（气象学专业论文）登陆台风短时暴雨中的中β尺度辐合线研究.pdf

摘要 我国是一个多台风的国家，而浙江省又是我国每年遭受台风灾害最严重的沿 海省份之一为了能深入了解严重影响浙江地区的强台风短时暴雨天气的发生发 展机制以及在发生演变过程中的影响因子，揭示暴雨的地面启动机制，并为精细 化预报提供科学依据，本文利用中尺度数值模式w r f ( w e a t h e rr e a r c hf o r e c a s t ) 对近年来严重影响浙江省的强台风短时暴雨个例进行模拟，结合w r f v a r 三维 变分系统每6 小时一次将常规观测资料、雷达反射率和径向速度资料同化到模式 中，用以改进模拟结果。对比多种方案的模拟结果和实况验证表明，w l 强能够 较好地模拟出台风中尺度短时暴雨过程，对台风路径、台风强度变化和降水的模 拟基本符合实况，能够反映台风实际的演变过程；同化实况资料能在一定程度上 明显改进模拟效果，是提高模拟精度的一种有效途径 利用模式输出的高时空分辨率结果进行诊断分析发现，暴雨发生前低层有气 流的汇合，高层有气流的辐散，有利于上升运动的维持和加强，为暴雨的发生提 供了有利的环境条件；暴雨区的水汽来源为台风东北象限的低空东南风急流，当 急流靠近暴雨区时，能直接将水汽源源不断地输送而来，但当急流距离较远时， 水汽会经由其他气流输送到暴雨区在暴雨发生期间近地面边界层中会出现中 d 尺度强辐合带，同时在实况雷达回波上显示为强回波带，沿着辐合带在下一小 时会出现强降水，雨带的分布、移动和发展随辐合带变化而出现相应变化不同 台风中的中尺度强辐合带的发展高度各不相同，但辐合带上的强辐合中心区域都 分布在近地面和边界层顶之问，辐合在垂直方向上有时会随高度向台风外围方向 倾斜强辐合中心顶部有低空急流，辐合区内有气流汇合上升研究还发现，辐 合在垂直方向上的发展和分布是由辐合在垂直方向上的轴线决定的，辐合带在垂 直方向上沿着这条轴线分布，辐合带的发展高度受垂直轴线高度的影响和制约 辐合的垂直轴线出现在水平风梯度小于1 2x1 0 一s 叫的区域内辐合垂直轴线一 般在近地面开始出现，随后便向上发展在向上发展的过程中，可能会出现向台 风环流外围方向倾斜或水平转向的特点，有时则会基本保持直立状态；有时辐合 垂直轴线到达边界层顶高度后，便会停止发展，而有时则会继续向上发展到对流 层中低层产生辐合垂直轴线的原因主要有两种：一种是由不同方向气流分量之 闻直接相向汇合形成的，另一种是由于同方向气流的风逮递减导致空气质点堆 积，由此产生辐合汇合气流基本都来自台风环流中的低空东南风急流 研究结果还显示，台风短时暴雨的触发机制主要三种情况：一种是“高能舌” 型这种类型的热力能量场由于有弱湿冷空气的侵入，会在暴雨区边界层内出现 向上凸起的相当位温高值区，暖湿空气在辐合的作用下产生上升运动，快速释放 出水汽和能量，触发对流的发生；同时冷空气与下层暖湿空气在边界层内形成“上 冷下暖”的不稳定层结，辐合的形成能触层结中不稳定能量的释放，进一步促进 对流天气的发展另一种是“能量锋”型。这是由于不同属性的较强的干冷和暖 湿气流在暴雨区汇合，产生很高的相当位温梯度，从而在暴雨区出现能量锋区 在能量锋区的驱动作用下，暖湿空气沿着锋面爬升并释放能量和水汽，触发对流 的发生。产生降水后气流冷却下沉达到近地面，一方面加强了地面冷空气，使能 量锋区得到维持；另一方面气流下层后流回到上升区，与上升的暖湿气流构成中 尺度垂直环流圈，并在边界层内形成强辐合，进一步促进气流的上升运动，对对 流运动起到正反馈作用第三种类型是。强迫抬升”型。在这种情况下，边界层 内都是具有高相当位温的暖湿气流，属性单一，层结稳定，虽然蕴含有丰富的水 汽和能量，但是没有外力的作用下，不容易触发对流天气因此，只有当暴雨区 内出现较强的辐合时，才能提供一个强冲击力，使暖湿气流被迫抬升，触发对流 的发生，开始产生降水当气流上升到边幂层以上时，由于产生降水释放出凝结 潜热使该高度上的空气加热，进一步促进了上升运动的发展，同时还与对流层中 层冷空气构成不稳定层结，对对流起到了一个正反馈作用，使降水出现增幅。除 此之外，暴雨区强辐合带上还都对应有强的正相对涡度区，涡度正中心总是分布 在近地面强辐合中心顶部，涡度正值区域的范围不仅覆盖了近地面的辐合区，还 一直向上延伸到了辐散中心所在的高度，为暴雨的持续提供了有利的动力条件 最后，本文总结了台风短时暴雨天气过程的气流结构模型，提取了若干个预 报信患因子，建立了台风短时暴雨预报的初步模型，为这类天气的预报提供了一 些科学的参考依据。 关键词：台风，短时暴雨，中p 尺度辐合带，辐合线的空问分布，数值模拟， 三维同化 h i a b s t r a c t z h e j i a n gp r o v i n c ei so n eo ft h em o s t h i ta r e a sb yt y p h o o ni nc h i n ae v e r yy e a r i n o r d e rt of u r t h e ru n d e r s t a n dt h eo r i g i na n dd e v e l o p m e n to ft h es h o r t - t i m er a i n s t o r m p r o c e s sc a u s e db yl a n d f a l l i n gt y p h o o ni m p a c t i n gz h e j i a n gp r o v i n c es e r i o u s l y , d i s c o v e rt h eg r o u n dt r i g g e rm e c h a n i s mo ft h er a i n s t o r ma n dp r o v i d es o m es c i e n t i f i c r e f e r e n c e sf o rt h er e f i n e ds h o r t - r a n g ef o r e c a s t ，t h ea d v a n c e dr e s e a r c hw r f m o d e l i n g s y s t e mi su s e dt os i m u l a t et h i sk i n do fr a i n s t o r mp r o c e s s e si nr e c e n ty e a r s w i t ht h e w r f v a r3 - da s s i m i l a t i o ns y s t e m ，c o n v e n t i o n a ls u r f a c e ，u p p e ra i rd a t aa n dr a d a r r e f l e c t i v i t ya sw e l la sr a d i a lw i n da r ea s s i m i l a t e di n t ow r fe v e r y6h o u r s r e s u l t s s h o wt h a tt h et y p h o o nt r a c ka n di n t e n s i t yd e v e l o p m e n ta n dp r e c i p i t a t i o na r ew e l l s i m u l a t e db yw r f , a n dt h ea s s i m i l a t i o no fo b s e r v e dd a t ai n t om o d e lc a nt os o m e e x t e n ti m p r o v et h es i m u l a t e dr e s u l t s r e s u l t sr e v e a l st h a tt h e r e sc o n f l u e n ts t r e a mi nt h el o wl e v e la n de f f l u e n ts t r e a m i nt h eu p p e rl e v e lb e f o r et h er a i n s t o r m h a p p e n s ，w h i c hp r o v i d e s f a v o r a b l e e n v i r o n m e n tf o rt h er a i n s t o r m t h ew a t e rv a p o rc o m e sf r o mt h el o w l e v e ls o u t h e a s t j e ts t r e a mt ot h en o r t h e a s to ft y p h o o nc e n t e r w h e nt h ej e ts t r e a mi sc l o s et ot h e r a i n s t o r mz o n e ，t h ew a t e rv a p o rw i l lb et r a n s f e r r e dt h e r ed i r e c t l yb yt h ej e ts t r e a m ， w h i l et h ej e ts t r e a mi sf a ra w a yf r o mt h er a i n s t o r mz o n e ，t h ew a t e rv a p o rw i l lb e t r a n s f e r r e db yo t h e rs t r e a n l s d u r i n gt h er a i n s t o r mp r o c e s s , t h e r e sam e s o p s c a l e c o n v e r g e n c eb e l ta p p e a r i n gw i t h i nt h ep l a n e t a r yb o u n d a r yl a y e rw h i c hc a nb e o b s e r v e db yr a d a r t h e r ew i l lb es t r o n gp r e c i p i t a t i o no c c u r r i n ga l o n gt h ec o n v e r g e n c e b e l ti nt h en e x th o u r t h ed i s t r i b u t i o no fp r e c i p i t a t i o ni ss i m i l a rt ot h ec o n v e r g e n c e b e l t , t r a v e l i n ga n dd e v e l o p i n gw i t ht h ec o n v e r g e n c eb e l t t h ec o n v e r g e n c eb e l t d e v e l o p su p w a r da n di n c l i n e st ot h eo u t s i d eo ft y p h o o n ，b u tt h eh e i g h ti sn o tf i x e d h o w e v e r , t h es t r o n g e s tc o n v e r g e n c ec e n t e ra l w a y sl o c a t e sw i t h i nt h ep l a n e t a r y b o u n d a r yl a y e r o nt h et o po ft h ec o n v e r g e n c ec e n t e r , t h e r e sal o w - l e v e lj e ts t r e a m b e l o wt h e j e ts t r e a m ，t h e r e ss t r e a mc o n f l u xa n d a s c e n ti nt h ec o n v e r g e n c ez o n e t h e v e r t i c a ld i s t r i b u t i o na n dd e v e l o p m e n to fc o n v e r g e n c eb e l ti s u pt o t h ev e r t i c a l c o n v e r g e n c el i n e , w h i c ha p p e a r si nt h ea r e aw i t hh o r i z o n t a lw i n dg r a d i e n tl e s st h a n 1 2 10 一s 一t h ev e r t i c a lc o n v e r g e n c el i n ef i r s ta p p e a r so nt h es u r f a c ea n dt h e n d e v e l o p su p w a r d ，e i t h e rr e m a i n i n gu p r i g h to ri n c l i n i n gt ot h eo u t s i d eo ft y p h o o n s o m e t i m e st h ev e r t i c a lc o n v e r g e n c el i n es t o p sd e v e l o p i n gw h e ni tr e a c h e st h et o po f b o u n d a r yl a y e r , s o m e t i m e si tk e e p sd e v e l o p i n gu p w a r dt o t h em i d d l el e v e lo f t r o p o s p h e r e t h ev e r t i c a lc o n v e r g e n c el i n ei sm a i n l yc a u s e db y t h ed i r e c tc o n f l u e n to f s t r e a m sf r o md i f f e r e n td i r e c t i o n sa n dt h ev e l o c i t yd e g r e s s i o ni nt h es a m es t r e a m t h e s t r e a m sc o m em a i n l yf r o mt h el o w l e v e ls o u t h e a s tj e ts t r e a mt ot h en o r t h e a s to f t y p h o o nc e n t e r t h ea n a l y s i sa l s oi n d i c a t e st h a tt h e r e r e g e n e r a l l yt h r e et y p e so ft r i g g e r m e c h a n i s m so ft h er a i n s t o r m i nt h ef i r s tt y p e ，t h e r e sw e a kc o l dw e ta i ri n t r u d i n gi n t o t h ew a r mw e ta i rz o n ea n dc a u s i n gc o n v e r g e n c e , w h i c hf o r c e st h ew a r mw e ta i rt o a s c e n da n dr e l e a s ev a p o ra n de n e r g yr a p i d l y , a n df i n a l l yt r i g g e rc o n v e c t i o n b e s i d e s ， t h ec o l dw e ta i ra n dt h ew a r mw e ta i rb e l o wm a k et h ea i ru n s t a b l ei nt h ez o n e 9 n e e t h ec o n v e r g e n c ef o r m e d ，i tw i l la l s ol e a du n s t a b l ee n e r g yt or e l e a s ea n di n t e s t i f yt h e r a i n s t o r m i nt h es e c o n dt y p e , t h e r e sas t r o n gc o l dd r ys t r e a mb u t t i n gu pa g a i n s tt h e w a r mw e ts t r e a mi nt h er a i n s t o r mz o n ew h i c hc a u s e sa ne n e r g yf r o n t w h e nt h e c o n v e r g e n c ef o r m s t h ew a r mw e ta i rw i l la s c e n da l o n gt h ef r o n ta n dr e l e a s ev a p o r a n de n e r g yq u i c k l y , w h i c hc a nb r i n ga b o u tc o n v e c t i o n a f t e rt h ep r e c i p i t a t i o n p r o d u c e d , t h ea i rc o o l sd o w na n dd e s c e n d st ot h es u r f a c e , w h i c hs t r e n g t h e n st h e s t r o n gc o l ds t r e a ma n dm a i n t a i n st h ee n e r g yf r o n t t h e nd e s e n d i n ga i rf l o w sb a c kt o t h ea s c e n d i n ga r e aa n dm a k e sc o n f l u e n tw i t ht h ew a r mw e ta i r , c a u s i n gc o n v e r g e n c e a n dv e r t i c a lc i r c u l a t i o n ，w h i c hc o u l di n t e s t i f yt h ea s c e n d i n ga i ra n ds t r e n g t h e n c o n v e c t i o n i nt h et h i r dt y p e , t h es t r u c t u r ei nt h er a i n s t o r mz o n ei ss t a b l ea n da l lt h e a i ri nt h ep l a n e t a r yb o u n d a r yl a y e ra w a r ma n dw e t w h e nc o n v e r g e n c ef o r m s ，i t f o r c e st h ew a r mw e ta i rt oa s c e n d ，w h i c hs t a r t st h ec o n v e c t i o na n dp r e c i p i t a t i o n a f t e r t h ea i ra s c e n d sb e y o n dt h ep l a n e t a r yb o u n d a r yl a y e r , t h el a t e n th e a tr e l e a s e db y s o l i d i f i c a t i o nw a r m st h ea i r , w h i c hi n t e s t i f i e st h ea s c e n d i n gm o v e m e n ta n df o r m s u n s t a b l es t r u c t u r e ，t h e nm a k e st h ep r e c i p i t a t i o ns t r o n g e nb e s i d e s ，t h e r e ss t r o n g p o s i t i v er e l a t i v ev o r t i c i t ya p p e a r i n gi nt h er a i n s t o r mz o n e ，w h i c hw i l lm a k et h e p r e c i p i t a t i o np e r s i s t e n ta n dd e v e l o p i n g v f i n a l l y , t h es t r u c t u r eo fs h o r t - t i m er a i n s t o r mp r o c e s sc a u s e db yl a n d f a l l i n g t y p h o o ni ss u m m a r i z e d ，a n ds o m ef o r e c a s tf a c t o r sa r ee x t r a c t e dt ob u i l daf o r e c a s t m o d e lf o rt h i sk i n do fr a i n s t o r ma n dp r o v i d es o m es c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o rf u t u r e f o r e c a s t k e yw o r d s ：t y p h o o n ，s h o r t - t i m er a i n s t o r m ，m e s o - 1 3 一s c a l ec o n v e r g e n c eb e l t , d i s t r i b u t i o no fc o n v e r g e n c el i n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，3 - da s s i m i l a t i o n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得浙婆太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了日月确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：【撕字日期： 卯7 年了 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解浙婆太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权逝塑太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 黼张c 式舰撇名：诌碗钦 签字日期：帕7 年丁月；1 日签字日期：夕l l ，呷年6 月y - 日 f 致谢 值此论文付梓之际，首先谨向我的导师翟国庆教授表示崇高的敬意和衷心的 感谢! 本学位论文是在翟老师的悉心指导下完成的。在我攻读博士学位期闻，翟 老师在学习，工作和生活上都给予了无微不至的关怀和帮助翟老师严谨而开放 的治学态度、渊博而深邃的学识、敏捷深刻的洞察力和平易近人的长者风范一直 影响和激励着我，并将是我一生最宝贵的精神财富，使我终生受益 衷心感徐世浙院士。一直以来徐院士对我在学业上、工作上的关心和支持， 学生将永远铭记在心徐院士踏实的学术作风、严谨的治学态度和丰富的学术知 识将是我一生学习的榜样 衷心感谢朱建丽老师在我攻读博士学位期间在学习生活上所给予的周到、热 忱的帮助 衷心感沈杭锋博士、尹金方博士以及杨涛硕士、徐亚钦硕士等对我的帮助和 支持，在学习过程中与他们所进行的诸多有益的讨论，使我获益非浅本文的第 2 章内容是在他们的协同合作下完成的同时对所有关心和帮助过我的其他老 师、同学表示诚挚的感谢，谢谢你们与我一起度过这段美好时光 最后，我要特别感谢我的父母以及男友，他们给予我在生活和工作上的理解， 关怀与支持鼓励，远非言语所能表达。一直以来，如果没有他们，我不可能顺利 地完成5 年多的学习，当然也不会有本文的完成谢谢! 周玲丽 2 0 0 9 年4 月3 0 日 于求是园 浙江大学博士论文 一登陆台风短时暴雨中的中d 尺度辐合线研究 1 引言 热带气旋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，总 是伴有狂风暴雨，常给受影响地区造成严重的灾害( 朱乾根等，2 0 0 0 ) 热带气 旋在不同地区有不同名称，在大西洋和东太平洋称为“飓风”，在西太平洋称之 为“台风”( a n t h e sr a ，1 9 8 2 ) 台风灾害是世界上最严重的灾害之一，据统 计全球每年发生8 0 1 0 0 个热带气旋，平均每年造成6 0 7 0 亿美元的经济损失和2 万人死亡( s o u t h e r n ，1 9 7 9 ) 中国是世界上受台风影响最严重的国家之一，平均每年登陆我国的台风约有 7 8 个( 陈联寿等，1 9 7 9 ) 全国约五分之四的省市、自治区可能受到热带气旋 的影响，尤其是从华南到东北长达1 8 万多公里的沿岸地带更常受台风之害，台 风灾害的发生频率和影响程度都居沿海地区各种自然灾害之首( 梁必骐等， 1 9 9 5 ) 其中，台风登陆造成的灾害往往是台风引发的暴雨造成的( 程正泉等， 2 0 0 5 ) 国内外许多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，致使驻马店地区 四座大中型水库、5 8 座小水库在数小时间垮坝溃决，受灾人数超过l 1 0 0 万人， 直接经济损失近百亿元( 丁一汇等，1 9 7 8 ) 世界上2 4 小时降水记录为1 8 7 0 毫 米和3 2 4 0 毫米，发生在印度洋留汪岛锡西劳斯，也是由一次台风引起的( 陶诗 言，1 9 8 0 ) 浙江省地处我国东南沿海，经济发达，人口稠密，受台风灾害的影响程度仅 次于福建和华南沿海省份从1 9 4 9 2 0 0 6 年一共有3 8 个热带气旋在浙江登陆， 平均每年就有0 6 6 个；有3 0 1 个热带气旋影响浙江，平均每年5 3 个( 杨慧娟等， 2 0 0 7 ) 根据对建国以来影响浙江台风的分析，台风带来的最大单站降雨基本都 在l o o m m 以上，其中有3 1 次台风带来最大单站降雨在5 0 0 m m 以上，有3 6 次 最大单站降雨在2 0 0 5 0 0 m m ( 吕振平等，2 0 0 6 ) 例如0 4 1 4 号台风云娜，在乐 清市砩头的最大降雨量达到了9 1 6 m m ，突破浙江省历史实测记录最高值( 余贞 寿等，2 0 0 5 ) 在我国东南沿海受台风影响严重的八个省市中，浙江省是仅次于 广东省每年登陆的台风次数和因台风损失较为严重的省份( 见表1 1 ) ，每年登陆 台风和经济损失集中发生在7 - 9 月，占全年度的8 6 之多( 见图1 1 ) ( 杨慧娟等， 浙江大学博士论文 登陆台风短时暴雨中的中d 尺度辐合线研究 2 0 0 7 ) 。台风带来的强风、暴雨和风暴潮，引发江河洪水，小流域山洪和泥石流， 山体滑坡等灾害，造成房屋倒塌，城镇和农田受淹，交通、电力、通讯中断，以 及人员伤亡，给浙江造成严重灾害损失表1 2 是各年份台风灾害损失情况，虽 然人员伤亡比过去是大大减少了，但经济损失却有逐年增大之势( 吕振平等， 2 0 0 6 ) 表1 1 我国东南沿海各省份标准化的1 9 4 9 2 0 0 2 年均登陆台风次数和年均因台风 损失值和旯值( 杨慧娟等，2 0 0 7 ) 图1 1 浙江省登陆台风次数和因台风损失年内分部( 杨慧娟等，2 0 0 7 ) 带的曲线代表1 9 4 9 - 2 0 0 2 年登陆台风总次数对应右纵坐标( 单位：次) ；带 的曲线代表1 9 8 5 2 0 0 2 年登陆台风造成的经济损失对应左纵坐标( 单位：亿元) ， 横坐标为月 2 浙江大学博_ 士论文蔓陆鱼艘锺时墨堕主堕主曼尽鏖堑全垡堑窒 表1 2 浙江省各年代台风灾害损失情况( 吕振平等，2 0 0 6 ) 年代农田受淹倒塌房屋 死亡人数直接经济损失 ( 万h m 2 )( 万问) ( 人)( 亿元) 合计 年均 合计年均合计年均合计年均 1 9 4 9 - 1 9 5 91 4 6 6 1 3 38 27 4 56 0 5 45 5 070 6 4 1 9 6 0 1 9 6 92 0 7 82 0 83 23 21 3 6 61 3 61 6 1 6 1 9 7 0 1 9 7 99 0 39 01 41 45 6 05 690 9 1 9 8 0 1 9 8 92 6 6 32 6 62 42 41 0 5 41 0 56 36 3 1 9 9 0 1 9 9 93 3 5 63 3 6 3 7 3 72 2 l82 2 25 3 05 3 2 0 0 0 2 0 0 52 3 8 53 9 71 52 52 8 74 76 0 21 0 0 3 台风灾害不仅直接影响经济发展，而且可能产生不利于经济发展的社会效 应，对人民生命财产安全构成严重威胁因此，掌握台风规律，提高防御台风的 应急能力，减轻台风灾害带来的损失具有重要的社会和经济效益随着我国经济 科技实力的不断发展，天气预报虽然已经取得了很大的进步，但是预报极端天气 事件仍然是一个难点目前，我国暴雨预报的准确率只有1 9 , 4 ，美国也不过2 2 我国预报业务能力与对气象服务的需求之间存在着明显的差距，主要表现在预报 的精细化程度不高，特别是中小尺度突发性灾害天气的检测和短时预警业务能力 十分薄弱，暴雨等强天气的定量预报能力不足，远不适应防灾减灾的国家需求； 标志天气预报科技水平核心预报技术的数值预报水平与发达国家的差距巨大，与 发达国家差距超过1 0 年因此，依靠科技进步，加强强对流天气动态预警技术 研究、提高强对流天气防御能力是十分必要的 本文主要以中尺度数值模式为手段，对台风暴雨过程进行模拟，研究其中小 尺度特征和发生、发展机制，总结台风中尺度暴雨的预报方法这对提高我国预 报的精细化程度，加强对中小尺度突发性灾害性天气的预报能力具有明确的重要 的现实意义 1 1 台风研究进展 过去十几年来，国内外一直都十分重视对台风的研究工作，开展了许多和台 风有关的科学试验和课题美国和前苏联1 9 9 0 年在西北太平洋发起了代号分别 为t c m 9 0 和t y p h o o n 9 0 的外场科学试验；联合国亚太经社理事会和世界气 浙江大学博士论塞登陆台风短时暴雨中的中p 尽点嗨j 全垡婴童 象组织( e s c a w w m o ) 台风委员会组织了代号为s p e c t r u m 9 0 的外场热带气 旋科学试验( 李江南等，2 0 0 3 ) 我国也在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、业务试验和天气动力学理论的研究”课题，研制了东 海、南海和长江，黄河流域防汛重要地域台风、暴雨灾害天气的监测、预报技术， 使我国台风，暴雨灾害性天气的预报水平有了明显提高( 范永祥，1 9 9 6 ) 九十 年代初在西北太平洋开展了一系列台风外场科学实验，诸如代号分别为t c m ， t y p h o o n 、c a t e x 、s p e c t r u m 等试验的加密观测计划，取得了台风内部、 环境、大气、海洋的详细加密观测资料，从而推动了台风异常运动的研究( c h e n ， 1 9 9 2 ) 2 0 0 2 年我国启动了社会公益研究专项资金项目一一“我国登陆台风灾害 的监测及预报技术研究”( 科技部台风项目办公室，2 0 0 2 ) ；2 0 0 2 2 0 0 4 年问开展 了c l a t e x 外场科学试验以获取到多种加密观测资料( c h e ne ta 1 ，2 0 0 4 a ) 这些 都推动了我国对台风暴雨的研究，近年来许多气象学者的工作取得了宝贵的成 果 1 1 1 螺旋雨带的研究进展 螺旋云带是台风云墙区外到台风外缘的区域，是台风中的一个中尺度系统， 常引起强烈的垂直上升运动和大量的凝结潜热释放( 罗保华等，2 0 0 5 ) 在螺旋 云带中存在一个个m c s 中尺度暴雨云团，产生的暴雨就是螺旋云带暴雨 早在1 9 4 5 年就有学者通过雷达探测发现了螺旋雨带，提出热带气旋降水中 存在有几条清楚的螺旋雨带，而并非均匀的降水( m a y n a r d ，1 9 4 5 ) a n t h e s ( 1 9 8 2 ) 和e l s b e n y ( 1 9 9 4 ) 较全面地提出了几种对螺旋雨带的可能解释，包括涡旋r o s s b y 波说和重力惯性波说当时的学者相比之下更倾向于用重力惯性波说来解释，但 重力波说具有缺陷，其理论传播速度远比实际螺旋带的径向移速要快( 余志豪， 2 0 0 2 ) 因此，以m o m g o m e d ，( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 为代表的一些气象学家认为应该重 新从m a c d a n a l d ( 1 9 6 8 ) 在2 0 世纪6 0 年代提出的类r o s s b y 波说中来寻找合理 的解释，并提出涡旋l b s s b y 波的概念 随着1 9 8 2 年以后的机载多普勒雷达在台风观测中的广泛应用，成熟台风带 的三维结构和环境特征逐渐被揭示研究显示，在沿着横切螺旋雨带的剖面上， 4 浙江大学博士论文 登陆台风短时暴雨中的中d 尺度辐合线研究 低层2 3 5 k m 高度以下主要为沿台风径向的入流气流，最大风速出现在雨带位 置，并且具有高相当位温当气流进入到雨区所在位置后，发生辐合上升，转而 变为低相当位温的倾斜向外的气流流出雨带在雷达上距离台风中心7 0 8 5 k i n 处 的螺旋雨带区内低层4 5 k m 高度以下有强烈的对流活动，不断有对流单体生成 发展起来；而在此高度以上及雨g - ；, b 侧区域则没有明显的对流单体结构出现，主 要为层状云结结构这说明雨带中的气流结构呈准二维特征，气流变化主要出在 跨雨带方向上，而延雨带轴的变化很小雨带内对流单体通常在雨带上游生成， 在往下风处移动后逐渐消散，并在下游区形成层状降水区域，因此雨带外侧为层 状云降水区并伴有亮带结构( b a r n e se ta 1 ，1 9 8 3 ，1 9 8 6 ，1 9 9 1 ，1 9 9 5 ；m a r ke ta 1 ， 19 8 4 ；p o w e l l ，19 9 0 a , 19 9 0 b ；r y a ne ta 1 ，19 9 2 ) 近年来，我国国内也有学者对台风螺旋雨带进行了一些研究 黄克慧( 2 0 0 6 ) 利用雷达回波对“云娜”台风的螺旋雨带进行分析发现，螺 旋雨带是造成台风后部强降水天气的直接原因王勇和丁治英( 2 0 0 8 ) 对0 5 0 5 号台风“海棠”登陆前后螺旋雨带的结构及特征进行了模拟和诊断分析，结果表 明暴雨的产生与涡旋r o s s b y 波激发的螺旋雨带有关，这条雨带和8 5 0 h p a 正涡度 带有很好的对应关系，降水强度大，辐合层次低，处在温度和切向风梯度最大处 朱佩君等( 2 0 0 5 ) 通过数值模拟手段，对0 2 1 2 号“北冕”台风的螺旋雨带结构 进行了研究，分析了各种物理量和螺旋雨带之间的关系和配置，发现最强的正涡 度区正好就是最大的雨水含量区，并且对应着强上升运动和强风速带；低层中等 相当位温线呈直立状态，它所构成的管状区和螺旋雨带狭窄的正涡度柱对应得很 好；螺旋雨带外侧相当位温随高度明显降低，为不稳定层结；螺旋雨带内侧相当 位温均匀，为中性大气层结；造成螺旋雨带辐合的是l k m 以下的行星边界层中 外侧的东南气流分量和内侧的西北气流分量为了进一步了解台风内中尺度螺旋 雨带及嵌在其中的深对流带的结构和传播特征，陆汉城等人( 2 0 0 4 ) 将模式资料 进行反演，再现了螺旋雨带的结构，分析发现在台风切向风中顺时针向外传播的 曳式螺旋雨带的径向宽度为数十公里，螺旋雨带之间单个间隔约为l o 一5 0 k m ；切 向流中螺旋雨带的长度为l o o k m 左右，雨带中还镶嵌着深对流单体骆荣宗 ( 1 9 9 7 ) 认为当螺旋雨带的对流单体一旦到达地面则是以径向向外传播和准静止 为主，它可能是地形作用和螺旋雨带前沿中尺度扰动激发新对流云产生发展，新 浙江大学博士论文 登陆台风短时暴雨中的中b 尺度辐合线研究 日对流云生消的更替结果 1 1 2 台风暴雨过程中的中尺度对流系统研究进展 热带气旋中经常会出现局地性强烈天气，在小范围地区内出现狂风暴雨，酿 成灾害，他们的范围一般最大不超过2 0 0 3 0 0 k i n ，最小的只有几十米，是热带气 旋内的中小尺度系统( 陈联寿等，1 9 7 9 ) 中尺度对流系统生命史较短，只有数 小时或十几小时中尺度对流系统( m c s ) 是我国暴雨产生最主要的系统之一 ( z h a ie ta 1 ，2 0 0 7 ) 一直以来，国内外对中尺度对流系统的研究工作都非常关注， 随着观测手段和数值模式的不断改进完善，对暴雨中的中尺度对流系统的发生、 发展机理的研究也不断地深入，取得了很多新的成果 a n t h e s 等人( 1 9 8 2 ) 曾利用大尺度天气资料作数值模拟，得到了一些中尺度 系统，这说明大尺度大气内部存在着能激发起某些中尺度系统的源观测和研究 ( p a r r i s he ta 1 ，1 9 8 2 ；d o d g ec ta 1 ，2 0 0 0 ) 也发现，热带气旋环流中有明显的中尺 度天气系统活动 我国国内也已经有不少学者对台风中的中尺度系统进行了研究，发现中尺度 系统和暴雨有着密切的联系林爱兰等( 2 0 0 4 ) 的研究发现热带气旋强降水在时 问和空间上都具有中尺度特征徐远波等人( 2 0 0 8 ) 发现，台风暴雨发生前存在 较为明显的中尺度露点锋和地面中尺度辐合线，卫星云图上有组织的中尺度对流 系统的发生、发展、成熟与消散对强降水临近预报预警有着重要的指示作用李 江南等人( 2 0 0 5 ) 通过滤波的方法提取出环境场中的中小尺度信息，发现暴雨发 生时高低空都有明显的中尺度特征，并且与暴雨中心有着非常好的对应关系 研究还发现，中尺度对流系统不仅和暴雨对应出现，而且还是直接导致暴雨 的原因孙建华等人( 2 0 0 6 ) 对9 6 0 8 号台风在河北和山西引发的特大暴雨过程 进行了分析和模拟研究，发现台风在登陆北上的过程中少见地受到了华北高压的 阻挡而停滞，高压南侧的偏东风引导弱冷空气入侵至台风倒槽外围，在倒槽内发 生发展出的两个中尺度对流云团是造成暴雨的直接影响系统；在对流的发展过程 中，中尺度对流云团在低层有来自偏南风急流的入流，高层出流向东北方向形成 中尺度急流中心，高低空急流的相互配合对对流的发展起到了重要作用而李志 6 浙江大学博士论文 登陆台风短时暴雨中的中b 尺度辐合线研究 楠等( 2 0 0 0 ) 对这场大暴雨过程进行分析，则认为在台风外围造成特大暴雨的中 尺度对流云团共有三个游景炎等( 1 9 9 8 ) 又进一步对该暴雨过程中的中尺度对流 云团和地面中尺度系统进行了分析，结果发现造成暴雨的中o 【云团是在低层偏 东干冷气流、中低层南风暖湿急流和副热带高空急流这三支气流的汇合和共同作 用下发生发展起来的，并且中。【云团内的中尺度扰动现象明显，其中有中d 东 风切变线先后3 次出现扰动，中d 低压先后出现2 个以上，强雨团和中d 系统 伴随活动刘伟和张庆红( 2 0 0 4 ) 又利用高分辨率中尺度模式m m 5 成功模拟出 了暴雨中的两个连续发展的中一仅尺度对流系统的演变和结构，并总结出了m c s 的概念模型：登陆台风低压和副高之间的偏南气流是输送水汽的重要条件在低 层1 5 k m 的较大尺度的低空急流l u 中由于气压梯度力的作用产生中尺度扰动 形成中尺度低空急流r o l l j ；m l l j 受中纬度系统影响发生转向，在其左前方产 生强辐合，促使上升运动发展形成m c s 随着m c s 向上发展，在对流层高层受 气压梯度力影响产生中d 尺度的高空急流m u l j 高层m u l j 右后方出现强辐散 区m l l j 所带来的南方暖湿气流直接流入m c s ，大多数气流向对流层上层延伸， 由m u l j 带出低层辐合和高层辐散之间的耦合共同促进了m c s 的进一步发展， 产生强烈的上升运动( 见图1 2 ) 图1 2 台风暴雨m c s 的概念模型( 刘伟等，2 0 0 4 ) 7 浙江大学博士论文 登陆台风短时暴雨中的中6 尺度辐合线研究 1 1 3 地形对台风暴雨影响研究进展 我国幅员辽阔地形多样，在陆地上高原、山岭、平原、丘陵和盆地这五种基 本地形类型均有分布；山区面积占全国总面积的2 3 ，地势西高东低，呈阶梯状 分布。复杂的地形对天气系统有明显的影响，进而对暴雨的形成和