暴雨動力機制與數值試驗探析范文

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摘要：

利用常規氣象資料、區域自動站資料和1°×1°的NCEP再分析資料，對1209“蘇拉”臺風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值試驗，結果表明：“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上升運動的發展，超低空偏南風急流為暴雨區提供充足的水汽條件，急流在強降水發生前增強北推；陸地摩擦使近岸一帶生成風速輻合線（岸風鋒）是觸發暴雨的中尺度系統，其強弱對暴雨強度有直接影響。

關鍵詞：

暴雨；動力機制；數值試驗；風速輻合

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、地形等因素有關［1－2］，并且離不開中尺度系統的活動［3－6］。后部暴雨是福建臺風登陸后暴雨的一種類型，位于臺風路徑的反方向，主要發生在臺風中心東側暖式切變與西南風急流的配合之下［7］，后部暴雨常由中尺度系統造成，局地性、隱蔽性較強，其引發的山洪、地質災害危害極大。已有很多專家對臺風后部暴雨作深入研究。劉愛鳴等分析了0212號臺風“北冕”造成福建大暴雨過程的環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及強度的影響［8］；朱艷萍對福建省臺風后部暴雨作了氣候特征分析和物理量診斷研究，總結了此類暴雨的環流背景以及動力場、熱力場特征，并得出了一些判據指標［9］；林毅等對9608臺風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生發展的有利條件，并分析了干舌卷入、地面中小尺度輻合系統、地面中尺度能量鋒區以及地形作用對暴雨的影響［10］。這些研究為臺風后部暴雨預報提供了很好的思路。2012年9號臺風“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這一次臺風后部暴雨過程的特點進行分析，通過天氣學分析、物理量診斷以及WRF數值模擬等手段，揭示觸發暴雨的中尺度系統以及強降水發生發展的有利因素，對臺風后部暴雨的落區與強度預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”臺風路徑，本次暴雨過程發生在臺風中心進入江西境內以后，發生在臺風的東側外圍、遠離臺風中心的福建東北部沿海（寧德市），暴雨中心離臺風低壓中心距離超過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展起來并向西北方向移動，最強降水出現在柘榮站（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，強降水持續時間僅3～4h，時空分布具有明顯的中尺度特征。從測站風場資料看，強降水發生前東南風有明顯增強，達到18m／s，是強降水發生發展的一個明顯征兆。

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，在臺風北側形成穩定的帶狀高壓帶，使臺風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、環流維持，4日02：00500hPa臺風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，這種抬升作用與風速成正比，臺風過程如有西南風、南風、東南風匯合在一起時，在風場的匯合點，往往是暴雨最強的地區。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低壓中心東側暖式切變位于福建東北部，切變南側沿海有很強的偏南風急流，最強風速達到16m／s，閩東北地區位于暖式切變北側，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有強烈的上升運動，上升氣流層次很高，到達300hPa附近高度，上升速度的最強中心位于850hPa層，數值達－120×10－4hPa•s－1。在暴雨區的北側則是整層的正速度區，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，暴雨區為低層輻合中心所在，其北側為輻散，可以看出在暴雨區附近存在一個鉛直環流，該鉛直環流的生成使上升運動持續，促進了強降水的發生發展。從圖3b中還可以看出，暴雨區低層輻合中心上空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系分析

3．1超低空急流為暴雨區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；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，位于臺風中心附近的福建西部內陸，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相對應，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，邊界層內（925hPa）的超低空急流，可為暴雨區提供充足的水汽來源。分析表明，就臺風外圍暴雨而言，水汽條件雖不如臺風中心附近強，但在有利的動力、熱力條件配合下，弱的水汽輻合也可產生較強降水，只是該強降水持續時間不長，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關系

本次臺風后部暴雨發生在西南季風較為強盛時期，用EC－thin資料分析風場變化（圖略），可知臺風登陸前500hPa南海南部有一支風速12m／s以上的西南季風向臺風東側輸送水汽和能量，后部暴雨發生前這支西南季風雖有所減弱，但受臺風移動緩慢、環流維持以及臺灣海峽狹管效應影響，925hPa上在臺風東側的臺灣海峽有超低空偏南風急流維持，并逐漸加強北推，20：00急流達到最強，風速達16m／s，其后雖略有減弱但風速仍然維持在12m／s以上。圖5是8月3日08：00至4日02：00逐6h南風分量沿119．9°E的空間剖面圖，以10m／s南風風速的北推作為超低空急流北推的參照，可以看出08：0010m／s南風風速過25．5°N，14：00到達26．0°N，20：00已過26．5°N，對柘榮站而言，南風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象息息相關，急流的最強值出現時間比強降水時間有0～6h的提前量，可作為暴雨預報的參考指標。

4邊界層內的中小尺度系統分析與數值試驗

4．1“岸風鋒”對暴雨的觸發作用

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

4．2基于WRF模式的地形模擬試驗

4．2．1數值試驗方案設計

針對本次后部暴雨過程，采用WRFV3．2．1版本進行地形數值模擬試驗。臺風過程地面氣壓低，925hPa層可代表近地層的情況，所以風場的地形模擬試驗選用925hPa層，時間為暴雨發生前的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。模擬區域的中心經緯度為119．03°E、26．23°N，網格水平方向為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，陸面過程參數化采用Noah方案，邊界層采用MYJ方案，積云對流參數化采用Kain－Fritsch（newEta）方案，各要素場采用每間隔1h輸出一個模擬結果。試驗方案有兩種：地形不變與無地形。

4．2．2地形試驗結果

風場模擬試驗結果表明（圖8）：兩種試驗在臺灣海峽都有一條南北向的偏南風風速中心，數值達16m／s，海峽上這一支偏南風超低空急流的位置和強弱與實況基本相符，表明數值模擬結果是可信的。有地形時，福建中北部沿海風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“岸風鋒”；無地形時，在福建中部沿海也有“岸風鋒”存在，但寬度比較窄，該“岸風鋒”的生成原因應該是流場的匯合，閩東北（寧德）陸地上則風速等值線紊亂，無風速輻合故沒有“岸風鋒”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低壓中心南側的福建西南部內陸到江西南部，閩東北有次強降水中心，數值為90mm，就落區而言，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的那一個，閩東北地區只有30mm左右降水。地形試驗結果表明：受地形影響生成的“岸風鋒”直接觸發了后部暴雨，且其寬度、強弱對暴雨量級有直接影響。

5小結

（1）“蘇拉”臺風后部暴雨為臺風暖切附近的中尺度暴雨，發生在低層西南、偏南、東南3支氣流匯合處，氣流匯合促進了上升運動的發展，使強降水發生發展具備了良好的動力條件；暴雨區有鉛直環流存在，對上升運動的發展與持續十分有利。

（2）本次后部暴雨過程西南季風較為強盛，且福建沿海有超低空偏南風急流維持，為暴雨區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，上岸后風速減弱，925hPa在沿海一帶存在一條與海岸近乎平行的風速輻合線，在等風速圖上表現為一條“岸風鋒”，該“岸風鋒”與后部暴雨有很好的對應關系，是后部暴雨的觸發機制。

（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“岸風鋒”導致了后部暴雨的發生，“岸風鋒”的寬度、強弱與降水范圍、強度有直接關系，進一步表明“岸風鋒”是觸發暴雨的中尺度系統。

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［10］林毅，劉愛鳴．9608臺風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