浙江省地形對0908臺風“莫拉克”降水影響的數值試驗*

涂小萍 徐迪峰 王 毅

(寧波市氣象臺，浙江寧波315012)

0 引言

地形對天氣系統(tǒng)結構和降水分布的影響研究表明，不同尺度、不同走向地形對不同天氣系統(tǒng)結構和降水分布的影響不同［1-4］。診斷分析表明，地形不僅影響熱帶氣旋(TC)路徑，也是導致TC降水增加的重要因子［5-7］。山脈地形在一定條件下形成的地形輻合線往往是TC內部中尺度對流系統(tǒng)的源［8］。為了研究浙江省地形對TC結構和降水的影響，鈕學新和冀春曉等分別應用中尺度模式對0216號臺風“森拉克”和0414號臺風“云娜”進行了數值模擬，結果表明浙江省地形對這兩個TC的降水增幅作用是不同的［9-10］。季亮等通過對0509號臺風“麥莎”的數值模擬研究發(fā)現，地形的存在有利于維持TC渦旋強度，這種影響隨TC中心與地形間距離的縮小而逐漸增強，且在對流層中高層表現更為明顯［11］。朱會蕓等研究發(fā)現，臺灣島地形對0513號臺風“泰利”渦度場的中心強度和非對稱結構有明顯影響，是臺風外圍降水加強的主要原因［12］。對臺風“海棠”的模擬發(fā)現浙閩地區(qū)復雜的中尺度地形為暴雨的增幅做出了重要貢獻［13］。

0908號臺風“莫拉克”2009年8月4日在西北太平洋洋面生成后一路加強西行，8月7日在臺灣登陸，進入臺灣海峽到再次登陸福建前，由于多個TC環(huán)流和“莫拉克”結構的不對稱性導致其移速緩慢并發(fā)生路徑北折［14］。“莫拉克”臺風給浙江省帶來大范圍強降水，100 mm以上過程雨量覆蓋全省面積的73%，250 mm以上覆蓋面積29%。溫州蒼南的馬站和漁寮分別觀測到42.8和43.2 m/s的14級陣風。

評估表明，浙江省氣象臺業(yè)務運行WRF模式基本能預報出降水空間分布和時間演變，但范圍和量值偏大。就區(qū)域平均而言WRF模式在實況降水量明顯時預報性能較好［15］。本文應用寧波市氣象臺業(yè)務運行WRF模式對“莫拉克”臺風降水預報進行檢驗分析，以了解WRF模式的降水精細化指導能力及浙江省地形對“莫拉克”臺風結構的影響。

1 試驗方案設計

模式和資料同化采用ARW-WRF/3DVAR(V3.1)系統(tǒng)，初猜場采用NCEP/GFS輸出的水平分辨率為 0.5°×0.5°的全球分析場，模式初始化過程中同化了常規(guī)高空、地面觀測資料、浙江省內5部雷達和所有自動站資料，微物理過程采用Thompson方案，輻射采用RRTM長波方案和Dudhia短波方案，初始化未采用TC-Bogus方案，也沒有采用積云對流參數化方案［16-17］。本文設計了2個試驗，試驗中除地形高度不同外，其他試驗條件完全相同。

試驗1:控制試驗，模式地形為真實地形;

試驗2:模式在26°N ～31°N，117°E ～123°E范圍內的地形高度取為0 m。

試驗采用了雙向兩重嵌套網格。模式粗網格距15 km，細網格距5 km，格點數分別為246×232、190 ×181，分別使用 2'和 30″地形數據。粗網格中心點為30°N、120°E，垂直方向取35層eta坐標，模式頂為50 hPa。模式初始時間為2009年8月8日08時(北京時，下同)，共積分48 h，時間積分步長分別為60、20 s。資料分析主要針對24～48 h進行，以保證試驗結果差異沒有受到spin up時間影響。

2 WRF控制試驗預報分析

2.1 模擬臺風路徑和強度分析

圖1為試驗1(WRF控制試驗)8日08時—10日08時逐3 h模擬“莫拉克”臺風路徑與中央氣象臺(CMO)實時業(yè)務定位對比。圖中可見，模式對臺風西北行趨勢有預報能力，但有一定程度的偏差。8日10時—9日12時“莫拉克”緩慢偏北移動過程中，模擬臺風中心明顯偏西，平均偏西0.64個經度，且有定位上的擺動。模擬臺風中心有2次登陸，分別發(fā)生在05—08時和11—14時。模擬中心氣壓分析，9日02時前維持在970 hPa左右，05—08時臺風第一次登陸后中心氣壓并沒有明顯升高，08時僅比05時升高1 hPa，而11時又比08時升高1.8 hPa，表明05—11時臺風強度逐漸減弱，11—14時模擬臺風中心再次登陸后中心強度以每3 h約2 hPa的速度填塞，比CMO實時業(yè)務定強填塞時間提早約3 h。模擬中心氣壓與實時業(yè)務定強對比趨勢一致，但比實時定強偏高，平均偏高6.4 hPa，中心風速偏小9 m/s，分析原因可能與模擬初始時刻中心氣壓就偏高9.5 hPa有關系，而海上觀測資料稀少對于模式精確描述臺風強度及其變化也會產生影響。

圖1 2009年8月8日08時—10日08時WRF預報逐3 h莫拉克臺風路徑與中央臺業(yè)務定位對比(粗黑實線為實況，細灰實線為WRF預報)

2.2 控制試驗降水預報檢驗

試驗1模擬48 h累積降水主要在浙江東部(圖略)，最大降水出現在溫州，中心值超過500 mm，泰順九峰48 h累積雨量465.2 mm。浙南地區(qū)模擬降水主要出現在8日08時—9日08時，浙中和浙北在9日08時—10日08時(圖2a)，而實況浙南降水主要在8日夜間到9日白天，浙中和浙北主要在9日08時—10日08時，模擬浙南強降水時段比實況偏早，浙中和浙北地區(qū)模擬降水時段與實況較接近，9日08時—10日08時模擬50 mm以上降水主要位于浙中和浙北地區(qū)，模式成功預報出寧波西部山區(qū)200 mm以上的強降水帶(圖2a、2b方框內區(qū)域)。

圖2 WRF模式對“莫拉克”臺風9日08時—10日08時模擬降水(a)與實況(b)對比及寧波市氣象站雨量預報與實況散點分布(c)

將WRF模式輸出通過雙線性插值到站點得到寧波市135個氣象站(包括自動站)模擬降水量，分析表明，模式對“莫拉克”臺風9日08時—10日08時降水量預報與實況相關系數達0.762，圖2c為寧波市各站預報降水量與實況的散點分布，站點較均勻地分布在對角線兩側，其中62站(45.9%)預報降水與實況距平百分率絕對值小于20%，60站(44.4%)在20% ～50%之間，僅13站超過50%，150 mm以下降水站點相對于對角線的偏離程度相對小。面雨量預報與實況比較:模式對寧波市中北部5個市縣24 h面雨量預報與實況很接近，寧波市區(qū)預報134 mm，實況為123 mm，而對寧波南部地區(qū)模式預報比實況偏多3～5成。模擬150 mm以下降水站點主要位于地形相對平坦的北部和東部沿海，而150 mm以上降水站點主要在地形相對復雜的南部和西部山區(qū)。地形差異可能是導致模式150 mm以下模擬降水與實況偏離相對小的原因。

對24 h 累積降水量分 50、100、150、200 和250 mm 5個等級對寧波市境內135站預報降水進行 BS(Bias Score)和 TS 評分［18］，結果表明(表1)，模式對50和100 mm以上的降水TS評分比較高，分別達到 0.963 和0.778，BS 接近1，表明模式預報站次接近實況。隨著降水臨界值增大，TS評分逐漸下降，對200mm以上降水TS評分仍有0.320，但漏報率明顯增大，達到0.520，相應的BS降到0.571。對于250 mm以上的特大暴雨模式預報能力較差，TS評分小于0.1。

表1 2009年8月9日08時—10日08時寧波市135站不同等級降水TS、BS評分

逐3 h降水量模擬結果分析，模式較準確地模擬出雨帶隨臺風中心北抬的過程。9日08—11時模擬15 mm以上降水區(qū)影響到寧波市的中、南部地區(qū)，下午影響寧波市區(qū)，9日17—20時寧波西部和南部3 h降水普遍達到50 mm以上，局部3 h累積雨量超過100mm，10日凌晨開始寧波市降水明顯減小，降水帶的移動與實況基本一致。

2.3 模擬雷達回波分析

WRF模式成功再現了“莫拉克”北抬過程中雷達回波的移動。圖3為積分24 h(圖3a)和33 h(圖3b)模擬組合反射率及9日17時實況(圖3c，對應33 h預報)對比(黑框內為寧波地區(qū))，分析可見，積分24 h后寧波南部大部分地區(qū)組合反射率達30 dBz以上，與南部地區(qū)上午開始的明顯降水時間基本吻合。強回波帶隨著積分時間延長逐漸北抬，中午前后整個寧波市被30 dBz以上的回波區(qū)覆蓋，中南部地區(qū)組合反射率強度超過40 dBz，局部地區(qū)超過50 dBz，與寧波中南部的奉化、寧海和象山強降水出現時間一致。9日下午寧波市降水明顯，積分33 h寧波市大部被30 dBz以上的回波覆蓋，并且在寧海、奉化西部山區(qū)和鄞州西部山區(qū)出現超過50 dBz的局部強回波區(qū)，與實況基本相符，但寧波北部慈溪市的部分地區(qū)模擬回波強度不超過10 dBz，比實況稍弱?？傮w來說模式對雷達回波的移動速度和強度把握具有較高的參考性。

圖3 積分24 h(a)、33 h(b)組合反射率預報及9日17時實況(c，對應積分33 h)

圖4 望海崗自動站模擬雷達反射率時間剖面(a)、逐小時降水量時間序列(b)、積分33 h模擬雷達反射率緯向剖面(c)及實況(d)

以寧波市海拔最高的山區(qū)自動站望海崗(圖3中箭頭所指點)為例，對比9日02時—10日08時模擬雷達回波時間剖面圖(圖4a)和逐小時雨量(圖4b)，發(fā)現較強回波主要出現在9日6—23時，17 h前后回波強度達40 dBz以上，40 dBz強度回波高度超過700 hPa，對應17時前后該自動站雨強接近15 mm/h，19時雨強超過40 mm/h，強回波時段與該自動站較強雨強時段對應還是比較好，回波生消發(fā)展對強降水出現時段預報有參考意義。分析還發(fā)現，降水回波主要出現在迎風坡，垂直結構均勻，9日17時(積分33 h)沿望海崗自動站的模擬基本反射率緯向剖面圖(圖4c)上可見:回波集中在119.5°E ～122.5°E 之間的迎風坡和地形上空，望海崗以東的迎風坡和金華北部山區(qū)40 dBz強度的回波能伸展到400 hPa，比實況偏高(圖4d)。10日02時開始隨著臺風遠離模擬和實況回波強度和范圍都明顯減弱。

3 浙江省地形對臺風結構和降水影響

3.1 浙江省地形對降水影響

對比試驗1和試驗2對浙江省9日08時—10日08時降水量預報(圖5a、5b)發(fā)現浙江省地形對“莫拉克”臺風降水分布影響較大，試驗2(圖5b)降水集中在臺風中心附近300 km半徑范圍內，呈相對對稱分布，浙江東南部沿海地區(qū)及近海海域降水相對較強，超過100 mm的降水分布在近海海面。試驗1(圖5a)臺風空間降水發(fā)生了明顯改變，臺州、寧波大部分地區(qū)24 h雨量超過100 mm，50 mm以上的降水增幅帶主要位于28°N以北地區(qū)(圖5c)，降水增幅大值中心一般模式地形高度也相對高，如衢州和金華海拔超過1 km的山區(qū)降水增幅中心值達100 mm以上，杭州北部的天目山區(qū)也有50 mm以上的降水增幅中心。50 mm以上的降水增幅帶與地形走向基本一致(圖5c)，但全省降水增幅最大區(qū)域不是出現在海拔最高的地區(qū)，而是在寧波市西部山區(qū)，有一條150 mm以上的南北向強降水增幅帶，而浙西南麗水境內海拔高度超過1 km的區(qū)域降水并沒有明顯增大，可見地形高度雖然對降水有增幅作用，但降水增幅與海拔高度并不完全呈線性關系。浙江省地形導致“莫拉克”臺風中心后部海面降水量普遍減小50 mm以上，28°N以南的浙南地區(qū)降水增幅也不明顯，僅局部出現50 mm的降水增幅，主要由于浙南地區(qū)模擬強降水出現的時段比實況偏早引起的。

圖5 試驗1(a)、試驗2(b)對9日08時—10日08時“莫拉克”臺風在浙江省降水量預報及差異(c，填色為模式地形高度)

3.2 浙江省地形對大尺度環(huán)流的影響

模擬發(fā)現，浙江省地形對“莫拉克”臺風大尺度環(huán)流的影響在風場上表現為地形輻合線的形成。圖6為積分24 h不同層次地形風矢量場(試驗1與試驗2風矢量差)，此時臺風中心位于25.9°N，120.4°E 的臺灣海峽，在距離臺風中心200 km以上的浙江省上空形成一條近似東北—西南向的輻合線，并隨高度向浙江西南部收縮(圖6a—6d)，浙北地區(qū)地形輻合線在600 hPa(圖6d)以下層次表現清楚，而海拔相對高的浙西南地區(qū)，輻合線一直可以伸展到400 hPa(圖6e)，400 hPa以上地形影響表現為南風的增強(圖6f)，導致臺風在迎風坡風速的明顯減小，最大在麗水境內300 hPa層次風速可減小30 m/s。隨著臺風中心北抬，地形輻合線也隨之北抬，輻合線走向基本為東北—西南向，平行于浙江東部地形。積分30 h(TC 中心26.3°N，120.1°E，靠近閩北陸地)地形輻合線的北端開始影響寧波市，輻合線自東北向西南幾乎跨過了整個浙江省。積分40 h后地形輻合線移出浙江省。沿地形輻合線降水得到了明顯增強，圖7分別為積分24、30、33、36 h 700 hPa地形輻合線及1 h降水增幅。圖中可見10 mm/h以上的降水增幅帶基本沿著中低層地形輻合線，呈東北—西南走向，在地形輻合線后部部分區(qū)域1 h降水增幅＜0，最大降水減少20 mm/h以上，可見地形加劇了臺風降水分布的空間不均勻性。積分36 h(圖7d)地形輻合線影響到杭州地區(qū)，并在千島湖南部誘生出一個地形渦旋，渦旋中心距離臺風中心200 km以上(此時臺風中心在溫州境內 26.7°N，119.8°E)，而地形誘生渦旋東部的寧波、紹興和杭州境內有明顯的10 mm/h以上雨量增幅帶。對比雨量增幅帶和20 h寧波雷達組合反射率實況(圖略)發(fā)現，10 mm雨量增幅帶與30 dBz的回波帶走向對應較好。

圖6 積分24 h不同高度地形風矢量場

圖7 積分24(a)、30(b)33(c)、36(d)h700 hPa地形風矢量及1 h降水增幅(單位:mm)

圖8 積分33 h試驗1(a)和試驗2(b)沿望海崗水平風場及垂直速度緯向剖面及垂直速度差(c)時間剖面

地形還使得上升氣流和下沉氣流相間增強，從而進一步加劇了降水空間不均勻性。如果不考慮浙江省地形影響，“莫拉克”臺風在寧波市的上升速度不會超過0.2 m/s，而試驗1水平風場和垂直速度都發(fā)生了明顯改變。圖8a和8b分別為積分33 h試驗1和試驗2沿寧波市望海崗自動站的緯向剖面圖。不考慮地形時(圖8b)，寧波市南部地區(qū)500 hPa以下層次以偏東風為主，垂直速度一般不超過0.1 m/s。試驗1中(圖8a)迎風坡前以東南風為主，背風坡盛行東北風，迎風坡上升速度明顯增強，在寧波望海崗和金華義烏上空出現2 m/s以上的上升氣流，而其西側中低層下沉氣流也得到增強，紹興市新昌縣出現超過0.5 m/s的下沉氣流，從而形成了次級垂直環(huán)流，進一步增強了降水的不均勻性。分析試驗1與試驗2望海崗自動站垂直上升速度增幅時間序列(圖8c)發(fā)現，望海崗的垂直速度在9日17時得到了最明顯的增強，達到2 m/s以上，上升氣流增強主要表現在600 hPa以下，表明望海崗地形影響主要表現在600 hPa以下的中低層。

4 結語

1)WRF模式對“莫拉克”臺風在寧波市135個氣象站24 h累積降水量預報與實況相關系數達到0.762，模式對50 mm和100 mm以上的降水 TS評分分別達到0.963和0.778，BS接近1，對200 mm以上降水TS評分仍有0.320，并成功預報出寧波市西部山區(qū)200 mm以上的強降水帶。對“莫拉克”臺風北抬過程中雷達回波的移動速度和強度把握具有較高的參考性，模擬降水回波主要出現在迎風坡面，垂直結構均勻，與實況基本符合。

2)模式對浙南地區(qū)模擬降水主要出現在8日08時—9日08時，比實況偏早，而浙中和浙北模擬降水時段與實況基本接近。由于浙江省地形影響，“莫拉克”臺風空間降水發(fā)生了明顯改變，9日08時—10日08時累積50 mm/24 h以上的降水增幅帶主要位于28°N以北地區(qū)，降水增幅大值中心一般模式地形高度也相對高，但降水增幅與海拔高度并不完全呈線性關系。

3)浙江省地形對大尺度環(huán)流的影響主要表現在浙江省境內形成明顯的地形輻合線。地形輻合線基本呈東北—西南向，并隨高度向浙江西南部收縮。浙北地區(qū)地形輻合線在600 hPa以下層次表現清楚，而海拔相對高的浙西南地區(qū)，輻合線一直可以伸展到400 hPa，隨著臺風中心北抬，地形輻合線也隨之北抬。地形輻合線附近降水得到了明顯增強，10 mm/h以上的降水增幅帶基本沿著中低層地形輻合線并隨輻合線移動。

［1］ 孫建，趙平，周秀驥.一次華南暴雨的中尺度結構及其復雜地形的影響［J］.氣象學報，2002，60(3):333-342.

［2］ 畢寶貴，劉月巍，李澤椿.秦嶺大巴山地形對陜南強降水的影響研究［J］.高原氣象，2006，25(3):485-494.

［3］ 孟智勇，徐祥德，陳聯壽.臺灣島地形誘生次級環(huán)流系統(tǒng)對熱帶氣旋異常運動的影響機制.大氣科學，1998，22(2):156-168.

［4］ 王鵬云.臺灣島地形對臺風暴雨影響的數值研究［J］.氣候與環(huán)境研究，1998，3(3):235-246.

［5］ 張海霞，崔曉鵬，康鳳琴，蔡守新.邯鄲地區(qū)一次登陸臺風大暴雨過程觀測分析［J］.高原氣象，2007，26(5):980-991.

［6］ 李勛，李澤椿，趙聲蓉，曾智華，王勇.“珍珠”(0601)異常急翹路徑和內核結構變化的診斷分析及數值研究［J］.氣象，2010，36(9):1-8.

［7］ 張恒德，孔期.0604號強熱帶風暴碧利斯異常強降水過程的診斷分析［J］.氣象，2007，33(5):42-48.

［8］ 陳聯壽，孟智勇.我國熱帶氣旋研究十年進展.大氣科學，2001，25(3):420-432.

［9］ 鈕學新，杜惠良，劉建勇.0216號臺風降水及其影響降水機制的數值模擬試驗［J］.氣象學報，2005，63(1):57-68.

［10］ 冀春曉，薛根元，趙放，余貞壽，等.臺風云娜登陸期間地形對其降水和結構影響的數值模擬試驗［J］.大氣科學，2007，31(2):233-244.

［11］ 季亮，費建芳.地形對登陸臺風麥莎(2005)影響的數值模擬研究［J］.氣象，2008，34(6):60-66.

［12］ 朱會蕓，熊雙全.地形對臺風影響的數值模擬研究［J］.成都信息工程學院學報，2008，23(4):453-459.

［13］ 周玲麗，翟國慶，王東法，等.0505號“海棠”臺風暴雨數值模擬試驗和分析［J］.大氣科學，2009，33(3):489-500.

［14］ 楊詩芳，潘勁松，郝世峰，等.“莫拉克”異常路徑分析及預報［J］.浙江氣象，2011，32(2):3-8.

［15］ 陳峰，董美瑩，冀春曉，等.WRF模式對浙江2011年夏季降水和溫度預報評估及其濕過程敏感性分析［J］.浙江氣象，2012，33(3):3-12.

［16］ 章國材.美國WRF模式的進展和應用前景［J］.氣象，2004，30(12):27-31.

［17］ 鄧華，薛紀善，徐海明，何金海.GRAPES中尺度模式中不同對流參數化方案模擬對流激發(fā)的研究［J］.熱帶氣象學報，2008，24(4):327-334.

［18］ 盛春巖，薛德強，雷霆，高守亭.雷達資料同化與提高模式水平分辨率對短時預報影響的數值對比試驗［J］.氣象學報，2006，64(3):293-307.