（气象学专业论文）0509号“麦莎”台风暴雨的数值模拟及诊断分析.pdf

0 5 0 9 号“麦莎”台风暴雨的数值模拟及诊断分析 摘要 本文首先用n c e p 客观分析资料，对0 5 0 9 号台风“麦莎”的活动过程进行 了分析，发现副高是此次台风移动路径的直接影响系统。利用风云2 号可见光 云图分析了台风的发展过程，揭示了此次台风强度减弱缓慢原因，以及台风暴 雨产生的有利环境。 采用多普勒雷达资料来分析此次台风降水情况，用n c e p 客观分析资料，地 面、高空常规观测资料对此次台风暴雨进行天气诊断分析，指出高低空急流的 耦合配置是此次强降水的一个重要原因，通过分析此次过程中的多种物理量， 对暴雨过程有比较系统的认识。暴雨过程中的主要物理量场变化对降水区有 定的指示作用。 利用中尺度数值模式( m m 5 v 3 7 ) 对台风暴雨过程进行了数值模拟，在模 拟较理想的基础上，利用数值模拟输出的高时空分辨率资料探讨此次暴雨过程 发生发展的特征和机理。此次台风流场的非对称结构，直接影响了雨带分布的 非对称性。弓 入改进的菲地转湿q 矢量，诊断表鞠：该矢量是可以用来诊断此 次强降水过程。5 0 0 h p a 层上改进的非地转湿9 矢量散度的分布和时间演变与台 风暴雨强降水及其时闻演变具有很好的对应关系，其强度变化对同时刻的降水 强度也有一定的指示作用。垂直螺旋度诊断表明：6 5 0 h p a 的垂直螺旋度水平分 布对降水分布有很好的对应关系，正大值中心对应着强降水中心。湿位涡诊断 表明：强降水发生时，低层大气既处于对称不稳定中，也处于对流不稳定中。 相对湿位涡的演变对降水的演变有很好的指示作用。 关键词：台风暴雨，数值模拟，改进的非地转湿q 矢量，诊断分析 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dd i a g n o s t i ca n a l y s i so fh e a v y r a i n f a l lc a u s e db yn o 0 5 0 9t y p h o o n “m a t s a 3 a b s t r a e t a na n a l y s i so ft h ea c t i o np r o c e s so fn o 0 5 0 9t y p h o o n m a t s a i sm a d ew i t h n c e po b j e c t i v ea n a l y s i sd a t ai nt h i sw o r kf w s f l y i ti sr e v e a l e dt h a tt h es u b t r o p i c a l h i 曲i st h ed i r e c ti n f l u e n c i n gs y s t e mo fn o 0 5 0 9t y p h o o n sm o v i n gr o u t e b a s e do n f y - 2 cs a t e l l i t ev i s i b l ep i c t u r e s ，t h ed e v e l o p m e n to ft y p h o o ni sp e r f o r m e d i ts h o w s t h ec a u s e so f t y p h o o ni n t e n s i t yw e a k e n i n gs l o w l y , a n dt h ef a v o r a b l ee n v i r o n m e n to f t y p h o o nh e a v yr a i n f a l lg e n e r a t i n g b yu s i n go b s e r v a t i o n sf r o md o p p l e rr a d a r , t h et y p h o o nr a i n f a l li ss t u d i e d u s i n g s y n o p t i cd i a g n o s t i cm e t h o d s ，t h et y p h o o nr a i n f a l li sa n a l y z e dw i t hn c e po b j e c t i v e a n a l y s i sd a t a ，t h ec o n v e n t i o n a lo b s e r v a t i o n a ld a t a s e t s i ti sf o u n dt h a tt h ec o u p l i n go f l o w - l e v e la n du p p e r - l e v e lj e t si sa ni m p o r t a n tc a u s eo ft h i sh e a v yr a i n f a l l a n a l y z i n g m u l t i f o r mp h y s i c a lq u a n t i t ys h o w st h a tt h ev a r i a t i o n so fc h i e fp h y s i c a iq u a n t i t yi n t h ep r o c e s so fs t o r ma r ei n d i c a t o r st ot h ec o u m t e r p a r t so fp r e c i p i t a f i u ni nac e r t a i n s e n s e n l em e s o - s c a l en u m e r i c a lm o d e l ( m m 5 v 3 7 、i su s e dt os i m u l a t et h et y p h o o n h e a v yr a i n f a l lp r o c e s s u s i n gt h em o d e lo u t p u t 、析mh i g hs p a t i a la n dt e m p o r a l r e s o l u t i o n ，w es t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo ft h er a i n f a l l i nm o r ed e t a i l t h ea s y m m e t r ys t r u c t u r eo ft y p h o o nf l o wr e s u l t si nt h ea s y m m e t r yd i s t r i b u t i o no f r a i n f a l l t h em o d i f i e dn o n g e o s t r o p h i cw e tqv e c t o rd i a g n o s t i ca n a l y s i ss h o w st h a t t h ev e c t o ri sf a v o r a b l ef o rd i a g n o s i n gt h eh e a v yr a i n f a l lp r o c e s s n l ed i s t r i b u t i o na n d e v o l u t i o no f5 0 0 h p am o d i f i e dn o n g e o s t r o p h i cw e tov e c t o rd i v e r g e n c ef i e l da r e g o o di n d i c a t o r st ot h ed i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o no ft y p h o o nh e a v yr a i n f a l l ，a sw e l la s i t s c o n v e r g e n c ei n t e n s i t y t h ed i a g n o s i so fv e r t i c a lh e l i c i t yt u r n s o u tt h a tt h e h o r i z o n t a ld i s t r i b u t i o no f6 5 0 h p av e r t i c a lh e l i c i t yi sag o o di n d i c a t o rt ot h e d i s t r i b u t i o no f r a i n f a l l ，t h ep o s i t i v eb i gc e n t e rt ot h ec e n t e ro f h e a v yr a i n f a l l t h r o u g h a t t a i y z i n gm p v i ti ss h o w e dt h a tl o wa i ri ss y m m e t r yi n s t a b i l i t ya n dc o n v e c t i o n i n s t a b i l i t yw h e nh e a v yr a i n f a l lh a p p e n i n g t h ed e v e l o p m e n to fr e l a t i v em p v i sa g o o di n d i c a t o rt ot h ed e v e l o p m e n to f r a i n f a l l k e yw o r d s ：t y p h o o nh e a v yr a i n f a l l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m o d i f i e dn o n - g e o s t r o p h i c w e tqv e c t o r , d i a g n o s t i ca n a l y s i s h 学位论文独刨性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新”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：刭垫车 日 期：坌篮篮 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 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库迸行检索；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：刻塑生 日期：塑! ：；! ! 堕 第一章绪论 台风( 含飓风、热带气旋) 引发的灾害位列全球十大自然灾害之首。我国是世界上受 热带气旋影响最为严重的国家之一，热带气旋登陆十分频繁，平均每年我国登陆台风7 8 个，是世界上台风登陆最多、灾害最重的国家【i j 。 台风登陆造成的灾害往往是台风引发的暴雨造成的。暴雨会造成洪涝爆发、农田受淹、 耕地流失、城市内涝和路毁车阻等灾害，给国家经济和人民财产造成严重的损失。台风是 最强的暴雨天气系统，国内外不少极端暴雨记录都与台风活动有关。中国历史上3 次创纪 录的特大暴雨都是台风造成的1 2 ，6 3 1 2 号台风( g l o r i a ) 在中国台湾省北部山区百新造成 2 4 h 雨量达1 2 4 8 m m ；6 7 1 8 号台风( c a r l a ) 在台湾新寮2 4 h 雨量达1 6 7 2 m m ；7 5 0 3 号台风( n k n a ) 在福建登陆后，在陆地上维持不消，后移到河南驻马店，造成了打破该地历史纪录的特大 暴雨，其2 4 h 降水量达1 0 6 2 m m ，l h 雨量达2 3 5 m m ，造成两座水库崩溃，洪水泛滥，5 个县 受到毁灭性危害，死亡2 万多人，直接经济损失1 0 0 亿元以上。世界上最大2 4 h 及三天雨量记录为1 8 7 0 m m 及3 2 4 0 m m ，发生在印度洋留尼汪岛的锡老斯，也是由一次台风 引起的。可见台风降水强度之大，暴雨造成的灾害之惨重。另一方面，暴雨也是我国重要 的水资源，若能加以疏导、存储和利用，将是巨大的财富。暴雨产生的机制复杂，各种类 型的暴雨在不同地区出现的频次差异很大，台风暴雨作为一种重要的暴雨类型，由于涉及 到不同纬度、不同尺度天气系统的相互作用和复杂的大气物理过程，它的机理分析和预测 更是困难。因此，对台风暴雨的研究和预报工作一直受到气象界科学家的重视。 1 1 国内外台风暴雨的研究进展 过去十几年国内外连续不断地开展了台风的研究工作。如：1 9 9 1 1 9 9 6 年间组织了国 家科技攻关项目8 5 9 0 6 “台风科学、业务试验和天气动力学理论的研究”。1 9 9 3 1 9 9 4 两 年夏季开展了代号为“c a t e x ( c h i n a a b n o r m a l t y p h o o n e x p e r i m e n t ) ”的国内台风科学试验， 取得了大量的加密观测资料。美国和前苏联1 9 9 0 年在西太平洋发起了代号分别为t c n i - 9 0 和t y p h o o n 一9 0 的外场试验。联合国亚太经杜理事会和世界气象组织( e s c a p 瓜m o ) 台 风委员会响应这一国家科学活动，也组织了代号为s p e c t r u i v l 9 0 的外场台风科学试验。 这三个试验的科学目的在于采集台风内部高低空和热带气旋周围环境以及海面和深海的加 密观测资料，以研究台风的异常运动。2 0 0 2 年又启动了社会公益研究专项资金项目“我 国登陆台风灾害的监测及预报技术研究”。通过这些研究，对台风运动突变、结构和强度突 变、台风暴雨的突然增幅和台风路径预报的方法等方面取得了新的进展”，3 】。 陈瑞闪h 1 指出台风暴雨是台风业务预报最重要、最复杂、难度最大之点，因为形成台 风暴雨的原因十分复杂，既有台风螺旋云带、台风眼壁形成的单纯的台风暴雨，又有很多 复杂的因素与台风叠加在一起而形成的多种因素混和的暴雨。每一次的台风暴雨都会有不 同的产生原因及不同的特点。 韩晖”j 通过分析1 9 5 1 年2 0 0 1 年间对中国产生影响的台风及相应的降水情况，总结 出近5 0 年中国台风暴雨的时空特征：中国台风暴雨的地理分布存在很大的空间差异，暴雨 发生频次的总体特征是由东南沿海向西北内陆逐渐减少，在同一纬度沿海地区的频次最高； 中国台风暴雨的雨季是5 至1 0 月，其中7 至9 月是高峰期；太平洋海表温度异常与台风暴 雨变化之间存在制约关系，并且台风暴雨活动的变化滞后于海衷温度变化一至两个季节； e n s 0 与中国台风事件之间存在较好的持续性相关关系，e in i n o 年台风暴雨偏少，l an i n a 年台风暴雨则相对偏多。 丁治英等”1 在不同雨强诊断对比与数值试验研究中发现：两次台风造成北部强降水的 高空急流均为n e - s w 向，而当高空为平直西风急流时，即使台风很强，造成的降水大部分 在2 5 。n 以南，且强度明显偏弱。统计发现”j ，远距离台风暴雨与非纬向高空急流密切相关， 暴雨发生时，2 0 0 h p a 一般为西南急流，雨区位于急流右后方；暴雨增幅时，2 0 0 h p a 高空急 流有增强转竖的趋势。刘爱呜等”1 在对0 2 1 2 号台风“北冕”后部暴雨影响的分析和数值试 验中指出，低空急流对台风暴雨的形成具有很重要的作用，低空急流形成了从孟加拉湾到 福建沿海的强水汽输送带，为暴雨过程提供了十分有利的水汽条件。陈久康等9 1 对9 2 1 6 号台风登陆后进入2 0 0 h p a 西南风急流入口区右侧，引起远距离台风中尺度暴雨系统突然发 生发展的过程进行了分析，利用二维模式研究了高、低空急流与台风环流耦台和中尺度暴 雨增幅的相互促进正反馈机制，认为w a v e c i s k 过程和斜压基流的对称不稳定可能是低空 急流发展和倒槽形成的更切合实际的动力机制，对流不稳定与斜压大气的结合有利于北传 的重力惯性波不稳定发展。 台风与西风槽相互作用可导致远距离台风暴雨的发生。朱洪岩等”数值研究表明，台 风可通过水汽和能量输送直接影响台风远距离降水的分布。西风槽可为远距离降水提供低 层辐合、高层辐散以及槽前正涡度平流的大尺度背景，这将有利于垂直运动的发展和降雨 的维持。台风东侧的水汽向中纬度槽前输送可直接影响槽前降水的强度。 登陆台风北上，冷空气的侵入常会加剧台风暴雨。冷空气对台风暴雨的产生主要有以 下三个方面的作用：一是造成暴雨初始上升运动；二是造成边界层内的水汽集中并向上输 送，形成大暴雨：三是对于辐合线上的中尺度扰动及其所伴随的强雨团也起到了触发作用。 张经珍等分析山东“9 9 8 ”大暴雨时指出，弱冷空气的入侵，触发了不稳定能量释放， 2 对大暴雨的形成起到了关键作用。崔晶等【1 2 】对启德台风降水分析得到冷空气侵入台风的位 置不同，对台风降水的作用也迥然不同，从台风西南部侵入的冷空气，将使台风强度较快 减弱，而冷空气从台风北部侵入，则会使侵入处的降水强度增强。 励申申等 1 ”利用合成分析方法讨论了中纬度台风倒槽结构及倒槽暴雨形成的动力学 特征，得出结论：台风倒槽暴雨既有热带系统丰富水汽又有中尺度系统的斜压性。张兴强 等1 1 4 1 对远距离台风暴雨过程中正、斜压联合不稳定的计算表明，远距离台风暴雨是正、斜 压联合不稳定的产物，斜压不稳定的增强与高空急流密切相关。丁治英等“”通过数值模拟 和诊断研究指出，9 2 1 6 号台风暴雨的增幅过程与台风中一盘尺度重力惯性波的发展、传播， 非均匀层结的分布以及积云对流潜热反馈有关。大尺度非线性平流项的作用激发出大尺度 的重力惯性波，积云对流潜热加热作用导致非地转风场扰动大大加强，从而使重力惯性波 波幅加大，上升运动增强，暴雨加大。当重力惯性波向稳定度减小的方向传播时，渡能量 最易加强。 地形对台风暴雨具有很重要的作用，主要体现在两个方面：一是风在海岸的摩擦辐合； 二是地形的抬升作用。数值研究表明【l ”，当台风中心移过台湾时，台湾山区地形对台风中 心东南方气旋式环流的辐合推于 是形成台湾大暴丽的重要园子，它对暴雨的增幅达6 倍之 多。朱官忠等【j “指出地形的抬升辐合在台风暴雨的增幅中有很大作用，故山脉迎风坡的降 水比背风坡明显要大。郑庆林等【l ”通过指出浙闽山地起伏加强了地面对大气的拖曳效应， 一方面使垂直运动加强，另一方面也改善了积云对流和大尺度降水条件，增加了对流降水 和大尺度降水，从而引起台风暴雨的增幅。孙建华等【1 即通过对“9 6 0 8 ”号台风分析，指出 台风倒槽内发生发展的2 个中尺度对流云团是造成台风暴雨的直接影响系统，分析还衰明 太行山对对流系统的阻挡可能是导致强降水长时间维持在石家庄附近的原因之一。大陆海 粤线的分布可以使登陆台风结构发生突变从而影响到暴雨强度及落区的变化。9 2 1 6 号台风 暴雨的模拟试验悼表明，暴雨中心随海岸线的扩展而移动，地形坡度削弱会引起地形性降 水减少，从而使台风暴雨幅度有所减弱。 开阔的湖面和水库会加剧台风暴雨，登陆台风暴雨常会造成陆面近似饱和的湿地状况， 这种饱和湿地对台风维持及暴雨增幅也有重要影响。陈联寿“”指出，如果登陆后的台风环 流停滞在一块大的水面( 湖泊、水库) 上或一块被台风暴雨浇出的饱和湿地上，则能维持 较长时间，同时台风暴雨下饱和土壤层和积永对台风产生水汽反馈，反过来加剧该地的暴 雨。 台风结构的非对称结构也会影响暴雨的分布。台风结构的非对称性表现在天气上则是 强风、暴雨往往集中在某一方位，从而对该区域的破坏力就会远远超过其他方位。罗哲贤“q 利用准地转正压模式讨论了中小尺度涡旋与台风的相互作用，结果表明，线性平流的作用 将促使小尺度涡旋的发展和延伸，口效应可造成热带气旋的非对称结构，非线性平流的作 用主要是使小尺度涡旋破碎，并形成更小尺度的涡旋。而综合考虑上述三项所得到的台风 非对称结构以及台风边缘区小尺度涡旋的分布与台风的实际情况十分类似。 观测发现，台风环流中强降水常出现在中尺度的眼区云墙和螺旋云带上。其降水通常 呈不对称的螺旋状分布，降水强度主要取决于水汽输送、位势稳定度、台风内部的对流运 动、高层辐散等。这些要素受台风本身环流、环境条件和地形特点的影响。观测记录显示， 当台风出现在洋面上时受中纬度和地形影响较少，台风环流本身产生的降水分布并没有明 显的不对称性：而当台风已经登陆或将要登陆时，在台风右前方向岸风的地形抬升比较显 著，最大雨量出现在台风右前象限或前半部j 。此外，常有龙卷或飑线在台风移动方向的 前方约4 0 0 5 0 0 千米处产生，飑线长可达2 0 0 3 0 0 千米，宽约2 0 5 0 千米。尽管这类系 统的生命史短，降水也只能维持1 0 3 0 分钟，但其降水量也可达3 0 7 0 毫米。约有2 3 的台风暴雨发生在移动方向的前半部，它们大多与中纬度系统的相互作用有关。发生在后 半部的暴雨常常是由低空西南急流的影响引起的，其最大降水通常出现在压能场中梯度大 的区域附近旺“。研究发现“，在台风强降水中心区，低空有非常清楚的中尺度气旋性涡 旋，高空有非常清楚的反气旋性涡旋或辐散线。台风暴雨增幅前1 2 h ，其东侧常伴有地面中 尺度辐合区或出现中尺度气旋性涡旋，并有水汽通量的辐合，台风暴雨区即位于它们的重 叠处或紧邻处“。 随着最近十几年来观、铡手段目益更新、大气模式的不断发展和计算机能力的飞速提高， 台风暴雨数值研究也取得了新的进展。热带气旋初始场准确与否是影响其路径、强度以及 风雨分布的预报精度的重要因子之。为了解决海洋上台风观测资料的缺乏，在国内外卫 星遥感资料和雷达资料得到了广泛的研究和应用。我国学者也开展了积极的尝试。t b b 、云 迹风、q u i k s c a t 、t p 3 i m 、州s u a 等卫星反演资料、风廓线仪以及d o p i 0 1 e r 雷达资料用于改 善模式初始场，在数值模拟试验取得了较好的效果。而非对称b o g u s 的构造也取得一定的 进展。另外，高分辨率中尺度数值模式的采用，也进一步推动了台风暴雨的研究。 综上所述，过去十几年中，台风暴雨的研究进展是有目共睹的，人们对台风暴雨的发 生发展有了更为清楚的认识。但上述的工作无论是数值研究还是诊断分析，大多是针对台 风个例而言，通过个例研究得到的观点还需要大量的工作去证实。目前存在的主要问题有： ( 1 ) 台风系统与环境场及周围中、小尺度系统如何相互作用? 这种相互作用对暴雨的发生 4 发展有何影响? ( 2 ) 实测的台风暴雨可以出现在任何象限。那么，登陆台风暴雨的分布类 型和异常分布机制是什么? 台风暴雨中尺度系统的源和汇在哪? 从动力学角度来看，强对 流云群体在何处得以发生发展的机制是什么? 对流翻转、自由和强迫的中尺度运动、中尺 度地形的动力抬升作用、中尺度适应等一些基本问题需深入的研究。( 3 ) 台风移动速度的 快慢与台风暴雨的强度和分布有什么内在的联系? 台风宦转运动对降水有何影响? 台风的 不稳定性、台风结构的演变与台风暴雨的关系如何? 这些关系的动力机制还不是很清楚。 1 2 数值模式及其在暴雨研究中的应用 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，数值模拟结果的分析就成为了研究中尺度大气动力过程的有效手段之一。现今， 中尺度模式是有限区域的，主要有三类：中a 尺度模式( 水平格距为5 0 2 0 0 k m ) ，中b 尺度模式( 水平格距为5 5 0 k m ) ，中y 尺度模式( 水平格距为小于5 k m ) 。中q 尺度模式 基本是静力平衡模式，一般在天气尺度模式基础上增加水平和垂直分辨率，并且改进了参 数化方案。但中b 尺度和中y 尺度系统的发生发展的时间尺度和空间尺度较小，常规的大 尺度的观测网的资料可能不具备完善的中尺度系统的信息，而且中尺度系统具有强烈的对 流性质，不再满足静力平衡关系，尤其是较强烈发展的中尺度扰动是非静力的，静力模式 难以真实反映其物理过程。如果说某些中。尺度天气系统的发生和发展还可以用流体静力 模式进行模拟研究和预报试验的话，那么，中b 和中y 尺度的强对流天气系统演变已不再能 用流体静力模式动力学来描写。因此，把流体静力模式发展为流体非静力模式已成为发展 中尺度模式动力学的必然结果。 近年来，美国p s u n a c r 共同发展的m m 5 模式较好的解决了这些问题，它主要具有 如下特点：( 1 ) 提供分辨率可变的地形高度和地表分类资料，包括新的全球3 0 s 地形资料；( 2 ) 灵活易变和多霞嵌套性能，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；( 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有比较强的模拟能力：( 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。正因为如此，m m 5 在世界各地得到了广泛应用。上个世纪9 0 年 代，我国学者比较成功地用该模式模拟了暴雨、洪涝、西南涡、飑线等中小尺度天气现象。 孙建华等 2 6 , 2 7 1 采用瑚5 模式对华南“9 4 6 ”特大暴雨的中尺度对流系统及其环境场进行了 研究，在确定云雨、垂直运动的模拟基本正确以后，利用模式的输出资料对在此期间的b 中尺度对流系统的结构和演变进行了分析研究，并探讨物理过程、初始环境场以及地形对 b 中尺度对流系统的发生、发展的影响。李江南等【2 ”利用m m 5 对2 0 0 1 年台风f i t o w 的 登陆进行了2 4 h 的预报试验，预报的降水落区和降水强度与实况比较一致，特别是对台风 暴雨中心的位置和降雨量的预报与实况相当吻合。刘伟等“”应用m m 5 ，成功地模拟出9 6 年h e r b 台风登陆后，发生在河北及周边地区台风低压暴雨中的两个连续发展的中口尺度系 统对流系统的演变和结构，它们与降水量实况有很好的对应，由此模式输出结果分析了这 两个中尺度对流系统的结构和特点，得出一些有意义的结论。 以往的研究和应用结果表明，m m 5 模式具有较好的稳定性和较成功的模拟能力，它的 高分辨率数值模拟结果将有助于我们认识复杂的中尺度系统的结构及其发生和发展的物理 机制。因此，非静力中尺度数值模式是在目前中尺度观测网尚未完善的情况下，揭示暴雨 的中尺度特征，探寻暴雨形成和发展机制的有效方法。 1 3 本文研究目的、方法、内容、创新和资料说明 2 0 0 5 年第9 号台风“麦莎”登陆时风力强( 与2 0 0 4 年“云娜”台风楣当) ，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、损失最重的台风，经济损失高达1 8 0 亿 元。 本文研究目的是以此过程为例，首先对“麦莎”活动过程进行分析，加强对台风活动 的了解：再对此次“麦莎”过程中的强暴雨过程进行天气诊断分析，定量揭示暴雨过程中 的主要物理量场变化，试图通过对描述动力场变化的物理量计算，分析出与暴雨落区的一 致性，并进步分析暴雨发生的物理结构，为掌握暴雨发生和发展成因提供客观依据；然 后采用m m 5 模式进行模拟，在模拟成功的基础上，对台风结构进行分析，引入改进的非 地转漫q 矢量对此次强降水过程进行诊断，方面探讨暴雨产生机制，另一方面检验引入 的改进的非地转湿q 矢量的诊断特性，希望可以为降水预报提供更先进的诊断工具；最后 运用螺旋度、湿位涡等中尺度诊断方法来对此次强降水过程进行诊断分析，进一步探讨暴 雨产生的动力、热力机制，为提高台风暴雨预报准确率提供新的启示。然而，由于暴雨演 变的复杂性和客观条件的限制，本文的工作还是初步的，有待于今后的进一步改进和深入。 本论文正文部分主要包括以下三方面的内容： ( 1 ) 用n c e p 和卫星云图资料对0 5 0 9 号“麦莎”台风的活动过程、台风暴雨发生的 环境场进行初步分析。 ( 2 ) 用多普勒雷达资料来分析此次台风降水情况；用n c e p 客观分析资料。地面、高 6 空常规观测资料对此次台风暴雨进行天气诊断分析。 ( 3 ) 用中尺度数值模式( m m 5 ) 对台风暴雨过程进行了数值模拟，在模拟比较成功 的情况下，利用其输出的资料从多角度对此次台风强降水过程进行诊断分析。 本论文创新之处： ( 1 ) 利用多种资料，详细分析了0 5 0 9 号“麦莎”台风的活动，指出其移动路径的主 要影响系统、台风的结构特点以及台风强度减弱原因。 ( 2 ) 结合此次台风的特点。分析了此次台风暴雨产生原因和特征。并对“麦莎”过程 中的强暴雨过程进行天气诊断分析，定量揭示暴雨过程中的主要物理量场变化试图通过 对描述动力场变化的物理量计算，分祈出与暴雨落区的一致性，并进一步分析暴雨发生的 物理结构，为掌握暴雨发生和发展成因提供客观依据。 ( 3 ) 采用m m 5 模式进行模拟，在模拟成功的基础上，引入改进的非地转湿q 矢量对 此次强降水过程进行诊断，一方面探讨暴雨产生机制，另一方面检验引入的改进的非地转 湿g 矢量的诊断特性，希望可以为降水预报提供更先进的诊断工具。 ( 4 ) 结合台风特点，运用垂直螺旋度来诊断此次强降水，指出提高预报准确率的一种 新思路。 ( 5 ) 对此次强降水进行各种湿位涡诊断，进一步探讨暴雨产生的动力、热力机制。为 提高台风暴雨预报准确率提供新的启示。 本论文所用资料说明： n c e p 全球客观分析资料( 间隔6 小时，空间分辨率1 。1 。) 、地面高空常规观测 资料、f y 2 c 可见光云图以及上海雷达站的多普勒雷达回波资料。 7 第二章0 5 0 9 号台风过程分析 2 1 台风活动概况 0 5 0 9 号台风“麦莎”于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，中 心位于1 1 7 。n ，1 3 3 9 e ，中心气压9 9 8 h p a ，近中心撮大风力达8 级( 1 8 m s ) ，以1 5 h h 的速度向西北方向移动。8 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 ”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 公里海面处加强为台风，中心气压9 7 5 1 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 点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l l 级( 3 0 m s ) 。6 日2 2 时3 0 分左右从浙江省安吉县进入安徽省宁国 县，7 日0 2 时进步减弱为热带风暴，并于7 日1 4 时左右在安徽省和县转为东北偏北方 向移动，1 5 时进入江苏省境内，中心气压9 9 4 h p a ，并以1 5 k m h 的速度转向东偏北方向移 动。7 曰2 0 时，中心位于3 3 16 n ，1 1 9 re ，中心气压9 9 5 h p a ，近中心最大风力达8 级 ( 1 8 m s ) ，以2 d k h 左右的速度向北方向移动。8 月8 日0 5 时，台风“麦莎”中心位于 3 4 5 。n ，1 1 9 ，0 6e ，中心气压9 9 3 h p a ，近中心风力仍达8 级( 1 8 m s ) ，以2 0 k m h 左右的速 度继续向偏北方向移动，于8 日0 7 时从临沂市进入山东省境内，并穿过山东半岛西部进入 渤海，9 日早晨在渤海中北部减弱为低气压。图2 1 是它的移动路径。 2 2 台风特点 2 21 台风风力强 自2 0 0 5 年7 月3 1 日2 0 时，在菲律宾东部洋面上生成热带风暴后，其强度迅速加大， 8 月2 日加强为强热带风暴，8 月3 日0 2 时。其强度达到台风强度，中心位于2 0 ，0 。n ， 1 2 7 2 。e ，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 ) 。台风近中心最大风速在8 月4 日2 0 时达到4 5 m s ，8 月6 日凌晨登陆浙江普陀东亭时风速达4 5 2 m s ，( 与2 0 0 4 年“云 娜”台风相当) 。0 5 0 9 号台风登陆前后1 2 个小时内，其近中心最大风速一直维持在3 3 4 5 m s 。 2 2 2 台风范围大 8 0 5 0 9 号台风“麦莎”的尺度比较大，登陆后至8 月6 旦1 7 时6 级以上大风( 特别是 台风东北半圆的偏东风) 影响范围南北跨度达1 0 0 0 k m 左右。山东沿海自6 日晚上起至8 日 上午持续出现了7 l o 级的偏东或东南风，陆上最大风力9 级，海上阵风达1 2 级。山东南 部沿岸风力一般8 1 0 级，阵风1 2 级，山东半岛北部莱州湾及渤海风力7 8 级，阵风1 0 级左右。 2 2 3 台风影响地域广 0 5 0 9 号台风“麦莎”登陆后取偏北路经，忽左忽右移动，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，也是继1 9 9 7 年8 月1 8 日登陆浙江温岭( 登陆时，近中心 最大风速达4 0 m s ) ，穿过华东地区，于8 月2 1 日凌晨在辽宁营口再次登陆的1 9 9 7 年1 1 号台风后，_ i 匠9 年来对我国东部沿海和华东地区影响最严重的台风，带来了巨浪和狂风、 大暴雨天气，具有登陆后影响时间长，影响地域广( 影响十几个省市) 等特点，是2 0 0 5 年 受灾面积最大、损失最重的台风，经济损失高达1 8 0 亿元。 2 3 台风暴雨情况 0 5 0 9 号台风“麦莎”在浙江玉环登陆，带来了巨浪和狂风、大暴雨天气。登陆后，“麦 莎”在移经浙江、安徽、山东等地过程中强烈地影响了浙江、上海、江苏、安徽、山东等 省市。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。其中浙江 省直接经济损失超过6 5 亿元人民币，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 m ，青岛市崂山区平均降雨量达2 5 2m m 。此后“麦莎”继续北上影响天津、 辽宁等地。受“麦莎”影响，浙江东南沿海地区8 月4 日0 8 时到7 日0 8 时，全省共 有2 t 5 个监测点( 含中尺度站、移动气象站) 总雨量1 0 0 】m ，8 3 个监测点2 0 0 m m ，3 0 个 监测点， 3 0 0 m m ，超过4 0 0 l l l i 的有7 个监测点：总雨量最大的7 个站：中堡5 6 7 1 m m 、 大浦口5 3 8o m m 、大夹屯4 8 7 0 m 、北雁荡4 2 4 ，9 m m 、坞根4 1 7 9 m 、春晓4 1 6 6 m 、佛 岭4 1 4 i m m 。从“麦莎”登陆前后的8 月4 、5 、6 、7 、8 日连续从“麦莎”登陆前后的8 月4 、5 、6 、7 、8 日连续5 天0 8 时0 8 时的降水情况来看，最强降水出现在8 月6 日0 8 时8 月7 日0 8 时。长江三角洲地区许多测站2 4 h 丽量达n t 暴雨甚至特大暴雨量级，当 天最大降水中心位于浙北定海( 3 0 0 3 。n ，1 2 2 1 2 e ) ，为2 8 4 m m ( 图2 2 ) 。 2 4 台风环流形势分析 9 0 5 0 9 号台风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，再逐渐减弱消失，而是登陆后出现本章第 一节中的路径特点，且在登陆后由于滞留时间较长，给沿海地区带来了强降水。本节将利 用每隔6 h 一次的全球再分析资料n c e p 资料( 水平分辨率1 。l 。) ，从环流形势变化来 分析该台风路径的变化规律以及形成暴雨的有利环境。 8 月2 日0 8 时5 0 0 h p a 高度场和温度场( 图2 ，3a ) ，亚洲地区中高纬西风带为两槽 一脊型，巴尔喀什湖西侧有一大槽，贝加尔湖与巴尔喀什湖之间为一高压脊，从河套到东 北有一个长波槽，槽后伴有冷空气。此槽的南侧为副热带高压，呈拳指式，其西脊点到达 1 1 0 。e ，脊线位于2 5 。n 附近。随着东北河套大槽的东移，副热带高压主体退至日本东 南部海面( 图2 3b ) ，台风位于副高的西南侧，在东南气流的引导下朝西北方向移动。3 日2 0 时环流场( 图2 3c ) 副高又开始加强西伸，硬伸点在3 2 。n 、1 2 5 。e 附近，5 8 8 线 北抬到4 1 。n ，中心强度为5 9 2 d a g p m ，给台风西北行提供了有利的环境条件。4 日0 8 时 ( 图2 3d ) ，此槽移到华北至华中地区，之后受副高阻挡停滞不前，对台风西北行有所阻 挡，但由于副高比较强，台风仍旧缓慢向西北移动。5 日0 8 对此槽开始北缩( 图2 3e ) ， 而副高在继续增强，与贝加尔湖的高压脊打通，由于贝加尔湖高压脊没有副高强大，台风 仍就随副高西南侧的气流向西北移动，同时，由于台风逐渐接近浙江沿海登陆，其东北侧 的西南气流带来大量丰富的水汽和不稳定能量，使浙江沿海地区逐渐产生较大的降水。 台风登陆浙江后，6 日0 8 时( 图2 3f ) 中纬度地区西风带环流较弱，主要呈现一 槽一脊型，巴尔喀什湖大槽，以及贝加尔湖高压脊( 该脊较弱，与副高相连) 。此后台风的 移动路径主要是受台风自身内力和副高的影响。此时副高呈近东西带状，中心位于日本附 近，中心强度为5 9 2 d a g p m ，脊线呈东南西北抛物线状，西伸点在3 9 。n 、1 2 6 。e 。台风 位于副高脊线以南，受副高与台风之间的强东南气流牵引继续向西北方向移动。6 日1 4 时 ( 图2 3g ) ，台风由于受到河套地区的小高压阻挡，移动速度缓慢，使台风在浙江省滞 留时闯较长，为此地带来较大的降水。6 日2 0 时( 图2 3h ) 5 8 8 线由近东西带状，变 成方块状，其南侧外围5 8 8 线在1 4 0 。e 经线上1 2 小时之内南落1 3 个纬距，北侧外围 5 8 8 线位置基本不变。? 日0 8 时( 图z ，3i ) 副高脊线位置明显南落，此时台风中心位 置越过副高脊线，转向东北方向移动，之后在副高西部边缘的偏南气流引导下，基本上向 偏北方向移动，其移动速度与偏南气漉的强弱成正相关关系，同时，降水区随着台风的移 动逐渐北移。 i o 图2 3 实况5 0 0 h p a 高度场( 实线；单位：d a g p m ) 与温度场( 虚线：单位：) a 2 日0 8 时：b 3 日0 2 时；c 3 日2 0 时；d 4 日0 8 时；e 5 日0 8 时； 6 日0 8 时；g ，6 日1 4 时；h 6 日2 0 时；i 7 日0 8 时 2 5 卫星云图分析 从卫星云图来看，台风“麦莎”在8 月4 日0 8 时以前，处于一个加强期，此间中 心密蔽云系由疏松逐渐变得紧密，台风外围有水汽输送拖曳带，中高纬地区上空有一槽缓 慢东移。4 日0 8 时( 圈2 4a ) 至进入东海的稳定期，台风眼清晰，云团结构紧密。5 日 0 2 时3 0 分( 图2 。4b ) 台风最外沿的螺旋云带逐渐向浙江沿海靠近，其台风西部的螺旋 云带和西风槽云系连成狭长的南北向云带，台风西部的螺旋云带正好位于匿风槽云系的下 方。浙江沿海地区从此时开始，风雨增大。随着台风继续向西北方向移动，其外围云系逐 渐向北扩展，5 日2 1 时3 0 分( 图2 4c ) 西风槽云系开始北缩，逐渐和台风西部的螺旋 云带分离。登陆浙江后，水汽输送带仍在台风的西南方，有利于台风继续向西北方向移动。 6 日2 0 时( 图2 4e ) 起，台风南侧的云系逐渐松散，变薄、变小，但其北到东北部的云 系仍很紧密。 通过综合分析( 图2 4 ) ，可以看出“麦莎”台风登陆后，其环流结构表现出明显的非 对称性，东北部云系密实，南侧的则比较薄弱，在台风的东面一直有很大范围的对流云块， 强度也比较强，只是没有明显的涡旋结构。它直在“麦莎”台风的东面，开始时距离很 近，后来和“麦莎”台风的云系就连在一起了。在台风北上的过程中，它一直和台风云系 连在一起，在副高南侧偏东气流的引导下，它好像一个强大的后援团，不断的向台风输送 水汽和能量，对台风强度的维持起了很大的作用，为降水提供充足的水汽条件。此次台风 风雨主要分布在台风的东到东北象限，以第一象限为主，每二象限次之。这可能与台风结 构以及深入内陆后，有沿海能量、水汽补充有关，台风内及外围远距离密闭云区对螺旋云 带的相互作用等产生雨量增幅有关。 2 6 小结 ( 1 ) 通过对环流形势的分析，可以看出副高是0 5 0 9 号台风“麦莎”移动路径的直接影 响系统，由于副高强盛，台风从生成到登陆基本上是稳定向西北方向移动，登陆后继续西 北行，后越过副高脊线位置转向，最后在副高边缘西部的偏南气流引导下，向偏北方向移 动。 ( 2 ) 通过对卫星云图的分析，得到：此次台风登陆后表现出明显的非对称性结构，其 外围有很强的水汽输送带，登陆后，台风强度减弱很慢，且台风风雨主要分布在台风的东 到东北象限，这可能与台风结构、以及深入内陆后，有沿海能量、水汽补充有关，台风内 及外围远距离密闭云区对螺旋云带的相互作用等产生雨量增幅有关。 1 2 第三章台风暴雨天气诊断分析 形成暴雨的基本条