引言

登陆台风常常带来强降水，一方面可能会直接造成洪涝或引发泥石流等次生自然灾害，另一方面，其带来的雨水对久旱、酷热地区无疑也有缓解旱情和暑热的作用。但登陆台风降水强度、落区一直是预报工作的重点和难点之一。对于登陆台风来讲，影响其降水发生的因素相当复杂，涉及台风环流结构、强度、路径、移速、环境场及下垫面等。因此，开展登陆台风降水成因研究具有实际应用价值和重要的科学意义。从长远角度考虑，若想提高登陆台风降水预报准确率，则非常有必要进一步深入理解和全面认识登陆台风降水的形成机制。事实上，关于登陆台风暴雨形成机理已开展过大量的研究工作，取得了许多进展及丰富成果，但目前登陆台风暴雨形成的真正原因仍尚未完全清楚。另外，登陆台风降水常常呈现出非对称分布特征，就台风本体降水而言，可能位于台风环流的前部、后部、左侧及右侧，存在很大的不确定性，从而给实际预报带来了困难。因此，开展登陆台风暴雨及降水非对称分布特征成因研究，对于改进登陆台风定量降水预报(QPF)具有重要意义。

2005年第5号台风“海棠”于7月12日00时(世界时，下同)在关岛东北洋面上生成并向偏西移动，强度逐渐加强，18日06时50分第一次在台湾省宜兰市登陆，穿越台湾省后进入台湾海峡，19日09时10分再次在福建省连江市黄岐镇登陆。以后在福建省境内继续向西北偏西移动，经过福建省中北部进入江西省境内。“海棠”台风登陆福建省前后(2005年7月19日00时—20日00时)24 h内，造成浙江省境内出现明显暴雨、大暴雨，同时，福建省仅在中北部出现10 mm以上降水、东北部出现50 mm以上暴雨，福建省中南部及广东省境内都没有10 mm降水发生，降水落区又呈现明显的非对称分布特征。可见，“海棠”台风(2005)是一个登陆期间既引发了暴雨同时降水落区又呈非对称分布的典型登陆台风降水个例，具有一定的代表性，开展其暴雨及降水非对称分布特征成因研究具有很好的启发性。因此，很多学者开展了相关研究。Yue^[1]基于WRF模式模拟输出结果，对“海棠”台风(2005)暴雨成因进行了分析表明，Q矢量强迫作用可能是“海棠”台风(2005)暴雨形成的诱因，地形作用对“海棠”台风暴雨形成起着重要的促进作用，且对雨强相对贡献更多。基于“海棠”台风(2005)降水，岳彩军等^[2]还进一步探讨分析了暴雨、大暴雨及特大暴之间雨强差异的成因。余贞寿等^[3]及周玲丽等^[4]开展了“海棠”台风(2005)暴雨数值模拟试验与分析研究。徐文慧等^[5]开展了“海棠”台风(2005)环流内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析。余贞寿等^[6]通过诊断台风登陆前后天气形势、水汽通量和水汽通量散度，对比分析了“海棠”台风(2005)与“碧利斯”台风(0604)暴雨成因差异。此外，靖春悦等^[7]对“海棠”台风(2005)影响河南省所造成的三个阶段的区域性暴雨进行了位涡分析。李改琴等^[8]利用常规探空、加密地面资料、卫星云图及新一代天气雷达产品资料探讨分析了“海棠”台风(2005)远距离暴雨中尺度系统特征。上述研究针对“海棠”台风(2005)本体暴雨及远距离暴雨均取得了有意义的成果。针对“海棠”台风(2005)降水非对称分布特征，岳彩军等^[9]分析“海棠”台风(2005)逐时红外IR1云图发现，陆地上台风环流云系呈南北非对称分布，并初步诊断分析指出，动力因子较热力因子的贡献更为明显。后来，岳彩军^[10]基于数值模拟结果从定量的角度开展进一步深入分析研究认为，大气因子强迫作用的非对称分布一方面可导致垂直上升运动场的非对称特征形成，进而导致降水非对称特征形成，另一方面，它引发地形因子强迫发挥了重要的促进作用，致使整个台风过程降水的非对称特征进一步明显加剧。丁治英和王勇等^{[11, 12]}对“海棠”台风(2005)登陆前后具有非对称性结构的螺旋雨带的结构特征进行数值模拟和分析指出，台风登陆前后螺旋雨带断裂会使非对称降水更加明显，“海棠”台风(2005)登陆过程的雨带断裂不仅与地形有关，而且与高层台风环流和中纬度系统的相互作用有关。此外，张建海等^{[13, 14]}先后对比分析了“海棠”台风(2005)与“麦莎”台风(2005)、“凤凰”台风(2008)降水非对称特征成因发现，台风暴雨的非对称分布与台风结构、水汽输送、地形密切相关。最近，岳彩军等^[15]利用NCEP/NCAR FNL(Final Analysis)资料分析了高、低层大气气柱内动力、热力强迫作用以及不同尺度天气系统的强迫作用，揭示大气因子在“海棠”台风(2005)降水非对称特征形成过程中所扮演的角色。Yue等^[16]还在界定强、弱降水范围的基础上综合运用湿位涡、Q矢量分解等诊断分析方法，在揭示大气因子强迫作用的同时，并考虑地形抬升、地表摩擦作用，进一步开展对“海棠”台风(2005)降水非对称特征成因的动力诊断分析研究。上述研究采用不同的方法，从不同的角度探讨分析了“海棠”台风(2005)暴雨及其非对称分布特征成因，均取得了有意义的成果。本文将着重归纳、梳理作者近10 a针对“海棠”台风(2005)降水个例已取得相关研究成果，以期有助于促进今后登陆台风降水成因更进一步深入研究，进而有助于促进登陆台风QPF能力的提高。

1 “海棠”台风(2005)暴雨及其非对称分布特征模拟 1.1 “海棠”台风(2005)降水情况介绍

2005年第5号台风“海棠”登陆台湾省后，穿过台湾海峡，再次在福建省登陆(图 1a)。在“海棠”台风(2005)再次登陆福建省前后24 h期间(2005年7月19日00时—20日00时(世界时，下同)，造成浙江境内出现明显暴雨、大暴雨天气，同时台风南北两侧降水呈现明显非对称分布特征(图 1b)。由图 1b可知，10 mm以上降水主要位于福建省中北部、浙江省全部及安徽省东南部等地，50 mm以上暴雨则主要出现在台风路径北侧的福建省东北部沿海、浙江省沿海及浙江省北部局部地区，其中200 mm以上特大暴雨都出现在浙江省境内，位于浙江省中南部沿海地区，在(28.1°N，121°E)、(27.9°N，120.5°E)附近分别出现了411 mm的最大降水中心、336 mm的次最大降水中心。而处于台风路径南侧的福建省中南部及广东省境内都没有10 mm降水出现。可见，“海棠”台风再次登陆期间所带来的降水强度非常显著，同时，台风路径南北两侧雨区范围及雨强都呈明显的非对称分布。

1.2 WRF模式模拟方案设计及模拟效果分析

本文采用WRF V2.0版本作为“海棠”台风再次登陆的数值模拟模式，模式的初始条件和侧边界条件均采用GFS(Global Forecast System)每6 h一次的1°×1°全球分析资料。模拟过程没有采用任何“bogus”方案。采用双重嵌套，模拟区域的中心位置为(25°N, 118°E)。粗网格区域有81×81个格点，格距为45 km；细网格区域有121×121个格点，格距为15 km。模式垂直方向的分辨率取为31层。模拟初始积分时间选在台风登陆前约9.2 h，即7月19日00时时，积分至20日00时时结束，共积分24 h，每小时输出一次模式结果。模拟输出结果全为细网格格点场(15 km×15 km)的计算结果。另外，模拟选用欧拉质量坐标，模式的物理过程主要包括：YSU边界层过程方案、Kain-Fritsch (new Eta)积云对流参数化方案、Lin等^[17]的微物理过程方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案和近地面层热力混合方案。粗、细网格使用同样的物理过程。

将图 1c与图 1b对比分析可知，同期模拟的10 mm以上雨区与实况基本一致，50 mm以上暴雨区同样主要出现在浙江省境内，除浙江省西北部、安徽省东南部模拟的降水较实况明显偏强外，其他地区与实况基本吻合。200 mm以上特大暴雨也都出现在浙江省境内，尤其是在(28.1°N，121°E)、(27.9°N，120.5°E)附近分别出现了463 mm最大降水中心和343 mm次最大降水中心，这与实况相当吻合。可见，WRF模式对“海棠”台风(2005)降水模拟是相当成功的，同时也表明，利用模式模拟输出结果作为诊断分析资料具有一定合理性。本研究利用WRF模式模拟输出的细网格逐时产品作为研究资料，主要包括水平风场(u，v)、垂直速度(ω)、温度(T)以及露点温度(T_d)，水平分辨率为15 km×15 km，垂直分辨率为31层。

2 “海棠”台风(2005)暴雨成因研究 2.1 不同尺度天气系统强迫作用

以Q矢量散度为强迫项的非地转ω方程为

$ {\nabla ^2}\left( {\sigma \omega } \right) + {f^2}\frac{{{\partial ^2}\omega }}{{\partial {p^2}}} = - 2\nabla \cdot Q $

(1)

当ω场具有波状特征时，由式(1)则有

$ \nabla \cdot Q \propto \omega $

(2)

式(2)可用来判断垂直运动。当▽ × Q < 0，则ω < 0，上升运动；当▽ × Q > 0，则ω > 0，下沉运动。

许多研究表明，分解Q矢量可以揭示出“总”的Q矢量难以揭示的天气过程中潜在的物理机制。根据传统的Q矢量分解方法，将Q矢量分解在沿等位温线的自然坐标系中，得到Q_s、Q_n两个分量(图 2)。

Q_n、Q_s与Q具有相似的诊断特性，二者在p坐标系中的计算表达式分别为：

$ {Q_n} = \left[ {\frac{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}{Q_x} + \frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}{Q_y}} \right)\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}}}{{{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}} \right)}^2}}}} \right]i + \left[ {\frac{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}{Q_x} + \frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}{Q_y}} \right)\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}}}{{{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}} \right)}^2}}}} \right]j $

(3)

$ {Q_s} = \left[ {\frac{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}{Q_x} + \frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}{Q_y}} \right)\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}}}{{{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}} \right)}^2}}}} \right]i + \left[ {\frac{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}{Q_x} + \frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}{Q_y}} \right)\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}}}{{{{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial x}}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{\partial \theta }}{{\partial y}}} \right)}^2}}}} \right]j $

(4)

其中，Q_s沿等位温线方向，也即是热成风的方向，具有准地转的特征，反映大尺度天气系统信息；Q_n沿穿越等位温线方向，具有地转偏差的特征，反映中尺度天气系统信息。计算分析2▽ × Q_s、2▽ × Q_n，可以揭示不同天气尺度系统的强迫作用。将图 3b及图 3c分别与图 3a比较发现，图 3c与图 3a中的垂直运动场的分布特征非常相似，而图 3b与图 3c中的垂直速度场的分布特征存在一定差异，这说明ω_n是ω的主要成分，其占有主导地位，而ω_s在ω中所占有的量相对来说是少的，其基本处于次要地位。这也充分反映出，中尺度天气系统对台风暴雨的垂直运动场的强迫作用是主要的，大尺度天气系统所起的强迫作用相对于中尺度天气系统而言要弱些，基本处于次要的位置。

2.2 地形强迫作用

许多研究表明，地形在登陆台风降水中扮演非常重要的角色。由图 1a可以看到，浙江省南部地区地形高度在1 200 m以上，中部地区在800 m以上，北部地区在600 m以上。福建省北部地区基本在800 m以上，中南部地区基本在1 000 m以上。由图 4可知，在整个“海棠”台风再次登陆期间(2005年7月19日00时—20日00时)，地形都强迫产生垂直上升运动(WTF)，其强度随时间的演变特征为：在台风登陆前，随时间变化不大。在台风登陆之后，其强度逐渐增加，并于19日18—19时达到最大。之后，逐渐减弱。进一步分析发现，地形抬升作用(WT)在整个台风再次登陆期间都强迫产生上升运动，但大小随时间基本无变化，这表明地形抬升作用对降水发生的贡献是稳定、持续的。而对于地表摩擦作用(WF)来讲，其强迫产生的垂直运动随时间的演变特征与WTF相似，但在台风登陆前后其强迫产生的垂直运动的性质却存在明显差异，具体情况为，在台风登陆前主要引发下沉运动，而在台风登陆之后，其逐渐强迫产生垂直上升运动，且强度逐渐增强，并在19日15时之后超过地形抬升强迫产生的垂直上升速度的大小。上述分析表明，地形强迫对降水发生的促进作用主要发生在台风登陆之后。地形抬升对降水发生的促进作用稳定、持续，在台风登陆前后基本无变化，而地表摩擦对降水作用在台风登陆前后差异明显。相对来讲，台风登陆前，地形抬升是促进降水发生的主要因子，而当台风登陆之后，地表摩擦作用逐渐增强，并演变为主要因子。

上述分析表明，中尺度天气系统对“海棠”台风(2005)暴雨的垂直运动场的强迫作用是主要的，大尺度天气系统所起的强迫作用基本处于次要位置。地形抬升对“海棠”台风(2005)暴雨形成一直起着稳定、持续的促进作用，而地表摩擦作用主要在台风登陆以后与台风暴雨形成密切相关。

3 “海棠”台风(2005)降水非对称分布特征成因研究

将Q矢量散度强迫产生的垂直速度以及地形强迫作用产生的垂直速度场分别代入降水率计算公式：

$ I = - \frac{1}{g}\int_0^{1000{\rm{hPa}}} {\lambda \eta F\omega {\rm{d}}p} $

(5)

其中，$ F = \frac{{{q_s}T}}{p}\left( {\frac{{LR - {C_P}{R_\omega }T}}{{{C_P}{R_\omega }{T^2} + {q_s}{L^2}}}} \right) $当ω < 0时，λ = 1，否则，λ = 0；当$\frac{q}{{{q_s}}}$ > 0.6时，$ \eta = \left( {\frac{q}{{{q_s}}} - 0.6} \right)/0.4 $，否则，η = 0。其他为气象上常用物理量参数。将(5)式乘上3 600 s，则得到1 h降水量，且将降水量的单位转化为mm。同时满足700 hPa上▽ × Q < 0和700 hPa上T - T_d ≤ 4 ℃这两个条件时，降水发生成立，否则认为无降水发生，从而确定降水落区。通过上述处理即可得到Q矢量、地形强迫产生的逐小时雨量场。

3.1 Q矢量散度强迫作用分析

台风登陆前(图 5a-c)，Q矢量散度强迫产生的降水场主要位于福建省北部和浙江省南部地区，20 mm·(3 h)^-1以上最大降水位于浙江省与福建省交界处。随后近11 h期间(图 5d-f)，雨区逐渐北抬，主要位于浙江省境内，并出现20 mm·(3 h)^-1以上最大降水。之后(图 5g-h)，浙江省境内的雨区向西北移动，影响到安徽省东南部。在上述期间，福建省南部仅局部出现5 mm·(3 h)^-1的雨区，且广东省境内连1 mm·(3 h)^-1降水基本都没出现。上述分析表明，Q矢量散度强迫产生的降水场在台风南北两侧呈明显非对称分布。这也表明Q矢量散度辐合场的不对称可导致降水场的不对称，即表明台风南北两侧气象因子强迫作用的不对称可导致台风降水不对称分布特征的形成。

3.2 地形强迫作用分析

台风登陆前(图 6a-c)，地形因子强迫产生的主雨区主要位于浙江省东南沿海及福建省东北沿海局部地区，最大降水达到20 mm·(3 h)^-1以上。台风登陆后(图 6d-h)，主要雨区仍位于浙江省境内，最大降水为20 mm·(3 h)^-1以上，同时主雨区逐渐西进、北抬。而在此期间，福建省境内雨区主要位于福建省北部，最大降水也仅5 mm·(3 h)^-1左右，强度明显较浙江省境内弱，并且福建省中南部及广东省境内仅有较弱的零星降水发生。位于台风北侧的浙江省境内地形因子强迫产生的降水场，较位于台风南侧的福建省境内及广东省境内地形因子强迫产生的降水场范围大、强度强，呈明显的南北非对称分布。

3.3 进一步界定诊断范围对比分析

上节是针对水平非对称分布特征的笼统比较，下面将进一步明确对比分析目标范围，用(119°—122°E，26.5°—30°N)(记为R)范围内陆地上50 mm·(24 h)^-1以上降水代表位于台风路径右侧的强降水雨区，同时，用(116°—120°E，24°—26.5°N)(记为L)范围内陆地上25 mm·(24 h)^-1以下降水代表位于台风路径左侧的弱降水雨区(图 1b)。进一步针对R、L区内水汽条件、垂直运动条件开展对比诊断分析研究，以揭示“海棠”台风(2005)降水非对称特征成因。

3.3.1 水平水汽通量及其散度比较

已有研究表明，暴雨形成仅仅依靠降水区本地气柱内所含水份通常是不够的，还需要有外界水汽向暴雨区迅速地集中和不断地供应。水汽通量与水汽通量散度可定量描述水汽输送方向、大小及水汽在何处集中，有助于了解暴雨形成的水汽条件。因此，有必要对比分析R区、L区水平水汽通量及其散度的差异。

对比分析图 7a和图 7b可知，R区与L区的水汽输送形式明显不同，前者主要是由偏东风、东南风输送水汽而后者主要由偏北风、西北风输送水汽，同时，前者的水汽通量散度辐合强度明显较后者强，前者约是后者的10倍。

3.3.2 垂直上升运动条件比较

众所周知，垂直上升运动条件是降水发生的重要条件之一。由图 8a可知，在台风登陆前(19日01—09时)，低层上升运动强度明显较上层强，600 hPa以上气柱内上升运动强度小于-0.5 Pa·s^-1，而900—600 hPa气柱内为-0.5 Pa·s^-1以上上升运动，同时在700—900 hPa气柱内上升运动强度达到-1.0 Pa·s^-1以上，且最大上升运动中心-1.3 Pa·s^-1位于850 hPa。在台风登陆期间(19日09—12时)，低层900—600 hPa气柱内上升运动强度明显减弱，最大上升运动中心-0.8 Pa·s^-1位于850 hPa。同时，高层400—200 hPa气柱内上升运动明显增强，达到-0.5 Pa·s^-1以上。这种变化现象可能是地形作用的结果。台风登陆后，在19日12—15时期间，整个气柱内上升运动均在增强，900—200 hPa气柱内上升运动强度都达-0.5 Pa·s^-1以上，且在高层450—200 hPa之间及低层900—700 hPa之间上升运动强度均增强到-1.0 Pa·s^-1以上。19日15—18时期间，900—500 hPa之间的垂直上升运动强度继续增强，均达到-1.0 Pa·s^-1以上，且在最大中心-1.4 Pa·s^-1出现在850 hPa，同时，500 hPa以上气柱内上升运动强度有所减弱。19日18时—20日00时期间，500 hPa之上气柱内上升运动强度基本不变，而900—500 hPa气柱内上升运动强度有所减弱。上述分析表明，在整个台风登陆过程中，R区整个大气柱内基本维持上升运动，且强度变化特征明显，台风向登陆点靠近时，气柱内上升运动逐渐减弱，在登陆期间，上升运动强度减弱到最弱，但登陆之后0~12 h期间垂直上升运动又逐渐增强，首先，0~6 h内400—200 hPa气柱内上升运动达到最大，其次，6~12 h内900—500 hPa气柱内上升运动强度达到最强。登陆之后12—18时内整个气柱内的垂直上升运动强度又逐渐减弱。由图 8b可知，在整个台风登陆过程中，垂直上升运动区主要位于700 hPa之下，且最大强度仅为-0.3 Pa·s^-1。台风登陆之前到台风登陆期间，垂直上升运动强度逐渐减弱，且垂直厚度也变薄，在台风登陆之后垂直上升运动强度基本不变。进一步对比8a和图 8b分析可知，图 8a中的上升运动较图 8b更为深厚，图 8a中的上升运动强度明显较图 8b强，前者的最大上升运动强度约是后者的5倍以上。可见，图 8a与图 8b中垂直上升运动时间演变特征、强度差异明显。上述分析表明，垂直上升运动条件有助于R区与L区雨强差异形成。

4 结语

“海棠”台风(2005)再次登陆福建省前后24 h期间，不仅给位于台风路径右侧的福建省东北部及浙江省境内造成大范围暴雨，同时，台风路径左右两侧暴雨落区呈明显非对称分布。采用诊断分析方法对其成因进行了分析，结论如下：

(1) 中尺度天气系统对“海棠”台风暴雨的垂直运动场的强迫作用是主要的，大尺度天气系统所起的强迫作用基本处于次要位置。在整个台风登陆期间地形抬升一直起着稳定的促进作用，地表摩擦的促进作用主要发生在台风登陆之后。

(2) 气象因子是“海棠”台风降水非对称特征形成的主要因素，它一方面直接导致降水非对称特征形成，同时还引发地形因子强迫发挥了重要的促进作用。进一步界定诊断范围对比分析表明，台风路径右侧存在强烈的上升运动，并将低层汇聚的充沛水汽向上层输送，导致路径右侧强降水发生，而对于台风路径左侧区域来讲，上述与降水发生密切相关条件均较左侧区域弱，不利于强降水发生，正是由于台风路径两侧的水汽供应、大气强迫作用以及地形强迫作用所存在的差异，导致了两侧雨强差异形成。

需要说明的是，本文是对作者近10 a来针对“海棠”台风(2005)降水个例所开展的一系列研究成果的归纳、梳理，以期对于登陆台风降水成因研究起到启发与促进作用。另外，“海棠”台风(2005)在登陆期间所引发的强降水主要发生在路径的右侧，这只是登陆台风降水非对称分布特征中的一种类型，未来可以更多的关注强降水位于登陆台风环流的前部、后部及左侧的非对称分布特征个例，并对比分析彼此成因差异，进而归纳、梳理，无疑将对于提高登陆台风QPF能力具有实际意义。

最后需要指出的是，在我们已开展的研究工作中没用具体考虑垂直风切变以及高层(200 hPa)辐散对台风降水非对称特征形成的作用。在台风暴雨成因中也没有考虑下垫面中数量不断增加、规模日益扩大的城市(群)因子对暴雨落区、强度的影响作用。另外，我们目前考虑的主要是宏观降水条件对台风暴雨及其非对称特征形成的作用，还没有细致考虑微观云物理过程的贡献。在今后相关研究工作中可以着重考虑从上述几个方面做进一步深入分析、探讨。