鷲峰山脈對“海棠”臺風(fēng)暴雨影響的模擬分析*

江 穎 鄒小松

(1.福建省福州市氣象局,福建 福州 350008; 2.福建省閩侯縣氣象,福建 福州 350199)

1 概述

福建省位于我國東南部沿海,地形復(fù)雜,西北部多山地,東南部沿海,受臺風(fēng)影響頻繁,每年登陸中國的臺風(fēng)中有一半以上對福建省產(chǎn)生影響,導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失,影響人民生活[1]。臺風(fēng)暴雨是臺風(fēng)災(zāi)害中危害和損失最大的,也是學(xué)界最為關(guān)注的[2]。許多國內(nèi)外學(xué)者對臺風(fēng)暴雨機(jī)理進(jìn)行深入探究,但由于臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度、自身結(jié)構(gòu)不同,并且臺風(fēng)還與中高緯環(huán)流互相影響,中小尺度相互作用,因此難以得出一個(gè)統(tǒng)一結(jié)論[3]。

地形是影響臺風(fēng)暴雨的一個(gè)重要因素。葉成志[4]指出，相較于產(chǎn)生暴雨的其他環(huán)流條件,在低層為臺風(fēng)登陸時(shí)的偏東風(fēng)氣流控制下,地形對臺風(fēng)暴雨增幅作用尤為明顯。何立富等[5]研究表明，地形對偏東氣流抬升的作用導(dǎo)致“泰利”臺風(fēng)強(qiáng)降水的特點(diǎn)為落區(qū)主要在大別山東麓和九嶺山脈迎風(fēng)坡上,氣流抬升有利于對迎風(fēng)坡降雨增幅。福建省具有三面環(huán)山、一面臨海特殊地形,同樣具有在山脈迎風(fēng)坡產(chǎn)生大暴雨到特大暴雨的特點(diǎn)[6-8]。許多學(xué)者研究地形對登陸臺風(fēng)暴雨增幅作用的機(jī)理。陳聯(lián)壽[9]指出，當(dāng)?shù)顷懪_風(fēng)在陸地上移動緩慢并有特定的地形與其配合時(shí),山脈地形與低空環(huán)流匯合形成地形輻合區(qū),例如喇叭口地形,其生成中尺度次生中心和小渦有利于降雨持續(xù)發(fā)展。通過地形模式敏感性試驗(yàn),吳啟樹等[10]指出,在山坡迎風(fēng)坡的地形坡度與氣流正交速度乘積最大的時(shí)候,地形對臺風(fēng)暴雨的增幅作用最大。多數(shù)研究集中于地形迎風(fēng)坡對臺風(fēng)暴雨的增幅作用,而對地形阻擋臺風(fēng)暴雨作用方面的研究還不多，1709號臺風(fēng)“納沙”和1710號臺風(fēng)“海棠”分別于30日6時(shí)、31日2時(shí)50分登陸福清，此次罕見的近距離雙臺風(fēng)過程導(dǎo)致風(fēng)雨持續(xù)時(shí)間長、累積雨量大、影響范圍廣,福建沿海大部降雨達(dá)特大暴雨量級,但是福建西北部只有局部達(dá)到暴雨量級。為了探尋地形對此次福建暴雨分布特點(diǎn)的影響,本文利用1°×1°NCEP再分析資料和WRF模式對鷲峰山脈進(jìn)行地形敏感試驗(yàn),分析鷲峰山脈對此次強(qiáng)降水的影響,以期為福建省地形對類似臺風(fēng)暴雨的預(yù)報(bào)提供參考和依據(jù)。

2 臺風(fēng)“海棠”概況及降水實(shí)況

7月26日11時(shí)，1709號臺風(fēng)“納沙”在菲律賓以東的西北太平洋面上生成,而后向西北方向移動,強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)；28日17時(shí)，加強(qiáng)為臺風(fēng)(29日05時(shí)最強(qiáng)達(dá)40m/s,13級,960hPa)。29日19時(shí)40分在臺灣宜蘭東部沿海登陸,登陸后，臺風(fēng)向西偏北方向移動,30日06時(shí)前后在福清市沿海登陸,登陸時(shí)為臺風(fēng),14時(shí)就減弱為熱帶低壓(圖1a)。7月28日20時(shí)，1710號熱帶風(fēng)暴“海棠”在南海北部洋面上生成,“海棠”生成后向東北方向移動,強(qiáng)度略有加強(qiáng)。30日17時(shí)30分在臺灣屏東縣近海登陸,登陸后轉(zhuǎn)向北偏西方向移動,31日2時(shí)50分前后在福清市沿海登陸,登陸時(shí)為熱帶風(fēng)暴級,登陸后強(qiáng)度逐漸減弱,并與“納沙”減弱后的殘渦合并。23時(shí)在江西境內(nèi)減弱為熱帶低壓,8月1日8時(shí)停編(圖1b)。“海棠”減弱后繼續(xù)北上,與北邊的西風(fēng)槽相互影響,對福建省造成大范圍降水。臺風(fēng)“納沙”和“海棠”的最大特點(diǎn)是顯著的藤原效應(yīng)、24h內(nèi)在同一地區(qū)登陸的罕見現(xiàn)象。

(a)1709號臺風(fēng)“納沙”路徑實(shí)況及預(yù)報(bào) (b)1710號臺風(fēng)“海棠”路徑實(shí)況

此次暴雨過程主要是發(fā)生在7月30日—8月1日,而臺風(fēng)“納沙”在7月30日12時(shí)就已經(jīng)減弱為熱帶低壓,所以主要分析臺風(fēng)“海棠”對這次過程的影響。30日夜間，“海棠”進(jìn)入臺灣海峽,福建省沿海及南部地區(qū)降水加大(圖2a)；7月31日“海棠”登陸福清后,以本體和螺旋雨帶降水為主,導(dǎo)致福建沿海大部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雨到特大暴雨(圖2b)；8月1日,“海棠”減弱北上,與西風(fēng)帶結(jié)合,導(dǎo)致福建西北部發(fā)生降水(圖2c)。因?yàn)榇舜芜^程,前兩天降雨落區(qū)主要在沿海,鷲峰山脈的南側(cè)(鷲峰山脈位于圖2d黑色方框內(nèi)),8月1日的降雨主要在鷲峰山脈北側(cè),因此對7月30日—8月1日的臺風(fēng)暴雨用WRF模式進(jìn)行模擬,研究鷲峰山脈對此次暴雨的影響。

3 模式方案設(shè)計(jì)

模式的初始場和邊界層資料是26層等壓面、每6小時(shí)一次的1°×1°NCEP/NCAR氣象再分析資料。模擬地區(qū)為115.5°E～120.5°E、22.5°N～28.2°N,覆蓋整個(gè)福建省,采取兩重網(wǎng)格嵌套方式,粗網(wǎng)格格距為9km,格點(diǎn)數(shù)為121×91；細(xì)網(wǎng)格格距為3km,格點(diǎn)數(shù)為181×181。模式采用的參數(shù)化方案為：WSM微物理方案,RRTM長波輻射方案,Dudhia短波輻射方案,QNSE近地面方案,Noah陸面參數(shù)化方案,淺對流Kain-Fritsch(newEta)積云參數(shù)化方案,QNSE-EDMF邊界層方案(表1)。這次模擬過程的時(shí)段為2017年7月28日08時(shí)(北京時(shí)間,下同)至8月3日08時(shí)，共144h,粗網(wǎng)格時(shí)間間隔為3h,細(xì)網(wǎng)格時(shí)間間隔為1h,控制試驗(yàn)以此方案得出。為了分析鷲峰山脈對此次臺風(fēng)暴雨的影響,在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對改變地形高度進(jìn)行了敏感性試驗(yàn)(將鷲峰山脈高度升高2倍和降低0.3倍)。

(a)2017年7月30日08時(shí)—31日08時(shí)累積降水 (b)2017年7月31日08時(shí)—8月1日08時(shí)累積降水

表1 模式模擬的參數(shù)化方案

4 模擬結(jié)果分析

對比控制試驗(yàn)(圖3)和實(shí)況分析得出,7月30日控制試驗(yàn)很好地模擬出了臺風(fēng)環(huán)流降雨的形態(tài),但降雨落區(qū)模擬結(jié)果偏南,福建北部模擬的雨量偏大；7月31日控制試驗(yàn)?zāi)M的降雨量級與實(shí)況較為吻合,但對福建東北部降雨落區(qū)的模擬偏??；8月1日是臺風(fēng)“海棠”殘留與西風(fēng)帶結(jié)合的降雨,控制試驗(yàn)?zāi)M出福建西北的暴雨,但模擬落區(qū)偏小。整體來說，控制試驗(yàn)較好地模擬出此次過程降雨量級和降雨形態(tài),較好地模擬出臺風(fēng)暴雨在鷲峰山脈地形的轉(zhuǎn)折。

圖3 WRF模擬的2017年7月30日8時(shí)—31日8時(shí)(a)、7月31日8時(shí)—8月1日8時(shí)(b)、8月1日8時(shí)—2日8時(shí)(c)24h累積降雨

原始鷲峰山脈呈西南-東北走向,地勢較高,高度達(dá)800～1000m,對南側(cè)的熱帶氣旋和北側(cè)的西風(fēng)槽起到很好的地形阻擋作用,因此對鷲峰山脈做地形敏感試驗(yàn)。敏感試驗(yàn)1：考慮到福建地形是丘陵地區(qū)，因此將位勢高度降低至鷲峰山脈高度的0.3倍更符合沒有山脈影響的模擬情況(圖4)。對比分析敏感試驗(yàn)1和控制試驗(yàn)的模擬結(jié)果顯示：7月30日的降水鷲峰山脈地形起到顯著作用,南部暴雨減弱,西北部暴雨明顯增強(qiáng),說明臺風(fēng)減弱更慢(圖5a)；對于7月31日的臺風(fēng)本體降水,地形降低后沒有顯著影響(圖5b)；對于8月1日臺風(fēng)殘渦與西風(fēng)槽合并的降水,鷲峰山脈降低后,模擬的閩西北暴雨強(qiáng)度偏強(qiáng)、落區(qū)增大偏北(圖5c),說明地形對西風(fēng)槽并未阻擋,仍是對臺風(fēng)強(qiáng)度和位置的影響,鷲峰山脈位勢高度降低后臺風(fēng)殘渦模擬偏強(qiáng),與西風(fēng)帶相互作用的更為劇烈，導(dǎo)致暴雨強(qiáng)度強(qiáng)、落區(qū)大。

(a)福建省原始地形 (b)將鷲峰山脈位勢高度縮小0.3倍

圖5 敏感試驗(yàn)1的2017年7月30日8時(shí)—31日8時(shí)(a)、7月31日8時(shí)—8月1日8時(shí)(b)、8月1日8時(shí)—2日8時(shí)(c)24h累積降雨

敏感試驗(yàn)2：由于鷲峰山脈原始高度800～1000m，所以將鷲峰山脈位勢高度升高2倍滿足抬高地形的目的(圖6)。對比分析敏感試驗(yàn)2(圖7)和控制試驗(yàn),得出：7月30日鷲峰山脈西側(cè)(福建西北部)模擬的降雨較控制試驗(yàn)明顯減弱,基本是小到中雨量級,鷲峰山脈東側(cè)(福建東北部沿海)模擬的降雨強(qiáng)度較控制試驗(yàn)偏強(qiáng),且整個(gè)臺風(fēng)環(huán)流降水的形態(tài)偏南,說明鷲峰山脈地形對臺風(fēng)起到很好的阻擋作用。在鷲峰山脈東側(cè)地形抬升偏東氣流,使得迎風(fēng)坡降水顯著；由于地形阻擋在鷲峰山脈西側(cè)未受到臺風(fēng)太大影響,只是小到中雨；7月31日同樣也是由于地形抬升作用,敏感試驗(yàn)2模擬的鷲峰山脈東側(cè)降雨強(qiáng)度加強(qiáng)；對比8月1日的敏感試驗(yàn)2和控制試驗(yàn)對福建西北部降雨的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),敏感試驗(yàn)2的降雨落區(qū)偏小、偏南，且量級偏弱,仍說明此時(shí)鷲峰山脈對西風(fēng)帶未有顯著影響,由于山脈高度升高對臺風(fēng)阻擋,使得臺風(fēng)減弱加快,導(dǎo)致弱的臺風(fēng)殘留和西風(fēng)帶結(jié)合，使得西北部降雨量級偏弱,落區(qū)偏小(圖7)。

(a)福建省原始地形 (b)將鷲峰山脈位勢高度升高2倍

圖7 敏感試驗(yàn)2的2017年7月30日8時(shí)—31日8時(shí)(a)、7月31日8時(shí)—8月1日8時(shí)(b)、8月1日8時(shí)—2日8時(shí)(c)24h累積降雨

5 結(jié)論

本文運(yùn)用WRF模式,對201710臺風(fēng)“海棠”在福建省2017年7月30日—8月1日的降雨進(jìn)行模擬,并在此基礎(chǔ)上對鷲峰山脈地形影響臺風(fēng)暴雨進(jìn)行敏感試驗(yàn),得出結(jié)論如下：①WRF模式較好地模擬出此次過程降雨量級和降雨形態(tài),模擬出在鷲峰山脈地形暴雨的轉(zhuǎn)折；②通過對鷲峰山脈地形升高2倍和降低0.3倍后的對比發(fā)現(xiàn)，位勢高度降低0.3倍后模擬的7月30日鷲峰山脈南部暴雨較控制試驗(yàn)減弱,西北部暴雨較控制試驗(yàn)明顯增強(qiáng),位勢高度升高2倍后模擬的7月30日鷲峰山脈西側(cè)(福建西北部)降雨較控制試驗(yàn)明顯減弱，且整個(gè)臺風(fēng)環(huán)流降水的形態(tài)偏南；位勢高度升高2倍后，7月31日模擬的鷲峰山脈東側(cè)降雨強(qiáng)度加強(qiáng)；鷲峰山脈位勢高度降低0.3倍后模擬的8月1日閩西北暴雨強(qiáng)度偏強(qiáng)、落區(qū)增大偏北，位勢高度升高2倍后模擬的8月1日福建西北部降雨偏小偏南且量級偏弱。鷲峰山脈對此次臺風(fēng)強(qiáng)度和路徑有很大影響,地形的存在對鷲峰山脈東側(cè)(迎風(fēng)坡)降水有增幅作用,在鷲峰山脈西側(cè),地形對臺風(fēng)暴雨起到很好的阻擋作用。