（气象学专业论文）“麦莎”变性过程中冷空气的活动及引发京津地区的降水.pdf

摘要 本文利用地面和高空实况观测资料对台风“麦莎”进行分析，由f y 一2 c 卫星云图资料分析“麦莎”云系的演变特征，并利用n c e p 再分析资料，结合中 尺度b a r n e s 滤波，分析台风变性前后热力结构的不同特征。为了揭示台风变性 过程中冷空气的活动特征，采用非静力平衡的中尺度模式姗5 ( v 3 7 ) ，对台风 登陆北上，尔后发生变性的全过程进行6 0 h 模拟。利用冷空气低能干燥的特征， 同时引入位涡这一物理量，对“麦莎”登陆北上过程中冷空气的活动进行细致 分析。结果表明：“麦莎”登陆北上的过程中，西北识4 的冷空气先随着“麦莎” 环流由北向南旋转，尔后冷空气又从台风低压中心的偏南侧逐步向北侵入，并 伴随“麦莎”环流的夹卷作用，最终破坏“麦莎”的暖心结构，使台风发生变 性。 同时，文章采用非静力平衡的中尺度模式m m 5 ( v 3 7 ) 对“麦莎”北上变性， 影响京津地区降水的全过程进行4 8 h 模拟。在模拟结果较理想的基础上对京津 地区降水的全过程，以及影响京津地区降水的“麦莎”偏西侧云系进行细致分 析。在接近华北地区时，“麦莎”云系发生分裂，分裂为东西两片。从这两片 云系发展的水汽和垂直速度条件来看，偏东侧云系的水汽和垂直速度条件都明 显要比偏西侧云系的强，这两片云系的强度和高度截然不同。另外，由模式输 出的加密资料对偏西侧云系的出现和发展进行分析，偏西侧云系的出现和发展 与低层8 5 0 h p a 流场上中尺度辐合线的产生密切相关，其中冷空气的作用显著。 关键词：冷空气入侵；数值模拟；交性台风 a b s t r a c t b ye m p l o y i n gt h ea c t u a lo b s e r v a t i o n a ld a t ao fl 叩p 盯a i ra n ds u r f a c e ，t y p h o o n m a t s ai sa n a l y z e d t h ed e v e l o p i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h em a t s ac l o u ds y r s t e mi s a n a l y z e du s i n gt h ed a t ao ff y _ 一2 cs a t e l l i t ec l o u di m a g e a n dt h ea n a l y s i so ft h e d i 商e r c l l tt r a i to ft h e r m a ls t r u c t u r eb e f o r ca n da f t e r e 】【t r a t r o p i c a lt r a n s i t i o ni s c o n d u c t e db yt h eu s eo fn c e pr e a n a l y s i sd a t a , c o m b i n i n gw i t ht h em e t h o do f m e s o s c a l eb a r n e sf i l t e r i n g i no r d e rt op o s tt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o l d a i rd u r i n gt h ep r o c e s so fe x t r a t r o p i c a lt r a n s i t i o n , t h ew h o l ep r o c e s so fm a t s a m a k i n gt h el a n d f a l la n dg o i n gn o r t h w a r d t h e r e a f t e re x t r a t r o p i c a lt r a n s i t i n gi s s i m u l a t e df o r6 0 b , u s i n gt h ep e n ns t a t e n c a rn o n h y & o s t a t i cm e s o s c a l em o d e l m m 5 ( v 3 7 ) ，t h em o v e m e n to f t h ec o l da i ri sa b o r a 主i v l ya n a l y z e d 。i no r d e r t op o s tt h e c h a r a c t e ri nt h ep r o c e s so ft h ec o l da i r ，b yi t sc h a r a c t e r so fl o we n e r g ya n dd r y n e s s 。 a n dt h ep h y s i c a lq u a n t i t yo fp o t e n t i a lv o r t e xi si m p o r t e d n l er e s u l t ss h o wt h a t d u r i n gt h ep r o c e s so fm a t s am a k i n gt h el a n d f a i la n dg o i n gn o r t h w a r d , c o l da i ro f n o r t h w e s tr o t a t e sa l o n gw i t hm a t s ac i r c u l a t i o nf r o mn o r t ht os o u t hf i r s t a n dt h e n g o e sn o r t h w a r df r o mt h es o u t ho ft h ec g n t e ro ft y p h o o nl o w d e s t r o y st h ew a r m c e n t e ro f m a t s aa tl a s t , i n d u c i n ge x t r a t r o p i c a lt r a n s i t i 0 1 1 c o n t c m p o r a r i l y u s i n gt h ep e n ns t a t e - n c a rn o n _ h y d r o s t a t i cm e s o s c a l e m o d e l ( m m 5 ) t h ee v o l u t i o no fm a t s a a f t e rm a k i n gt h ei a n d f a l la n dt h ep r o c e s so f t i a n j i ne n db e i j i n g sp r e c i p i t a t i o ni ss i m u l a t e df o r4 8 h o nt h eb a s i so ft h eg o o d r e s u l t ，t h ew h o l ep r o c e s so ft i a n j i na n db e i j i n g sp r e c i p i t a t i o na n di t si n f l u e n c i n g c l o u ds y s t e ma r ea b o m t i v l ya n a l y z e d 1 1 1 ec l o u ds y s t e mo fm a t s ad i 、r i d ei n t ow e s t p a r ta n de a s to n e ，w h e nc l o s et on o r t hc h i n a a n a l y z ef r o mt h ed e v e l o p i n gc o n d i t i o n o f v a p o ra n d v e r t i c a lv e l o c i t y f o r t h e s e t w o p i e c e s o f c l o u d ，i n d i c a t e t h a t t h e i n t e n s i t y a n dh e i g h to ft h e s et w op a r t so fc l o u da r cc o m p l e t e l yd i f f e r e n t 1 1 a p p e a r a n c eo f t h ew e s tc l o u di sc o n n e c t e dw i t ht h ee m e r g e n c eo fm s c a l ec o n v e r g e n c el i n ea t 8 5 0 h p as t r e a mf i e l d ，w h i l et h er o l eo f t h ec o l da i ri si m p o r t a n t k e yw o r d s ：c o l da i ri n t r u s i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；t r a n s i t i o nt y p h o o n 学位论文独创性声明 本人郑重声明， l 、坚持以。求实、创新8 的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：扯到葺 日 期：圆qi ：! 鉴 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文迸入学校图书馆被查阕；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名： 日期： 猛竭聋 丛i - q i 。喳 第一章绪论 发生在热带海洋上的一种具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋，总是伴有狂风暴雨。常 给受影响的地区造成严重的灾害，我国和东亚地区将这种强热带气旋称为台风，大西洋地 区称其为飓风，印度洋地区称其为热带风暴。 台风带来的破坏和灾害主要是爨两、大风、和风暴潮造成豹“1 我国受台风影响严重， 平均每年登陆我国的台风约有7 - 8 个，是世界上台风登陆最多、灾害最严重的国家“。台 风暴雨是由多尺度系统引起的突发性大范围降水现象，容易引起洪水泛滥，往往带来巨大 的损失，因此在台风研究领域中，台风暴雨一直是最受重视的研究课题之一铷在台风研 究中，对于台风登陆后的路径，热力学和动力学结构，台风的衰亡、变性，再次增强的可 能原因，台风外围暴雨以及在其北上过程中与西风带相结合的过程等等，以前学者对此的 研究都己不少”。 1 1 国内外对登陆台风的研究进展 台风暴雨除了与台风环流直接相关的几条螺旋雨带外，大范围的暴雨区常常是台风与 中纬度系统相互作用形成的，例如中纬度西风槽、中低空急流、副热带高压与台风系统的 相互作用“。近年来，热带气旋登陆问题的研究倍受重视，并随着大气探测技术的发展， 登陆热带气旋的研究已经成为热带气旋研究中的一个新领域。在早期，专家学者们主要以 天气学方法、统计方法、诊断分析方法对热带气旋进行研究。随着各种数值模式的发展， 利用模式对台风的数值研究也逐渐增多”，例如陈联寿等”利用数值模拟的方法，研究揭 示了台风外区热力不稳定非对称结构对其异常路径的影响问题，提出了台风运动非对称结 构的影响，不仅表现在台风涡旋动力结构特征上，而且反映在台风外区三维非对称热力结 构特点方面，即包括温、湿不稳定层结分布特征及其强弱程度因素。 但由于常规天气观测的资料稀少且可靠性差，直接由全球模式的同化结构作为初始场 做台风的路径预报效果往往不理想，王国民等对人造台风( b o g u st y p h o o n ) 进行了研究， 根据一组观测参数，半经验地构造一个台风模型，将其植入分析场中，进行的台风路径试 验预报取得了较好的效果。万齐林，何溪澄”1 认为在台风数值预报中需要重点考虑的问题 是初值条件，特别是人造台风的构造起了根重要的作用，他们提出了一个新的人造台风构 造方案，该方案在初值中引入了较真实的台风结构，尝试利用卫星探测i b b 资料来改进人 造台风中对流加热的分布，确定与卫星t b b 协调一致的人造台风径向环流场，以改善风一 压平衡，使得模式对强加入的人造台风更协调 另外，国内外科学家还实施了一系列外场科学试验( f i e l ds c i e n t i f i ce x p e r i m e n t s ) ， 对登陆热带气旋进行探测和研究，开辟了一条新的研究途径，对登陆台风的研究取得了很 大的进展：( 1 ) 对登陆台风的边界层结构有了初步的认识，台风边界层存在一支低空急流， 急流与地形的辐合区会产生活跃的中尺度强对流活动。( 2 ) 潜热释放、输送和斜压位能释 放是近海或登陆热带气旋加强或维持的两种主要能源。( 3 ) 内陆大范围水面和饱和湿土的 潜熟通量输送对登陆热带气旋在陆地维持有利。( 4 ) 近海或登陆台风与中尺度涡旋( m s v ) 的合并将会使台风加强。( 5 ) 强的高空辐散场和流出气流以及小的风速垂直切变也对近海 台风加强有利。( 6 ) 岛屿地形、极锋、高空切断冷涡，中纬度急流和熟带低值系统与近海 台风相遇，往往使台风路径发生转折。( 7 ) 近海或登陆台风与地形、西风带槽和梅雨锋的 相互作用将对暴雨强度、分布产生重要的影响。 此外，还有不少学者在台风暴雨研究过程中诊断量的使用方面作了很多工作，例如： 蔡义勇由e r t e l 广义位涡方程出发引出了相当位涡的概念。并从大尺度热量、水汽和涡 度方程入手，推导出相当位涡平衡方程，综合考虑了高、低层温湿场分布及涡、散度等热 力，动力因素的作用，并应用在台风暴雨的诊断分析上，为后人的研究作了一定的贡献。 李英“”等利用湿位涡这一物理量对w i n n i e ( 1 9 9 7 ) 和b i l l s ( 2 0 0 0 ) 的变性过程中所表现 出的不同特征进行研究。于玉斌等“”也利用等压面位涡及等熵面位涡，对引起华北一次特 大台风暴雨的9 6 0 8 号台风的特征进行诊断分析，揭示了台风低压北上诱发暴雨过程的位涡 场的结构及冷空气对暴雨增幅的作用。 到2 0 世纪5 0 年代。关于台风温带转变过程( e x t r a t r o p i c a lt r a n s i t i o n ) 的研究得 到气象界的重视，k n o x “”，s e k i o k 8 【”1 早早提出了台风在锋面上诱生薪的温带气旋辐台系统 的观点。热带气旋北上进入中纬度地区的过程中，若遇到适度冷空气的侵入，将得到新的 斜压能量，可能向“半冷半热”的温带气旋转变，在转变过程中并伴随着其结构，移速、 路径及降水分布等的明显变化，弗带来强降水、强风、海浪和潮涌等灾害性天气。亢迪等 2 “”在对变性热带气旋的结构特征和能量分析后指出：热带气旋登陆转向北上，与中高纬冷 空气的作用，往往破坏热带气旋的对称结构，造成其变性。并通过对热带气旋变性结构分 析后得出的结论为：( 1 ) 在低层有较强的辐合，中心上升，高层辐射流出，在下层不断有 水汽向中心输入，垂直风切变在中心为零，零线附近水平梯度较大，不断有高位涡注入气 旋中心，中心上空维持一个暖心。( 2 ) 台风北上后，与中纬度西风槽相互作用，台风的对 称性被破坏，当弱冷空气位于台风外围时，即没有破坏台风中心的暖心结构，同时又加强 了外围的对流云，而且这时台风一般位于槽前正涡度平流区，输入高位涡给台风环流，可 见弱冷空气对台风的维持及发展有积极的作用。( 3 ) 当台风北上到较高纬度时，冷空气可 以侵入到台风中心，结果中心的暖心首先在下层被破坏，次级环流降低。干冷空气的入侵 在os e 图上及湿位能图上表现得都很清楚。 s e k i o k a “”和m a t a n o “”在研究中提出，转向的热带气旋与中纬度天气系统相互作用可 以形成两种类型的系统：复合型( c o m p l e x ) 和混合型( c o m p o u n d ) b r a n d 和g u a r d “”增加 了第三种类型：消亡型。朱佩君等“”通过对台风个例w i n n i e 的数值模拟，研究了台风从变 性阶段到重新加强阶段中的环流特征及热力和动力的结构特征。表明变性阶段主要完成从 热带气旋基本对称的垂直分布结构到变性气旋的斜压非对称结构的转换。2 0 0 5 年朱佩君、 郑永光、陶祖钰又对w i n n i e 台风变性再度发展的动能收支进行分析，发现低层的散度风 制造是气旋强度变化的主要原因。在变性阶段，冷空气的侵入使低层的动能制造增加，对 台风维持起主要作用；在重新加强阶段，高空急流的影响使低层散度风的动能制造明显增 加，使气旋斜压不稳定发展。 台风云系作为影响系统引导着降水天气的发生，台风登陆的过程中随着它结构特征的变 化，云系特征也发生变化，尤其是台风登陆后与中纬度系统发生相互作用，交性为温带气 旋时，台风云系也随之转变为温带气旋云系。2 0 0 0 年pmk l e i n o ”在研究西北太平洋台风 变性过程中，利用i r 云图对其演变过程很好地进行描述，概括为以下三步：( 1 ) 热带气旋 西象限，内核外围深对流云和雨带明显减少，结果是，和热带气旋成熟期对称结构比较， 云和深对流非对称；干缝出现在南象限的雨带之间，和东部、北部相比云也减少。( 2 ) 南 部的深对流几乎停止，而东部也很大程度上减弱。然而，嵌入深对流的大范围的多层云从 3 北边扩展到西边，卷云外流和极流相互作用产生。盾状”卷云( b a d e r 等1 9 9 5 年命名) ， 形成尖边界，表明变性风暴的外流和极流的汇合。( 3 ) 在环流中心的西边，风暴内核的深 对流已经被侵蚀，并在眼壁消失处产生干缝，在风暴的外围环流深对流不明显，但风暴中 心北部和东部大范围多层云例外，对流云带从多层云区西部扩展，并在风暴的珏象限开始 向南转。盾状卷云清晰可见，风暴中心北部和东部的云型暗示暖锋的出现。风暴中心南部 的云型暗示弱冷锋出现。另外，朱佩君等“1 利用中尺度模式- 删 5 对台风w i n n i e ( 1 9 9 7 ) 登 陆后演变为温带气旋的过程进行模拟，并利用模式大气中的水物质( 云水、雨水、冰晶、 雪水、和霰) 模拟了台风云图，很好地展示了在卫星实际观测的红外云图上，w i n n i e 台风 在登陆后其云系的结构从热带气旋的螺旋云系到温带气旋的逗点云系的转变过程。 综上所述，这些年来对登陆热带气旋的研究进展是有目共睹的，人们对热带气旋的认识 已经比较清楚，但对热带气旋的研究仍然还有很多的未知领域，有待于进一步的实验和研 究去加深了解。 i 2 数值模式的发展及其在台风模拟中的应用 由于目前常规观测资料时空尺度分辨率的限制，很难揭示中尺度系统的结构特征及演 变过程，但是通过中尺度数值模式运算可以得到高分辨动力协调的四维数据，从而在空间 和时间上都大大地补充和扩展了由常规观测系统所获取的观测实况资料的分辨率，为研究 中尺度天气系统的三维结构、中尺度天气的发生发展及演变过程和动力学机制奠定基础， 所以中尺度数值模式成为研究中尺度天气系统和中尺度天气过程的重要工具，并且中尺度 数值模式已经得到了广泛的应用。 中尺度数值模式大体上可分为两大类，即静力平衡近似模式和非静力平衡模式。非静 力平衡模式又可进一步分为不可压缩模式、滞弹性模式和完全弹性模式等三类。其中，不 可压缩模式应用了不可压缩连续方程，一般只用于研究浅对流运动。由于静力平衡近似模 式会引起对重力波处理的误差，甚至造成虚假的高频快波，重力波和中尺度现象有十分密 切关系，有的中尺度系统是由重力波引起的，而有的中尺度系统本身就是重力波。可见， 静力平衡近似引起的误差，对中尺度天气系统和天气过程的模拟与预报是不利的，因此发 展非静力模式是非常必要的2 】。 4 最近二十多年来，中尺度数值模拟和预报迅速发展，其中由美国p s u n a c r 共同发展的 眦5 中尺度模式自研制以来，不断进行更新，迄今为止已有多种版本，对世界各地很多大 气现象都做过模拟研究，在我国有着广泛的应用这些研究和应用结果表明删5 具有较好 的稳定性和较强的模拟能力，能提供高分辨率的动力协调资料，有助于我们认识复杂中尺 度系统的结构及其发生和发展物理机制。总的来说，m m 5 中尺度模式主要具有如下特点：( 1 ) 提供分辨率可变的地形高度和地袭分类资料，包括新的全球3 0 s 地形资料；( 2 ) 灵活易变 和多重嵌套性能。在该模式中能设置从全球尺度到云尺度的多重嵌套运行，能用双向或单 向运行模式：对双向，可多重嵌套或移动嵌套；对单向，只由粗网格模式作用于细网格模 式，嵌套域可在任意时刻开始或停止i ( 3 ) 模式系统具有比较完整的资料处理体系，能够 用其他模式的输出资料和实时观测资料作为模式初值、边界场；( 4 ) 采用非静力平衡动力 框架，对暴雨、冰雹、飑线等中小尺度天气系统由比较强的模拟能力；( 5 ) 考虑了非常详 细的物理过程，对每种物理过程又提供了多种实施方案；( 6 ) 采用张弛逼近方法的四维资 料同化( f d d a ) 处理技术。 1 ，3 本文的研究目的、方法、内容和资料说明 2 0 0 5 年第9 号台风“麦莎”于7 月3 l 且2 0 时( 北京时，下同) 在菲律宾以东洋面生 成，生成后一直朝西北方向移动。8 月6 日凌晨3 时4 0 分在浙江玉环县干江镇登陆北上， 登陆后影响时间长，影响地域广，是2 0 0 5 年受灾面积最大，损失最严重的台风，经济损失 高达1 8 0 亿元，仅浙、沪、苏、皖受灾人口竞达1 6 0 0 万，死亡1 7 人。 本文之所以将台风“麦莎”作为一个典型个例进行初步探讨，是因为它有着与以往北 上登陆台风的不同点。近年来，关于登陆台风发生变性的研究已经比较成熟，但对于台风 变性过程中冷空气活动进行细致描述的文章不多，且台风变性往往伴有强降水的发生，云 系多发展为温带气旋逗点云系特征，然而并不是所有北上登陆的台风在发生变性后总能带 来强降水天气，给实际预报工作带来了困难。台风“麦莎”就有着这样的特点，“麦莎” 登陆北上并发生变性，“麦莎”云系发生分裂，在“麦莎”中心偏西侧出现一片较弱云系， 引导了京津地区的降水，但是并未给华北地区带来强降水，造成北京地区的预报失误，所 以本文将台风“麦莎”作为一个典型个例进行初步探讨。 5 文章通过对此次台风过程的天气进行诊断分析，定量地揭示了台风“麦莎”在登陆北 上过程中一些物理量场的变化，呈现出。麦莎”由对称结构向不对称结构的转变，并通过 动力场和热力场的综合分析，以看出冷空气在。麦莎”结构变化中所起的作用。利用数值 模拟的方法并结合计算一些描述动力场变化的诊断量，并分析它们的演变特征，很好地揭 示了冷空气逐步侵入台风“麦莎”环流的过程。为了细致分析后期“麦莎”云系的分裂， 以及这两片云系的性质和引发降水的不同，文章又采用中尺度非静力模式( m i d s v 3 7 ) 对京津 地区降水的全过程进行4 8 h 模拟。利用模式输出结果对后期“麦莎”中心偏西侧云系出现 的原因进行研究，另外还对分裂后两片云系的不同水汽和垂直速度条件进行分析，揭示了 两片云系引发降水的不同，并且分析了北京地区预报降水过程造成失误的原因。 文章正文部分包括以下几部分内容： ( 1 ) 利用n c e p 资料和卫星云图资料对台风“麦莎”登陆北上过程中结构的变化进行 了分析。 ( 2 ) 通过中尺度非静力模式( 姗5 v 3 7 ) 进行数值模拟。结合动力场和熟力场的综合分 析，以及一些描述动力场变化的诊断量的计算，揭示冷空气逐步侵入“麦莎”环流的详细 过程。 ( 3 ) 采用数值模拟的方法对后期“麦莎”云系分裂，及引发京津地区降水的全过程进 行研究，分析了“麦莎”中心偏西侧云系出现的原因，及东西两片云系的性质和引发降水 的不同，并探讨冷空气在其中的作用。 文章的研究成果和最终结论： ( 1 ) 7 日0 2 时西北侧弱冷空气先随着“麦莎”环流由北向南旋转，尔后又从“麦莎” 中心的偏南侧向北侵入，伴随“麦莎”环流的夹卷作用，最终破坏“麦莎”的暖心结构， 使其发生变性。 ( 2 ) 从垂直方向上来看，冷空气是从对流层低层侵入，同时在对流层中高层有系统性 的冷空气倾斜向下补充，且斜压能量的释放使得减弱为热带风暴的“麦莎”强度又有所加 强。 ( 3 ) “麦莎”登陆北上过程中，水汽输送及上升运动条件发生变化，台风云系的强度 6 及形状等也发生相应的交化，冷空气在其中起了重要作用。 ( 4 ) “麦莎”登陆后期，在其低压中心偏西北侧的低层出现中尺度辐合系统，这对后 期“麦莎”云系分裂，以及京津地区降水的发生作用显著。 本论文所用资料和研究方法说明： 文章采用高空和地面实况观测资料对。麦莎”进行分析，并采用n c 凹资料( 1 。xl 。， 6 h ) 计算一些物理量进行初步诊断分析。利用f y 一2 c 卫星云图资料分析“麦莎”云系的变化。 同时采用n c e p 再分析资料，结合中尺度b a r n e s 滤波及距平分析，对台风变性前后热力结构 的变化进行研究。由于n c 口再分析资料精度限制，不能分析出更小尺度系统的逐时变化。 为更细致地揭示台风变性过程中冷空气的活动特征，采用非静力平衡的中尺度模式m m 5 ( v 3 7 ) ，对台风登陆北上，尔后发生变性的全过程进行数值模拟，并用模拟结果进行相应 分析。同时为了更准确地分析“麦莎”云系分裂，及京律地区降水，文章又对京津地区的 降水过程进行4 8 h 模拟，并做相应的分析。文章使用的台风路径资料为上海台风所公布的实 况路径资料。 7 第二章台风“麦莎”概况分析 2 1 “麦莎”概况简介 0 5 0 9 号台风“麦莎”于2 0 0 5 年7 月3 1 日2 0 时菲律宾以东的洋面上生成，中心位于 ( 1 1 7 。n 1 3 3 9 。e ) ，中心气压9 9 8 h p a ，近中心最大风力达8 级( 1 8 m s ) ，以1 5 k m h 的速度向西北方向移动i8 月2 日0 8 时增强为强热带风暴，中心位于( 1 6 9 。n ，1 2 9 5 。 e ) ，中心气压9 8 5 h p a ，近中心最大风力达1 0 级( 2 8 m s ) 。8 月3 日0 2 时在距台北东南 方向7 0 0 k m 海面处加强为台风，中心气压9 7 5 h p a ，近中心最大风力达1 2 级( 3 3 m s ) ，并 继续向西北方向移动。8 月6 日凌晨3 时4 0 分，台风“麦莎”在浙江省台州市玉环县干江 镇登陆，登陆中心气压9 5 0 h p a ，近中心最大风力1 2 级以上( 4 5 m s ) 。登陆后继续向西北 方向移动。6 日1 4 时减弱为强热带风暴，中心位于( 2 8 9 。n ，1 2 0 4 。e ) ，中心气压9 8 0 h p a ， 近中心最大风力达1 1 级( 3 0 m s ) 。7 日0 2 时进一步减弱为热带风暴，并转向偏北方向继 续北上。8 日0 7 时进入山东省，而后穿过潍坊东部地区，以每小时2 0 k m 左右的速度继续 向偏北方向移动，于当日1 4 时进入渤海，中心位于( 3 7 3 。n 、1 1 9 1 。e ) ，中心附近最大 风力为8 级( 1 8 m s ) 。9 日0 7 时1 0 分，“麦莎”在大连和旅顺之间的龙王塘镇登陆后， 迅速减弱为热带低压，中心附近的最大风速为1 2 m s 。9 日1 0 时“麦莎”位于辽东半岛东 部海面。根据中央气象台的监测，9 日l l 时“麦莎”最终变性为温带气旋，尔后逐渐减弱 消失。图2 1 显示了“麦莎”登陆北上移动路径及强度的不断变化。 2 2 “麦莎”的特点 2 2 1 “麦莎”影响时间长 “麦莎”自2 0 0 5 年7 月3 1 日2 0 时在菲律宾以东的洋面上生成后，强度不断变化，影 响时间很长。8 月2 日0 8 时“麦莎”增强为强热带风暴，8 月3 日0 2 时“麦莎”加强为台 风，8 月6 日凌晨3 时4 0 分，台风“麦莎”在浙江省台州市玉环县干江镇登陆，6 日1 4 时 “麦莎”则减弱为强热带风暴，7 日0 2 时进一步减弱为热带风暴，8 日0 7 时进入山东省， 8 而后穿过潍坊东部地区，于当日1 4 时进入渤海。9 日0 7 时1 0 分，台风。麦莎”在大连和 旅顺之间的龙王塘镇再次登陆，尔后才逐步减弱消失，影响时间久，沿途受灾面积大。 2 2 2 受灾面积广 台风“麦莎”自在浙江省境内登陆后，一直北上，路径忽左忽右，严重影响了我国东 部沿海和华东地区，仅浙、沪、苏、皖受灾人口竞达1 6 0 0 万，死亡1 7 人。“麦莎”登陆 北上，8 日1 4 时进入渤海，尔后在辽宁境内再次登陆，给东北、华北地区也带来了一定影 响。台风“麦莎”是影响我国东部海域和华东、东北南部的少数几个台风之一，它带来了 巨浪、狂风和大暴雨等灾害性天气，是2 0 0 5 年受灾面积最大、损失最严重的台风，经济损 失高达1 8 0 亿元。 2 3 “麦莎”降水大风情况 0 5 0 9 号台风“麦莎”带来了巨浪、狂风和大暴雨等灾害性天气，受其影响，黄海、东 海、台湾海峡以及台湾、福建北部、浙江、上海和江苏南部等地沿海出现了1 0 一1 2 级大风， 浙江、上海、安徽东部、江苏和山东东部的部分地区风力有6 - 9 级，这些地方不同程度地 出现了吹倒树木、街道积水、人员伤亡等破坏现象。它先后影响到福建北部、浙江、上海、 江苏、安徽大部、山东、天津、河北东北部和辽宁中南部等地，给这些地区带来强风和暴 雨，致使很多地区出现严重洪涝和山体滑坡、泥石流等次生地质灾害。”。仅浙、泸、苏、 皖受灾人口可达1 6 0 0 万，死亡1 7 人，直接经济损失达9 5 亿元。其中浙江东部和北部、上 海，江苏南部、安徽东南部、山东半岛、辽宁南部、河北东北部部分地区出现了大暴雨和 特大暴雨。其中浙江省直接经济损失超过6 5 亿元，上海市区阵风风力达到8 至9 级，部分 区县过程降雨量超过3 0 0 m ，青岛市唠山区平均降雨量达2 5 2 m m 。值得一提的是，“麦莎” 继续登陆北上发生变性，影响京津，辽宁等地。从8 目上午开始，天津市自东向西出现了 降雨，截止到下午5 点，全市降雨量为小到中雨局部暴雨。9 日0 2 时北京地区开始降小雨， “麦莎”没有给京津地区带来强降水，在预报上产生了失误，给北京地区人们的正常工作、 生活带来了一定的影响。9 日7 时1 0 分“麦莎”在大连和旅顺之间的龙王塘镇再次登陆， 给辽宁一带地区则带来了强降水天气。 2 4 小结 9 8 月6 日凌晨3 时4 0 分台风“麦莎”在浙江省台州市玉环县干江镇登陆，登陆后台风 一路北上，对沿途地区带来了狂风、强降水等灾害性天气。“麦莎”登陆后不断北上。尔 后发生变性，从而影响到京津、辽宁等地区。台风“麦莎”并没有给京津一带地区带来很 强的降水。而当。麦莎”影响辽宁一带地区时，则给辽宁一带地区带来了强降水天气。总 之，0 5 0 9 号台风“麦莎”登陆后影响时间长，受灾区域广，是2 0 0 5 年带来损失最严重的 台风。 l o 第三章台风“麦莎”结构分析 3 1 台风环流形势分析 台风“麦莎”是发生在比较稳定的大尺度背景下的，但由于副高和西风带系统的变化， 致使“麦莎”在登陆后，并没有立刻深入内陆，其路径的变化与其周围天气形势、环流背 景密不可分。分析地面图及5 0 0 h p a 高空图的形势特征可见，“麦莎”登陆前，副高稳定加 强北抬，脊线维持在3 8 。n 到4 0 。n 之间，其西侧的东南气流引导台风向西北方移动；台 风登陆后，由于台风势力强大，副高开始减弱东退，但5 8 4 线明显西伸，在“麦莎”北部 形成东西向的高压坝。由于副高势力减弱，加之下垫面及地形的影响，7 日2 0 时开始“麦 莎”没有继续沿副高的引导气流向西北方向移动，转向北偏东方向移动，但5 8 4 线形成的 高压坝仍然存在( 图3 1 a ) 。高压坝的存在使得“麦莎”移速减慢，从地面图来看。此时 “麦莎”强度仍较强( 图3 i b ) 。到8 日2 0 时( 图3 i c ) ，减弱为热带风暴的“麦莎”北 上至渤海，可见5 0 0 h p a 高度上5 8 4 线断裂，形成小切断高压( 图3 1 d ) 。随后热带风暴沿 断裂后的5 8 4 线向东北方向移动，经过渤海，9 日在大连和旅顺之问登陆。由于“麦莎” 势力已经减弱。加上登陆时的摩擦消耗，“麦莎”迅速减弱为热带低压。 台风实况路径比前期预报的路径略偏东，主要是由于台风北部的高压坝具有一定的势 力，没有在台风北上过程中明显减弱东退，迫使台风移速减慢，路径因受阻也发生了变化， 比预报的路径略偏东一些，对华北东部及渤海地区影响大。对北京地区的影响减小。 图3 i“麦莎”的地面及5 0 0 h p a 高空形势分布图 a 8 日0 8 时5 0 0 h p a 高空图；b 8 日0 8 时地面图 c 8 日2 0 时地面图；d 8 日2 0 时5 0 0 h p a 高空图 3 2 f y 一2 c 卫星云图演变特征分析 “麦莎”生成后朝西北方向移动，起初其螺旋云系完整，台风中心位于密蔽云系中心， 云层紧密厚实，云顶外形呈准圆形，云系边缘清晰，能较明显地分析出其螺旋云系( 图3 2 a ) 。 随着台风登陆北上，其云系结构发生明显改变，西南侧云系逐渐减弱，出现了从西南侧指 向台风低压中心的云系空缺。随着台风继续北上，其云顶外形呈现出扇形不对称结构( 图 略) 。到8 日1 4 时( 图3 2 b ) ，“麦莎”经山东半岛进入渤海，其东侧云系已明显较西侧 云系紧蔽，两片云系开始发生分裂。到8 日2 0 时( 图3 2 c ) ，偏东侧云系已经移到辽宁 境内；偏西侧那片较弱的残留云系影响到天津地区，并在9 日0 2 时影响到北京地区( 图 3 2 d ) 。 图3 2 不同时次的f y - 2 c 卫星云图演变特征 a 5 日2 0 时；b 8 1 91 4 时；c 8 1 9 2 0 时；d 9 日0 2 时 3 3 “麦莎”暴雨天气诊断分析 3 3 1 低空急流 低空急流( l l j ) ( 风速最大值在1 2 或1 6 m s 以上) 被称为是给中纬度暴雨和强风暴提 供水汽和动量最重要的机制。低空急流是出现在对流层低层的强风区，是一种动量、热量 和水汽的高度集中带，通过低层暖湿平流的输送产生位势不稳定层结，急流轴的左前方是 正切变涡度区，在急流核前方有明显的水汽辐合和质量辐合或强上升运动，这些对强对流 活动的连续发展是有利的。统计表明，l l j 与暴雨之间的正相关很高，暴雨一般发生在低 空急流风速最大值的左前方。在l l j 的出现与以后暴两的发生之间畦间间隔约2 5 天。急 流的高度在1 5 - 3 l ( m ，但有时也可在边界层中发现另外的中心( 9 5 0 9 0 0 h p a ) 。影响我国的 低空急流多数情况下是西南东北向的，但有时也可出现东风急流，气流主要来自东海，甚 至黄海，当副热带高压位置偏北时，常出现这种情况1 。 分析8 5 0 h p a 及7 0 0 h p a 流场特征可见，“麦莎”登陆过程中东风分量一直都很强，这支 方向为偏东方向的低空急流为“麦莎”登陆后可以较长时间的维持起到了重要的作用。“麦 莎”登陆初期，这支低空急流沿着副高外围，携带大量来自东海的水汽向内陆输送，维持 着“麦莎”低压环流( 图3 3 a ) ；尔后随着“麦莎”逐渐北上，这支低空急流强度较前期 有所减弱，且方向由东南向转为东北向( 图3 3 b ) 。8 目1 4 时“麦莎”进入渤海，9 日0 7 时1 0 分，“麦莎”在大连和旅顺之间的龙王塘镇再次登陆，低空急流又将来自渤海和黄海 的暖湿水汽不断向内陆输送，虽较前期有所减弱，僵这支始终存在的低空急流源源不断地 带来水汽，才使得“麦莎”登陆后能长时间维持。 图3 3 实况8 5 0 h p a 高度场( 黑实线，单位：h p a ) 、风矢量场 ( 黑色箭头，单位：m s ) 及急流的位置 ( 阴影区1 6 m s ，间隔为4 m s ) 扎6 日0 2 时；b 7 日0 8 时 3 3 2 水汽条件 3 3 2 i 相对湿度 相对湿度( f ) 是空气实际水汽压与同温度下饱和水汽压之比值，是日常气象工作中用 的最为广泛的表示气块潮湿程度( 也即偏离饱和程度) 的湿度参数。相对湿度愈大，空气 愈潮湿，也愈接近于饱和，反之，空气愈干燥。离饱和的程度愈远1 。 分析“麦莎”登陆北上过程中相对湿度场的分布特征，由7 0 0 ”a 相对湿度场的特征分 布可见，在“麦莎”登陆起初，台风低压中心处为相对湿度的高值区，最高值可达9 5 ， 体现出台风中心处的高湿特征，且起初相对湿度的高值区基本上呈对称分布( 图3 4 a ) 。 随着“麦莎”的不断北上，相对湿度达9 0 的大值区向“麦莎”中心的偏东、偏北侧偏移 ( 图3 4 b ) ，说明后期“麦莎”中心的偏东、偏北侧的湿度条件相当有利，同时也揭示了 随着“麦莎”不断登陆北上，其水汽条件变得不对称。 图3 4 实况7 0 0 h p a 气压场( 黑实线，单位：h p a ) 及相对湿度场 ( 阴影区，单位：) 的分布图 a 6 日2 0 时；b 8 日2 0 时 3 3 2 2 水汽通量和水汽通量散度 降水特别是强降水的发生不仅要求当地有充沛的水汽条件，而且必须要有充足的水汽 从源地不断地向本地输送，水汽通量即表示水汽输送的物理量。它是指在单位时间内流经 某一单位面积的水汽质量。 低空急流对水汽的输送起了重要的作用，由于在“麦莎”登陆北上的过程中始终有低 空急流的存在，但强度和方向有所变化，影响了水汽的输送和分布，也就影响了降水的发 生和台风环流的维持。从8 5 0 h p a 的水汽通量来看，“麦莎”登陆初期，水汽通量轴线与台 风中心东南至西北向的气旋性气流方向一致，且与低空急流轴方向也一致。有来自于南海 1 3 的水汽从“麦莎”中心的西南侧向东北延伸，在“麦莎”偏东侧与来自东海的水汽相汇合， 形成0 0 6 s c m l l l p a 1 s 1 的水汽通量中心( 图3 5 a ) 。配合水汽通量的方向来看，汇合 的水汽从东南侧向内陆输送，与此时的东南急流密切相关。可见“麦莎”环流的偏东、偏 北侧水汽条件充沛。到7 日0 2 时( 图略) ，水汽通量较前期有所减弱，这与此时的低空急 流减弱有关，且水汽通量的大值中心也趋向于西北方向偏移，这与低空急流的方向改变有 关，即此时的东南急流开始减弱，东北急流有所加强。随着“麦莎”的不断北上，到8 日 0 8 时( 图3 5 b ) ，低空急流又将来自于黄海、。渤海的水汽输送到内陆，“麦莎”环流偏东、 偏北侧的水汽条件仍较充沛，也体现出了“麦莎”水汽条件的不对称性。 水汽通量的数量和方向只能表示水汽的来源。在作降水成因分析时，常常需要进一步 考虑从各个方面输送来的水汽能否在某地集中起来，表示这种输送来的水汽集中程度的物 理量就是水汽通量散度。它的意义是：在单位时间里单位体积内汇合进来或辐散出去的 水汽质量。 分析8 5 0 h p a 水汽通量散度，“麦莎”登陆初期，水汽通量的辐合区多位于“麦莎”环 流的偏东侧，6 日1 4 时出现了一个一1 0 x l 矿g c m 2 h p a - 1 s - 1 辐合中心( 图3 6 a ) 。随 着“麦莎”登陆北上，水汽通量的辐合区有向台风低压中心西北侧偏移的趋势，使水汽通 量的辐合区主要位于“麦莎”中心偏东、偏北侧，“麦莎”湿度条件变得不对称性，进而台 风降水也多发生在台风低压中心的偏东、偏北侧。到8 日2 0 时( 图3 6 b ) ，此时出现了两 片相互分离的水汽通量辐合区，偏西的一片位于京津境内，对京津地区的降水相当有利， 而偏东的那片则位于辽宁境内，为辽宁地区的强降水提供了水汽来源。到9 日0 2 时( 图 3 6 c ) ，偏西侧的水汽通量辐合区已经覆盏了整个北京区，且偏东侧的水汽通量辐合明显要 比偏西的水汽通量辐合强，根据实况，9 日0 2 时北京地区开始降小雨，而辽宁一带地区受 “麦莎”的影响则出现了强降水天气。 图3 5 实况8 5 0 h p a 高度场( 黑实线，单位：h p a ) 及水汽通量( 阴影区， 单位：g 伽。1 h p a - 1 s - 1 ) 演变特征分布( 箭头表示水汽通量方向) 8 6 日0 2 时：b 8 日0 8 时 1 4 图3 6 实况8 5 0 h p a 高度场( 黑实线，单位：h p a ) 及水汽通量散度 ( 阴影区，单位：1 0 1 9 伽4 h p a - i s - 1 ) 演变特征分布 扎6 日1 4 时；b 8 日2 0 时；c 9 日0 2 时 3 3 3 涡度、散度及垂直速度 3 3 3 1 垂直速度的分布特征 利用n c e p 资料诊断分析可知，当“麦莎”位于南方地区时，其上升运动的总体特征 表现为在其中心偏东和偏北侧上升运动发展旺盛，上升运动从低层一直延伸到对流层上层， 此时“麦莎”云系紧密厚实，且垂直尺度很大，这片对流发展旺盛的云系给南方地区带来 了严重的强风和暴雨侵袭，仅浙、沪、苏、皖受灾人口竞达1 6 0 0 万，死亡1 7 人。随着“麦 莎”不断北上，其东西方向上上升运动的分布特征发生了较大变化，“麦莎”登陆初期( 图 3 7 a ) ，“麦莎”中心偏东侧对流运动发展很旺盛，有一支很强的上升运动区，而且为相 对湿度大值区，这对降水相当有利，所以“麦莎”给南方地区带来了强降水天气。随着“麦 莎”登陆北上，垂直速度结构发生了较大的变化，后期垂直速度特征表现为在“麦莎”中 心偏西侧低层为弱上升区，中高层为下沉区，垂直上升运动