超强台风“Saomai”的数值模拟及诊断分析

李 超，沈菲菲，许冬梅，束艾青，王 琛，康 彦

(1.南通市气象局，江苏南通 226018；2.南京信息工程大学，南京 210044)

台风是发生在热带洋面一种具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋系统，它的破坏力居自然灾害之首。我国平均每年有7～8个台风登陆，是世界上台风登陆较多、受灾较重的国家之一[1-2]。因此，台风的研究一直是气象工作者最关注的问题之一。在过去的十几年里，国内外气象学者已从多个方面对台风的登陆演变和台风降雨结构等展开细致的讨论和研究，取得了骄人的成绩：康志明等学者[3-5]研究了影响登陆台风路径的不同因素；任福民等学者[6-8]研究了引起台风降水分布差异的原因；王硕甫等学者[9-10]研究了影响台风降水的中尺度系统；张建海等学者[11-13]研究了地形对台风降水的影响；江丽伶等学者[14-16]研究了水汽输送对台风降水强度的影响；李英[17]研究了垂直风切变对台风强度、对流及降水分布的影响；于玉斌等学者[18-20]研究了冷空气对台风降水的影响。

近年来随着观测手段和模拟技术的不断发展，在台风研究尤其是台风暴雨方面取得了很大的进展；同时对台风进行高分辨率数值模拟，使得对台风结构的认知进一步加强了。但由于台风降水本身是一个多尺度相互作用过程的结果，同时当前的数值模式发展还不够完善，使得人们对台风路径、强度、降水预报还需要做进一步深入的研究。采用中尺度非静力WRF模式，在前人研究工作的基础上，对超强台风“Saomai”进行高分辨率的数值模拟及诊断分析，考察模式模拟台风路径、强度和降水等方面的效果。

1 数据资料及数值模拟方案设计

1.1 数据资料

利用NCEP/NCAR的GFS资料(5 km)、WRF模式对台风“Saomai”开展数值模拟，利用CMA最佳路径数据集(中国气象局热带气旋资料中心)、NOAA卫星资料、温州台风网资料分析台风的实时情况，时间均采用世界时。

1.2 数值模拟方案设计

利用非静力中尺度数值模式WRF对台风“Saomai”进行模拟，选取NCEP/NCAR的GFS资料作为模式的初始场，采用单层5 km×5 km网格，模式中心为26.362 °N，122.548 °E，模拟方案如表1所示。

2 台风“Saomai”实时资料分析

2.1 “Saomai”简介

超强台风“Saomai”于2006年8月5 日晚在关岛东南方的西北太平洋洋面上生成，生成后以20～25 km/h的速度向西北方向移动，之后其强度逐渐加强；7日06时“Saomai”加强为台风，8日夜间其环流进一步紧缩，低层风眼清晰；9日03时急剧增强为强台风，当天10时继续加强为超强台风，夜间沿西北偏西方向移进中国钓鱼岛以东海面，移速加快；10日09时25分在浙江省苍南县南部沿海登陆。登陆后，中心附近最大风力17级(60 m/s)，中心附近最低气压为920 hPa，是建国以来登陆浙江省最强的台风。“Saomai”登陆后强度迅速减弱，于11日01时在江西弋阳县减弱为热带低压，最终次日早晨在湖北省境内填塞消失。台风“Saomai”给浙江、福建、江西、湖北四省带来严重的人身伤害和财产损失。据不完全统计，4省共有665.65万人受灾，因灾死亡达到483人，紧急转移安置180.16万人，农作物受灾面积29万hm2，倒塌房屋13.63万间，直接经济损失近200亿元。

表1 WRF模式方案参数设定

2.2 大气环流分析

台风“Saomai”的移动路径是由西太平洋副热带高压和中纬度环流系统共同影响的。从500 hPa高空图上可见，8月9—10日西太平洋副热带高压稳定维持，呈东西带状分布，副高脊线大致稳定在33°N～36°N，中心位于日本岛以南的洋面上。其南侧的台风“Saomai”受副高南侧深厚而稳定的东南气流引导，向西北方向移动，移速较快。100 hPa南亚高压强而稳定，引导副高不断西伸加强。

中高纬度地区90°E～120°E之间，存在数个稳定低压槽，140°E～150°E为高压脊控制，且不断有暖平流补充，副高强度不断加强。10日18时，副高西伸与大陆高压合并，加强北抬，其轴线转为西北—东南向，台风“Saomai”的引导气流偏南风分量加大，其路径明显向北偏移。

10日晚“Saomai”登陆后，环流形势发生了明显的变化。高层500 hPa出现了强盛的偏东风和强负散度区，200 hPa风速明显增强，风垂直切变增大，不利于台风强度维持，“Saomai”逐渐填塞消亡。

2.3 卫星云图分析

台风在卫星云图上表现为灰白色的涡旋云系，有时可见一个黑色的亮点即为台风眼。台风“Saomai” 9—11日的卫星云图如图1所示。从云图演变(图1a、图1b)可以直观看出台风云系逐渐趋于浓密白亮，中心稠密区近似为圆形，台风眼也愈加清晰可见，螺旋度加强。此阶段台风“Saomai”已发展为超强台风，强度仍在加强。10日12时(图1c)，台风在浙江登陆，登陆后台风逐渐减弱，稠密云区向四周消散，此前清晰可见的台风眼消失；11日00时(图1d)，500 hPa强负散度破坏了台风的结构，台风螺旋结构趋于松散，圆形涡旋结构消失，转变为一个近似逗点的云系。

图1 2006年8月9-11日NOAA卫星云图(a 9日12时；b 10日00时；c 10日12时；d 11日00时)

3 模拟结果分析

3.1 台风路径模拟

图2给出台风“Saomai”的模拟路径和CMA最佳数据路径，表2给出台风“Saomai”模拟路径与CMA最佳数据路径偏差情况。由图2、表2可见，模拟初始阶段9日12—18时，最佳路径与模拟路径近乎重合；18时“Saomai”实际位置与模拟位置仅相距约15 km；18时后，两路径差距逐渐加大，10日00时相距约38 km，06时相距约46 km；06时后，最佳路径与模拟路径差距进一步加大，12时相距约达100 km，18时相距约达145 km。可见，模式对“Saomai”路径的模拟在初期阶段还是较为成功的。从9日12时至10日06时，模式较好地再现了“Saomai”的移动路径，路径偏差较小；但模拟路径台风中心略超前于最佳路径台风中心。10日06时，“Saomai”中心最低气压降至920 hPa，达到最强阶段。实况显示“Saomai”继续向西北方向快速移动，移向较之前略偏南，而模拟台风此时已偏离西北方向，向西南方向移动并于12时左右登陆福建。模拟台风的路径、登陆时间与最佳数据路径出现了一定的偏差，是因为模拟出的大陆高压位置偏东，致使高层出现偏北引导气流，同时模式本身对超强台风的模拟存在不足，使得模拟路径向西南偏移。但总体来看，模式还是较好地把握住了台风的发展和移动特征。

3.2 大气环流模拟

图3为台风“Saomai”登陆期间高低空环流形势分布的模拟。分析高空图可知台风“Saomai”主要受到副高以及大陆高压、广东南部“宝霞”台风的共同影响，模拟的高低空主要天气系统与实况较为吻合。8月9日18时(图3a、图3b)，台风低压环流逐渐靠近台湾岛，850 hPa和300 hPa上有明显的低压环流，其北侧是副高南部的东南气流，此时大陆高压偏弱；高空300 hPa大陆高压和副高之间有一明显中纬度高空槽，槽前暖平流输送至副热带高压区，副高增强并稳定维持，台风沿副高南侧继续向西北移进。10日06时(图3c、图3d)，副高继续西伸，此时大陆高压加强，两高有合并的趋势；台风“Saomai”在副高南侧的东南气流引导下继续向西北移进，此时其强度明显增强，台风眼最为清晰。12时，850 hPa台风低压环流已移至陆地上空，副高深入内陆与大陆高压合并，阻断了台风“Saomai”的北上之路。台风“Saomai”傍晚登陆后(图3e)，副高脊线呈东西走向，偏南风的引导分量明显减小，“Saomai”主要以西移为主。而模拟出的大陆高压位置偏东(图3f)，高层出现东北风引导气流，使得模拟出的“Saomai”路径偏南。由图还可看出，太平洋的东南暖湿气流和“宝霞”台风带来的西南气流为台风暴雨区提供充足的水汽，造成台风登陆后的暴雨强度较强、范围广；位于台风西北部的中高纬高空槽引导北方冷空气南下，与洋面的东南暖湿空气交汇，有利于台风降水的加强。在登陆后期，环流形势发生变化，台风“Saomai”强度逐渐减弱，从云图上(图1d)也可以看出螺旋云系逐渐消散，减弱为弱低压。

图2 台风“Saomai”模拟路径与最佳路径对比

表2 台风“Saomai”模拟路径与最佳路径对比表

3.3 累积降水模拟

伴随着68 m/s的超强大风，“Saomai”的降水强而急，且降水点集中。10—12日，强降水主要集中在浙江南部、福建北部及江西中北部的部分地区。10日傍晚台风登陆浙江苍南县后，风雨加强。风雨增强的主要原因是：副高南侧的低压环流与副高形成气压北高南低的分布形势，尤其是副高和大陆高压合并增强后，气压梯度再次加大，造成风力猛增；副高南侧的东南气流源源不断向台风区输送暖湿气流，加之“宝霞”台风也将中国南部暖湿气流向东北输送，为强降水提供了充足的水汽。

图4给出了8月10日00时、06时、12时、18时前2 h累积降水模拟分布。10日00时(图4a)，台风仍处在台湾北部的洋面上，以洋面降水为主，围绕着台风低压中心，降水随低压环流近似为螺旋形式分布，云墙附近降水量以12～25 mm为主，部分地区达到25 mm以上，此时位于“Saomai”西南方的“宝霞”台风为降水区输送了充足的水汽。06时(图4b)浙江大部分地区已经出现降水，2 h降雨量达到25～50 mm，部分地区超过50 mm。在这期间台风已发展为超强台风，最大风速达到 50 m/s以上。随后台风一直处于临海增强的状态，如图4c所示，强降水范围明显扩大，浙江和福建北部地区出现暴雨，强降水中心位于26 °N、119 °E附近，降水强度达到50 mm/h以上。18时(图4d)以后，“Saomai”近中心风力达到17级，大范围的雨区一分为二，大部分强降水集中在江西、浙江、福建交界一带，与上一时刻相比向西西南偏移，这与模拟出的登陆后台风路径向西南偏移相吻合。

图3 2006年8月9—10日850 hPa(a、c、e)和300 hPa(b、d、f)高低空环流的模拟(黑色实线为等高线，单位为gpm。a、b为09日18时；c、d为10日06时；e、f为10日12时)

图4 2006年8月10日地面2 h累积降水量(单位为mm；a、b、c、d分别为00时、06时、12时、18时)和海平面气压(实线，单位为hPa)

4 物理量模拟诊断分析

4.1 动力条件

4.1.1 850 hPa和500 hPa涡度 2006年8月9—10日台风“Saomai”850 hPa和500 hPa涡度模拟场如图5所示。研究采用的模式分辨率为5 km，明显高于NCEP资料，模拟的最强涡度达到10-3量级。9日18时(图5a、图5b)，“Saomai”达到超强台风级，模拟的初始阶段台风路径与最佳路径较为吻合，相应的涡度场上涡度中心(25.5 °N，122 °E)与台风中心(25.9 °N，123.8 °E)位置也比较接近。图5c、图5d对应时刻为10日12时，台风处于临近海岸阶段，此时模拟的850 hPa和500 hPa涡度均明显增强，最强达到10-3量级以上，且高值区基本出现在海岸附近区域。在850 hPa上，台风东南侧的涡度明显强于其它方位，表现出一定的非对称性，涡度的结构和强度与12时的2 h累积降水(图4c)有较好的对应，最大正涡度区(26.5 °N，118.5 °E)对应强降水区(26.2 °N，118.8 °E)。在这两个高度场上同时出现两个强涡度中心，分别位于台风的东南和西北区域，说明这些区域有强烈的上升运动；同时副高南侧东南气流和台风“宝霞”带来的西南气流为降水区提供了充分的水汽条件，使得浙江南部、福建北部地区出现了暴雨或特大暴雨(图4c)。西南侧的强涡度区和强降水区对应较好，但模拟出的台风东北方向的区域并未出现强降水，且降水较分散。与模拟出的强涡度不符合，出现偏差的原因是，台风“Saomai”的东北区域缺少了来自台风“宝霞”的水汽供应。无充足的水汽条件，故无法产生较强的降水，因此台风东北和西南两侧的降水呈不对称分布。18时(图5e、图5f)，随着台风路径向西西南偏移，强涡度中心也随着向西移动，850 hPa强涡度区较上一时刻明显缩小，标志着台风强度减弱。

由以上分析可知，850 hPa涡度场演变与台风强度变化有很好的对应关系。涡度的分布和变化表现出明显的非对称性，与累积降水分布大体吻合，但仍有部分偏差，水汽条件是原因之一；因此涡度并不能完全指示降水，但在一定程度上仍可判断出降水大致分布情况。

4.1.2 螺旋度 是一个衡量风暴入流气流以及涡度在入流方向分量大小的物理量，能够反映出大气运动场特征，对大气运动性质和特点的描述有一定的贡献。刘汉华[21]指出垂直螺旋度的水平分布与降水区域有很好的对应关系，正的螺旋中心与强降水相对应。覃丽[22]在一次暴雨过程的分析中也指出,螺旋度的大值中心及其演变能较好地反映暴雨区和中尺度涡旋的位置及演变。可见，螺旋度的大值区对降水有一定的指示作用。

图6是“Saomai”近海及登陆时的相对螺旋度模拟分布场。由图6可见螺旋度正值中心随着台风路径向西偏南推进。10日12时台风处于近海阶段，引起的浙闽地区降水已达暴雨。由图4c可见，台风降雨中心在26.2 °N，118.8 °E附近，最大2 h累积降雨达到100 mm以上，而螺旋度图上(图6a)暴雨区附近的上空有一螺旋度正值中心(26 °N，118 °E)，最强达600 m-2·s-2。18时台风登陆后，暴雨仍持续，出现两个强降雨中心，分别是26 °N，118 °E和27 °N，120 °E(较前者弱)，正螺旋度大值中心较前一时刻向西南偏移(图6b，25 °N，117 °E)。由相对螺旋度变化图的分析可知，随着台风登陆后路径向西南偏移，相对螺旋度正值中心也向西南推进，与强降水中心吻合较好，故相对螺旋度越大，降水越强，对降水的指示意义较大。

4.2 水汽条件

水汽通量是表示水汽输送强度的物理量，指单位时间流经单位面积的水汽质量，一般以水平水汽通量来指示水汽的输送来源。850 hPa水汽通量和流场形势(图7)分析表明，台风“Saomai”的水汽主要来源于两个地区：一是西太平洋至我国东南海域；二是我国南海区域。10日12时(图7a)，水汽通量强中心达到3.5 g/(s·hPa·cm)以上，中心位于28 °N，119 °E附近，此时地面强降水中心(图4c)位于水汽通量最大值的西南方向。18时，台风登陆后快速减弱的同时，水汽通量大值区范围也随之缩小，水汽通量减小至3.0～3.5 g/(s·hPa·cm)，中心位于29 °N，118 °E(图7b)。水汽通量减小的同时，强降水中心没有出现明显缩小，但降水量有减小的趋势(图4d)。由此可见，水汽通量并不能很好指示降水的具体位置，但能反映出降水量的变化趋势，有一定的指示作用。

图5 2006年8月9-10日850 hPa(a、c、e)和500 hPa(b、d、f)涡度模拟图(色斑，单位a、c、e为s-1，b、d、f为10-5s-1；a、b为9日18时；c、d为10日12时；e、f为10日18时)

图6 2006年8月10日 WRF模式模拟地面到3 km高度的相对螺旋度(单位为m-2·s-2；a 12时，b 18时)

图7 2006年8月10日850 hPa水汽通量散度(阴影，单位为g/(s·hPa·cm)；箭头为风矢量，单位为m/s；a 12时，b 18时)

5 结论及不足

利用GFS资料和WRF模式等对台风“Saomai”开展高分辨率数值模拟，并利用涡度、螺旋度、水汽通量散度等对“Saomai”登陆期间造成的强降水开展模拟诊断研究，主要得出以下结论。

(1)台风“Saomai”的路径主要受西太平洋副热带高压和大陆高压的共同影响，并在500 hPa引导气流的作用下，向西北偏西方向移动。副高南侧的东南气流和台风“宝霞”的西南气流为暴雨区提供充足的水汽来源。

(2)模式较好地再现了台风“Saomai”登陆前后的发展演变过程，模拟的台风路径与观测路径基本吻合，仅在登陆之后模拟的路径偏南。在整个模拟时段内，模式较好再现了台风的高低空环流与周围系统的相互作用，较成功地模拟出台风的累积降水。

(3)利用模式输出的高分辨率资料，对台风的动力和水汽条件开展诊断分析。结果表明：动力条件方面，对流层850、500 hPa涡度场演变与台风强度变化有很好的对应关系，强涡度中心、相对螺旋度与暴雨中心基本吻合，诊断量的强中心对应强降雨地区，中心值越大，降水强度越大，仅个别地区出现差异(还与水汽条件有关)；水汽条件方面，水汽通量较好地指示了辐合区的水汽来源和降水趋势。

(4)利用高分辨率数值模拟从动力条件和水汽条件等方面分析了台风“Saomai”登陆期间的降水特点，但只从宏观上考虑降水的成因，并未涉及热力学和云微物理等微观层面，致使研究结果不够全面。要全面认识台风登陆及其影响的全过程，必须同时兼具宏观和微观的理论研究，才能提高气象工作者对台风的预报水平。