2008, 19 (2): 209-218
2. 南京信息工程大学, 南京 210044;
3. 广东省气象局, 广州 510080;
4. 河北省衡水市气象局, 衡水 053000
2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044;
3. Guangdong Meteorological Bureau, Guangzhou 510080;
4. Hengshui Meteorological Of fice of Hebei Province, Hengshui 053000
2005年8月6日03:40(北京时, 下同), 0509号台风麦莎在浙江省玉环县沿海登陆后向西北方向移动, 经浙江西北进入安徽, 于8月7日02:00在安徽省宣城市境内减弱为热带风暴; 随后向东折向江苏后, 逐渐转向偏北方向移动, 经山东的潍坊往北于8日14:00进入渤海, 入海时中心附近最大风力8级 (18 m/s), 中心气压995 hPa。而后风暴中心以20 km/h左右的速度向东北方向移动, 于9日07:10在辽宁省大连市龙王塘镇登陆, 登陆时已减弱为热带低气压 (中心附近最大风速12 m/s)。大约在9日08:00, 进入辽东半岛。
8日08:00到10日08:00, 河北受台风直接影响自东向西出现降水, 在唐山、秦皇岛、承德、廊坊、沧州有13个县 (市) 出现了暴雨, 唐山乐亭降水量为115 mm。据河北省加密自动雨量站网监测, 沧州、廊坊、唐山、秦皇岛、承德共105个乡镇出现了50~100 mm的暴雨, 其中沧州、廊坊、唐山有13个乡镇出现了大于100 mm蹬大暴雨。沧州、唐山、秦皇岛等沿海地区8日出现7~9级偏东大风, 其中黄骅港20:22最大风力达到9级, 曹妃甸22:00阵风达到10级; 8日17:50, 唐山曹妃甸最高潮位超过4 m, 18:30沧州沿海出现了5.02 m最高潮位, 超过5 m的警戒水位; 9日10:00, 秦皇岛新开港码头潮位距堤坝仅15 cm, 接近承载水位。沿海的部分盐田和虾池在大风大雨中受到损失, 部分交通、电力输送受到影响, 仅唐山地区经济损失就达840万元。因此, 进一步加强对台风暴雨的研究具有重要现实意义。
对于0509号台风麦莎, 许多人从不同的角度、对其给不同区域带来的影响进行了分析研究[1-9], 而对其造成冀东地区大暴雨的原因研究者甚少。本文采用双向嵌套的非静力MM5模式[10]对这次过程进行了模拟, 利用模拟结果对这次天气过程进行物理量诊断分析, 力图找到一些关于台风暴雨天气的形成条件和机理, 为今后的台风预报提供一些线索和思路。
1 模拟试验设计与结果分析 1.1 模拟试验设计本文采用MM5 V3.6版, 模式设计的主要技术要点如下:采用双向嵌套网格域, 模拟区域中心位于39°N, 119°E, 粗、细网格的水平分辨率分别为60 km, 20 km, 网格点数均为61×61。模拟中采用了10′×10′的地形资料, 初始资料采用NCEP/NCAR全球1°×1°资料。垂直方向分为不等距26层。物理过程采用Grell积云对流参数化方案及简单冰相显示水汽方案, 侧边界条件采用时变流入流出方案, 行星边界层过程用高分辨率Blackadar参数化方案。初始时刻为8月8日08:00, 积分48 h, 积分步长为90 s。
1.2 模拟结果的检验通过对粗网格模拟的高、低空环流形势图与实况图进行对比 (图 1) 发现, 无论是台风中心位置及其强度变化、副热带高压中心位置及其演变还是副热带高压与台风之间的中低空偏南急流的位置和强度与实况基本一致。进一步细致分析, 8月9日08:00台风中心都位于渤海湾, 中心强度都是5780 gpm; 蒙古东部的大陆高压及日本到中国东北的高压脊位置也基本一致; 副热带高压中心位置都位于中国台湾东北海面上, 中心强度实况为5920 gpm, 模拟结果为5900 gpm, 比实况略弱; 暖中心都不和台风中心重合, 都位于其东南侧的山东半岛东部海面上, 中心强度都是-1 ℃; 到10日08:00, 台风中心位于辽宁的阜新附近, 模拟中心在沈阳附近, 较实况略偏东, 中心强度均为5760 gpm; 副热带高压中心位置都位于东海东部, 中心强度实况是5900 gpm, 模拟结果5910 gpm, 比实况略强。850 hPa上, 8日20:00在台风的东部都有偏南急流, 唐山附近上空风速都是6 m/s, 风向都是东北, 高度都是1410 gpm; 10日08:00, 唐山附近上空为西南风, 风速4 m/s, 高度1420 gpm, 模拟结果为西风, 风速4 m/s, 高度1410 gpm。地面图的低压位置和风场等模拟效果也很好。因此, 从天气尺度的环流形势到天气系统的位置和强度等, 模拟量场与实际情况都比较接近。
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| 图 1. 2005年8月9日08:00 500 hPa (a, b) 和8日20:00 850 hPa (c, d) 环流形势图 (a, c) 实况, (b, d) 模拟结果 (实线:高度场, 单位:dagpm; 虚线:温度场, 单位:℃) Fig 1. Circulation pattern of 500 hPa (a, b) at 08:00 on Aug 9 and 850 hPa (c, d) at 20:00 on Aug 8, 2005 (a, c) observation, (b, d) simulations (solid line:height field, unit:dagpm; dashed line:temperature field, unit:℃) | |
从模拟的每6 h降水量与实况对比看 (图 2), 模拟的大范围降水走势、降雨量和雨强中心位置都与实况接近:8日20:00唐山的东南部和秦皇岛的西南部均出现6 h大于20 mm的降水, 最强的是唐山乐亭站, 雨量为36 mm, 粗网格模拟的中心雨量是40 mm; 9日14:00北京顺义和廊坊三河、大厂均出现6 h大于40 mm的降水, 最强的是大厂, 雨量为59 mm, 细网格模拟的中心雨量是40 mm。
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| 图 2. 2005年8月8日20:00(a, b) 和9日14:00 (c, d)6h降水量实况与模拟结果 (单位:mm) (a, c) 实况, (b, d) 模拟结果 Fig 2. The 6-hour rainfall at 20:00 (a, b) on Aug 8 and 14:00 (c, d) on Aug 9, 2005 (unit:mm) (a, c) observations, (b, d) simulations | |
通过以上分析可见, MM5模式对这次台风暴雨过程具有比较强的模拟能力, 以下利用粗网格模拟的各种物理量场, 对此次过程进行分析。
2 诊断分析 2.1 湿度条件分析分析沿118.5°E的相对湿度经向垂直剖面图发现, 从8月8日08:00开始, 在35°~39°N之间相对湿度大于90%的深厚湿层, 从地面向上一直伸展到400 hPa附近, 且中层许多地方的相对湿度达到100%, 16:00(图 3a) 饱和区扩展到40°N, 在唐山上空到500 hPa出现相对湿度为100%的强饱和气柱, 此时唐山地区降雨强度加大; 9日08:00, 饱和气柱北移到45°N附近, 500 hPa以下都是饱和区, 在此时段, 唐山已有15个点出现暴雨; 事实上, 从8日08:00到9日20:00唐山地区上空相对湿度都大于90%, 甚至在暴雨过后的10日08:00, 500 hPa以下各层的相对湿度还维持在80%以上。这种湿度分布说明:麦莎北上河北, 其暖湿结构基本保留了热带天气系统特征, 使冀东地区不仅低层水汽接近饱和, 而且湿层深厚稳定, 为冀东地区出现大暴雨奠定了良好的水汽条件。
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| 图 3. 2005年8月8日16:00相对湿度 (单位:%) (a)、15:00散度场 (单位:10-5s-1) (b) 和15:00垂直速度 (单位:cm·s-1) (c) 沿118.5°E的垂直剖面图 Fig 3. Cross section of relative humidity at 16:00 (unit:%)(a), divergence at 15:00 (unit:10-5s-1)(b) and vertical velocity at 15:00 (unit:cm·s-1)(c) along 118.5°E on Aug 8, 2005 | |
2.2 散度场和垂直速度分析
从大暴雨过程中散度场和垂直速度分布看:低空辐合区和强上升运动中心主要分布在台风中心的北侧、东侧, 且强降水区高低层的散度场一直存在良好的配置。分析沿118.5°E的散度、垂直速度经向垂直剖面图发现, 8月8日08:00, 在34°~39°N之间900 hPa以下是辐合区, 中心在38°N附近, 与之对应的辐散中心在200 hPa附近, 在36°~41°N之间从地面到200 hPa都是上升区, 其中最大上升速度在300 hPa与400 hPa之间, 中心强度21 cm·s-1, 位于山东北部暴雨中心上空; 随着麦莎北移, 辐合辐散中心和强上升区也向北移动, 14:00, 辐合辐散中心移到唐山南部地区, 一直到20:00, 辐合辐散中心都在唐山南部上空, 其中以15:00强度最大 (图 3b), 辐合层高度伸展至450 hPa, 中心强度-5×10-5s-1; 强辐散中心在300 hPa附近, 中心强度9×10-5s-1。高层辐散大于低层辐合, 由于这种强烈的“抽吸”作用使上升运动迅速加强, 上升速度达到30 cm·s-1, 降水强度也加大, 8日14:00到9日02:00乐亭站降水量达48 mm, 多个自动站在50 mm以上。随后, 辐合辐散中心继续向北移动, 强度逐渐减弱, 上升运动随之减弱, 降水也逐渐减小, 02:00到14:00乐亭站12:00降水量仅有5 mm, 从14:00开始, 唐山南部低空出现辐散区, 高层对应弱辐合区, 弱上升运动逐渐转成下沉运动, 这种情况一直持续到20:00, 乐亭降水趋于停止, 6 h降水量仅有0.1 mm; 9日20:00后, 唐山南部上空又出现高层辐散、低层辐合这种有利配置, 上升运动也逐渐加强, 到10日03:00, 辐合辐散达到第二高值, 辐合层高度伸展至750 hPa, 中心强度-4× 10-5s-1, 辐散中心在650 hPa附近, 中心强度2× 10-5s-1, 上升速度增大到4 cm·s-1, 导致又一次降水高峰, 10日08:00乐亭站6 h降水量达45 mm, 此后, 辐合辐散强度又逐渐减弱, 上升运动随之减弱, 降水逐渐停止。
2.3 中低空流场和能量场分析分析8日08:00—9日08:00暴雨发生主要时段700 hPa流场和相当位温θe场的变化 (图 4), 可见:8日08:00, 在蒙古东部有一个高压中心, 日本到中国东北地区为高压脊, 台风中心位于37.0°N, 118.5°E附近, 台风北部渤海湾有一支偏东风急流, 8日20:00偏东风急流扩大到辽宁西北部; 经对台风热力结构进行分析表明, 台风中心与暖中心并不重合, 暖中心位于台风中心东部的黄海和北部的渤海, 中心强度350 K, 同时在山东西部、河北南部有冷空气活动, 冷中心强度330 K, 使台风东部暖、西部冷, 出现热力结构不对称[1]。
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| 图 4. 2005年8月8日08:00 (a) 和20:00 (b) 700 hPa风场 (风矢线) 与θe(实线, 单位:K) Fig 4. 700hPa wind field (vector) and θe field (solid line, unit:K) at 08:00 (a) and 20:00 (b) on Aug 8, 2005 | |
850 hPa流场和相当位温θe场的分布与700 hPa相似, 在这种流场和能量场的配置下, 台风北部的偏东风低空急流将海洋上的高能量暖湿空气输送到河北东北部地区, 为该区8日下午到前半夜暴雨的产生提供了有利的动力和热力条件。
3 螺旋度特征分析螺旋度是一个用来衡量风暴入流强弱以及沿入流方向的水平涡度分量的参数。近年来, 国内外许多人利用螺旋度来研究暴雨等强对流天气的发生与发展[11-17]。热带气旋是大气中一种具有较强螺旋性的天气系统, 它的发生发展本质上是一种螺旋性结构建立的过程, 螺旋性结构的形成意味着流动螺旋度的增大, 而螺旋度的增大可进一步抑制热带气旋中非线性能量的耗散和扩散, 使热带气旋得以发展和维持[18]。
螺旋度分为风暴相对螺旋度 (storm relative helicity, 简称SRH, 又称总螺旋度) 和局地风暴相对螺旋度 (简称局地螺旋度), 常把SRH值≥150 m2/s2作为强对流性风暴发生的判据。
3.1 局地螺旋度与暴雨的关系850 hPa局地螺旋度变化:8日08:00, 台风中心位于山东日照附近, 中心螺旋度为-10 m/s2, 在台风的西侧、北侧和东侧各有一个正值中心, 北部的正值中心逐渐向西移动, 10:00移到秦皇岛南部、唐山东北部海域, 中心值20 m/s2(图 5a), 该区域降水强度明显加大; 而后, 该正值中心分裂成两个, 一个在唐山南部海域, 中心值20 m/s2, 一个在秦皇岛北部青龙附近徘徊, 中心值30 m/s2, 强降水发生在两个螺旋度正值带之间的区域; 14:00两中心又合并, 中心值降到15 m/s2, 位于唐山、秦皇岛东部地区, 一直到20:00, 螺旋度正值区都在此区域附近徘徊, 强度逐渐减弱, 8日08:00—20:00唐山东部的乐亭、滦县、滦南、唐海及秦皇岛南部的昌黎5站出现大于25 mm的短时暴雨, 其中乐亭最大, 48 mm, 其次是昌黎37 mm, 唐海35 mm, 多个自动站出现12 h降水量大于50 mm的大暴雨。
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| 图 5. 2005年8月8日10:00 (a) 和10日05:00 (b) 850 hPa局地螺旋度分布图 (单位:m/s2) Fig 5. 850 hPa local helicity (unit:m/s2) distribution at 10:00 on Aug 8, 2005 (a) and 05:00 on Aug 10, 2005 (b) | |
21:00后, 该正值中心范围逐渐缩小, 并向西移动, 中心值在5 m/s2以下, 秦皇岛南部、唐山东部的降水减弱; 9日03:00开始, 螺旋度值甚至出现小于0的情况, 一直到9日20:00, 螺旋度值都在5 m/s2以下, 该地降水强度达到最低, 乐亭9日20:00 12 h降水量仅有5.1 mm; 9日21:00后, 唐山、秦皇岛地区螺旋度值又逐渐加大, 10日05:00, 又一个更强的大值中心移到唐山南部, 中心值40 m/s2(图 5b), 导致乐亭又出现一个降水高峰, 6 h降水45 mm。可见, 麦莎台风在发展演变过程中, 螺旋度大值中心对应着强降水中心, 或者说, 局地螺旋度的极大值中心对未来强降水区有一定的指示作用。
700 hPa局地螺旋度变化与850 hPa相似, 只是强度较后者弱, 台风中心螺旋度是负值, 正的大值中心对应着强降水中心。
900 hPa局地螺旋度分布与850, 700 hPa相似, 也是正的大值中心对应着强降水中心, 不同的是台风中心螺旋度是正值, 螺旋度大值中心与台风中心并不重合, 而是位于其北部、东部, 强度要比850, 700 hPa强。
250 hPa螺旋度分布与对流层中低层正好相反。8日08:00在河套地区有一个正螺旋度的极大值中心, 对应着该层的河套低涡; 河北东部螺旋度都是负值, 到16:00, 唐山南部出现一个负值中心, 与低层正值中心及强降水中心对应, 该负值中心的移动与低层正值中心及强降水中心的移动同位相, 并随着其减弱降水也趋于结束。
3.2 风暴相对螺旋度与暴雨的关系分析风暴相对螺旋度的分布图 (图 6)。8日08:00, SRH中心位于秦皇岛南部海域, 中心值450 m2/s2, 该正值中心逐渐向西移动, 8日16:00(图 6a), 正值中心移到秦皇岛南部、唐山东南部一带, 中心值是450 m2/s2, 该区域降水强度明显加大; 而后, 正值中心向北移动, 一直到20:00, 正值中心在承德南部到唐山北部一带徘徊, 中心值降到200 m2/s2, 强降水区SRH值为120~180 m2/s2, 位于螺旋度大值区东南部的等值线密集区域; 21:00后, 该正值中心向西移动, 秦皇岛南部、唐山东部的SRH值减小, 降水随之减弱; 9日10:00, SRH中心移到张家口南部、北京西部一带, 中心值260 m2/s2(图 6b), 在其东南部的等值线密集区域降水强度增大, 到14:00北京东部、廊坊北部和天津西北部多个站点出现短时暴雨, 其中大厂、顺义、三河3个站出现大暴雨, 强降水区S RH值为120~160 m2/s2, 此后, 该SRH中心向西北移动并减弱, 于此同时, 位于山东北部的另一个SRH中心加强并向东北方向移动, 唐山、秦皇岛地区SRH值又逐渐加大, 10日05:00, 在唐山南部又出现大值中心, 中心值140 m2/s2(图 6c), 导致乐亭又出现一场短时暴雨。可见, 强降水区发生在风暴相对螺旋度的大值中心或其东南部的等值线密集区域。另外, 在暴雨期间或前期, 暴雨区风暴相对螺旋度一直大于120 m2/s2, 说明SRH值大的区域, 旋转性的环境风场有利于加强上升运动, 为强对流系统提供充足的浮力能, 造成局地强降水。
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| 图 6. 2005年8月风暴相对螺旋度分布图 (单位:m2/s2) (a)8日16:00, (b)9日10:00, (c)10日05:00 Fig 6. SRH distribution (unit:m2/s2) (a) 16:00 on Aug 8, 2005, (b) 10:00 on Aug 9, 2005, (c) 05:00 on Aug 10, 2005 | |
3.3 局地螺旋度对暴雨的作用分析
局地螺旋度即水平风速和水平涡度的积。其值较大可能是水平风速大也可能是水平涡度大或两者都大, 都会对应大气的异常状态。一方面, 水平风速大可以对应常与暴雨联系的急流。如西南低空急流可以造成强暖湿空气输送, 加强层结不稳定度和低层扰动, 进而触发不稳定能量释放; 在其左前方有水汽辐合和气旋性切变, 可产生或增加垂直涡度。另一方面, 水平涡度主要由水平风场的垂直切变决定, 而水平风垂直切变恰恰是预报强对流天气的一个重要参数, 与大气不稳定、强对流天气联系紧密; 另外, 水平涡度可以通过对流上升运动发生扭转使得垂直方向的涡度增大, 进而促进系统发展; 水平涡度大表明在适当情况下空气可形成强的垂直环流的趋势大, 并在对流发生后有助于垂直环流的维持, 从这个角度上说, 它是垂直涡度获得或增加的一个重要源泉[19]。
以850 hPa为例, 通过分析涡度和全风速图发现:台风中心与涡度中心并不重合, 正涡度中心位于台风的北部, 8日08:00(图略), 正涡度中心位于莱州湾, 中心值240×10-6s-1, 河北东部涡度较小, 在0~50×10-6s-1之间。台风的东部和北部有全风速≥20 m/s的急流核, 在渤海上空有中尺度偏东风急流 (东西长约200 km), 河北东部全风速值在15~20 m/s; 随着台风向偏北方向移动, 急流带也向偏北方向移动, 正涡度中心向西北方向移动, 10:00, 全风速≥20 m/s的急流核移到唐山东部地区, 尽管涡度仍然较小, 在0~50×10-6s-1之间 (图 7a), 但由于风速较大, 该地还是出现了20 m/s2的螺旋度中心 (图 5a), 同时, 在渤海的中东部和黄海有高能中心 (图 7b), 黄海的偏南风急流和渤海的偏东风急流将海洋上能量和水汽向唐山地区输送, 该区域降水强度明显加大; 16:00, 唐山地区急流有所减弱, 风速值在15~20 m/s之间, 但由于涡度增大, 在150× 10-6~250×10-6s-1之间 (图 7c), 该地螺旋度值依然较大 (图略), 偏东风急流源源不断地向唐山地区输送能量和水汽, 使该区域降水持续, 20:00, 多个自动站12 h降水量在50 mm以上。
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| 图 7. 2005年8月8日10:00 (a, b) 和16:00 (c, d)850 hPa涡度 (实线, 单位:10-6s-1)、全风速 (阴影, 单位:m/s)(a, c)、风场 (风矢线) 与θe场 (实线, 单位:K)(b, d) Fig 7. 850 hPa vorticity (solid line, unit:10-6s-1), wind velocity (shade, unit:m/s)(a, c) and wind field, θe(solid line, unit:K)(b, d) at 10:00 (a, b) and 16:00 (c, d) on Aug 8, 2005 | |
4 结论
本文采用双向嵌套的非静力MM5模式对2005年登陆北上的9号台风麦莎于8月8—10日给河北东部带来大范围大暴雨进行了数值模拟。结果表明:
1) 从8月8日08:00到10日08:00冀东地区不仅低层水汽接近饱和, 而且湿层深厚稳定, 为大暴雨的发生奠定了良好的水汽条件。暴雨区上空存在高层辐散、低层辐合这种有利配置, 产生强烈的上升运动, 这种强垂直上升运动是大暴雨产生和持续的重要动力机制。
2) 通过对中低空流场和相当位温θe场的分析, 表明台风中心与暖中心并不重合, 台风东部暖、西部冷, 出现热力结构不对称。台风北部的偏东风低空急流将海洋上的高能量暖湿空气输送到河北东北部地区, 为该区暴雨的产生提供了有利的动力和热力条件。
3) 在对流层中低层, 雨区上空对应的螺旋度是正值, 并且螺旋度大值中心对应着强降水中心, 随着螺旋度大值中心的移动强降水中心也相应移动, 局地螺旋度的极大值中心对未来强降水区有一定的指示作用。
4) 分析风暴相对螺旋度发现, 强降水区发生在风暴相对螺旋度的大值中心或其东南部的等值线密集区域。
5) 局地螺旋度的值较大可能是水平风速大也可能是水平涡度大或两者都大, 都会对应大气的异常状态, 从而引发强降水。
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