台风“海葵”的黄山山脉地形降水增幅机制(刘裕禄黄山市气象台).doc

论文编号：2013-37台风“海葵”的黄山山脉地形降水增幅机制 刘裕禄 黄山市气象台，黄山,245021 摘 要应用安徽省中尺度地面自动站资料，插值精度0.010.01,计算了黄山山脉地形高度抬升和地形摩擦垂直速度，分析了二者在地形降水增幅过程中作用，并用实况降雨量反演了强降水时段内整层平均垂直速度。发现：“海葵”降水的最大增量在玉屏峰是因其地面垂直速度和整层平均垂直速度都处最大值中心，山脉迎风坡存在缓慢抬升引发层云降水和强迫抬升引发中尺度积云对流降水是地形降水增幅机制，地形降水增量是地形缓慢抬升和强迫抬升与风场水汽辐合相作用的产物。另外，还对地形降水增量进行了有效估算。关键词： 黄山山脉 降水增幅 地形抬升The amplification mechanism of Huangshan mountians topographic precipitation of typhoon HaikuiLiu Yulu Huangshan Meteorology Observatory, Huangshan,245021 Mesoscale automatic weather station data of Anhui province,the interpolation accuracy of which is 0.010.01, were employed to compute the vertical velocity of topographic lifting and friction of Huangshan mountains, and to analyse their influence in the process of topographic precipitation amplification. The practical rainfall was used to inverse the average vertical velocity of total atmosphere in heavy rain. The result showed that Haikui rainfall maximum is at Yupin Peak because both its surface vertical velocity and the average vertical velocity of total atmosphere are at the centre of maximum. The amplification mechanism of topographic precipitation is stratus cloud rainfall caused by slow lifting at windward slope and mesoscale cumulus cloud convection rainfall cause by compulsivity lifting .The topographic precipitation increment is the offspring of the interaction between topographic slow lifting, compulsivity lifting and vapor convergence of wind field. Besides, the topographic precipitation increment was also effectively evaluated.Keyword: Huangshan mountains; precipitation amplification; topographic lifting引言1211号台风“海葵”于2012年8月3日08时(北京时间)在台湾以东洋面(140.7oE,23.2oN)生成,于6日17时在台湾东部海域发展成台风。7日14时发展成为强台风，8日4时在福建登陆后减弱成台风, 8日20时进入安徽境内减弱成强热带风暴，并继续向西北方向移动，然后在安徽境内停留2天以上,9日14时在安徽西南部继续减弱成热带低压（图1）。8月7日下午开始影响黄山市，到11日白天影响结束，历时5天，时间长、风力强、降雨强度大属历史罕见。黄山市平均降雨量267.6mm，全市超过100mm以上降水有171个站点，占全市总面积99%，其中超过250mm以上降水有71个，占全市面积的39%。相比周围区域，实际上“海葵”对黄山山脉影响特别显著，山脉不但出现了强降水,最高峰光明顶8日12到13时还出现了12级大风。黄山山脉位于皖南山区的黄山市中部，呈东北-西南向分布，主峰光明顶海拔高度1840m。黄山山脉是长江中下游具有代表性的多雨区和暴雨中心1，光明顶年平均降雨量达2394mm，比周边的山下多30%，降水具有明显地形增幅,台风是典型的降水增幅系统,雨量一般是周围山下的2到3倍。地形降水增幅与地形降水机制相关，关于地形降水机制，许多专家和学者作了相应的分析，李子良2研究结果表明，地形降水是水汽、气流和地形相互作用而形成的，山脉地形降水主要发生在山脉的迎风坡, 表现出典型的迎风降水和背风雨影特征；廖菲3进一步分析地形降水有平缓抬升、强迫抬升、日对流、撒播云-受播云双层云降水4种机制。以上只是定性分析了地形降水增幅机制，其实，预报实际工作中不但需定性分析地形降水增幅机制，更需定量诊断台风增量大小。图1 台风“海葵”移动路径 1 地形降水量增幅实况分析 分析黄山市173个有效地面自动站雨量资料，7日14时到11日14时“海葵”影响过程，雨量分布与山脉位置分布相同，也与年降雨量分布一致，为东北-西南向带状分布，说明雨量与地形分布相关。如图2a，累积降雨量大于300mm的降水分布在黄山山脉海拔800m以上区域内，小于200mm降水都分布在海拔600m以下区域。可见降水与地形高度有关，海拔高，雨量大，地形降水存在增幅现象。图2b是山脉及其附近雨量图，雨量大于700mm站点有玉屏峰(118.17E,30.12N)、大峡谷(118.15E,30.14N)和北海(118.17E,30.14N)，其海拔高度在1600m左右，最大雨量站点出现在玉屏峰，降雨量为756.6mm，而主峰海拔1840m光明顶（118.17E,30.13N)降雨量只有569.5mm，说明此次台风“海葵”最大的地形降水增幅不在山脉峰顶。(a) (b)图2 7日14时11日14日降雨量(单位:mm)及地形高度（阴影部分，下同，单位：m）（a：黄山市降雨量，b: 黄山山脉降雨量）2 地形降水增幅机制2.1 资料和方法通常地形降水增加发生在山脉的迎风面。的确在一些气候条件下, 这种关联是十分可信的, 以致使山脉四周的降水可以作为区域风向的粗略标志4。地形对大气环流和天气气候的影响主要有两方面作用，一是动力作用，二是热力作用，其中动力作用又可分为动力阻挡作用和摩擦作用5。引起动力上升运动的因子有多种，本文考察的是地形降水增幅作用，故这里只考虑地形高度和边界层摩擦引起的抬升速度两方面。地表面的地形抬升速度可由下列公式计算： （1） （2）+ （3）式（1）为地表面的地形抬升速度，h、分别为地形高度、地面风场和地面空气密度。式（2）为边界层摩擦上升速度、是摩擦系数、分别为地面涡度和温度。所以可理解为因水汽向上垂直输送的地形降水增幅量6，q为地表面比湿。黄山的地形高度数据则由1:50000地理信息数据转化而成；计算地形高度、摩擦上升速度及比湿所用风场、相对湿度、气压、气温资料以及降水资料都来源于安徽省中尺度地面自动站,用临近插值法插值到格点，精度0.010.01。2.2 地表面垂直速度与降水增幅关系受台风“海葵”影响,山脉7日开始降水，8日出现了最强降水。玉屏峰日降雨量达319.5mm,如图3a所示，在8日白天,有5个时次出现大于30mm强降水，13时玉屏峰1小时降水就达45mm（图3b）。计算8日13时地形高度抬升速度，如图3c可以看出：首先，抬升速度与地形高度有关，地形抬升速度出现在600m以上区域，并且随着高度的升高而增大，最强的地形抬升速度在海拔14001600m区域。其次，抬升速度还与风场有关，大都出现在迎风坡上，风向相同时，抬升速度与风速大小成正相关关系。最大值（-6Pa/s）就出现在海拔1600m玉屏峰附近迎风坡上，此区域出现了1小时40mm以上强降水，从而造成明显降水增幅。尽管此时风速达20m/s，高度1840m主峰光明顶地形高度高，风力大，地形抬升速度却处最大值中心的边缘为-4Pa/s，又因峰顶高度梯度为0，所以，最大降水强度不在而是接近最高峰。需强调，抬升速度大的区域风向一般为偏东或偏西风，基本与山的高度梯度方向垂直。如从地形垂直速度考虑，地形降水增幅明显地方应是在迎风坡，处于风力大、风向水平、高度高的区域。由13时地形摩擦垂直速度（如图3d）知，同样地在玉屏峰有一中心为-3Pa/s上升运动大值区，因为边界层摩擦速度与天气系统地面正涡度大小正相关，而此时最大中心值达到0.01 s-1，如此大的涡度，正是由于迎风波作用，在山坡高处斜坡上使系统气旋性涡度增加，产生中小尺度摩擦上升运动，使降水加大，同时降水的持续时间也增长7。可见台风系统影响下，地形摩擦垂直速度引起的降水增幅作用显著，地形摩擦垂直速度量级的大小与地形高度垂直速度相同，因此可以认为地形高度和摩擦对地形降水增幅的贡献是同等重要的。 (a) (b)(c) (d)图3 a:8日0时到9日0日玉屏峰每小时雨量(单位:mm) b: 8日13时黄山山脉降雨量(单位:mm) c: 8日13时地面风场与地形高度垂直速度（单位:Pa/s） d: 8日13时地形摩擦垂直速度（单位:Pa/s）2.3 水汽条件与地形降水增幅关系通过历史降水资料分析，台风系统对地形降水增幅最大，主要是因为其最大地形降水高度较低，这与台风充足的水汽供应有关。计算各时次地面绝对湿度和比湿，发现：首先，虽然整个黄山地区湿度大，但黄山主峰光明顶与玉屏峰始终为比湿低值中心，是因为地形抬升速度向上衰减缘故，海拔高处比湿反而小。玉屏峰最强降水8日13时比湿为15g/kg，而山下地面最大值达到21g/kg（图4a），但降水强度远小于山脉主峰；其次，玉屏峰最强降水时比湿也并非是最大的，8日21时降水强度减弱，23时降水量只有13mm，但其整个山脉比湿却大于13时比湿，中心最小值玉屏峰为16g/kg。因此，虽然水汽条件在地形增幅作用中起着至关重要作用，这说明单靠本地气柱中现有水汽含量是很难下暴雨的，更何况气柱中所有水汽全部凝结降水落地也是不可能的。在降水区里，空气维持饱和，气柱中水汽含量没有大的变化，蒸发也较少，因此只有水汽通量辐合量与凝结降水量相平衡才合理。预报员在预报强降水时考虑比湿等水汽含量固然重要，但更需要考虑水汽通量辐合动态情况。水汽通量辐合情况用水汽通量散度表示，如图4b所示，玉屏峰13时虽然地面处比湿低值中心，但地面水汽通量散度是最大值中心，中心值为-2010-5g/(cm2hPas)。为了进一步说明把分解成和进行比较，水汽通量散度即由风场辐合项和水汽平流项组成。风场辐合项与水汽通量散度项比值，大部分地区都大于0.8，可见风场辐合占绝对优势，而水平平流贡献很小，单凭水汽水平平流，或延着湿舌的水汽水平平流，不能造成强降水。因此，地形降水增幅最终是水汽的风场辐合引起的。8日13时地面风场上光明顶到玉屏峰出现风场对吹现象，存在明显的风场辐合，引起地面正涡度和地形高度抬升，形成降水增幅。故降水增幅是迎风坡地形抬升运动与系统风场辐合上升运动相互作用的产物8。(a) (b)图4 a:8日13时比湿(单位:g/kg) b: 8日13时水汽通量散度 (单位: g/(cm2hPas)2.4 强迫上升的强对流增幅机制 从大尺度系统降水来说，台风系统在山脉迎风坡缓慢强迫抬升使空气绝热冷却,产生凝结和降水，是层积云降水增幅，但强迫抬升会触发某种不稳定的、额外的凝结和降水，是对流性降水。R.B.Smith早就提出过阻挡和迎风坡抬升激发深厚穿透性对流或对流性气层中条件不稳定降水机制9。上面已分析了迎风坡降水量的增幅现象，强降水总是与强对流相联系的，这两个事实可说明“强迫上升的强对流增幅机制”这一事实。 暴雨和强对流是中尺度系统影响的结果，一般情况下每小时雨量图可以揭示雨团活动，每小时20mm以上降水区域可称作雨团，在暴雨中尺度分析时通常把这种雨团当作中尺度系统考虑。8日玉屏峰站超过20mm以上降水就有7个时次，可能有多个中尺度系统影响。另外，中尺度系统的垂直速度也大，一般在几十厘米到几米/秒（110Pa/s以上）。中尺度垂直速度计算可从公式（4）、（5）实况降水反演得出。 (4) (5)式（4）中I为单位时间内降雨量，qs为饱和比湿，qs0为地面饱和比湿。用实况降水量反演8日13时的整层平均垂直速度值如图5a，雨团区域上升速度都大于0.01hPa/s，并随着海拔升高整层值增大，最大值在玉屏峰而不是最高处光明顶，最强降水也在玉屏峰。玉屏峰中心最大值大于0.07hPa/s,比大尺度系统高出12个量级。取1720时4个降雨最强时次计算其整层平均垂直速度,中心最大值也达到0.07hPa/s（图5b），21时以后随着降雨强度减弱平均垂直速度中心值中有0.01hPa/s，周围值更是小一个量级，说明中尺度系统减弱或移出山脉。天气系统在移过山体时山体附近容易产生对流,导致大范围层状云中出现积状云，山体的高度和宽度常常对地形抬升的对流云发展有着很大的影响,山的高度和坡度愈大,动力抬升作用愈强,则愈有利于强对流的发生发展10。地形大雨常常与位势不稳定有关,位势不稳定常被地形引起的垂直运动或大尺度垂直运动释放出来。为了说明暴雨天气系统不稳定性，图5c是8日13时位温分布，海拔低处位温值大,最大值38，海拔高度越高位温越小，最高处光明顶为低值中心，只有29，说明0，由此知，强迫抬升引起不稳定强对流是地形暴雨增幅机制。3 地形降雨增幅量估算国内外许多专家提出地形雨是先行雨带与后来雨带迭加论点，山脉对降水的作用是由于造成风场的变形,然后从上游一次次云雨带并入这一变形带的结果。黄玲琳11对9015号台风在湖州地形降水增幅量进行了实践应用，局限在于假定降水系统某段较长时间内无变化。大多数预报员认为山区实际降水量是系统降水量与地形对气流抬升作用造成的地形雨量(G)的迭加（R=+G）。如果某段时间内能保持足够的水汽供应，并且地面水汽全部抬升凝结形成雨，可用凝结函数法或水汽辐合法作为增幅降水率计算增幅降水量。由于地面资料限制，在此采用水汽辐合计算地形降水增量。如图5d为8日13时地形降雨增量，玉屏峰1小时降雨增量有30mm，但显然某些区域计算增量过大。由于地形增幅作用的机理相当复杂, 计算有赖于地形强迫出的垂直速度及其垂直分布，垂直速度计算结果是个是个概约数，地形降雨增幅的量级对于实际预报工作是有指导意义的。 (a) (b)(c) (d)图5 a:8日13时的整层平均垂直速度(单位: Pa/s) b: 8日1720时的整层平均垂直速度(单位: hPa/s) c: 8日13时位温值分布（单位:） d: 8日13时地形降水增幅量（单位:mm） 4 结论与讨论本文从地形高度垂直速度、地形摩擦垂直速度与台风系统关系等方面对黄山山脉地形的降雨增幅机制作了探讨，得出如下结论：1）台风引起山脉降水增幅主要是地形高度抬升速度和边界层摩擦垂直速度贡献结果，因台风系统与地形抬升运动造成了非常强的中小尺度降水系统（为10-2hPa/s量级，为10-2s-1量级）影响，二者同等重要。2）迎风坡缓慢抬升引起层积云降水和强迫抬升触发不稳定中尺度积云对流性降水是此次台风增幅机制。但二者都是和风场水汽辐合、天气系统共同作用的产物。3）对地形降水的增量进行了计算，有的地区大致与实际相当，有的地区明显过大。由于地形降水复杂，对增量的定值计算也只是估算，其量级大小对于预报具有指导意义。这里所说的地形对降水增幅作用，只是考虑了动力阻挡和摩擦作用，没有考虑热力作用。热力作用是地形所引起通过潜热释放的作用可以使中、高层