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        “丹娜絲”臺風(fēng)對“菲特”臺風(fēng)影響期間浙北特大暴雨作用的數(shù)值研究*

        2019-07-03 08:46:16樓茂園周玲麗趙軍平劉漢華李超婁小芬
        浙江氣象 2019年2期
        關(guān)鍵詞:浙北菲特急流

        樓茂園 周玲麗 趙軍平 劉漢華 李超 婁小芬

        (浙江省氣象臺,浙江 杭州 310017)

        0 引 言

        2013年第23號臺風(fēng)“菲特”登陸福建北部后本體環(huán)流迅速減弱,但是浙江北部地區(qū)仍出現(xiàn)特大暴雨,引發(fā)嚴(yán)重洪澇災(zāi)害。對這一過程,近年來已有不少學(xué)者進(jìn)行分析研究。周福、錢燕珍等認(rèn)為,低層冷空氣滲透,引發(fā)中小尺度系統(tǒng)發(fā)展,以及持續(xù)東風(fēng)氣流與東北氣流輻合引發(fā)暴雨[1]。謝惠敏、任福民等認(rèn)為,整個暴雨過程中,第一階段的強(qiáng)降水由雙臺風(fēng)造成,其中臺風(fēng)“丹娜絲”貢獻(xiàn)79%水汽,第二階段由丹娜絲與冷空氣共同作用所致[2]。姚麗娜、韓桂榮等通過客觀分離法和數(shù)值模擬后指出,10月6日區(qū)域性大暴雨,被識別為主要由臺風(fēng)“菲特”造成的降水。10月7日江蘇東南部、浙江東北部的區(qū)域性大暴雨,用客觀分離法分析結(jié)果表明,兩個臺風(fēng)都起到了關(guān)鍵性作用;模式模擬結(jié)果表明,強(qiáng)降水與臺風(fēng)“菲特”有直接關(guān)聯(lián),而與臺風(fēng)“丹娜絲”作用不大[3]。劉建勇、周冠博等認(rèn)為,暴雨過程可分為4個階段,其中最后一個階段的暴雨是在8日凌晨由“菲特”臺風(fēng)殘留低壓環(huán)流與冷空氣相互作用引起[4]。其他文獻(xiàn)[5-9]研究也各有不同觀點。

        上述研究中主要有以下觀點:一是強(qiáng)調(diào)冷空氣的作用,開始影響時間觀點不一,但大多文獻(xiàn)認(rèn)為只是出現(xiàn)在最后一段暴雨;二是暴雨主要是與持續(xù)東風(fēng)氣流有關(guān);三是臺風(fēng)“丹娜絲”對暴雨的作用,有人認(rèn)為有作用,也有人認(rèn)為作用不大。本文在前期研究的基礎(chǔ)上,針對上述學(xué)者的不同觀點,對該過程再作深入分析,重點采用數(shù)值模擬敏感試驗方法,研究了“丹娜絲”對本次暴雨的作用,并完善了暴雨的成因物理機(jī)制,以期為業(yè)務(wù)預(yù)報提供參考和指示。

        1 天氣過程

        2013年第23號熱帶風(fēng)暴“菲特”于9月30日20時在菲律賓以東洋面生成,4日17時加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)。7日1時15分在浙閩交界處(福鼎沙埕鎮(zhèn))登陸后向西南方向移動,強(qiáng)度迅速減弱,于7日8時在福建省建甌市境內(nèi)減弱為熱帶低壓,11時停止編報。同時,第24號熱帶風(fēng)暴“丹娜絲”于4日下午在西北太平洋洋面上生成,7日08時加強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng),8日2時轉(zhuǎn)向北上,隨后向東北方向移動,強(qiáng)度逐漸減弱,9日05時停止編報(圖1a)。

        “菲特”臺風(fēng)10月5日20時—8日20時在浙江造成了罕見的暴雨和大暴雨天氣,多地過程雨量破當(dāng)?shù)嘏_風(fēng)過程雨量極值,超過或接近百年一遇。圖1b顯示過程雨量主要集中在浙北和沿海一帶,總雨量在250 mm以上,其中單站最大雨量出現(xiàn)在浙北,單站最大安吉天荒坪1056 mm、象山黃泥橋788 mm、余姚上王崗718 mm、上虞永和636 mm、余姚氣象站543 mm。

        整個過程降水大致可以分為3個階段(圖略)。第一階段為5日20時—7日02時的浙中南降水,屬于“菲特”本體環(huán)流降水。第二階段為7日02—20時,期間“菲特”臺風(fēng)登陸福建沿海并迅速減弱為熱帶低壓。降水分析發(fā)現(xiàn),這段時間內(nèi)的雨帶明顯分裂為南北兩部分,南部降水正是對應(yīng)著減弱的“菲特”環(huán)流,而北部較強(qiáng)的降水則對應(yīng)著環(huán)流場中的偏東氣流,并且“丹娜絲”臺風(fēng)在這個時段內(nèi)和浙江省的距離最近,從“丹娜絲”環(huán)流外側(cè)有偏東氣流一直延伸至浙北暴雨區(qū)。這說明北部降水很可能和“丹娜絲”有聯(lián)系,這也是本文工作重點。第三階段為7日20時—8日20時,從每6 h的850 hPa形勢和925 hPa變溫場(圖略)可以得出,浙北在8日2時才有冷空氣影響,并與暖濕氣流結(jié)合產(chǎn)生了降水,但雨帶范圍和強(qiáng)度明顯較之前兩個階段要小。

        值得注意的是,在第二階段降水期間的10月7日6—11時的逐小時降水圖(圖略)上,明顯存在逐小時降水雨團(tuán)移動形成的中小尺度強(qiáng)雨帶。該雨帶從寧波南部的象山以東的海上生成,呈東東南—西西北走向,強(qiáng)雨帶狹長,約40 km寬,150 km長,自東緩慢西移,其中7日7—10時3 h余姚五車堰站雨量最大,達(dá)222 mm,其中最大1 h達(dá)110 mm,該中小尺度強(qiáng)雨帶對當(dāng)?shù)睾闈承纬善鹬饕饔谩?/p>

        2 數(shù)值模擬試驗及其結(jié)果診斷分析

        2.1 模擬驗證

        利用WRF模式對第二階段降水進(jìn)行了模擬試驗作為控制試驗,然后將初始場中的“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流剔除后再次進(jìn)行模擬作為敏感性試驗,研究“丹娜絲”對本次浙北特大暴雨過程的影響作用。模式設(shè)置一重網(wǎng)格,水平格點數(shù)為650×650,格距為3 km,垂直方向27層,網(wǎng)格中心位于30°N、120°E。模式起始時間為世界時2013年10月6日12時,結(jié)束時間為8日12時,積分48 h,時間步長15 s。模擬所使用的初始場為grib2格式的GFS數(shù)據(jù)(一天4個時次)和NCEP grib1格式的SST數(shù)據(jù)(一天一個時次),分辨率均為0.5°×0.5°。模式采用WSM 6類霰微物理方案和YSU邊界層方案。對比實況和模擬的臺風(fēng)路徑、中心強(qiáng)度和降水可知,模式較好地反映出了“菲特”的移動路徑和強(qiáng)度變化,并且對第二階段降水的特點也有較好的反映。

        對比臺風(fēng)實況和模擬的路徑,從圖2a中可見,“菲特”臺風(fēng)的實況和模擬的臺風(fēng)路徑都是西北偏西方向,并且非常接近,偏差不超過10 km,臺風(fēng)登陸點的位置也基本和實況吻合?!暗つ冉z”臺風(fēng)的路徑模擬結(jié)果也比較理想,和實況基本是一致北上的。而圖2b給出了剔除“丹娜絲”臺風(fēng)以后的模擬和實況路徑對比,可以發(fā)現(xiàn)“丹娜絲”臺風(fēng)對“菲特”臺風(fēng)的路徑無影響,控制試驗和敏感性試驗中,“菲特”的路徑兩者基本是一致的。

        圖(a)與圖(b)中,叉叉代表CMA定位的實況臺風(fēng)中心,小三角代表模擬的臺風(fēng)路徑。圖(c)中折線①代表實況中心氣壓,折線②代表控制試驗中心氣壓,折線③代表敏感性試驗中心氣壓圖2 臺風(fēng)路徑和中心氣壓對比

        由于CMA從北京時間7日08時就停止了對“菲特”臺風(fēng)的編報,因此本文只對比了6日08時至7日08時模擬和實況的臺風(fēng)強(qiáng)度。從“菲特”臺風(fēng)實況和模擬的臺風(fēng)中心氣壓強(qiáng)度來看(圖2c),控制試驗?zāi)J降男Ч膊诲e,經(jīng)過前6 h的調(diào)整,模擬的臺風(fēng)強(qiáng)度從6日14時開始基本和實況趨于一致。當(dāng)“菲特”在7日01時左右登陸以后,強(qiáng)度迅速減弱,中心氣壓從965 hPa上升至995 hPa以上;而敏感性試驗?zāi)M的臺風(fēng)強(qiáng)度則略有減弱,說明“丹娜絲”臺風(fēng)的存在對“菲特”臺風(fēng)的中心強(qiáng)度還是有一些影響的,前者在水汽和能量方面很可能對后者起到了一定的支持作用,這在后面的模式診斷分析中會進(jìn)一步加以討論。圖2d顯示“丹娜絲”臺風(fēng)模擬的強(qiáng)度比實況要偏弱,其中浙北特大暴雨發(fā)生期間強(qiáng)度偏弱最多,這也可能是導(dǎo)致該地區(qū)降水模擬偏弱的原因之一。

        圖3給出了實況和模擬的60 h累積降水,兩者對比發(fā)現(xiàn),模式對雨帶位置以及雨量大小均與實況還是較接近的,但是模擬的降水量級比實況要偏小些,但浙北地區(qū)的降水中心還是模擬出來了,中心強(qiáng)度約為250 mm左右(圖3a和3b)。再對比敏感性試驗?zāi)M的降水分布發(fā)現(xiàn)(圖3c),沒有了“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流,模擬的降水明顯要更偏弱,特別是浙北地區(qū)的暴雨中心基本消失。

        從上述對比來看,雖然模擬的降水比實況要偏弱,但是降水分布和中心位置還是能反映實況過程,有一定的參考意義。而且通過敏感性試驗發(fā)現(xiàn),“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流對浙北地區(qū)的暴雨過程具有重要的影響,沒有了“丹娜絲”環(huán)流,浙北地區(qū)的暴雨中心也將消失。

        (a)實況降水 (b)控制試驗?zāi)M降水 (c)敏感性試驗?zāi)M降水(單位:mm)圖3 實況和模擬6日08時至8日20時的60 h降水對比

        2.2 模擬診斷分析

        2.2.1 海平面氣壓和環(huán)流

        圖4給出的是控制試驗和敏感性試驗的海平面氣壓和925 hPa風(fēng)場圖??刂圃囼烇@示,“丹娜絲”臺風(fēng)和浙北暴雨區(qū)之間有寬廣的低空急流區(qū),中心風(fēng)速約為20~25 m/s(圖4a)。隨著“丹娜絲”臺風(fēng)的北上,低空急流區(qū)略有北抬,但急流中心仍然覆蓋了浙北暴雨區(qū)并且中心強(qiáng)度繼續(xù)維持在20 m/s左右(圖4c)。對比敏感性試驗可以清楚地看到,圖4b和4d中“丹娜絲”臺風(fēng)已經(jīng)被徹底剔除,僅剩下“菲特”一個臺風(fēng)環(huán)流存在。隨著“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流的消失,海上的急流通道明顯變窄變?nèi)?,浙北暴雨區(qū)之中的偏東氣流強(qiáng)度也隨之減弱(圖4b),直至急流通道斷裂,暴雨區(qū)的急流消失(圖4d)。由此可見,“丹娜絲”臺風(fēng)外圍的東風(fēng)急流延伸至暴雨區(qū),它的存在為暴雨區(qū)低空急流通道的建立和維持具有重要作用。

        (a)7日08時控制試驗 (b)7日08時敏感性試驗 (c)7日20時控制試驗 (d)7日20時敏感性試驗圖4 海平面氣壓和925 hPa風(fēng)場,陰影為15 m/s以上急流區(qū)

        2.2.2 低層水汽通量

        低層?xùn)|風(fēng)氣流對暴雨過程起著重要的作用[1]。圖5a和5c顯示,“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流區(qū)域的水汽通量達(dá)到了50 g·cm-1·hPa-1·s-1,相當(dāng)于是一個水汽源,而其外圍的東風(fēng)急流則起到了一個通道和橋梁的作用,源源不斷地把其中的水汽輸送到浙北暴雨區(qū),供暴雨產(chǎn)生和維持之用。當(dāng)“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流被剔除后(圖5b),缺少水汽源的浙北暴雨區(qū)水汽通量從30 g·cm-1·hPa-1·s-1減弱到20 g·cm-1·hPa-1·s-1;隨著時間的推移,急流通道不斷減弱,急流范圍逐漸減小,浙北暴雨區(qū)的水汽通量進(jìn)一步下降到10 g·cm-1·hPa-1·s-1以下,徹底失去了水汽條件(圖5d)。從上述分析證明,“丹娜絲”臺風(fēng)對暴雨水汽的貢獻(xiàn)作用占2/3強(qiáng),與文獻(xiàn)[2]類似,是浙北特大暴雨發(fā)生維持的重要水汽來源。

        (a)7日08時控制試驗 (b)7日08時敏感性試驗 (c)7日20時控制試驗 (d)7日20時敏感性試驗圖5 925 hPa水汽通量(單位:g·cm-1·hPa-1·s-1)

        2.2.3 低層輻合場

        急流的存在通常也和輻合密切相關(guān)[10]。從低層925 hPa的輻合場和風(fēng)場圖來看,控制試驗(圖略)顯示7日11時“丹娜絲”北上到達(dá)28.8°N,與暴雨區(qū)緯度位置接近,此時風(fēng)場上表明來自“丹娜絲”臺風(fēng)外圍的偏東急流流向暴雨區(qū),并在暴雨區(qū)附近也就是急流核末端與減弱的“菲特”熱帶低壓環(huán)流北側(cè)的東南氣流之間形成很強(qiáng)的輻合,輻合中心強(qiáng)度達(dá)到了-10×10-5s-1。而對比敏感性試驗(圖略),由于沒有了“丹娜絲”臺風(fēng)外圍偏東急流的支持,浙北暴雨區(qū)內(nèi)沒有了輻合,降水自然也就要偏弱許多。這說明,“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流對于暴雨的激發(fā)也起到了積極的作用。

        2.2.4 渦度的垂直剖面

        從前文圖5中可知,隨著“丹娜絲”臺風(fēng)偏東氣流輸送的不斷加強(qiáng),浙江沿海附近出現(xiàn)明顯的氣流輻合。沿著余姚站作東西向剖面可見(圖6a—6b),在沿海的輻合區(qū)中,余姚站附近上空不斷有小尺度的正渦度云團(tuán)發(fā)展起來,并在7日11時(圖6c)也就是浙北特大暴雨發(fā)生最強(qiáng)時段,正渦度云團(tuán)發(fā)展得最為旺盛,共生長出4~5個中小尺度云團(tuán),并在垂直方向上一直從近地面延伸至約150 hPa高度。此后8日2時,隨著冷空氣的南下以及“丹娜絲”臺風(fēng)的北上和遠(yuǎn)離,云團(tuán)逐漸減弱消散(圖6d)。這些局地性的中小尺度云團(tuán)很可能就是在寧波余姚一帶引發(fā)特大暴雨的直接原因,也與前面觀測資料分析的存在中小尺度強(qiáng)雨帶相一致。進(jìn)一步對比控制試驗和剔除“丹娜絲”臺風(fēng)后的敏感性試驗,在浙北特大暴雨發(fā)生期間7日11時的正渦度剖面圖(圖略)還發(fā)現(xiàn),當(dāng)沒有了“丹娜絲”臺風(fēng)的影響,正渦度云團(tuán)的生成的位置要更偏西,位于119°E~120°E之間,且云團(tuán)的中心強(qiáng)度和延展高度都要比之前明顯偏弱。這證明了“丹娜絲”臺風(fēng)外圍偏東氣流不僅為浙北暴雨區(qū)輸送水汽,還激發(fā)了中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生。

        (a)6日14時 (b)7日05時 (c)7日11時 (d)8日02時縱坐標(biāo)為氣壓,從地面1000 hPa一直到100 hPa,間隔為100 hPa。圖6 控制試驗經(jīng)過余姚站(30.05°N,121.2°E)的東西向正渦度場(×10-5s-1)剖面圖

        3 浙北特大暴雨的機(jī)理物理模型

        圖7為浙北特大暴雨形成機(jī)理的物理模型。該圖是綜合了暴雨產(chǎn)生的背景環(huán)流、雷達(dá)、衛(wèi)星和中尺度和數(shù)值模擬分析結(jié)果,提出的浙北特大暴雨形成的物理圖像示意圖。該圖反映出,當(dāng)“菲特”減弱后,臺風(fēng)“丹娜絲”作為重要的水汽源地,隨著其逆時針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生北側(cè)強(qiáng)東風(fēng)急流,在925 hPa層上下約2 km的厚度的中低層向西一直輸送水汽到浙江北部地區(qū),并隨著“丹娜絲”一步步更靠近浙江北部沿海,“丹娜絲”帶來的東風(fēng)急流會更明顯,水汽通量更大,當(dāng)東風(fēng)氣流與“菲特”環(huán)流的東南風(fēng)匯合引發(fā)輻合抬升,該輻合區(qū)內(nèi)有1~2支上升氣流(垂直速度等值線剖面圖略),對應(yīng)生成東東南—西西北走向的,從象山到寧波地區(qū)的持續(xù)的中小尺度云團(tuán)或中小尺度雨帶,這些云團(tuán)或雨帶可產(chǎn)生小時雨強(qiáng)在50~110 mm的暴雨。該暴雨物理模型可告訴預(yù)報員,當(dāng)你在考慮A臺風(fēng)降水預(yù)報時,應(yīng)考慮另一個遙遠(yuǎn)距離的B臺風(fēng),其外圍的水汽可能會輸送到A臺風(fēng)減弱的環(huán)流中,當(dāng)環(huán)流與急流匯合產(chǎn)生持續(xù)輻合抬升,引發(fā)暴雨產(chǎn)生。

        圖7 浙北特大暴雨形成機(jī)理的物理模型示意圖

        4 結(jié) 語

        本文利用自動站、NCEP再分析等多種資料和WRF模式對發(fā)生在2013年10月6日至8日“菲特”臺風(fēng)影響期間的浙北特大暴雨過程中“丹娜絲”的作用進(jìn)行了數(shù)值研究,并在控制試驗的基礎(chǔ)上將“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流剔除進(jìn)行了敏感性試驗。結(jié)果表明:

        1)當(dāng)剔除了“丹娜絲”臺風(fēng)環(huán)流后,浙北地區(qū)的降水明顯減弱,浙北暴雨中心基本消失。海上急流通道變窄變?nèi)?,出現(xiàn)斷裂,暴雨區(qū)缺少急流支持。同時,低層水汽輸送大幅減少,降到原來的1/3以下,“丹娜絲”作為水汽源消失,暴雨區(qū)缺少了水汽供應(yīng)。

        2)反之說明,在浙北暴雨中,“丹娜絲”是一個水汽源,通過其存在有利于建立暴雨區(qū)東側(cè)強(qiáng)急流通道,源源不斷將其水汽向暴雨區(qū)輸送,作用占到2/3強(qiáng)。該水汽豐富的東風(fēng)急流和登陸后減弱的“菲特”東南氣流在低層匯合形成較強(qiáng)的輻合,激發(fā)中小尺度對流系統(tǒng)和雨帶的發(fā)生發(fā)展,對暴雨的觸發(fā)和維持都做出了重要的貢獻(xiàn)。綜合分析得出的浙北特大暴雨形成機(jī)理物理模型示意圖可為預(yù)報員認(rèn)識類似天氣提供幫助。

        3)值得探討的是,文獻(xiàn)[11-13]指出,臺風(fēng)暴雨可以分為6塊,即臺風(fēng)眼壁暴雨(A),臺風(fēng)螺旋雨帶或外圍降雨(B),臺風(fēng)倒槽降雨(C),臺風(fēng)內(nèi)切變線暴雨(D),臺前颮線雨(E),遠(yuǎn)距離暴雨(F)。浙江常出現(xiàn)臺風(fēng)倒槽暴雨(E型)僅占41%[14],本次分析發(fā)現(xiàn),在第二階段降雨中大氣環(huán)流中低層并沒有出現(xiàn)向北凸起的低壓槽,而僅為一致的偏東氣流。而其他A、B、D、E型也都不是。因此,結(jié)合數(shù)值模擬試驗和雙臺風(fēng)環(huán)流存在[15]等因素,本次過程引發(fā)的臺風(fēng)暴雨可否理解為,是由“丹娜絲”臺風(fēng)引發(fā)的在浙北的遠(yuǎn)距離暴雨。只不過這種遠(yuǎn)距離暴雨與北方遠(yuǎn)距離暴雨的機(jī)理不盡相同,北方通常是高空槽等系統(tǒng)幫助引發(fā)抬升,而本次過程是靠“菲特”減弱后環(huán)流中的東南風(fēng)與“丹娜絲”臺風(fēng)遠(yuǎn)距離輸送過來且水汽豐富的東風(fēng)急流輻合抬升。對此類遠(yuǎn)距離臺風(fēng)暴雨提法仍需作進(jìn)一步研究。

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