臺風(fēng)“尤特”(1311)暴雨的數(shù)值模擬及螺旋度診斷分析

王碩甫， 鐘蘭頔， 李瑞， 李彩玲

(1．佛山市氣象局，廣東佛山　528000；2.廣東省氣象臺，廣東廣州　510080；3.南昌市氣象局，江西南昌　330000；4.中國民航三亞空管站，海南三亞　572000)

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臺風(fēng)“尤特”(1311)暴雨的數(shù)值模擬及螺旋度診斷分析

王碩甫1，2， 鐘蘭頔3， 李瑞4， 李彩玲1

(1．佛山市氣象局，廣東佛山528000；2.廣東省氣象臺，廣東廣州510080；3.南昌市氣象局，江西南昌330000；4.中國民航三亞空管站，海南三亞572000)

摘要：為了研究臺風(fēng)暴雨的環(huán)流特征，利用NECP/NCAR 1°× 1°再分析資料，應(yīng)用中尺度WRF模式對“尤特”進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，副高的位置、西南季風(fēng)急流的水汽輸送和大尺度輻合是造成華南地區(qū)大范圍暴雨的重要原因。利用模擬結(jié)果，對臺風(fēng)暴雨的垂直螺旋度特征的進(jìn)一步研究后指出，垂直螺旋度能很好地反映低層大氣輻合、高層大氣輻散的垂直結(jié)構(gòu)，螺旋度大值中心的位置與臺風(fēng)暴雨落區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，螺旋度迅速增大預(yù)示著降水急劇增加，對臺風(fēng)暴雨的強(qiáng)度和落區(qū)預(yù)報有較好的指示作用。

關(guān)鍵詞：天氣學(xué)； 臺風(fēng)暴雨； 數(shù)值模擬； 螺旋度； “尤特”(1311)

近年來，隨著多普勒雷達(dá)、氣象衛(wèi)星、中尺度自動站等觀測手段應(yīng)用于臺風(fēng)的高分辨率監(jiān)測，對臺風(fēng)的發(fā)生發(fā)展條件、結(jié)構(gòu)、移動路徑、風(fēng)雨特征以及臺風(fēng)暴雨影響因子等有了眾多的研究結(jié)果[1-7]。此后由于數(shù)值模式具有較高的時空分辨率和能較好地反演天氣過程等優(yōu)勢，對臺風(fēng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬試驗逐漸成為了研究臺風(fēng)熱力結(jié)構(gòu)、演變過程和臺風(fēng)渦旋的主要手段[8-9]。周冠博等[10]模擬了臺風(fēng)“鳳凰”的登陸過程，其診斷結(jié)果表明散度垂直通量能夠描述低層輻合、高層輻散的垂直動力結(jié)構(gòu)，能較好地預(yù)報臺風(fēng)暴雨的落區(qū)；閔穎等[11]對臺風(fēng)“珍珠”的模擬和診斷結(jié)果表明，臺風(fēng)暴雨和大風(fēng)主要集中在螺旋云帶范圍內(nèi)，螺旋云帶內(nèi)的強(qiáng)抽吸作用和毛細(xì)效應(yīng)是上升運(yùn)動強(qiáng)烈發(fā)展的主要因素。

螺旋度是用來表示流體沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動強(qiáng)弱的物理量，是有利于維持大氣對流運(yùn)動的重要基本特征之一，被廣泛應(yīng)用于暴雨、雷暴、臺風(fēng)、龍卷等強(qiáng)對流天氣的診斷分析[12-14]。許多相關(guān)研究表明，螺旋度中心位置、強(qiáng)度的變化對臺風(fēng)暴雨具有預(yù)報意義[15-17]。本研究在進(jìn)行大氣環(huán)流分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，利用物理量診斷的方法，分析了2013年第11號臺風(fēng)“尤特”登陸過程中強(qiáng)降水的分布和螺旋度與強(qiáng)降水的對應(yīng)關(guān)系，希望能夠?qū)σ院笈_風(fēng)暴雨的預(yù)報提供一定的幫助。

1“尤特”臺風(fēng)簡介

1311號臺風(fēng)“尤特”于2013年8月9日18：00(世界時，下同)在菲律賓以東洋面生成后向西北方向移動，強(qiáng)度迅速加強(qiáng)，于11日09：00達(dá)到超強(qiáng)臺風(fēng)級別，11日19：00在菲律賓呂宋島東部沿海登陸，之后繼續(xù)向西北方向移動，以臺風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)入南海。在南海，“尤特”于13日00：00再次加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)，并于14日07：50前后登陸廣東省陽西縣，登陸時中心氣壓955 hPa，最大風(fēng)速42 m/s。

本研究利用NECP/NCAR 1°×1°再分析資料和Micaps降水資料分析大氣環(huán)流背景和降水情況，應(yīng)用WRF模式對2013年8月13—16日的“尤特”臺風(fēng)登陸過程開展數(shù)值模擬并進(jìn)行暴雨過程的螺旋度診斷分析。

2數(shù)值模擬方案設(shè)計

本研究利用非靜力中尺度數(shù)值模式WRF3.4.1版本對強(qiáng)臺風(fēng)“尤特”的登陸過程進(jìn)行模擬，選取NECP/NCAR 1°×1°再分析資料作為模式初始場，采用雙重嵌套網(wǎng)格，模式中心為22.54°N，115°E，模擬方案設(shè)計如表1所示。積分時間為2013年8月13日00：00——16日00：00共72 h，積分步長為180 s。

表1　WRF 模式參數(shù)設(shè)定

3模擬結(jié)果及驗證

3.1環(huán)流形勢

由圖1可以看出，在整個積分時間段內(nèi)，模擬的500 hPa副高、臺風(fēng)閉合環(huán)流的形狀和位置的變化特征與實況一致。850 hPa的模擬流場與實況十分相似，流場中心位置基本吻合，而且也描繪出了由13日00：00流場中心東西兩側(cè)風(fēng)速不對稱逐漸轉(zhuǎn)為14日00：00的對稱性結(jié)構(gòu)的特征。但不足之處在于，在臺風(fēng)登陸后，模擬風(fēng)場陸地上的風(fēng)速較實況偏大，其原因可能與模式下墊面對風(fēng)速的影響考慮不足有關(guān)。

圖1　實況(a、b、c)與模擬(d、e、f)的500 hPa高度場(等值線，單位：dagpm)及850 hPa急流(風(fēng)向桿，單位：m/s)對比

從大尺度環(huán)流特征來看，隨著臺風(fēng)環(huán)流的西行，在500 hPa上其逐漸轉(zhuǎn)為偏南氣流引導(dǎo)，移動路徑由西北路徑轉(zhuǎn)為偏北路徑。到了15日00：00，中緯度地區(qū)副高西伸，同時菲律賓上空存在塊狀高壓，“尤特”同時受到東風(fēng)氣流與西風(fēng)氣流作用，引導(dǎo)氣流不明顯，臺風(fēng)環(huán)流維持在兩廣交界處。從850 hPa風(fēng)場的情況可以看到，從13日00：00起，一條寬廣的西南低空急流帶與臺風(fēng)環(huán)流連接，為臺風(fēng)環(huán)流的發(fā)展加強(qiáng)提供了豐富的能量和水汽。臺風(fēng)登陸后，從孟加拉灣經(jīng)中南半島到華南地區(qū)仍維持著急流強(qiáng)度的西南風(fēng)到偏南風(fēng)，臺風(fēng)環(huán)流中心的東側(cè)明顯存在偏南風(fēng)和偏東風(fēng)的輻合，華南地區(qū)位于大尺度水汽和風(fēng)向輻合的中心。

3.2臺風(fēng)路徑

圖2是“尤特”臺風(fēng)實況與模擬路徑對比。

圖2　臺風(fēng)“尤特”的實況(黑線)與模擬(紅線)路徑

可以看出，從模擬開始到15日00：00，模擬與實況的臺風(fēng)路徑較為一致，模擬試驗中臺風(fēng)的移速稍慢于實況。實況與模擬路徑都顯示臺風(fēng)在登陸前后有西折的現(xiàn)象，但是實況路徑的西折發(fā)生在14日06：00到12：00，模擬路徑發(fā)生在14日12：00到18：00。在15日00：00之后臺風(fēng)路徑開始向東折，但是模擬路徑的東移不是很明顯，速度也明顯慢于實況。

3.3雷達(dá)回波與24 h降水

對比2013年8月14日“尤特”登陸期間實況及模擬的雷達(dá)回波分布情況可以看到(圖略)，模擬的云團(tuán)回波與實況的分布形式比較一致，臺風(fēng)的眼區(qū)、云墻和螺旋雨帶等結(jié)構(gòu)的回波特征十分清晰，也描繪出了臺風(fēng)中心西南側(cè)的回波明顯比東北側(cè)強(qiáng)度強(qiáng)、組織性高的特征。模擬回波的上岸時間、地點與實況基本吻合，模擬試驗還反映出了“尤特”登陸后回波迅速減弱的特點。不同之處在于，在模擬圖中可以看出00：00和06：00臺風(fēng)中心東北側(cè)的回波比實況偏強(qiáng)，并且12：00的模擬雷達(dá)回波上臺風(fēng)眼仍清晰可見，但實況雷達(dá)回波已難分辨出臺風(fēng)眼區(qū)。

圖3給出了8月13日00：00—16日00：00的逐24 h實況及模擬降水分布。在“尤特”登陸前，廣東東南部的蓮花山脈南坡及海南東北部地區(qū)已出現(xiàn)暴雨級別降水，而上述地區(qū)的模擬降水量級偏小。“尤特”登陸當(dāng)天，廣東西南部和廣東東南部沿海地區(qū)出現(xiàn)100 mm以上降水，數(shù)值模擬對廣東西南部的降水落區(qū)吻合較好，但降水中心量級偏大，對于廣東東南部的降水則量級與范圍都明顯偏小。15日，大暴雨區(qū)繼續(xù)向北延伸，珠三角地區(qū)、廣東西南部沿海及廣東西北部、廣西東北部均出現(xiàn)100 mm以上降水，50 mm以上降水范圍也有明顯擴(kuò)大，模擬降水能很好地反映出當(dāng)日降水范圍擴(kuò)大的特征，但存在降水中心位置偏西偏南以及中心量級明顯偏大的問題，對粵東地區(qū)的降水減弱也沒有很好地反映出來。

圖3　13日00：00—14日00：00(a，b)、14日00：00—15日00：00(c，d)、15日00：00—16日00：00(e，f)24 h實況(a，c，e)和模擬(b，d，f)累積降水量(單位：mm)對比

4螺旋度診斷分析

本研究利用模式輸出的高時空分辨率資料，選取垂直螺旋度進(jìn)行強(qiáng)降水的動力診斷，Z坐標(biāo)系下垂直螺旋度的表達(dá)式為

在對各層垂直螺旋度和散度隨時間的變化進(jìn)行對比分析后發(fā)現(xiàn)，在13日，高低層大氣的輻合輻散不明顯，此時該區(qū)域內(nèi)的垂直上升運(yùn)動并不強(qiáng)烈，整層大氣的垂直螺旋度基本為0。14日，大氣垂直方向上形成了低層輻合、高層輻散的散度場配置，在強(qiáng)“抽吸作用”下引起強(qiáng)烈的上升運(yùn)動，整層大氣的垂直螺旋度迅速增大。隨后低層負(fù)散度中心和中高層正散度中心強(qiáng)度有所衰減，正垂直螺旋度明顯減小，說明低層輻合、高層輻散引起的上升運(yùn)動已明顯減弱。從15日09：00開始，區(qū)域內(nèi)再次形成低層輻合、高層輻散的高低空配置，正垂直螺旋度重新加大。因此可以說明，正垂直螺旋度的變化與大氣的輻合輻散運(yùn)動有關(guān)，垂直螺旋度能夠反映大氣低層輻合、高層輻散的垂直動力結(jié)構(gòu)，且在臺風(fēng)暴雨過程中850和300 hPa的垂直螺旋度變化尤為明顯。

850 hPa垂直螺旋度和隨后6 h的降水分布如圖4所示。14日06：00，強(qiáng)降水區(qū)位于廣東西部海面上和廣東陽江的沿海地區(qū)，對應(yīng)的垂直螺旋度在廣東西部海面存在大值區(qū)，但位置比強(qiáng)降水區(qū)略偏南偏東，范圍也偏小。14日12：00，強(qiáng)降水區(qū)位于廣東西部地區(qū)，廣東西部的垂直螺旋度大值區(qū)的位置與強(qiáng)降水中心基本一致。14日18：00，強(qiáng)降水區(qū)移至粵桂交界地區(qū)，垂直螺旋度在粵桂交界的廣東一側(cè)存在大值區(qū)，位置與強(qiáng)度與廣東的強(qiáng)降水區(qū)對應(yīng)較好，在廣西境內(nèi)也有大值區(qū)，但位置比廣西的強(qiáng)降水區(qū)明顯偏東。15日00：00，強(qiáng)降水區(qū)繼續(xù)西移至廣西東南部地區(qū)，此時在粵桂交界的廣西一側(cè)有垂直螺旋度大值區(qū)，位置比強(qiáng)降水區(qū)略偏東。300 hPa垂直螺旋度的分布特征與850 hPa垂直螺旋度基本一致(圖略)?？偟膩碚f，在強(qiáng)降水區(qū)范圍內(nèi)能找到對應(yīng)的垂直螺旋度大值區(qū)，垂直螺旋度大值區(qū)內(nèi)的降水比弱螺旋度區(qū)域的降水大，垂直螺旋度大值區(qū)的強(qiáng)度與臺風(fēng)強(qiáng)降水的強(qiáng)度有較好的對應(yīng)關(guān)系。

圖4　850 hPa螺旋度(等值線，單位：×10-5m·s-2)(a，c)和滯后6 h降水(填色，單位：mm)(b，d)

圖5顯示了13日00：00—16日00：00暴雨區(qū)300和850 hPa平均垂直螺旋度與3 h累積降水量隨時間的變化。可以看到，垂直螺旋度的波形與降水量隨時間的變化十分吻合。13日00：00到14日00：00，高低2層均表現(xiàn)為零或弱垂直螺旋度，此時并未發(fā)生強(qiáng)降水。14日03：00起，300和850 hPa的垂直螺旋度迅速增大，到了15：00 300 hPa正垂直螺旋度超過14×10-5m·s-2，850 hPa正垂直螺旋度超過10×10-5m·s-2，對比降水量發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域15：00到18：00的3 h累計降水量達(dá)到最大值。隨后垂直螺旋度和降水量均逐漸減小。從15日09：00開始，300 hPa正垂直螺旋度重新加大，最高值為4×10-5m·s-2，850 hPa正垂直螺旋度也于15日18：00加大到3×10-5m·s-2，此時區(qū)域內(nèi)的降水量再次加大，但總體強(qiáng)度小于14日06：00到15日00：00內(nèi)的降水。15日18：00后2層正垂直螺旋度減小的同時，強(qiáng)降水也明顯減弱。這進(jìn)一步表明了，在時間演變趨勢上，垂直螺旋度與未來3 h的降水強(qiáng)度存在對應(yīng)關(guān)系，且垂直螺旋度強(qiáng)度的變化提前于降水強(qiáng)度的變化。

圖513—15日暴雨區(qū)300和850 hPa平均垂直螺旋度與3 h降水隨時間變化

5結(jié)論

1)WRF模式能較為成功地模擬出“尤特”臺風(fēng)登陸過程和降水分布。模擬的500 hPa副高閉合環(huán)流和850 hPa西南急流的位置、形狀、強(qiáng)度等特征與實況較為一致，模擬850 hPa陸上風(fēng)速較實況偏大。在臺風(fēng)移向移速方面，模擬的臺風(fēng)路徑與觀測路徑較為一致，但在移動速度和登陸后的東轉(zhuǎn)上，二者存在一定的差別。在對比模擬與實況的雷達(dá)回波圖后發(fā)現(xiàn)，模式能較好反映出回波的結(jié)構(gòu)特征和位置，但在強(qiáng)度上比實況偏強(qiáng)。此外，模擬還反映出了尤特登陸后回波迅速減弱的特點。同時，對臺風(fēng)中心附近降水分布的模擬與實況降水比較一致，能較好地模擬出14日和15日的強(qiáng)降水落區(qū)，但降水中心量級偏大；另外，模式對于廣東東南部地區(qū)的臺風(fēng)外圍降水的模擬效果較差。

2)通過研究“尤特”臺風(fēng)登陸期間的環(huán)流情況，可知臺風(fēng)登陸后副高的引導(dǎo)氣流不明顯、臺風(fēng)環(huán)流穩(wěn)定少動、低層西南低空急流帶與臺風(fēng)環(huán)流持續(xù)連接以及臺風(fēng)環(huán)流中心東側(cè)存在強(qiáng)風(fēng)向、水汽輻合區(qū)是造成華南地區(qū)大范圍暴雨的重要原因。

3)利用模式輸出的高時空分辨率資料，對“尤特”的強(qiáng)降水進(jìn)行了垂直螺旋度的診斷分析。結(jié)果表明，正垂直螺旋度的變化與大氣的輻合輻散運(yùn)動有關(guān)，且在臺風(fēng)暴雨過程中850和300 hPa的垂直螺旋度變化特征尤為明顯；在空間分布上，垂直螺旋度中心的位置與未來6 h臺風(fēng)中心附近的強(qiáng)降水區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系；在時間演變趨勢上，850和300 hPa的垂直螺旋度極大值出現(xiàn)的時間與未來3 h短時強(qiáng)降水發(fā)生時間一致，垂直螺旋度大小與降水強(qiáng)度存在較好的對應(yīng)關(guān)系。這說明垂直螺旋度能反映臺風(fēng)強(qiáng)降水的發(fā)展?fàn)顩r和劇烈程度，對預(yù)報強(qiáng)降水有較好的指示意義。

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收稿日期：2015-09-15

基金項目：廣東省氣象局科學(xué)技術(shù)研究項目(2014B21)

作者簡介：王碩甫(1990年生)，男，本科，主要從事短期和短時天氣預(yù)報。E-Mail：huoyue_anthony@163.com

中圖分類號：P44

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.002

Numerical Simulation of Heavy Rain Associated withTyphoon Utor (1311) and Diagnostic Analysis of Its Helicity

WANGShuo-fu1, 2,ZHONGLan-di3,LIRui4,LICai-ling1

(1. Meteorological Bureau of Foshan City, Foshan 528000; 2. Meteorological Observatory of Guangdong Province,Guangzhou 510080; 3. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, ChengduSichuan 610225; 4. Air Traffic Regulator of Sanya, Civil Aviation Administration of China, Sanya Hainan 572000)

Abstract：For the purpose of studying the circulation characteristics of typhoon-related heavy rain, we numerically simulated Typhoon Utor using the NCEP/NCAR 1°×1° reanalysis and the mesoscale WRF model. As shown in the simulation, the location of the subtropical high, the transport of water vapor through the Southwest Monsoon jets and the convergence of large-scale convergence are important contributors to the extensive heavy rain in the south of China. It is discovered, after further analysis of the vertical helicity of typhoon-related heavy rain using the simulation, that the vertical helicity well reflects a vertical structure of low-level convergence versus upper-level divergence; the location of the center of the high helicity values is corresponding well with the area of the typhoon-related heavy rain; and rapid increase of the helicity indicates fast increase of rainfall, making it a good indicator of the intensity and rain area.

Key words：synoptics; typhoon-related heavy rain; numerical simulation; helicity; Utor (1311)

王碩甫， 鐘蘭頔， 李瑞， 等.臺風(fēng)“尤特”(1311)暴雨的數(shù)值模擬及螺旋度診斷分析[J].廣東氣象，2015,38(2)：6-10.