（气象学专业论文）2003年“科罗旺”台风暴雨的数值模拟及诊断分析.pdf

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。 作者签名；革阻 日 期：3 碑：纠 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：卫蛆 日 期：2 竺丑。：兰i 2 0 0 3 年。科罗旺”台风暴雨的数值模拟及诊断分析 摘要 本文首先对0 3 1 2 号台风“科罗旺”的形势场进行分析，发现南海、 孟加拉湾一带对流云团不断流入台风环流，低层水汽辐合、高层水汽辐散 和强烈的上升运动是产生台风暴雨的主要原因。利用卫星云图资料分析了 台风中尺度螺旋云带，揭示了台风暴雨的中尺度特征。通过分析此次过程 的多种物理量，对台风暴雨过程有了比较系统的认识，台风影响过程中存 在着有利于发生暴雨的物理场配置，涡度、散度和垂直速度等物理量与暴 雨的落区都比较吻合。 采用n c e p 全球模式再分析资料，利用中尺度模式m 1 4 5 v 3 对2 0 0 3 年8 月2 4 2 6 日“科罗旺”台风暴雨过程进行了数值模拟。在数值模拟的基 础上，利用数值模拟输出的较密的时空分辨率资料探讨此次台风暴雨过程 发生发展的机理和特征。 q 矢量诊断表明，8 5 0 h p aq 矢量散度场的辐合中心与台风暴雨区对应 较好，并在东北和西南方向有两个辐散中心对应，越接近强降水出现时间， 辐合越强，对应得越好。由于辐合区激发和维持非地转上升运动，辐散区 激发和维持非地转下沉运动，台风暴雨区就出现在两个环流共有的上升气 流区附近。 关键词：台风暴雨，中尺度系统，数值模拟，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 k r o v a n ht y p h o o nh e a v yr a i n f a l li n2 0 0 3 a b s t r a c t a na n a l y s i so ft h em e s o - s c a l ec i r c u l a t i o ni nt h en o 0 3 1 2t y p h o o n k r o v a n hd r o c e s si sm a d ei nt h i sw o r k i ti sr c v e a l e dt h a tc o n v e c t i o n a l c l o u dc l u s t e rf r o ms o u t hc h i n as e aa n dg u l fb e n g a lk e e di n f l o o d i n g c o n t i n u o u s l yi n t ot h et y p h o o nc i r c u l a t i o n ，t h ec o n v e r g e n c eo f t h ev a p o ra tl o w l e v e ra n dt h ed i v e r g e n c eo ft h ev a p o ra th i g hl e v e r ，a n dt h es t r o n gr i s i n g m o v e m e n ta r et h em a i nr e a s o n so ft h eo c , c u r a n c eo ft y p h o o nh e a v yr a i n f a l l b yu s i n go b s e r v a t i o n sf r o mm c t e o r o l o g i 【c a ls a t e l l i t e ，t h em e s o - s c a l es p i r a l b a n d si ss t u d i e da n dt h e nt h em e s o ，s c a l ec h a r a c t e r i s t i c so f t y p h o o nh e a v y r a i n f a l li s d i s c o v e r e d a n a l y z i n gt h ep h y s i c ss t r u c t o r oo fv o r t i c i t y , d i v e r g e n c e ，v e r t i c a lv e l o c i t ye t e i n d i c a t e dt h ep h y s i c sf i e l d sa l ef a v o r a b l ef o r t h eo c c u r a n c ew h e r et h ep h y s i c sv a l u e sa r ew e l la c c o r d i n gt ot h eh e a v y r a i n s t o r n lp o s i t i o n s t h em c s o s c a l en u m e r i c a lm o d e lm m 5 ( v 3 ) i su s e dt os i m u l a t et h e k r o v a n ht y p h o o nh e a v yr a i np r o c e s so n2 4 2 6a u g u s t2 0 0 3 u s i n gt h e m o d e lo u t p u tw i t hh i 吐s p a t i a la n dt e m p o r a lr e s o l u t i o nw es t u d yt h e c h a r a c t e r i s t i ca n dm e c h a n i s mo f t h er a i n f a l li nm o r ed e t a i l i tt u r n so u tt h a tt h ec o n v e r g e n c ec e n t e ro fqv e c t o rd i v e r g e n c ea t 8 5 0 h p ai sf a v o r a b l ef o rt h eo c c u r a n c eo fh e a v yr a i n s t o r m t h e r ea l et o w a c c o r d i n gd i v e r g e n c ec e n t e ri nt h eq v e c t o rd i v e r g e n c ea t8 5 0 h p ai nn e s w d i r e c t i o no ns o u t h e a s t e r nc o a s to f c h i n a n 地s t r o n g e rc o n v e r g e n c e ，t h em o r e c o r r e s p o n d i n gf o rt h eb e g i l i n i n go ft h eh e a v yr a i n f a l l s i n c et h ea g e o s t r o p h i c r i s i n gm o v n x e l l te x c i t a t e d sa n dm a i n t a i n si nt h ec o n v e r g e n c ea r e aa n dt h e a g e o s 订o p h i cs u b s i d i z i n gm o v l t l e n te x c i t a t e d sa n dm a i n t a i n si nt h ed i v e r g e n c e a r e n ，t y p h e o nh e a v yr a i n f a l lo c c u r sn e a rt h es a m eu p d r a f ta r e ao ft h et w o c i r c u l a t i o n 1 1 1 e c h a n g e o f0v e c t o rc a nr e f l e c tt h em o v e m e n ta n d d e v e l o p m e n to fs y n o p t i cs y s t e ma n dt h ep o s i t i o na n di n t e n s i t yo ft h e r a i n s t o r m qv e c t o rd i v e r g e n c ef i e l do nv e r t i c a ls e c t i o np l a n ea l o n gn e s w d i r e c t i o no ns o u t h e a s t e r nc o a s to fc h i n as u b m i tp i e c ef o 册d i s t r i c to f c o n v e r g e n c ea n dd i v e r g e n c e ，h a v er e f l e c t e dm e s o s c a l ec h a r a c t e r 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 ，m e s o s c a l es y s t e m ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d i a g n o s t i ca n a l y s i s 2 第一章引言 中国幅员辽阔，地形复杂，是世界上气象灾害频繁发生的国家，特别 在南方，台风暴雨作为主要的气象灾害，每年都给国民经济和人民生命财 产带来巨大的损失，尤其是国民经济飞速发展的今天，台风暴雨带来的灾 害愈加严重，造成的损失往往不可估量。我国是世界上台风登陆最多、灾 害最重的国家，台风灾害的主要部分往往是台风引发的暴雨造成的，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。 近十几年以来，国内外学者在台风暴雨方面的研究取得了长足的进展 “”，不仅从经验和定性的角度进行物理诊断分析，而且通过各种数值模 拟进行试验，得出了许多有益的结论。数值方法是目前天气预报和天气系 统研究中不可缺少的手段之一，要研究灾害性天气的形成、发展的物理机 制，有必要使用中尺度数值模式进行模拟研究台风暴雨等系统发生、发展 的环境场特征。鉴于目前数值模式的改善和计算条件的不断提高，使我们 有可能用更小网格的数值模拟方式来研究台风暴雨产生的机理，对其发展 机制进行讨论，希望从中得到一些规律性认识或发现一些启示，以便能够 更好地开展实际天气预报业务工作。 台风暴雨主要有三种类型：台风环流本身所造成的暴雨，它主要集 中在眼壁附近的云墙、螺旋云带及辐合带中，降水随台风中心的移动而移 动。台风与中低纬度其它系统相互作用造成的暴雨。例如北方冷空气南 下遇台风倒槽会在台风前方形成另一个暴雨区，又如热带云团卷入台风环 流时会在台风后部形成暴雨。受地形影响，在迎风坡暖湿空气被迫抬升 而形成的暴雨。对台风暴雨的研究离不开分析形成暴雨的三个基本条件， 即水汽条件、垂直动条件和云滴增长的条件，前两个条件属于降水的宏观 过程，主要决定于天气学条件，第3 个条件属于降水的微观过程，主要决 定于云物理条件，由于云滴增长的条件主要决定于云层厚度，而云层的厚 度决定于水汽和垂直运动条件，水汽供应愈充分，则云底高度愈低，上升 运动愈强，则云顶高度愈高，因而云层愈厚，云滴增长愈快，降水量愈大， 因此在预报中只分析水汽条件和垂直运动条件，也即降水产生的天气学条 件。虽然形成暴雨的条件一样，都必须具备充足的水汽输送和强烈的辐合 上升运动，但是每次台风暴雨过程形成的天气形势和影响因素却不尽相 同，台风暴雨落区有很大的随意性，不仅与台风环流结构和其他许多复杂 因素有关，同时还与台风出现的季节和登陆地点有关，这些都是台风暴雨 研究中的重点和难点。 本文的工作分为五大部分：第一部分主要阐述研究台风暴雨的重要 意义和本文着重分析的内容；第二部分对台风暴雨在国内外的研究进展作 一个简要的回顾，然后对台风暴雨进行简单的分类，对各种类别的台风暴 雨进行分析，以期对台风暴雨的研究提供更为细致的气候背景特点；第三 部分对0 3 1 2 号台风“科罗旺”引起的暴雨进行简要的天气形势和诊断分 析研究，初步了解本次台风暴雨的成因；第四部分对0 3 1 2 号台风进行相 应的眦5 数值模拟，通过模拟结果和实况相对比进行深入的分析，以期加 深对台风暴雨形成的认识；第五部分为本文的小结与讨论。 第二章台风暴雨的进展 2 1 国外研究迸展 在过去的十几年，国外连续不断地开展了台风的研究工作。如：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 m - 9 0 和t y p h 0 0 n 一9 0 的外 场试验。联合国亚太经济理事会和世界气象组织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 m - 9 0 的外场台风科学试验。这几个实 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。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“。在对台风暴雨形成的螺旋雨带形成、维持的理论 解释上，国外学者提出了很多新的见解，如a n t h e s 1 3 和e l s b e r r y 3 j 的著 4 书中较全面地提出了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 米秒，它比螺旋云雨带实测 移速只有1 0 0 米秒几乎大一个量级。于是前几年开始，m o n t g o m e r y b “1 等 气象学者又回到3 0 年前m a c d a n a l d ”1 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 刀和z h a n g 8 刊等人通过 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 台风重力惯性内波有密切关系；丽w a n g 1 0 - - 1 2 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。 2 2 国内研究进展 我国学者在过去的十几年内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 lt y p h o o ne 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。这几个实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。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“1 。 国内很多学者研究表明，远距离台风暴雨常和高空急流，台风登陆后 强度维持不衰，西风槽，台风中有倒槽向北伸展1 5 蚓，以及北方有冷 空气南下n 钉等许多物理因子有关，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有重要作用m 1 ”。在高空急流对台风暴雨的影响研 究方面，丁治英等c z o 在不同雨强诊断对比与数值实验研究中发现：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，即使台风较强，造成的降水大部分在2 5 0 n 以南，且强度明显偏弱。 台风与西风槽相互作用可导致远距离台风暴雨的发生。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。在西风槽对 台风暴雨的研究结果表明，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。西风槽强度变化可影响台风暴雨。对9 0 1 2 号台风的数值试验结果表明 池1 ，在初始场上人为加深中纬度的西风槽，可使2 4 小时降水量增幅达3 0 。 对于冷空气，有时台风与西风带系统结合并不明显，但若有小股冷空气配 合同样可以产生暴雨，如9 7 1 l 号台风暴雨1 。冷空气对台风暴雨的产生 主要起到以下三方面的作用心”：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。弱冷空气的入侵，触发了 不稳定能量的释放，对大暴雨的形成起到了关键作用。话南涡对台风暴雨 起到重要的作用，陈忠明等。通过个例诊断分析指出，台风与西南低涡 的相互作用通过向低涡区输送大量的水汽和热量，为涡区内特大暴雨天气 的发生提供水热条件。相互作用对低涡结构的改变，促进低涡东部大气非 平衡运动加剧，其动力强迫激发的辐合和正涡度持续增长，为涡区特大暴 雨的发生提供了动力条件。在不对称结构方面，远距离台风暴雨和台风流 场、热力场的不对称结构也有密切的关系“。对9 2 1 6 号台风分析表明， 台风环流内地面涡度、散度、风场、8 5 0 h p a 流场和温度场均为不对称分布， 特别是温度场表现出明显的西冷东暖的特征，正是这种非对称结构极大的 加强了高层的热成风，加大了低层的辐合，是上升运动加强和产生暴雨的 根本原因之一。暴雨位于台风倒槽的强辐合区和台风北侧的暖平流区。 6 对于台风螺旋雨带，丁治英等通过数值模拟和诊断研究指出乜力，9 2 1 6 号台风暴雨的增幅过程与台风中一a 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，波能量最易加强。 下垫面环境对台风暴雨的作用，下垫面环境对台风暴雨有重要的作 用。山脉地形在一定条件下形成的地形辐合往往是台风低压内部制造中尺 度对流系统的源。开阔的湖面和水库会加剧台风暴雨。台风强暴雨区饱和 的土壤层和积水对台风会产生水汽反馈，反过来加剧该地的暴雨。数值研 究表明啪1 ，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 倍之多。w u 等弛叩通过数值研究认为，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 改善对台风降雨定量的预报。地形的影响主要使对流层低层凝结加热和上 升运动最强，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。 研究台风暴雨系统结构及其发生、发展的机制，数值模拟研究是重 要一种手段。世界各国的中尺度模式和对流模式五花八门，我国许多学者 对天气过程的数值模拟研究都采用了美国p s u n c a r 中尺度模式 ( 咖4 删5 ) ，非静力中尺度模式涮5 有能力再现地面以上大、中尺度环流系 统和热力系统结构，同时删5 能够成功地模拟出复杂大地形条件下台风暴 雨发生、发展及结构演变。吴启树等啪3 对2 0 0 0 年l o 号( 0 0 1 0 号) 台风进行 了数值模拟，试验结果表明福建东部沿海的特殊地形对登陆福建中部沿海 的台风暴雨有着明显的增幅作用。钮学新等”“对0 2 1 6 号台风降水以及其 7 影响降水机制进行数值模拟试验，结果表明：冷空气入侵热带气旋外围可 以大幅度增加热带气旋外围及倒槽的降水，但入侵到热带气旋中心附近的 冷空气使热带气旋强度减弱，造成中心附近降水明显减少，但其外围与倒 槽的降水明显加大；地形作用使迎风坡及降水中心增加雨量，背风坡雨量 减少，从而使降水分布更不对称、更不均匀；大陆及其近海的湿度场对热 带气旋降水有较大的影响。刘伟等捌对1 9 9 6 年8 月3 5 日h e r b 台风进行数 值模拟试验，结果表明，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一a 尺度对流系统的演变和结构，它们与降水量 实况有很好地对应。 2 3 台风暴雨的分类 2 3 1 台风环流暴雨 台风环流暴雨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。出现暴雨的部位每次台风过程都有很大的差异，但一般分为东北 侧暴雨、西南侧暴雨和西侧一西北侧暴雨3 种类型“。台风东北侧暴雨的 ，螺旋云带主要集中在台风的前半部，其降水特点是登陆前暴雨很猛，登陆 后雨势迅速减小。台风西南侧暴雨的螺旋云带主要出现在台风前进方向后 半圆的西南气流中，而前半圆螺旋云带较弱。第3 种暴雨类型的螺旋云带 位于台风的西侧一西北侧，螺旋云带范围很大。台风外围的螺旋云带暴雨 还可能出现在台风的其他部位，台风暴雨的落区有很大的随机性，雨区随 着台风的移动向前扩展，暴雨强弱与台风本身的强度密切相关，还与台风 移动的速度有关，必须根据当时的现场实况进行分析，才能作出比较正确 的降水落区和量级的预测”3 ”。 2 3 2 台风外围暴雨 台风外围暴雨主要发生在台风环流的外围，暴雨落区出现在台风强的 气旋性环流之外或边缘上。暴雨的形成与台风外围云团、台风中有倒槽向 北伸展、西风槽、冷空气南下、台风外围气流和西风带系以及其它系统相 g 互作用等有关。这类暴雨在登陆或移近我国而未登陆的台风中以及台风生 命过程中的早、中、晚期均可出现。 2 3 2 1 台风外围云团暴雨 台风外围云团暴雨是指距台风中心l o o k m 以外或更远地区的云团造 成的暴雨。这种暴雨多出现在台风环流的北侧或南侧，这是因为我国东部 沿海地区海岸线近似南北走向。当台风登陆后在台风环流北侧，高空仍盛 行东到东南气流，海上云团形成后沿偏东气流移动，暴雨出现在台风北侧。 而在台风南侧盛行南到西南气流，云团形成后沿盛行气流向偏北移，暴雨 出现在南侧“。 9 6 0 8 号台风于8 月1 日在福建省登陆后减弱为热带低压，3 日台风低 压中心西北行到达湖北省时，其外围东北方有中尺度对流云团发展，造成 8 月3 日至5 日在河北省谣南部与山西、河南交界处出现特大暴雨，3 天 总雨量超过5 0 0 m 。分析雷达回波和卫星云图3 5 1 发现，这次特大暴雨 是由中一q 尺度云团、中一y 尺度云团和中一b 尺度云团造成的，它们对应 着最大暴雨中心。分析0 0 1 2 号台风暴雨b ”，梅州市从8 月2 3 日下午至 2 6 日普降大到暴雨，局部特大暴雨，全市有3 2 个乡镇降雨量超过2 0 0 m 。 由于2 4 日2 0 时热带低压逐渐减弱为台风槽，台风槽的云系有所减弱，但 南海北部的辐合带强降水云团正在发展，沿槽前往北移。2 3 2 4 日，梅 州处在台风移动方向右侧外围云系的强辐合区，降水强烈。此阶段的暴雨 是由于北移的辐合带与台风槽合并，使台风槽云系重新发展所造成。 2 3 2 2 台风倒槽暴雨 台风倒槽也是形成台风暴雨的一个重要天气系统，倒槽暴雨指受出现 在对流层下部台风倒槽影响而引起的远距离台风暴雨。这种类型的暴雨一 般出现在倒槽附近，而暴雨极值又往往出现在倒槽与西风槽相结合处。李 玉兰。“在7 9 0 7 号台风分析中发现：降水最强处出现在倒槽与西风槽结合 9 处东侧，且冷锋云系与台风相距小于十个纬距时应考虑台风北侧降水增 强，最强雨区位于二者相交处，形成北大南小暴雨带。励申申等汹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，又有中纬系统的斜压性， 因而能产生比台风环流本身大得多的降水。 台风倒槽暴雨形势多种多样，有时降水区呈带状分布，南北很长，东 西很窄，在降水上出现强度不等的多个大暴雨中心：有时降水范围很大， 呈块状，也出现多个暴雨中心。所以在倒槽上的任一部位，都有产生暴雨 的可能。台风倒槽暴雨的形成首先要有形成倒槽的条件，即倒槽后部东南 风低空急流的形成，其次还要有由风速的水平辐合以及气旋性的切变产生 的相对正涡度。倒槽后部东南风低空急流的形成，一般是由台风环流东北 侧副高加强西伸而形成的一支东南气流并向西传播。但是对7 4 2 2 号台风 的研究表明，形成这次台风倒槽的东南急流不是台风本身的环流引起，而 是在远离台风中心的北东北侧，台风环流和副热带高压之间，由风的脉 动引起的；倒槽前的东北风则是由于冷空气南下造成的。冷空气入侵台风 倒槽，使倒槽内垂直上升速度和水汽辐合明显加大，因此降水也明显增多。 丁治英蛐町等研究对9 7 1 1 号台风暴雨的模拟研究指出，2 0 0 h p a 高空急流造 成的动力减压形成的切变风场是台风倒槽形成的主要原因。由以上分析可 见，台风倒槽的形成条件也是比较复杂的。 2 3 3 台风环流与其它系统相互作用下的暴雨 ( 1 ) 高、低空急流作用 罗亚丽等“在研究登陆台风形势下的暴雨时指出，台风暴雨发生时 2 0 0h p a 高空有明显的n e - s w 向高空急流。励申申等“通过合成分析也发 现，台风倒槽引起的暴雨上空3 0 0h p a 为一致的西南风。对远距离台风暴 雨的发生与非纬向高空急流的统计分析”“表明，远距离台风中尺度暴雨 1 0 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；暴 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。 低空急流对台风暴雨的形成也有影响。对0 0 1 2 号台风“派比安”暴 雨分析。指出，8 月3 0 日2 0 时，高空急流位于山东省到我国东北地区， 南北向，略有点顺时针偏转，台风此时正好位于高空偏南风急流入口区的 右侧，说明高空存在着很强的辐散，由于低层辐合，高层辐散的形势，使 得台风在北上过程中强度不减，反而有所加强。随着台风北上，所带来的 偏东低空急流与西风槽槽前的偏南低空急流在山东境内相遇，不仅使得暴 雨区水汽更加充沛，而且也使暴雨区上空的上升运动进一步加强。同时， 与台风配合的暖脊也逐渐向鲁东南靠拢，加强了东移的西风槽槽前的不稳 定能量，最终导致了强降水的发生。 响的分析和数值试验m 1 ，研究指出， 对0 2 1 2 号台风“北冕”后部暴雨影 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。低空急流 加强了最大风速出口区左侧的闽东南沿海低空辐合和高空辐散，形成暴雨 区上空强烈的垂直上升运动，激发对流云团强烈发展和暴雨的发生。弱低 空急流将削弱低层辐合和高层辐散，引起上升运动减弱，从而使降水明显 减弱。登陆台风后部暴雨的预报要特别着眼于低空急流的变化。 ( 2 ) 西风槽的作用 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。数值研究表明，西风 槽强度的变化可使台风2 4 时降水量增幅达3 0 。当西风槽带来的冷空气 侵入台风倒槽时，在台风倒槽中能观测到一系列的暴雨中心。尾随台风的 对流云团在中纬度西风槽的作用下，常在台风中心较远的西风槽前产生强 降水。 ( 3 ) 冷空气的作用 冷空气对台风暴雨的产生主要起到三方面的作用：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也起到了触发作用。发 生在1 9 9 9 年8 月9 日夜间胶南的大暴雨，是在西风带有明显的冷空气东 移影响下产生的。1 1 日0 8 时台风低压到达鲁中山区东南部，此时，第二 次冷空气入侵山东省，在切变线西部的行星边界层形成了一支来自渤海的 东北急流( 水平尺度大于1 0 0 0 k m ，连续三站风速大于1 2 m s 1 ) 与台风低 压东北部的东南暖湿气流相遇，由于鲁中山区地形抬升作用，造成了鲁中 山区东南部的特大暴雨。1 1 日2 0 时台风低压西进到鲁中山区的沂水附近， 其移动方向右侧的东南暖湿气流继续加强北上，又在鲁中山区北部及诸城 形成了大暴雨或特大暴雨。1 l 1 2 日这场大暴雨，冷空气在5 0 0 h p a 以上 比较明显，而中下层仅伴有很弱的负变温，地面无锋区，其势力明显比上 一次弱。弱冷空气与低空东南急流输送来的暖湿空气相互作用，形成了较 强的位势不稳定，使不稳定能量释放，产生强降水。钮学新等研究n 5 1 也指出，适量冷空气侵入台风倒槽和外围，可以加剧动力和热力不稳定， 使冷空气影响到的附近地区降水量增加1 2 倍、甚至更大。 冷空气的活动与对台风暴雨的增幅作用主要是通过以下几种方式形 成矧： 锋面强迫抬升与冷空气的填塞作用。当台风遇到冷空气时，台风 东侧的东南暖湿气流将沿锋面强迫抬升，使锋面上空水汽增加。锋后有偏 北气流南下，加大了锋面附近的垂直运动，促使不稳定能量释放，降水得 到加强。 位势不稳定作用。当台风登陆北上时，往往有倒槽向东伸展，这 时倒槽东侧低层有暖湿的东南气流向倒槽内输送。如遇到北方冷空气南 下，在中上层倒槽西侧有干冷空气进入倒槽上空，不稳定度加大。在一定 的条件下，如该地区具有强的辐合上升运动或地形强迫抬升等，不稳定能 1 2 量释放，在台风倒槽附近产生强烈的暴雨天气。 散度场、涡度场的致力作用。当台风移近我国大陆时，如果大陆 上冷空气南下，在它的前缘，低空往往有一支较强的东北气流，这支东北 气流在热带气旋环流的外围，往往使其强度发展加强为热带风暴或是台 风。同时在热带气旋北部或东北部的东北气流或偏东气流与台风东侧的西 风急流，恰好叠加在台风的北侧，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的2 4 小时内，在台风北部和东北部低空辐合区 内将产生强烈的降水。另外，当高空槽移近台风时，处在强烈加深的高空 槽前的台风，由于正涡度平流的输送，高空又有明显的辐散，台风会有相 应的加强，因而增大了降水强度。 斜压能量作用。当台风北移时，如果有冷空气侵入台风环流西部， 而其东部存在暖空气向北推进，这时，台风的暖性结构逐渐变成西侧冷东 侧暖的“半冷半暖”结构，台风就得到另一种能源一水平力管场斜压位能。 如有暖区空气上升，冷区空气下沉，那么，斜压位能就可释放，这时台风 虽然变性，但强度得到发展，降水相应加强。另外，当台风移入中纬度时， 冷空气侵入台风倒槽中，倒槽附近地区斜压性增强，经常诱生温带气旋， 在新生的温带气旋中产生暴雨。 冷槽改变台风路径和降水分布。有时冷锋云系与台风云系结合并 不显著，但由于高空冷槽东移加深，使副高东撤，己登陆的台风低压转向 东北移动，因而改变了登陆台风的降水分布。如果这个登陆台风及其西部 高空槽在东移过程中又与一个后来登陆的台风相结合，降水强度就更大。 暴雨增幅作用。当中纬度有冷锋云系( 主要是层状云) 南移或在某 地静止少动，这时，如果有台风北上，台风云系( 主要是积状云，如积雨 云) 与锋面云系相叠加时，使降雨量加大。 ( 4 ) 西南涡的影响 个例研究“”指出，台风与西南低涡的相互作用通过向低涡区输送大 量的水汽和热量，为涡区内特大暴雨天气的发生提供了水热条件。相互作 用对低涡结构的改变，促进低涡东部大气非平衡运动加剧，其动力强迫激 发的辐合和正涡度持续增长，为涡区特大暴雨的发生提供了动力条件。 2 4 台风暴雨预报 中尺度模式p s u n c a r 删5 用于登陆台风暴雨的预报有一定成效。尤其 是将大量非常规资料包括像q u i k s c a t 这类遥感资料和雷达资料进行同化 后形成的初值场或使用b o g u s 技术来构造台风涡旋将能明显提高模式的预 报能力。探测技术和遥感资料近年来有显著发展，推动了登陆台风的详细 研究。目前全球开展的登陆台风外场科学试验和研究计划不断涌现，这些 计划的代号主要有t o s t ，c b l a s t ，a t c c i p ，d o t s t a r ，c l a t e x 以及终止的 i t c l p 。这些试验加深了对台风登陆过程中强风背景下台风的边界层特征、 中尺度结构变化、强度变化等机理认识。另外，对台风登陆过程中地形作 用、路径偏折和衰减机制的研究也得到了新的认识。尤其是对登陆台风风 雨预报技术方法研究己见端倪。不久登陆台风暴雨强度和落区预报可能由 这样一些部分组成：足够稠密的卫星、d o p p l e r 雷达等遥感资料和常规高 空地面自动站资料，经过先进同化技术处理，输入到嵌套在全球或半球模 式中的高分辨中尺度有限区具有先进物理过程( 含详细地形) 的模式中运 行给出预报结果。也可能采用集合( e n s e m b l e ) 预报途径来产生预报结果， 预报准确率可望有显著提高。 2 5 小结 台风暴雨是我国多发的一种强烈天气现象，尤其是在后汛期( 7 9 月) ，时常会给我国沿海地区，甚至靠近沿海的内陆省份带来严重的洪涝、 强风和泥石流等灾害。它主要出现在登陆或移近我国的台风中，暴雨的强 度和落区不仅与台风本身环流有关外，还与周围其它天气系统及下垫面的 热力状况及地形影响有关。我国华南沿海的台风暴雨每年都有不同程度的 发生，而且给这些地区造成的暴雨灾害是非常严重的。 目前对台风暴雨的研究多是针对台风暴雨个例进行诊断分析及数值 1 4 模拟，近年，登陆台风暴雨的预报技术虽有较大的提高，但仍是业务预报 工作中的一个重点和难点，其发生机制还有待进一步研究。 第三章0 3 1 2 号。科罗旺”台风暴雨过程分析 3 1 0 3 1 2 号台风暴雨概况 0 3 1 2 号台风“科罗旺”于2 0 0 3 年8 月2 0 日2 0 时( 北京时，下同) 在 西太平洋生成，编号时中心位于北纬1 9 0 度，东经1 3 1 4 度，中心强度 1 8 9 9 5 。生成后一路偏南西移，移向与纬度线夹角约1 0 度，穿过菲律宾后， 折向偏北移，移向与纬度线夹角约2 3 度( 见图3 - 1 ) ，2 5 日凌晨( 4 ：1 0 ) 在 海南省文昌 图3 10 3 1 2 号台风“科罗旺”路径图 县登陆，早晨( 6 ：1 5 ) 在广东省徐闻县登陆，晚上( 2 2 ：0 0 ) 在越南北部登 陆( 离中国东兴市3 3 公里处) ，台风中心未进入广西内陆，对广西持续影 响时间约2 9 小时。台风经过的地方，均出现大风和强降水。其中2 5 日 1 6 时1 0 分，中心经过涠洲岛时，气压值为9 6 5 百帕，风力1 2 级，阵风 5 3 米秒，这是广西有台风记录以来，台风大风的历史极值，同时沿海地 区还有1 4 个市县先后出现8 级以上大风。经统计，过程雨量( 4 8 小时) 达 到5 0 毫米以上的测站有2 1 个，其中5 0 9 9 毫米1 3 站，1 0 0 2 4 9 毫米 1 5 以上的测站有7 个，2 5 0 毫米以上的测站有1 个。风灾、雨灾同至，造成 破坏极大。 0 3 1 2 号台风“科罗旺”影响过程的特点是：登陆次数多，先后在海 南、广东、中越边界3 次登陆；登陆时风力大，暴雨强，持续时间长， 来势凶猛，加之又恰逢天文高潮期，致使洪水泛滥：损失巨大，其中海 南、广东、广西三省( 区) 共有6 0 个市县区、9 7 7 万人受灾，直接经济损失 2 4 亿元。 3 2。科罗旺”台风暴雨的天气形势及诊断分析 从5 0 0 h p a 高度场图看( 见图3 - 2 a ) ，本次台风暴雨过程发生在东高 诬低的大尺度环流背景下。8 月2 4 日0 8 时，5 0 0 h p a 层上东亚环流形势较 稳定，中高纬地区维持一槽两脊型阻塞形势，即在乌拉尔山以东和鄂霍茨 克海附近有两脊发展，东侧的鄂霍茨克海阻高相当强大，西侧的乌拉尔阻 高不明显。两脊之间贝加尔湖地区附近是一个宽广的低槽，槽底4 0 。n 5 0 。n 地区有一支较平直的西风，我国中东部地区为副热带高压，由于副 热带高压的位置偏东、偏北，副高脊线一直稳定在3 5 。n 附近，是影响本 次台风暴雨的主要大尺度环流系统。副热带高压的位置和强度阻止了 0 3 1 2 台风“科罗旺”北上，引导其向偏西北方向移动，受台风环流影响， 华南沿海地区，特别是广东和广西沿海以及海南省普降暴雨到大暴雨。二 是它与台风环流间形成了强的偏东南风低空急流，并向暴雨区输送了大量 水汽，使暴雨强度加大。8 5 0 h p a 流场图层上( 见图3 2 b ) ，台风中心附近 为气旋式闭合环流，其东北侧有一支强劲的东南风低空急流，它源源不断 地把水汽和不稳定能量输送到暴雨区，并向台风倒槽输送能量与动量，从 而形成强烈的低空辐合；2 0 0 h p a 流场图层上( 见图3 2 c ) ，台风中心附近 气流呈气旋式向外发散，在台风外围转为反气旋式发散，说明台风系统非 常深厚，对流发展比较旺盛，气旋式环流可以达到很高层次，其上空垂直 上升运动异常猛烈，高空出流明显，这种高低空辐合配置构成十分有利的 暴雨形成和维持形势。 1 6 ( a ) ( b ) 1 7 2 0 0 h p as t r e a m2 0 0 3 0 8 2 4 0 0 ( u t c ) ( c ) 图3 2 ( a ) 8 月2 4 日0 8 时5 0 0 h p a 高度场( 单位：l o g p m ) ( b ) 8 月2 4 日0 8 时8 5 0 h p a 流场 ( c ) 8 月2 4 日0 8 时2 0 0 h p a 流场 3 2 1 水汽分析 在这次过程中，低层来自南海以及北部湾洋面上的水汽不断向台风中 心附近输送，在此产生强烈的辐合，辐合中心水汽通量散度达- 1 4 x1 0 。( s x h p a x c m ) ( 图略) ，这就为台风提供了下暴雨所需的水汽，并使暴雨 得以维持较长时间。热带辐合带在1 8 2 0 0 n 之间摆动，所在区域2 2 日2 0 时后，5 0 0 h p a 以下各层t - l 均小于5 ，特别是2 4 8 2 0 时后，t - t d 大部小 于2 5 ，同时风速、风向满足水汽辐合条件，十分有利强降水的发生。 另外热带地区正值季风爆发活跃期，从南海到孟加拉湾先后有活跃的季风 云系北涌( 见图3 - 3 ) ，云系的云顶亮温在一3 0 一5 0 之间，台风经过时与 之相遇，加强了台风的强度，对降水起到显著的增幅的作用。 图3 38 月2 4 日2 0 时南海季风云系 3 2 2 涡度及散度场分析 通过分析台风中心附近的各层次涡度场分析，同样可以看到台风系 统的深厚性，从2 4 日2 0 时到2 5 日2 0 时，从低层8 5 0 h p a 到高层5 0 0 h p a ， 台风中心附近都是正涡度区，说明台风中心附近存在强烈的辐合上升运 动。在5 0 0 h p a ，2 4 日2 0 时正涡度中心在海南省东部海面上，到了2 5 日 0 8 时台风进入北部湾后，正涡度中心迅速移到雷州半岛，中心涡度值达 到6 0 i 0 。s1 ，这表明0 3 1 2 号台风“科罗旺”进入北部湾后仍保持较 大的强度，系统的能量还很强大，在辐合区附近，即广西沿海出现大范围 强降水天气。2 5 日2 0 时，5 0 0 h p a 正涡度中心向西北方向移动，中心值逐 渐减小，台风系统也明显减弱。 1 9 ( a ) 5 0 0 h p av o r 2 0 0 3 0 8 2 512 ( u t c ) 图3 4 ( a ) 8 月2 4 日2 0 时5 0 0 h p a 涡度场( 单位：l o - s s - 1 ) ( b ) 8 月2 5 日0 8 时5 0 0 h p a 涡度场( 单位：l o - s s q ) ( c ) 8 月2 5 日2 0 时5 0 0 h p a 涡度场( 单位：l o - s s - 1 ) 分析低层到高层的散度场，发现低层( 7 0 0 h p a 以下) 、高层( 2 5 0 i 0 0 h p a ) 有强烈辐合、辐散。对8 月2 5 8 0 8 时2 5 0 h p a 散度场分析( 见图3 5 ) ， 得知：2 5 8 0 8 时在海南、广东、广西以及华南西部地区上空出现明显的辐 散区，强辐散中心在海南的北部到广东的南部，其值达2 1 0 。s1 。此后 强辐散区向西北方向移动，一直维持到2 6 日0 8 时。这一强辐散区的存在无 疑对暴雨区上空产生强烈的对流上升运动起了巨大的作用。 2 1 图3 - 58 月2 5 日0 8 时2 5 0 h p a 散度场( 单位：1 0 。s1 ) 3 3q 矢量分析 h o s k i n s 等在1 9 7 8 年提出准地转垂直运动可以由q 矢量散度来诊断 h ”，从此人们对q 矢量的认识进入了一个新阶段。2 0 世纪8 0 年代后期，q 矢量不但在实际业务工作中得到了广泛的应用，而且在理论上得到不断完 善与发展。半地转、非地转q 矢量概念的提出，使人们在绝热前提下对q 矢量的理论研究工作达到相当高的水平。q 矢量不仅可以给出上升和下沉 运动区，而且以矢量形式给出水平非地转运动场，还可以指示锋面环流的 强度，是描述系统发展的一个很好的物理量。q 矢量分析方法不仅避免了 传统。方程的缺点，而且物理意义明确，被广泛应用于强降水诊断分析 枷。但是利用q 矢量分析方法诊断台风暴雨还