热带风暴海葵登陆过程演变及降水分布分析

单 磊，周奇越，田 磊

(1.蚌埠市气象局,安徽蚌埠 233040; 2.萧山国际机场,浙江杭州 311207)



热带风暴海葵登陆过程演变及降水分布分析

单 磊1，周奇越2，田 磊1

(1.蚌埠市气象局,安徽蚌埠 233040; 2.萧山国际机场,浙江杭州 311207)

摘 要：利用中尺度非静力数值模式WRF对热带风暴海葵进行数值模拟,包括路径、强度、环流形势、降水等。分析表明,海葵热带风暴主要由西太平洋副热带高压作为引导,并从西南季风气流中获得源源不断的水汽,使其在登陆后持续保持其涡旋结构。海葵登陆过程中,其涡旋结构由完整的对称性转变为非对称性,强降水区与涡度等值线的密集区有着较好的对应关系,降水强度则与涡度大小变化一致。降水强度的增大与负散度柱的向上伸展关系密切。相对湿度的分布、水汽输送的非对称分布对于热带风暴登陆期间产生的暴雨都有着很好的对应。模式结果基本真实地反映了热带风暴发展演变及其登陆过程。

关键词：热带风暴;登陆;数值模拟;暴雨

文献著录格式:单磊,周奇越,田磊.热带风暴海葵登陆过程演变及降水分布分析[J].浙江农业科学,2016,57 (4):583-590.

在夏秋季节,发生在热带洋面上的热带风暴是我国在东南沿海地区最主要的灾害性天气系统之一[1]。我国是全世界受热带风暴侵袭最多的国家之一,每年平均有7个登陆热带风暴[1],热带风暴经常会导致很多严重的气象灾害,比如强风、暴雨。热带风暴降水也是我国南方夏季非常重要的水汽来源。据统计,我国浙江、福建及两广地区在7—8月期间的降水中,热带风暴降水占50%～70%之多[2]。

我国六大最强的降雨在中国发生的事件(在1 d之内超过1 000 mm)都是由热带风暴造成的[3],而热带风暴造成的严重灾害中大部分是由热带风暴降水导致的,造成的生命财产损失难以估量,因此研究登陆热带风暴的各种特征长期以来就是气象工作的重点和难点之一。热带风暴登陆前后的路径、强度、结构、降水等的变化是热带风暴研究中的重点和难点[4]。针对热带风暴登陆过程,尤其是热带风暴降水,气象工作者们进行了大量的研究,包括登陆热带风暴中水汽供应、地形等因素的各方面影响。国外,Gray[5]从气候方面讨论了在ITCZ内同时形成几个热带风暴情况,认为基本气流的正压不稳定是起到主要作用; Akihiko等[6]使用日本气象厅非静力模式对热带风暴Meari强降水进行数值模拟研究认为,良好的水汽及水汽输送有利于发生热带风暴强降水; Shen等[7]数值研究显示,陆地水体可能会减缓登陆热带风暴的衰亡速度。蔡则怡等[8]利用η坐标模式对1次登陆热带风暴造成的特大暴雨过程开展模拟研究,敏感性试验表明,暴雨强度对地形十分敏感。冀春晓等[9]利用MM5模式数值模拟地形对云娜降水和结构的影响。周林等[10]结合WRF-Var三维变分系统对小型超强热带风暴桑美进行数值模拟试验,结果验证了热带风暴暴雨的发生和维持需要大尺度环境场、动力条件和水汽条件等的配合。周冠博等[4]对凤凰热带风暴登陆过程进行了诊断分析,结果表明,散度垂直通量能够描述强降水过程中低层大气辐合和高层大气辐散的垂直动力结构,对暴雨区有良好的指示作用。

我国各级气象部门一直致力于加强热带风暴监测预警能力建设。在过去20多年来,我国热带风暴业务预报虽然取得了长足进步,但依然存在一些问题。比如,由于对热带风暴强度变化的物理机制认识也不够深入,风雨预报精细化程度低、准确率不高,热带风暴业务预报的水平仍不能满足防台抗台的现实需求[1]。因此,热带风暴预报业务水平的提高依然是迫在眉睫的任务。

2012年第11号热带风暴海葵为2012年最强登陆热带风暴。为了更好地理解2012年第11号热带风暴海葵的物理机制,促进预报水平的提高,本论文利用中尺度数值模式WRF对热带风暴海葵进行数值模拟,并对模拟结果进行验证和诊断分析。

1　海葵热带风暴情况

2012年第11号热带风暴海葵,8月3日8:00在西北太平洋洋面上生成热带气旋,其中心附近最大风力有8级(18 m·s-1),中心最低气压为1 002 hPa。之后,海葵于8月5日17:00进入我国东海东部海面,并加强为强热带风暴。其中心位于浙江省象山县东偏南方大约640 km海面上,中心附近最大风力有10级(28 m·s-1),中心最低气压为980 hPa。8月6日强热带风暴升级为热带风暴,加紧向浙江、上海等地靠近。8月7日13:00,海葵中心最大风速达40 m·s-1,云图上能看到清晰的热带风暴眼。8月8日凌晨3:20,海葵在浙江省象山县登陆,登陆时中心气压965 hPa,近中心风力14级。8月8日16:00,海葵强度减弱为强热带风暴,向西北方向缓慢移动。8月9日10:00热带风暴中心进入安徽境内,12:00海葵减弱为热带低压,在安徽省境内回旋,最终填塞。此次热带风暴对浙江、江苏、安徽、江西等地造成10级以上大风和持续性强降水。海葵热带风暴影响时间长,从生成到消亡共156 h。

热带风暴海葵的登陆使浙江、上海、江苏、安徽等地发生大范围暴雨,各地不同程度受灾。中国气象局也在5年来首次启动重大气象灾害一级应急响应。海葵属于高纬度生成热带风暴,移动速度由快转慢,登陆前一直在加强,登陆时正处于发展强盛时期,登陆后长时间仍维持热带风暴结构,造成的热带风暴强降雨范围也很大。因此,研究热带风暴海葵的发展演变及登陆过程,具有非常重要的意义。

2　数值模拟方案设计

本文利用中尺度数值模式WRF v3.4.1对海葵热带风暴的演变及登陆过程进行数值模拟。模拟时间范围为2012年8月3日0:00到8月9日0:00,共144 h。模拟采用3层嵌套。数值模拟区域如图1所示。

模拟区域中心为30.0 120.0,3个模拟区域的格点数分别为101×89 (D01)、136×118 (D02)、190×166 (D03),水平分辨率分别为45,15和5 km。初始场所用资料为NCEP的fnl分析资料。第1,2层模拟区域从2012年8月3日00:00开始至8月9日00:00结束,共144 h;第3层嵌套从2012年8月6日00:00开始启动至8月9日00:00结束,共72 h。模式输出资料时间间隔为3 h。

图1　数值模拟区域的情况

3　模拟结果验证

为保证模拟数据的可靠性,以下将从海葵热带风暴登陆前后的路径、强度变化、环流形势、暴雨特征与实况的对比方面来检验数值模拟的结果。

3.1热带风暴路径、强度结果验证

利用JMA的最佳路径资料绘出海葵的实况路径,并与WRF模拟出的数据绘出的模拟路径进行比较。

由图2可以看出,2条路径的对比,模式对海葵热带风暴路径的模拟是比较成功的,模拟路径与实际路径的走向基本一致,但2条路径间仍存在着差别。在进入东海西北海域后模拟路径开始偏南,登陆以后模拟的位置比实际位置偏南约1°,模拟的移动速度也比实际的稍慢。从8月3日编报后至5日20:00,实况路径一直沿着西北偏西方向移动,模拟路径开始时西行时间较长。8月5日20:00至8月7日14:00实况转为向西行,模拟路径与实况拟合得很好。8月7日14:00之后实况又转为西北行,直到在浙江登陆,模拟结果有若干小时是向西南行的。模拟与实况的热带风暴路径基本吻合,较为成功的模拟出海葵由西北转为西行后又转为西北行的路径变化,热带风暴登陆后,模拟的中心位置较实况略偏东南。综合来看,模式对海葵路径的模拟是较为成功的。

图3给出了模拟与实况的海葵热带风暴中心海平面气压变化。由图可见,模拟与实况的热带风暴中心海平面气压变化趋势比较一致。8月3日18:00开始,热带风暴中心海平面气压由990 hPa逐渐减小,即热带风暴逐渐加强,期间模拟趋势非常好。8月6日09:00到8月7日21:00左右为热带风暴发展最强盛的时期,这期间实况热带风暴中心海平面气压维持在960 hPa,模拟结果较低于实况,维持在近940 hPa,比实况低20 hPa左右。8 月7日21:00之后,热带风暴中心海平面逐渐增大,即热带风暴逐渐减弱,模式得出的趋势与实况的吻合度很高,但气压略偏低。偏低的原因可能与模式本身的不足以及模拟初始场存在的问题有关。但综合来看,模式还是较好地呈现了海葵热带风暴整个发展演变过程的强度变化特征。

图2　海葵热带风暴的实况路径与模拟路径

图3　海葵热带风暴实况中心的海平面气压与模拟中心海平面气压

图4表示海葵热带风暴中心附近的实况最大风速与模拟最大风速。如图所示,模拟与实况的热带风暴中心附近最大风速虽然总体数值略有偏高,实况最大风速约35 m·s-1,而模拟出的最大风速约为50 m·s-1,但两者的变化趋势较一致。在热带风暴登陆时,热带风暴中心附近实况最大风速出现小幅增强,之后又减小,模拟的最大风速也呈现一个较小增幅。因此,模式很好地显示出海葵热带风暴在登陆浙江之前的加强过程,以及登陆浙江之后的减弱过程。

3.2热带风暴降雨结果验证

8月7日,热带风暴降水主要位于浙江中部沿海地区,个别达到200 mm。8日0:00—23:00期间,热带风暴直接影响浙江地区降水,浙中北及附近沿海地区降水量普遍达100 mm以上。9日降水范围和强度都有所减小,但依然有11个站降水量达100 mm左右。

图4　海葵热带风暴中心附近的实况最大风速与模拟最大风速

选择8月8日0:00到8月9日0:00期间的累积降雨量来进行热带风暴降雨的对比验证。对比模拟的24 h累积降水量可看出,上海、浙江、安徽、江苏的降雨都基本被模拟出,但降雨量略有偏差,江苏南部的模拟降水量要略小于实况雨量,浙江北部的模拟降水量要略大于实况雨量,模拟的雨带略向南偏,这可能和模拟登陆后路径较实况中心位置偏东南有一定关系。模拟降水中心和实况相比也稍偏南,但两者的中心值均达到200 mm以上。可见WRF对于热带风暴海葵的24 h降水的位置与强度模拟结果较好,可使用通过模拟得出的高分辨率数据来进行诊断分析。

4　模拟结果的诊断分析

4.1影响热带风暴的环境形势的分析

利用NCEPfnl资料对北半球500 hPa高度场进行平均场分析。8月开始,西段副热带高压开始北跳,环流形势也逐渐发生调整。8月上旬,北半球环流整体上呈纬向分布。在中纬度地区,西太平洋副高位置稳定偏西北,呈东西向块状分布,副高脊线也一直稳定在北纬35°附近;在中高纬地区,环流场仍呈纬向分布,期间西风槽有几次东移,但由于冷空气偏弱,西太副高的位置和强度没有受到太大的影响。因此,西太副高能够在长达半个多月的时间内基本维持稳定。另外,8月上旬期间,在北纬30°以南的热带洋面上的海温和大尺度环流条件都很好,这使得东风波系统在北纬30°以南的西太平洋洋面上非常活跃,有利于热带气旋的生成,热带气旋在副热带高压南侧的引导气流的影响下形成向西行进,逼近我国东部沿海地区。

图5给出的是500 hpa的高度场及高低空环流的配置情况。从图中可以看出,此次海葵热带风暴的各方面特征主要受到2个系统的影响,一个是西太平洋副热带高压,另一个是西南季风。

图5　模拟的高低空环流形势：500 hPa高度场和850 hPa大于12 m·s-1的风场（UTC）

统计表明,副高脊线位置在30°N以北时有利于热带风暴初生,南界位置偏北时有利于在较高纬度生成热带风暴,西伸指数高则有利于热带风暴的登陆[11-12]。由于副高强盛,海葵热带风暴路径主要由西太平洋副热带高压作为引导。从高度场上来看,海葵热带风暴登陆前,环流形势为两槽一脊。8月5日之前,副高原本一直维持呈东西向块状分布,逐渐分裂为2块,一块位于我国东北地区-朝鲜半岛一带(西环副高),另一块位于西太平洋洋面(东环副高),热带风暴向西北移动。海葵8月5—7日向南移动的分量加大,由西北偏西方向移动转为西行缓慢发展。7日,贝加尔湖地区为广阔的低槽区,副热带高压与大陆高压连成一体,并呈西北-东南向分布,形成高压坝,在东北地区形成阻高形势,使得热带风暴受到其西南侧东南气流的影响,海葵又从西行转为西北行接近浙江。海葵登陆以后,环流形势也随之发生了变化,由于东环副高西进且有所增强以及贝加尔湖以东槽明显的南下东移,高压坝开始向北压缩然后在长江中下游区域断裂,而海葵正好处于2个断裂高压之间的弱环境场中,引导气流也很弱,以致热带风暴移速非常缓慢,于安徽南部地区停滞。9日,海葵仍停滞在安徽境内,由于副热带高压此时被分割而成2个高压,海葵在高压之间,盘旋直到消亡。

从850 hPa风场上来看,海葵登陆浙江前,由于受到高压坝和东环副高的影响,热带风暴中心南侧出现比较大范围的强风区,浙江沿海地区发生持续大风天气。海葵登陆后,由于高压坝主体的断裂,东北地区的断裂高压与热带风暴之间形成较大的气压梯度,使得强热带风暴区位置由热带风暴南侧变为热带风暴北侧,导致上海、江苏南部、安徽南部地区发生大风天气。

良好的水汽条件在热带风暴的生成发展方面是非常有利的。热带风暴要想得到良好的水汽输送,不仅需要热带风暴本身在西太平洋洋面上扰动旋转所聚集的水汽,还需要有利的外界环境场。比如对于西北太平洋地区的热带气旋而言,最主要的水汽输送是由西南季风提供。登陆后的海葵获得西南季风提供的有利水汽条件,使降水大幅增加[13]。从流场图(图略)上可以看出,海葵在登陆前后均可从西南季风中源源不断的获取水汽。海葵之所以能够在登陆后依然长时间维持其涡旋结构,西南季风提供持续的水汽输送和供给能量是一个重要因素。西南季风也对海葵的动力结构和热力结构都会有一定的影响,加强了环境向TC的水汽通量输送。此次海葵热带风暴最大的特点就是其登陆后并未向通常的路径那样西行填塞或转向东北入海[12],而是在安徽境内停滞然后填塞,给苏、皖、赣三省带来持续性的强降水。

4.2海葵登陆前后的降水分布分析

为了解海葵热带风暴降水的中尺度系统结构,选取海葵登陆前后的时段,针对热带风暴模拟温度场、涡度场、散度剖面图、相对湿度场以及雷达反射率进行诊断分析。

图6为热带风暴登陆前后6个时次的温度场和温度平流叠加图。从图中可对海葵的热力结构进行分析。

图6　2012年8月7日15：00—8月8日06：00（UTC）850 hPa模拟的温度场、温度平流场叠加

海葵登陆浙江前,8月7日15时,暖平流很弱; 18:00—21:00,暖平流略增强,热带风暴暖中心位于热带风暴西北侧。海葵登陆后,热带风暴暖中心位置主要在热带风暴西南侧,暖中心逐渐向西北移动,北冷南暖; 8月6:00,暖平流减小,中心继续向西北移动。结合之前对于环流场的分析,此暖平流为浙江等地区的强降水产生提供了大尺度热力和动力条件,且温度场中心与强降水区对应良好。可见,海葵热带风暴呈热力不对称结构,暖平流中心对于热带风暴强降水有着一定的指示作用。

图7为850 hPa涡度场和降雨量的叠加图。从图中可以看出,海葵登陆过程中涡旋中心涡度一直在增加,表明热带风暴强度不断增强。海葵登陆之前,热带风暴一直维持一个完整的涡旋结构完整,接近对称分布。同时降水分布也接近于对称,但涡旋中心西北侧降水量略高于东侧; 8 月8日0:00,强降水区由涡旋中心西侧转为西北侧。海葵登陆后,涡旋的对称结构开始松散。8日3:00,涡度最大值增大,涡度等值线密集区位于热带风暴中心西北侧,降水亦集中在涡旋中心西北侧地区,呈非对称性分布,降水强度明显增加,3 h降水量达到140 mm以上; 8日6:00,强降水区较前时段向西北移动,降水依然呈非对称分布,涡旋中心东南侧又出现少量降水。由此可以看出,热带风暴在登陆过程中的降水分布与其涡度分布有很好的对应关系,降水强度则与涡度大小变化一致。

图7　2012年8月7日15：00—8月8日6：00（UTC）850 hPa模拟涡度场与过去3 h降雨量的叠加

图8为模拟的热带风暴登陆过程的过中心散度的纬向剖面图。从图中可以看出,热带风暴登陆前(8日3:00前)底部维持一个辐合中心,辐合区在800 hPa以下,在800～750 hPa和500 hPa以上各有1个辐散中心。在热带风暴登陆后,底部的辐合开始减弱,中层和高层的辐散亦相应减弱。但辐合区的高度在8日6:00伸展到800 hPa以上,形成1个散度柱,表示对流活动在此阶段发展旺盛。结合图7的降水可以看出,此阶段为一个强降水阶段。对比热带风暴登陆之前的底部散度和降水强度可以看出,强辐合运动并不对应强降水,而是散度柱向上伸展的高度对应着强降水,说明降水强度与散度柱的伸展高度关系密切。

图8　2012年8月7日15：00—8日0：00（UTC）模拟的热带风暴中心散度的纬向剖面图

结合850 hPa高度上的模拟相对湿度场和风场,在热带风暴中心的西北侧存在相对湿度大值区,最大值均达到95%以上,表明水汽含量相当充沛,东南侧的相对湿度在80%以下。同时,热带风暴中心北侧的风速要大于南侧,表明此处水汽输送强盛,因而热带风暴中心区西北侧的水汽供应充沛。对比图7,该时刻热带风暴中心西北侧的降水量最大,水汽输送呈非对称分布,对于热带风暴强降水有良好的指示作用。另外,此次热带风暴的有利水汽条件区域主要集中在热带风暴中心西北侧,这也为高度集中的暴雨范围提供了非常充分的水汽条件。

5　小结与讨论

本文利用中尺度数值模式WRF v3.4.1对海葵热带风暴的演变及登陆过程进行数值模拟,并将模拟结果与观测数据比较,验证模拟的可靠性,并对结果进行诊断分析。结果表明,(1)此次WRF模拟基本能够模拟出海葵热带风暴的路径实况的热带风暴路径基本吻合,较成功的模拟出海葵由西北转为西行后又转为西北行的路径变化。热带风暴中心海平面气压及中心附近风速的对比结果表明,对海葵强度的模拟效果也很好。总体来说,模式结果基本真实地反映了热带风暴发展演变及其登陆过程,可用模式输出的高分辨率结果作进一步的分析研究。(2)根据模拟结果分析,海葵热带风暴主要由西太平洋副热带高压作为引导,并从西南季风气流中获得源源不断的水汽,使其在登陆后持续保持其涡旋结构。(3)海葵登陆过程中,其涡旋结构由完整的对称性转变为非对称性,强降水区与涡度等值线的密集区具有很好的对应关系,降水强度则与涡度大小变化一致。降水强度的增大与负散度柱的向上伸展关系密切。相对湿度的分布,水汽输送的非对称分布对于热带风暴登陆期间产生的暴雨都有着很好的对应。

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(责任编辑：张瑞麟)

中图分类号：S164

文献标志码：A

文章编号：0528-9017(2016)04-0583-07

DOI10.16178/j.issn.0528-9017.20160438

收稿日期:2015-12-02

基金项目:国家自然科学基金(41276032);公益性行业(气象)科研专项GYHY (QX) 201206016)

作者简介:单 磊(1980—),男,工程师,硕士,主要从事预报预测方面研究工作,E-mail:shansi@126.com。