暴雨動力機制與數(shù)值試驗探析范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了暴雨動力機制與數(shù)值試驗探析參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：

利用常規(guī)氣象資料、區(qū)域自動站資料和1°×1°的NCEP再分析資料，對1209“蘇拉”臺風(fēng)后部暴雨的動力機制進行分析，并用WRF模式進行地形模擬數(shù)值試驗，結(jié)果表明：“蘇拉”后部暴雨具有明顯的中尺度特征，低層流場的匯合促進暴雨區(qū)上升運動的發(fā)展，超低空偏南風(fēng)急流為暴雨區(qū)提供充足的水汽條件，急流在強降水發(fā)生前增強北推；陸地摩擦使近岸一帶生成風(fēng)速輻合線（岸風(fēng)鋒）是觸發(fā)暴雨的中尺度系統(tǒng)，其強弱對暴雨強度有直接影響。

關(guān)鍵詞：

暴雨；動力機制；數(shù)值試驗；風(fēng)速輻合

引言

研究表明，熱帶氣旋登陸后造成的暴雨往往與西南季風(fēng)、地形等因素有關(guān)［1－2］，并且離不開中尺度系統(tǒng)的活動［3－6］。后部暴雨是福建臺風(fēng)登陸后暴雨的一種類型，位于臺風(fēng)路徑的反方向，主要發(fā)生在臺風(fēng)中心東側(cè)暖式切變與西南風(fēng)急流的配合之下［7］，后部暴雨常由中尺度系統(tǒng)造成，局地性、隱蔽性較強，其引發(fā)的山洪、地質(zhì)災(zāi)害危害極大。已有很多專家對臺風(fēng)后部暴雨作深入研究。劉愛鳴等分析了0212號臺風(fēng)“北冕”造成福建大暴雨過程的環(huán)流形勢和物理量場特征，并通過中尺度模式（MM5）模擬，分析低空急流強度變化對暴雨落區(qū)及強度的影響［8］；朱艷萍對福建省臺風(fēng)后部暴雨作了氣候特征分析和物理量診斷研究，總結(jié)了此類暴雨的環(huán)流背景以及動力場、熱力場特征，并得出了一些判據(jù)指標(biāo)［9］；林毅等對9608臺風(fēng)外圍對流云團造成閩南暴雨的成因作深入分析，指出了中尺度對流云團發(fā)生發(fā)展的有利條件，并分析了干舌卷入、地面中小尺度輻合系統(tǒng)、地面中尺度能量鋒區(qū)以及地形作用對暴雨的影響［10］。這些研究為臺風(fēng)后部暴雨預(yù)報提供了很好的思路。2012年9號臺風(fēng)“蘇拉”于8月3日06：50在福鼎秦嶼再次登陸，本文主要針對閩東北地區(qū)這一次臺風(fēng)后部暴雨過程的特點進行分析，通過天氣學(xué)分析、物理量診斷以及WRF數(shù)值模擬等手段，揭示觸發(fā)暴雨的中尺度系統(tǒng)以及強降水發(fā)生發(fā)展的有利因素，對臺風(fēng)后部暴雨的落區(qū)與強度預(yù)報有一定的參考意義。

1后部暴雨時空分布的中尺度特征

圖1a為“蘇拉”臺風(fēng)路徑，本次暴雨過程發(fā)生在臺風(fēng)中心進入江西境內(nèi)以后，發(fā)生在臺風(fēng)的東側(cè)外圍、遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心的福建東北部沿海（寧德市），暴雨中心離臺風(fēng)低壓中心距離超過300km，強雨帶成西北東南向（圖1b）。從逐時雨量的空間分布（圖略）可以看出強降水從近海發(fā)展起來并向西北方向移動，最強降水出現(xiàn)在柘榮站（119．9°E，27．2°N），從2012年8月3日20：00至4日08：00柘榮站的逐時雨量（圖1c）看，強降水集中在4日02：00—04：00，最大雨強為51．7mm／h，3h最大降水達(dá)136．7mm，05：00后降水明顯減弱。本次后部暴雨過程的空間尺度不足300km，強降水持續(xù)時間僅3～4h，時空分布具有明顯的中尺度特征。從測站風(fēng)場資料看，強降水發(fā)生前東南風(fēng)有明顯增強，達(dá)到18m／s，是強降水發(fā)生發(fā)展的一個明顯征兆。

2低層流場匯合處有很強的上升運動

2．1環(huán)流背景特征分析

圖2a、圖2c分別是2012年8月3日20：00和4日02：00500hPa形勢場，從中可見，西風(fēng)槽位置偏北，副熱帶高壓（簡稱副高，下同）592中心偏北偏東，584線西伸至90°E附近，在臺風(fēng)北側(cè)形成穩(wěn)定的帶狀高壓帶，使臺風(fēng)登陸后向偏西方向移動。與此同時此帶狀高壓帶的584線向西南方向南落，在一定程度上阻礙了“蘇拉”的西行，使得“蘇拉”移速緩慢、環(huán)流維持，4日02：00500hPa臺風(fēng)低壓中心仍滯留在福建西部。中低空流場對暴雨的形成具有重要作用，低層氣流的匯合處不僅有利水汽的堆積，而且因輻合而有強烈的上升運動，這種抬升作用與風(fēng)速成正比，臺風(fēng)過程如有西南風(fēng)、南風(fēng)、東南風(fēng)匯合在一起時，在風(fēng)場的匯合點，往往是暴雨最強的地區(qū)。圖2b、圖2d分別為8月3日20：00和4日02：00850hPa流場，可以看出，850hPa低壓中心東側(cè)暖式切變位于福建東北部，切變南側(cè)沿海有很強的偏南風(fēng)急流，最強風(fēng)速達(dá)到16m／s，閩東北地區(qū)位于暖式切變北側(cè)，處在西南氣流（偏南氣流）、東南氣流的匯合處，對這一帶的上升運動十分有利。

2．2散度場、垂直速度場診斷分析

取暴雨開始時段的4日02：00，沿暴雨中心的119．9°E作垂直速度ω的空間剖面（圖3a），可看出最強暴雨中心附近及南側(cè)有強烈的上升運動，上升氣流層次很高，到達(dá)300hPa附近高度，上升速度的最強中心位于850hPa層，數(shù)值達(dá)－120×10－4hPa•s－1。在暴雨區(qū)的北側(cè)則是整層的正速度區(qū)，表明有下沉運動，配合同時次的散度場垂直剖面圖（圖3b）分析，暴雨區(qū)為低層輻合中心所在，其北側(cè)為輻散，可以看出在暴雨區(qū)附近存在一個鉛直環(huán)流，該鉛直環(huán)流的生成使上升運動持續(xù)，促進了強降水的發(fā)生發(fā)展。從圖3b中還可以看出，暴雨區(qū)低層輻合中心上空800hPa處有輻散中心，下層輻合上層輻散的抽吸作用加劇了上升運動，對比3日20：00的散度場垂直剖面圖（圖略）則沒有這個輻散中心，所以3日20：00降水較弱。

3超低空急流與中尺度暴雨的關(guān)系分析

3．1超低空急流為暴雨區(qū)提供有利的水汽條件

對比2012年8月4日02：00短時強降水開始時的850hPa和925hPa水汽場（圖4），可以看出：本次暴雨過程的水汽來源為西太平洋，水汽通量中心成南北向分布，表明與偏南氣流有關(guān)；925hPa的水汽通量中心為24g•cm－1•hPa－1•s－1，略強于850 hPa的21g•cm－1•hPa－1•s－1；在水汽通量散度圖上，850hPa水汽輻合中心只有一個，位于臺風(fēng)中心附近的福建西部內(nèi)陸，閩東北沿海水汽散度值為正，表明沒有水汽的輻合；925hPa卻可以看到一個弱的水汽輻合中心與暴雨區(qū)相對應(yīng)，中心值為－80×10－8g•cm－2•hPa－1•s－1，可見本次暴雨的水汽條件與925hPa有關(guān)，邊界層內(nèi)（925hPa）的超低空急流，可為暴雨區(qū)提供充足的水汽來源。分析表明，就臺風(fēng)外圍暴雨而言，水汽條件雖不如臺風(fēng)中心附近強，但在有利的動力、熱力條件配合下，弱的水汽輻合也可產(chǎn)生較強降水，只是該強降水持續(xù)時間不長，往往以中尺度的短時暴雨為特征。

3．2急流脈動與強降水的對應(yīng)關(guān)系

本次臺風(fēng)后部暴雨發(fā)生在西南季風(fēng)較為強盛時期，用EC－thin資料分析風(fēng)場變化（圖略），可知臺風(fēng)登陸前500hPa南海南部有一支風(fēng)速12m／s以上的西南季風(fēng)向臺風(fēng)東側(cè)輸送水汽和能量，后部暴雨發(fā)生前這支西南季風(fēng)雖有所減弱，但受臺風(fēng)移動緩慢、環(huán)流維持以及臺灣海峽狹管效應(yīng)影響，925hPa上在臺風(fēng)東側(cè)的臺灣海峽有超低空偏南風(fēng)急流維持，并逐漸加強北推，20：00急流達(dá)到最強，風(fēng)速達(dá)16m／s，其后雖略有減弱但風(fēng)速仍然維持在12m／s以上。圖5是8月3日08：00至4日02：00逐6h南風(fēng)分量沿119．9°E的空間剖面圖，以10m／s南風(fēng)風(fēng)速的北推作為超低空急流北推的參照，可以看出08：0010m／s南風(fēng)風(fēng)速過25．5°N，14：00到達(dá)26．0°N，20：00已過26．5°N，對柘榮站而言，南風(fēng)強度從白天到上半夜是一個增強的過程，下半夜起又開始減弱，超低空急流的這種日變化與夜間暴雨現(xiàn)象息息相關(guān)，急流的最強值出現(xiàn)時間比強降水時間有0～6h的提前量，可作為暴雨預(yù)報的參考指標(biāo)。

4邊界層內(nèi)的中小尺度系統(tǒng)分析與數(shù)值試驗

4．1“岸風(fēng)鋒”對暴雨的觸發(fā)作用

天氣學(xué)上“鋒”的概念一般指梯度密集帶，登陸臺風(fēng)由于受到陸地摩擦作用的影響，上岸后風(fēng)力有減弱的趨勢，在925hPa和地面圖上其東側(cè)向岸風(fēng)從海洋到陸地有一個風(fēng)速漸減的過程（圖6a），在沿海一帶形成風(fēng)速輻合，在等風(fēng)速圖上表現(xiàn)為風(fēng)速梯度密集帶，我們形象地稱它為“岸風(fēng)鋒”。“蘇拉”臺風(fēng)后部暴雨發(fā)生在底層流場西南、偏南、東南3支氣流的匯合處，圖6b為示意圖，其北側(cè)為東南風(fēng)、西側(cè)為西南風(fēng)，由于西南風(fēng)與東南風(fēng)都有南風(fēng)分量，故我們選擇作南風(fēng)分量的等風(fēng)速線來表現(xiàn)“岸風(fēng)鋒”，要比全風(fēng)速等值線更好，這樣除了能反映全風(fēng)速的輻合外，也能反映流場的匯合。作2012年8月3日20：00偏南風(fēng)的風(fēng)速等值線圖（圖7），可以看到風(fēng)速大值區(qū)位于臺灣海峽中部一帶，形成南北向的急流軸，中心數(shù)值達(dá)16m／s，表明在暴雨區(qū)南側(cè)的海峽上有一支很強的偏南風(fēng)急流，這支超低空急流碰到陸地后，因風(fēng)速減小且偏東分量加大，在沿海形成了一條等風(fēng)速線密集帶，即出現(xiàn)了一條與海岸近乎平行的“岸風(fēng)鋒”。從區(qū)域自動站資料（圖略）可看出：急流軸的左前端、“岸風(fēng)鋒”所在區(qū)域是本次暴雨的源頭地區(qū)，短時強降水不斷在此發(fā)生發(fā)展，并在東南偏南氣流的引導(dǎo)下向西北偏北方向移動，最終造成后部暴雨。分析表明925hPa“岸風(fēng)鋒”是影響本次后部暴雨的主要中尺度系統(tǒng)、也是暴雨的觸發(fā)機制。

4．2基于WRF模式的地形模擬試驗

4．2．1數(shù)值試驗方案設(shè)計

針對本次后部暴雨過程，采用WRFV3．2．1版本進行地形數(shù)值模擬試驗。臺風(fēng)過程地面氣壓低，925hPa層可代表近地層的情況，所以風(fēng)場的地形模擬試驗選用925hPa層，時間為暴雨發(fā)生前的2012年8月3日20：00。選擇雙重嵌套方案，初始場和邊界場均利用NCEP再分析資料，資料的水平分辨率為1°×1°，時間間隔為6h。模擬區(qū)域的中心經(jīng)緯度為119．03°E、26．23°N，網(wǎng)格水平方向為80×72個格點，格距為30km，垂直分層為36層，模式頂為20hPa。微物理過程采用WSM6方案，長波、短波輻射采用RRTMG方案，陸面過程參數(shù)化采用Noah方案，邊界層采用MYJ方案，積云對流參數(shù)化采用Kain－Fritsch（newEta）方案，各要素場采用每間隔1h輸出一個模擬結(jié)果。試驗方案有兩種：地形不變與無地形。

4．2．2地形試驗結(jié)果

風(fēng)場模擬試驗結(jié)果表明（圖8）：兩種試驗在臺灣海峽都有一條南北向的偏南風(fēng)風(fēng)速中心，數(shù)值達(dá)16m／s，海峽上這一支偏南風(fēng)超低空急流的位置和強弱與實況基本相符，表明數(shù)值模擬結(jié)果是可信的。有地形時，福建中北部沿海風(fēng)速等值線分布均勻且與海岸平行，在近海陸地上形成一條有一定寬度的“岸風(fēng)鋒”；無地形時，在福建中部沿海也有“岸風(fēng)鋒”存在，但寬度比較窄，該“岸風(fēng)鋒”的生成原因應(yīng)該是流場的匯合，閩東北（寧德）陸地上則風(fēng)速等值線紊亂，無風(fēng)速輻合故沒有“岸風(fēng)鋒”存在。模擬出的2012年8月3日20：00至4日20：00累積雨量分布（圖9）表明，有地形模擬時最強降水中心位于臺風(fēng)低壓中心南側(cè)的福建西南部內(nèi)陸到江西南部，閩東北有次強降水中心，數(shù)值為90mm，就落區(qū)而言，兩個暴雨中心均與實況基本相符，但量級均偏小；無地形模擬時，暴雨中心只余低壓中心南側(cè)的那一個，閩東北地區(qū)只有30mm左右降水。地形試驗結(jié)果表明：受地形影響生成的“岸風(fēng)鋒”直接觸發(fā)了后部暴雨，且其寬度、強弱對暴雨量級有直接影響。

5小結(jié)

（1）“蘇拉”臺風(fēng)后部暴雨為臺風(fēng)暖切附近的中尺度暴雨，發(fā)生在低層西南、偏南、東南3支氣流匯合處，氣流匯合促進了上升運動的發(fā)展，使強降水發(fā)生發(fā)展具備了良好的動力條件；暴雨區(qū)有鉛直環(huán)流存在，對上升運動的發(fā)展與持續(xù)十分有利。

（2）本次后部暴雨過程西南季風(fēng)較為強盛，且福建沿海有超低空偏南風(fēng)急流維持，為暴雨區(qū)提供充足的水汽條件，暴雨中心位于急流軸的左前端；超低空急流的脈動影響強降水的時空分布，暴雨發(fā)生前超低空急流有明顯的加強與北推。

（3）來自海上的東南、偏南兩支氣流與陸地有一定的交角，受陸地摩擦作用影響，上岸后風(fēng)速減弱，925hPa在沿海一帶存在一條與海岸近乎平行的風(fēng)速輻合線，在等風(fēng)速圖上表現(xiàn)為一條“岸風(fēng)鋒”，該“岸風(fēng)鋒”與后部暴雨有很好的對應(yīng)關(guān)系，是后部暴雨的觸發(fā)機制。

（4）WRF模式對本次中尺度暴雨有較好的模擬效果，基于WRF模式開展有、無地形的模擬試驗揭示了地形對此類暴雨的直接影響，因地形影響生成的“岸風(fēng)鋒”導(dǎo)致了后部暴雨的發(fā)生，“岸風(fēng)鋒”的寬度、強弱與降水范圍、強度有直接關(guān)系，進一步表明“岸風(fēng)鋒”是觸發(fā)暴雨的中尺度系統(tǒng)。

參考文獻：

［1］尹潔，王歡，陳建萍．強熱帶風(fēng)暴碧利斯造成華南持續(xù)大暴雨成因分析［J］．氣象科技，2008，36（1）：63－68．

［2］何立富，許愛華，陳濤．“泰利”臺風(fēng)低壓大暴雨過程冷空氣與地形的作用［J］．氣象科技，2009，37（4）：386－390．

［3］江敦春，黨人慶，宋志宏．臺風(fēng)暴雨中尺度系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的數(shù)值研究［J］．熱帶氣象學(xué)報，1997，13（2）：168－173．

［4］林毅，劉愛鳴，林新彬．臺風(fēng)中尺度對流云團與中尺度暴雨相互關(guān)系的綜合分析［J］．熱帶氣象學(xué)報2002，18（4）：393－398．

［5］周官輝，張金彬，郭奎英，等．臺風(fēng)低壓暴雨的中尺度特征分析［J］．河南氣象，1997，19（3）：7－12．

［6］冀春曉，趙放，高守亭，等．登陸臺風(fēng)Matsa（麥莎）中尺度擾動特征分析［J］．大氣科學(xué)，2012，36（3）：551－563．

［7］林新彬，劉愛鳴，林毅，等．福建省天氣預(yù)報技術(shù)手冊［M］．北京：氣象出版社，2013：64－65．

［8］劉愛鳴，劉銘，林毅．低空急流對0212號臺風(fēng)“北冕”后部暴雨影響的分析和數(shù)值試驗［J］．臺灣海峽，2004（1）：1－8．

［9］朱艷萍，馬昌明，劉愛鳴，等．福建省臺風(fēng)后部暴雨物理量診斷分析［J］．氣象研究與應(yīng)用，2007，28（A02）：48－50．

［10］林毅，劉愛鳴．9608臺風(fēng)外圍對流云團造成閩南暴雨成因分析［J］．氣象，1997，23（10）：35－38．

作者:左平昭 王偉偉 葉冬云 王超 趙一夫 單位:福建省寧德市氣象局