个例入手，对暴雨的天气学特征进行研究，着重分析台风与中低纬各种天气系统的相互作用，以及台风自身环流、地形等因素对暴雨的影响。尽管中低纬系统的相互作用机理非常复杂，目前也没有很好的理论能够解释这种作用，但若从暴雨发生发展的基本条件来看，以上讨论的各形成机制均可以归结到提供水汽和上升运动这两点。综合国内外目前关于远距离台风暴雨已有的研究成果，得到如下结论:

(1)中高纬的西风槽为台风远距离降水提供低层辐合、高层辐散以及槽前正涡度平流的大尺度背景，有利于垂直运动的发展和降雨的维持。

(2)台风倒槽的北伸与弱冷空气相配合，倒槽内暖湿切变线的中尺度对流复合体(MCC)产生，以及倒槽中的东风波登陆，对远距离暴雨贡献极大。

(3)高空急流提供了有利的高层辐散形势，其增强转竖对远距离台风暴雨的增幅有很好的指示作用。

(4)低空急流(东风)为远距离台风暴雨提供了丰沛的水汽，且使得大气层结向不稳定状态发展，不稳定能量得以组建或重建。

(5)弱冷空气对台风暴雨的产生主要起到三方面的作用，即造成暴雨初始的上升运动、造成边界层内的水汽集中并向上输送、对于辐合线上的中尺度扰动及其所伴随的强雨团起到触发作用。

(6)副热带高压对远距离台风暴雨的作用主要表现为形成有利形势，副高位置偏北的环境下可能有更多的机会出现中低纬系统的相互作用，使远距离台风暴雨发生的可能性增加。

(7)地形对远距离台风暴雨的影响为阻挡产生的气流强迫上升运动，有利不稳定能量的触发;喇叭口地形的辐合作用;海岸的摩擦辐合作用。

(8)重力惯性波是螺旋云带产生的主要机制，在适当的大气层结与合适的重力波垂直波数条件下，台风扰动激发远距离传播的波动，并形成大范围的波状雨带。

(9)中小尺度的对流云团发展旺盛对应地面降水的突然增幅，β中尺度低涡形成暴雨中心。

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