集合動力因子對登陸臺風(fēng)“莫拉克”（0908）暴雨落區(qū)的診斷與預(yù)報(bào)研究

許孌 何金海 高守亭 林青

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

1 引言

熱帶氣旋（臺風(fēng)）引發(fā)的災(zāi)害在十大自然災(zāi)害中高居首位，其主要部分是由熱帶氣旋引發(fā)的暴雨洪澇災(zāi)害，發(fā)生時(shí)間為熱帶氣旋登陸前后。而我國是世界上熱帶氣旋登陸最多的國家之一（陳聯(lián)壽和孟智勇，2001；陳聯(lián)壽等，2004），深受其帶來的暴雨、大風(fēng)和風(fēng)暴潮等災(zāi)害的影響，國家經(jīng)濟(jì)、人民生命財(cái)產(chǎn)也面臨嚴(yán)重威脅。因此，臺風(fēng)登陸前后帶來的強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)一直是氣象部門關(guān)注的重點(diǎn)。

降水與動力、熱力、輻射及云微物理等非線性相互作用的過程密切相關(guān)，是預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中難度最大的要素之一。1960年，美國國家氣象中心（National Meteorological Center）發(fā)起了定量降水預(yù)報(bào)及其驗(yàn)證計(jì)劃。隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的改進(jìn)，預(yù)報(bào)員對模式性能了解的增進(jìn)以及對降水過程的理解更加深入，短期降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率穩(wěn)步提升（Olson and Junker，1995）。但是對于某些特殊時(shí)段（如夏季）的強(qiáng)對流天氣引起的突發(fā)性強(qiáng)降水，由于造成降水的中尺度天氣系統(tǒng)空間尺度較小，生命史較短，降水具有局地性和短時(shí)性等特征，預(yù)報(bào)難度大大提高。陳聯(lián)壽（2006）指出，目前，在臺風(fēng)領(lǐng)域，臺風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)比臺風(fēng)的強(qiáng)度和臺風(fēng)風(fēng)雨分布的預(yù)報(bào)都遙遙領(lǐng)先。尤其臺風(fēng)暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足公眾需求和防災(zāi)需求。臺風(fēng)暴雨的觀測技術(shù)也亟待改進(jìn)。

降水的預(yù)報(bào)分為落區(qū)預(yù)報(bào)與強(qiáng)度預(yù)報(bào)，其中落區(qū)預(yù)報(bào)失誤是降水預(yù)報(bào)失誤中最常見的一類（Ebert and McBride，2000），而做好降水預(yù)報(bào)首要的是要提高落區(qū)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。定量降水估計(jì)和定量降水預(yù)報(bào)技術(shù)已經(jīng)在世界幾大主要的預(yù)報(bào)中心投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，一定程度上提高了熱帶氣旋降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。但由于目前對于造成降水的非線性相互作用過程的理解尚存在很多不足，數(shù)值預(yù)報(bào)模式中降水預(yù)報(bào)技巧及準(zhǔn)確率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于模式預(yù)報(bào)的溫、壓、濕、風(fēng)等基本量。因此，定量降水預(yù)報(bào)在實(shí)際業(yè)務(wù)操作過程中存在一定困難。

針對現(xiàn)狀，Gao et al.（2004a，2004b，2005a，2005b，2007）和Gao and Cao（2007）從暴雨觸發(fā)機(jī)理角度出發(fā)，研究并建立了暴雨短期臨近集合動力因子預(yù)報(bào)方法。其思想是加強(qiáng)暴雨中的動力和熱力過程信息的釋用，利用模式預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確的基本產(chǎn)品，構(gòu)建具有明確物理意義、可以表征關(guān)鍵動熱力過程的因子，并將其運(yùn)用于暴雨預(yù)報(bào)。鑒于我國暴雨主要分為臺風(fēng)暴雨、梅雨鋒暴雨、西風(fēng)槽暴雨和低渦暴雨四種類型，且造成各類暴雨的天氣系統(tǒng)及動力、熱力過程均有較大差異，我們需要有針對性地選取能夠有效描述和反映臺風(fēng)暴雨發(fā)生和維持機(jī)理的動力因子，并將其應(yīng)用于臺風(fēng)暴雨的診斷與預(yù)報(bào)?；谶@個(gè)目的，本文首先利用WRF模式對“莫拉克”臺風(fēng)進(jìn)行高分辨率模擬，利用觀測資料與模擬結(jié)果進(jìn)行了細(xì)致的對比驗(yàn)證，然后運(yùn)用模式輸出資料、NCEP-GFS（National Center for Atmospheric Research-Global Forecast System）預(yù)報(bào)場資料和部分動力因子對 0908號臺風(fēng)“莫拉克”兩次登陸前后共72 h（2009年8月6日12時(shí)至9日 12時(shí)，協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）期間造成的強(qiáng)降水及其落區(qū)進(jìn)行診斷與預(yù)報(bào)，檢驗(yàn)這些因子是否對臺風(fēng)暴雨落區(qū)具有診斷和預(yù)報(bào)意義。

2 臺風(fēng)概況和環(huán)流背景

2009年8月5日06時(shí)，“莫拉克”由強(qiáng)熱帶風(fēng)暴加強(qiáng)為臺風(fēng)，先后于7日15時(shí)45分和9日8時(shí)20分在臺灣花蓮和福建霞浦登陸，11日18時(shí)停止編號?！澳恕毕群髮ε_灣和大陸沿海七省帶來特大暴雨。臺灣南部雨量超過 2000 mm，過程最大雨量出現(xiàn)在阿里山，超過3000 mm。福建、浙江、安徽、江西部分站點(diǎn)過程雨量超過 50年一遇(http://www.china.com.cn [2009-12-31])，其中福建東北部和浙江東南部的累計(jì)雨量達(dá)500～800 mm，浙江泰順縣九峰鄉(xiāng)的過程雨量超過1200 mm（陳洪濱和范學(xué)花，2010）。強(qiáng)降水造成了臺灣中南部及東南部的“八八水災(zāi)”，導(dǎo)致全臺673人死亡，26人失蹤，農(nóng)業(yè)損失逾195億新臺幣 (http://www.npf.org.tw [2010-08-23])，強(qiáng)臺風(fēng)“莫拉克”重創(chuàng)臺灣位列2009年我國十大天氣氣候事件之首。

“莫拉克”加強(qiáng)為臺風(fēng)時(shí)刻，臺風(fēng)中心位于臺灣以東約15個(gè)緯距的西北太平洋洋面上（圖1a），實(shí)況中心最低氣壓達(dá)到975 hPa，最大風(fēng)速33 m/s。同時(shí)刻500 hPa高度場上（圖1b），高緯地區(qū)以緯向環(huán)流為主，存在兩槽一脊，中低緯 0907號熱帶風(fēng)暴“天鵝”和 臺風(fēng)“莫拉克”并存。到6日06時(shí)（圖略），兩臺風(fēng)外圍出現(xiàn)閉合等值線，588線西伸至124°E附近，副高與臺風(fēng)環(huán)流在東北—西南方向上形成對峙局面。

圖1 “莫拉克”加強(qiáng)為臺風(fēng)時(shí)刻（8月5日06時(shí)）的海平面氣壓場（a，黑色實(shí)線，單位：hPa）及500 hPa位勢高度場（b，黑色實(shí)線，單位：gpm)，陰影區(qū)代表位勢高度大于5880 gpm的區(qū)域Fig.1(a) Sea level pressure (hPa) and (b) 500-hPa geopotential height (gpm) fields at 0600 UTC 5 Aug 2009 when Morakot intensified into a typhoon.Areas with geopotential height larger than 5880 gpm are shaded

圖2 “莫拉克”(a) 登陸臺灣前（8月7日12時(shí)）和 (b) 登陸福建前（8月9日06時(shí)）的500 hPa位勢高度場（單位：gpm）。 陰影區(qū)代表位勢高度大于5880 gpm的區(qū)域Fig.2 500-hPa geopotential height fields before Morakot making landfall in (a) Taiwan (at 1200 UTC 7 Aug) and (b) Fujian (at 0600 UTC 9 Aug).Areas with geopotential height larger than 5880 gpm are shaded

“莫拉克”登陸前的500 hPa位勢高度場上，河套地區(qū)短波槽以較慢速度（＜10經(jīng)度/天）東移，強(qiáng)盛的副高逐漸東撤（圖2a，b）。7日15時(shí)45分，“莫拉克”登陸臺灣（圖略）。由于引導(dǎo)氣流發(fā)生變化，路徑也開始轉(zhuǎn)向，由原來的沿副高東南引導(dǎo)氣流向西北偏西方向移動轉(zhuǎn)為沿副高脊點(diǎn)外圍向西北偏北方向移動。另外，“天鵝”一直在海南島上空盤旋，與“莫拉克”存在相互作用。李英等（2009）研究認(rèn)為，“天鵝”與“莫拉克”之間有對流云團(tuán)和水汽能量的交換，使得“天鵝”西移入海之后再次加強(qiáng)?！澳恕币搏@得了“天鵝”的正渦度環(huán)流及水汽供應(yīng)。二者相互牽制，導(dǎo)致“莫拉克”強(qiáng)度維持時(shí)間較長，移動速度緩慢（5～10 km/h）。9日8時(shí)20分，“莫拉克”登陸福建（圖略），由于下墊面影響，迅速減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，并沿引導(dǎo)氣流向北偏東方向移動。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文利用WRF模式對0908號臺風(fēng)“莫拉克”及強(qiáng)降水進(jìn)行了高分辨率模擬，模擬時(shí)段為 2009年8月6日12時(shí)至9日12時(shí)。模擬初始場和邊界條件由 NCEP/NCAR（National Center for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）1°×1°的格點(diǎn)資料（間隔 6小時(shí)）形成，模擬區(qū)域如圖 3 所示，中心為（25.5°N，124°E），采用三層雙向嵌套，由外到內(nèi)各區(qū)域格點(diǎn)數(shù)分別為 211×181、271×301、241×301，水平分辨率分別為18 km、6 km、2 km，垂直方向?yàn)?5個(gè)σ層，時(shí)間步長為 45 s。模擬區(qū)域的外層和中層采用 Kain-Fritsch積云對流參數(shù)化方案，內(nèi)層未使用積云參數(shù)化方案；外層采用WSM-3微物理方案，中層和內(nèi)層為WSM-5方案；同時(shí)采用YSU邊界層方案。

交換機(jī)級聯(lián)從一開始就給工業(yè)環(huán)境應(yīng)用帶來了挑戰(zhàn)。除了用于IT領(lǐng)域中的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以外，自動化領(lǐng)域也常使用線型、環(huán)型和樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些經(jīng)過調(diào)整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大幅降低了以太網(wǎng)安裝的布線要求和成本。因此，在工業(yè)應(yīng)用中，采用直通式策略的雙端口交換機(jī)被整合到現(xiàn)場設(shè)備中，直通式意味著數(shù)據(jù)報(bào)文在被完全接收前被轉(zhuǎn)發(fā)。

4 模擬結(jié)果驗(yàn)證及分析

4.1 臺風(fēng)路徑及強(qiáng)度

圖3 數(shù)值模擬區(qū)域示意圖Fig.3 The illustration of numerical simulation domains

圖4給出了模擬與觀測的“莫拉克”臺風(fēng)路徑及強(qiáng)度對比。6日12時(shí)到9日12時(shí)，模擬的臺風(fēng)中心先沿西北偏西方向移動，登陸臺灣以后，路徑發(fā)生一定的偏折，再次入海以后沿偏北方向移動（圖 4a）。與美國聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心（the Joint Typhoon Warning Center，以下簡稱JTWC）、日本氣象廳東京區(qū)域?qū)I(yè)氣象中心（the Regional Specialized Meteorological Center，以下簡稱 RSMC）以及上海臺風(fēng)研究所（the Shanghai Typhoon Institute，以下簡稱STI）三家發(fā)布的最佳路徑相比，模擬路徑與實(shí)況基本一致，但略有偏折。起始階段模擬路徑偏北。登陸臺灣前后，由于地形的影響，模擬的臺風(fēng)路徑發(fā)生明顯偏折，經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整后（約 12 h），又逐漸接近實(shí)況路徑。臺風(fēng)中心移速方面，在登陸臺灣前，模擬的臺風(fēng)中心移速與實(shí)際移速相近，隨后偏快。尤其在臺風(fēng)中心移動到臺灣海峽之后，實(shí)際移速降低到5～10 km/h。這個(gè)時(shí)段內(nèi)，模擬的臺風(fēng)中心在海上移速較快，導(dǎo)致登陸時(shí)間偏早約6 h；模擬路徑偏向?qū)嶋H路徑的東北側(cè)，模擬的登陸地點(diǎn)位于實(shí)際登陸點(diǎn)的北偏東約 0.5°緯距處。其原因可能是“莫拉克”與其他熱帶氣旋之間的相互作用對其路徑和移速產(chǎn)生了一定影響，而模式對于這種相互作用的模擬能力尚有待提高?？傮w來看，模擬結(jié)果能夠把握“莫拉克”臺風(fēng)移動軌跡的主要特征。

臺風(fēng)強(qiáng)度方面（這里指臺風(fēng)中心附近最低氣壓），在整個(gè)模擬時(shí)段內(nèi)，STI與RSMC數(shù)據(jù)集的一致性較高，JTWC資料與前二者差異較大，強(qiáng)度明顯偏弱（差值最大達(dá)到25 hPa，最小7 hPa，圖4b）。模擬的臺風(fēng)中心最低氣壓的時(shí)間演變與RSMC資料最為接近（圖 4b），很好地再現(xiàn)了“莫拉克”登陸臺灣之后中心強(qiáng)度迅速減弱的特征。因此可以認(rèn)為模擬的臺風(fēng)中心強(qiáng)度在很大程度上與實(shí)況相近，整體上再現(xiàn)了“莫拉克”臺風(fēng)發(fā)展演變過程中主要的強(qiáng)度變化特征。

4.2 降水對比

圖4 JTWC（深灰線及圓點(diǎn)）、RSMC（淺灰線及正方形）、STI（灰線及三角形）最佳路徑（a）與臺風(fēng)中心最低氣壓（b）與相應(yīng)的模擬結(jié)果（黑線及臺風(fēng)符號）對比（時(shí)間間隔均為6小時(shí)）Fig.4 Six-hourly (a) tracks and (b) minimum sea level pressure of Typhoon Morakot derived from JTWC, RSMC, STI and the corresponding model simulation results (6 h interval)

圖5為8日00時(shí)的24 h累積降水實(shí)況與模擬結(jié)果對比。大陸觀測降水主要分布在浙江、福建兩省，呈東北—西南向的狹長帶狀，最強(qiáng)降水發(fā)生在兩省交界處，達(dá)到 50 mm以上。模擬的降水區(qū)域與實(shí)況降水范圍大致相同，同時(shí)模擬出了浙閩交界處的強(qiáng)降水中心。浙北的模擬降水較實(shí)況偏強(qiáng)。9日00時(shí)，24 h累積降水大于25 mm的區(qū)域如圖6所示，觀測到的浙江、福建降水強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，最大24 h累積降水達(dá)到200 mm以上，中心仍位于浙閩交界處。模式結(jié)果顯示的降水量也普遍達(dá)到75 mm以上，最強(qiáng)降水落區(qū)與強(qiáng)度均與實(shí)況保持高度一致，但是整體上雨強(qiáng)較實(shí)況偏弱?？傮w來看，模式對降水的模擬比較成功，能很好地再現(xiàn)降水的落區(qū)、走向以及強(qiáng)降水中心。

4.3 水汽條件診斷分析

圖7可見，造成此次暴雨的一個(gè)主要原因是強(qiáng)盛的西南季風(fēng)持續(xù)向東輸送水汽。8月7日850 hPa高度上（圖 7a），西南季風(fēng)水汽輸送帶途經(jīng)孟加拉灣、南海，與西太平洋的水汽隨著臺風(fēng)環(huán)流進(jìn)入臺灣以及大陸上空，最大水汽輸送出現(xiàn)在臺風(fēng)中心的東南側(cè)，達(dá)到40 g s–1cm–1hPa–1以上，其次為東北側(cè)。水汽輸送的不均勻性也反映了“莫拉克”的非對稱環(huán)流結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)日，“莫拉克”在臺灣南部造成的降水普遍超過 100 mm，其中玉山站達(dá)到506.7 mm。8日（圖7b），臺風(fēng)中心穿越臺灣島繼續(xù)西移過程中，其東南部的水汽輸送加強(qiáng)。正是該支西南氣流給臺灣中南部帶來了強(qiáng)降水，十余站點(diǎn)日降水量超過250 mm；臺風(fēng)中心北側(cè)的水汽輸送導(dǎo)致我國東南沿海地區(qū)遭遇暴雨襲擊，損失慘重。9日（圖7c）開始，隨著“莫拉克”的第二次登陸以及向北移動，其強(qiáng)度和水汽輸送明顯減弱，降水區(qū)也自南向北移動。到10日（圖7d），水汽輸送帶減弱、斷裂，我國大陸部分降水主要在江蘇省境內(nèi)，“莫拉克”也趨于消亡。

圖5 2009年8月8日00時(shí)的24 h累積降水 (a) 實(shí)況與 (b) 模式模擬結(jié)果（單位：mm）Fig.5 The 24-h accumulated rainfall (a) observation and (b) simulation (unit: mm) at 0000 UTC 8 Aug 2009

圖6 2009年8月9日00時(shí)24 h累積降水（a）實(shí)況與（b）模式模擬結(jié)果（單位：mm）Fig.6 The 24-h accumulated rainfall (a) observation and (b) simulation (unit: mm) at 0000 UTC 9 Aug 2009

圖7 暴雨期間850 hPa高度場（實(shí)線，單位：gpm）、風(fēng)場（箭頭）及水汽通量（陰影，單位：g s–1 cm–1 hPa–1）：(a) 8月7日; (b) 8月8日; (c) 8月9日; (d) 8月10日Fig.7 850-hPa geopotential height (solid contour, unit: gpm), wind (vector), and water vapor flux (shaded) fields during the torrential rain period: (a) 7 Aug;(b) 8 Aug; (a) 9 Aug; (a) 10 Aug

4.4 暴雨落區(qū)的動力學(xué)診斷與預(yù)報(bào)分析

臺風(fēng)是具有暖心結(jié)構(gòu)和深對流特征的暴雨系統(tǒng)，針對臺風(fēng)暴雨，本文主要運(yùn)用廣義濕位溫θ?，對流渦度矢量CVV以及水汽散度通量G三個(gè)因子。

Gao and Cao（2007）在相當(dāng)位溫定義中引入一個(gè)權(quán)重函數(shù)，得到廣義濕位溫因子定義：

其中，θ為位溫，L為相變潛熱，cp為比定壓熱容，q為比濕，qs為飽和比濕，T為凝結(jié)溫度，k取45。由于真實(shí)大氣既不是絕對的干空氣，也不是處處飽和的濕空氣，而是非均勻飽和大氣，權(quán)重函數(shù)(q/qs)k的取值范圍在0～1之間，因此，廣義濕位溫可以描述真實(shí)大氣中凝結(jié)隨著濕度增加而增加的事實(shí)。暴雨過程中，實(shí)際大氣即非均勻飽和大氣，用廣義濕位溫來描述較為恰當(dāng)。

鑒于深對流系統(tǒng)中濕等熵面與垂直渦度夾角較小，甚至幾乎平行，導(dǎo)致位渦aξ為絕對渦度，eθ為相當(dāng)位溫，ρ為密度）信號較弱，Gao et al.（2004a，2007）研究熱帶深對流系統(tǒng)時(shí)引入對流渦度矢量各項(xiàng)意義同前），將這類系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的動力過程與熱力過程有機(jī)地結(jié)合在一起。其結(jié)果表明，對流渦度矢量垂直分量有較大的量值，是對深對流發(fā)展描述較好的物理量。趙宇等（2009）利用非靜力中尺度模式ARPS研究一次華北暴雨過程時(shí)指出，整層積分的對流渦度矢量垂直分量高值區(qū)與云中水凝物高值區(qū)有非常好的相關(guān)性，可以代表云和對流系統(tǒng)的發(fā)展。臺風(fēng)是典型的具有深對流特征的天氣系統(tǒng)，且造成暴雨的大氣具有典型的非均勻飽和特征，因此本文試圖將絕對渦度矢量與廣義濕位溫梯度構(gòu)造的對流渦度矢量，即應(yīng)用于臺風(fēng)降水落區(qū)的分析。等壓坐標(biāo)系下，其垂直分量形式為：

其中，u，v，ω 分別為等壓坐標(biāo)系中緯向、經(jīng)向及垂直方向的速度，ρ為大氣密度。經(jīng)過尺度分析，略去小項(xiàng)后，在等壓坐標(biāo)系下，可得對流層中低層（850 hPa到500 hPa）的CVVz*的垂直積分量，并取絕對值（由于水汽主要集中在對流層中低層，CVVz*量值較為顯著）：

冉令坤等（2009）在研究 2007年夏季華北暴雨和 2008年年初南方地區(qū)大范圍冰雪凝凍天氣過程的降水落區(qū)問題時(shí)，將水汽的水平散度與垂直運(yùn)動這兩個(gè)造成暴雨的關(guān)鍵因子聯(lián)系起來，并且考慮到強(qiáng)降水過程中的水汽因素，構(gòu)造出一個(gè)新的宏觀物理量——水汽散度通量：

其中，q為比濕。水平方向上的水汽輻合輻散是診斷暴雨系統(tǒng)發(fā)展演變的重要物理量，但是水平散度與暴雨落區(qū)并不是完全對應(yīng)的。由于水汽主要集中在對流層中低層，因此，該因子側(cè)重于強(qiáng)調(diào)與暴雨密切相關(guān)的對流層中低層的動力學(xué)結(jié)構(gòu)。將對流層中低層（850 hPa到500 hPa）的G進(jìn)行積分，得到：

臺風(fēng)暴雨區(qū)典型的垂直動力結(jié)構(gòu)即由低層大氣輻合、高層大氣輻散引發(fā)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，這種情況下水汽散度通量為正值，從物理意義上，水汽散度通量能夠描述對流層中低層水汽輻合向上輸送的過程。本文將水汽散度通量的積分量Gsum用于臺風(fēng)暴雨落區(qū)的分析，研究其是否對臺風(fēng)暴雨也具有一定的診斷和預(yù)報(bào)意義。

4.4.1 廣義濕位溫

利用高分辨率模擬資料，分別對暴雨中心所在的經(jīng)度帶121°E～121.5°E 和 120.5°E～121°E 作θ?緯向平均的垂直剖面圖（圖 8a，b）。9日 06時(shí)，模擬的我國東部沿海的暴雨區(qū)位于 23°N～31°N，相應(yīng)的緯向平均垂直剖面圖上（圖 8a），降水極值區(qū)θ?呈現(xiàn)明顯的“漏斗狀”等值線分布，即降水區(qū)上空等θ?線密集，近乎垂直，水平梯度較大，圖中顯示θ?從1000 hPa到250 hPa附近均有明顯的信號?！奥┒窢睢眳^(qū)域附近，兩側(cè)氣團(tuán)的冷暖對比顯著，并伴隨強(qiáng)烈的上升運(yùn)動（圖略），因此降水強(qiáng)度較大。隨著“莫拉克”中心向西北方向移動，到12時(shí)（圖 8b），模擬的強(qiáng)降水區(qū)主體位于 28°N～31°N，其上空θ?的“漏斗狀”等值線分布更為集中，300 hPa以下信號十分強(qiáng)烈，該區(qū)域與強(qiáng)降水極值中心的對應(yīng)關(guān)系也十分顯著。此時(shí)，降水的次極值中心位于 23°N與 25°N附近，θ?等值線也較為陡立和密集，但該緯度帶“漏斗狀”區(qū)域較為淺薄，最深僅達(dá)到450 hPa附近，不利于對流系統(tǒng)發(fā)展，降水強(qiáng)度偏弱?？傮w來看，垂直剖面上，等θ?線的“漏斗狀”區(qū)域與暴雨落區(qū)十分吻合。θ?作為對位溫和相當(dāng)位溫的改進(jìn)形式，不僅具備守恒性（Gao and Cao, 2007），而且能夠?qū)邓鋮^(qū)提供一定的指示信息。在實(shí)際業(yè)務(wù)中，利用模式預(yù)報(bào)的基本量計(jì)算出的θ?，可以作為預(yù)報(bào)暴雨落區(qū)的有效工具。

4.4.2 垂直運(yùn)動及對流渦度矢量

“莫拉克”引發(fā)的強(qiáng)降水不僅依賴于充足的水汽輸送，也與強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動密不可分。下面針對“莫拉克”登陸我國大陸前后的 9日 00時(shí)至12時(shí)，沿著觀測強(qiáng)降水中心自西南向東北做直線 [(25°N，117°E) 到 (31°N，123°E)]（圖 9a，b，c），分析沿該直線的垂直剖面圖上模擬的垂直運(yùn)動的分布（圖 9d，e，f）。填色長方形標(biāo)注的區(qū)域即實(shí)況降水主體所在區(qū)域。9日 00時(shí)主要降水位于浙江和福建的沿海地區(qū)（圖 9a），浙閩交界處的6 h累積降水達(dá)到50 mm以上。模擬的雨區(qū)西南部的上升運(yùn)動較弱，東北部上升運(yùn)動旺盛，與觀測降水北多南少的分布是相吻合的。強(qiáng)對流中心位于28°N～29°N，南部對流中心最大上升速度達(dá)到1.0 m/s，高度在對流層中部500 hPa附近；北側(cè)上升運(yùn)動最強(qiáng)區(qū)位于200～300 hPa，且一直延伸至對流層頂附近。這表明“莫拉克”引發(fā)強(qiáng)降水期間的上升運(yùn)動強(qiáng)烈，貫穿整個(gè)對流層。隨著臺風(fēng)中心向我國大陸逼近，9日06時(shí)（圖9b），沿海地區(qū)上空的垂直運(yùn)動較前一時(shí)刻增強(qiáng)，原雨區(qū)上空的弱上升中心（27.5°N附近）發(fā)展壯大，對流高度伸展到100 hPa；北側(cè)（29.5°N附近）亦存在深厚的強(qiáng)對流區(qū)。在有充沛水汽供應(yīng)的情況下，該時(shí)段（9日00～06時(shí)）浙江東南部及福建東北部累積降水大幅增加，部分站點(diǎn)甚至超過100 mm。9日12時(shí)（圖9c），由于“莫拉克”已二次登陸，逐漸減弱填塞。雨區(qū)北部的上升運(yùn)動主要集中于對流層中低層，南部上升中心幾乎消失，該時(shí)段的實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)也北移減弱。因此，9日00～12時(shí)這個(gè)時(shí)段內(nèi)，模擬的垂直運(yùn)動與地面觀測降水對應(yīng)較好，模擬結(jié)果是比較理想的。

圖8 模擬的（a）9日06時(shí)強(qiáng)降水中心區(qū)域（121°E～121.5°E）與（b）9日12時(shí)強(qiáng)降水中心區(qū)域（120.5°E～121°E）θ* 緯向平均的經(jīng)向垂直剖面（等值線，單位：K）。陰影為模擬的6小時(shí)累積降水量（單位：mm）Fig.8 The meridional-vertical cross sections of the zonal mean of θ* (contour, unit: K) and 6-h accumulated rainfall (shaded) along (a) heavy rainfall region(121°E-121.5°E) at 0600 UTC 9 Aug and (b) heavy rainfall region (120.5°E-121°E) at 1200 UTC 9 Aug

圖9(a) 9日00時(shí)、(b) 9日06時(shí)、(c) 9日12時(shí)做出的6 h降水落區(qū)預(yù)報(bào)（黑色點(diǎn)線，單位：10–6 m2 s–1 K kg–1）和實(shí)況6 h累積降水（陰影區(qū)）；模擬的 (d) 9日00時(shí)、(e) 9日06時(shí)、(f) 9日12時(shí)沿實(shí)況暴雨中心直線 [(25°N，117°E) 到 (31°N，123°E)] 所作剖面上的垂直速度（等值線，單位：m s–1）和實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)（灰色矩形）Fig.9 The 6-h torrential rainfall location forecast based on(dotted contour, unit: 10–6 m2 s–1 K kg–1) and observed 6-h accumulated precipitation(shaded) at (a) 0000 UTC, (b) 0600 UTC, (c) 1200 UTC on 9 Aug; simulated vertical velocity on the cross section along the line [(25°N, 117°E)-(31°N,123°E)] (contour, unit: m s–1) and observed heavy rainfall range (gray rectangular) at (d) 0000 UTC, (e) 0600 UTC, (f) 1200 UTC on 9 Aug

圖10 利用 NCEP-GFS預(yù)報(bào)場資料（間隔為 6 h）計(jì)算的強(qiáng)降水帶（119.5°E ～120.5°E）上空平均的（等值線，單位：10–6 m2 s–1 K kg–1）與同經(jīng)度帶平均的地面觀測6 h累積降水量（陰影區(qū)）的時(shí)間演變（2009年8月8日00時(shí)至9日12時(shí)）Fig.10 The time evolution of meridional mean of (calculated with NCEP-GFS forecast products of 6-h interval) (contour, unit: 10–6 m2 s–1 K kg–1) and observed 6-h accumulated rainfall (shaded) over the rainstorm area (119.5°E-120.5°E) from 0000 UTC 8 Aug to 1200 UTC 9 Aug

4.4.3 水汽散度通量

同樣的，利用GFS預(yù)報(bào)場資料計(jì)算8日18 時(shí)至9日12時(shí)的垂直積分的水汽散度通量Gsum，其分布如圖11。該因子在我國沿海地區(qū)的分布與對應(yīng)的實(shí)況6 h累積降水落區(qū)較為一致，并且其極值中心的分布與降水最強(qiáng)區(qū)域的偏離程度較小。9日06時(shí)的觀測降水在福建和浙江兩省各存在一個(gè)極值中心，Gsum成功地指示出了這兩個(gè)中心，其極值區(qū)略偏向?qū)嶋H降水中心的東北方（圖 11c）。12時(shí)，Gsum對浙江東部沿海強(qiáng)降水中心的判斷十分準(zhǔn)確（圖11d），同時(shí)，該因子也捕捉到了0907號熱帶風(fēng)暴“天鵝”的降水影響區(qū)域。這是由于水汽散度通量將垂直運(yùn)動及水汽的水平輻合輻散聯(lián)系在一起，結(jié)合了造成暴雨的最關(guān)鍵的兩個(gè)因子，能夠更準(zhǔn)確地描述造成暴雨的核心動力結(jié)構(gòu)，因此該因子在診斷和預(yù)測暴雨落區(qū)方面均有顯著的優(yōu)勢，并且可以提高對強(qiáng)降水中心位置判斷的準(zhǔn)確度。

圖11 利用NCEP-GFS預(yù)報(bào)場資料（間隔為6 h）計(jì)算的Gsum（等值線，單位：10–3 kg–1 m3 Pa s–2）與實(shí)況6 h累計(jì)降水（陰影區(qū)）的水平分布:（a）8日1800 UTC;（b）9日0000 UTC; （c）9日0600 UTC; （d）9日1200 UTCFig.11 The horizontal distribution of Gsum calculated with 4-times daily GFS forecast product (contour, unit: 10–3 kg–1 m3 Pa s–2) and observed 6-h accumulated rainfall (shaded) at (a) 1800 UTC 8 Aug, (b) 0000 UTC, (c) 0600 UTC, and (d) 1200 UTC on 9 Aug

5 小結(jié)

本文運(yùn)用中尺度非靜力模式WRF對0908號臺風(fēng)“莫拉克”兩次登陸過程進(jìn)行了高分辨率數(shù)值模擬，并利用觀測資料對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)一步，利用NCEP再分析資料，GFS預(yù)報(bào)場資料和模式輸出的高分辨率資料，分析了“莫拉克”在我國東南沿海造成的強(qiáng)降水的水汽條件及垂直運(yùn)動，運(yùn)用對流渦度矢量、廣義濕位溫和水汽散度通量三個(gè)動力因子對本次強(qiáng)降水過程進(jìn)行了診斷和預(yù)報(bào)分析，得到以下結(jié)論：

（1）模式對臺風(fēng)中心的移動路徑和強(qiáng)度的模擬比較成功，24小時(shí)累積降水落區(qū)與實(shí)況較為一致，但雨強(qiáng)略偏弱。

（2）造成強(qiáng)降水的水汽主要由西南季風(fēng)輸送，水汽充足且持續(xù)時(shí)間長。雨區(qū)上空為較強(qiáng)的上升運(yùn)動區(qū)，對流深厚。充足的水汽以及強(qiáng)烈的上升運(yùn)動是造成此次強(qiáng)降水過程的直接原因。

（3）運(yùn)用廣義濕位溫θ?、對流渦度矢量垂直分量CVVz*和水汽散度通量G對暴雨落區(qū)進(jìn)行診斷和預(yù)報(bào)。其中，θ?在垂直剖面圖上的“漏斗狀”區(qū)域與暴雨落區(qū)對應(yīng)關(guān)系十分顯著。用每日四次的NCEP-GFS資料計(jì)算的和Gsum進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，發(fā)現(xiàn)大致能夠反映實(shí)況降水落區(qū)，強(qiáng)降水中心大多位于其梯度大值區(qū)附近；其時(shí)間演變與降水的時(shí)間演變比較相似，說明對降水落區(qū)及其發(fā)展移動具有一定的指示意義。水汽散度通量結(jié)合了水汽散度和垂直運(yùn)動兩個(gè)關(guān)鍵因子，做出的落區(qū)預(yù)報(bào)更為準(zhǔn)確，在強(qiáng)降水中心的位置判斷方面也具有一定優(yōu)勢。綜上，將這些因子結(jié)合起來，對于做出較為準(zhǔn)確的臺風(fēng)強(qiáng)降水落區(qū)預(yù)報(bào)是十分有益的。未來將對更多臺風(fēng)個(gè)例展開類似研究，以期能構(gòu)造出物理意義更為完善、對臺風(fēng)暴雨的落區(qū)甚至強(qiáng)度具有更優(yōu)的診斷及預(yù)報(bào)效果的動力因子。

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