謝文鋒,劉峰,郭智亮,張有洋
(民航中南空管局氣象中心,廣東廣州 510405)
我國(guó)是世界上臺(tái)風(fēng)登陸最多的國(guó)家,臺(tái)風(fēng)登陸后產(chǎn)生的強(qiáng)降水天氣對(duì)人民的生產(chǎn)生活及航空飛行的安全都有重要影響。影響臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度和分布的因子復(fù)雜多樣,涉及臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、移速、環(huán)流條件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、下墊面強(qiáng)迫等[1-4]。如冷空氣的入侵會(huì)增加臺(tái)風(fēng)降水的強(qiáng)度,地形抬升也可能造成臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中迎風(fēng)坡降水的增加[5-7]。許多研究指出,螺旋雨帶是造成臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水的主要中尺度系統(tǒng),在螺旋雨帶上常有中尺度強(qiáng)對(duì)流單體產(chǎn)生[8-9]。關(guān)于螺旋雨帶的成因,近年來(lái)從渦旋Rossby波的角度解釋螺旋雨帶成因開始被普遍接受,認(rèn)為產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)渦旋Rossby波的原因是臺(tái)風(fēng)中存在相對(duì)渦度的徑向梯度[10]。
盡管對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程的降水機(jī)理做了許多研究,但不同臺(tái)風(fēng)過(guò)程的主導(dǎo)因子常常各有不同,臺(tái)風(fēng)降水的強(qiáng)度和落區(qū)的精細(xì)化預(yù)報(bào)仍然是業(yè)務(wù)工作中的難點(diǎn)。受1804號(hào)臺(tái)風(fēng)“艾云尼”影響,廣州機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了24 h累積降雨量261.4 mm的持續(xù)性強(qiáng)降水天氣,造成了大量航班的取消和延誤。因此本研究通過(guò)WRF模式對(duì)“艾云尼”登陸后引發(fā)機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水的機(jī)制進(jìn)行模擬研究,以期為以后相似形勢(shì)的預(yù)報(bào)提供參考。
2018年04號(hào)臺(tái)風(fēng)“艾云尼”6月7日20:30(北京時(shí),下同),在廣東省陽(yáng)江市沿海登陸,登陸后以10 km/h的速度向東北方向緩慢移動(dòng)。圖1是6月8日05:00、14:00臺(tái)風(fēng)登陸后的廣東區(qū)域雷達(dá)拼圖,其中紅色方框表示機(jī)場(chǎng)終端區(qū),是航班最密集、航線最復(fù)雜的飛行關(guān)鍵區(qū)域。由圖1可以看到,由于登陸后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱,臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)組織比較疏松,05:00(圖1a)在臺(tái)風(fēng)的東側(cè)存在2條主要的螺旋雨帶,匯聚于臺(tái)風(fēng)的東北象限,廣州機(jī)場(chǎng)終端區(qū)主要受螺旋雨帶頭部的降水云團(tuán)影響。08:00,降水回波的整體范圍有所減小,強(qiáng)度變化不大。14:00(圖1b),臺(tái)風(fēng)緩慢移動(dòng),強(qiáng)度開始減弱,影響機(jī)場(chǎng)的螺旋雨帶明顯東移減弱,在內(nèi)核區(qū)的東側(cè)重新生成了一條新的螺旋雨帶,緩慢向偏東方向移動(dòng),14:00—17:00發(fā)展中的螺旋雨帶一直覆蓋在機(jī)場(chǎng)上空。
圖1c是6月8日00:00—24:00廣州機(jī)場(chǎng)逐1 h累計(jì)降雨量,影響機(jī)場(chǎng)的降水主要分為2個(gè)階段:第1階段為03:00—11:00,降水主要由臺(tái)風(fēng)東北側(cè)的螺旋雨帶頭部產(chǎn)生;第2個(gè)主要降水時(shí)段出現(xiàn)在 13:00—17:00,其中 14:00—16:00的小時(shí)雨量都超過(guò)了50 mm,機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水天氣,造成航班無(wú)法起降。第2階段的降水是由臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)東側(cè)新生成緩慢移動(dòng)的螺旋雨帶產(chǎn)生,且在螺旋雨帶中存在中尺度的強(qiáng)對(duì)流單體,實(shí)際業(yè)務(wù)工作中未能提前預(yù)判這一階段的強(qiáng)降水天氣,給航班調(diào)配帶來(lái)了一定被動(dòng)。
圖1 2018年6月8日05:00(a)、14:00(b)廣東區(qū)域雷達(dá)拼圖;6月8日00:00—24:00廣州機(jī)場(chǎng)逐小時(shí)累積降雨量(c)
本研究使用 WRFV3.8.1版本,試驗(yàn)采用Mercator地圖投影的三重雙向嵌套網(wǎng)格,區(qū)域的中心位于 23°N,113°E,水平分辨率為 27、9和 3 km,垂直方向設(shè)置51層。3個(gè)模擬區(qū)域均采用YSU行星邊界層方案及RRTM長(zhǎng)波和Dudhia短波輻射參數(shù)化方案。在模擬的第1和第2個(gè)區(qū)域采用KF積云對(duì)流參數(shù)化方案和WSM6云微物理方案,而在第3個(gè)3 km分辨率的網(wǎng)格中,不采用積云對(duì)流參數(shù)化方案,只使用WSM6云微物理方案。初始場(chǎng)資料選用NCEPGDAS/FNL的3 h一次0.25°×0.25°分辨率的再分析資料。模擬時(shí)間均從2018年6月7日20:00至6月9日02:00,共積分30 h。
圖2a是6月8日02:00—9日02:00第3區(qū)域模擬的臺(tái)風(fēng)路徑與實(shí)況的比較,由于模式的“spin-up”調(diào)整,去除了前6 h的模擬結(jié)果??梢钥吹?,臺(tái)風(fēng)登陸以后逐漸向東北方向移動(dòng),20:00以后轉(zhuǎn)向偏東方向移動(dòng)。試驗(yàn)基本模擬出了臺(tái)風(fēng)向東北方向緩慢移動(dòng)的過(guò)程,但整體位置偏東,平均偏差為33 km。圖2b是模擬的臺(tái)風(fēng)中心最低海平面氣壓與實(shí)況的比較,基本模擬出了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度在登陸以后緩慢減弱的過(guò)程,其中模擬的最低海平面氣壓在05:00以后比實(shí)況偏低,平均誤差為-3.2 hPa,模擬的地面最大風(fēng)速平均誤差為2.0 m/s。
圖2 2018年6月8日02:00—9日02:00觀測(cè)和模擬的臺(tái)風(fēng)路徑圖(a)以及臺(tái)風(fēng)逐3 h最低海平面氣壓(b)
廣州機(jī)場(chǎng)第2階段的強(qiáng)降水主要發(fā)生在8日下午臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度整體減弱的過(guò)程中,因而有很大的預(yù)報(bào)難度。
圖3是6月8日05:00、14:00和17:00第3區(qū)域模擬的雷達(dá)組合反射率和950 hPa風(fēng)場(chǎng),其中黑色十字表示機(jī)場(chǎng)所在位置。對(duì)比圖1可知,05:00模擬的回波分布形態(tài)與實(shí)況非常相似,強(qiáng)降水回波主要位于臺(tái)風(fēng)的東側(cè)和北側(cè),具有顯著的非對(duì)稱渦旋狀結(jié)構(gòu)。從廣東中部向南延伸至海上的主螺旋雨帶與實(shí)況對(duì)應(yīng)很好,但對(duì)東部最外圍區(qū)域的螺旋雨帶模擬的較實(shí)況偏弱。14:00模擬的回波與實(shí)況相比,在臺(tái)風(fēng)東北側(cè)的偏北氣流當(dāng)中都有大片的穩(wěn)定性降水區(qū)域,模擬結(jié)果顯示在臺(tái)風(fēng)東南側(cè)的偏南暖濕氣流中有多個(gè)中尺度強(qiáng)對(duì)流單體生成,但與實(shí)況相比結(jié)構(gòu)更松散,并沒有發(fā)展成一條完整的螺旋雨帶。17:00臺(tái)風(fēng)東南側(cè)的降水云團(tuán)明顯減弱,與實(shí)況相比未能模擬出新螺旋雨帶的發(fā)展過(guò)程。實(shí)際業(yè)務(wù)工作中,歐洲中心和美國(guó)GFS數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品均漏報(bào)了8日下午的強(qiáng)降水過(guò)程。WRF模式雖然也未能完整模擬出螺旋雨帶的生成,但能夠指示出在臺(tái)風(fēng)整體減弱過(guò)程中,內(nèi)核區(qū)東南側(cè)仍然有新的強(qiáng)降水單體生成,對(duì)8日下午的預(yù)報(bào)有一定的指示意義。
圖3 2018年6月8日05:00(a)、14:00(b)和17:00(c)模擬的雷達(dá)組合反射率(填色,單位:dBz)和950 hPa風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭,單位:m/s)
持續(xù)不斷的水汽輸送是強(qiáng)降水發(fā)生和維持的重要條件[11]。分析925和850 hPa的水汽通量(圖略),6月8日08:00的水汽通量具有明顯的非對(duì)稱性,臺(tái)風(fēng)東側(cè)的偏南氣流從南海北部將大量的水汽輸送到臺(tái)風(fēng)主體的東部和北部區(qū)域,最大水汽通量超過(guò)45 g·(cm·s·hPa)-1,研究表明,充沛的水汽輸送有利于臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)的維持,也有助于雨帶的加強(qiáng)[1]。相比之下,925 hPa的水汽輸送比850 hPa更強(qiáng)。到14:00,925和850 hPa的水汽通量均有所減弱,因而臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和周邊的對(duì)流強(qiáng)度也整體減弱,水汽通量的大值區(qū)從臺(tái)風(fēng)東側(cè)向臺(tái)風(fēng)北側(cè)偏移,雨區(qū)主體也移至臺(tái)風(fēng)北側(cè)。值得注意的是,雖然14:00后臺(tái)風(fēng)的整體水汽輸送減弱,但在臺(tái)風(fēng)主體的東南部仍然存在兩條有一定強(qiáng)度的螺旋狀水汽輸送帶,最大水汽通量超過(guò)35 g·(cm·s·hPa)-1,為下午新螺旋雨帶的生成提供了非常有利的水汽條件。
圖4a是8日08:00模擬的925 hPa散度和1 h累積降水分布,由圖4a可以看到,東北側(cè)的大范圍降水區(qū)和強(qiáng)輻合區(qū)有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,08:00輻合區(qū)主要在臺(tái)風(fēng)的東側(cè)和東北側(cè),主要由偏南氣流和偏東氣流匯合形成,隨著臺(tái)風(fēng)向東北方向移動(dòng),11:00主要的輻合區(qū)位于臺(tái)風(fēng)的東北側(cè)(圖略),來(lái)自海上的偏南氣流與廣東東北部的東北氣流在臺(tái)風(fēng)東北部形成輻合。為了進(jìn)一步了解輻合區(qū)的垂直結(jié)構(gòu),沿著23.2°N的強(qiáng)輻合區(qū)(圖4a黑色線)作08:00散度和水平風(fēng)速大小的東西向垂直剖面(圖5a),發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)東北部的對(duì)流區(qū)域有非常顯著的低層輻合中層輻散特征,在850 hPa以下的邊界層區(qū)域是輻合層,850到500 hPa是強(qiáng)的輻散層。在800 hPa以下存在非常強(qiáng)的東南低空急流,最大風(fēng)速超過(guò)30 m/s。研究指出低空急流不僅為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供大量水汽,還能造成急流前部的空氣輻合上升[12]。因此850 hPa以下邊界層的輻合抬升作用是造成臺(tái)風(fēng)東北部區(qū)域大范圍強(qiáng)降水天氣的動(dòng)力機(jī)制,從而也引發(fā)了廣州機(jī)場(chǎng)8日第1階段的持續(xù)性強(qiáng)降水天氣。
8日下午第2階段強(qiáng)降水是由臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)東側(cè)向東發(fā)展的螺旋雨帶造成。圖4b是8日14:00模擬的925 hPa渦度和1 h累計(jì)降水分布,正渦度的大值區(qū)主要位于臺(tái)風(fēng)的內(nèi)核區(qū)和東南側(cè)。許多研究指出,臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶和低層渦度分布有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,臺(tái)風(fēng)中的徑向渦度梯度能產(chǎn)生渦旋Rossby波,而渦旋Rossby波可以觸發(fā)螺旋雨帶的生成[13]。試驗(yàn)?zāi)M出14:00在臺(tái)風(fēng)的東南側(cè)存在一條明顯的螺旋狀正渦度帶,且強(qiáng)降水區(qū)域出現(xiàn)在正渦度帶上。沿著23°N(圖4b黑色線)作14:00渦度和水平風(fēng)速大小的東西向垂直剖面圖(圖5b),可以清楚看到在113.8°E附近出現(xiàn)強(qiáng)降水的位置上存在深厚的正渦度區(qū),向上擴(kuò)展至600 hPa,且在低層存在風(fēng)速超過(guò)21 m/s的低空急流。因此,偏南暖濕水汽的輸送配合正渦度的觸發(fā)作用是8日下午臺(tái)風(fēng)減弱過(guò)程中在其東南側(cè)仍有新螺旋雨帶生成的原因。
圖4 2018年6月8日08:00模擬的925 hPa散度(填色,單位:10-4 s-1)、風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭,單位:m/s)和1 h降水(等值線,單位:mm)(a);6月8日14:00模擬的925 hPa的渦度(填色,單位:10-4 s-1)、風(fēng)場(chǎng)(矢量箭頭,單位:m/s)和1 h降水(等值線,單位:mm)(b)
圖5 2018年6月8日08:00模擬的沿23.2°N東西向散度(填色,單位:10-4 s-1)和水平風(fēng)速(等值線,單位:m/s)的垂直剖面(a);14:00模擬的沿23°N東西向的渦度(填色,單位:10-4 s-1)和水平風(fēng)速(等值線,單位:m/s)的垂直剖面(b)
1)“艾云尼”具有顯著的非對(duì)稱結(jié)構(gòu),強(qiáng)降水天氣主要發(fā)生在臺(tái)風(fēng)東側(cè)和北側(cè)的螺旋雨帶中。850 hPa以下臺(tái)風(fēng)東側(cè)低空急流的水汽輸送為臺(tái)風(fēng)的維持和強(qiáng)降水的發(fā)生提供了非常有利的水汽條件。
2)偏南暖濕氣流與東北氣流在臺(tái)風(fēng)東北側(cè)匯合造成的邊界層輻合抬升是引發(fā)機(jī)場(chǎng)第1階段強(qiáng)降水的動(dòng)力機(jī)制。
3)在臺(tái)風(fēng)整體減弱過(guò)程,其內(nèi)核區(qū)東南側(cè)的正渦度帶在有利的水汽輸送配合下觸發(fā)了新螺旋雨帶的形成,螺旋雨帶中的中尺度強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)造成了機(jī)場(chǎng)第2階段的強(qiáng)降水,在以后的工作中值得關(guān)注。
4)WRF模式雖然未能直接模擬出8日下午在臺(tái)風(fēng)減弱過(guò)程中東南側(cè)有完整的螺旋雨帶生成,但模擬出的螺旋狀正渦度帶和強(qiáng)對(duì)流單體對(duì)預(yù)報(bào)有一定的指示意義。