引言

台风暴雨是夏秋季我国东部沿海地区最主要的灾害天气之一，其雨量集中、持续时间长，易造成山洪地质灾害和城市内涝等次生灾害，灾害损失严重^{[1, 2]}。近10多年来，国内针对台风暴雨特征及其形成与发展机理等进行了大量研究，取得许多重要成果。陈联寿^[3]指出，台风暴雨区大体可分两个区域，即台风环流本身的暴雨区和台风远距离暴雨区，历史上许多大的暴雨灾害就是在台风与其北侧副热带高压形成低空偏东急流的形势下发生的。孙建华等^[4]研究认为，高低空急流的相互配合对台风暴雨的产生和加强具有不可忽视的作用。薛华星等^[5]研究发现，对流层高层西风急流位置与登陆中国台风降水具有显著关系，急流位置偏北，中国大陆及东部沿海附近对流层低层相对涡度增强，水汽输送增大，有利于台风登陆后维持，从而增加台风降水。另有一些研究表明，适当强度冷空气侵入台风倒槽和外围，可加剧动力和热力不稳定，使冷空气影响到的附近地区降水量明显增加^[6-8]；地形的抬升辐合在台风暴雨增幅中起到很大作用^[9-10]。对于双台风的相互作用，研究较多地集中在相互作用条件及其对台风路径与强度的影响等方面^[11-13]，而鲜有针对双台风形势下暴雨过程展开研究。Xu等^[14]研究“莫拉克”与“天鹅”双台风相互作用指出，“天鹅”对“莫拉克”台风强度及其产生的暴雨有重要贡献。漆梁波等^[15]分析2010年第6号“狮子山”、第7号“圆规”双台风影响下发生在上海的一次大暴雨过程发现，该过程由于其中一个台风左后侧的偏北气流(相对干冷空气)与另一个台风(或台风倒槽)的东南气流相结合所致，并将其称之为第四类暴雨落区，以此区别于台风本体、螺旋雨带、台风倒槽以及与冷空气结合3类传统的台风暴雨落区。针对2013年发生在华东中南部的“菲特”台风极端暴雨过程，有关研究^[16-18]表明，海上“丹娜丝”台风后侧偏北气流与“菲特”台风倒槽东南气流强辐合是这次极端暴雨过程产生的主要原因。曹晓岗等^[19]对同一过程研究指出，台风“菲特”低压环流与1324号台风“丹娜丝”南下冷空气、台风低压环流云系、“丹娜丝”北侧外围强东风急流三者结合造成切变辐合抬升，是上海产生特大暴雨的主要原因。总体上，在双台风形势下，存在双台风和环境场多重复杂的相互作用，天气形势复杂多变，暴雨落区和强度预报的不确定性明显加大，实际预报中常因缺乏对其发生发展机制的系统研究而导致预报失败。因此，加强对双台风形势下暴雨个例的诊断分析研究，对揭示与双台风形势下暴雨发生发展密切相关的物理因子并构建相关预报模型具有重要的现实意义。

2016年9月15—16日，受“莫兰蒂”台风（1614号）和“马勒卡”台风（1616号）的共同影响，长三角地区发生一次区域性暴雨过程，造成严重人员伤亡和财产损失。为此，本文对这次发生在双台风形势下的暴雨过程进行了诊断分析，以期揭示在双台风形势下影响暴雨落区和强度的主要物理因子，为台风暴雨预报提供参考依据。

1 资料与方法

本文使用的资料主要包括: (1) 2016年9月10—14日1614号台风“莫兰蒂”和9月13—20日1616号台风“马勒卡”的台风报文资料，其要素包括逐3 h间隔的台风中心经纬度、近台风中心最低气压和最大风速、台风10级和7级大风圈半径；(2) 2016年9月13—17日逐小时全国2 300多个自动气象监测站的雨量、风场、温度、地面气压、相对湿度和露点等资料；(3) 2016年9月13—17日NCEP/ NCAR逐6 h的1°×1°再分析格点资料，气象要素包括气温、位势高度、纬/经向风、相对湿度、比湿、垂直速度等；(4) 2016年9月15—16日华东地区多普勒天气雷达0.5°仰角基本反射率因子拼图资料，水平分辨率0.01°×0.01°，时间分辨率6 min。

首先，利用区域自动站资料和华东区域雷达基本反射率因子拼图，分析暴雨过程降水量及其中小尺度天气系统特征；然后，基于NCEP/NCAR再分析格点资料，计算出各层散度、垂直速度、水汽通量、水汽通量矢量等诊断量；最后，参考张万诚等^[20]和卢小丹等^[21]的方法，计算整层水汽通量(从地面到300 hPa积分)，再计算长三角暴雨区域(117°—123°E，28°—33°N)各边界水汽通量收支，从动力抬升机制和水汽输送两方面揭示双台风形势下影响暴雨落区和强度的主要因子。

2 双台风概况与降水实况 2.1 双台风概况

2016年第14号台风“莫兰蒂”于2016年9月10日14时(北京时，下同)在关岛附近洋面生成，其生成后以偏西路径移动，14日02时(台湾南部海面)转为西北偏北方向移动，15日03时05分在厦门翔安沿海登陆，15日20时(福建西北部)转为向北到东北方向移动，大约在16日11时进入太湖西侧的安徽宣城附近(与上海同纬度)，并以较快速度向北到东北方向移动，16日18时左右从江苏南部的东台进入海面(图 1)。“莫兰蒂”近中心最大风力生成后逐渐增强，13日14时近中心风力达到最大为17级(70 m·s^-1)，登陆时台风近中心附近最大风力仍维持15级(48 m·s^-1)，登陆后风力明显减弱，15日17时减弱为热带低压，近中心最大风力维持在16 m·s^-1，17日02时停止编报。

2016年第16号台风“马勒卡”于2016年9月13日08时在关岛附近洋面生成，其生成后以西北偏西路径移动，15日08时转为西北偏北方向移动，18日02时转为东北方向(图 1)。近中心最大风力生成后逐渐增强，17日02时(台湾东部海面)近中心风力达到最大(50 m·s^-1)，为强台风级别。之后，“马勒卡”强度逐渐较弱，于20日20时停止编报。

此过程中，“莫兰蒂”台风生成后，两个台风中心间距为1 400~1 500 km，但15日凌晨“莫兰蒂”登陆后，其间距从15日中午开始逐渐减小，到16日凌晨间距减小到接近1 200 km，并一直维持到16日20时“莫兰蒂”台风停止编报(图 2)。两个台风中心的移动方向角度差显示，13日“马勒卡”台风生成后两个台风的移向角度差较小，但到14日02时增加到50°左右，15日08—11时“莫兰蒂”转向时其角度差最高达90°，此后减小到60°左右，并一直维持到“莫兰蒂”停止编报。图 1显示，两个台风都是沿着西太平洋副热带高压(以下简称副高)外围顺时针方向逐渐转向移动，并未发生逆时针互旋。而两个台风中心的移动速度差显示，15日17时“莫兰蒂”转向前，两者移速差在0~4 m·s^-1之间，之后由于“莫兰蒂”转向东北方向后移速加快，两台风移速差逐渐增加到10 m·s^-1，16日14—17时其最大达到17 m·s^-1。由此可见，两台风中心间距并未随其移速差增大而增大，反而逐渐减小，说明台风中心间距减小的主要原因是台风移动方向的改变。

已有研究^[11]表明，当双台风中心间距在小于15个纬距以内时，即可发生“藤原效应”，即双台风沿逆时针方向互旋。而本次双台风中心之间的最小距离接近1 200 km时却未发生互旋。其主要原因是“马勒卡”位于“莫拉蒂”的东南象限，紧靠副高，其所受的东南风引导气流远大于双台风之间相互作用的影响。此外，台风“马勒卡”生成后强度逐渐增大，而台风“莫兰蒂”在15日早晨登陆后，受地面摩擦作用影响快速减弱为热带低压，即在两个台风中心间距最小阶段其强度差也较大，不利于台风“藤原效应”发生。值得注意的是，两个台风都是沿着副高外围相似路径移动，但“马勒卡”在我国台湾以东洋面就从北路径逐渐转向北偏东方向，其转向点较“莫兰蒂”偏东大约6个经度。究其原因，主要是中纬度西风槽在东移动过程中与登陆减弱后北上的“莫兰蒂”低压残余叠加，西风槽加强东移，使得位于我国华东中南部沿海地区的副高西段削弱，590 hPa等高线向东调整到130°E(图略)，从而“马勒卡”的引导气流发生改变，在靠近台湾前就较快转向西北偏北方向移动。

综上可知，尽管上述两个台风的中心间距最小达到1 200~1 300 km，但并未发生逆时针互旋，而是通过登陆台风与东移西风槽叠加使副高西段减弱，造成副高主体向南调整，从而改变了海上台风的引导气流，使之较快地沿着副高向北转向移动。

2.2 降水实况

“莫兰蒂”在厦门登陆时其近中心最大风力达15级(48 m·s^-1)，是自1949年以来登陆福建南部最强的台风。“莫兰蒂”登陆前后福建东部出现12级以上大风，厦门局地达到16~17级，且伴随暴雨或大暴雨(图 3a)。登陆后，受台风低压倒槽及其环境场影响，15日08时至16日08时浙江北部、上海、江苏南部等地出现大暴雨(图 3b)。其中，浙江全省面雨量108 mm，有583个乡镇24 h累计雨量超过100 mm，其中127个乡镇超过200 mm、19个乡镇超过300 mm。江苏216个乡镇24 h累计雨量超过100 mm，句容市最大雨量达199.1 mm。上海也普降暴雨，崇明东部和浦东部分站点24 h累计雨量超过250 mm。受强降雨影响，上述地区发生农田大面积被淹、城市内涝、房屋倒塌等灾害，浙江温州还出现较严重人员伤亡。

进一步分析雨量较大的上海浦东南汇站(121.78°E，31.05°N)和宝山站(121.45°E，31.4°N)气象要素演变可知(图 4)，南汇站强降雨主要发生在15日14时—16日14时24 h内，其中16日02—08时6 h最大雨量达到63.8 mm，而略偏北的宝山站强降雨结束时间偏晚6 h，降雨强度和降雨总量都小于南汇站，该站最强降雨强度同样出现在16日02—08时，最大6 h降雨量为48.0 mm。对比图 1中“莫兰蒂”移动路径发现，上海地区强降雨发生时段正处于“莫兰蒂”低压残余从西北路径转向北偏东北方向移动的过程中，而强降雨区发生在台风低压残余的东北侧到偏东侧，16日下午到傍晚台风低压残余越过上海同纬度，降雨过程趋于结束。此外，16日14时前，两站地面风向维持偏东风，温度和露点温度差都接近0 ℃，说明低层水汽接近饱和，地面气压急剧下降，24 h内下降近10 hPa。至16日14时，风向顺转为偏南风，地面气压开始缓慢升高，温度和露点温度小幅增大，且温度增幅大于露点温度，温度露点差接近1.5 ℃。可见，上海地区强降雨发生在台风低压残余逐渐接近上海的时段，在台风越过同纬度前后气压升高、温度回升、水汽减少，强降雨随之逐渐结束。

综上所述，本次长三角地区暴雨落区主要位于“莫兰蒂”台风登陆后的低压倒槽内，其降雨量远大于台风登陆时段附近沿海的降雨量。分析上海代表站点地面气象要素时序变化显示，强降雨发生时段地面水汽饱和、气压急剧下降、风向顺转、气温微升，对强降雨预报有一定的参考意义。

3 暴雨成因分析 3.1 高低空急流耦合

从2016年9月15日20时、16日14时200 hPa和850 hPa风场及散度场可见，15日20时，对流层高层200 hPa风场和散度场(图 5a)从江苏、安徽一直到朝鲜半岛有一条中心风速大于30 m·s^-1的高空急流区(图 5中红色风向杆)，长三角地区正好处于高空急流出口区右后侧，且存在明显的辐散中心，其中上海宝山站对应的散度值最大接近6×10^-5 s^-1。相应地，15日20时对流层低层850 hPa风场和散度场(图 5c)长三角地区正好位于“莫兰蒂”台风东侧与副高之间低空南到东南风急流(图中红色风向杆)的左前方，即“莫兰蒂”台风倒槽顶端的辐合区，浙江北部、上海、江苏南部散度值也达-6×10^-5 s^-1左右。这种低层辐合配合高层辐散的结构是典型的有利于强降水发展与维持的动力机制。到16日08时(图 5b、d)，随着高空槽东移，对流层中高层急流和辐散区东移到黄海中北部到朝鲜半岛，长三角地区高层辐散抽吸作用减弱。同时，随着“莫兰蒂”热带低压向北到东北方向移动，低压倒槽顶端的对流低层辐合中心北移到上海崇明岛到江苏南部，长三角地区对流层低层辐合抬升作用减弱。相应地，从16日08时起，强降雨区北抬，浙江、上海等地降雨逐渐减弱。由此可见，此次长三角地区暴雨过程发生在高低空急流耦合的条件下，即对流层中低层“莫兰蒂”台风低压残余北上与副高之间形成中尺度急流，低压倒槽东北侧顶端形成低层辐合区，而在对流层高层存在槽前西南风高空急流和辐散区。

3.2 冷暖空气辐合抬升

从9月15日08时—16日20时1 000 hPa温度场与风场叠加图上(图 6)可见，苏皖中南部存在一个温度值为22 ℃的闭合低温中心，而受台风低压与副高西北侧暖湿气流北上的影响，我国东南沿海地区为暖中心，在浙江—上海沿海地区形成一东北—西南向温度锋区，锋区西北侧为西北风，锋区东南侧为东南风，锋区位置与前述上海到浙江中北部沿海南北向强降雨带位置相吻合。随着“莫拉蒂”台风低压残余和“马勒卡”台风北移，该温度锋区位置逐渐北抬东移。到16日20时(图 6d)，锋区北侧已到达江苏南部沿海到上海一带，温度锋区位置和移动趋势与强降雨区位置和移动趋势基本一致。由此可见，苏皖地区对流层中低层存在明显的冷高压气团，此冷气团与浙闽沿海南到东南风急流相遇，暖湿空气在弱冷空气形成的低层冷垫上爬升，加强了低层气流辐合上升，使得水汽和能量在长三角地区强烈汇聚，从而十分有利于对流不稳定增强。

进一步分析9月15日20时沿121.5°E过暴雨中心的垂直速度经向垂直剖面(图 7a)可知，与强降雨区对应的28°—32°N范围存在一较强上升运动区，而其北侧32°—34°N区域对流层中低层也伴随一个随高度略向北倾斜的下沉运动区，且下沉运动区一直触及地面。同样，从沿31°N过暴雨中心的垂直速度纬向剖面图(图 7b)上看到，与强降雨区对应的119°—123°E范围为上升运动区，该上升运动区西侧700 hPa以下为下沉运动区，其下沉运动强度明显大于北侧上升运动强度，且下沉运动区发生位置较北侧上升运动区更加偏低。由此可见，来自“莫兰蒂”台风西北侧对流层干冷空气的侵入，以及冷暖空气交汇使得中低纬度不同气团相互作用造成大气层结不稳定和上升运动加强，是此次大暴雨过程形成的重要原因，这与孙建华等^[4]在研究1996年第8号台风登陆北上引发北方特大暴雨时得到的“华北高压南侧的偏东风输送弱冷空气至台风倒槽之外对暴雨的产生起关键作用”的结论是一致的。

综上可知，影响此次暴雨过程的冷气团主要来自苏皖地区，当其与浙闽沿海地区南到东南风暖湿气流相遇在浙江到上海沿海地区形成东北—西南向温度锋区后，促进低层暖湿气流辐合上升，强降雨落区与温度锋区的走向基本一致，且主要位于暖气团一侧。

3.3 水汽输送与汇聚

某个区域水汽通量输入、输出是影响该区域强降雨的重要因素。本文利用NCEP/NCAR逐6 h再分析资料，计算整层大气水汽通量。图 8给出9月15日08时—16日14时逐6 h整层水汽通量分布，其中垂直积分取地面至300 hPa。从中看到，造成长三角地区暴雨的水汽来自两支气流汇聚，一支为减弱后的“莫兰蒂”热带低压倒槽东侧的偏南气流，另一支为与“马勒卡”台风紧密相联的东南气流。相应地，15日20日之前(图 8a—c)，华东沿海存在A、B两个水汽通量大值区，位置偏南的A区基本位于福建中北部，主要为“莫拉蒂”台风登陆后带来的水汽，位置偏北的B区位于浙江境内，与其东南侧的“马勒卡”台风外围水汽紧密相联，两个水汽通量大值区随时间逐渐北移。到16日02时(图 8d)和08时(图 8e)，随着“马勒卡”与“莫兰蒂”台风低压残余间距减小，华东沿海地区两个水汽通量大值区合并为AB区，且来自于“马勒卡”台风外围的水汽输送更明显，说明该阶段暴雨云团不仅有“莫兰蒂”台风低压残余直接供给水汽，也有来自位于热带洋面东南侧“马勒卡”台风外围源源不断的水汽输送，这从一个方面也解释了前述为何本次暴雨过程在长三角地区降雨强度要远大于“莫兰蒂”登陆前后阶段。16日14时(图 8f)后，长三角地区水汽通量大值区逐渐从江苏南部、上海一带移到海上，该地区暴雨随之减弱。

为了定量评估“马勒卡”台风对此次长三角地区暴雨过程的水汽贡献，选取9月15日08时—16日08时强降雨主要区域(117°—123° E、28°—33°N，图 8a中黑色虚线方框所示)，计算该区域各边界水汽通量收支变化，时间间隔为6 h，高度从地面至300 hPa层，正值表示水汽通量输入，负值表示水汽通量输出。计算结果(图 9)显示，造成此次长三角地区暴雨过程的水汽主要来源于暴雨区南边界和东边界，其中南边界水汽通量在15日08时前后达到最大值30×10⁷ kg·s^-1，并一直维持到16日08时，东边界水汽通量输入在16日08时前也维持在5×10⁷ kg·s^-1之间。总体上，南边界水汽通量输入贡献远大于东边界的贡献，且南边界水汽通量输入最大时段与强降雨发生时段(15日14时—16日08时)吻合。而西边界和北边界为水汽通量输出。结合对图 8中对流层低层水汽通量矢量分析可知，东边界水汽通量主要来源于位于热带洋面“台风”外围的水汽，而南边界水汽通量输入为“莫兰蒂”台风外围水汽通量和“马勒卡”台风外围水汽通量的偏南分量，从而进一步证明了“马勒卡”台风外围水汽对此次长三角暴雨过程的贡献。此外，暴雨区边界水汽通量收支变化与暴雨强度变化对应关系较好，暴雨区边界水汽通量变化对强降雨预报有较好的指示意义。

综上分析表明，此次长三角暴雨过程的水汽除来自于“莫兰蒂”台风低压残余外围的偏南气流之外，更主要的是来自热带洋面东南侧“马勒卡”台风外围的暖湿气流，它为暴雨区提供了源源不断的水汽输送。

3.4 局地中尺度对流系统发展

现代大气科学观测和研究表明^[1-2]，在热带和中纬度地区甚至青藏高原局部地区，中尺度对流系统(MCSs)是最主要的致灾性降水系统，MCSs频繁发生可直接造成严重暴雨灾害。就本次暴雨过程而言，在9月15日20时—16日08时逐6 h多普勒天气雷达0.5°仰角基本反射率因子拼图上(图 10a—c)，长三角地区始终存在一稳定少动的中心强度为50 dBz的强对流回波区，该强对流回波区在15日20时前后主要呈块状，后逐渐演变为窄带状，最强回波带主要呈南北向，且主要位于苏浙沪沿海地区，到16日08时，强回波区逐渐北移，且窄带结构愈加明显、回波强度略增。对应时刻地面自动气象站风场(10d—e)显示，浙江中部地区存在一个气旋式地面中尺度低压中心。值得注意的是，该低压中心及其相关联的β中尺度对流系统(M_βCS)不随台风中心明显北移，直至16日10时“莫兰蒂”台风低压到达上海附近后才与台风残余低压环流合并，涡旋状对流回波也移入江苏中北部。可见，稳定少动的强对流回波区与地面β中尺度低压关系密切，正是台风低压倒槽内M_βCS的稳定维持, 使得长三角地区强降雨维持达12 h以上。

进一步分析此次长三角地区MCSs形成的原因发现，可能与浙江陆上山地强迫作用有关。已有研究^[22-23]表明，浙西南、闽北为崇山峻岭，浙东北为平原区，地势西南部高并向东北逐渐降低(图 11)，对比图 10中近地面风场可知，“莫兰蒂”台风倒槽东北侧来自海上的低空东南暖湿气流恰好处于西南—东北向山脉的迎风坡，地形强迫引起低层暖湿气流扰动抬升，触发MCSs并使之发展。此外，有关数值试验结果^[24]表明，MCSs发展后凝结潜热释放加热大气，使得加热层附近大气层结趋于不稳定，可为强降雨维持储备不稳定能量，并维持强烈的辐合上升运动。

综上分析表明，除有利的高低空环境场和水汽条件外，山地对台风倒槽近地层环流具有强迫作用，使得迎风坡气流抬升运动加强，诱生MCSs并使之发展维持，这也是此次长三角地区暴雨过程发生的重要原因之一。

4 结论与讨论

本文利用常规观测资料、多普勒天气雷达资料与NCEP再分析资料，对2016年9月15—16日发生在双台风形势下的长三角地区暴雨过程的形成原因进行了诊断分析。主要得到如下几点结论：

(1) 本次暴雨过程发生在“莫兰蒂”台风登陆后的台风倒槽顶端，其持续时间长，降雨强度大，地面气象要素变化显示强降雨时段内气压急降、风向顺转、气温微升等特征，对降水预报有一定的指示意义。

(2) 对流层中低层，暴雨区位于“莫兰蒂”台风倒槽顶端的辐合区以及对流层中高层高空急流右后侧的辐散区，这种低层辐合抬升、高层辐散抽吸的动力机制非常有利于强降水发展与维持。

(3) 产生暴雨的水汽不仅有“莫兰蒂”台风低压残余直接供应，更主要的是来自热带洋面东南侧“马勒卡”台风外围源源不断的输送，使得台风登陆后在长三角地区降雨强度远大于“莫兰蒂”登陆前后阶段该地区降雨强度。

(4) 在台风西北侧苏皖地区对流层中低层存在冷空气侵入，与台风倒槽在浙江到上海沿海地区形成东北—西南向温度锋区，造成大气层结不稳定、上升运动加强。

(5) 由于浙闽山地地形的强迫作用，加强了迎风坡气流的上升运动，从而诱发β中尺度系统并使得其发展维持。

(6) 分析暴雨区边界水汽通量收支变化表明，暴雨区边界整层水汽通量收支变化与暴雨强度变化对应关系较好，且有6~12 h的提前量，对强降雨预报有一定的参考价值。

需要指出的是，本研究主要是基于观测和再分析资料所做出的诊断分析，有关双台风相互作用及其对降雨的贡献、冷空气和地形对降水发生发展的影响机制等，还缺乏定量分析与讨论，对本次区域暴雨过程发生发展的综合概念模型也未作凝练。下一步将采用中尺度数值模拟方法对上述问题进行定量研究，再以此为基础凝练预报概念模型，以期为今后类似暴雨预报提供更有价值的参考。