大气科学  2019, Vol. 43 Issue (1): 27-48   PDF    
台湾岛地形对登陆台风“莫兰蒂”(1614)强对流雨带发展影响的模拟研究
赵玉春1,2, 王叶红1     
1 厦门市气象局海峡气象开放实验室, 厦门 361012
2 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京 100081
摘要: 2016年9月14~15日超强台风“莫兰蒂”(1614)登陆厦门后在福建省中北部引发了特大暴雨天气过程,特大暴雨由台风登陆后北侧至东北侧一个缓慢移动的长生命史中尺度强对流螺旋雨带活动造成。利用中尺度数值模式WRF(V3.9)对台风登陆引发福建省中北部特大暴雨过程进行了大区域无嵌套数值模拟,较准确地模拟了台风引发特大暴雨的强度和落区,并成功地再现了台风登陆后北侧至东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带的发生、发展过程。分析发现,台风大风区外围几个零散的中尺度辐合区在移入台湾地形下游的弱风切变区、正涡度带、湿静力能(假相当位温、比湿)锋区后,组织发展成一个带状的中尺度辐合带而形成强对流螺旋雨带,长时间地维持和发展,并向东北方向缓慢移动。台湾地形在有利于强对流螺旋雨带长时间组织发展和维持的中尺度环境场的形成中扮演着重要角色,即地形效应在其下游形成的正涡度带(正位涡带)、雨带(位于高湿静力能区)南侧低湿静力能带(即湿静力能锋区),对强对流螺旋雨带的长时间发展维持非常重要。地形敏感性试验的结果进一步证实了台湾地形在台风登陆后东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带形成及维持中的重要作用。
关键词: 台风    特大暴雨    中尺度地形    数值模拟    
A Numerical Study of Taiwan Island Impacts on the Development of the Intensive Convective Rain-Band of Landfalling Typhoon "Meranti" (1614)
ZHAO Yuchun1,2, WANG Yehong1     
1 Laboratory of Straits Meteorology, Xiamen Meteorological Bureau, Xiamen 361012
2 State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Science, Beijing 100081
Abstract: The super typhoon "Meranti" (1614) landed at Xiamen City and produced extremely heavy rain in the central-northern Fujian Province during 14-15 September 2016. A slow-moving long-lasting intensive convective spiral rain-band in the northern and northeastern parts of the typhoon circulation led to the extremely heavy rain after the typhoon made its landfall. A large-domain numerical modelling without nesting was carried out to simulate the extremely heavy rain produced by the landfalling typhoon "Meranti" using mesoscale numerical model WRF (V3.9). The model accurately simulated the intensity and location of the extremely heavy rain, and successfully reproduced the formation and development of the long-lasting intensive convective spiral rain-band after the typhoon made landfall. Analysis of the results indicates that several scattered mesoscale convergences were organized into a mesoscale convergence band and triggered the intensive convective spiral rain band, which maintained and developed for a long time and moved northeastward slowly after they moved into the area of weak-wind shear, positive vorticity band and moist static energy (pseudo equivalent potential temperature, specific humidity) front in the downstream of the Taiwan topography. The Taiwan topography plays a very important role in the formation of the mesoscale environment favorable for the long-time maintenance and development of the mesoscale intensive convective spiral rain-band. The topographic effect is helpful for the formation of a positive vorticity band (positive potential vorticity band) and a low moist static energy area to the south of the rain band (that is, a moist static energy front) in the downstream of the Taiwan topography, which is very important for the long-time maintenance and development of the mesoscale intensive convective spiral rain-band. The results of topographic sensitivity experiment further verify the important role of the Taiwan topography in the formation and maintenance of the long-lasting intensive convective spiral rain-band in the northeastern part of the typhoon circulation after the typhoon made landfall.
Keywords: Typhoon    Extremely heavy rain    Mesoscale topography    Numerical simulation    
1 引言

每年登陆台风带来的狂风暴雨往往给国民经济带来严重损失,并对人民生命财产安全造成极大威胁,因此准确地预报台风路径及其风雨分布是防灾减灾的重中之重,也是我国气象业务预报的重要紧迫需求(端义宏等,2014)。台风登陆后,复杂地形极大程度地影响台风风雨分布。首先,地形迎风坡对台风降雨量有明显的增幅作用,地形强迫作用激发出对流云团形成中尺度雨团,造成台风雨量形成非对称分布(冀春晓等,2007)。地形对登陆台风迎风气流强迫的垂直运动在垂直方向上渗透得更深厚,可使地形对降水增益更大(黄奕武等,2009)。其次,山区地形有利于中尺度辐合线和低涡的生成发展,并有强水汽辐合中心与之相对应,使地形作用造成暴雨增幅(朱红芳等,2015)。再者,地形摩擦辐合及抬升作用使大量对流云团汇集在台风环流特定区域,是复杂地形区强降水形成的重要原因(段晶晶等,2017)。另外,台风、局地地形与季风涌相互作用在极端降水的形成中起到重要作用(Ge et al., 2010),地形还使移经台风的降水向外扩展(Chih et al., 2015)。因此,复杂地形影响使得台风极端降水预报面临极大挑战(Fang et al., 2011)。

我国东南沿海是西北太平洋台风的主要登陆活动地带,然而该地区地形复杂,台湾地形、大陆山地以及两者间的台湾海峡构成的起伏地形及多样的下垫面,对台风的移动路径和强度具有重要影响,使登陆台风的移动路径、强度和风雨预报的不确定性加大。首先,台湾岛地形是影响我国东南沿海及台湾邻近区域台风移动的一个重要因子,地形对台风风速最大区域向台风中心方向“挤压”使台风环流的空间尺度变小,是引起台风路径偏移的可能原因之一(罗哲贤和陈联寿,1995)。其次,在台风登陆期间,台风内核的强风和深对流经常呈现出高度非对称分布,当台风靠近复杂地形区时,这种非对称结构可能会变得更加复杂,并导致台风出现各种可能的路径偏转甚至打转,其中台风内核非对称风引起的平流气流在台风登陆前路径打转中起到重要作用(Jian and Wu, 2008)。再者,地形还是台风迅速加强的一个重要影响因子,地形分流作用及其背风坡效应诱生出中尺度涡旋,激发与台风相关的扰动波列,地形强迫抬升及扰动波列加强垂直运动和积云对流,有利于台风对流发展(薛霖等,2015)。地形摩擦在有潜热加热时通过增强低层拉伸形变来影响台风位涡环状带结构(Wu et al., 2009)。另外,台湾岛地形对台风路径的影响还呈现出多样性和复杂性。当基本气流和台风外部环流受到台湾地形阻滞或者扰动时,西移台风倾向于减速和在台湾上游向南偏转(Yeh and Elsberry, 1993陈俊等,2017)。当台风靠近台湾地形时,地形背风坡诱生的气旋性涡旋与靠近台风发生类似双台风相互作用时,使靠近台风路径出现打转(Yeh et al., 2012)。台风涡旋移动路径对地形阻滞效应比较敏感,当地形阻滞效应弱时,涡旋在地形上游向北轻微偏转,过山时涡旋路径是连续的;当地形阻滞效应(略)强时,涡旋在地形上游向(北)南轻微偏转,次生涡旋在地形(西北坡)西南坡形成,导致涡旋过山呈现出非连续路径(Lin et al., 2005)。还有研究发现,台湾地形对台风强度影响呈现出线性特征,而对台风路径影响呈现出非线性特征,这与地形、台风强度以及引导气流间复杂的相互作用有关(Yang et al., 2008)。台风环流与台湾地形相互作用使得台湾周边的台风路径、强度和降水预报更具挑战性(Wu and Kuo, 1999)。

上述研究重点关注了台风靠近和移经复杂地形时,地形对台风移动路径、强度及其风雨分布的影响,尤其是局地地形的强迫抬升对台风暴雨的增幅作用。然而,当台风移过特定地形后,地形仍处在台风环流内,地形对台风移动路径、强度及其风雨分布影响的相关研究甚少,尤其是地形对下游台风环流内强对流降水发生发展影响方面的研究更为少见。我国东南沿海西行或西北行台风,在经过台湾地形入海和再次登陆后,台湾地形对下游台风环流内强对流降水发生发展有何影响,其中物理机制如何,台风沿偏南路径(移经台湾地形南端甚至以南地区)和偏北路径(移经台湾地形北端甚至以北地区)再次登陆我国东南沿海,台湾地形对下游降水影响又有何差异等科学问题值得深入探索。本文利用2016年9月14~15日经过台湾地形南侧后西移北上登陆厦门的超强台风“莫兰蒂”为例,通过观测分析和数值模拟研究,探讨台湾地形对台风环流内(福建省中北部)强对流螺旋雨带发生发展的影响及其中物理机制,为登陆台风暴雨预报提供科学线索和依据。

2 天气背景

天气尺度环境场、台风路径与降水特征分析中所用的主要资料包括:(1)美国NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research)提供的CFSv2(Climate Forecast System Version 2)0.5°×0.5°(经纬度)6 h一次的再分析资料;(2)福建省地面加密雨量站和地面气象要素加密自动站观测的逐小时雨量资料与地面10 m风场资料;(3)国家气象中心提供的业务化台风路径观测资料。

2.1 天气尺度环境场

2016年9月14日08:00(北京时,下同)100 hPa等压面上,南亚高压脊线位于28°N附近,1672 dagpm特征等高线被台风分割成东西两段,台风位于南亚高压南侧偏东气流内。500 hPa等压面上,西北太平洋副热带高压(简称副高)呈准东西向带状分布,其脊线位于26°~29°N附近,588 dagpm特征等高线西伸至95°E附近,“莫兰蒂”台风位于副高南侧,其中心位于台湾东南侧海面上,在偏东环境气流的引导下向西略偏北方向移动。中高纬西风带低槽位于30°N以北地区,高原低槽和南支短波低槽分别位于高原东坡及海南岛附近。700 hPa等压面上,中南半岛中部的热带风暴南侧西南气流较弱,台风东南侧(15°N,133°E)附近有一热带风暴发展。850 hPa等压面上,中南半岛中部受热带风暴影响,其南部西南气流汇入“莫兰蒂”台风环流,台风北侧气流较南侧强,一支强东南季风气流从东侧汇入台风环流,这表明汇入台风环流的西南气流比较浅薄(图略)。之后,台风逐渐向西偏北方向移动,500 hPa环流形势基本稳定,“莫兰蒂”台风及其东南侧的热带风暴逐渐向西移动,高原东侧低槽发展向东移动,副高和南亚高压分布变化不大,副高受台风影响逐渐分裂。9月15日02:00,台风即将登陆厦门(台风于15日03:05登陆),天气尺度环境场对台风北侧至东北侧暴雨形成极为有利,具体而言:台风北侧至东北侧存在一强的高层辐散区(图 1a),500 hPa与850 hPa间正的涡度平流差和700 hPa强暖平流叠置,位于台风中心及其东北侧(图 1b),低层850 hPa强辐合区位于台风中心及其东北侧暴雨区上空,暴雨区700 hPa与850 hPa的假相当位温差达4 K,存在较明显的对流不稳定(图 1c),暴雨区上空500 hPa与850 hPa风垂直切变相对较大并呈现出散流特征(图 1d)。15日14:00,台风深入内陆至赣北地区,并快速减弱,有利的大尺度强迫场和低层强辐合移出暴雨区(图略),暴雨区降水明显减弱。从大尺度强迫和低层强辐合区的分布及演变来看,中低层正的涡度平流差、低层强暖平流以及低层强辐合的叠置区与暴雨区对应,这与2013年“苏力”台风的特征基本一致(赵玉春和王叶红,2017)。因此,在台风暴雨事件中,中低层正的涡度平流差、低层强暖平流和低层强辐合区的叠置,对台风(特)大暴雨形成具有不可忽视的作用,对(特)大暴雨的落区具有重要指示意义。

图 1 2016年9月15日02:00(北京时,下同)(a)500 hPa位势高度场(等值线,单位:dagpm)和150 hPa辐散场(阴影,单位:10-5 s-1),(b)700 hPa风场(矢量,单位:m s-1)、暖平流(阴影,单位:K d-1)及500 hPa与850 hPa正的涡度平流差(等值线,单位:10-9 s-2,等值线值为5、10、20和30),(c)850 hPa风场(矢量,单位:m s-1)、辐合(阴影,单位:-10-5 s-1)和850 hPa与700 hPa假相当位温差值(等值线,单位:K),(d)500 hPa与850 hPa风垂直切变(矢量,单位:m s-1)和大小(阴影,单位:m s-1)。以上结果来自CFSv2再分析资料,矩形区域表示暴雨区 Figure 1 (a) 500-hPa geopotential height (contours, units: dagpm) and 150-hPa divergence (shadings, units: 10-5 s-1), (b) 700-hPa wind (vectors, units: m s-1), warm advection (shadings, units: K d-1), and positive vorticity advection difference (contours, units: 10-9 s-2, the contours are 5, 10, 20, and 30) between 500 hPa and 850 hPa, (c) 850-hPa wind (vectors, units: m s-1), convergence (shadings, units: -10-5 s-1), and pseudo equivalent potential temperature difference (contours, units: K) between 850 hPa and 700 hPa, (d) vertical wind shear (vectors, units: m s-1) between 500 hPa and 850 hPa and its values (shadings, units: m s-1) at 0200 BJT (Beijing time) 15 September 2016. Results are from CFSv2 reanalysis data, rectangles indicate heavy rain areas
2.2 台风路径与降水特征

2016年9月14日14:00台风位于台湾西南侧附近海域上,之后以20 km h-1左右速度沿西偏北方向移动,15日00:00至01:00台风路径偏北分量突然加大,这在一定程度上影响台风登陆点,之后台风基本沿西偏北方向移动,15日03:00左右在厦门翔安登陆,登陆后台风仍以20 km h-1左右速度沿西偏北方向移动,15日14:00台风移至龙岩西部(图 2)。14日20:00至15日08:00,台风登陆前7 h至登陆后5 h的累积降水量图上(图 2),存在两个强降水区,一个位于厦门至泉州一带,主要由台风内核雨带造成,另一个位于福州至宁德一带,主要由台风外围螺旋雨带造成,两个强降水区的12 h累积降水量皆达200 mm以上。台风登陆后降水强度大,台风登陆后2 h(15日05:00)观测到的最大雨强达133.5 mm h-1,出现在泉州连江。台风特大暴雨给厦门、泉州、莆田、福州及宁德等地带来严重的洪涝灾害。

图 2 2016年9月14日20:00至15日08:00观测的12 h累积降水量(单位:mm)及9月14日14:00至15日14:00台风路径(粗实线)。粗实线上的数字表示时间,1417表示14日17:00,其他依次类推 Figure 2 Observed 12-h accumulated rainfall (units: mm) from 2000 BJT 14 September to 0800 BJT 15 September 2016 and typhoon track (thick solid line) from 1400 BJT 14 September to 1400 BJT 15 September 2016. Numbers on thick solid line indicate time, 1417 represents 1700 BJT 14 September, others are similar

分析台风登陆前后地面加密观测的逐小时风场和降水分布与演变发现,台风登陆前4 h(图 3a),福建东部沿海盛行东北风且风速加大,厦门—漳州—泉州(厦漳泉)一带出现气旋式结构特征的风场;福建东部沿海地区出现两个降水区,一个是有气旋式风场结构特征的厦漳泉一带的降水区,降水达10~25 mm h-1,另一个位于连江至宁德一带,降水强度相对略弱,处于气旋式结构风场外围。台风登陆前1~3 h(图 3b–d),厦漳泉一带气旋式风场进一步增强,这一区域的降水带略向内陆移动并有所增强;在气旋式结构风场外围的连江至宁德一带的降雨开始增强,连江一带地面为东北风与东南风汇流区,宁德一带则为偏东风和偏北风气流切变辐合;两个强降水带间为弱降水区。台风登陆时(图 3e),气旋式风场快速增强,气旋中心位于厦门地区,强降水带位于厦漳泉地区;台风外围连江至宁德一带降水增强,降雨带范围增大,雨带缓慢向东北方向移动,地面东北风与偏东风汇流逐渐转为东北(或偏东风)风速辐合。台风登陆后1~5 h(图 3f–j),地面气旋式环流中心逐渐往西移动到漳州和龙岩交接地带,强气旋式风场维持2~3 h后开始减弱,08:00地面气旋式环流中心演变成风场辐合中心。值得注意的是,台风内核强降雨带随着气旋式环流中心往西移动,降水强度略有减弱,台风内核雨带逐渐分裂出螺旋雨带,逐渐远离台风中心,这与Chih et al.(2015)观测到的台风雨带活动特征一致。台风登陆后6~7 h(图 3k–l),台风外围连江一带强螺旋雨带逐渐向东北方向移至闽浙交界地带,该强螺旋雨带从形成到移出福建,维持了10 h以上。

图 3 2016年9月14日23:00至9月15日10:00观测的地面逐小时降水量(阴影,单位:mm)及风场(矢量,单位:m s-1)演变 Figure 3 Temporal variations of observed hourly surface rainfall (shadings, units: mm) and wind (vectors, units: m s-1) from 2300 BJT 14 September to 1000 BJT 15 September 2016

上述分析可见,厦漳泉一带的强降水主要位于地面强的气旋式风场内,而福州至宁德地区强降水位于地面气旋式风场外的气流汇流区或风速辐合区域内,即厦门至泉州一带的强降水主要由台风内核雨带造成,而福州至宁德一带的强降水主要由台风外围螺旋雨带造成。值得关注的是,台风内核雨带与台风外围螺旋雨带之间基本无强降水,也是明显的弱风区,从地面风场与地面强降水带演变的关系来看,台风内核雨带位于大风区,螺旋雨带位于次大风区,台风内核雨带与台风外围螺旋雨带之间为一弱风区,该弱风区恰好位于台湾地形的下游,即该弱风区的形成可能与台湾地形阻挡和摩擦等作用有关,因而可以推断台风内核雨带与台风外围螺旋雨带的分离可能与上游台湾地形影响有关。

3 模式简介与试验设计

利用美国国家环境预报中心(NCEP)和大气研究中心(NCAR)等研究机构联合开发的天气研究和预报模式(WRF 3.9版本)非静力方案,进行数值模拟和数值试验。考虑到模式Spin up时间及台风路径模拟偏差对台风螺旋雨带发生发展演变的影响,选取2016年9月14日14:00作为模式初始时间,利用美国NCEP提供的GFS 0.5°×0.5°(经、纬度)分析场资料初始化后积分24 h,模拟14日20:00至15日08:00台风螺旋雨带引发的福建中北部特大暴雨过程。为了在有限的计算资源条件下节省计算时间,模式不采取多区域嵌套,仅设置一个模拟区域,其中心点为(25°N,118.5°E),模式区域的水平网格距为4 km×4 km,共436×436个格点。垂直方向上选取混合坐标(近地面采用地形跟随坐标,在一定高度层次逐渐变成等压面坐标),共51层,时间积分步长设为20 s。模式区域采取的物理方案如下:云微物理过程选取Morrison双参数方案(Morrison et al., 2009),不采用积云参数化方案,短波辐射用Dudhia方案(Dudhia, 1989),长波辐射用RRTM方案(Mlawer et al., 1997),地表层物理过程为修正的MM5 Monin-Obukhov方案,陆面过程选用5层热扩散方案,行星边界层过程为YSU方案(Hong et al., 2006)。模式区域采用USGS(United States Geological Survey)的30"分辨率地形。

文中设计了两组试验,对照试验(CTL)和无台湾地形试验(NOTW),其中对照试验(CTL)采用全物理过程和模式真实地形,重点模拟复制“莫兰蒂”台风外围长生命史强对流螺旋雨带组织发展引发福建中北部特大暴雨的细致过程。无台湾地形试验(NOTW)在模式地形中移除掉台湾地区的地形(将台湾地形高度设置为0),不改变地形的下垫面属性,对比分析台湾地形对“莫兰蒂”台风外围长生命史强对流螺旋雨带组织发展的影响及其中可能物理机制。下面首先对台风路径、台风暴雨强度和落区以及“莫兰蒂”台风外围长生命史强对流螺旋雨带组织发展的观测特征和模拟结果进行对比验证,在此基础上分析“莫兰蒂”台风外围长生命史强对流螺旋雨带组织发展的水平和垂直结构特征,探讨台湾地形对“莫兰蒂”台风外围长生命史强对流螺旋雨带组织发展的影响,对比分析对照试验和地形敏感性试验结果,进一步揭示台湾地形在“莫兰蒂”台风外围长生命史强对流螺旋雨带组织发展中的作用。

4 模拟结果 4.1 模拟验证

对2016年9月14日20:00至15日08:00台风登陆前后观测(图 2)和试验CTL模拟(图 4a)的12 h累积降水量对比分析发现:(1)模式较好地模拟出了厦漳泉一带的强降水区,模拟的强降水落区与观测基本一致,模拟的强降水区范围比观测略大,模拟的12 h累积降水达250 mm以上,较观测略强,模拟的强降水区内特大暴雨中心位置与观测略有差异。(2)模式还较好地模拟出了连江至宁德一带的强降水区,模拟的强降水区位置与观测基本一致,模拟的降水强度也与观测接近,但模拟的强降水区内特大暴雨中心位置与观测存在一定的偏差。另外,模式还较好地模拟出了两个强降水区间的弱雨区“间隙”。总体而言,模式较好地刻画出了台风登陆前后的强降水过程。

图 4 CTL试验模拟的2016年(a)9月14日20:00至15日08:00的12 h累积降水量(阴影,单位:mm)以及(b)9月14日14:00至15日14:00台风路径。图 4a中等值线为观测降水量,等值线值为10、25、50、75、100、150、200和250。图 4b中红线为观测路径,蓝线为模拟路径,数字表示时间,1417表示14日17:00,其他依次类推;阴影为模式地形高度(单位:m) Figure 4 (a) 12-h accumulated rainfall (shadings, units: mm) simulated by experiment CTL (Control) from 2000 BJT 14 September to 0800 BJT 15 September 2016 and (b) typhoon track observed and simulated by experiment CTL from 1400 BJT 14 September to 1400 BJT 15 September 2016. In Fig. 4a, the contours indicate observed 12-h accumulated rainfall, the contours are 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200, and 250. In Fig. 4b, the red/blue line indicates observed/simulated typhoon track, numbers indicate time, 1417 represents 1700 BJT 14 September, others are similar; shaded area shows the model topographic height (units: m)

对模拟的台风路径分析发现,在24 h模拟时间内,CTL试验对台风路径做出了较好的模拟,尤其是准确地模拟出了台风登陆点。由图 4b可见:14日14:00~17:00,模拟的台风路径较观测略偏南,最大位置偏差约20 km,14日17:00观测与模拟的台风位置近乎重叠。14日17:00至15日02:00,模拟的台风路径较观测略偏北,最大位置偏差约25 km,15日02:00模拟的台风位置与观测再次吻合,模拟的台风登陆点与观测基本一致(15日03:00)。15日04:00~14:00,模拟的台风路径位于观测的东侧,值得注意的是,由于复杂地形的影响,随着时间的推移,模拟的台风位置与观测的偏差逐渐加大,至15日14:00,模拟的台风位置与观测的偏差达到50 km左右。

对比分析台风登陆前后观测(图 3)和CTL试验模拟(图 5)的地面风场和逐小时降水分布与演变发现,模式不仅较好地模拟出了台风登陆时间和登陆地点,而且较好地模拟出了台风内核雨带分布和演变,尤其是较成功地模拟出了台风外围强对流螺旋雨带的组织发展、维持和移动过程。具体而言:(1)台风登陆前3~4 h(图 5ab),模拟的东北风盛行于福建东部沿海,且随时间推移风速逐渐加大;模拟的厦漳泉一带风场逐渐呈现出气旋式结构,这与观测基本一致;模拟的内陆地区风场较观测略强,模拟的福建内陆地区零散弱降水范围较观测略大,对具有气旋式风场结构特征的厦漳泉一带10~25 mm h-1强降水的模拟较观测略偏西。(2)台风登陆前1~2 h(图 5cd),模拟的厦漳泉一带风场气旋式结构变得更加明显;模拟的东部沿海地区降雨带也向内陆移动并增强,但模拟的降水强度较观测略强。从模拟的01:00降水分布来看,模式模拟出了两个组织完整的雨带,即厦漳泉一带的台风内核雨带,以及连江至宁德一带的台风外围强螺旋雨带,这比观测早了约1 h。(3)台风登陆时(图 5e),模拟的台风登陆位置与观测基本一致,模拟的台风内核雨带及外围强螺旋雨带也接近观测,但模式对台风外围连江至宁德一带强雨带东西范围模拟略偏大,位置模拟略偏西。另外,模式较好地模拟出了台风外围螺旋雨带上的汇流辐合特征,也较好地模拟了台风内核雨带与外围螺旋雨带间的弱风区。(4)台风登陆后1~5 h(图 5f–j),模拟的地面气旋式环流中心逐渐往西移动到漳州和龙岩交接地带,台风内核强降雨带随着气旋式环流中心往西移动,降水强度略有减弱,这与观测基本一致,但模拟的地面气旋式风场较观测偏强;模拟的台风外围强螺旋雨带维持,并缓慢向东北移动至福州一带,较观测略偏西。(5)台风登陆后6~7 h(图 5kl),模拟的台风外围强螺旋雨带逐渐移到福建东北部,而此时观测的台风外围强螺旋雨带近乎移出闽东北地区,即模拟的台风外围强螺旋雨带移动较观测略慢。

图 5 CTL试验模拟的2016年9月14日23:00至9月15日10:00地面逐小时降水量(阴影,单位:mm)及风场(风矢,单位:m s-1)演变 Figure 5 Temporal variations of hourly surface rainfall (shadings, units: mm) and wind (vectors, units: m s-1) simulated by experiment CTL from 2300 BJT 14 September to 1000 BJT 15 September 2016

由此可见,模式不仅较好地模拟出了台风的移动路径和登陆点,而且较好地模拟出了台风暴雨的强度和落区,尤其是成功地模拟出了台风外围长生命史强对流螺旋雨带的组织、发展及其移动特征,以及内核雨带与外围强螺旋雨带间的弱风区和较弱降水区,这表明模式基本抓住了台风动力及其降水物理过程。

4.2 台风外围长生命史强对流螺旋雨带组织发展特征 4.2.1 台风外围长生命史强对流螺旋雨带水平结构特征

分析台风外围长生命史强对流螺旋雨带形成初期的动力、热力、不稳定及水汽分布特征发现,在台风登陆前(14日23:00),一个中尺度低层强辐合区在台风西北侧大风核的边缘地带形成,周边伴随着几个尺度更小的零散辐合区;中尺度辐合区即为强降水区,辐合区上并未有明显的正涡度带(辐合区北侧有未紧密相连的正涡度区),辐合区上有正、负位涡分布;辐合区在一个中尺度高假相当位温(θse)区发展起来,也是在一个中尺度高湿静力能(Ems=cpT+gz+Lq,其中,cpTgzLq分别为比定压热容、温度、重力加速度、高度、比热容、比湿)区发展起来,辐合区及周边存在500~800 J kg-1的对流有效位能,也存在较明显的对流不稳定($\partial {\theta _{se}}/\partial p > 0$),辐合带对应着负的湿位涡(图略)。之后,辐合区在东南气流作用下向北偏西方向移动,期间辐合区发展后又略有收缩,至02:00组织发展为一个准东西向的中尺度辐合带,之后该中尺度辐合带转向东北方向移动。

台风登陆后1 h(15日04:00),由于辐合带西段向北移动分量大,中尺度辐合带由准东西向逐渐演变为东南西北向,辐合带位于台风北侧大风圈东南风(径向出流)与偏东风的汇流带上,辐合带位于一条东西带状的正涡度区上(图 6a);辐合带向北移动到相对弱风区,该弱风区恰位于台湾地形下游(图 6b);辐合带位于中低层风垂直切变大值区的南侧,辐合带北侧风垂直切变矢量为西南风,南侧为偏北风,即辐合带上风垂直切变矢量存在明显的辐散流(图 6c);辐合带基本位于一条正位涡带上,该正位涡带位于台湾地形下游正位涡带的西侧(图 6d)。由此可见,当台风外围强降雨区对应的辐合组织发展成一条中尺度辐合带时,伴随着正涡度带和正位涡带的出现,台风外围强螺旋雨带维持和发展。

图 6 2016年9月15日04:00 CTL试验模拟的(a)850 hPa风场(风矢,单位:m s-1)和正相对涡度(阴影,单位:10-4 s-1)、(b)850 hPa风场(风矢,单位:m s-1)和风速大小(阴影,单位:m s-1)、(c)500 hPa与850 hPa的风垂直切变矢量(风矢,单位:m s-1)和大小(阴影,单位:m s-1)以及(d)850 hPa正位涡(阴影,单位:PVU,1 PVU=10-6 m2 K s-1 kg-1)。图a–d中,等值线为850 hPa辐合(单位:10-4 s-1,等值线值为-5、-10、-25和-50) Figure 6 (a) 850-hPa wind (vectors, units: m s-1) and positive relative vorticity (shadings, units: 10-4 s-1), (b) 850-hPa wind (vectors, units: m s-1) and wind velocity (shadings, units: m s-1), (c) vertical wind shear (vectors, units: m s-1) between 500 hPa and 850 hPa and its values (shadings, units: m s-1), (d) 850-hPa positive potential vorticity (shadings, units: PVU, 1 PVU=10-6 m2 K s-1 kg-1) simulated by experiment CTL at 0400 BJT 15 September 2016. In Figs. a–d, the contours indicate the 850-hPa convergence (units: 10-4 s-1, the contours are -5, -10, -25, and -50)

随着辐合带向东北方向移动和发展,辐合带上的对流有效位能消耗掉,但辐合区东侧(上游)为高对流有效位能区,即上游高对流有效位能空气的入流对于对流雨带的维持起到重要作用(图 7a)。辐合带位于高湿静力能带上,在辐合带与台风内核区之间为一低湿静力能区,辐合带南侧边缘恰位于湿静力能锋区(图 7b)。辐合带上对流不稳定度有所降低,但辐合带东侧上游为对流不稳定区(图 7c)。辐合带对应着一条中尺度湿位涡负值带,这表明对流雨带上存在条件性对称不稳定机制(图 7d)。辐合带位于高比湿区,辐合带南侧为低比湿区,即辐合带南缘位于水汽锋区,辐合带南侧为水汽通量大值区,辐合带与水汽通量辐合带分布基本一致(图 7e)。在θse分布图上,辐合带对应着一条中尺度θse高值带,辐合带南侧为θse低值区,辐合带南缘正好位于θse锋区(图 7f)。随着台风外围强对流螺旋雨带进一步向东北方向移动和发展,强辐合带上条件性对称不稳定机制并未一致维持,但强辐合带上动力、热力、水汽和能量场的主要特征变化不大(图略)。

图 7 2016年9月15日04:00 CTL试验模拟的(a)对流有效位能(阴影,单位:J kg-1),(b)湿静力能(阴影,单位:103 J),(c)925 hPa–800 hPa平均对流稳定度(阴影,单位:10-2 K hPa-1),(d)850 hPa湿位涡(阴影,单位:PVU),(e)比湿(阴影,单位:g kg-1)、水汽通量(矢量,单位:g cm-1 hPa-1 s-1)和水汽通量辐合(等值线,单位:10-6 g cm-2 hPa-1 s-1,等值线值为-10、-25和-50)、(f)θse(阴影,单位:K)。图 7a7b7c7d7f中等值线为850 hPa辐合(单位:10-4 s-1,等值线值为-5、-10、-25和-50) Figure 7 (a) Convective available potential energy (shadings, units: J kg-1), (b) moist static energy (shadings, units: 103 J), (c) mean convective stability (shadings, units: 10-2 K hPa-1) averaged over 925 hPa–800 hPa, (d) 850-hPa moist potential vorticity (shadings, units: PVU), (e) specific humidity (shadings, units: g kg-1), moisture fluxes (vectors, units: g cm-1 hPa-1 s-1), moisture fluxes convergence (contours, units:10-6 g cm-2 hPa-1 s-1, the contours are -10, -25, and -50), (f) pseudo equivalent potential temperature (shadings, units: K) simulated by experiment CTL at 0400 BJT 15 September 2016. The contours in Figs. 7a, 7b, 7c, 7d, 7f indicate 850-hPa convergence (units: 10-4 s-1, the contours are -5, -10, -25, and -50)

由此可见,台风外围强对流螺旋雨带伴随着低层强辐合带的发展,强辐合带位于高湿静力能、高比湿、高θse区,辐合带南缘位于湿静力能锋区、比湿锋区和θse锋区,辐合带上湿位涡小于零,伴有条件性对称不稳定机制,辐合带东侧上游为高对流有效位能气团,即高湿静力能、高比湿、高θse气团为台风外围强对流螺旋雨带的发展提供了水汽和能量,台风外围强螺旋雨带上条件性对称不稳定、上游对流不稳定及高对流有效位能气团的流入为台风外围强对流螺旋雨带的发展提供了不稳定机制,湿静力能锋区(湿度锋区或θse锋区)的存在为台风外围强对流螺旋雨带的长时间维持提供了有利的热力、动力条件。

4.2.2 台风外围长生命史强对流螺旋雨带的垂直结构特征

分析台风中心过台风外围长生命史强对流螺旋雨带组织发展成熟期的垂直剖面发现,强降水区(240 km处)为强对流降水回波区,回波高度甚至高于台风内核区的对流降水回波,强降水区外侧(远离台风中心一侧)低层至边界层存在明显的径向入流,强降水区内侧(靠近台风中心一侧)中低层(700 hPa以下)存在明显的径向出流,两者在强降水区汇流辐合上升到500 hPa以上高度后开始向外径向流出。强降水区附近θse近乎垂直上升,强降水区外侧低层为高θse,具有明显的对流不稳定,强降水区内侧存在一个低θse区,其中心位于800 hPa左右,使得强降水区内侧维持明显的θse锋区(图 8a)。同时,强降水区上空为一个正涡度柱,500 hPa以下为深厚的辐合区,强降水区温度明显高于两侧(图 8b)。强降水区500 hPa以下相对湿度近乎饱和,比湿也明显高于两侧,强降水区位于台风大风区与台风外围次大风区间(图 8c)。另外,强降水区上空为深厚的正位涡柱,高正位涡出现在400 hPa附近,强降水区600 hPa以下为深厚的暖平流,700 hPa为强的正涡度平流,正涡度平流中心位于800 hPa附近(图 8d)。由此可见,台风外围长生命史强对流螺旋雨带的发展维持与其外侧边界层径向入流及内侧中低层径向出流汇合形成的深厚辐合层、低层θse锋区、以及深厚暖平流等密切相关,强降水区外侧具有明显对流不稳定空气的流入对于强对流螺旋雨带的维持具有重要的作用。

图 8 2016年9月15日05:00 CTL试验模拟的(a)θse(等值线,单位:K)、雷达反射率(阴影,单位:dBZ)和径向流场(风矢,单位:m s-1),(b)正相对涡度(阴影,单位:10-4 s-1)、辐合(虚线,单位:-10-4 s-1,等值线间隔为1)和温度(实线,单位:℃),(c)比湿(虚线,单位:g kg-1)、风速(实线,单位:m s-1)和相对湿度(阴影,单位:%),(d)正位涡(阴影,单位:PVU)、正涡度平流(实线,单位:10-6 s-2,等值线间隔为2)和暖平流(虚线,单位:K h-1)的垂直剖面(从台风中心经过外围强螺旋雨带) Figure 8 Vertical cross sections (from the typhoon center across the outer heavy rainfall band) of (a)θse (contours, units: K), radar reflectivity (shadings, units: dBZ), and radial flow (vectors, units: m s-1), (b) positive relative vorticity (shadings, units: 10-4 s-1), convergence (dashed contours, units: -10-4 s-1, the contour interval is 1), and temperature (solid contours, units: ℃), (c) specific humidity (dashed contours, units: g kg-1), wind velocity (solid contours, units: m s-1), and relative humidity (shadings, units: %), (d) positive potential vorticity (shadings, units: PVU), positive vorticity advection (solid contours, units: 10-6 s-2, the contour interval is 2), and warm advection (dashed contours, units: K h-1) simulated by experiment CTL at 0500 BJT 15 September 2016
4.3 台湾岛地形的影响 4.3.1 台湾岛地形下游正位涡带

从台风外围长生命史强对流螺旋雨带的结构特征分析表明,正位涡带(正涡度带)的维持在外围长生命史强对流螺旋雨带的发展维持中起到了重要作用。进一步分析表明,台湾地形在正位涡带的形成中起到了重要作用。图 9是模拟的台风登陆前4 h至登陆后6 h的850 hPa正位涡、辐合和风场分布演变,可以发现,除了台风环流内核区域的正位涡高值区外,在台湾地形的下游存在着一个中尺度的正位涡高值带。当对流雨带的强辐合区形成的时候,强辐合区处于弱正位涡区(图 9a)。随着台风移向内陆以及对流雨带的强辐合区进一步向北移动,辐合区组织发展成一条辐合带,辐合带上伴随着一条中尺度正位涡带,该位涡带位于台湾地形正位涡高值带的下游,并与之近乎相连(图 9bc)。可以推断,台湾地形正位涡高值带的平流效应在强降水辐合带上正位涡的形成和维持中具有一定作用,位涡平流计算证实了这一点(图略)。需要指出的是,强降水辐合带上正位涡带的形成还与地面摩擦以及降水非绝热加热等因素有关。尽管台风逐渐移入内陆,但台湾地形仍位于台风环流内,地形下游一直维持一条正位涡高值带,而强降水辐合带在该位涡高值带下游的正位涡区维持和发展(图 9d–f)。由此可见,台湾地形下游的正位涡高值带对福建中北部强对流降雨带的组织发展和维持起到了不可忽视的动力作用,但该位涡带究竟起多大作用,又通过何种物理机制使得强对流降雨带长时间组织发展和维持还有待进一步的研究。

图 9 2016年9月14日23:00至15日09:00 CTL试验模拟的间隔2 h的850 hPa正位涡(阴影,单位:PVU)、辐合(实线,单位:-10-4 s-1,等值线间隔为4,等值线为强于-4×10-4 s-1的辐合)和风场(矢量,单位:m s-1)分布和演变 Figure 9 Distributions and evolutions of 2-hourly 850-hPa positive potential vorticity (shadings, units: PVU), convergence (solid contours, units: -10-4 s-1, contour interval is 4, the contours show the convergence stronger than -4×10-4 s-1), and wind field (vectors, units: m s-1) simulated by experiment CTL from 2300 BJT 14 September to 0900 BJT 15 September 2016
4.3.2 台湾岛地形下游切变效应

从台湾地形下游流场分布来看,台湾地形高位涡带的形成与台湾地形下游弱风区的形成密切相关,即地形下游弱风区与其北侧的强风区构成的气旋性切变是台湾地形正位涡高值带形成的重要原因。地形影响物理量QChen et al., 2014)为

$ Q = \frac{{{s_1} + {s_2} - {\xi ^2}}}{4}, $ (1)

其中,${s_1} = \partial u/\partial x - \partial v/\partial y, {s_2} = \partial v/\partial x + \partial u/\partial y, {\xi ^2} = \partial v/\partial x - \partial u/\partial y$.Q<0的区域,涡度起主导作用,Q>0的区域,地形拉伸形变起主导作用。从Q的计算可以更加清楚地看到台湾地形在其下游风切变形成中的作用,图 10给出了2016年9月14日23:00至15日09:00模拟的Q值分布和演变,可以看到,14日23:00至15日03:00,台湾地形南侧、西南侧、东南侧、东北侧及东侧Q>0,地形对气流的影响以拉伸形变为主,而在地形的西北侧(气流下游)存在一个Q<0的带状区域,地形对气流的影响以切变为主(图 10a–c)。15日05:00至15日09:00,在台风西移登陆过程中,台湾地形在台风环流内,台湾地形周边及其下游地区的Q分布略有变化,西南侧逐渐演变为以切变为主,但地形对气流影响的主要特征变化不大,即地形南侧、东南侧、东北侧及东侧以拉伸形变为主,而在地形的西北侧(气流下游)仍存在一个负Q值带,地形的影响以切变为主,但负Q值带不如台风登陆前完整(图 10d–f)。

图 10 2016年9月14日23:00至15日09:00 CTL试验模拟的间隔2 h的850 hPa上Q(阴影,单位:10-9 s-2)分布和演变。图中等值线为850-hPa辐合(单位:-10-4 s-1,等值线间隔为4,等值线显示强于-4×10-4 s-1的辐合) Figure 10 Distributions and evolutions of 2-hourly 850-hPa Q (the shearing or stretching role of topography, shadings, units: 10-9 s-2) simulated by experiment CTL from 2300 BJT 14 September to 0900 BJT 15 September 2016. The contours indicate 850-hPa convergence (units: -10-4 s-1, contour interval is 4, contours show convergence stronger than -4×10-4 s-1)
4.3.3 台湾岛地形左侧及下游湿静力能(或θse)低值带的形成

台风外围长生命史强对流螺旋雨带结构特征分析表明,湿静力能锋区(或θse锋区或湿度锋区)的形成对外围长生命史强对流螺旋雨带的维持也起到了不可忽视的作用。分析发现,台湾地形对湿静力能锋区南侧的低湿静力能带的形成有重要影响。图 11给出了2016年9月14日23:00至15日09:00湿静力能的分布演变,可见14日23:00,由于台湾地形对高湿高能空气输送的阻挡作用,一条宽约50~100 km的中尺度湿静力能低值带沿着台风气旋式环流从台湾西南侧海域延伸到厦漳泉一带的强降水区,此时强降水区位于相对高的湿静力能地区,湿静力能锋区特征不明显(图 11a)。至15日01:00,该中尺度湿静力能低值带延伸至泉州以西地区,此时长生命史的强对流螺旋雨带随着湿静力能低值带向西向北推进,台风内核雨带与台风外围雨带被一条宽约100 km左右的湿静力能低值带隔开,长生命史的强对流螺旋雨带主要位于高湿静力能区,南缘为湿静力能锋区(图 11b)。之后,随着台风旋转登陆,该中尺度湿静力能低值带在台风气旋性环流的平流作用下向南伸展至台风的西南侧,中尺度湿静力能低值带呈现出明显的“倒钩状”特征,长生命史的强螺旋雨带沿着湿静力能锋区发展(图 11cd)。随着台风深入内陆强度减弱,台风西南侧湿静力能降低,台风高湿静力能的螺旋结构变得不清晰,长生命史的强对流螺旋雨带向东北方向移动,其南侧仍维持一条中尺度湿静力能低值带,强对流螺旋雨带大多维持在高湿静力能区,尤其是强对流螺旋雨带北段,其南缘锋区特征已不清楚,但雨带南段南缘仍维持较明显的湿静力能锋区特征(图 11ef)。由此可见,台湾地形阻挡作用在台风气旋性环流内中尺度湿静力能低值带以及湿静力能锋区形成中起到了重要作用,而湿静力能锋区伴随着强对流螺旋雨带移动,有利于强对流螺旋雨带的长时间维持。值得指出的是,对比分析湿静力能、θse和比湿分布和演变特征发现,湿静力能低值带、高值区以及湿静力能锋区与θse和比湿的分布和演变特征基本一致,即湿静力能锋区基本为θse锋区和湿度锋区(图略)。

图 11 2016年9月14日23:00至15日09:00 CTL试验模拟的2 h间隔的850 hPa湿静力能(阴影,单位:103 J)和10分钟累积降水量(等值线,单位:mm,等值线为:1、5、10、25和50)的分布和演变 Figure 11 Distributions and evolutions of 2-hourly 850-hPa moist static energy (shadings, units: 103 J) and 10 minutes accumulated rainfall (contours, units: mm, the contours are 1, 5, 10, 25, and 50) simulated by experiment CTL from 2300 BJT 14 September to 0900 BJT 15 September 2016
4.4 台湾岛地形敏感性试验 4.4.1 台湾岛地形对长生命史强对流螺旋雨带形成的影响

地形敏感性试验的结果进一步证实了台湾地形在台风外围长生命史强对流螺旋雨带的维持发展中起到了重要作用。试验NOTW模拟的14日20:00至15日08:00的12 h累积降水量图上,长乐至宁德一带的降水明显减弱,降水中心最大降水量不到100 mm,降水范围明显减小,而厦漳泉及其以西一带的降水明显增强,250 mm以上特大暴雨的范围明显增大(图 12a)。试验NOTW模拟的连江至宁德一带强降水的明显减弱,从侧面证实了台湾地形在台风外围长生命史强对流螺旋雨带维持发展中的重要作用,而试验NOTW模拟的厦漳泉及其以西一带强降水的增强,一方面与台风增强有关(图略),另一方面与无地形阻挡时台风外围高湿高能气团更易卷入台风内核雨带有关。另外,无台湾地形影响情形下,台风路径发生了一定变化,14日23:00开始,试验NOTW模拟的台风路径较CTL试验偏南偏西,至15日14:00模拟偏差达50 km(图 12b),这也是导致厦漳泉及其以西一带降水明显增强的原因之一。

图 12 (a)NOTW试验模拟的2016年9月14日20:00至15日08:00的12 h累积降水量(阴影,单位:mm)及(b)9月14日14:00至15日14:00台风路径。图 12a中等值线为CTL试验模拟的12 h累积降水量(单位:mm,等值线为10、25、50、75、100、150、200和250);图 12b中黑线、红线和蓝线分别为观测、NOTW试验和CTL试验模拟的台风路径,数字意义同图 4b;阴影为模式地形高度(单位:m) Figure 12 (a) 12-h accumulated rainfall (shadings, units: mm) simulated by experiment NOTW (the Taiwan topography is removed) from 2000 BJT 14 September to 0800 BJT 15 September 2016, (b) the typhoon track from 1400 BJT 14 September to 1400 BJT 15 September 2016. In Fig. 12a, the contours indicate 12-h accumulated rainfall simulated by experiment CTL and the contours are 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200, and 250; In Fig. 12b, the black line, red line, and blue line indicate observed, experiment NOTW, and experiment CTL simulated typhoon track, respectively, the meaning of numbers is the same as in Fig. 4b; shaded area indicates topographic height (units: m)

在NOTW试验模拟的地面逐小时降水演变图上,可以更为清楚地看到台湾地形在台风外围长生命史强对流螺旋雨带维持发展中的重要作用。具体而言,无台湾地形时,台风登陆前3~4 h(图 13ab),模拟的福建东部沿海为偏东风和东北风,在福建沿海及内陆地区存在多个零散中小尺度降雨带,厦漳泉一带的降水逐渐增强。台风登陆前1~2 h(图 13cd),模拟的厦漳泉一带风场气旋式结构变得明显,模拟的东部沿海地区降雨带明显增强,但并未向内陆伸展。模式并未在台风外围模拟出组织完整的对流雨带,仅模拟出厦漳泉及其以西一带的台风内核雨带。台风登陆时(图 13e),模拟的台风登陆位置与CTL试验差别不大,但模拟的台风内核雨带范围较CTL试验大,长乐至宁德一带为几个零散的中小尺度强雨带发展。同时,也模拟出台风内核雨带与外围雨带间的弱风区。台风登陆后1~5 h(图 13f–j),模拟的地面气旋式环流中心逐渐往西移动到漳州和龙岩交接地带,台风内核强降雨带随着气旋式环流中心往西移动,但台风中心位置的模拟较试验CTL偏南偏西约20 km,台风外围仍未模拟出组织化发展的强对流螺旋雨带,连江至宁德一带为几个零散的中小尺度强降雨带。台风登陆后6~7 h(图 13kl),模拟的台风内核雨带逐渐减弱,福建东部沿海仍为零散的中尺度雨带。由此可见,无台湾地形时,在台风登陆西移过程中,台风外围无长生命史强对流螺旋雨带维持发展,这进一步证实了台湾地形在台风外围长生命史强对流螺旋雨带维持发展中的重要作用。

图 13 NOTW试验模拟的2016年9月14日23:00至9月15日10:00地面逐小时降水量(阴影,单位:mm)及风场(风矢,单位:m s-1)演变 Figure 13 Temporal variations of hourly surface rainfall (shadings, units: mm) and wind (vectors, units: m s-1) simulated by experiment NOTW from 2300 BJT 14 September to 1000 BJT 15 September 2016
4.4.2 台湾岛地形对长生命史强对流螺旋雨带维持发展环境场的影响

对比分析发现,台风登陆时850 hPa风场上,NOTW试验模拟的台风风场存在明显的非对称性,台风东侧大风半径大,风速向外逐渐减小,位于台风外围的福建东部沿海为多个零散对流降水区(图 14a);而CTL试验模拟的台风风场中,由于受到台湾地形的摩擦阻挡作用,台湾地形下游为一个明显的弱风区,台风外围闽中地区一个中尺度组织化的强对流螺旋雨带在弱风区下游发展(图 14e)。NOTW试验模拟中,由于没有台湾地形的影响,台湾下游区无中尺度的正涡度带出现,台风北侧外围为零散的中尺度正涡度区,伴随着零散的中尺度对流降水区发展(图 14b);而CTL试验模拟中,由于地形的影响(地形下游地形对风场的影响以切变为主),在台湾地形下游弱风和强风过渡区形成一条中尺度的正涡度带(图 14f),也为一条中尺度的正位涡带(图 9c),台风北侧外围中尺度组织化的强对流螺旋雨带在该正涡度带(正位涡带)的下游维持发展。

图 14 (a–d)NOTW试验和(e–h)CTL试验模拟的台风登陆时(15日03:00)(a、e)850 hPa风场(矢量,单位:m s-1)及其大小(阴影,单位:m s-1),(b、f)850 hPa风场(矢量,单位:m s-1)及涡度(阴影,单位:10-4 s-1),(c、g)850 hPa θse(阴影,单位:K),(d、h)850 hPa比湿(阴影,单位:g kg-1)、水汽通量(矢量,单位:g cm-1 hPa-1 s-1)及水汽通量辐合(等值线,单位:10-6 g cm-2 hPa-1 s-1,等值线值为-10、-25和-50)。图 14abcefg中等值线为10分钟降水量(单位:mm),等值线值为1、5、10、25和50 Figure 14 (a, e) 850-hPa wind (vectors, units: m s-1) and wind velocity (shadings, units: m s-1), (b, f) 850-hPa wind (vectors, units: m s-1) and vorticity (shadings, units: 10-4 s-1), (c, g) 850-hPa θse(shadings, units: K), (d, h) 850-hPa specific humidity (shadings, units: g kg-1), moisture fluxes (vectors, units: g cm-1 hPa-1 s-1), and moisture fluxes convergence (contours, units: 10-6 g cm-2 hPa-1 s-1, the contours are -10, -25, and -50) simulated by experiment (a–d) NOTW and (e–h) CTL at the landing time (0300 BJT 15 September 2016). The contours in Figs. 14a, b, c, e, f, g indicate 10-minute accumulated rainfall (units: mm) and the contours are 1, 5, 10, 25, and 50

对比分析还发现,NOTW试验模拟中,台风东侧外围几个尺度约20~30 km的θse低值带沿着台风气旋式环流从台湾西南侧延伸到闽中一带,福建东部沿海为几个尺度较小的θse高值区从南至北间隔排列,闽中一带未形成约100 km的θse中尺度低值带,θse中尺度锋区特征不明显(图 14c);而CTL试验模拟中,一条宽约100 km的中尺度θse低值带沿着台风气旋式环流从台湾西南侧海域延伸到闽中一带的强对流降水区,此时强对流降水区位于θse高值区,强对流降水区南缘θse锋区特征明显(图 14g)。

在水汽分布、水汽输送和水汽通量散度分布图上,无台湾地形影响时,台风东侧外围水汽分布与θse大致类似,即几个狭窄的水汽低值带沿着台风气旋式环流从台湾西南侧延伸到大陆,福建东部沿海水汽分布与θse分布存在一定的差异,为较高的水汽分布区,无明显的中尺度水汽锋区(图 14d);而在有台湾地形影响时,由于地形对水汽输送的影响,台风东侧一条宽约100 km的中尺度水汽低值带沿着台风气旋式环流从台湾西南侧海域延伸到闽中一带的强对流降水区,强对流降雨带位于高水汽区,也为水汽通量辐合区,强对流降水区南缘水汽锋区特征明显(图 14h)。

上述对比分析表明,台湾地形对台风外围强对流降雨带的发展维持起到了重要的作用,一方面,台湾地形阻挡和摩擦效应,在地形下游区产生弱风区,在弱风区的北侧产生正涡度带(东风向北增大,$ - \partial u/\partial y < 0$),正涡度向下游的平流效应及局地动力热力过程,沿着强对流螺旋雨带形成中尺度正涡度带,这有利于强对流螺旋雨带的组织和发展;另一方面,台湾地形阻挡台风低层环流内高温高湿气团的平流输送,在地形下游及其左侧产生θse(湿静力能、湿度)中尺度低值带,在台风外围强对流螺旋雨带南缘形成θse(湿静力能、湿度)中尺度锋区,锋区的存在又有利于强对流螺旋雨带的组织、维持和发展(赵玉春,2011)。

5 结论和讨论

有关中尺度地形对台风暴雨影响的研究,重点强调了地形强迫抬升对台风暴雨的增幅作用(冀春晓等,2007黄奕武等,2009),而本文研究发现,台湾地形对下游台风环流内强对流雨带组织发展有重要影响,台湾地形不仅通过改变台风环流内高温高湿气团输送,影响台风环流内温湿分布等精细结构,而且还通过改变台风环流内动力场结构(尤其是涡度),进而影响台风环流内强对流雨带的组织发展过程,即台湾地形的存在使得台风环流北侧中尺度强对流雨带组织化发展(中尺度雨带尺度增大)和长时间维持。但台湾地形对下游台风环流内强对流雨带的发展影响还与台风位置、路径及其大小等因素有关,其中差异还有待进一步研究,台湾地形对类似路径台风引发暴雨是否也存在同样的作用,也有待进一步的统计分析和数值模拟研究。值得一提的是,局地地形敏感性试验发现,局地地形移除后(移除台风北侧强降水区的地形),台风环流内北侧强对流雨带的组织发展特征与对照试验基本一致,但对流雨带的降水强度有所减弱(图略),这表明台风登陆过程中,局地地形对台风环流内北侧强对流雨带的组织发展也存在一定的影响,但主要影响对流雨带的降水强度,这与以往的研究结果基本一致。

本文利用NCEP/NCAR CFSv2再分析资料、福建省地面加密观测资料以及WRF(V3.9)中尺度数值模式模拟的高分辨率输出资料,分析了登陆台风“莫兰蒂”引发福建特大暴雨天气过程的天气尺度背景、台风外围中尺度强对流螺旋雨带的热动力结构、组织发展和维持特征,揭示了台湾地形在登陆台风北侧至东北侧外围中尺度强对流螺旋雨带的组织发展和维持中的作用,并通过地形敏感性数值试验,进一步验证了台湾地形作用,主要结论如下:

(1)“莫兰蒂”台风位于准东西向带状分布的西北太平洋副热带高压(脊线位于26°~29°N)和南亚高压南侧(脊线位于28°N附近)的偏东气流内。厦漳泉及其以西的特大暴雨主要由台风内核(本体)雨带造成,而闽中北特大暴雨由台风外围北侧至东北侧一个长生命史的中尺度强对流螺旋雨带的活动造成。台风环流内的中低层正的涡度平流差、低层强暖平流和低层强辐合的叠置对台风(特)大暴雨形成具有不可忽视的作用,对(特)大暴雨的落区具有重要指示意义。

(2)台风外围长生命史强对流螺旋雨带的组织发展与其外侧边界层径向入流及内侧中低层径向出流汇合形成的深厚辐合层维持密切相关。低层强辐合区位于高湿静力能、高比湿、高θse区,这为台风外围强螺旋雨带的发展提供了水汽和能量。强辐合区上湿位涡小于零,辐合区东侧上游为对流不稳定和高对流不稳定能量气团,即条件性对称不稳定、上游对流不稳定以及高对流不稳定能量气团的流入为台风外围强对流螺旋雨带的维持和发展提供了不稳定机制。强辐合区南侧为湿静力能锋区、比湿锋区和θse锋区,锋区的存在又为台风外围强对流螺旋雨带长时间维持提供有利的热力动力条件。

(3)台湾地形在台风外围强对流螺旋雨带的发展维持中起到了重要作用。地形的阻挡和摩擦效应在地形下游区产生弱风区,弱风区的北侧产生正涡度带(正位涡带),其向下游的平流过程有利于强对流螺旋雨带的组织和发展。台湾地形阻挡台风低层环流内高温高湿气团的平流输送,在地形下游及其左侧产生θse(湿静力能、湿度)中尺度低值带,在台风外围强对流螺旋雨带的南缘形成θse中尺度锋区,有利于强对流螺旋雨带的长时间组织、维持和发展。

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