單 磊，周奇越，田 磊

(1.蚌埠市氣象局,安徽蚌埠 233040; 2.蕭山國際機場,浙江杭州 311207)

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熱帶風暴?？顷戇^程演變及降水分布分析

單 磊1，周奇越2，田 磊1

(1.蚌埠市氣象局,安徽蚌埠 233040; 2.蕭山國際機場,浙江杭州 311207)

摘 要：利用中尺度非靜力數值模式WRF對熱帶風暴?？M行數值模擬,包括路徑、強度、環(huán)流形勢、降水等。分析表明,?？麩釒эL暴主要由西太平洋副熱帶高壓作為引導,并從西南季風氣流中獲得源源不斷的水汽,使其在登陸后持續(xù)保持其渦旋結構。?？顷戇^程中,其渦旋結構由完整的對稱性轉變?yōu)榉菍ΨQ性,強降水區(qū)與渦度等值線的密集區(qū)有著較好的對應關系,降水強度則與渦度大小變化一致。降水強度的增大與負散度柱的向上伸展關系密切。相對濕度的分布、水汽輸送的非對稱分布對于熱帶風暴登陸期間產生的暴雨都有著很好的對應。模式結果基本真實地反映了熱帶風暴發(fā)展演變及其登陸過程。

關鍵詞：熱帶風暴;登陸;數值模擬;暴雨

文獻著錄格式:單磊,周奇越,田磊.熱帶風暴?？顷戇^程演變及降水分布分析[J].浙江農業(yè)科學,2016,57 (4):583-590.

在夏秋季節(jié),發(fā)生在熱帶洋面上的熱帶風暴是我國在東南沿海地區(qū)最主要的災害性天氣系統(tǒng)之一[1]。我國是全世界受熱帶風暴侵襲最多的國家之一,每年平均有7個登陸熱帶風暴[1],熱帶風暴經常會導致很多嚴重的氣象災害,比如強風、暴雨。熱帶風暴降水也是我國南方夏季非常重要的水汽來源。據統(tǒng)計,我國浙江、福建及兩廣地區(qū)在7—8月期間的降水中,熱帶風暴降水占50%～70%之多[2]。

我國六大最強的降雨在中國發(fā)生的事件(在1 d之內超過1 000 mm)都是由熱帶風暴造成的[3],而熱帶風暴造成的嚴重災害中大部分是由熱帶風暴降水導致的,造成的生命財產損失難以估量,因此研究登陸熱帶風暴的各種特征長期以來就是氣象工作的重點和難點之一。熱帶風暴登陸前后的路徑、強度、結構、降水等的變化是熱帶風暴研究中的重點和難點[4]。針對熱帶風暴登陸過程,尤其是熱帶風暴降水,氣象工作者們進行了大量的研究,包括登陸熱帶風暴中水汽供應、地形等因素的各方面影響。國外,Gray[5]從氣候方面討論了在ITCZ內同時形成幾個熱帶風暴情況,認為基本氣流的正壓不穩(wěn)定是起到主要作用; Akihiko等[6]使用日本氣象廳非靜力模式對熱帶風暴Meari強降水進行數值模擬研究認為,良好的水汽及水汽輸送有利于發(fā)生熱帶風暴強降水; Shen等[7]數值研究顯示,陸地水體可能會減緩登陸熱帶風暴的衰亡速度。蔡則怡等[8]利用η坐標模式對1次登陸熱帶風暴造成的特大暴雨過程開展模擬研究,敏感性試驗表明,暴雨強度對地形十分敏感。冀春曉等[9]利用MM5模式數值模擬地形對云娜降水和結構的影響。周林等[10]結合WRF-Var三維變分系統(tǒng)對小型超強熱帶風暴桑美進行數值模擬試驗,結果驗證了熱帶風暴暴雨的發(fā)生和維持需要大尺度環(huán)境場、動力條件和水汽條件等的配合。周冠博等[4]對鳳凰熱帶風暴登陸過程進行了診斷分析,結果表明,散度垂直通量能夠描述強降水過程中低層大氣輻合和高層大氣輻散的垂直動力結構,對暴雨區(qū)有良好的指示作用。

我國各級氣象部門一直致力于加強熱帶風暴監(jiān)測預警能力建設。在過去20多年來,我國熱帶風暴業(yè)務預報雖然取得了長足進步,但依然存在一些問題。比如,由于對熱帶風暴強度變化的物理機制認識也不夠深入,風雨預報精細化程度低、準確率不高,熱帶風暴業(yè)務預報的水平仍不能滿足防臺抗臺的現實需求[1]。因此,熱帶風暴預報業(yè)務水平的提高依然是迫在眉睫的任務。

2012年第11號熱帶風暴?？麨?012年最強登陸熱帶風暴。為了更好地理解2012年第11號熱帶風暴海葵的物理機制,促進預報水平的提高,本論文利用中尺度數值模式WRF對熱帶風暴?？M行數值模擬,并對模擬結果進行驗證和診斷分析。

1　?？麩釒эL暴情況

2012年第11號熱帶風暴海葵,8月3日8:00在西北太平洋洋面上生成熱帶氣旋,其中心附近最大風力有8級(18 m·s-1),中心最低氣壓為1 002 hPa。之后,海葵于8月5日17:00進入我國東海東部海面,并加強為強熱帶風暴。其中心位于浙江省象山縣東偏南方大約640 km海面上,中心附近最大風力有10級(28 m·s-1),中心最低氣壓為980 hPa。8月6日強熱帶風暴升級為熱帶風暴,加緊向浙江、上海等地靠近。8月7日13:00,?？行淖畲箫L速達40 m·s-1,云圖上能看到清晰的熱帶風暴眼。8月8日凌晨3:20,?？谡憬∠笊娇h登陸,登陸時中心氣壓965 hPa,近中心風力14級。8月8日16:00,?？麖姸葴p弱為強熱帶風暴,向西北方向緩慢移動。8月9日10:00熱帶風暴中心進入安徽境內,12:00?？麥p弱為熱帶低壓,在安徽省境內回旋,最終填塞。此次熱帶風暴對浙江、江蘇、安徽、江西等地造成10級以上大風和持續(xù)性強降水。海葵熱帶風暴影響時間長,從生成到消亡共156 h。

熱帶風暴?？牡顷懯拐憬?、上海、江蘇、安徽等地發(fā)生大范圍暴雨,各地不同程度受災。中國氣象局也在5年來首次啟動重大氣象災害一級應急響應。?？麑儆诟呔暥壬蔁釒эL暴,移動速度由快轉慢,登陸前一直在加強,登陸時正處于發(fā)展強盛時期,登陸后長時間仍維持熱帶風暴結構,造成的熱帶風暴強降雨范圍也很大。因此,研究熱帶風暴?？陌l(fā)展演變及登陸過程,具有非常重要的意義。

2　數值模擬方案設計

本文利用中尺度數值模式WRF v3.4.1對海葵熱帶風暴的演變及登陸過程進行數值模擬。模擬時間范圍為2012年8月3日0:00到8月9日0:00,共144 h。模擬采用3層嵌套。數值模擬區(qū)域如圖1所示。

模擬區(qū)域中心為30.0 120.0,3個模擬區(qū)域的格點數分別為101×89 (D01)、136×118 (D02)、190×166 (D03),水平分辨率分別為45,15和5 km。初始場所用資料為NCEP的fnl分析資料。第1,2層模擬區(qū)域從2012年8月3日00:00開始至8月9日00:00結束,共144 h;第3層嵌套從2012年8月6日00:00開始啟動至8月9日00:00結束,共72 h。模式輸出資料時間間隔為3 h。

圖1　數值模擬區(qū)域的情況

3　模擬結果驗證

為保證模擬數據的可靠性,以下將從?？麩釒эL暴登陸前后的路徑、強度變化、環(huán)流形勢、暴雨特征與實況的對比方面來檢驗數值模擬的結果。

3.1熱帶風暴路徑、強度結果驗證

利用JMA的最佳路徑資料繪出海葵的實況路徑,并與WRF模擬出的數據繪出的模擬路徑進行比較。

由圖2可以看出,2條路徑的對比,模式對海葵熱帶風暴路徑的模擬是比較成功的,模擬路徑與實際路徑的走向基本一致,但2條路徑間仍存在著差別。在進入東海西北海域后模擬路徑開始偏南,登陸以后模擬的位置比實際位置偏南約1°,模擬的移動速度也比實際的稍慢。從8月3日編報后至5日20:00,實況路徑一直沿著西北偏西方向移動,模擬路徑開始時西行時間較長。8月5日20:00至8月7日14:00實況轉為向西行,模擬路徑與實況擬合得很好。8月7日14:00之后實況又轉為西北行,直到在浙江登陸,模擬結果有若干小時是向西南行的。模擬與實況的熱帶風暴路徑基本吻合,較為成功的模擬出?？晌鞅鞭D為西行后又轉為西北行的路徑變化,熱帶風暴登陸后,模擬的中心位置較實況略偏東南。綜合來看,模式對?？窂降哪M是較為成功的。

圖3給出了模擬與實況的?？麩釒эL暴中心海平面氣壓變化。由圖可見,模擬與實況的熱帶風暴中心海平面氣壓變化趨勢比較一致。8月3日18:00開始,熱帶風暴中心海平面氣壓由990 hPa逐漸減小,即熱帶風暴逐漸加強,期間模擬趨勢非常好。8月6日09:00到8月7日21:00左右為熱帶風暴發(fā)展最強盛的時期,這期間實況熱帶風暴中心海平面氣壓維持在960 hPa,模擬結果較低于實況,維持在近940 hPa,比實況低20 hPa左右。8 月7日21:00之后,熱帶風暴中心海平面逐漸增大,即熱帶風暴逐漸減弱,模式得出的趨勢與實況的吻合度很高,但氣壓略偏低。偏低的原因可能與模式本身的不足以及模擬初始場存在的問題有關。但綜合來看,模式還是較好地呈現了?？麩釒эL暴整個發(fā)展演變過程的強度變化特征。

圖2　?？麩釒эL暴的實況路徑與模擬路徑

圖3　?？麩釒эL暴實況中心的海平面氣壓與模擬中心海平面氣壓

圖4表示海葵熱帶風暴中心附近的實況最大風速與模擬最大風速。如圖所示,模擬與實況的熱帶風暴中心附近最大風速雖然總體數值略有偏高,實況最大風速約35 m·s-1,而模擬出的最大風速約為50 m·s-1,但兩者的變化趨勢較一致。在熱帶風暴登陸時,熱帶風暴中心附近實況最大風速出現小幅增強,之后又減小,模擬的最大風速也呈現一個較小增幅。因此,模式很好地顯示出?？麩釒эL暴在登陸浙江之前的加強過程,以及登陸浙江之后的減弱過程。

3.2熱帶風暴降雨結果驗證

8月7日,熱帶風暴降水主要位于浙江中部沿海地區(qū),個別達到200 mm。8日0:00—23:00期間,熱帶風暴直接影響浙江地區(qū)降水,浙中北及附近沿海地區(qū)降水量普遍達100 mm以上。9日降水范圍和強度都有所減小,但依然有11個站降水量達100 mm左右。

圖4　海葵熱帶風暴中心附近的實況最大風速與模擬最大風速

選擇8月8日0:00到8月9日0:00期間的累積降雨量來進行熱帶風暴降雨的對比驗證。對比模擬的24 h累積降水量可看出,上海、浙江、安徽、江蘇的降雨都基本被模擬出,但降雨量略有偏差,江蘇南部的模擬降水量要略小于實況雨量,浙江北部的模擬降水量要略大于實況雨量,模擬的雨帶略向南偏,這可能和模擬登陸后路徑較實況中心位置偏東南有一定關系。模擬降水中心和實況相比也稍偏南,但兩者的中心值均達到200 mm以上?？梢奧RF對于熱帶風暴海葵的24 h降水的位置與強度模擬結果較好,可使用通過模擬得出的高分辨率數據來進行診斷分析。

4　模擬結果的診斷分析

4.1影響熱帶風暴的環(huán)境形勢的分析

利用NCEPfnl資料對北半球500 hPa高度場進行平均場分析。8月開始,西段副熱帶高壓開始北跳,環(huán)流形勢也逐漸發(fā)生調整。8月上旬,北半球環(huán)流整體上呈緯向分布。在中緯度地區(qū),西太平洋副高位置穩(wěn)定偏西北,呈東西向塊狀分布,副高脊線也一直穩(wěn)定在北緯35°附近;在中高緯地區(qū),環(huán)流場仍呈緯向分布,期間西風槽有幾次東移,但由于冷空氣偏弱,西太副高的位置和強度沒有受到太大的影響。因此,西太副高能夠在長達半個多月的時間內基本維持穩(wěn)定。另外,8月上旬期間,在北緯30°以南的熱帶洋面上的海溫和大尺度環(huán)流條件都很好,這使得東風波系統(tǒng)在北緯30°以南的西太平洋洋面上非?；钴S,有利于熱帶氣旋的生成,熱帶氣旋在副熱帶高壓南側的引導氣流的影響下形成向西行進,逼近我國東部沿海地區(qū)。

圖5給出的是500 hpa的高度場及高低空環(huán)流的配置情況。從圖中可以看出,此次?？麩釒эL暴的各方面特征主要受到2個系統(tǒng)的影響,一個是西太平洋副熱帶高壓,另一個是西南季風。

圖5　模擬的高低空環(huán)流形勢：500 hPa高度場和850 hPa大于12 m·s-1的風場（UTC）

統(tǒng)計表明,副高脊線位置在30°N以北時有利于熱帶風暴初生,南界位置偏北時有利于在較高緯度生成熱帶風暴,西伸指數高則有利于熱帶風暴的登陸[11-12]。由于副高強盛,?？麩釒эL暴路徑主要由西太平洋副熱帶高壓作為引導。從高度場上來看,?？麩釒эL暴登陸前,環(huán)流形勢為兩槽一脊。8月5日之前,副高原本一直維持呈東西向塊狀分布,逐漸分裂為2塊,一塊位于我國東北地區(qū)-朝鮮半島一帶(西環(huán)副高),另一塊位于西太平洋洋面(東環(huán)副高),熱帶風暴向西北移動。?？?月5—7日向南移動的分量加大,由西北偏西方向移動轉為西行緩慢發(fā)展。7日,貝加爾湖地區(qū)為廣闊的低槽區(qū),副熱帶高壓與大陸高壓連成一體,并呈西北-東南向分布,形成高壓壩,在東北地區(qū)形成阻高形勢,使得熱帶風暴受到其西南側東南氣流的影響,海葵又從西行轉為西北行接近浙江。?？顷懸院?環(huán)流形勢也隨之發(fā)生了變化,由于東環(huán)副高西進且有所增強以及貝加爾湖以東槽明顯的南下東移,高壓壩開始向北壓縮然后在長江中下游區(qū)域斷裂,而?？锰幱?個斷裂高壓之間的弱環(huán)境場中,引導氣流也很弱,以致熱帶風暴移速非常緩慢,于安徽南部地區(qū)停滯。9日,海葵仍停滯在安徽境內,由于副熱帶高壓此時被分割而成2個高壓,?？诟邏褐g,盤旋直到消亡。

從850 hPa風場上來看,海葵登陸浙江前,由于受到高壓壩和東環(huán)副高的影響,熱帶風暴中心南側出現比較大范圍的強風區(qū),浙江沿海地區(qū)發(fā)生持續(xù)大風天氣。海葵登陸后,由于高壓壩主體的斷裂,東北地區(qū)的斷裂高壓與熱帶風暴之間形成較大的氣壓梯度,使得強熱帶風暴區(qū)位置由熱帶風暴南側變?yōu)闊釒эL暴北側,導致上海、江蘇南部、安徽南部地區(qū)發(fā)生大風天氣。

良好的水汽條件在熱帶風暴的生成發(fā)展方面是非常有利的。熱帶風暴要想得到良好的水汽輸送,不僅需要熱帶風暴本身在西太平洋洋面上擾動旋轉所聚集的水汽,還需要有利的外界環(huán)境場。比如對于西北太平洋地區(qū)的熱帶氣旋而言,最主要的水汽輸送是由西南季風提供。登陸后的?？@得西南季風提供的有利水汽條件,使降水大幅增加[13]。從流場圖(圖略)上可以看出,海葵在登陸前后均可從西南季風中源源不斷的獲取水汽。?？阅軌蛟诘顷懞笠廊婚L時間維持其渦旋結構,西南季風提供持續(xù)的水汽輸送和供給能量是一個重要因素。西南季風也對?？膭恿Y構和熱力結構都會有一定的影響,加強了環(huán)境向TC的水汽通量輸送。此次海葵熱帶風暴最大的特點就是其登陸后并未向通常的路徑那樣西行填塞或轉向東北入海[12],而是在安徽境內停滯然后填塞,給蘇、皖、贛三省帶來持續(xù)性的強降水。

4.2?？顷懬昂蟮慕邓植挤治?/p>

為了解海葵熱帶風暴降水的中尺度系統(tǒng)結構,選取?？顷懬昂蟮臅r段,針對熱帶風暴模擬溫度場、渦度場、散度剖面圖、相對濕度場以及雷達反射率進行診斷分析。

圖6為熱帶風暴登陸前后6個時次的溫度場和溫度平流疊加圖。從圖中可對?？臒崃Y構進行分析。

圖6　2012年8月7日15：00—8月8日06：00（UTC）850 hPa模擬的溫度場、溫度平流場疊加

?？顷懻憬?8月7日15時,暖平流很弱; 18:00—21:00,暖平流略增強,熱帶風暴暖中心位于熱帶風暴西北側。?？顷懞?熱帶風暴暖中心位置主要在熱帶風暴西南側,暖中心逐漸向西北移動,北冷南暖; 8月6:00,暖平流減小,中心繼續(xù)向西北移動。結合之前對于環(huán)流場的分析,此暖平流為浙江等地區(qū)的強降水產生提供了大尺度熱力和動力條件,且溫度場中心與強降水區(qū)對應良好?？梢?海葵熱帶風暴呈熱力不對稱結構,暖平流中心對于熱帶風暴強降水有著一定的指示作用。

圖7為850 hPa渦度場和降雨量的疊加圖。從圖中可以看出,?？顷戇^程中渦旋中心渦度一直在增加,表明熱帶風暴強度不斷增強。?？顷懼?熱帶風暴一直維持一個完整的渦旋結構完整,接近對稱分布。同時降水分布也接近于對稱,但渦旋中心西北側降水量略高于東側; 8 月8日0:00,強降水區(qū)由渦旋中心西側轉為西北側。?？顷懞?渦旋的對稱結構開始松散。8日3:00,渦度最大值增大,渦度等值線密集區(qū)位于熱帶風暴中心西北側,降水亦集中在渦旋中心西北側地區(qū),呈非對稱性分布,降水強度明顯增加,3 h降水量達到140 mm以上; 8日6:00,強降水區(qū)較前時段向西北移動,降水依然呈非對稱分布,渦旋中心東南側又出現少量降水。由此可以看出,熱帶風暴在登陸過程中的降水分布與其渦度分布有很好的對應關系,降水強度則與渦度大小變化一致。

圖7　2012年8月7日15：00—8月8日6：00（UTC）850 hPa模擬渦度場與過去3 h降雨量的疊加

圖8為模擬的熱帶風暴登陸過程的過中心散度的緯向剖面圖。從圖中可以看出,熱帶風暴登陸前(8日3:00前)底部維持一個輻合中心,輻合區(qū)在800 hPa以下,在800～750 hPa和500 hPa以上各有1個輻散中心。在熱帶風暴登陸后,底部的輻合開始減弱,中層和高層的輻散亦相應減弱。但輻合區(qū)的高度在8日6:00伸展到800 hPa以上,形成1個散度柱,表示對流活動在此階段發(fā)展旺盛。結合圖7的降水可以看出,此階段為一個強降水階段。對比熱帶風暴登陸之前的底部散度和降水強度可以看出,強輻合運動并不對應強降水,而是散度柱向上伸展的高度對應著強降水,說明降水強度與散度柱的伸展高度關系密切。

圖8　2012年8月7日15：00—8日0：00（UTC）模擬的熱帶風暴中心散度的緯向剖面圖

結合850 hPa高度上的模擬相對濕度場和風場,在熱帶風暴中心的西北側存在相對濕度大值區(qū),最大值均達到95%以上,表明水汽含量相當充沛,東南側的相對濕度在80%以下。同時,熱帶風暴中心北側的風速要大于南側,表明此處水汽輸送強盛,因而熱帶風暴中心區(qū)西北側的水汽供應充沛。對比圖7,該時刻熱帶風暴中心西北側的降水量最大,水汽輸送呈非對稱分布,對于熱帶風暴強降水有良好的指示作用。另外,此次熱帶風暴的有利水汽條件區(qū)域主要集中在熱帶風暴中心西北側,這也為高度集中的暴雨范圍提供了非常充分的水汽條件。

5　小結與討論

本文利用中尺度數值模式WRF v3.4.1對?？麩釒эL暴的演變及登陸過程進行數值模擬,并將模擬結果與觀測數據比較,驗證模擬的可靠性,并對結果進行診斷分析。結果表明,(1)此次WRF模擬基本能夠模擬出?？麩釒эL暴的路徑實況的熱帶風暴路徑基本吻合,較成功的模擬出海葵由西北轉為西行后又轉為西北行的路徑變化。熱帶風暴中心海平面氣壓及中心附近風速的對比結果表明,對?？麖姸鹊哪M效果也很好。總體來說,模式結果基本真實地反映了熱帶風暴發(fā)展演變及其登陸過程,可用模式輸出的高分辨率結果作進一步的分析研究。(2)根據模擬結果分析,?？麩釒эL暴主要由西太平洋副熱帶高壓作為引導,并從西南季風氣流中獲得源源不斷的水汽,使其在登陸后持續(xù)保持其渦旋結構。(3)?？顷戇^程中,其渦旋結構由完整的對稱性轉變?yōu)榉菍ΨQ性,強降水區(qū)與渦度等值線的密集區(qū)具有很好的對應關系,降水強度則與渦度大小變化一致。降水強度的增大與負散度柱的向上伸展關系密切。相對濕度的分布,水汽輸送的非對稱分布對于熱帶風暴登陸期間產生的暴雨都有著很好的對應。

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(責任編輯：張瑞麟)

中圖分類號：S164

文獻標志碼：A

文章編號：0528-9017(2016)04-0583-07

DOI10.16178/j.issn.0528-9017.20160438

收稿日期:2015-12-02

基金項目:國家自然科學基金(41276032);公益性行業(yè)(氣象)科研專項GYHY (QX) 201206016)

作者簡介:單 磊(1980—),男,工程師,碩士,主要從事預報預測方面研究工作,E-mail:shansi@126.com。