引言

我国是世界上受台风影响最严重的国家之一，每年平均有7~8个台风登陆我国东南沿海及海南岛^[1]。国内外不少极端暴雨记录都与台风活动有关，减轻由台风造成的洪涝灾害是气象科学主要研究内容之一^[2]。台风登陆后能维持多久，暴雨如何分布，是否引发洪涝灾害是最受关注的问题^[3]。国内外许多气象学者对台风暴雨的机理进行了研究。陈联寿等^[4]研究指出：不同台风致洪的方式和机理有很大差异，台风暴雨的强度可能与大尺度环流背景、中尺度系统、水汽条件、局地地形、层结稳定度、边界层辐合和高层出流等许多方面关系密切。台风暴雨通常包括台风环流直接引起的暴雨和台风与周围系统相互作用造成的暴雨，台风暴雨还常常与中尺度系统相联系^[5]。台风外围暴雨是在有利的大尺度背景下，中、小尺度系统活动的结果，其中台风倒槽内暖湿切变线的中尺度对流云团是一个重要条件^[6]。刘晓波等^[7]将台风“罗莎”引发的上海大暴雨分为两个阶段，认为第一阶段暴雨是台风外围云系发展成中小尺度的云团所致，第二阶段是冷空气与台风共同作用带来的稳定降水。游景炎等^[8]在分析了台风外围气流引发河北特大暴雨过程的基础上，建立了台风外围暴雨概念模型，包括低层偏东风干冷空气、中低层暖湿急流、副热带高压急流，更强调了台风本身及其与周围系统共同引起的低空急流在华北特定地形里产生特大暴雨的作用。通过数值模拟，董美莹等^[9]研究发现地形导致局地辐合线和中-β尺度低涡的形成和发展，使得减弱后的台风引起的强降水中心集中在辐合线和地形迎风坡相交之处。强盛的西南季风把大量来自热带海洋的水汽注入登陆后减弱的台风环流，给台风暴雨的持续提供了有利的水汽条件^[10]。这些工作都从不同角度给出了台风暴雨、特别是台风外围暴雨的成因，也给出了台风暴雨的一些分析方法。

1521号台风“杜鹃”登陆福建中部，向西深入内陆并很快减弱，但在其登陆减弱过程中，宁波近半数观测站雨量超过了200 mm，比登陆点附近的福建各地区都大，也超过了更靠近台风的浙江中南部温州、台州等地，宁波成为受其影响大陆降雨量最大的地区。在预报服务过程中，对于降水时段、落区和量级的预报都存在较大的偏差，因此有必要对此次台风登陆减弱后造成宁波大暴雨的成因进行深入分析，以期对此类暴雨的物理过程和触发机制有更清晰地了解。

1 台风概况和雨情 1.1 “杜鹃”概况

台风“杜鹃”2015年9月23日02时在西北太平洋洋面上生成，之后向西偏北方向移动，25日17时加强为台风，27日05时继续加强为超强台风。28日17时“杜鹃”在台湾东部海域减弱为强台风，并于17时50分在台湾宜兰沿海登陆，29日08时50分在福建省莆田市秀屿区沿海再次登陆，登陆时为台风级，中心附近最大风力12级。登陆后强度迅速减弱为热带风暴，向偏西方向移动，在福建境内减弱成低压，29日18时停止编报（图 1a）。

1.2 雨量实况

受台风“杜鹃”影响，宁波市普降暴雨到大暴雨，局部特大暴雨。降水时段为28日05时—30日08时，强降水主要集中在台风登陆福建强度减弱过程中，小时雨量大范围出现20 mm以上的时次大多出现在台风停止编报后的29日20时—30日07时，最大雨强达49 mm·h^-1，出现在30日06时。

在整个台风影响期间宁波累积雨量为254 mm，台风登陆(29日08时)之前雨量为19 mm，登陆后至台风停止编报的29日18时雨量为49 mm，之后雨势大幅增强，继续降水186 mm。而福州在台风登陆以后雨势减弱，温州雨势有所增强，但这两个地方在台风停止编报后都没有出现雨势增强（图 1b）。

1.3 降水性质分析

台风登陆后的9月29日09时—30日06时宁波共发生地闪3 100次，最大正地闪强度为134.2 kA，最大负地闪强度为-221.9 kA。高发时段出现在台风停止编报后的29日20时—30日07时，共发生地闪2 768次，占此次雷电过程地闪总数的89%，峰值时段出现在30日02—05时，3 h地闪频数为1 347次，占本次地闪总数的43%。发生区域主要集中在奉化、鄞州、宁海、慈溪和余姚等地，占本次雷电发生总数的84%。本次台风影响过程的雷电活动持续时间长达22 h，分布范围遍及全市，具有闪电密度大，最大闪电强度强的特点。而且强雷电集中活动期、发生区域与强降水出现的时段和落区相吻合。说明台风减弱后的强降水和对流系统活动有关。

利用探空站资料来分析本次降水过程的环境物理量特征，从表 1可看到，28日20时，沙氏指数SI为0.64 ℃，对流有效位能CAPE为1 385.8 J·kg^-1，此时宁波以稳定性降水为主。到29日20时，SI迅速减小至-2.71 ℃，CAPE增大至1 823 J·kg^-1，这为对流性天气的产生提供了有利的不稳定能量条件，但仍属中等强度^[11-12]。从30日02时的雷达回波剖面图上（图 2a）可以看到，其中有40~50 dBz的小尺度强中心生成发展，且回波高度超过0 ℃线，达到了对流的回波高度。通常台风对应的是低质心回波^[13]，用风暴追踪的方式，追踪强降雨集中且强雷电频发时段宁波雷达有效区域内所有回波的最小底高和最高顶高（图 2b），发现回波顶高大多在7~8 km，个别时段达到9 km，与一般强对流回波十几公里的顶高有区别。也就是说在大多数时间里，这次降水过程的回波还是具有台风低质心回波的特点。

2 环流背景

统计表明，西太平洋副热带高压(以下简称副高)在9月开始逐渐减弱南退，至10月其平均脊线位置为21°N^[14]。但“杜鹃”影响的9月底，副高却异常偏强。

从9月28日08时的天气形势（图 3）可见：500 hPa华南、长江中下游、黄海南部、东海均受副高控制，高压中心位于日本以南的海面上，“杜鹃”处在其中心的西南侧，受东南气流的引导向西北方向移动。之后副高快速加强西伸，脊线在30°N附近，到29日08时592 dagpm线已伸入大陆，副高脊线位置也更加偏北，在台风北侧形成一个高压坝。特别是台湾东北侧附近副高加强西进明显，使得其与台风之间的东南急流明显得到加强，水汽输送增强。而此时副高呈尖头形状，整个40°N以南的西太平洋靠近陆地交界的地区处在一个大脊区中，脊后有暖平流，有利于副高继续发展增强。29日20时，副高逐渐转为方头型，西风带温度场和高度场趋于平行，说明副高已经发展到鼎盛阶段^[15]。由于台风登陆以后，副高不断地加强西伸和台风北侧倒槽结合，使得我国东南沿海的流场呈一定的气旋性弯曲，在台风北侧暖湿气流里不断有东风扰动随着台风倒槽自东南向西北方向输送，在副高边缘激发不稳定能量，有利于强降水的发生。

从红外卫星云图T_BB可见，台风外围螺旋云带从28日20时前后开始逐渐接近宁波，此时台风结构紧密，台风中心附近云顶亮温最低值达-80 ℃以下，外围云带的云顶亮温在-20 ℃以下（图 4a）。到29日17时由于“杜鹃”在台湾、福建两次登陆，造成台风破碎，结构松散，范围明显扩大，宁波处于外围螺旋云带覆盖之下，再加上处在副高的西侧，副高边缘容易对流发展^[16]，此时大陆上的最低云顶亮温出现在宁波附近（-60 ℃以下，图 4b）。30日03时“杜鹃”在深入内陆减弱以后，其云型结构已经完全破碎，此时副高明显加强，在其边缘的宁波附近云顶亮温达-70 ℃以下（图 4c），这期间是宁波最大雨强出现的时间。

结合降水实况、环境场和云图分析发现, 宁波在台风“杜鹃”登陆之前的降水，主要受台风云系扩散和外围螺旋云带影响造成；台风登陆后减弱过程中，由于副高加强西进，在副高西侧(宁波附近)给减弱后“杜鹃”扩散出来的外围云系提供了对流发展的条件，从而形成长时间高强度的对流性强降水。由此可知，台风倒槽和西伸加强的副高西侧边缘重叠是造成此次宁波深厚大气不稳定层结的主要因素。

3 水汽条件

充分的水汽供应是强降水形成的重要条件^[17]。台风“杜鹃”登陆前发展充分，结构完整，强度强，西南偏南侧一直有云系与台风的螺旋云带相连，低层流场也表明西南急流有强水汽输送给台风。热带辐合带的西南急流不停地将水汽和能量输送给“杜鹃”，使得“杜鹃”发展、加强和维持。台风登陆减弱过程中，偏南急流输送一直维持在台风的东侧，沿着海岸线，主要辐合区北抬至30°N附近，持续的急流输送和强辐合区的存在为该区域持续性强降水提供了水汽条件。

分析850 hPa水汽通量随时间的变化（图 5a）可知，台风“杜鹃”影响期间，福州、温州、宁波三个地区的水汽通量基本都维持在100×10⁴ g·cm^-1·hPa^-1·s^-1以上，表明水汽的供应均很充足。宁波并没有得到更多的水汽供应，特别是在台风登陆后福州由于更靠近水汽源地，其水汽通量大于宁波。

研究表明^[18-19]低层水汽通量散度的变化趋势和降水强度之间有一定的相关性。从1 000 hPa水汽通量散度随时间的变化（图 5b）发现，在整个台风影响期间，宁波的水汽通量散度都处在一个负值区，表明当地一直有水汽辐合。无论水汽通量散度负值持续时间还是极小值都超过福州和温州，这说明宁波水汽辐合比上述两地强且持续时间长；尤其是29日08时以后，宁波的水汽通量辐合明显强于福州和温州，而29日20时之后宁波雨量相较于这两个地区明显偏大，说明水汽通量散度与12 h之后的雨量变化有一定的相关性。28日02时水汽通量散度降至接近0线，12 h以后宁波开始出现降水；28日14时开始水汽通量散度迅速减小，12 h之后的29日02时开始雨量逐渐增大；28日20时—29日14时水汽通量散度值低于-10×10^-5 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1并呈下降趋势，而29日08时—30日02时之后的6 h雨量均较大；29日14时水汽通量散度达到极小值-17×10^-5 g·cm^-2·hPa^-1·s^-1，12 h以后的30日02时，出现了6 h雨量超过100 mm的最强降水。29日20时水汽通量散度值开始回升，30日08时后降水也逐渐结束。可见水汽通量散度的变化对降水预报有12 h左右的提前量，可为此类台风暴雨预报提供参考。

4 动力条件 4.1 能量场分析

针对能量场梯度区和台风降水量关系的研究表明，台风暴雨强度和能量场梯度区强度变化呈正相关，能量场梯度区越强，降水量越大^[20]。假相当位温θ_se数值的大小和变化能较好的反映出大气的温湿条件、能量高低及变化、对流不稳定性^[21-22]。为此计算了“杜鹃”影响时段的θ_se值，以探讨能量场分布特点和降水之间的关系。从850 hPa上的θ_se水平分布来看（图 6），28日前台风中心还在海上，我国东南沿海存在一个锋区，宁波θ_se值在320 K左右，处于较低水平。而随着台风登陆，台风倒槽和加强西伸的副高西侧边缘结合，导致宁波θ_se值上升到345 K以上。且宁波附近出现了能量锋区，促使低层暖湿空气向上抬升，并导致降水增强。靠近台风登陆点附近的地区，虽然θ_se值在350 K以上，但能量场梯度很小，缺少必要的动力抬升条件，降水条件反而不如宁波。

研究表明^[23-24]强降水的发生和能量场梯度变化之间有一定滞后效应。从能量场梯度区和随后6 h雨量的对应关系分析，本次强降水出现在29日20时能量场梯度北抬之后，比29日08时能量梯度区控制宁波落后12 h。说明能量场的梯度大小和位置对台风暴雨的预报有较好的指示作用，强降水一般发生在能量场梯度大值区出现之后，有12 h左右的提前量。

4.2 稳定度分析

大气中大暴雨的发生发展与低空流场的辐合、垂直运动的急速发展有关，并常伴有气旋性垂直涡旋的急剧增大^[2]。因而研究气旋性涡度的变化有助于了解暴雨发生发展的机制。在静力近似的P坐标中，忽略ω的水平变化，湿位涡表达式为：

$ MPV = MPV1 + MPV2 = - g\left( {\zeta + f} \right)\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}} + g\left( {\frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial x}} - \frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial y}}} \right) $

(1)

其中，θ_e为相当位温，ζ为绝对涡度矢量，f为科氏参数，其余为气象上常用符号。第一项（MPV1）表示惯性稳定性(ζ + f)和对流稳定性$ - g\frac{{\partial {\theta _e}}}{{\partial p}}$的作用，在北半球绝对涡度一般为正值，故当大气对流不稳定时，有MPV1小于零；反之则MPV1大于零。第二项（MPV2）包含了湿斜压性∇_pθ_e和水平风垂直切变的贡献。该式表明，系统涡度的发展由大气层结稳定度、斜压性和风的垂直切变等因素所决定。

沿着强降水中心宁波所在经度（121°E）做湿位涡经向垂直剖面图，在台风中心远离大陆的27日（图略），22°—32°N的我国东南沿海MPV1都为正值，说明该区域上空大气层结稳定。随着台风“杜鹃”的移近，登陆点附近的MPV1值明显下降，对流不稳定能量增强，厚度加大，再配合台风环流水汽的输送，导致上升运动加强和水汽向上输送，有利于降水加强。此时宁波在600 hPa附近有弱的负值，基本上整层都为MPV1正值区，大气层结较为稳定，仅出现弱降水。在“杜鹃”深入内陆减弱过程中，登陆点附近的MPV1负值区逐渐北移，30日02时在宁波（北纬30°N）形成一个延伸到500 hPa的MPV1负值区，同时在700 hPa以下的对流层低层MPV2值也明显增大，此时正是宁波降水最强时段（图 7）。根据吴国雄等^[25]提出的倾斜涡度发展理论，暖湿气流的加强可导致水平风垂直切变和湿斜压度（MPV2）的增加，并引起气旋性涡度的增加。本次大暴雨过程就发生在对流不稳定（MPV1 < 0）条件下，并伴有和暖湿气流相联系的湿位涡水平分量（MPV2）的发展，触发垂直涡度的增长。由此可见，湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量MPV1和MPV2的分析是暴雨诊断和预报的有力工具。

4.3 中尺度分析

由自动站资料分析所得的地面流场（图 8a、b）可见，在台风登陆之前，浙江沿海主要受到台风外围东北气流控制。台风登陆以后，温州开始转受东南气流影响。而由于北侧副高加强西伸，宁波出现了东北气流和偏东气流的辐合，由此也出现了雨强10 mm·h^-1以上的降水。

在台风深入内陆减弱以后，30日01时，地面上122°E以西，30°N附近形成了一条约100 km的中尺度辐合线，是由副高加强之后南侧的偏东气流，和台风外围的东南气流交汇形成的。这时附近雨势也逐渐加强。到30日05时，风向辐合更加明显，于是出现了小时雨量50 mm左右的特大暴雨。并且该中尺度辐合线一直围绕着最东端的镇海南北旋转（图 8c、d），使得强降水区出现扇形摆动，辐合线扫过的宁波大范围内均出现了强降水，而旋转轴所在的辐合线东端镇海出现335 mm的过程最大雨量，造成该区域地质灾害多发和城区内涝。至30日08时，随着副高减弱，该辐合线减弱消失，降水结束。由此可知，中尺度辐合线的位置和强度对未来1 h的短时临近预报有非常好的指示作用。

5 结论与讨论

利用常规观测和自动站资料、雷达闪电资料、卫星云图和NCEP再分析场资料，诊断分析了1521号台风“杜鹃”登陆福建减弱后造成宁波大范围暴雨的成因，得到以下主要结论：

（1）本次宁波强降雨是由“杜鹃”减弱后的外围云系在加强西进的副高边缘，在适宜的条件下对流发展引发的。本次降水以对流性降水为主，与通常副高边缘强对流降水不同，回波顶高普遍在9 km以下，具有台风降水低质心特点。

（2）本次过程中低层有大范围、长时间充沛的水汽输送，且水汽通量散度变化趋势与雨量的变化有很好的对应关系。水汽通量散度出现负值、极小值、变大与强降水的开始、增幅、结束有提前12 h的预示期。

（3）随着台风的登陆，台风倒槽和加强西伸的副高西侧边缘结合，宁波的θ_se值上升到了345 K以上，能量急剧上升，且附近出现了能量锋区，有利于低层暖湿空气向上抬升，导致降水增强。能量场的梯度大小和位置对台风暴雨的预报有较好的指示作用，强降水一般发生在能量场梯度大值区出现之后，有12 h左右的提前量。

（4）在对流不稳定（MPV1 < 0）条件下，和暖湿气流相联系的湿位涡水平分量（MPV2）也同时发展，并触发垂直涡度的增长，导致了本次暴雨的发生。湿位涡分析，尤其是等压面上湿位涡量MPV1和MPV2的分析是暴雨诊断和预报的有力工具。

（5）中尺度辐合线的位置和强度对未来1 h的短时临近预报有较好的指示作用，分析中尺度辐合线及其变化可以作为暴雨落区预报又一工具。对于辐合线长时间稳定维持的区域，需特别注意暴雨增幅的可能性。