（气象学专业论文）登陆福建东南沿海0519号台风数值模拟及诊断分析研究.pdf

登陆福建东南沿海0 5 1 9 号台风数值模拟 及诊断分析研究 摘要 本文通过利用地面高空常规资料以及卫星云图、雷达回波等资料，对2 0 0 5 年1 0 月0 1 0 4 日0 5 1 9 号台风。龙王”登陆福建东南沿海导致产生特大暴雨过程的天气背景及影响系 统进行了分析。结果发现，我国东北地区浅槽西侧的大陆高压以及东侧的副热带高压是影 响此次台风暴雨的主要大尺度环流系统；卫星云图及雷达回波资料能很好地跟踪台风的移 动及其暴雨产生。 然后利用双向嵌套中尺度非静力数值预报模式m m 5 v 3 对台风“龙王”登陆福建前后 过程进行了数值模拟，在模拟效果较理想的基础上利用其输出的高时空分辨率资料对“龙 王”台风产生特大暴雨过程进行诊断分析，结果表明：( 1 ) 由于台风登陆后受大陆地表面 的影响，台风环流非对称性造成台风中北侧出现强的水汽通量、辐合、正涡度、强烈上升 运动等极值区，是导致此次过程福州地区出现特大暴雨的主要原因；( 2 ) 垂直方向的局地 螺旋度( 简称k 螺旋度) 对此次台风暴雨过程有很好的指示意义。发生暴雨期间，暴雨区 中低层为正螺旋度柱，正螺旋度柱中心与暴雨中心基本一致，单站逐时降水量与该站上空 7 0 0 h p a 局地螺旋度成很好的正相关；( 3 ) 暴雨区上空存在c a p e 高值区以及高层正湿位涡、 低层负湿位涡配置。 同时和用模拟结果对“龙王”台风登陆福建沿海前后的结构特征进行了分析，发现登 陆前后除暖中心在台风中心最强外，其它物理量的极值一般都出现在离台风中心1 0 0 2 0 0 k m 区域。台风登陆福建沿海后虽然在热力，动力和环流上还保留有热带气旋的一些分 布特征，但在强度和空间分布上已经发生了明显的变化。 最后还进行了地形敏感性试验，试验结果显示地形对台风暴雨有明显的增幅作用，地 形高度越高，对台风带来的暖湿气流的抬升辐合作用越剧烈，降水强度就越大。 关键词：台风，数值模拟，诊断分析，研究 a n a l y s l sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t y p h o o n ( o s z 9 ) l a n d e di nt h es o u t he a s to ff u j i a n a b s t r a c t b yu s i n gs a t e l l i t ep h o t o ，r a d a re c h oa n dt 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 ，w es t u d i e d t h es y n o p t i cs i t u a t i o na n di n f e c t i n gs y s t e mw h i c hc a u s eh e a v yr a i no c c u r r e dd u r i n g1 4o c t 2 0 0 5w h e nt y p h o o nl o n g w e n g ( 0 5 1 9 ) l a n d e do nf u j i a n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u b t r o p i c a l h i g ht ot h ee a s to f t h es h a l l o ws l o tt h o u g hi nt h en o r t h e a s tc h i n aa n dt h ec o n t i n e n t a lh i g ht ot h e w e a s to ft h es h a l l o ws l o tt h o u g hi nt h en o r t h e a s tc h i n aa r et h em a i n l yl a r g e s c a l ec i r c u l a t i o n s y s t e m s t h er a d a re c h oa n ds a t e l l i t ep h o t od a t ac a nt r a c kt h er o u t eo ft y p h o o na n dr a l n s t o n n p r i m e l y b a s e do i lt h et w o - w a yn e s t e dn o n - h y d r o s t a t i cm 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 ) ，t h e w h o l ep r o c e s sd u r i n gt y p h o o n l o n g w e n g l a n d e df u j i a ni ss i m u l a t e d t h em o d e lc a ns i m u l a t e “l o n g w a n g w e l l b yu s i n go ft h eh i g hs p a c e - t i m er e s o l u t i o nd a mo ft h em o d e lo u p o t , t h e p r i m a r yd i a g n o s t i ca n a l y s e sa s t u d i e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) i n f l u e n c e db yt h e t h ee a r t h s s u r f a c e ，t h ed i s s y m m e t r ys t r u c t u r eo ft y p h o o np r o d u c es o m ee x t r e u t a la r e a so fs t r o n gv a p o u r f l u x ，c o n v e r g e n c e ，p o s i t i v ec o r t i c i t ya n ds t r o n ga s c e n t i ti st h e s ee x t r e m a la r e a st h a tp r i m e l y c a u s et h ee x t r ah e a v yr a i ni nf u z h o uc i t y ( 2 ) v e r t i c a l l yp a r t i c a lh e l i c i t y ( kb e l i e i t y li sr e l a t i o n c a ni n d i c a t e dt h et y p h o o nr a j l l s t o r n lw e l l d u r i n gt h eh e a v yr a i no c c u r e d ，t h e r ei sp o s t i v ek p o l e a tl o wl e v e l sa n dt h ec c u t e ro f p o s i t i v ek i se x c e l l e n ta g r e e m e n tw i t ht h er a i n s t o r m t h eh o u r l y p r e c i p i t a t i o na ts i n g l es t a t i o ni sc o r r e l a t e dp o s i t i v e l yw i t ht h ev e r t i c a l l yp a r t i c a lh e l i c i t ya t 7 0 0 h p ap e r f e c t l y ( 3 ) t h e r ea r eh i g hc a p eo v e r h e a di nt h er a i n s t o r ma r e a t h ed i s t r i b u t i o no f p o s i t i v ep o t e n t i a lv o r t i c i t ya th i g hl e v e la n dn e g a t i v ep o t e n t i a lv o r t i c i t ya tl o wl e v e li sc l o s e l y c o r r e d t e dt ot h er a i n s t o r m a l s ob yu s i n go f t h es i m u l a t e dd a t at h es t r u c t u r eo f t y p h o o ni sa n a l y s e db e f o r ea n da f t e rt h e t h p h o o n l o n g w a n g l a n d e d i ti sf o u n dt h a tw a r mt e m p e r a t u r ec e n t e ra p p e a r s 盯o o n dt h ec e n t e r o ft y p h o o n , t h ee x 廿e m mo fp h y s i c a lq u a n t i f i e se x c e p tw a mt e m p e r a t u r ec e n t e rg e n e r a l l y a p p e a r so nt h ea r e a1 0 0 - 2 0 0 k i nt ot h ec e n t e ro ft y p h o o n a f t e rl y p h o o nl a n d i n gf u j i a n , t h e t h e r m o d y n a m i c ，d y n a m i c a ls 仃u c t u r ea n dc i r c u l a t i o nh a sc h a n g e dm a r k e d l yi ni n t e n s i t ya n ds p a c e a l t h o u g hs o m ec h a r a c t e ri sr e s e r v e da ss a m ea st y p h o n hc i r c u l a t i o n f i n a l l y , t h et e r r a i ns e n s i t i v ee x p e r i m e n t sp m v e dt h a t ：t e r r a i nc a l li n c r e a s et h ep r e c i p i t a t i o n o b v i a l y t h eh i g h e rt h et e r r a i n ，t h e 啦d n g 盱t h ec o n v e r g e n c eh f t i i l gf o r c ea n dt h em o r et h e p r e c i p i t a t i o n k e yw o r d s ：t y p h o o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n a l y s i ss t u d y i v 学位论文独创性声明 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 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：幺必l 第一章引言 1 1 台风概况 台风是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，它( 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“1 台风总是伴有狂风暴雨，常给途 经的地区造成严重的灾害，例如洪涝爆发，城市内涝、农田受淹、房屋倒塌等我国是受 台风影响最严重的国家之一。平均每年登陆我国的台风达7 8 个，是世界上台风登陆最多、 灾害最重的国家。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。 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。我国3 次 破历史记录的特大暴雨都是台风造成的，1 9 7 5 年8 月7 5 0 3 号台风在河南林庄引起的特 大暴雨，其2 4 小时降水量达1 0 6 0 毫米，6 3 1 2 号台风( g l o r i a ) 在我国台湾百新创下 1 2 8 4 m m 2 4 h 的记录，6 7 1 8 号台风( ca r l 8 ) 在我国台湾新寮创下1 6 7 2 m 2 4 h 的记录。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。近年来随着经济的发展，台风造成的经济损失更是触目惊心的， 例如0 4 1 4 号台风( r a n a n i m ) 、0 5 1 9 号台风( l o n g w a n g ) 等。台风造成的灾害主要部分往 往是台风引发的暴雨洪涝造成的。 1 2 台风研究进展 世界上各国很早就对热带气旋开展研究工作，我国过去十几年来也连续不断地开展了 热带气旋的研究工作。尤其在1 9 9 1 1 9 9 6 年间，组织了国家科技攻关8 5 9 0 6 0 7 “台风 科学、业务试验和动力学理论的研究”等课题。并子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，把部分靠 近沿海即将登陆的8 个台风为目标试验台风，取得了大量地面加密资料和雷达、卫星等资 料近年来，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“”。 朱佩君等。对登陆台风w i n n i e ( 1 9 9 7 ) 的结构变化和变性过程进行了数值模拟研究， 成功模拟了w i n n i e 台风在登陆后其云系结构从热带气旋螺旋结构到温带气旋的锋面云系 结构的转变过程，指出其变性阶段在结构上主要完成了从基本对称的垂直分布向斜压非对 称分布的转换。闫敬华等“1 从定量和时间演变角度细致分析了南海台风“黄蜂”近海加强 和登陆减弱各阶段的动热力特征，揭示了该台风的大量结构特征。 雷小涂”3 等通过热带气旋大的登陆及其与中纬度环流系统相互作用的研究发现：热带 气旋与中纬度系统相互作用不仅影响热带气旋的结构和强度变化，也对中纬度地区天气 产生重大影响。西风槽强度的变化可使热带气旋的降水突然增幅3 0 。环境场的急剧调整 常引起热带气旋运动突变，在弱环境场中，热带气旋的异常运动与非对称结构关系紧密。 中纬度系统对热带的非对称结构有重要影响。另一方面，热带气旋向极移动过程中携带了 大量可供中纬度地区降水的水汽，在气旋性切变的环境场中，热带气旋还向环境场输送能 量，并激发和增强中纬度气旋性环流系统的发展，触发严重的灾害性天气。热带气旋有时 也会截断低纬向中纬度的水汽输送及中纬度波动的能量频敬，9 5 左右的南海热带气旋对梅 雨有显著影响，其中约8 6 的热带气旋会导致梅雨减弱中断甚至结束 丁治英等通过数值模拟和研究指出。3 ，9 2 1 6 台风暴雨的增幅过程与台风中一o r 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。a n t h e s “1 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l o m s 。它比螺旋云雨带实测移速只有1 0 0 m 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 “”1 和z h a n g n 6 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 “”1 通过理想数值试验又较详细的讨论并强调了台风螺旋 2 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。 陈子通2 等通过分析雷达图发现尤特台风眼区及邻近地区多处存在着比较强的最长可 达1 5 0 k m 左右的直线状回波，直线回波带上嵌有多个强的回波单体。经过分析研究，认为 雷达图上的直线状回波现象，与台风内区涡旋结构的变异有关。考察静止卫星红外云图上 螺旋云带的强烈弯曲和云带前端低t b b 值的现象。以及分析探空资料计算出来的相对涡度 分布，认为直线回波现象与台风内区非对称的涡旋结构演变有关，那些直线回波带的形成 可齄是眼壁附近存在的涡度相对高值区的推进相联系的。最后就台风登陆过程中内区涡旋 结构变异的问题作一些讨论，认为台风在登陆过程中相对比较容易发生结构变异，从而有 可能导致在登陆过程中移速加快和出现强天气等现象。 吴池胜。1 分析了台风中心附近涡度局地变化的非对称性对台风加( 减) 速运动的影响发 现，突然加速的台风，其前方和后方的涡度局地变化分别为较大的正值和较小的负值，而突 然减速的台风其前方和后方的涡度局地变化情况正好相反。 王鹏云“1 进行台湾岛地形对台风暴雨影响的数值研究后指出，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。”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。骆荣宗圳对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 3 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。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，不仅强调了南吟山脉的作用， 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”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。 励申申“1 等对登陆台风维持和暴雨增幅实例从能量学角度进行分析指出，登陆台风衰 减速度快慢与环境大气的动能和位能输送有关。台风区外半径的风场结构和环境气压场形 势在动能平衡中起重要作用。台风区动能水平通量辐散与外围暴雨增幅存在一定的联系， 这是台风与外围暴雨或台风与西风带系统相互作用的物理过程，台风区动能输出是外围暴 雨发生发展的一类扰动源。 丁治英等对台风范围的总有效位能、涡旋有效位能进行了研究，发现台风暴雨增幅 时有效位能释放。冷空气处在台风外围时有效位能释放最多，降水增幅最大。能量积累与 释放周期为1 2 小时。冷空气入侵台风中心后，非绝热加热迅速减小，不利于台风降水增幅。 1 3 本文研究方法、内容和目的 美国的p s u n c a r 在m m 4 模式上，改进并发展出m m 5 模式。姗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。m m 5 模式对世界各地很多大气现 4 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3 0 5 1 9 号台风“龙王”于1 0 月2 日0 5 ：1 5 在台湾花莲登陆，2 日2 3 ：4 0 在龙海再次 登陆( 台风年鉴确定在厦门沿海登陆) 。台风登陆后经漳洲进入龙岩，3 日0 3 时减弱为热 带风暴0 8 时减弱为热带低压。1 0 月2 - 3 日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( i 日2 0 时一4 日2 0 时) 超过1 0 0 毫米，其中有5 个县市超过 2 0 0 ，以长乐的3 3 4 1 毫米为最大。此次台风给我省带来了极其严重的灾害，造成直接经济 损失达7 4 7 8 亿元。 本文选取台风登陆前后0 2 日8 时至0 3 日8 时作为数值模拟与诊断分析研究时段，运 用具有高时空分辨的m m 5 模式对0 5 1 9 号“龙王”台风进行数值模拟，并进行诊断分析，旨 在揭示“龙王”台风移动路径及其造成暴雨等的物理机制。为今后台风预报服务做一些有 意义的工作。 第二章0 5 19 号台风概况及其形势分析 2 1 台风实况 2 1 1 移动路经 2 0 0 5 年1 9 号台风“龙王”于9 月2 6e l0 8 时在西太平洋洋面上形成，2 7 日0 8 时加强 为台风。“龙王”台风以西行路径为主，于1 0 月2 日0 5 时1 5 分在台湾花莲登陆，上午1 0 时台风中心在台中西南部入海，于1 0 月2 日2 1 时3 5 分擦过晋江围头( 近中心风速3 3 米 秒) ，强度也随之减弱为强热带风暴，随后穿过金门岛南部，于1 0 月2 日2 3 时4 0 分在龙 海登陆( 台风年鉴定为在厦门登陆) 。台风登陆后经漳洲进入龙岩。1 0 月3 日0 3 时减弱为 热带风暴，0 8 时减弱为热带低压。具体移动路经见图2 1 。 图2 10 5 1 9 号台风“龙王”移动路经 2 1 2 暴雨致灾情况 受台风“龙王”和弱冷空气的共同影响。1 0 月1 日夜里至2 日夜里，我省沿海地区的 部分县市出现8 一1 2 级以上大风，以长乐市的3 8 m s ( 1 3 级) 为最大；中北部沿海出现1 2 级以上大风，以下屿( 海岛站) 的4 5 6 m s ( 1 4 级) 为最大。l o 月2 - 3 日沿海地区大部分 县市出现暴雨或大暴雨。据统计，共有2 8 个县市过程雨量( i 日2 0 时q 日2 0 时) 超过 1 0 0 毫米，其中有5 个县市超过2 0 0 ，以长乐的3 3 4 1 毫米为最大。“龙王”台风影响时， 我省局部地区出现短时强降水。1 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，是1 小时降水的历史极值。1 小时降水极大于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。 龙王台风给我省造成的灾害极其严重。据政府部门统计，截至l o 月8 日，我省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。全省直接经济损失达7 4 7 8 亿元。在这次台风袭击中，福州市突降短历时强降 雨，造成市区约8 平方公里面积受淹，积水最深达1 9 米。 2 2 环流形势分析 从5 0 0 h p a 高度场上可以看出。本次“龙王”台风暴雨过程是发生在东高西低的大尺 度环流背景下1 0 月0 2 日0 8 时中高纬5 0 0 1 - 1 p a 环流呈两槽一脊型，乌拉尔山附近有一低 槽，远东到我国东北地区有一深厚的低槽，贝湖一带有一宽广的高压脊。中低纬地区，在 日本南部的海洋上是一强大的副热带高压，它是影响本次台风的最重要的大尺度环流系统。 强大的副热带高压阻止了台风北上，引导台风向偏西方向移动，同时它与台风环流共同形 6 成强的东南低空急流，向暴雨区输送了大量的水汽，造成福建省沿海的暴雨、大暴雨的产 生。 同时，台风中心北侧为副高控制区域，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。地面气 压场上，鄂霍茨克海和台风中心附近的东南沿海各为一低压中心，日本南面海洋及以东区 域和蒙古地区各有一高压中心，南北低压及东西高压中心形成鞍形场( 图略) 。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- t l , 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 响台风移动极其登陆前后降水分布。 从海平面气压场分布可以看出，l o 月1 日0 8 时开始，北方不断有弱冷空气扩散南下， 当1 0 月2 日2 0 时台风西行到我省沿海时，弱冷空气的影响促使台风有效位能迅速释放， 上升运动加强，造成我省东部沿海强降水的产生。1 0 月3 日0 0 时以后，冷空气逐渐入侵 台风，非绝热加热迅速减弱，对流性不稳定减小，台风逐渐变成温带气旋，降水也逐渐减 小。 2 3 卫星云图分析 图2 2 是此次台风强降水过程( 1 6 2 2 时) 的逐时f y 2 c 红外卫星云图。从图中分析可 以发现，台风西行登陆影响大陆过程中外围不断有螺旋云系产生，并造成影响地区的强降 才( 。 图2 22 0 0 5 年1 0 月0 2 日1 6 ：0 0 , - 2 3 ：0 0 时f y 2 c 红外卫星云图 同时发现造成闽东福州地区的台风强降水的发生与台风环流北侧出现的中尺度涡旋有密切 的关系，产生中尺度大暴雨的强对流云团是在台风环流北侧偏东气流与其北侧中尺度涡旋 7 环流西侧的偏北气流汇合作用下发展起来的。 l o 月2 日1 0 时，台风穿过台湾，进入台湾海峡，而后继续向西北偏西方向移动，逐 步向福建省沿海靠近，台风外围不断有螺旋云带生成发展。1 6 时开始，在台风的东北侧的 外螺旋云带上出现了一个直径约2 0 0 多公里弱气旋性涡旋云带( 见图2 2 中1 6 时云图) ， 1 7 时该气旋性涡旋云带进一步发展，形成清晰的、接近闭合的气旋性涡旋环流云带，1 8 时 台风东北侧的螺旋云带与1 6 时发展起来的气旋性涡旋云带相交处( 也就是福州市东南方) 有对流云团迅速发展，出现了云顶亮温最低处低于7 0 0 c 的亮云核，其面积达到近1 5 0 0 平 方公里左右，而后该对流云团迅速发展，1 9 时云项亮温低子7 0 0 c 区域的面积近l o o o o 平 方公里，云顶亮温最低达9 3 。c ，2 0 时云顶亮温低于7 0 0 c 区域的面积继续扩大，2 1 时达 2 2 1 0 0 平方公里，并移动缓慢。与此同时福州地区一带1 9 时2 2 时出现了历史上罕见的强 降水，有四个站l 小时降水量破历史记录，其中三个在福州境内。2 1 时以后该云团开始减 弱，并逐渐向西北方向移动，降水也随之减弱。整个过程强降水雨团移动与强对流云团移 动基本一致。 2 4 雷达回波资料分析 分析多普勒雷达回波资料可以看出，1 0 月0 2 日早晨0 8 时4 4 分开始，福建沿海不断 有带状雷达回波出现，相应陆地上也出现了降水，但此时降水强度还不是很大。主要以阵 性降水为主。图2 3 是福建省长乐雷达站探测的“龙王”台风影响我国东南沿海造成福建 省东部地区强降水过程( 1 6 - 2 2 时) 的组合反射率回波演变过程( 其中1 9 ：4 0 - 2 1 ：o o 期间 资料由于台风强对流使雷达站遭受雷击发生故障缺失) 。从图中可以看出，1 7 ：o o 分开始， 在台风外围不断有呈螺旋带状的雷达回波。1 7 ：1 2 分在台风北侧的螺旋云带上有回波强度 达6 4 d b z 的对流云团生成，其呈现西北一东南方向分布，强回波长约1 2 0 1 a n ，宽越3 0k m ， 具有明显的中一1 3 尺度特征。l g ：0 0 2 3 ：0 0 时，回波逐渐加强，并缓慢向偏北方向移动，1 9 ： 0 0 - 2 2 ：0 0 福建东部沿海地区出现了此次台风过程强度最大的降水过程。2 3 ：o o 时后回波 强度逐渐减弱。降水也随之减弱。 8 分析福建省长乐雷达站多普勒雷达的径向速度场v 2 6 回波资料( 图2 4 ) 可以看出与 强回波带相应的中尺度的辐合线，强对流云团发生在中尺度的辐合线上。1 7 ：2 4 时的速度 场上，2 9 k m 以下零速度线呈“s ”型，中低层为暖平流，负速度区域面积大于正速度区域 面积，西北东南向折向西南方向，表现为东南风与东北风形成的辐合线：4 k m 高度上零速 度线里反“s ”型。说明此高度上有冷平流。冷暖平流交汇带有利于台风的中小尺度对流的 发展，强回波带在冷暖平流交汇处发展起来。而后负区的面积进一步增大，表明低层辐合 加大，1 8 时4 5 分逐渐演变成西北东南向强度达5 5 6 0 d b z 的强回波带。同时，在1 5 度仰 角的径向速度场上发现，强降水发生时，测站区域上空始终维持东南风急流，2 日1 7 ：3 6 正速度极值中心出现了速度模糊，通过人工退模糊可计算出正负速度极值中心为3 9 m s ， 说明在辐合线上存在很强的气流辐合，为该区域强降水提供了充沛的水汽。 此外，在2 日1 9 ：1 5 的径向速度图上。福州长乐南面5 0 k i n 距离圈内的大片径向速度 负速度区内定出现几快小的正速度区，并有明显的零度线环绕，即出现了逆风区。多普勒 径向速度图上，逆风区反映了局部整层抬升或强对流内的上升气流引起的水平动量交换过 程，这种动量交换影响了水平辐散辐合的强弱和分布，造成中尺度垂直环流的形成，有利 于低层水汽的向上输送，这两个反向速度中心构成了一侧为辐合区，另一侧为辐散区的垂 直环流，有利于对流单体的维持、发展。在随后的- - 4 时，逆风区增大，回波带在逆风区 中逐渐发展，并加强形成强回波带。一小时大于1 0 0 m m 的强降水就发生在逆风区出现后 i - 2 小时时段内。可见，逆风区的出现对强降水的发生具有很好的指示意义。 图2 3 2 0 0 5 年1 0 月2 日多普乐雷达组合反射率回波演变图 图2 4 2 0 0 5 年l o 月2 日多普乐雷达径向速度演变图 9 第三章0 5 19 号台风数值模拟及其暴雨强度 和分布的诊断分析 3 1 模式简介 本文采用由p s u n c a r 共同开发的第五代中尺度数值模式m m 5 第三版，简称为m 1 5 v 3 ( f i f t h - g e n e r a t i o np e n ns t a t en c a rm e s o s c a l em o d e lv e r s i o n3 ) ，模式在中尺度模拟 和预报上具有较好的稳定性和较强的模拟能力，而且能提供离分辩率的动力协调资料，有 助于我们认识复杂中尺度的结构及发生和发展物理机制，其优良的性能赢得了世界各国气 象业务部门、科研机构的气象工作者的共同关注，在相关领域得到了广泛应用，在灾害性 天气、台风以及区域气候模拟和预报中取得了成功。 该模式在l i n u x 操作系统上运行，通过p g f 7 7 编译运行。模式采用0 坐标，适合预报 中尺度天气系统和区域尺度大气环流。它主要特点为： ( 1 )既有静力又有非静力的动力框架； ( 2 )具有云物理边界层等多种物理过程i ( 3 ) 具有多重网格嵌套能力； ( 4 ) 有资料四维同化的能力； 除主模式外，模式系统还包括几个辅助模块，这些辅助模块完成前处理和后处理的任 务。其中t e r r a i n 是处理地形和陆面参数的程序，它可以将各种分辨率的地形和陆面参数 资料插值到模式的网格点上。r e g r i d 将一些低分辨率的全球经纬网格分析场资料( 如n c e p 、 e c 娜f 等) 插值到有限区域模式矩行网格上作为第一猜测场。r a w i n s 输入探空资料和地面 资料进行客观情况分析。i n t e r p f 模块将p 面上的值插值到0 面上，形成模式的初始场。 下面介绍螂5 主要技术原理。 3 2 模式基本方程组 对于非流体静力模式，状态函数定义为一个定常参考态与微扰动量之和： 1 0 p ，y ，z ，r ) = p o ( z ) + p 讧，y ，z ，t ) 非静力垂直盯坐标定义为：盯：芝旺丑；旦止尝 p l p tp 式中p ，、p 。分别代表参考态的地面气压和模式顶气压。 水平动量方程为； 詈+ 吉( 篆一三誓翻= - v v u + p 少一跏+ 伪 a 。p i 盘缸a 盯 ” 詈+ p 1 ( 誓一手等必a a - = 彤聊咖+ 西a 。i 钞p 旁 垂直动量方程： 警+ 了p o7 9 石8 p + 歹g p p 矿w + g 堕p 三t o 一鲁+ 纠+ 肌 a f pp 8 0y 。 c 。 气压方程： 冬一p o g w + 汐v 畜一 切口矿= - v v p+ 予睁纠 热力学方程： a t 昂= - v v t + 者隆a t 儿印一胁心噜玩 昂 蚂l。q 岛” 平流项可扩展为： y v a ：”丝+ v 丝+ ；丝 缸务8 口 其中，；：一掣w 一三篓“一乓篓， pp靠pe y 散度项可扩展为： v 矿= 鲁一乒誓鲁+ 参一 蕊p 文o o 回 口= 2 q c o s 中 仃印a ，p o g 却 p 旁a 盯p a 仃 o k t a n 8 = - c o s ( i ) 参 ，匆 3 3 模拟方案设计 ( 1 ) 模拟资料采用n c e p 一日四次水平分辨率为1 。x l 。再分析资科作为初估场，再分 析模块采用一天4 次的地面资料和一天两次探空资料。地形数据采用5 r a i n 的地形数据； ( 2 ) 模式中心点为( 2 6 。n ，1 1 9 。e ) ，采用双向反馈两重嵌套网格，母域和子域同中 心，格点数为6 1 x 7 0 ，粗，细网格格距分别为4 5 k i n 和1 5 k i n ； ( 3 ) 模拟时间主要针对台风登陆前后时段，即2 0 0 5 年1 0 月2 日0 8 时2 0 0 5 年1 0 月3 日0 8 时。故初始时间选为2 0 0 5 年1 0 月2 日0 8 时( 本文均采用北京时) ，积分2 4 小 时，积分步长1 2 0 s ，每小时输出一次结果； ( 4 ) 主模块选择方案：模式顶p 。= l o o h p a ，0 面垂直分层共2 3 层；时间差分方案采用 的是时间分裂方案，增加计算效率；侧边界条件采用时变松驰边界条件；动力学过程采用 流体非静力平衡方案；使用3 d 科氏力；大气辐射计算频率为3 0 分钟；不计算云层水汽的 垂直扩散；行星边界层物理过程参数化类型为高分辨率b l a c k a d a r 行星边界层模式；显式 水汽方案选择稳定性降水方案；积云对流为g r e l l 方案等。 本文分析所用资料除说明是粗网格外，其余均采用细网格资料。 3 4 模拟效果检验 3 4 1 降水数值模拟结果分析 图3 12 日0 8 时3 日0 8 时福建降水实况分布( 单位：m m ) 图3 1 为“龙王”台风影响福建主要时段2 日0 8 时3 日0 8 时之间2 4 小时降水实况 分布图。图中可以看出此次台风强降水主要分布在福建沿海地区，尤其是福州地区更是出 现了历史上罕见的强降水，中心2 4 小时最大过程降水超过了3 0 0 m m 。分析相同时段的模拟 降水结果( 图3 2 ) 可以看出，除了模拟的过程降水中心相对于实况略微偏南2 0 公里左右 外，模拟结果降水分布与实况基本相同，在福建福州和宁德东北部的两降水中心也与实况 一致，中心最大降水量细网格的大于3 0 0 m ，这也与实况相当，但粗网格的略小。这说明 m m 5 模式能够很好地模拟出此次“龙王”台风暴雨过程。 ( 单位：m m a ：粗网格b ；细网格) 3 4 2 台风移动路经模拟结果分析 分析台风实况和模拟的移动路经( 图3 3 ) 可以看出，此次台风模拟路径除1 4 ：0 0 2 3 ： 0 0 时较实况偏南并出现打转外，其余时段基本一致，特别是台风登陆点及登陆时间都相当 一致。认真分析模拟过程1 4 ：0 0 2 3 ：0 0 时移动路径偏南并出现打转的原因发现，在模拟 5 h ( 2 日1 3 时) 时，台风中心南侧2 0 0 k i n 左右出现了一闭合涡旋( 图3 4 ) ，随即该涡旋与 台风中心涡旋产生了滕原效应，出现了气旋性的互旋现象，模拟1 1 小时该涡旋与台风中心 涡旋合并消失，这可能就是导致台风中心涡旋偏南并出现打转现象。这与作者”：等应用准 地转正压无辐散模式对双涡的相互作用( 滕原效应) 进行的数值模拟试验结果一致，即在 只考虑相对涡度平流的情况下，双涡的相互作用主要以互旋为主，且随初始距离的减小互 旋更加明显。等强度的双涡在一定初始距离范国内都是做对称地气旋性互旋且对称地分离。 这种现象也是我们今后在台风预报服务过程中值得注意的地方。 图3 4 模拟8 5 0 h p a 等高线图( 单位：位势米a ：模拟5 hb ：模拟g hc ：模拟7 hd ：模拟8 h ) 3 4 3 小结 1 3 从模拟台风产生的降水分布及移动路经分析来看，此次台风模拟是相当成功的。同样， 分析其他气象要素，如流场、速度场、湿度场，温度场等发现模拟与实况都相吻合。下面 章节采用细网格资料从水汽条件、热力条件、不稳定能量、垂直运动等各方面对此次台风 暴雨进行诊断分析。 3 5 物理量场诊断分析 暴雨的发生、发展与大气环境中的一些物理量场发生迅速变化密切相关，妇水汽通量、 涡度、散度、垂直速度等。这些重要的物理量的变化及其分布与暴雨产生时间、位置以及 强度有着密切的关系。通过计算分析相关物理量，并分析其与暴雨产生的关系，让我们能 够进一步了解台风暴雨发生发展的物理机制。本文利用m m 5 模式模拟输出的1 0 月0 2 日0 8 时- i 0 月0 3 日0 8 时高时空分辨率的产品计算了台风影响区域的各种物理量。通过分析其 与台风暴雨的关系，进一步揭示台风暴雨形成的物理机制。 3 5 1 水汽条件分析 ( 1 ) 相对湿度 2 日9 时开始，从广东东部经福建至浙江中南部沿海一带上空8 5 0 1 h o a 就出现一条呈东 北一西南方向，湿度大于9 5 的高湿区，而后在这一高湿区一直维持并缓慢向四周扩展，并 出现大面积的湿度达1 0 0 的饱和区域( 见图3 5 ) 。从过暴雨区的相对湿度垂直剖面图上( 图 3 5b ) 可以看出，暴雨区上空大于9 5 的高湿舌升到4 0 0 h p a 以上，5 0 0 h p a 以下几乎都是 饱和区域。这说明该地区上空中低层水汽条件相当好，为暴雨甚至是大暴雨的产生创造了 良好的条件。 图3 5 模拟1 2 1 1 ( 2 日2 0 时) 时相对湿度分布图 ( 2 ) 水汽通量和水汽通量散度 充足的水汽是产生降水的必要条件，源源不断的水汽来源是强降水发生、发展的前提 条件。要衡量这一条件是否满足台风暴雨的发生，可以通过计算水汽通量和水汽通量散度 1 4 的变化来实现。水汽通量1 是表示水汽输送强度的物理量，单位气压差、单位长度的水汽 通量表达式为：吉l 矿i g 水汽通量散度是指在单位时间里，单位体积内汇合进来或辐散 出去的水汽质量。水平方向的水汽通量教度a 的表达式为： a = v 咕而，= 昙( 言叼) + 参( 吉w ) ， 若a o ，则水汽通量辐散( 水汽因输送出去而减少) ；若a o ，则水汽通量辐合( 水汽因输 送进来而增加) 。 图3 6 模拟1 3 h ( 2 日2 1 时) 水汽通量场 从逐时的过暴雨中心的水汽通量和水气通量垂直剖面图上可以看出，台风暴雨发生过 程，暴雨区上空都维持着比较大的水汽通量，高值区主要分布在中低层。2 1 时高值区中 心移到了福建沿海福州地区上空( 图3 6 ) ，中心最大值达5 0g c m - 1 h p