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太平洋上形成的台风,为何让内陆也遭殃?

添加时间:2021-09-13 作者:陈可鑫 来源:科学大院 点击:39 收藏 打印 字体:

8月29日,飓风“艾达”袭击美国路易斯安娜州,猛烈的降水引起大片地区洪水爆发。几日后其余威仍肆虐美国东北部,给纽约市带来了大暴雨——5个小时内的总降水量相当于5万个奥运会规模游泳池里的水倾盆而下!

而一个月前的7月20号,不靠海的河南却也成为了暴雨中心。 7月20日下午,河南郑州4点-5点的小时雨量高达201.9mm,碾压式地打破了全国纪录。这一小时内的降水,相当于100多个西湖的水被倒进了郑州!而此时远在千里之外的台风“烟花”则与这场大暴雨脱不了干系。

2021年7月22日来自风云4号气象卫星的台风“烟花”卫星云图(图片来源:中国天气微博)

由此可见,强大的台风不仅可以“近身攻击”——给所经之地带来强烈的狂风暴雨,同时还能做到“远程攻击”——给一定距离外的地区带来持续性暴雨。那么台风是如何将“魔爪”伸至千里之外,凭借怎样的招数修炼“隔山打牛”的本事?

台风“造”雨,集中三大区域 

上个世纪我国气象学奠基人之一,为我国暴雨研究做出巨大贡献的陶诗言院士就曾指出,台风是最强的暴雨天气系统。国内外有记录的暴雨极值都是台风导致的,比如1952年3月出现在南印度洋留尼汪岛的全球最大日降水量(1870mm),以及1975年8月出现在我国河南驻马店的中国大陆最大日降水量(1062mm)。

在“758河南驻马店暴雨”事件中,当年的3号台风“妮妲”也使出了“隔山打牛”的招数。造成1100万人受灾的“758”事件引起了政府部门以及科研机构的高度重视,从那之后的40余年,我国专家学者对台风暴雨的研究从未间断。

1975年8月8日河南大暴雨溃坝后的板桥水库,致使下游京广铁路线被冲毁(图片来源:凤凰网)

台风带来的暴雨主落在三个区域:

1.台风眼墙——严重灾害天气多发区

形成于热带洋面上的台风裹挟了大量的热量和水汽。在台风中,最强的降水并不是在台风中心,而是出现在中心周围的眼墙里。这就像拔掉塞子后,在装满水的水池中形成的涡旋,涡旋中心往往中空无水,而在涡旋附近则出现明显的旋转水流。在台风眼墙里有强烈的上升运动,是造成台风暴雨的主要区域之一,眼墙区域内还会出现龙卷风、雷暴、冰雹等严重灾害性天气。

台风结构三维示意图(图片来源:Eumetrain)

2.螺旋雨带——多阵性降水的移动区域

紧跟在眼墙之外的,是范围广阔的螺旋雨带。螺旋雨带的分布形态不一,受台风螺旋雨带影响的地方经常出现阵性降水和阵风,降水强度和持续时间随着雨带的发展而发生变化。在雨带中产生的中小尺度对流雨团同样可以造成特大暴雨的出现。

台风结构俯瞰示意图(图片来源:参考文献[5])

3.台风主体外——突发强暴雨可影响中高纬度地区

还有一类暴雨就是发生在台风主体之外,但是与台风存在密切关系的远距离台风暴雨,这也就是台风使出的“隔山打牛”的招数。但并不是所有的台风都能引发远距离暴雨,实际上只有14.7%的台风具备这种功力,也就是说远距离台风暴雨是小概率事件。这类暴雨的特点是突发性强,降水强度大,预报难度大,能够影响我国中高纬度地区,是我国中纬度地区夏季暴雨的主要形式之一,目前仍然是台风预报中的痛点和难点。

台风形成的几类降水示意图(图源:参考文献[4])

隔山打牛,靠三大招数

台风为何能形成远距离暴雨呢?我们先从暴雨的形成讲起。

我们知道,大气的垂直温度分布表现为低层暖,高层冷。“下雨”是由于低层空气中的水汽上升遇冷液化形成小水滴,小水滴不断碰并形成大雨滴后,所受重力大于空气浮力,因而从空中落下形成降水,雨下下来之后,大气柱的水汽含量将明显减少。

而持续性暴雨的形成需要具备三个基本条件:

第一要求大尺度的天气形势稳定少动,这样保证了形成暴雨的天气系统产生后能够持久地存在着;

第二要有稳定持续的水汽输送和辐合,能够及时弥补暴雨区大气气柱的水汽耗损,供应暴雨所需的“燃料”;

第三暴雨之所以“暴”,是因为形成这样强烈的雨势,要求在短时间内有大量不稳定能量释放,从而提供强烈的上升运动,让水汽迅速凝结成雨,不断落下。

台风远距离暴雨,是台风通过自身庞大的环流系统,提供或增强了暴雨形成条件中的某几条,虽不是“主谋”,但却是强有力的“推手”。它能够从以下三个方面施展“隔山打牛”的威力。

强降水形成过程示意图(图片来源:中国气象局)

1.作为低压系统通过低空急流输送暖湿空气

夏季陆地暖,海洋冷。空气遇热上升遇冷下沉,因此陆地上气压下降形成低压区,海洋上气压上升形成高压区。夏季在西北太平洋上存在稳定而强盛的副热带高压系统(北半球顺时针旋转),台风作为一个低压系统(北半球逆时针旋转),通常形成于副热带高压的南侧或东南侧。

台风与其东侧的副高间存在着的明显气压差,导致台风与副高间的风速增强,往往会形成一条偏南或者偏东的低空急流。这条急流的存在能够将来自洋面上的暖湿空气不断向暴雨区输送。大量的暖湿空气一方面提供了暴雨所需的水汽“弹药”,另一方面使得低层增暖,形成大气“下暖上冷”的不稳定结构,有利于不稳定能量的聚集。

2.通过其庞大的环流系统调整副高形势 

台风庞大的环流系统可以调整盘踞在太平洋上的副热带高压的形势,使得大气环流向有利于暴雨产生的形势调整。比如在副热带高压南侧有台风活动时,副热带高压受到“挤压”,往往会发生局部的形变和位移。一方面向西更加深入我国东部沿海地区,另一方面向北推移。因而在副热带高压南侧的顺时针气流能够将来自南方的暖空气带入中纬度的内陆地区,与中纬度的冷空气相遇,从而形成暴雨。

以上两招在河南郑州“720”大暴雨事件中便可体现。在产生大暴雨的天气形势中,副热带高压南侧的台风“烟花”使副高西伸北抬。“烟花” 北侧的暖湿气流与副高外围的偏南气流共同作用,将大量的暖湿水汽往西北输送至河南地区。而稳定的副高阻挡了台风的北上,形成了稳定的水汽供应通道,在一定程度上“加持”了河南地区的特大暴雨。

台风影响示意图

3.作为大气中的强扰动源激发对流

观测事实表明,台风在海洋上可以激发出在垂直方向强烈震动、沿水平方向向远距离传播的大气波动。这样的波动向中纬度地区传播,在合适的条件下,可以激发中纬度地区对流的发展,形成暴雨或者是增加原有暴雨的雨势。

比如2005年登陆我国浙江的5号台风“麦莎”,其带来的暴雨雨带呈现出波状分布的特征。雨带从台风中心向北延绵约2000千米,波长约500-1000km左右(即在传播方向上,每个暴雨中心之间的距离)。但是只有在合适的大气条件下,台风才能作为扰动源激发此类波动,从而形成大范围的波状传播雨带。目前这种远距离台风波动特征在大气中难以直接观测,对波动产生的机理尚待深入研究,因而难以对其影响进行预报。

2005年8月5日18时(左图)和6日6时(右图)的地面加密观测散度场分布,可以看出“麦莎”引起的大气波动向北传播(图片来源:参考文献[3])

通过以上三招,台风“隔山打牛”的功力可以诱发中纬度地区形成暴雨或使暴雨增幅,这样的暴雨往往影响范围大,持续时间长,最终产生的降雨量不亚于台风主体所经区域的降水量,从而成为中纬度地区夏季暴雨的主要形式之一。

结语

台风“隔山打牛”造成的“南台北雨”,容易引发极端暴雨事件的出现,但预报难度高,给防灾减灾带来了压力。但由于台风远距离暴雨的形成是一个复杂的天气过程,涉及到中低纬度多尺度系统相互作用,目前还存在许多问题需要研究探索,“隔山打牛”的秘籍还有待我们进一步深入揭露。

目前,我们一方面要提高对极端天气的预报水平,另一方面更应加强全社会面对气象灾害的防范能力。通过各个部门联防联动,提高群众对天气灾害的认知水平与防御能力,以科学规范的方式应对才能避免“极端天气”成为“极端灾害”的局面出现。

参考文献:

[1]丛春华. 热带气旋远距离暴雨的研究[D].中国气象科学研究院,2011.

[2] 任福民, 杨慧. 1949年以来我国台风暴雨及其预报研究回顾与展望[J]. 暴雨灾害, 2019, 038(005):526-540.

[3] 李英,王继志,陈联寿,杨元琴.台风麦莎(Matsa)的波状降水特征研究[J].科学通报,2007(03):344-353.

[4] Chen L ,  Li Y ,  Cheng Z . An Overview of Research and Forecasting on Rainfall Associated with Landfalling Tropical Cyclones[J]. 大气科学进展:英文版, 2010, 27(5):967-976.

[5] Li Q ,  Wang Y . A Comparison of Inner and Outer Spiral Rainbands in a Numerically Simulated Tropical Cyclone[J]. Monthly Weather Review, 2012, 140(9):2782-2805.

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