引言

台风往往会造成区域性暴雨洪涝，并可能诱发山体滑坡、泥石流等地质灾害，给人民生命财产带来巨大损失(梁必骐等, 1995)。台风暴雨过程的分析和预报一直是天气预报业务关注的重点(许映龙等, 2010; 任丽等, 2019)，台风登陆后与中纬度天气系统相互作用的机制复杂，登陆台风暴雨过程预报也是天气预报业务的难点(雷小途和陈联寿, 2001)。早在20世纪50年代，国外的学者就对台风与中尺度系统相互作用机理进行了研究，如Knox(1955)、Sekioka(1956)提出了登陆台风和锋面相遇时，能产生新的温带气旋的观点；Schumache等(2011)、Wang和Fudeyasu(2009)认为台风的水汽输送与中纬度低槽有利的动力和热力条件相结合，容易在台风外围产生暴雨。国内学者对于内陆台风暴雨也进行了大量研究，认为冷空气的侵入能够诱发中小尺度天气系统的发展。陈联寿和丁一汇(1979)指出，当台风遇到冷空气时，热力结构变为不对称，斜压性增强，台风外围锋区加强；刘会荣和李崇银(2010)认为，冷空气能使暴雨区上空的垂直运动更旺盛；何立富等(2009)研究指出，冷空气容易触发边界层能量锋区附近的中尺度对流系统；汤鹏宇等(2015)认为，冷空气使得暴雨区上空的大气不稳定度和气旋性涡度增强，有利于中尺度系统发展。观测事实也表明，弱冷空气的侵入能使得台风内部的中小尺度对流系统发展旺盛，进而产生极端降水天气(曹晓岗等, 2014; 吴志彦等, 2016; 陈鹏等, 2017)。模拟试验表明，只有适当强度的冷空气才会使得台风降水发展增强，过强或过弱的冷空气均不利于台风暴雨的出现(姚增权等，1985；韩瑛和伍荣生，2008；陆佳麟和郭品文，2012)。姚增权等(1985)进行了冷空气影响时台风的流体动力学模拟实验，以某一点地面降温幅度定义冷空气强度，降温1.4 ℃以下为弱冷空气，降温在2 ~3.5 ℃为中等强度冷空气，而降温大于4.2 ℃为强冷空气，实验结果表明只有在弱冷空气影响时台风才会有所发展，太强的冷空气会使台风迅速消亡，这项研究为冷空气的敏感性试验提供了一种定量化参考方案。韩瑛和伍荣生(2008)对0428号台风“南玛都”北边界温度依次降低2 ℃、4 ℃、6 ℃、8 ℃进行数值敏感性试验，指出冷暖空气侵入最主要改变的是热带气旋外围流场，冷空气侵入后热带气旋外围温度梯度增长，加剧了动力和热力不稳定。陆佳麟和郭品文(2012)采用对关键区整层大气降低(升高) 5 ℃增强(减弱)入侵冷空气强度的试验方案，利用WRF中尺度模式对0716号台风“罗莎”的变性过程进行数值敏感性试验，结果表明太强或太弱的冷空气均不利于台风的变性加强。钮学新等(2005)采用气候统计分析与数值模拟相结合的方法，研究了冷空气对于热带气旋外围降水的作用，认为适量冷空气侵入台风倒槽和外围会使得冷空气影响附近地区降水量明显增加，是造成台风外围及倒槽降水大幅度增加的重要机制。关于弱冷空气在登陆台风暴雨过程中的作用，以往的研究或采用天气学方法进行分析，或采用数值模拟方法进行研究，研究成果丰富了人们对于台风暴雨过程的认识，对台风暴雨预报亦具有指导意义，但对于冷空气如何触发台风外围中尺度对流系统以及维持其生命史仍值得进一步研究。安徽历史上很多极端暴雨事件均是弱冷空气和台风共同作用产生的(姚晨等，2010)。2014年第10号台风“麦德姆”引发的安徽强降水过程降水时段集中、对流性强且雨强大，共造成60.6万人受灾，直接经济损失2.2亿元，灾情十分严重。已有研究(郭达烽等，2014)表明，“麦德姆”登陆后迅速减弱呈空心结构，降水主要出现在台风的东北象限和冷空气结合的部位。然而，冷空气入侵后，“麦德姆”中尺度对流系统触发机制、热力结构演变过程、不同强度冷空气对台风降水过程影响的研究并未深入开展。研究这些问题将有助于理解冷空气和台风相互作用的机制，有助于揭示冷空气在触发对流、维持对流生命史等方面的作用，本文采用多种资料对2014年“麦德姆”台风暴雨对流系统的天气背景、触发机制以及生消演变过程进行分析，并用中尺度数值模式WRF进行侵入冷空气强度的数值敏感性试验，以期为该类台风暴雨预报提供更多的参考依据。

1 资料和方法 1.1 资料说明

采用的资料包括常规探测资料、NCEP/NCAR 1°×1° 6 h间隔的FNL再分析资料、NCEP GFS 0.5°×0.5° 6 h间隔资料、多普勒雷达资料以及空间分辨率为20 km左右的中尺度地面自动站资料。

1.2 模拟试验方案

采用WRFV3.4中尺度模式对“麦德姆”台风进行模拟。模式区域水平分辨率分别为27 km、9 km、3 km，垂直层数为28层，模式顶为50 hPa；第一层和第二层网格使用kessler scheme微物理参数化方案和Kain-Fritsch scheme积云参数化方案，第三层网格使用了Eta微物理参数化方案。采用NCEP GFS 0.5°×0.5° 6 h间隔资料作为初始条件和侧边界条件，模式积分初始时刻为7月23日20:00，积分48 h。

此次台风暴雨过程锋区位于112°—118°E、34°— 40°N，故将此范围视为冷空气源地(关键区)。敏感性试验中通过改变关键区内整层的温度来改变入侵冷空气强度，整层温度增加5 ℃减弱冷空气(敏感性试验Ⅰ)，整层温度降低5 ℃增强冷空气(敏感性试验Ⅱ)，与不改变冷空气强度(控制试验)比较，分析“麦德姆”在不同强度冷空气作用下，台风外围对流系统的发展演变特点。

2 降水实况和天气背景 2.1 降水实况

2014年第10号台风“麦德姆”(1410)生成后一直沿副热带高压(以下简称副高)外围移动，于7月23日15:00 (北京时，下同)在福建福清沿海登陆，经福建、江西于24日16:00进入安徽境内，至25日03:00由安徽转向进入江苏。受其影响，7月24日安徽淮河以南大部分地区陆续出现强降水，图 1a为“麦德姆”影响安徽主要时段24日08:00—25日08:00累计降水量，分析可知，江淮东部、江南西部和大别山区降水量普遍超过100 mm，强降水中心位于滁州附近。从逐时降水量分布(图略)来看，江淮东部降水集中时段为24日19:00— 23:00，约有100个乡镇小时降水量超过30 mm，由图 1b给出的24日14:00—25日08:00全椒县黄栗树水库逐时降水量分析可知，小时降水量极值出现在20:00— 21:00，达95.2 mm (图 1b)。江淮东部的降水呈现出降水时段集中、对流性强且雨强大的特点。

2.2 天气背景

从常规探空500 hPa形势场分析，“麦德姆”登陆前主要在副高外围东南气流的引导下稳定向西北方向移动(图略)。登陆福建后，24日20:00 (图 2a)河套地区有低槽东移南下，副高减弱南退，“麦德姆”转向偏北方向移动并入西风槽中。从距离暴雨中心最近的南京探空站24日20:00的T-logp图分析可知(图 2b)，随着“麦德姆”北行，南京上空的湿层从地面一直向上延伸到400 hPa，较深厚；925 hPa东南风速达20 m·s^-1，500 hPa为8 m·s^-1的偏南风，925—500 hPa南京上空风向随高度顺转，显示有强暖平流输送和强垂直风切变。综上分析可知，在冷空气作用下，“麦德姆”外围的边界层急流、强暖湿平流输送以及强垂直风切变等均为强降水过程的发生提供了有利条件。

3 冷空气入侵后的热力结构变化

冷空气侵入会导致热带气旋发生变性，大多表现为热力结构从对称变为不对称，从对称暖心结构的热带气旋逐渐变化为具有锋面斜压结构的温带气旋(丛春华等，2012)，而斜压锋生过程容易触发中尺度对流系统，进而产生强降水。利用NCEP/NCAR 6 h间隔的FNL再分析资料计算假相当位温θ_se可知，24日08:00 (图略) 850 hPa的θ_se锋区位置位于112°—118°E、34°— 40°N，锋区内存在θ_se密集带，θ_se梯度大，50 km范围内相差12 K。受“麦德姆”外围暖湿环境影响，安徽大部分地区处在352~356 K的高能区内。24日14:00 (图略)348 K线(与冷空气对应)南压至沿淮一线，表明有冷空气南下，θ_se锋区呈东北-西南向，锋区位置与强降水回波位置相对应。随着“麦德姆”的西北行，20:00江南中部有360 K的高能中心发展，348 K线南压至江淮东部，江淮东部位于θ_se的锋区密集带上。从江淮东部暴雨区上空θ_se高度-时间剖面图分析可知，24日08:00 (图 3a) 925 hPa以下为高能区控制，1 000—850 hPa的θ_se随高度增加而减小，大气层结呈不稳定状态。24日20:00，925 hPa以下基本为360 K的高能区控制，等θ_se线向上凸起呈“Ω”型，348 K的冷空气侵入至850 hPa附近，1 000 hPa与850 hPa的θ_se相差12 K，暴雨区上空大气边界层的不稳定度较24日08:00有所加强，冷空气侵入使得台风外围环流的斜压性增强，暴雨区上空大气不稳定度加强。

为进一步分析“麦德姆”的热力结构变化，选取以台风中心为中心的10°×10°正方形区域，计算1 000— 300 hPa的温度距平，并沿118°E做温度距平高度-纬度剖面图。分析可知，24日14:00 (图略)，“麦德姆”呈现明显的暖心结构，34°N以北有冷空气从700 hPa以下侵入；至24日20:00 (图 3b)，随着冷空气进一步南下，低层出现负的温度距平，暖中心抬升至中高层，热力结构变为不对称；25日08:00 (图略)，中层的暖中心进一步减弱，冷空气已完全占据台风环流中低层，热力结构呈现下冷上暖的特征，“麦德姆”逐渐变性为温带气旋。

综上所述，虽然热力结构的变化使得台风中心强度迅速减弱，中心附近降水减弱，但是大气不稳定度的增加及热力结构的改变使得台风外围容易触发中尺度对流系统。江淮东部的强降水过程发生在“麦德姆”北上逐渐变性的过程中，冷空气的侵入使得台风外围的大气斜压性增强，层结更加不稳定，有利于中尺度对流系统的发生发展，进而产生强降水过程。

4 中尺度系统发展演变特征

强降水的产生一般伴随着中β尺度对流风暴的生成发展，而中尺度对流系统的触发主要是由冷空气侵入造成的(曹晓岗等，2014；吴志彦等，2016；刘雯等，2016；陈鹏等，2017)。从逐时地面中尺度自动站的流场分布可知，24日18:00 (图略)沿淮东部地面风场上为偏北风，表明有冷空气南下，沿江东部受“麦德姆”外围影响为偏东风，江淮之间存在地面辐合线；温度场上24 ℃地面等温线位于沿淮，江淮东部地面温度在25~26 ℃之间；南京站多普勒雷达反射率因子图上，江淮东部有大片30~40 dBz的对流回波，片状回波中有多个强度超过45 dBz的强对流单体发展，边界层内冷空气侵入台风外围触发了对流系统。19:00 (图 4a)，江淮东部偏北风风速增大至6~8 m·s^-1，含山附近形成了中β尺度(40 km左右)的低压环流，地面辐合强度明显加强；随着冷空气南下，24 ℃地面等温线有所南压，江淮东部存在明显的温度锋区，温度梯度大，100 km范围内相差4 ℃。地面中尺度低压的出现、温度梯度的加大使得江淮东部的对流有所发展；雷达反射率因子显示，含山附近超过45 dBz的回波覆盖面积不断增大，发展成与地面中尺度低压尺度相当的中尺度对流系统。20:00—23:00 (图 4b)，随着“麦德姆”北上，沿江东部位于其外围东北象限，逐渐转为东南风，形成一支流向地面辐合线的显著气流，而此时辐合线北侧的北风强度维持，这种风向调整使得暴雨区上空的中尺度对流系统进一步发展，对流强度明显增强，形成一条东北-西南向的中β尺度辐合线；雷达反射率因子图上表现为块状降水回波逐渐向带状回波调整，调整后的带状回波长约150 km，宽约60 km，超过45 dBz的强回波呈现螺旋状，位于带状回波的暖区一侧，宽约20 km左右，稳定维持在江淮东部长达2~3 h。螺旋状强回波顶点附近有中γ尺度的强对流风暴生成(图 4d)，造成局地强降水，降水系统呈现明显的多尺度特征。台风外围暖湿气流的加强使得对流系统进一步发展，冷空气和台风外围的暖空气相互对峙造成江淮东部辐合加强及降水回波稳定少动。南京雷达站的径向速度场上，24日17:00 (图略)南京站北部110 km处有负速度区发展，对应为偏北风，雷达站西北方向50 km以内(江淮东部)为偏东风，径向速度图上表现为零速度区；18:00 (图略)，负速度区逐渐南压，随着台风西北行，暴雨区上空的南风分量开始增大，雷达站西北方向50 km以内转为大片的正速度区控制；19:00—20:00 (图 4c)测站西北方向30 km处出现中心强度为10~15 m·s^-1的偏北风，在暴雨区附近上空形成一条近东西向的中β尺度辐合带。1.5°—2.4°高仰角径向速度场(图略)显示暴雨区上空为一致的正速度区，说明冷空气侵入的高度低，距离地面2~3 km。暴雨区上空沿雷达径向的速度剖面图(图略)显示，江淮东部雷达径向速度辐合的高度很低，基本在1.5 km以下。此外，在中β尺度辐合带内有中γ尺度强对流风暴发展，24日20:39 (图 4d)径向速度场上，在雷达站北部大片的负速度区内有2 km×4 km的正速度区发展，对应中γ尺度辐合，这种局地的强辐合使得该强对流单体移经地出现了80 mm·h^-1以上的短时强降水。

综上分析可知，“麦德姆”台风暴雨中的中尺度对流系统的触发首先是由边界层内冷空气侵入台风外围造成的，之后台风外围暖湿气流的加强使得对流系统进一步发展，冷空气和台风外围的暖空气相互对峙是造成江淮东部辐合加强及降水回波稳定少动的主要原因。强降水过程的降水回波呈现出典型的热带系统降水回波特征，回波质心低、降水效率高；中γ尺度的辐合主要表现为雷达速度场上的速度对，且与局地强降水中心相对应。

5 冷空气入侵强度敏感性试验

冷空气的侵入是触发“麦德姆”台风外围对流系统生成发展的重要原因，为进一步分析冷空气在“麦德姆”台风暴雨过程中的作用，本文利用WRFV3.4中尺度模式，通过改变入侵冷空气的强度对“麦德姆”台风进行数值敏感性试验，以研究入侵冷空气强度对“麦德姆”台风外围中尺度系统结构的影响。

5.1 控制试验和实况对比

控制试验对于主雨带位置、走向和强中心的模拟(图 5a)均与实况(图 1a)较为一致，尤其是对于江淮东部暴雨以上量级的降水分布模拟较好，但对于大别山区和皖南山区的强降水模拟不足。对台风路径的模拟，控制试验和实况相差较小(图略)，48 h内的偏差基本在30 km以内。控制试验对台风移速的模拟略快于实况。台风强度变化的模拟也与实况比较一致，均是以缓慢减弱为主，0~6 h台风强度和实况相差约6 hPa左右，24 h之后控制试验的台风强度更加接近实况(图略)。随着台风北上，控制试验中冷空气主要从700 hPa和地面附近侵入(图 6a)，以滁州站为例，地面温度降幅为1 ℃，冷空气强度与实况较为一致。因此控制试验总体上较好地模拟出了“麦德姆”的移动路径、移动速度以及强度变化，同时也较好地模拟了冷空气入侵产生暴雨的过程。因此，可利用数值模拟结果对此次暴雨过程做进一步分析。

5.2 控制试验和敏感性试验对比

分析控制试验和敏感性试验Ⅰ、Ⅱ模拟的2014年7月24日08:00—25日08:00 24 h降水量(图 5)可知，控制试验对于暴雨以上量级的降水空间分布模拟优于敏感性试验Ⅰ、Ⅱ。敏感性试验Ⅰ暴雨区的范围和强度较控制试验均明显减小；敏感性试验Ⅱ暴雨区的范围虽与控制试验结果较一致，但强降水的持续时间不长，超过100 mm的降水范围明显小于控制试验结果。三个试验方案均模拟出了台风北上过程的低压环流减弱趋势，但是控制试验对台风低压环流维持时间的模拟比敏感性试验略长2~3 h (图略)。冷空气的影响方面，分析24日夜里暴雨区地面温度的变化可知，控制试验中滁州附近地面温度降幅为1 ℃，与实况一致(图略)；敏感性试验Ⅰ的地面温度变化不明显，敏感性试验Ⅱ的地面温度降幅在4 ℃左右(图略)。

为了进一步分析减弱、增强冷空气后，“麦德姆”外围对流系统的发展演变特点，分析沿118°E经暴雨中心的θ_se和垂直速度高度-纬度剖面图(图 6)可知，控制试验较好地模拟出了冷空气从低层侵入“麦德姆”并触发对流的过程。24日19:00 (图 6a)强降水开始时刻，暴雨区(32°N)南侧近地面为高θ_se的暖湿空气，北侧低于350 K的低能区则与干冷空气对应，暴雨区上空900— 700 hPa的θ_se随高度迅速减小，存在近乎垂直的θ_se密集带锋区，锋区北侧(32°N以北)垂直速度场上700 hPa附近有与冷空气对应的下沉运动，锋区附近上升运动中心最强接近3×10^-3 hPa·s^-1，上升气流和下沉气流维持时间较长。24日23:00 (图 6b)，θ_se高能区向北发展至32.5°N，冷空气势力与暖空气势力相当，使得32.5°N上空θ_se的梯度仍然较大，垂直速度场上亦维持较强的上升运动。控制试验的模拟结果(图 6a、b)和实况雷达回波(图 4a、b)的生消发展对应较好，冷空气在32°N附近触发对流，随着台风北行，暖湿气流加强，强回波带逐渐向北(32.5°N)发展，冷暖气流相互作用使得暴雨区上空有明显的垂直运动维持。冷、暖气流的对峙是对流维持时间较长的主要原因，而降水的产生释放大量潜热能，为“麦德姆”的维持提供了能量，台风低压减弱缓慢。

关键区内冷空气强度减弱(敏感性试验Ⅰ)条件下，台风在北上过程中中纬度地区大气亦表现为层结不稳定(图 6c、d)，θ_se随高度有所减小，但由于触发条件不够，垂直速度场上没有强的上升运动与之配合，不足以触发不稳定能量，对流强度弱。冷空气强度加强(敏感性试验Ⅱ)条件下，北侧与冷空气对应的θ_se低值区内存在较大梯度，在台风外围形成强θ_se锋区。强降水开始时刻19:00 (图 6e)，暴雨区上空θ_se随高度迅速减小，存在强的层结不稳定，垂直速度场上有强的上升运动中心与θ_se的锋区相对应，但持续时间不长。至23:00 (图 6f)，32.5°N北侧的700 hPa和地面附近存在θ_se低值中心，强冷空气从暴雨区北侧中低层侵入，不稳定层结被破坏；垂直运动场上亦表现为上升运动中心被破坏，下沉气流迅速进入了台风，台风暖中心被破坏，对流维持的时间短。

冷空气入侵使得“麦德姆”北侧锋区附近的垂直运动发展维持，而长时间、强垂直运动的存在则直接导致了台风外围中尺度对流系统能发展旺盛并维持较长的生命史，有利于持续强降水的产生。冷空气过弱时，对流发展的强度弱，不稳定能量不能完全被触发释放，台风逐渐消亡减弱；冷空气过强时，台风外围的中尺度对流系统虽然能被触发，但中尺度对流系统的生命史短，不利于产生持续性强降水。

6 结论与讨论

通过对“麦德姆”台风暴雨过程中对流系统产生的天气背景、触发机制以及生消演变过程进行分析，揭示了冷空气在触发、维持对流发展中的重要作用，并通过改变入侵冷空气强度进行数值敏感性试验。得出以下结论：

(1) 江淮东部强降水发生在“麦德姆”北上逐渐变性的过程中，冷空气的侵入使得台风热力结构改变，台风外围的大气斜压性增强，层结更加不稳定，有利于中尺度对流系统的发生发展。

(2) 对流系统的触发首先是由边界层内冷空气侵入造成的，台风外围暖湿气流的加强使得对流系统进一步发展。冷空气与暖空气的对峙是造成江淮东部辐合加强、降水回波稳定少动的主要原因；强降水过程中降水回波呈现典型的热带系统降水回波特征，回波质心低、降水效率高；中γ尺度的辐合在雷达速度场上表现为速度对，且与局地强降水中心相对应。

(3) 数值敏感性试验结果表明，冷空气在中尺度对流系统的生成维持中有重要作用，冷空气侵入使得台风外围层结更加不稳定，有利于产生持久深厚的垂直运动，中尺度对流系统的生命史长、发展强度强。若入侵冷空气过弱，对流系统中的垂直运动弱，对流强度弱；若入侵冷空气过强，对流系统中虽然也能发展出强的垂直运动，但强垂直运动维持的时间短，中尺度对流系统的生命史短，不利于产生持续性强降水。

一定强度的冷空气能触发地面系统锋生，使得台风内部中尺度对流系统维持较长的生命史。但冷空气强度和台风强度如何配置会更有利于台风暴雨的产生，还有待进一步研究。