暴雨动力机制与数值试验探析范文

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摘要：

利用常规气象资料、区域自动站资料和1°×1°的NCEP再分析资料，对1209“苏拉”台风后部暴雨的动力机制进行分析，并用WRF模式进行地形模拟数值试验，结果表明：“苏拉”后部暴雨具有明显的中尺度特征，低层流场的汇合促进暴雨区上升运动的发展，超低空偏南风急流为暴雨区提供充足的水汽条件，急流在强降水发生前增强北推；陆地摩擦使近岸一带生成风速辐合线（岸风锋）是触发暴雨的中尺度系统，其强弱对暴雨强度有直接影响。

关键词：

暴雨；动力机制；数值试验；风速辐合

引言

研究表明，热带气旋登陆后造成的暴雨往往与西南季风、地形等因素有关［1－2］，并且离不开中尺度系统的活动［3－6］。后部暴雨是福建台风登陆后暴雨的一种类型，位于台风路径的反方向，主要发生在台风中心东侧暖式切变与西南风急流的配合之下［7］，后部暴雨常由中尺度系统造成，局地性、隐蔽性较强，其引发的山洪、地质灾害危害极大。已有很多专家对台风后部暴雨作深入研究。刘爱鸣等分析了0212号台风“北冕”造成福建大暴雨过程的环流形势和物理量场特征，并通过中尺度模式（MM5）模拟，分析低空急流强度变化对暴雨落区及强度的影响［8］；朱艳萍对福建省台风后部暴雨作了气候特征分析和物理量诊断研究，总结了此类暴雨的环流背景以及动力场、热力场特征，并得出了一些判据指标［9］；林毅等对9608台风外围对流云团造成闽南暴雨的成因作深入分析，指出了中尺度对流云团发生发展的有利条件，并分析了干舌卷入、地面中小尺度辐合系统、地面中尺度能量锋区以及地形作用对暴雨的影响［10］。这些研究为台风后部暴雨预报提供了很好的思路。2012年9号台风“苏拉”于8月3日06：50在福鼎秦屿再次登陆，本文主要针对闽东北地区这一次台风后部暴雨过程的特点进行分析，通过天气学分析、物理量诊断以及WRF数值模拟等手段，揭示触发暴雨的中尺度系统以及强降水发生发展的有利因素，对台风后部暴雨的落区与强度预报有一定的参考意义。

1后部暴雨时空分布的中尺度特征

图1a为“苏拉”台风路径，本次暴雨过程发生在台风中心进入江西境内以后，发生在台风的东侧外围、远离台风中心的福建东北部沿海（宁德市），暴雨中心离台风低压中心距离超过300km，强雨带成西北东南向（图1b）。从逐时雨量的空间分布（图略）可以看出强降水从近海发展起来并向西北方向移动，最强降水出现在柘荣站（119．9°E，27．2°N），从2012年8月3日20：00至4日08：00柘荣站的逐时雨量（图1c）看，强降水集中在4日02：00—04：00，最大雨强为51．7mm／h，3h最大降水达136．7mm，05：00后降水明显减弱。本次后部暴雨过程的空间尺度不足300km，强降水持续时间仅3～4h，时空分布具有明显的中尺度特征。从测站风场资料看，强降水发生前东南风有明显增强，达到18m／s，是强降水发生发展的一个明显征兆。

2低层流场汇合处有很强的上升运动

2．1环流背景特征分析

图2a、图2c分别是2012年8月3日20：00和4日02：00500hPa形势场，从中可见，西风槽位置偏北，副热带高压（简称副高，下同）592中心偏北偏东，584线西伸至90°E附近，在台风北侧形成稳定的带状高压带，使台风登陆后向偏西方向移动。与此同时此带状高压带的584线向西南方向南落，在一定程度上阻碍了“苏拉”的西行，使得“苏拉”移速缓慢、环流维持，4日02：00500hPa台风低压中心仍滞留在福建西部。中低空流场对暴雨的形成具有重要作用，低层气流的汇合处不仅有利水汽的堆积，而且因辐合而有强烈的上升运动，这种抬升作用与风速成正比，台风过程如有西南风、南风、东南风汇合在一起时，在风场的汇合点，往往是暴雨最强的地区。图2b、图2d分别为8月3日20：00和4日02：00850hPa流场，可以看出，850hPa低压中心东侧暖式切变位于福建东北部，切变南侧沿海有很强的偏南风急流，最强风速达到16m／s，闽东北地区位于暖式切变北侧，处在西南气流（偏南气流）、东南气流的汇合处，对这一带的上升运动十分有利。

2．2散度场、垂直速度场诊断分析

取暴雨开始时段的4日02：00，沿暴雨中心的119．9°E作垂直速度ω的空间剖面（图3a），可看出最强暴雨中心附近及南侧有强烈的上升运动，上升气流层次很高，到达300hPa附近高度，上升速度的最强中心位于850hPa层，数值达－120×10－4hPa•s－1。在暴雨区的北侧则是整层的正速度区，表明有下沉运动，配合同时次的散度场垂直剖面图（图3b）分析，暴雨区为低层辐合中心所在，其北侧为辐散，可以看出在暴雨区附近存在一个铅直环流，该铅直环流的生成使上升运动持续，促进了强降水的发生发展。从图3b中还可以看出，暴雨区低层辐合中心上空800hPa处有辐散中心，下层辐合上层辐散的抽吸作用加剧了上升运动，对比3日20：00的散度场垂直剖面图（图略）则没有这个辐散中心，所以3日20：00降水较弱。

3超低空急流与中尺度暴雨的关系分析

3．1超低空急流为暴雨区提供有利的水汽条件

对比2012年8月4日02：00短时强降水开始时的850hPa和925hPa水汽场（图4），可以看出：本次暴雨过程的水汽来源为西太平洋，水汽通量中心成南北向分布，表明与偏南气流有关；925hPa的水汽通量中心为24g•cm－1•hPa－1•s－1，略强于850 hPa的21g•cm－1•hPa－1•s－1；在水汽通量散度图上，850hPa水汽辐合中心只有一个，位于台风中心附近的福建西部内陆，闽东北沿海水汽散度值为正，表明没有水汽的辐合；925hPa却可以看到一个弱的水汽辐合中心与暴雨区相对应，中心值为－80×10－8g•cm－2•hPa－1•s－1，可见本次暴雨的水汽条件与925hPa有关，边界层内（925hPa）的超低空急流，可为暴雨区提供充足的水汽来源。分析表明，就台风外围暴雨而言，水汽条件虽不如台风中心附近强，但在有利的动力、热力条件配合下，弱的水汽辐合也可产生较强降水，只是该强降水持续时间不长，往往以中尺度的短时暴雨为特征。

3．2急流脉动与强降水的对应关系

本次台风后部暴雨发生在西南季风较为强盛时期，用EC－thin资料分析风场变化（图略），可知台风登陆前500hPa南海南部有一支风速12m／s以上的西南季风向台风东侧输送水汽和能量，后部暴雨发生前这支西南季风虽有所减弱，但受台风移动缓慢、环流维持以及台湾海峡狭管效应影响，925hPa上在台风东侧的台湾海峡有超低空偏南风急流维持，并逐渐加强北推，20：00急流达到最强，风速达16m／s，其后虽略有减弱但风速仍然维持在12m／s以上。图5是8月3日08：00至4日02：00逐6h南风分量沿119．9°E的空间剖面图，以10m／s南风风速的北推作为超低空急流北推的参照，可以看出08：0010m／s南风风速过25．5°N，14：00到达26．0°N，20：00已过26．5°N，对柘荣站而言，南风强度从白天到上半夜是一个增强的过程，下半夜起又开始减弱，超低空急流的这种日变化与夜间暴雨现象息息相关，急流的最强值出现时间比强降水时间有0～6h的提前量，可作为暴雨预报的参考指标。

4边界层内的中小尺度系统分析与数值试验

4．1“岸风锋”对暴雨的触发作用

天气学上“锋”的概念一般指梯度密集带，登陆台风由于受到陆地摩擦作用的影响，上岸后风力有减弱的趋势，在925hPa和地面图上其东侧向岸风从海洋到陆地有一个风速渐减的过程（图6a），在沿海一带形成风速辐合，在等风速图上表现为风速梯度密集带，我们形象地称它为“岸风锋”。“苏拉”台风后部暴雨发生在底层流场西南、偏南、东南3支气流的汇合处，图6b为示意图，其北侧为东南风、西侧为西南风，由于西南风与东南风都有南风分量，故我们选择作南风分量的等风速线来表现“岸风锋”，要比全风速等值线更好，这样除了能反映全风速的辐合外，也能反映流场的汇合。作2012年8月3日20：00偏南风的风速等值线图（图7），可以看到风速大值区位于台湾海峡中部一带，形成南北向的急流轴，中心数值达16m／s，表明在暴雨区南侧的海峡上有一支很强的偏南风急流，这支超低空急流碰到陆地后，因风速减小且偏东分量加大，在沿海形成了一条等风速线密集带，即出现了一条与海岸近乎平行的“岸风锋”。从区域自动站资料（图略）可看出：急流轴的左前端、“岸风锋”所在区域是本次暴雨的源头地区，短时强降水不断在此发生发展，并在东南偏南气流的引导下向西北偏北方向移动，最终造成后部暴雨。分析表明925hPa“岸风锋”是影响本次后部暴雨的主要中尺度系统、也是暴雨的触发机制。

4．2基于WRF模式的地形模拟试验

4．2．1数值试验方案设计

针对本次后部暴雨过程，采用WRFV3．2．1版本进行地形数值模拟试验。台风过程地面气压低，925hPa层可代表近地层的情况，所以风场的地形模拟试验选用925hPa层，时间为暴雨发生前的2012年8月3日20：00。选择双重嵌套方案，初始场和边界场均利用NCEP再分析资料，资料的水平分辨率为1°×1°，时间间隔为6h。模拟区域的中心经纬度为119．03°E、26．23°N，网格水平方向为80×72个格点，格距为30km，垂直分层为36层，模式顶为20hPa。微物理过程采用WSM6方案，长波、短波辐射采用RRTMG方案，陆面过程参数化采用Noah方案，边界层采用MYJ方案，积云对流参数化采用Kain－Fritsch（newEta）方案，各要素场采用每间隔1h输出一个模拟结果。试验方案有两种：地形不变与无地形。

4．2．2地形试验结果

风场模拟试验结果表明（图8）：两种试验在台湾海峡都有一条南北向的偏南风风速中心，数值达16m／s，海峡上这一支偏南风超低空急流的位置和强弱与实况基本相符，表明数值模拟结果是可信的。有地形时，福建中北部沿海风速等值线分布均匀且与海岸平行，在近海陆地上形成一条有一定宽度的“岸风锋”；无地形时，在福建中部沿海也有“岸风锋”存在，但宽度比较窄，该“岸风锋”的生成原因应该是流场的汇合，闽东北（宁德）陆地上则风速等值线紊乱，无风速辐合故没有“岸风锋”存在。模拟出的2012年8月3日20：00至4日20：00累积雨量分布（图9）表明，有地形模拟时最强降水中心位于台风低压中心南侧的福建西南部内陆到江西南部，闽东北有次强降水中心，数值为90mm，就落区而言，两个暴雨中心均与实况基本相符，但量级均偏小；无地形模拟时，暴雨中心只余低压中心南侧的那一个，闽东北地区只有30mm左右降水。地形试验结果表明：受地形影响生成的“岸风锋”直接触发了后部暴雨，且其宽度、强弱对暴雨量级有直接影响。

5小结

（1）“苏拉”台风后部暴雨为台风暖切附近的中尺度暴雨，发生在低层西南、偏南、东南3支气流汇合处，气流汇合促进了上升运动的发展，使强降水发生发展具备了良好的动力条件；暴雨区有铅直环流存在，对上升运动的发展与持续十分有利。

（2）本次后部暴雨过程西南季风较为强盛，且福建沿海有超低空偏南风急流维持，为暴雨区提供充足的水汽条件，暴雨中心位于急流轴的左前端；超低空急流的脉动影响强降水的时空分布，暴雨发生前超低空急流有明显的加强与北推。

（3）来自海上的东南、偏南两支气流与陆地有一定的交角，受陆地摩擦作用影响，上岸后风速减弱，925hPa在沿海一带存在一条与海岸近乎平行的风速辐合线，在等风速图上表现为一条“岸风锋”，该“岸风锋”与后部暴雨有很好的对应关系，是后部暴雨的触发机制。

（4）WRF模式对本次中尺度暴雨有较好的模拟效果，基于WRF模式开展有、无地形的模拟试验揭示了地形对此类暴雨的直接影响，因地形影响生成的“岸风锋”导致了后部暴雨的发生，“岸风锋”的宽度、强弱与降水范围、强度有直接关系，进一步表明“岸风锋”是触发暴雨的中尺度系统。

参考文献：

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［9］朱艳萍，马昌明，刘爱鸣，等．福建省台风后部暴雨物理量诊断分析［J］．气象研究与应用，2007，28（A02）：48－50．

［10］林毅，刘爱鸣．9608台风外围对流云团造成闽南暴雨成因分析［J］．气象，1997，23（10）：35－38．

作者:左平昭 王伟伟 叶冬云 王超 赵一夫 单位:福建省宁德市气象局