台风“烟花”（2021）对中国内陆和沿海极端降水的间接和直接影响：天气尺度环境和重现期分析

2023年6月，中国地质大学（武汉）顾西辉教授团队在Monthly Weather Review期刊发表了题为“Indirect and direct impacts of Typhoon In-Fa (2021) on heavy precipitation in inland and coastal areas of China: Synoptic-scale environments and return period analysis”的学术论文（https://doi.org/10.1175/MWR-D-22-0241.1）。

2021年7月17日-31日，台风“烟花”（TIF）远在西北太平洋间接地引发了中国中部（111.5°E-115.5°E, 33°N-37°N）破历史纪录的极端降水事件（HPE； 7月19日-21日），当靠近东部沿海地区（118°E-123.5°E, 28°N-34°N）时直接引发了中国东部的持续HPE（7月22日-28日），造成了严重的经济社会损失和人员伤亡。从云微物理、水汽输送、热动力等角度，中国中部的HPE已被广泛研究。台风间接引起的极端降水事件在以往研究中被称为前驱降雨事件（PRE；Cote et al., 2007; Galarneau et al., 2010），其被定义为一片连续的降水区域，24小时内累计降雨量大于100 mm，位于登陆台风轨迹前 > 1000 km的位置且与台风直接引起的降雨带有明显的分离。然而，此次中国中部的HPE是否是一场PRE以及TIF如何远距离诱发这场PRE有待研究。对中国东部而言，持续HPE反映在TIF的长历时和慢移速，而这背后的物理机制尚未明晰。以往研究结果表明，台风对极端降水频率曲线以及其上尾部的特征上具有重要影响，进一步影响着基于重现期估计的水利工程设计的可靠性。因而，探究这两次HPE的天气尺度条件以及其对重现期估计的影响，对区域水利工程设计以及防洪减灾具有重要意义。

基于此，中国地质大学（武汉）顾西辉教授团队利用观测降水数据、台风路径数据、卫星降水数据及ERA5再分析大尺度环境变量数据，开展TIF间接和直接影响下的中国中部和东部HPE的天气尺度环境和重现期分析的研究。首先，展示了TIF期间降水的时空分布特征。接着，深入分析了中国中部和东部地区间接和直接HPE的天气尺度模式。从PRE的角度，本文解释了TIF间接诱发中国中部HPE过程中的水汽、上升、锋生和上层环境。对中国中部的HPE，将降水分布的演变描述为距离TIF中心距离（≤500 km）的函数，探讨了演变过程TIF附近的降水分布。此外，本文对TIF长时间维持的原因进行距平分析，并解释了TIF移动缓慢的原因。最后，利用广义极值（GEV）分布探讨了TIF对重现期估计的影响，并进一步对此次降水事件进行了极端降水比率和相对百分比差异分析。

本文研究结果表明，中国中部的HPE发生在距离TIF轨道前~2200 km的内陆地区，并且24小时内累积降水量超过100 mm，说明此次降水事件可能是一场由台风引起的典型PRE事件。本文尝试从PRE角度出发，详细地分析了此降水事件的水汽、上升、锋生和上层环境 (图1)。在中国中部的东南部和南部，东南气流（表现为低空急流）沿副热带高压和TIF之间的强水汽通道输送大量的热带水汽至中国中部地区，对中国中部HPE影响较弱的台风“Cempaka”以西南低空急流输送水汽至中国中部地区 (图1a-c和g-i)。研究结果进一步表明，此HPE位于上层西风急流的向赤道方向入口处的下方，并于该急流相互作用（图1d-f）。伴有深对流和强潜热释放的HPE有利于驱动上层发散和绝热流出，进而增强上层西风急流。

图1中国中部HPE期间水平面天气环流图。

由于地形强迫作用，这些含水汽丰富的气流在山地迎风坡上有强烈行辐合抬升，并随着南北冷暖气流交汇伴有锋生活动，从而导致中国中部HPE的发生 (图2)。根据Cote et al. (2007) 和Galarneau et al. (2010)，PRE通常位于上层西风急流的向赤道方向入口处的下方且伴有锋生活动。综合图1和图2的分析，中国中部的HPE是一场典型的PRE，图3概括了TIF如何引起这场PRE。

图2 中国中部HPE期间垂直面（沿图1中“A-B”线）天气环流图。

图3 TIF间接引起的中国中部PRE示意图。

进一步研究发现，TIF引发的HPE对极端降水的重现期有很大的影响，尤其对位于内陆地区的中国中部。当考虑TIF引发的HPE时，中国中部TIF期间Rx1day和Rx5day的重现期分别为84年和93年；若排除TIF的影响时，这些重现期都上升了近1倍（分别为165年和182年；图4a-b）。然而，相似的结果在中国东部仅体现在Rx5day，重现期由39年上升为56年。

图4 1961-2021年中国中部和东部地区夏季年最大累积一日和五日降水（Rx1day和Rx5day）序列重现期变化。

EPR（TIF引起的HPE与10年一遇的GEV降水估计值的比值）从地方尺度比较了中国中部与东部TIF引起的HPE的相对影响（图5）。结果显示，中国中部Rx1day和Rx5day的EPR值整体在1以上，部分站点甚至高达3，说明TIF引起的HPE远高于中国中部地方10年一遇的降水值。然而，在中国东部，只有部分站点Rx1day和Rx5day的EPR值大于1。相较于位于沿海地区的中国东部，TIF对靠近内陆地区的中国中部的相对影响更大。在中国中部地区，基于以往重现期设计的水利工程设施可能失效，当地在设计或改进水利工程以达到防洪减灾目的时应该注重考虑类似HPE。

图5 中国中部和东部Rx1day (a-b) 和Rx5day (c-d) 的极端降水比率（即EPR）。

  中国地质大学（武汉）环境学院大气科学系2022届毕业生王靓怡为论文第一作者，顾西辉教授和香港浸会大学的李剑锋副教授为共同通讯作者。论文作者还包括牛津大学的Louise J. Slater副教授，香港浸会大学的赖扬晨博士，中国地质大学（武汉）的张翔教授、孔冬冬副教授和刘剑宇教授。该项目得到了国家自然科学基金（U1911205和41901041）等项目的资助。

References:

Galarneau TJ, Bosart LF, Schumacher RS (2010) Predecessor rain events ahead of tropical cyclones. Monthly Weather Review 138:3272–3297

Cote MR (2007) Predecessor rain events in advance of tropical cyclones. M.S. thesis, Department of Atmospheric and Environmental Sciences, University at Albany, State University of New York, 200 pp.