（气象学专业论文）登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文林卫华；登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 学位论文独创性声明 本人郑重声明： i 、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。 作者嘭臻堕 日瓤功粤蚪 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： 南京信息工程大学硕士学位论文 林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 摘要 本文用删5 模式模拟了2 0 0 5 年登陆福建的台风暴雨过程，取得了较好的效果。模拟得 到的台风降水中心强度和位置以及降水分布与实况基本相符。本次福建沿海地区降水产生的 主要物理机制有：( 1 ) 台风登陆福建前后福建沿海地区上空层结相当不稳定；( 2 ) 由于台风 环流非对称性，在中低层上台风中心北侧有较强的急流及相对湿度、正涡度、辐合、垂直速 度中心；( 3 ) 台风流场的非对称结构，使涡度、散度、垂赢速度、位涡等分布也是非对称的， 加上福建沿海地形分布特征，直接影响了雨带分布的非对称性。采用不同地形高度来模拟该 时段台风降水过程，试验结果显示福建东部沿海的特殊地形对登陆福建中部沿海的台风降水 有明显的增幅作用。( a ) 地形可以增加台风中心及其附近的降水量。对于登陆福建中部沿海 的台风，福建东部沿海两大山脉太姥山、戴云山山脉对当地台风暴雨具有明显的增幅作用。 ( b ) 地形与地形增高可以使雨量分布更加不均匀。( c ) 除了西侧的台风外围，特别是海面 上的降水增幅与台风中心及其附近的降水变化呈反位相变化关系。( d ) 台风降水受地形影响 呈现出类重力波列式的正负相间的变化分布 最后采用不同对流参数化方案对台风登陆前后台风降水过程的影响，试验表明不同参数 化方案对台风暴雨过程的模拟存在差异。当无引入积云对流参数化方案时，因地形抬升作用 引起对流性降水的增幅作用就不存在，导致模拟降水的明显减少和位置偏离。不同分辨率模 拟出的降水效果存在不同，粗细网格的降水模拟结果非常类似，只不过细网格模拟的降水分 布能够更准确、更详尽的描述台风暴雨过程，细网格模拟的降水分布具有更详细的中一b 尺 度的雨团信息。 关键词：台风暴雨，m m 5 模式，数值试验，研究 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 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 f t h el a n d f a l lt y p h o o nr a i n s t o r m a b s t r a c t f i r s t l y ，t h ep r o c e s so fl a n d i n gf u j i a no ft y p h o o n “l o n g w a n g ”i ss i m u l a t e db y u s i n go f 删5 v 3 6i nt h i sp a p e r i ti ss h o w e dt h a tm m 5 v 3 6c a l ls i m u l a t e dm a i n r a i n s t o r mb e l ta n di t s d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i cw e l l n ef o r m a t i o no fr a i n s t o r mi n t h ec o a s t l a n do f f l l i i a np r o v i n c eh a ss e v e r a lm a i nm e c h a n i s m s ：o ) t h el a y e ra b o v et h e f u j i a nc o a s t l a n dq u i t eu n s t e a d yb e f o r ea n da f t e rt y p h o o nl a n d i n g ；( 2 ) b e e a u s eo f t y p h o o n su n s y m m e t r i c a lc i r e u m f l n e ：1 w e ，a tt h en o r t ho f t y p h o o n sh e a r t ，t h e r ew e r e s t r o n gw i n ds p e e d ，r e l a t i v eh u m i d i t y ，p o s i t i v ev o r t i c i t y 、c o n v e r g e n c ea n dv e r t i c a l v e l o c i t y ；( 3 ) t h eh i g h e ra n dl o w e rl a y e r so fr a i n s t o r me x i s t sp o s i t i v ea n dn e g a t i v e h e l i c i t yc o l u n m 啊硷r e s u l ts h o w e dt h a tt h em o d e lm a d eag o o de f f e c to ne i t h e r s i m u l a t i n gf u j i a ni n l a n do rs e a s h o r es t o r m s n 峙s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb yc o n t r o l l i n g t e r r a i ns h o w e dt h a ti tw a sag r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e i n f o r c e m e n tr e s u l t st o i n l a n ds e a s h o r es t o r mc a u s e db yt h ef u j i a nl o c a lt e n 咖a n dt h et e r r a i nm a d eam o r e o u t s t a n d i n gr e i n f o r c e m e n te f f e c tt oi n l a n ds t o r m s e c o n d l y ，t h et e r r a i ns e n s i t i v i t yt e s ti n d i c a t e dt h a tt h es p e c i a lt e r r a i ni nf u j i a n e a s t e r nc o a s tc o u l de n h a n c et h et y p h o o nr a i n s t o r md i s t i n c t l y ( 幻t h ei n c r e a s eo f r a i n f a l ln e a rt h ec e n t e ro f t h et y p h o o nh a sac l o s er e l a t i o nw i t ht h et e r r a i n ：( b ) t e r r a i n t e n d e n c ya n dh e i g h tc a nr e s u l ti nm o r eu n i f o r m i t yo f t h ep r e c i p i t a t i o nd i s t r i b u t i o n ；( c ) e x p e c tf o rt h ep r e c i p i t a t i o no h t h ew e s to f p e n p h e r yo f t h e t y p h o o n 1 1 1 ep r e c i p i t a t i o n e n h a n c e m e n te x t e n ta p p e a r sc o u n t e ro fd h a s er e l a t i o n s h i pw i t ht h a to ft h et y p h o o n c e n t e ro rn e a rt h et y p h o o n ， e s p e c i a l l yo nt h er e g i o no ft h ee a s ts e a ；( d ) t h e d i s t r i b u t i o no ft y p h o o np r e c i p i t a t i o np r e s e n t st h ep o s i t i v ea dn e g a t i v ec h a n g ea st h e g r a v i t vw a v ec o l u m nw i s eu n d e rt h ei n f l u e n c eo f t e r r a i n f i n a l l y ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e m so fp r e c i p i t a t i o np r e d i c t i o nw i t hm m 5 v 3 6 s d i f f e r e n tp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e so v e rf u j i a n i no r d e rt ot e s tt h ef o r e c a s tc a p a b i l i t y o fm m 5 v 3 6 ， f o u rc o m b i n a t i o n so f t w od i f f e r e mp h y s i c a lp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e s a r eu s e di ns i m u l a t i o nt e s t so fp r e c i p i t a t i o np r e d i c t i o n i ti sd i s c o v e r e dt h a tt h e c o m b i n a t i o n so fg r e l lc u m u l u sp a r a m e t e r i z a t i o na n dm i x e di c e p h a s ei nt h es e c o n d n e s t e d 鲥d sa r es u p e r i o rt ot h eo t h e r s ，e s p e c i a l l yt h ec e n t e ro fd o w n f a l la n d r a i n s t o r m t h es t r o n g e s tr a i n s t o r mc e n t e rw a sr e s u l t e di nt h eu n s y m m e t r i c a ls t r u c t u r e o f t y p h o o n “l o n g w a n g ”t h r o u g ht h es t r u c t u r es e n s i t i v i t yt e s t k e yw o r d s ：t r p h o o nr a i n s t o r m m m 5m o d e l ，n u m e r i c a le x p e r i m e n t ， d i a g n o s t i c a n a l y s i s - 2 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 一引言 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。例如1 9 7 5 年8 月7 5 0 3 号台风在河南引起的特大暴雨，其2 4 小时降水量达1 0 6 0 毫米世界上最大2 4 小时及三天雨量记录为1 8 7 0 毫米及3 2 4 0 毫米，发生在印度洋留尼汪岛的锡劳斯，也是由一 次台风引起的。台风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。台风( 含飓风、热带风暴) 是全球热带地区的一种十分严重的自然灾害。我国是亚太 地区受台风危害最重的国家之一，台风灾害十分严重。北起辽宁南至两广的沿海地带，每年 都有可能遭受台风的袭击，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，其中又以登陆广东、福建和台湾三省的台风数为最多。2 0 世纪9 0 年代有四个 著名台风( 9 4 1 7 、9 6 0 8 、9 6 1 5 、9 7 1 1 号) 均对我国造成重灾。为了减轻灾害，过去十几年 国内外连续不断地开展了台风的研究工作“1 。如在1 9 9 1 1 9 9 6 年问，组织了国家科技攻关 8 5 一9 0 6 一0 7 “台风科学，业务试验和动力学理论的研究”等课题。并于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 aa b n o r m a lt y p h o o ne x p e r i m e n t ) ”的国内热带气旋科学试 验“1 ，把部分靠近沿海即将登陆的8 个台风为目标试验台风，取得了大量地厩加密资料和雷 达、卫星等资料。我国，在台风运动突变、结构和强度突变、台风暴雨的突然增幅、热带气 旋路径预报方法等方面取得了新的进展。“1 。 台风降水，主要是由台风外围的螺旋云带和台风中心附近的眼壁引起的，然而情况又是 非常的复杂，出现暴雨的部位每次台风过程。都有很大差异。在浙闽登陆的台风往往会给华 北以至东北带来l o o m 以上的特大暴雨“1 ，这种远距离的台风暴雨常和高空急流，台风登陆 后强度维持不衰”1 ，西风槽。台风中有倒槽向北伸展“”，以及北方有冷空气南下等许多 因素有关。中低纬度环流系统的相互作用对登陆台风暴雨的突然增幅也有重要作用“”1 。丁 治英等通过数值模拟和研究指出“”，9 2 1 6 台风暴雨的增幅过程与台风中一口尺度重力惯性 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，暴雨加 3 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 大。但是，对于台风螺旋雨带形成、维持的理论解释仍有很多争论a n t h e s “”和e l s b e r r y “” 的著书中较全面地提出了台风螺旋雨带的几种可能解释，主要包括了涡旋r o s s b y 波说和重 力惯性波说，两位专家与许多气象学者都倾向于用重力惯性波说来解释。但是重力惯性波的 相速理论值为1 0 1 m l s ，它比螺旋云雨带实测移速只有1 0 、n s 几乎大一个量级。于是前几年 开始，m o n t g o m e r y ”1 等气象学者又回到3 0 年前m a c d a n a l d 提出的类- - r o s s b y 波说那里 去寻找合理的解释，并提出了涡旋r o s s b y 波的概念l i u “”和z h a n g “等人通过m m 5 模 式对台风a n d r e w ( 1 9 9 2 ) 的成功模拟指出，台风内区的不对称结构与台风重力惯性波有密切 关系；而w a n g 。“通过理想数值试验又较详细的讨论并强调了台风螺旋雨带中涡旋r o s s b y 波的作用。余志豪对涡旋r o s s b y 波的成波机理做了动力学的分析，他认为，简单基本的 r o s s b y 波是旋转流体中的波动，在绝对涡度( 或位涡) 守恒原理支配下，它的成波机理是 由环境涡旋的变化造成的。 数值研究”表明，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 的辐合抬升是形成台湾大暴雨的重要因子，它对暴雨的增幅达6 倍多。乳等1 通过数值研 究认为，台湾地形对台风路径的偏折影响较少，但对降水有明显影响，模式分辨率和地形高 度分辨率的提高都有利于改善对台风降水定量的预报。地形的影响主要使对流层低层凝结加 热和上升运动增强，而典型结构中最强的凝结加热和上升运动应出现在对流的中上层。l i n ”1 等通过数值试验和诊断分析指出，地形引起的垂直水汽通量对台风降水预报有很好的指示作 用。骆荣宗对9 0 1 2 号台风降水进行了诊断分析，并指出了两种地形对降水的作用，一是 半环形地形和狭谷地带边界层气流有明显的辐合抬升作用，降水系统可以在这里发生发展、 停滞直到进入狭谷地带再度加强。二是气流碰到高山产生分支和汇合现象，在汇合地区派生 出地形性准定常的中小尺度天气系统。在适宜的气流下，特殊地形可以维持准定常辐合作用， 它不仅产生新对流云，也可使外来螺旋雨带中对流单体获得强烈发展。这两种地形对降水增 幅可达1 - - 3 倍。加密观测分析也表明。1 ，台风周围中尺度涡旋和中尺度辐合线的形成与地 形有密切关系。李江南等通过对“菲特”( 0 1 1 4 号) 数值预报试验表明，华南地形主要是 南岭山脉对台风暴雨有明显的增幅作用，最大暴雨中心的2 4 小时累计降雨量增加3 0 左右。 4 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 林运源“”在定性分析强热带风暴“玛莉亚”( 2 0 0 0 年) 对韶关大暴雨过程的影响时，不仅强 调了南岭山脉的作用，同时认为江河水库对暴雨也有一定的增幅作用 海岸线对台风暴雨也有影响。郑庆林等。1 利用一个具有三重水平结构的台风模式模拟 研究了9 2 1 6 号台风移过台湾后在福建省登陆过程中由于海岸地形引起的雨量变化当海岸 线扩展后，台风登陆提前，降水提前发生在“虚假”陆地上。一些较小的地形同样对台风降 水起到一定的增幅作用“1 。9 9 0 8 号台风在陆上的移动路径是取平坦的珠江下游，无明显的 山地影响，但在白云山以南的降水强度明显大于山北，这是因为白云山南侧有地形切变线生 成。 目前对台风暴雨监测和预报手段有了很大的提高，卫星提供的亮温( t b b ) 资料在一定 程度上可以反映出登陆热带气旋的雨强和雨区分布。t r m m 是第一个载有测雨雷达的卫星， 并装有可见光和红外扫描仪( v i r s ) 和t r m m 的微波成像仪( t m i ) ，这能对台风暴雨的雨强 和分布( h r i d ) 的监测起了重要作用。近几年，国内外科学家实旅了一系列外场科学试验， 如大西洋进行的代号为t o s t ( t h o r p e xo b s e r v a t i o ns y s t e mt e s t ) 的试验，由美国海军研 究院主持。美国飓风研究所( h r d ) 、空军研究中心( a r f c ) 和国家环境卫星情报局( n e s d i s ) 参与合作的海一汽耦合边界层试验( c b l a s t ) 澳大利亚正在实施的代号为a t c c i p 的热带气 旋影响计划，台湾科学家实施的名为台湾附近地区台风下掷式探空监测( s o t s t a r ) 的外场 试验。这些试验提供了加密高分辨率非常规资料，再加上模式性能和计算机能力的提高，对 登陆台风暴雨的研究和预报取得了不少研究成果。” 删5 模式是近年来由美国大气研究中心( n c a r ) 和美国宾州大学( p s u ) 在删4 基础上联合 研制并发展起来的1 ，是比较先进的中尺度预报模式之一，已被广泛应用于各种中尺度现 象的研究。w 4 5 模式自研制以来，不断地进行更新，得到了世界各地气象部门的广泛参与 姗5 模式对世界各地很多大气现象都做过模拟研究，在我国也有着广泛的应用，比较成功地 模拟了暴雨、洪涝，西南涡、台风、飑线等中小尺度天气现象。 福建是中国台风重灾区之一，是中国登陆台风较多的省份之一除广东、海南、台湾三 省比它多，全国其它省比它少。福建登陆台风往往暴雨强、结构和强度变化大，灾害严重1 5 南京信息工程大学硕士学位论文 林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 本文选取台风登陆前后2 3f i8 时至2 4 日8 时作为数值模拟与诊断时段 台风暴雨过程分析 台风暴雨活动概况 图2 10 5 1 9 号“龙王”台风路径图 2 0 0 5 年第1 9 号台风“龙王”( l o n g w a n g ) 源于9 月2 6 日0 8 时在西太平洋洋面上形成 的一个热带风暴( 1 0 0 0 h p a ，1 8 m s ) ，尔后以西北偏西路径向我国东南沿海靠近，9 月2 7 日0 2 时加强为强热带风暴( 9 8 5 h p a ，2 8 m s ) ，2 7 日0 8 时加强为台风( 9 7 0 h p a ，3 3 m s ) ， 2 8 日0 5 时加强为强台风( 9 4 5 h p a ，4 4 m s ) 。而后，。龙王”继续向偏西方向移动，于l o 月2 日0 5 ：1 5 在台湾花莲县丰滨乡附近登陆。登陆时中心气压9 3 5 h p a ，登陆时阵风达1 7 级 以上。上午1 0 时在台中西南部入海，进入台湾海峡，于2 日2 1 ：3 5 擦过晋江围头( 近中心 风速3 3 米秒) ，随之减弱为强热带风暴，穿过金门岛南部，于2 日2 3 ：4 0 再次在厦门登陆。 “龙王”登陆后经漳州( 3 日0 3 时减弱为热带风暴) 进入龙岩，3 日0 8 时减弱为热带低压。 台风登陆前后，福建省大部分县市出现阵雨或雷阵雨，沿海地区大部分县市出现暴雨或大暴 雨。据统计，共有2 8 个县市过程雨量超过1 0 0 毫米，其中有5 个县市超过2 0 0 毫米，长乐 市过程雨量最大达到3 3 4 1 毫米。受1 9 号台风“龙王”和弱冷空气的共同影响，1 0 月1 日夜里至2 日夜里，福建省沿海地区的部分县市和中北部沿海( 海岛站) 先后出现8 1 2 级 大风，其中我省中部沿海出现1 2 级以上的瞬时大风。( 长乐市极大风速达3 8 m s ，海岛自 动站+ f 屿达4 5 6 m s ) 此次台风暴雨以1 0 月2 日8 时至3 日8 时日雨量为最强，主要分布 在福建省沿海地区，以福州市的长乐为最大，分别为3 3 0 6 毫米，强降水区大都处于台风中 心的偏北或东北侧 2 2 台风灾害和主要特点 2 2 1 台风的主要灾害 据省政府台风灾情统计：截止l o 月8 日，全省9 个设区市，6 6 个县( 市、区) 、5 8 2 个 乡镇，4 0 2 7 9 万人受灾。紧急转移5 3 7 万人，死亡4 2 人、失踪6 人。( 1 0 月2 日傍晚，受 1 9 号台风影响，福州地区突降特大暴雨，武警福州指挥学校训练基地受到山洪袭击，部队 - 6 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 驻用的两幢民房被冲毁，部分学员被山洪冲走，造成8 5 人遇难。) 全省直接经济损失约7 4 7 8 亿元。其中农林牧渔业损失1 7 8 l 亿元，工业、交通、运输业损失3 5 1 8 亿元，水利设施损 失6 2 8 亿元，金融( 不含保险理赔) 、服务业损失6 5 亿元，城区居民、机关损失3 5 亿元， 其他损失5 5 1 亿元。全省农作物受灾1 3 0 7 9 千公顷，成灾面积6 5 3 2 千公顷、绝收面积 1 5 9 1 千公顷；死亡大牲畜4 0 9 3 万头( 只) ，水产养殖损失面积1 3 9 6 千公顷、产量8 6 1 2 万吨。车辆受淹损毁7 4 0 0 多辆，停产工矿企业2 7 5 2 家，铁路中断i 条次，公路中断2 4 1 条 次，毁坏公路路基4 1 6 6 8 公里；损坏输电线路4 2 7 5 6 公里、通讯线路1 3 2 5 2 公里；损坏 堤防4 0 0 处1 0 3 4 千米，堤防决口3 7 处3 4 千米，损坏护岸6 6 1 处、灌溉设施2 9 0 6 处，损 坏水闸、水文测站、机电井、机电泵站、水电站3 5 4 座，冲毁塘坝2 0 1 座；房屋倒塌0 9 4 4 万间。福州城区2 3 条公交线路因涝停驶，部分民房、工厂、酒店、商店受淹，近十分之一 城区停水、停电、停气。在这次台风袭击中，福州市突降短历时强降雨，引发的洪水在短时 间内汇流进入城区，形成巨大的洪峰，市区内河水位急速上涨。3 日凌晨l 时3 0 分，内河 水位上涨至最高值，致使市区约8 平方公里面积受淹，最深1 9 米。由于内涝高水位持续时 间长达2 0 小时，城区不同程度遭受灾害损失。其中，i o k v 供电线路中断1 1 3 条，造成3 6 个小区停电；移动通讯基站中断2 2 个；市区主干道包括五四北路、六一北路、湖东路、华 林路等交通中断长达2 0 小时，2 l 条公交线路停运；低洼地带沿街房屋、店面进水，主要涝 区住户、宾馆旅客出入受阻，影响了群众正常生活。 2 2 ，2 台风灾害的主要特点 龙王台风造成灾害主要有以下四个方面的特点。( 1 ) 风力大。据1 9 4 9 年以后的资料， 1 0 月上旬历史上有2 个次台风登陆福建，分别是9 9 1 4 和7 3 1 5 。登陆福建最晚的7 3 1 5 台风 ( 1 0 月1 0 日) 近中心最大风速7 0 米秒第1 9 号台风“龙王”生命史中的中心最低气压 9 2 0 百帕，近中心最大风速6 0 米秒。是1 0 月份登陆福建台风中较强的一个。“龙王”台风 登陆前后，沿海阵风最大达4 5 6 m s 。( 海岛自动站下屿) ( 2 ) 降水强。“龙王”台风影响福 建时，由于与冷空气共同作用，出现台前飑线和短时强降水。“龙王”台风的l 小时降水极 值大于1 0 0 毫米的有4 个站，其中3 个站集中在福州地区，以长乐1 5 2 毫米为最大。可见“龙 王”台风不但i 小时降水极值超历史极值，而且1 小时降水极值大于1 0 0 毫米的站数，也为 历年登陆和影响台风的短历时降水之最。( 3 ) 次生灾害重。台风“龙王”由于和冷空气相结 合，短历时降水强度强，强降水造成了泥石流、山体滑坡等次生灾害，同时引发福州地区的 ， 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华；登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 严重内涝，台风“龙王”的强降水造成的内涝是历年台风影响中最为严重的。( 4 ) 灾情重。 受台风影响。福州、厦门、晋江机场被迫关闭。2 2 8 个航班取消。全省直接经济损失约7 4 7 8 亿元。 2 3 降水量分布 图2 22 0 0 5 年l o 月0 2 日8 时至0 4 日8 时福建省降雨量( 单位：m m ) “龙王”台风登陆前后福建省各县( 市) 普降暴雨，其中以0 2 日8 时至0 3 日8 时日雨 量为最强。全省沿海地区各县( 市) 都在大雨以上，日雨量大于1 0 0 毫米共有2 8 个县( 市) ， 主要分布在福建中北部及闽南沿海地区，以福州的长乐为最大，为3 3 4 1 毫米，强降水区大 都处于台风中心的偏北或东北侧。 2 4 环流形势分析 图2 3 1 0 月2 日船时5 0 0 h p a 位势高度场( 1 0 9 p m ) 和温度场( ) 1 0 月1 日2 0 时，东亚5 0 0 h p a 上中高纬环流较为平直，河套地区有低槽，副热带高压 加强西伸，2 日8 时副高与1 2 0 。e 相交的脊线位于3 5 。n 附近，西脊点在1 0 0 。e 附近，成 东西向带状分布( 图2 3 ，n c e p 再分析资料) 台湾岛上可以分析出一个5 8 0 的等值线。在祁 连山附近有一2 4 的冷中心，伴有西风槽。2 日z 0 时，带状副高脊线仍维持在3 5 。n ，在5 0 0 h p a 上，台湾海峡及福建东南沿海可分析出一个范围较大的5 8 4 等值线。此时，台风中心北侧不 足l o 纬距为副高控制区域。位势高度较高，与台风中心形成较大的位势高度梯度；台风中 心南侧没有较明显的系统，与台风中心形成较小的位势高度梯度这样，台风偏北侧有较大 的气压梯度，而偏南侧气流梯度较小。 根据大气运动方程。气压和位势梯度场决定风速场，台风中心南北侧的地面气压场及高 空位势高度场的梯度这种分布，直接决定偏北侧风速较大，而偏南侧风速较小，从而影响台 8 - 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 风登陆前后降水分布这些成因将通过数值模拟在下几个章节详细分析 2 5 台风中心的流场结构 陈联寿1 曾指出台风的非对称性结构能够影响台风移动的重要观点1 9 9 0 年夏季在西 北太平洋开展的台风现场科学试验s p f 狐t r u w 、t c w 和t y p h o o n 期间，利用加强观测资料所作 的分析和数值试验进一步证实台风的非对称动力结构是影响台风路径的重要因素” 图2 4 2 0 0 5 年1 0 月2 日2 0 时龙王台风流场c a ) 5 0 0 h p a ；( b ) 7 0 0 h p a , ( c ) 8 5 0 h p a 通过n c e p 再分析实况资料我们画出了2 0 0 5 1 9 号台风中心附近气旋式环流结构及其对称 性。自1 0 0 0 h p a 向上至模式顶( 1 0 h p a ) 的2 5 个等压面层流场分析显示，这次台风的气旋式 结构一直延伸到2 5 0 h p a 高度，在6 0 0 h p a 以下在台风中心附近呈气旋式流入，在6 0 0 h p a 以 上呈气旋式流出。图为1 0 月2 日2 0 时5 0 0 h p a ，7 0 0 h p a ，8 5 0 h p a 3 个等压面上的流场分布。 可见各层气流都呈反时针旋转的气旋式结构，8 5 0 h p a ，7 0 0 h p a 图上气流向台风中心流入， 图2 51 0 月2 日2 0 时位势高度场、云水混合比、风场叠加图 但5 0 0 h p a 图上气流从台风中心向外流出。 图2 5 中给出8 5 0 h p a 和7 0 0 h p a 等压面上位势高度和用风矢量符合表示的水平风场分 布。由图可见风速在台风中心的东北象限最大，西南象限最小。利用s p e c t r u i 等现场试验 加密观测资料进行的数值试验表明，这种非对称分布型态的台风往往是呈现快速偏西运动特 征，这也正是和0 5 1 9 号台风登陆后继续向偏西方向的移动趋势完全一致从云水混合比分 布可以看出，中低层大量的降水云系集中台风中心的东北侧，台风中心为少云区，云水混合 图2 61 0 月2 日2 0 时涡度场和涡度场垂直剖面图 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 比中心位于在福州地区，同时闽南地区同样存在大量的云系。 图2 6 为1 0 月2 日2 0 时台风中心附近的涡度场和沿1 1 8 8 。e 所作的涡度场垂直剖面 图从图中看出，强涡度中心在台风中心东北的眼壁区，最大涡度值3 0 x1 0 4 s 。在8 0 0 h p a 高度，台风中心为弱涡度区。 2 6 卫星云图上显示的台风云系及其演变特征 2 6 1台风发展加强阶段云系特征及其云图影像 0 5 1 9 号台风从一开始就显示出了其强劲的势态。它从热带风暴加强为台风整个过程仅 用了2 4 h ，而后，仍保持着快速加强的趋势。图2 7 一a 是1 0 月1 日2 2 时台风的卫星云图 影像。此时的台风云系基本特征呈圆形，在云系中央有一个明显的又小又圆的台风眼。台风 眼周围是密实白亮的强对流云区，它四周被螺旋云带紧紧地缠绕着，再向外是呈向外辐散状 的卷云区。台风眼是晴空少云的暖区，它与周围的对流区形成明显对照。 在卫星云图上，台风云系中色调最白最亮的是对流云区。这里的云顶温度很低，表明此 时的云顶已经伸展到很高的空间高度，其内部气流在垂直方向上的对流运动非常旺盛。这里 是台风孕育的风和雨最剧烈的地区，台风巨大的破坏力常常是由这里的强风引起。据观测报 告， 第1 9 号台风“龙王”生命史中的中心最低气压9 2 0 百帕，近中心最大风速6 0 米秒， 1 0 级的狂风范围半径达1 5 0km ，7 级的疾风范围半径达3 5 0km 是1 0 月份登陆福建台 风中较强的一个 图2 7 龙王台风卫星云图 螺旋云带是台风云系的主要特征之一，它是台风云系中一种中尺度降水系统，云图上显 示，螺旋云带的色调虽然不如强对流云区白亮，但在垂直方向上其内部气流的对流运动也很 旺盛。该云区也会出现暴雨及短时的强风天气。据观测报告，0 5 1 9 号台风的强风范围特别 大，这是近年来不多见的。卷云区一般都是由高云组成。这里不会发生降水天气。卷云量向 外逐渐减少，云层变薄，没有确定的边界。卷云区的形成与台风云系项部向外流出的经向气 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 流有关，卷云减少的方向与风向是一致的 2 6 2台风即将离开台湾岛云系特征及其云图影像 图2 7 - b 是台风登陆台湾后，即将离开台湾岛进入台湾海峡的卫星云图影像。此时的 台风眼不是特别清晰，眼周围仍然是密实白亮的对流云区。与图2 7 - a 比较，螺旋云带南北 拉长，整个台风云系呈椭圆型。在台风云系的东南部有灰白色的线状低云带，低云带的南端 是热带辐合云带。台风云系通过低云带，与热带辐合云带中的辐合云区贯通。线状低云带是 向台风系统内部输送的低空急流水汽在云图上的反映。也就是说，热带辐合云区中的水汽通 过这条通道向台风系统内输送。这预示台风将有可能产生大暴雨天气。据观测报告，此时台 风中心风速是5 0 m s ，风力在1 2 级以上。另外，从这张卫星云图影像上，我们还可以看到， 从我国朝鲜半岛南部，经渤海到黄河下游有一条弱冷锋云系，这条弱冷锋云系在过去6 小时 里向东移动的速度极为缓慢。 2 6 3台风登陆前云系特征及其云图影像 0 5 1 9 号台风于2 0 0 5 年1 0 月2 日2 1 时3 5 分擦过晋江围头，随之减弱为强热带风暴， 穿过金门岛南部，于2 日2 3 ：4 0 再次在厦门登陆。图2 7 - c 是2 日1 6 时的卫星云图，因受 副热带高压西侧偏南气流的影响，整个台风云系向南北方向拉长，随着台风向西北偏西方向 移动，其外围的云系逐渐与北方的弱冷锋云系靠拢。2 日夜里，如图2 7 - - d 是2 日2 2 时的 卫星云图即台风登陆前l 小时4 0 分，台风的外围云系在长江三角洲与弱冷锋云系重叠，北 方的冷空气开始进入到暖湿的台风系统中，引起福建中北部沿海上空生成一系列的对流云 团。同时。卫星云图上显示。台风中心南侧的螺旋云带已经开始松散。色调变暗，说明其高 度已经降低，螺旋云带范围明显减小，说明其正逐渐演变成低云带。低云带的存在说明低空 水汽急流仍然活跃。低云带与热带辐合云带中的辐合云区相连接。继续向北方输送水汽。另 外，在台风云系的北侧有光滑整齐的云边界，与晴空区截然分开，说明有中纬度西风急流从 这里经过。0 5 1 9 号台风登陆后，由于脱离了温暖洋面的能量直接供应，再加上陆地巨大的 摩擦力。使台风迅速减弱为热带风暴 2 7 台风雷达分析 1 1 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 图2 , 8 龙王台风雷达回波图 图2 8 是1 0 月2 日1 7 时2 2 时造成强对流云团的反射率因子，可以看出，强度场的 回波具有明显的螺旋结构。雨带分布在台风中心的第1 。3 ，4 象限，在福建福州地区和福建 南部沿海一直有一条东北一西南向的中尺度低空急流经过福建中南部沿海，在此期间，在福 州地区和闽南沿海各存在一强对流回波中心，强度分别达5 5 d b z 和4 5 d b z 。从雷达回波图连 续演变分析，出现在长乐附近的强降水主要是对流性降水，在l o 月2 日0 8 时到3 日0 8 时 的整个降水过程中，出现了多次对流单体及中尺度符合带的生成、发展、消散及再生过程。 其中最强的一次降水过程出现在1 0 月2 日1 6 时至2 2 时，此次过程大约维持了6 小时台 风西北侧的强回波区与南侧的偏西南气流与低压西侧的偏东北气流的辐合以及低压东北面 的强的低空偏东急流有密切关系。低层充足的水汽供应，造成了本次较强的降承从图中可 见带状回波上一次明显的中尺度气旋波的活动过程。1 7 时长乐西北部有一接近东西走向的 回波带，中心强度达到5 0 d b z ，其南方又有一条与其相连的东北一西南走向的短带回波，中 心强度4 0 d b z ，1 8 时回波整体向东移近长乐，南方的短带回波明显加强，形成弓形结构，中 心强度分别加强到5 5 d b z 和4 5 d b z 。1 9 时至2 2 时降水明显加强，到2 2 时原南北走向的回波 带有所减弱且范围变小。雨量资料表明，2 0 时降水最强，一小时降水量达到1 5 2 o l i n ，六小 时降水达到3 0 3 0 b 。2 2 时以后，由于地形作用，环流受到破坏，气流逐渐减弱到1 2 m s 。 回波强度也逐渐减弱消散，暴雨结束。 2 8 台风强降水的成因分析 台风暴雨是台风业务预报最重要、最复杂、难度最大之点。龙王台风造成福建大范围 暴雨主要是台风环流直接影响下形成的，又有许多复杂的因素与台风叠加在一起而形成的多 种因素混合的暴雨，这些因素包括地形的抬升作用，冷空气的激发作用，台风外围云团的作 用等受龙王台风外围云系和冷空气共用影响下，2 日上午1 0 时开始，福建省中南部沿海 开始出现明显降水，台风最强降水出现在2 日下午1 6 时至2 2 时，其中以登陆前后6 小时发 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 生在福州地区的降水最为严重，长乐市的强降水就出现在这一时段。通过上文分析，此次台 风暴雨主要由以下原因造成的。 2 8 1 冷空气的增幅作用 图2 9 8 5 0 h p a a t 2 4 变温场 从图2 9 中8 5 0 h p a 2 4 小时变温场可以看出，弱冷空气南下的过程十分清楚，a t 2 4 达 到- 6 ，位于台风前进方向的a t 2 4 也达到一4 5 。负变温中心轴线从西北指向东南，冷空 气沿武夷山脉指向广东、江西、福建三省交界处，与此同时，台风中心东北侧暖中心则沿西 北偏西方向移动到福州地区，冷空气入侵到台风中心j e 侧( 福州地区) 引起强的东风扰动， 导致此次大暴雨的形成。 在5 6 月和9 1 0 月登陆的台风，其雨鼍经常比7 8 月的雨量大，特别是福建、广东、 广西等地，这种现象尤为突出其原因就是因为常有冷空气的影响在起作用1 。此次台风在 福建厦门登陆，福州地区处在台风东北气流控制下，受小股冷空气南下入侵影响，引起台风 中心东北侧的东风扰动导致强降水当龙王台风移近福建沿海时，大陆有小股冷空气南下， 在台风前沿低空有一支较强的东北气流，其出现在气旋环流的外围，使得台风东北侧的东 北气流的辐合得到加强。而在高空，与冷锋相联系有明显的西风急流，恰好叠加在台风北侧， 提供了有利的高空辐散场。因此，在冷锋云系与台风云系相结合时，在台风东北部低空辐合 区将产生强烈的降水。 2 8 2 深厚的对流系统有利于降水率显著提高 与一般的中等强度的台风相比。龙王台风要深厚得多，通过云图分析发现，台风云系中 对流云区的色调又白又亮，云顶温度很低，表明台风对流系统的深厚性，对流高度的增高有 利于不稳定能量的释放，进而又加强了台风，使台风中对流发展更旺盛，这种对流的深厚性 是台风在大陆上产生降水的直接原因，也是台风得以维持的重要物理机制。 2 8 3 螺旋云带的密实结构有利于云带的高效组织 南京信息工程大学硕士学位论文林卫华：登陆台风暴雨的数值模拟与诊断分析 从云图分析发现，台风登陆台湾岛前。台风云系呈圆形，有一个明显的又小又圆的台风 眼。台风眼周围是密实白亮的强对流云区。它四周被螺旋云带紧紧地缠绕着。台风登陆台湾 后，台风有所减弱，此时的台风眼不是特别清晰，眼周围螺旋云带仍然是密实白亮的对流云 区。台风登陆福建沿海前后，螺旋云带在福州地区维持有密实结构的对流云区，这是台风产 生强降水的重要指标 2 8 4 有利的地形条件对降水有重要的增幅作用 福建沿海对降水有重要增幅作用的形主要包括闽东北太姥山东侧区域和戴云山脉东侧 区域，在福建中部有主峰海拔高于1 8 0 0 米戴云山脉，在福建闽西南也有主峰高于1 8 0 0 米的 博平蛉。降水增幅的主要原因一是风在海岸的摩擦辐合。在闽东北地区，由于外海宽阔，风 力很强，持续时间很长，海岸对风的摩擦辐合特别显著。二是地形抬升。龙王台风登陆前低 层风速达4 5 6 m s ，对降水增幅的作用很大柘荣位于太姥山东侧半山腰，其降水量达 1 9 0 4 r a m ，是处在太姥山西侧的福安、周宁的四倍左右，这是由于具有强的东风或东南风沿 东侧山坡爬升的结果。福州地区处在戴云山脉东侧，此次台风在闽南一带沿海登陆，分别在 长乐市和在博平蛉东侧的龙海市形成两个暴雨中心，降水量分别达到3 3 4 i m 和2 6 2 8 m m ， 也是由于地形增幅所致。 三模式简介和模拟方案 3 1 模式简介 最近二十年来，中尺度数值模拟和预报迅速发展。涌现了i b 4 ，m m 5 ，r a 惦，a r p s 等等 很多著名的中尺度模式。删5 模式是由p s i ( 宾夕法尼亚洲立大学) 和n c a r ( 美国国家大气 研究中心) 的气象学家、气象工作者们在1 9 8 0 年代末、1 9 9 0 年代初在m m