201308热带气旋“西马仑”强降水数值模拟分析

程 巍，李 岩，何纪武

(中国民用航空华东地区空中交通管理局福建分局)

0 引言

2013年07月13日，一个热带扰动在帕劳东部海面生成，15日21时(世界时，下同)升级为热带低压，之后向西北偏北方向移动，17日00时升格为热带风暴，并命名为“西马仑”，向西北偏北移动掠过吕宋东北端后，进入吕宋海峡，08时左右改偏西到西北移动.18日，“西马仑”进入南海东北部，开始进行环流重整，在环流重整后改向北移动，移向福建南部至广东东部沿岸，晚上12时30分左右，“西马仑”在福建省漳浦县沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有8级(20 m/s)，中心最低气压为995 hPa，登陆之后西北深入福建内陆地区，但强度迅速而显著地减弱，18日18时降级为热带低压.

热带风暴“西马仑”虽然强度不强，但给福建南部地区带来了巨大的降水.据气象资料统计，仅18日00时至19日00时，福建全省共16个县市的113个乡镇出现雨量超过50 mm的暴雨，其中，厦门、仙游、南安等6个县市出现大暴雨(100～200 mm)，漳浦、龙海雨量更是达特大暴雨量级(＞200 mm)，雨势非常猛烈.

1 资料和方法

WRF(Weather Research and Forecasting)是一种完全可压非静力数值模拟模式，采用Arakawa C网格，集数值天气预报、大气模式及数据同化于一体，能够更好的改善对中尺度天气的模拟和预报，目前主要应用于有限区域的天气研究和业务预报［1-2］.

Q失量方法是由Hoskins等在1978年首先提出，由于Q失量方程简便、物理意义清晰，Q失量方法被称为计算大气垂直运动的高级估算方法，广泛应用于强降水诊断分析［3-6］.

该文选取NCEP分辨率为1°×1°再分析资料对热带风暴“西马仑”引起的强降水过程进行WRF数值模拟(WRFV3.1)，对模式输出的要素场进行分析，探讨此次台风暴雨过程的成因，希望为台风暴雨的研究和预测提供一些有益的参考.

此次数值模拟时段从2013年7月16日12时到7月20日00时，采用二重双向嵌套网格方案，模拟区域的中心定于福建漳州漳浦县(117.6°E，24.1°N)，外层和内层格距为 60 km 和 20 km，.模式中各参数设置为:微物理过程为WSM6方案，积云对流参数化为Grell-Devenyi整合方案，边界层方案为TKE方案，长波辐射为RRTM方案，短波辐射为Dudhia方案.

2 模拟检验

热带风暴“西马仑”引起福建中南部地区大范围暴雨到大暴雨主要发生在07月18日到19日，因此该文主要对比分析18～19日降水分布情况.

图1(a)为数值模拟输出数据绘制的18～19日降水分布图.由图1(a)可以看出，在闽南和粤东沿海普降暴雨，最大降水中心在漳州云霄县附近和揭阳惠来县近海海域.图1(b)为数值模拟输出厦门高崎国际机场(ZSAM)、泉州晋江机场(ZSQZ)和福州长乐国际机场(ZSFZ)的降水时间序列图，厦门、泉州、福州机场18～19日实际降水分别为 158.2 mm、57.8 mm、7.3 mm，与模拟结果十分接近.对比实况资料，此次模拟与暴雨实况较为接近，指出了闽南和粤东的大范围暴雨区域.

图1

3 分析探讨

3.1 中低层急流

低空急流往往是热量、水汽和动量的输送载体，当暖湿空气与干较冷空气相遇，很容易形成对流性不稳定的层结，同时在低空急流左侧上升运动的触发下，产生暴雨、冰雹等强对流天气.

图2(a)(b)(c)为18日12时高空三层风向风速叠加图.可以看出中低层偏南气流十分强盛且在水平方向上有较大的风速梯度.取漳浦地区(117.6°E，24.1°N)做水平速度的时间空间分布图(如图2(d))，可以看出，18～19日漳浦地区从地面至700 hPa高度有南风急流维持，水汽从南海不间断向福建地区输送，保证了暴雨维持的水汽来源.

图2

3.2 水汽通量散度

暴雨形成的条件之一，是要有源源不断的水汽输送.为了定量描述水汽输送的方向、大小以及水汽输送的方向，了解形成暴雨的水汽条件，我们引入水汽通量与水汽通量散度的概念.

水汽通量表示单位时间内流经与速度矢正交的某一单位截面积的水汽的质量，它指示了水汽输送的强度和方向，但是想要了解暴雨出现的区域和强度大小，水汽通量散度的分析更为重要.

当用符号D表示水汽通量散度时，则有［7］:

如果不考虑液、固态水和蒸发，整个气柱内的水分收支方程为［7］:

式中p0表示地面气压，M表示Δt时段内单位截面气柱的凝结量.如果认为凝结量全部落到地面，则M便等于降水量.实际上，上述假设只是近似成立.

二宫光三(日本)以及秋山孝子等人指出，如果计算区域的边长为数百千米，则局地变化项(左端第一项)对降水的贡献很小，(2)式可简化为［8］:

由(1)、(4)式看出，水汽通量散度D是两部分组成，一是风的散度，二是水汽的平流，当风的辐合越强、水汽平流越大时，降水率则越大，即越有利于产生强降水.

图3(a)(b)分别为07月18日和19日12时700 hPa高度层的水汽通量散度图.18日12时，在700 hPa高度层上闽南和粤东地区水汽通量散度为负，南海和粤北水汽通量散度为正，说明水汽从周围向闽南粤东沿海地区聚集，水汽输送十分旺盛;到19日12时，水汽辐合区范围进一步扩大，大范围暴雨过程维持.

图3

3.3 Q 失量分析

暴雨的发生和持续除了要有充足的水汽、不稳定层结等要素外，还必须有强烈、持久的垂直上升运动，传统的ω方程因包含垂直导数项不易计算，很难实际应用;Hoskins推导的Q失量方程更加简便，可以很好地估算大气垂直运动的上升气流速度.若在准地转条件下定义一个Q失量［9］:

(5)式还可以表示成如下形式［9］:

(6)和(7)式说明，准地转Q矢量决定于地转风水平梯度与水平温度梯度的乘积.因此，用一层等压面的位势高度Φ和温度T资料，即可计算出该层的准地转Q矢量.

垂直运动的准地转强迫可由绝热和非粘性准地转ω方程中的Q失量计算［3］

由公式(8)中可以看出，当ω具有波状特征时，当Q失量辐合(即时，则ω＜0，垂直方向上为上升运动;反之，当Q失量辐散(即时，则 ω＞0，垂直方向上为下沉运动.因此可以根据Q失量的辐合与辐散来判断垂直运动情况［7］.

图4(a)(b)(c)(d)分别为18和19日12时次850 hPa和700 hPa高度上的Q失量散度图.由分析看出，18日12时在漳州漳浦为负Q失量散度中心，表示有较强的上升气流，东南沿海Q矢量散度呈现辐合区与辐散区相间分布的特征，这样Q失量辐合区的上方和下方都是辐散区，在垂直方向上激发一个或几个次级环流，使得上升运动能够持续，源源不断有水汽输入，为强降水提供充足的水汽来源和抬升的动力;对应700 hPa负Q失量散度中心略偏移漳浦西侧，这样上升气流有所倾斜，中层下沉气流增加了干冷空气的吸入，上升气流与下沉气流同时存在，有利于暴雨的维持.19日12时，正负Q失量散度中心仍停留在漳州龙海市到云霄县一线，700 hPa的上升和下沉气流较之前有明显增强，降水也更为剧烈.

图4

4 结束语

通过WRF数值模式对201308热带风暴“西马仑”引起的强降水过程进行模拟研究和探讨，所得结论如下:

(1)WRF数值模拟暴雨落区与实况降水落区较为一致，对单站降雨数值的模拟结果也较符合，但缺乏对局地性的极端降水的描述，可能与资料的分辨率不够高有关.

(2)此次闽粤大范围暴雨与中低层强盛的偏南急流有着密切的关系.中低层西南急流的建立，源源不断从南海向闽粤沿海输入水汽，为此次暴雨提供了充足的水汽来源.

(3)中层水汽通量持续辐合，水汽辐合和辐散相间出现，形成了水汽交换通道，在不稳定能量(台风扰动)的诱发下产生暴雨.

(4)Q失量散度中心与暴雨中心有着很好的对应关系.Q失量散度辐合区对应强烈上升运动，对流活动旺盛，降水强度大.Q失量辐合区与辐散区相间分布，不同高度上Q失量散度中心略有偏移，造成上升气流倾斜，更利于暴雨的持续.

［1］ 王晓君，马浩.新一代中尺度预报模式(WRF)国内应用进展［J］.地球科学进展，2011，26(11):1191-1199.

［2］ 黄海波，陈春艳，朱雯娜.WRF模式不同云微物理参数化方案及水平分辨率对降水预报效果的影响［J］.气象科技，2011，39(5):529-536.

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［7］ 刘健文，郭虎，李耀东.天气分析预报物理量计算基础［M］.北京:气象出版社，2005/76-85.

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