廣西沿海地形對超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”影響的數(shù)值試驗(yàn)

蘇玉婷，林開平，肖志祥，黃小燕

（1.廣西師范學(xué)院，南寧 530022；2.廣西區(qū)氣象臺，南寧 530022；3.廣西區(qū)氣象減災(zāi)研究所，南寧 530022）

引 言

臺風(fēng)是影響我國的主要災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一，其帶來的大風(fēng)和強(qiáng)降水給途經(jīng)地區(qū)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。臺風(fēng)強(qiáng)度突變（陳聯(lián)壽等，2002）和移動路徑突變（倪鐘萍等，2013）是臺風(fēng)研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的難點(diǎn)之一。2014年第9號臺風(fēng) “威馬遜”是1973年以來登陸華南的最強(qiáng)臺風(fēng)，具有移動快、多次登陸、發(fā)展迅速等特點(diǎn)，給海南、廣東、廣西造成的經(jīng)濟(jì)損失超過265億元，其登陸減弱為熱帶低壓后帶來的強(qiáng)降水造成了云南37人死亡，9人失蹤的重大災(zāi)害（徐舒揚(yáng)等，2016），“威馬遜”在沿海突然加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，給預(yù)報(bào)帶來了極大的困難。

有關(guān)研究表明，90%以上的臺風(fēng)在近海受到摩擦耗損能量的影響其強(qiáng)度將減弱 （馮錦全和陳多，1995），作為有記錄以來登陸我國的最強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”，其近海突然增強(qiáng)的特點(diǎn)得到廣泛關(guān)注，大量研究取得了很多有意義的成果。程正泉等（2017）認(rèn)為臺風(fēng)下游熱力不穩(wěn)定在暖海溫、低空急流、越赤道氣流、垂直風(fēng)切變小等有利條件配合下，“威馬遜”得以在近?？焖僭鰪?qiáng)。鄭艷等（2014）指出低層輻合與高層輻散、弱風(fēng)切變、適宜的海溫及深厚的暖渦是“威馬遜”在近海加強(qiáng)的主要原因。

除了大氣條件、海溫狀況等動力和熱力作用，地形也是影響臺風(fēng)降水強(qiáng)度和落區(qū)的重要因素。數(shù)值試驗(yàn)表明，不同地形高度下臺風(fēng)路徑及降水空間分布差異很大，地形對暴雨增幅有重要作用 （朱紅芳等，2015）。地形的阻擋作用有利于背風(fēng)坡降水減弱。臺風(fēng)“納沙”影響海南期間，五指山地形的阻擋使得海南島東南部降水減弱50-150mm（楊仁勇等，2014）?！巴R遜”在廣西沿海登陸時(shí)橫穿十萬大山山脈，在廣西引起大范圍強(qiáng)降水過程，本文嘗試使用中尺度模式WRF開展地形敏感性數(shù)值試驗(yàn)，探討廣西沿海地形對“威馬遜”路徑和降水的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”7月18日05時(shí)在南海加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，19日07時(shí)在廣西防城港市再次登陸，隨后強(qiáng)度迅速減弱。“威馬遜”登陸廣西期間，廣西沿海各地出現(xiàn)了暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，其中潿洲島19日的最大降水量達(dá)到了303.6mm。

廣西沿海地區(qū)有著名的十萬大山山脈，“威馬遜”橫穿十萬大山，為考慮十萬大山山脈對“威馬遜”的影響，本文針對十萬大山山脈設(shè)計(jì)了控制和敏感性試驗(yàn)兩個(gè)方案共三組試驗(yàn)，控制試驗(yàn)是從7月18日06時(shí)模擬到7月19日18時(shí)（世界時(shí)），一共積分36小時(shí)，使用ERA-Interim再分析資料 （Dee et al.，2011）為初始邊界條件，水平分辨率 0.75°×0.75°，邊界條件每隔6h更新一次。WRF3.4.1使用的主要參數(shù)化方案如表1所示。模式為兩層嵌套，外層格點(diǎn)數(shù)為360×300，水平分辨率為9公里；內(nèi)層格點(diǎn)數(shù)361×253，水平分辨率為3公里。內(nèi)層嵌套區(qū)域覆蓋了“威馬遜”加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)至消亡減弱的整個(gè)階段。兩組敏感性試驗(yàn)方案中，地形被人為移除，其它參數(shù)與控制試驗(yàn)相同。

表1 模式使用的主要參數(shù)化方案

具體第一組的控制試驗(yàn)（圖1a，見彩頁），其結(jié)果作為參照，可以看到十萬大山山脈為西南—東北走向，與“威馬遜”移動路徑幾乎垂直，有兩個(gè)達(dá)700多m的狹長頂峰。地形敏感性的第一組為去掉了狹長的十萬大山山脈試驗(yàn)（圖1b，見彩頁），第二組則只是移除了南部一些較小山脈的試驗(yàn)（圖1c，見彩頁）。通過對比分析Exp1、Exp2試驗(yàn)與控制試驗(yàn)的結(jié)果，可以得到沿海山脈對“威馬遜”移動路徑及降水的影響狀況。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 地形對臺風(fēng)移動路徑的影響

圖2為三組數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M的臺風(fēng)移動路徑情況。分析可知“威馬遜”加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)后移動路徑較為穩(wěn)定，一直向西北方向移動，先后在雷州半島和廣西沿海登陸。三組試驗(yàn)中，模式對臺風(fēng)初始位置的定位并不準(zhǔn)確，且模式模擬的臺風(fēng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于觀測（圖略），這可能與初始場的誤差有關(guān)，采用WRF模式自帶的 Bogus 技術(shù)（Sherrie et al.，2009），對初始場臺風(fēng)強(qiáng)度和位置進(jìn)行重定位，能夠有效改善臺風(fēng)強(qiáng)度和位置模擬。此外，前18小時(shí)為模式spin-up階段，臺風(fēng)路徑擺動較大?？刂圃囼?yàn)的臺風(fēng)登陸點(diǎn)與實(shí)況較為接近，總體來說模式能夠較好把握 “威馬遜”的登陸地點(diǎn)及移動方向。

圖2 WRF模擬的臺風(fēng)“威馬遜”移動路徑觀測：黑色；參考試驗(yàn)：紅色；地形試驗(yàn)1：藍(lán)色；地形試驗(yàn)2：綠色

進(jìn)一步分析圖2可知，去除十萬大山山脈后，模式模擬的臺風(fēng)登陸地點(diǎn)往東偏移較大，使得登陸后的臺風(fēng)中心也隨之偏東偏南。而如果只是去除十萬大山南部的一個(gè)頂峰（第二組敏感性試驗(yàn)），臺風(fēng)登陸前的路徑與控制試驗(yàn)則較為接近，說明在離臺風(fēng)較遠(yuǎn)時(shí)小山脈的影響較??；而在登陸后其移動路徑基本與移除整個(gè)十萬大山山脈試驗(yàn)吻合。

2.2 地形對臺風(fēng)降水的影響

7月19日“威馬遜”進(jìn)入北部灣并在防城港市登陸，在廣西沿海及西南地區(qū)引發(fā)強(qiáng)降水?？刂圃囼?yàn)雖然對沿海三市及崇左市南部的暴雨量級模擬偏小，百色南部的暴雨范圍偏大，但是對于南寧市北部的一些單站暴雨卻能夠模擬出來（圖3a，見彩頁），總體而言，模式能夠較好模擬出19日“威馬遜”在廣西造成的暴雨過程。從移除十萬大山地形的兩組敏感性數(shù)值試驗(yàn)可以看到，防城港市和崇左市南部的降水都有所減弱，24小時(shí)降水的最大減少量達(dá)40mm以上（圖3d-e，見彩頁），兩者對比分析可知，移除整個(gè)十萬大山地形的試驗(yàn)在降水減弱幅度和范圍上均大于只去掉南部山脈的試驗(yàn)結(jié)果。越南范圍的降水在兩組敏感性數(shù)值試驗(yàn)減小的幅度要大于廣西范圍。

從19日水汽輸送及水汽通量散度可以看到，十萬大山附近水汽為往北和往南輸送的輻散區(qū) （圖4a，見彩頁），而Exp2試驗(yàn)（圖 4b，見彩頁）水汽往北輸送，但是有風(fēng)向的弱輻散，水汽輻散較Exp1試驗(yàn)小。而在崇左市的氣旋式異常和南寧市南部的反氣旋式異常及北海市附近的氣旋式異常主要是由于敏感性試驗(yàn)與控制試驗(yàn)臺風(fēng)中心位置（圖2，見彩頁）差異導(dǎo)致。在敏感性試驗(yàn)中臺風(fēng)在北海市附近登陸使該處成氣旋式異常，而臺風(fēng)登陸后移動路徑偏西偏南使得崇左市為氣旋式異常而南寧市南部為反氣旋式異常（圖4，見彩頁）。兩組敏感性數(shù)值試驗(yàn)表明移除沿海山脈后，由于臺風(fēng)位置的改變，使得環(huán)流改變，水汽輻合強(qiáng)度減弱是導(dǎo)致山脈附近降水減少的原因之一。

數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M的10m風(fēng)場表明（圖5，見彩頁），當(dāng)十萬大山存在時(shí)，山脈南部的偏南風(fēng)較強(qiáng)，有利于低層水汽輸送，在迎風(fēng)坡有較強(qiáng)的上升運(yùn)動；而在山脈北部則為較弱的偏北風(fēng)，也有利于地形抬升；南北風(fēng)向在十萬大山南北部均受地形抬升作用，有利于強(qiáng)降水的形成（圖5a，見彩頁）。當(dāng)十萬大山被移除（圖5b，見彩頁）時(shí)，輻合區(qū)在南風(fēng)作用下北抬，且臺風(fēng)中心位置偏西，使得氣旋式環(huán)流中心偏北，山脈附近的南北風(fēng)輻合大大減弱，使得降水減弱。如果只移除十萬大山南部的小山脈，氣旋式環(huán)流中心仍然有北抬（圖5c，見彩頁），但是要較Exp1試驗(yàn)偏南，十萬大山西側(cè)仍有較弱的北風(fēng)受地形抬升的影響，因此其降水減弱幅度較?。▓D3e，見彩頁）。

東經(jīng)108°正好位于十萬大山山脈中部及臺風(fēng)中心，從垂直剖面圖可以看到在控制試驗(yàn)中，22°—22.5°N中低層有垂直上升運(yùn)動，即十萬大山山脈南部和北部受南風(fēng)及北風(fēng)的影響，在地形抬升作用下形成的中低層上升運(yùn)動（圖6a，見彩頁）。而在Exp1試驗(yàn)中，由于十萬大山山脈被移除，沒有地形阻擋作用偏南風(fēng)往北推，垂直運(yùn)動減弱（圖6b，見彩頁），Exp2試驗(yàn)中仍然可以看到十萬大山山脈低層的弱上升運(yùn)動，說明十萬大山山脈的存在對低層風(fēng)的地形抬升作用不可忽視，但是垂直上升運(yùn)動的厚度明顯減弱（圖 6c，見彩頁）。

3 小結(jié)

超強(qiáng)臺風(fēng)“威馬遜”在近?？焖僭鰪?qiáng)后，先后在雷州半島及廣西沿海登陸，隨后以近乎垂直的角度橫穿十萬大山山脈，給廣西沿海及桂西南地區(qū)帶來強(qiáng)降水天氣。本文使用區(qū)域數(shù)值模式WRF3.4.1針對十萬大山山脈開展控制和敏感性數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果表明：

（1）WRF模式能夠較好地模擬出“威馬遜”的移動路徑、登陸地點(diǎn)及降水空間分布特征。十萬大山山脈以北的偏北風(fēng)及以南的偏南風(fēng)受地形抬升作用，在山脈南北兩側(cè)都形成了中低層的垂直上升運(yùn)動，有利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

（2）十萬大山山脈移除后，“威馬遜”登陸位置偏東，移動路徑隨之偏南偏西。此外，由于低層臺風(fēng)中心位置偏北，南風(fēng)北推，地形抬升作用減弱消失，加上山脈附近水汽輻合減弱，降水強(qiáng)度減小，最大減幅超過40mm。

（3）地形的存在一方面影響臺風(fēng)移動路徑，從而影響環(huán)流的空間分布，另一方面地形阻擋作用的消失使低層風(fēng)速抬升減弱，兩方面的共同作用減弱了山脈周圍的降水。

在未來的研究工作中，可以考慮采用bogus技術(shù)對初始臺風(fēng)強(qiáng)度及位置進(jìn)行重定位，從而進(jìn)一步改善臺風(fēng)移動路徑及強(qiáng)度的模擬。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Dee D P， Uppala S M， Simmons A J， et al. ，The ERA-Interim reanalysis：Configuration and performance of the data assimilation system.Quart J Roy Meteor Soc［J］，2011， 137： 553-597.

［2］陳聯(lián)壽，徐祥德，羅哲賢，等.熱帶氣旋動力學(xué)引論［M］.北京：氣象出版社，2002，17.Chen Lianshou， Xu Xiangde， Luo Zhexian， etal.Introduction to tropical cyclone dynamics ［M］.Beijing：China Meteorological Press，2002，17. （in Chinese）

［3］倪鐘萍，吳立廣，張玲.2005—2010年臺風(fēng)突變路徑的預(yù)報(bào)誤差及其環(huán)流背景［J］.氣象，2013，39（6）：719-727.Ni Zhongping，Wu Liguang，Zhang Ling.Analysis on Forecasting Errors and Associated Circulations of Sudden Typhoon Track Changes During 2005-2010 ［J］.Meteorological Monthly，2013，39 （6）：719-727.（in Chinese）

［4］馮錦全，陳多.我國近海熱帶氣旋強(qiáng)度突變的氣候特征分析［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，1995，11（1）：35-42.Feng Jinquan，Chen Duo，Analyses of Climatic Characteristics Accompanying Sudden intensity Changes in offshore tropical cyclones in china ［J］.Journal of Tropical Meteorology，1995，11（1）：35-42.（in Chinese）

［5］程正泉，林良勛，楊國杰，等.超強(qiáng)臺風(fēng)威馬遜快速增強(qiáng)及大尺度環(huán)流特征［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2017，28（3）：318-326.Cheng Zhengquan，Lin Liangxun，YangGuojie，etal.Rapid Intensification and Associated Large-scale Circulation of superTyphoon Rammasun in 2014 ［J］.Journalof Applied Meteorological Science，Beijing：2017，28 （3）：318-326.（in Chinese）

［6］徐舒揚(yáng)，周德麗，苗紹慧，等.臺風(fēng)“威馬遜”造成云南強(qiáng)降水災(zāi)害天氣分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2016，31（4）：229-234.Xu Shuyang，Zhou Deli，Miao Shaohui，etal.An Analysis about the Disastrous WeatherofHeavyPrecipitation Resulted from the Typhoon Rammasun in Yunnan Province ［J］.Journal of Catastrophology，2016，31 （4）：229-234.（in Chinese）

［7］朱紅芳，王東勇，婁珊珊，等.地形對臺風(fēng)“?？苯邓龇绊懙难芯浚跩］.暴雨災(zāi)害，2015，34（2）：160-167.Zhu Hongfang，Wang Dongyong，Lou Shanshan，etal.Numerical test of topography effect on rainfall amplification associated with typhoon HaiKui ［J］.Torrential Rain and Disasters，2015，34（2）：160-167.（in Chinese）

［8］楊仁勇，閔錦忠，鄭艷.強(qiáng)臺風(fēng)“納沙”引發(fā)的特大暴雨過程數(shù)值試驗(yàn)［J］.高原氣象，2014，33（3）：753-761.Yang Renyong，Min Jinzhong，Zheng Yan.Numerical Simulations of the Extraordinary Rainstorm by Typhoon Nesat［J］.Plateau Meteorology，2014，33（3）：753-761.（in Chinese）

［9］ Sherrie， F， Davis， C， Gill， D.Low-Nam， S.2009.Bogussing of tropical cyclones in WRF Version 3.1.Presented at the 10th Annual WRF Users Workshop［J］， Boulder， Colorado， USA， 10 June 2009.