臺(tái)風(fēng)“艾云尼”引發(fā)廣州機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水的模擬

謝文鋒，劉峰，郭智亮，張有洋

（民航中南空管局氣象中心，廣東廣州 510405）

我國(guó)是世界上臺(tái)風(fēng)登陸最多的國(guó)家，臺(tái)風(fēng)登陸后產(chǎn)生的強(qiáng)降水天氣對(duì)人民的生產(chǎn)生活及航空飛行的安全都有重要影響。影響臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度和分布的因子復(fù)雜多樣，涉及臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、移速、環(huán)流條件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、下墊面強(qiáng)迫等［1-4］。如冷空氣的入侵會(huì)增加臺(tái)風(fēng)降水的強(qiáng)度，地形抬升也可能造成臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中迎風(fēng)坡降水的增加［5-7］。許多研究指出，螺旋雨帶是造成臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水的主要中尺度系統(tǒng)，在螺旋雨帶上常有中尺度強(qiáng)對(duì)流單體產(chǎn)生［8-9］。關(guān)于螺旋雨帶的成因，近年來(lái)從渦旋Rossby波的角度解釋螺旋雨帶成因開始被普遍接受，認(rèn)為產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)渦旋Rossby波的原因是臺(tái)風(fēng)中存在相對(duì)渦度的徑向梯度［10］。

盡管對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程的降水機(jī)理做了許多研究，但不同臺(tái)風(fēng)過(guò)程的主導(dǎo)因子常常各有不同，臺(tái)風(fēng)降水的強(qiáng)度和落區(qū)的精細(xì)化預(yù)報(bào)仍然是業(yè)務(wù)工作中的難點(diǎn)。受1804號(hào)臺(tái)風(fēng)“艾云尼”影響，廣州機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了24 h累積降雨量261.4 mm的持續(xù)性強(qiáng)降水天氣，造成了大量航班的取消和延誤。因此本研究通過(guò)WRF模式對(duì)“艾云尼”登陸后引發(fā)機(jī)場(chǎng)強(qiáng)降水的機(jī)制進(jìn)行模擬研究，以期為以后相似形勢(shì)的預(yù)報(bào)提供參考。

1 “艾云尼”過(guò)程概況

2018年04號(hào)臺(tái)風(fēng)“艾云尼”6月7日20：30（北京時(shí)，下同），在廣東省陽(yáng)江市沿海登陸，登陸后以10 km／h的速度向東北方向緩慢移動(dòng)。圖1是6月8日05：00、14：00臺(tái)風(fēng)登陸后的廣東區(qū)域雷達(dá)拼圖，其中紅色方框表示機(jī)場(chǎng)終端區(qū)，是航班最密集、航線最復(fù)雜的飛行關(guān)鍵區(qū)域。由圖1可以看到，由于登陸后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱，臺(tái)風(fēng)眼壁區(qū)組織比較疏松，05：00（圖1a）在臺(tái)風(fēng)的東側(cè)存在2條主要的螺旋雨帶，匯聚于臺(tái)風(fēng)的東北象限，廣州機(jī)場(chǎng)終端區(qū)主要受螺旋雨帶頭部的降水云團(tuán)影響。08：00，降水回波的整體范圍有所減小，強(qiáng)度變化不大。14：00（圖1b），臺(tái)風(fēng)緩慢移動(dòng)，強(qiáng)度開始減弱，影響機(jī)場(chǎng)的螺旋雨帶明顯東移減弱，在內(nèi)核區(qū)的東側(cè)重新生成了一條新的螺旋雨帶，緩慢向偏東方向移動(dòng)，14：00—17：00發(fā)展中的螺旋雨帶一直覆蓋在機(jī)場(chǎng)上空。

圖1c是6月8日00：00—24：00廣州機(jī)場(chǎng)逐1 h累計(jì)降雨量，影響機(jī)場(chǎng)的降水主要分為2個(gè)階段：第1階段為03：00—11：00，降水主要由臺(tái)風(fēng)東北側(cè)的螺旋雨帶頭部產(chǎn)生；第2個(gè)主要降水時(shí)段出現(xiàn)在 13：00—17：00，其中 14：00—16：00的小時(shí)雨量都超過(guò)了50 mm，機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)持續(xù)性強(qiáng)降水天氣，造成航班無(wú)法起降。第2階段的降水是由臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)東側(cè)新生成緩慢移動(dòng)的螺旋雨帶產(chǎn)生，且在螺旋雨帶中存在中尺度的強(qiáng)對(duì)流單體，實(shí)際業(yè)務(wù)工作中未能提前預(yù)判這一階段的強(qiáng)降水天氣，給航班調(diào)配帶來(lái)了一定被動(dòng)。

圖1 2018年6月8日05：00（a）、14：00（b）廣東區(qū)域雷達(dá)拼圖；6月8日00：00—24：00廣州機(jī)場(chǎng)逐小時(shí)累積降雨量（c）

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究使用 WRFV3.8.1版本，試驗(yàn)采用Mercator地圖投影的三重雙向嵌套網(wǎng)格，區(qū)域的中心位于 23°N，113°E，水平分辨率為 27、9和 3 km，垂直方向設(shè)置51層。3個(gè)模擬區(qū)域均采用YSU行星邊界層方案及RRTM長(zhǎng)波和Dudhia短波輻射參數(shù)化方案。在模擬的第1和第2個(gè)區(qū)域采用KF積云對(duì)流參數(shù)化方案和WSM6云微物理方案，而在第3個(gè)3 km分辨率的網(wǎng)格中，不采用積云對(duì)流參數(shù)化方案，只使用WSM6云微物理方案。初始場(chǎng)資料選用NCEPGDAS／FNL的3 h一次0.25°×0.25°分辨率的再分析資料。模擬時(shí)間均從2018年6月7日20：00至6月9日02：00，共積分30 h。

3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

3.1 路徑和強(qiáng)度變化

圖2a是6月8日02：00—9日02：00第3區(qū)域模擬的臺(tái)風(fēng)路徑與實(shí)況的比較，由于模式的“spin-up”調(diào)整，去除了前6 h的模擬結(jié)果?？梢钥吹?，臺(tái)風(fēng)登陸以后逐漸向東北方向移動(dòng)，20：00以后轉(zhuǎn)向偏東方向移動(dòng)。試驗(yàn)基本模擬出了臺(tái)風(fēng)向東北方向緩慢移動(dòng)的過(guò)程，但整體位置偏東，平均偏差為33 km。圖2b是模擬的臺(tái)風(fēng)中心最低海平面氣壓與實(shí)況的比較，基本模擬出了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度在登陸以后緩慢減弱的過(guò)程，其中模擬的最低海平面氣壓在05：00以后比實(shí)況偏低，平均誤差為-3.2 hPa，模擬的地面最大風(fēng)速平均誤差為2.0 m／s。

圖2 2018年6月8日02：00—9日02：00觀測(cè)和模擬的臺(tái)風(fēng)路徑圖（a）以及臺(tái)風(fēng)逐3 h最低海平面氣壓（b）

廣州機(jī)場(chǎng)第2階段的強(qiáng)降水主要發(fā)生在8日下午臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度整體減弱的過(guò)程中，因而有很大的預(yù)報(bào)難度。

3.2 雷達(dá)回波

圖3是6月8日05：00、14：00和17：00第3區(qū)域模擬的雷達(dá)組合反射率和950 hPa風(fēng)場(chǎng)，其中黑色十字表示機(jī)場(chǎng)所在位置。對(duì)比圖1可知，05：00模擬的回波分布形態(tài)與實(shí)況非常相似，強(qiáng)降水回波主要位于臺(tái)風(fēng)的東側(cè)和北側(cè)，具有顯著的非對(duì)稱渦旋狀結(jié)構(gòu)。從廣東中部向南延伸至海上的主螺旋雨帶與實(shí)況對(duì)應(yīng)很好，但對(duì)東部最外圍區(qū)域的螺旋雨帶模擬的較實(shí)況偏弱。14：00模擬的回波與實(shí)況相比，在臺(tái)風(fēng)東北側(cè)的偏北氣流當(dāng)中都有大片的穩(wěn)定性降水區(qū)域，模擬結(jié)果顯示在臺(tái)風(fēng)東南側(cè)的偏南暖濕氣流中有多個(gè)中尺度強(qiáng)對(duì)流單體生成，但與實(shí)況相比結(jié)構(gòu)更松散，并沒有發(fā)展成一條完整的螺旋雨帶。17：00臺(tái)風(fēng)東南側(cè)的降水云團(tuán)明顯減弱，與實(shí)況相比未能模擬出新螺旋雨帶的發(fā)展過(guò)程。實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，歐洲中心和美國(guó)GFS數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品均漏報(bào)了8日下午的強(qiáng)降水過(guò)程。WRF模式雖然也未能完整模擬出螺旋雨帶的生成，但能夠指示出在臺(tái)風(fēng)整體減弱過(guò)程中，內(nèi)核區(qū)東南側(cè)仍然有新的強(qiáng)降水單體生成，對(duì)8日下午的預(yù)報(bào)有一定的指示意義。

圖3 2018年6月8日05：00（a）、14：00（b）和17：00（c）模擬的雷達(dá)組合反射率（填色，單位：dBz）和950 hPa風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，單位：m／s）

4 機(jī)場(chǎng)持續(xù)性強(qiáng)降水成因的模擬分析

4.1 水汽輸送條件

持續(xù)不斷的水汽輸送是強(qiáng)降水發(fā)生和維持的重要條件［11］。分析925和850 hPa的水汽通量（圖略），6月8日08：00的水汽通量具有明顯的非對(duì)稱性，臺(tái)風(fēng)東側(cè)的偏南氣流從南海北部將大量的水汽輸送到臺(tái)風(fēng)主體的東部和北部區(qū)域，最大水汽通量超過(guò)45 g·（cm·s·hPa）-1，研究表明，充沛的水汽輸送有利于臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)的維持，也有助于雨帶的加強(qiáng)［1］。相比之下，925 hPa的水汽輸送比850 hPa更強(qiáng)。到14：00，925和850 hPa的水汽通量均有所減弱，因而臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和周邊的對(duì)流強(qiáng)度也整體減弱，水汽通量的大值區(qū)從臺(tái)風(fēng)東側(cè)向臺(tái)風(fēng)北側(cè)偏移，雨區(qū)主體也移至臺(tái)風(fēng)北側(cè)。值得注意的是，雖然14：00后臺(tái)風(fēng)的整體水汽輸送減弱，但在臺(tái)風(fēng)主體的東南部仍然存在兩條有一定強(qiáng)度的螺旋狀水汽輸送帶，最大水汽通量超過(guò)35 g·（cm·s·hPa）-1，為下午新螺旋雨帶的生成提供了非常有利的水汽條件。

4.2 動(dòng)力條件

圖4a是8日08：00模擬的925 hPa散度和1 h累積降水分布，由圖4a可以看到，東北側(cè)的大范圍降水區(qū)和強(qiáng)輻合區(qū)有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，08：00輻合區(qū)主要在臺(tái)風(fēng)的東側(cè)和東北側(cè)，主要由偏南氣流和偏東氣流匯合形成，隨著臺(tái)風(fēng)向東北方向移動(dòng)，11：00主要的輻合區(qū)位于臺(tái)風(fēng)的東北側(cè)（圖略），來(lái)自海上的偏南氣流與廣東東北部的東北氣流在臺(tái)風(fēng)東北部形成輻合。為了進(jìn)一步了解輻合區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)，沿著23.2°N的強(qiáng)輻合區(qū)（圖4a黑色線）作08：00散度和水平風(fēng)速大小的東西向垂直剖面（圖5a），發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)東北部的對(duì)流區(qū)域有非常顯著的低層輻合中層輻散特征，在850 hPa以下的邊界層區(qū)域是輻合層，850到500 hPa是強(qiáng)的輻散層。在800 hPa以下存在非常強(qiáng)的東南低空急流，最大風(fēng)速超過(guò)30 m／s。研究指出低空急流不僅為強(qiáng)降水的產(chǎn)生提供大量水汽，還能造成急流前部的空氣輻合上升［12］。因此850 hPa以下邊界層的輻合抬升作用是造成臺(tái)風(fēng)東北部區(qū)域大范圍強(qiáng)降水天氣的動(dòng)力機(jī)制，從而也引發(fā)了廣州機(jī)場(chǎng)8日第1階段的持續(xù)性強(qiáng)降水天氣。

8日下午第2階段強(qiáng)降水是由臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)東側(cè)向東發(fā)展的螺旋雨帶造成。圖4b是8日14：00模擬的925 hPa渦度和1 h累計(jì)降水分布，正渦度的大值區(qū)主要位于臺(tái)風(fēng)的內(nèi)核區(qū)和東南側(cè)。許多研究指出，臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶和低層渦度分布有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，臺(tái)風(fēng)中的徑向渦度梯度能產(chǎn)生渦旋Rossby波，而渦旋Rossby波可以觸發(fā)螺旋雨帶的生成［13］。試驗(yàn)?zāi)M出14：00在臺(tái)風(fēng)的東南側(cè)存在一條明顯的螺旋狀正渦度帶，且強(qiáng)降水區(qū)域出現(xiàn)在正渦度帶上。沿著23°N（圖4b黑色線）作14：00渦度和水平風(fēng)速大小的東西向垂直剖面圖（圖5b），可以清楚看到在113.8°E附近出現(xiàn)強(qiáng)降水的位置上存在深厚的正渦度區(qū)，向上擴(kuò)展至600 hPa，且在低層存在風(fēng)速超過(guò)21 m／s的低空急流。因此，偏南暖濕水汽的輸送配合正渦度的觸發(fā)作用是8日下午臺(tái)風(fēng)減弱過(guò)程中在其東南側(cè)仍有新螺旋雨帶生成的原因。

圖4 2018年6月8日08：00模擬的925 hPa散度（填色，單位：10-4 s-1）、風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，單位：m／s）和1 h降水（等值線，單位：mm）（a）；6月8日14：00模擬的925 hPa的渦度（填色，單位：10-4 s-1）、風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，單位：m／s）和1 h降水（等值線，單位：mm）（b）

圖5 2018年6月8日08：00模擬的沿23.2°N東西向散度（填色，單位：10-4 s-1）和水平風(fēng)速（等值線，單位：m／s）的垂直剖面（a）；14：00模擬的沿23°N東西向的渦度（填色，單位：10-4 s-1）和水平風(fēng)速（等值線，單位：m／s）的垂直剖面（b）

5 結(jié)論

1）“艾云尼”具有顯著的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，強(qiáng)降水天氣主要發(fā)生在臺(tái)風(fēng)東側(cè)和北側(cè)的螺旋雨帶中。850 hPa以下臺(tái)風(fēng)東側(cè)低空急流的水汽輸送為臺(tái)風(fēng)的維持和強(qiáng)降水的發(fā)生提供了非常有利的水汽條件。

2）偏南暖濕氣流與東北氣流在臺(tái)風(fēng)東北側(cè)匯合造成的邊界層輻合抬升是引發(fā)機(jī)場(chǎng)第1階段強(qiáng)降水的動(dòng)力機(jī)制。

3）在臺(tái)風(fēng)整體減弱過(guò)程，其內(nèi)核區(qū)東南側(cè)的正渦度帶在有利的水汽輸送配合下觸發(fā)了新螺旋雨帶的形成，螺旋雨帶中的中尺度強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)造成了機(jī)場(chǎng)第2階段的強(qiáng)降水，在以后的工作中值得關(guān)注。

4）WRF模式雖然未能直接模擬出8日下午在臺(tái)風(fēng)減弱過(guò)程中東南側(cè)有完整的螺旋雨帶生成，但模擬出的螺旋狀正渦度帶和強(qiáng)對(duì)流單體對(duì)預(yù)報(bào)有一定的指示意義。