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台风是每年夏秋季节的“常客”，它们带来的强风、暴雨和风暴潮常常成为新闻焦点。但你知道吗？除了台风中心附近的暴雨，它们还会“隔空出手”，引发数百甚至上千公里外的暴雨，这种现象被称为台风远距离暴雨事件。简而言之，尽管降水发生在台风环流范围之外，但它与台风之间却有着密切的物理联系。
为了深入探究台风远距离暴雨事件背后的物理机制，我们挑选了2021年7月发生在河南的一次典型台风远距离暴雨事件进行研究。这次事件背后，可谓“高手云集”：西太平洋副热带高压 (副高) 偏北偏强，台风“烟花”和“查帕卡”在近海活跃，高空急流也在扮演重要角色。已有研究大多关注副高和“烟花”在水汽输送中的作用，但很少讨论两者的协同效应，也很少有研究定量分析高空急流对本次事件的影响。我们的研究正试图填补这一空白。
台风与副高的协奏曲
为了定量分析台风“烟花”和副高在本次台风远距离暴雨事件中的相对贡献，我们基于中尺度数值模式WRF，利用分块位涡反演算法，设计了一个控制试验 (CTL) 和四个敏感性试验。敏感试验分别对模拟初始时刻副高和台风“烟花”增强或减弱50%，分别命名为SH150、SH050、TC150和TC050。选择50%的调整幅度是为了在保持其他系统定性特征不变的前提下，确保与CTL结果存在显著差异。
模拟结果表明，与CTL相比，TC150和TC050的降水量分别减少了39.5%和31.8%，超过了SH150和SH050的28.8%和20.1%，表明台风“烟花”对本次事件的影响大于副高 (图1)。此外，无论是在增强还是减弱副高或台风“烟花”的敏感性试验中，其降水量相对于CTL都有所减弱，这证实了本次台风远距离暴雨事件是在极有利的副高和台风“烟花”及其配合下发生的。
图1 (a) 观测，(b) CTL，(c) SH150，(d) SH050，(e) TC150，(f) TC050在7月19日06时-7月21日12时累积雨量空间分布。黑色矩形框表示目标区域，(a)-(f)右上角显示了目标区域平均降雨量。水汽收支诊断 (图2) 表明，副高和台风“烟花”在降水区域的水汽输送中扮演了不同角色。与CTL相比，SH150 (SH050) 净水汽通量的减弱主要是由于降水区域北 (南) 面出 (入) 流增加 (减弱)；而TC150 (TC050) 净水汽通量的减弱则主要是由于降水区域西 (东) 面出 (入) 流增加 (减弱）。因此，副高和台风“烟花”分别主导降水区域经向和纬向的水汽输送。图2 目标区域平均的 (a) 小时降雨量，(b) 净水汽通量，(c) 东面水汽通量，(d) 西面水汽通量，(e) 南面水汽通量，(f) 北面水汽通量在CTL和敏感性试验中随时间的演变。除了中、低层天气系统外，我们研究进一步揭示了高空急流 (Upper Level Jet) 在本次台风远距离暴雨事件中的重要作用。利用中尺度数值模式WRF，设计了一个控制试验 (CTL) 和一个抑制高空急流发展的敏感性试验 (NOULJ，图3)。考虑到高空急流呈反气旋式弯曲，在NOULJ的模拟初始时刻，利用分块位涡反演方法移除高空急流所在高度 (400-150 hPa) 负位涡异常对应的反气旋式环流场，从而达到抑制高空急流发展的目的。图3 200 hPa风速 (阴影，m/s)，风矢量 (箭头，m/s) 和散度 (黑色等值线起始于2×10-5 s-1，间隔2×10-5 s-1 ) 在 (a-c) ERA5，(d-f) CTL，(g-i) NOULJ试验中的分布。沿着A-A’的剖面将在图4中展示。研究结果表明，与CTL相比，NOULJ的降水量减弱了34%，这表明高空急流对本次台风远距离暴雨事件具有重要的增强作用。那么，具体的影响机制是什么呢？让我们一探究竟。
首先，CTL中高空急流入口区南侧的次级环流明显强于NOULJ，对应着降水区域更强的上升运动 (图4)。进一步利用非地转湿大气垂直速度方程诊断后发现，热力强迫对垂直速度的影响明显大于动力强迫，表明热力过程在暴雨发展中起到了主导作用。其次，与高空急流相关的高层质量辐散有助于低层辐合的发展，进而促进了低层涡度和低空急流的增强。最后，低空急流有效地向降水区域输送水汽和能量，从而加剧了大气不稳定，进一步推动了暴雨的发展。
图4 风矢量 (水平非地转风，m/s；垂直速度，-0.1 Pa/s)，水平非地转风速 (正值表示风场指向A端点，负值表示风场指向A’端点，m/s)，垂直速度 (蓝色等值线起始于-0.2 Pa/s，间隔-0.2 Pa/s) 沿A-A’的剖面在 (a-d) CTL和 (e-h) NOULJ中的分布。灰色阴影表示地形。本研究全面探讨了2021年7月河南台风远距离暴雨事件的演变特征及其物理机制，重点分析了台风与副高的协同作用 (Rao et al. 2023, JGR) 以及高空急流 (Rao et al. 2024, MWR) 对远距离暴雨发展的关键影响 (图5)。目前，我国台风远距离暴雨事件的预报仍然面临一定的困难，建立完善的物理概念模型是提高预报准确性的关键。我们希望本研究中的思路和方法能够为未来台风远距离暴雨事件的研究和预报提供一定的借鉴。
图5 台风与副高的协同作用以及高空急流对台风远距离暴雨事件影响的示意图。
上述研究工作分别于近期发表在大气科学权威期刊《Journal of Geophysical Research: Atmospheres》和《Monthly Weather Review》上，第一作者为中国科学院大气物理研究所大气环境与极端气象重点实验室饶晨泓博士生，通讯作者为陈光华研究员，文章合作者还包括冉令坤研究员。 论文信息 >
https://doi.org/10.1029/2022JD037924
https://doi.org/10.1175/MWR-D-24-0024.1
陈光华，中国科学院大气物理研究所研究员/博导，中国科学院大学岗位教授。主要研究方向为台风动力学、灾害性天气分析预报和数值模拟，热带季风环流。截至目前，已发表论文100余篇，其中SCI论文60余篇，获国家发明专利1项。主持过6项国家基金委青年/面上项目，并承担多项重点研发和国际合作项目。曾获中国气象服务协会科学技术奖，气象科技创新二等奖。现担任《大气科学》编委。在国科大讲授《高等天气学》和《天气和气候概论》课程。常年招收博士和硕士研究生。
yanghp9@mail2.sysu.edu.cn
