引言

2014年7月23—26日，第10号台风“麦德姆”穿过台湾后登陆福建，转向江苏出海后，在山东半岛东端再次登陆。山东半岛东部产生200 mm以上大暴雨，强降水使半岛地区持续的旱情得到有效缓解。台风是造成山东暴雨的重要天气系统之一，当有高空槽与登陆北上的台风结合时，降水特别强烈^[1]。早期的研究也指出，当台风携带的潮湿的热带海洋气团与极地大陆气团相遇时，台风降雨的强度和分布会有很大变化，主要表现在增强位势不稳定、低空辐合、抬升作用、极锋诱生气旋、填塞六个方面^[2]。冷空气入侵热带气旋外围可大幅度增加热带气旋外围及倒槽的降水量^[3]。对0509号台风“麦莎”的变性分析^[4]表明，冷空气从底层侵入，形成冷空气堆，使得本地暖气流受迫抬升。而对上海“13.10”特大暴雨的分析^[5]也表明，冷空气是由底层楔入的，其强迫作用促使暖空气抬升，有利于触发强降水。中低纬系统的相互作用，在水汽图上反映为中纬度地区的极锋羽和热带羽的结合，在结合处往往产生暴雨和强对流天气^[6]。大量个例分析表明^{[4-5, 7-11]}，冷空气入侵台风环流，触发不稳定能量释放，使位能转化为动能，对触发暴雨有重要作用。

平流层下层和对流层中上层的冷空气具有低相对湿度和高位涡的特征，他们可以与对流层低层的暖湿气流共同作用^[12]。干侵入气流具有高位势涡度和低湿球位温的特征^[13], 在水汽图像上表现为暗区^[14]。水汽图像上的干侵入是对高位涡侵入和下传对低层系统产生强迫效应最为形象直观的描述^{[15, 16]}。对9608号台风暴雨增幅机制的分析表明，高位涡的下传有利于位势不稳定能量的释放，使得暴雨增幅^[8]。中低纬系统相互作用的背景下的强台风降水，高位涡下传是干空气入侵的一种可能机制^[9]。等熵面上位涡的分布形势可反映中高纬极地气团的活动^[17]。在自由大气中，绝热运动的位涡接近守恒，在等熵(等位温)坐标系中的位涡表达优于其他坐标系；且在等熵坐标系中，自由大气的三维运动可以用二维来表示，等熵面上的水汽输送同时包含水平和垂直平流分量，较p坐标系更为精确^[18]。因此本文借助位涡和等熵面分析方法，采用NCEP/NCAR 1°×1°一日四次再分析资料、FY-2E卫星云图以及常规观测资料，对此次台风暴雨过程的冷空气侵入特征进行分析，以期对此类中纬度台风和冷空气结合导致的强降水过程提供有益的预报参考。

1 环流形势和暴雨分布特征

2014年10号台风“麦德姆”于7月23日15时30分(北京时，下同)登陆福建福清后东移北上，在30°N以北维持热带风暴强度，25日17时10分在山东荣成虎山镇再次登陆，18时10分于荣成成山镇出海(图 1a)。山东半岛东部地区普降大暴雨(图 2a)，从半岛东部几个测站小时雨强看(图 2b)，降水时段主要集中在24日夜间至25日白天，部分测站单日降水量超过建站以来的历史极值。自动站监测显示，最大小时雨强出现在烟台昆嵛山，25日11时达到60.5 mm·h^-1。结合环流形势(图 1b、c)表明，24日08时西风带低槽和台风倒槽分别位于河套附近和长江中下游，此时半岛地区位于西风带槽前暖区内，仅出现小于1 mm·h^-1的弱降水；7月24日夜间开始，台风倒槽北伸影响山东，同时中纬西风带有低槽东移，冷暖空气交汇，半岛地区强降水开始；至25日08时，台风系统已北上与西风带低槽结合，南北支系统在35°N附近合并，半岛降水达到最强。

综上，台风“麦德姆”影响山东期间，副高强盛稳定，在副高西侧偏南气流引导下，台风登陆后向北偏东方向移动，其外围与副高之间的西南低空急流稳定维持，在低层为山东半岛地区汇集了大量水汽，形成此次大暴雨的水汽条件。台风北上的同时，西风槽东移，槽后冷空气入侵山东地区。冷暖空气共同作用，导致此次大暴雨的发生。本文着眼冷空气的入侵，从不同角度分析其在此次大暴雨过程的表现形式和增幅作用。

2 冷空气侵入特征分析 2.1 冷空气侵入的流场剖面分析

陈联寿等指出^[2]，冷空气使台风变性发展，一般要经历两个过程：变性过程和斜压位能释放过程。变性过程提供了斜压位能，而锋区两侧暖空气上升，冷空气下沉，促使位能转换为动能。对1410号台风“麦德姆”登陆后低层温压场的分析(图略)也表明，冷空气的侵入作用首先使得台风变性。24日08时的台风登陆初期，台风中心仍为暖心结构；24日20时，850 hPa冷槽从台风西侧开始入侵，暖心开始偏离台风中心向北倾斜；25日08时，850 hPa台风中心已对应冷槽，700 hPa冷槽开始从台风西侧入侵；25日20时，700 hPa暖中心已明显偏离台风中心，此时台风已变性为温带气旋。

冷空气的侵入不仅使台风变性，也有利于斜压位能释放。取暴雨区(121°E，37°N)强降水发生前后的700 hPa垂直速度(ω)作时间序列(如图 3)可见，24日白天，700 hPa为下沉运动或很弱的上升运动；24日夜间开始，上升运动迅速增强，且在强降水发生的24日夜间到25日白天，700 hPa一直维持较强上升运动。可见，强降水发生的时段不仅对应冷空气入侵台风环流的变性过程，也对应着上升运动迅速增强的过程。

为更直观地了解冷空气入侵过程的三维流场，取强降水发生前后(24日08时—25日20时)，沿暴雨区(37°N)作相当位温(θ_e)和水平风(u和v的合成，取v < 0的偏北风)随高度变化的剖面图(图 4)和垂直速度(ω)的剖面图(图 5)。

对比图 4和图 5可见，强降水发生前的24日08时，沿剖面114°—117°E附近为走向近乎垂直的等相当位温线密集带(锋区)，锋区附近为上升运动，其东侧为具有较高θ_e的暖湿空气，等θ_e线上凸，对应垂直速度图上较弱的上升运动，西侧为具有较低θ_e的干冷空气，θ_e低于339 K的干冷空气与水平流场上的偏北风对应；此时118°E以东的半岛地区位于西风带槽前暖区内，出现弱降水。

24日20时，锋区东移，北风区与345 K以下的相对干冷空气迅速占据975 hPa以下的对流层底部形成冷垫，冷垫对应水平流场上的北风区，暖湿空气开始爬升，121°E附近的850 hPa以上为整层的上升运动。

25日08时，锋区前沿已东移到123°E附近，且随高度向西倾斜，半岛地区850 hPa以下为锋后干冷空气和偏北风控制，θ_e普遍低于339 K，且低层以东北风为主导，风力明显增大。850 hPa以上为偏南风对应的暖湿空气。上升运动迅速增强，118°—122°E附近从850 hPa到500 hPa以上的对流层中层均为深厚的上升运动区，最强上升运动位于700 hPa附近，锋后冷空气对应着下沉运动，其中心位于118°E的700 hPa附近。锋区两侧暖湿空气上升，干冷空气下沉，存在位能转换为动能转换的机制^[2]。

25日20时，锋区已东移到东部海上，山东地区对流层中下部已被干冷空气和下沉运动占据，地面至700 hPa转为偏北风，降水趋于结束。

综合以上分析表明，水平方向上，较低相当位温指示的干冷空气自西向东逐渐控制山东地区，这一过程也是冷锋入侵台风环流，斜压锋生，台风变性的过程。垂直方向上，干冷空气从底层楔入，逐渐占据对流层底部形成冷垫。这与狄丽华^[4]和曹晓岗^[5]等的结论一致。冷空气的侵入不仅使台风变性，也有利于能量转换。干冷空气入侵台风环流，斜压锋生，锋区两侧暖湿空气上升，干冷空气下沉，斜压位能向动能转换，导致上升运动加强，有利于产生强降水。从叠加的水平风场看，北风区与相当位温低值区配合，在入侵的过程中，北风区的东侧前沿也是相当位温梯度的大值区。

2.2 冷空气侵入的云图特征

卫星资料具有观测范围广，时空分辨率高的特点，在监测各种天气尺度天气系统演变过程中发挥重要作用。其中，卫星水汽图像具有较好的空间连续性^[6]。水汽是大气运动的被动示踪物，水汽图像中的大尺度流型特别引人注目，能直观揭示对流层中部的气流^[19]。相对红外云图，水汽图上水汽区比云区更为连续完整^[20]。通常，在水汽图像上色调浅白的地区为水汽或云团所在，是对流层上部的湿区；色调为黑色的区域是大气中的干区。水汽图像上最重要的特征是干区、湿区和它们的边界，因此，水汽云图是观察干冷空气侵入的直观工具。图 6给出了7月24日08时—26日08时4个时次的FY-2E水汽云图。

24日08时(图 6a)，与高空槽前相对应，中国华北上空为一斜压叶状云，其向极一侧光滑的边界呈“S”型，紧靠边界西侧的是一大致呈西南-东北走向的暗区。长江下游以南为“麦德姆”登陆后减弱的涡旋云系，台风水汽羽主要位于台风中心的东、南、西侧，北侧水汽发展相对较弱。

24日20时(图 6b)，随着西风带系统东移，斜压叶状云东移，其西侧暗区随之东移南压，面积明显增大，色调变暗，指示下沉运动的发展。此时台风云系北上，台风中心西侧附近可观察到暗区发展，暗区对应的强迫下沉导致台风西侧的水汽羽发展受到抑制，而台风中心北侧则有云团不断发展，水汽羽逐渐变得白亮，且与极锋水汽羽有接合之势。水汽图像叠加850 hPa相当位温场(图略)表明，台风水汽羽对应低层θ_e高值区，水汽羽北侧边界附近暗区的位置对应低层θ_e锋区，表明此处冷暖空气正在交汇。

25日16时(图 6c)，西风槽前的斜压叶已与台风云系结合，南北两支云带绕台风中心形成一完整的涡旋云系，强降水发生在干、湿区边界的湿区一侧；涡旋北部云系向冷区凸起，涡旋西侧与暗区边界更加清楚整齐，暗区前界东移南压至半岛地区，形成向西开口的“V”形干舌，此时冷空气已入侵山东大部。

26日08时(图 6d)干冷气流已经以暗缝的形式卷入气旋中心，在气旋中心形成对暖湿气流的切断，云型整体呈逗点状，冷锋对应的锋面云带东移至东部海上，降水趋于停止。

云图动画显示，台风北上过程中，台风水汽羽与极锋水汽羽接合，在二者之间的山东东部地区不断触发对流，使得台风在北上过程中未明显减弱。水汽羽西侧的暗区不断扩大，色调变暗，表征干冷空气自西向东纬向入侵，略向南压的路径。冷空气侵入的后期，有一暗缝迅速形成并卷入气旋中心，涡旋云系转变为逗点状。对比图 7发现，在强降水发生的时段，水汽图像上的暗区与锋后下沉气流对应良好，这表明冷空气的强迫下沉运动对锋前上升运动的触发和维持起关键作用。通过对水汽图像上暗区的追踪，可以直观地判别冷空气的强迫下沉运动。

2.3 冷空气侵入在湿度场上的表现

本节采用等熵坐标系，以相对湿度小于60%表征干冷空气，分析冷空气的侵入特征(图 7)。从345 K等熵面相对湿度和风场分布来看，干冷空气前沿与水汽图像上的暗区近乎一致，位于高空急流左侧，干区前沿相对湿度梯度最大，随着西风带系统东移，干区自西向东纬向入侵。对比图 6发现，干区与水汽图像上的暗区对应良好，水汽图像上的暗区较好地反映了高层干冷空气的活动。

2.4 干冷空气的等熵位涡分析

干冷空气不仅具有低相对湿度的特征，还具有高位涡的特征^[12]。“干舌”或“干缝”与高位势涡度有关，可以用水汽图像进行对比分析^[19]。本节从等熵位涡的角度分析干冷空气的入侵特征。在自由大气中，绝热运动的位涡接近守恒。等熵坐标系下的位涡可以表示为：

$ PV =-g{\left( {\zeta + f} \right)_\theta }\frac{{\partial \theta }}{{\partial p}} $

(1)

式(1)中，PV为等熵坐标系下的位涡；g为重力加速度；(ζ + f)_θ为根据风场计算的等熵面上绝对涡度的垂直分量，其中$\zeta = \frac{{\partial v}}{{\partial x}}-\frac{{\partial u}}{{\partial y}}$，f为地转涡度的垂直分量；$-\frac{{\partial \theta }}{{\partial p}}$为垂直大气静力稳定度。

图 8给出了24日08时—25日08时逐6 h 345 K等熵面位涡分布。如图所示，高位涡指示的干冷极地气团占据了42°N以北的绝大部分区域，在高空槽的引导下，干冷空气东移南下，高位涡区向东南方向伸展。至25日20时，高位涡南部前沿压到34°N附近，南伸的东部边界也到达120°E以东的山东半岛地区。大于1.5 PVU的高位涡整体呈西北向东南移动的趋势，高位涡区前沿也是位涡梯度大值区。

对比相同时次的水汽云图(图 6)和等熵面相对湿度图(图 7)可以看出，冷空气具有高位涡和低湿度的特征，水汽图像上的暗区、高层等熵面图上的干区和高位涡区有良好的对应关系，都表现了冷空气活动过程中极地气团向东南侵入的过程。而在实际预报过程中，水汽云图具备及时性强、时空分辨率高的优点，因此与相对湿度和位涡分析相比，水汽云图是最为直观、便利的反映冷空气活动工具。通过追踪水汽图像上的暗区，可以清晰地观察对流层上部冷空气的活动情况。

3 结论与讨论

2014年7月24—25日，受北上台风“麦德姆”和冷空气共同影响，山东半岛普降大暴雨。本文针对此次强降水事件，对导致本次大暴雨的干冷空气侵入特征进行了分析。结果表明，台风北上与极地大陆气团交汇，干冷空气从西侧侵入台风环流，不断触发新的对流，是导致此次大暴雨发生的重要因素。冷空气侵入使得台风变性，强度维持，也促使斜压位能向动能转换，导致暴雨增幅。此次过程干冷空气的侵入有如下特点：

(1) 偏北风对应的干冷空气自西向东逐渐控制山东地区，这一过程也是冷锋入侵台风环流，斜压锋生，台风变性的过程；干冷空气从底层楔入，逐渐占据对流层底部形成冷垫。

(2) 冷空气的侵入不仅使台风变性，也有利于能量转换。干冷空气入侵台风环流，斜压锋生，锋区两侧暖湿空气上升，干冷空气下沉，斜压位能向动能转换，导致上升运动加强，有利于产生强降水。

(3) 高层高位涡区与相对湿度图上的干区对应，体现了冷空气高位涡和低湿度的特点。

(4) 水汽图像直观地反映了此次大暴雨过程的系统演变过程。台风北上与斜压叶状云结合形成涡旋云系，二者之间不断在山东东部地区触发对流。干冷空气的侵入在水汽图像上表现为暗区范围不断增大，色调变暗，先形成干舌，后以干缝的形式卷入变性的台风环流中心，涡旋云系在后期演变成逗点云系。

(5) 结合物理量场分析表明，水汽图像上的暗区、高层等熵面上的干区和高位涡区有良好的对应关系，都表现了冷空气活动过程中极地气团向东南侵入的过程。在实际预报中，水汽图像具备及时性强、时空分辨率高的优点，是最为直观、便利的工具。除了流型识别外，通过水汽图像还可追踪干湿区及其边界等变化特征。通过连续时次的对比分析，可监测高空动力强迫，判断天气系统的发展演变。卫星资料和常规观测资料的对比分析，为天气预报提供可靠的依据。

本文运用水汽图像，结合物理量场，从天气尺度对此次北上台风的干冷空气侵入过程进行了分析。形成暴雨的原因复杂多样，就山东半岛地区而言，半岛丘陵地形的抬升作用，以及台风及其外围影响时的向岸风辐合作用等，都可能是暴雨增幅的因素之一。此外，台风和冷空气结合过程中在山东地区不断触发对流，其中尺度特征等精细结构仍有待结合雷达等资料进行进一步分析。