（气象学专业论文）2008年台风“凤凰”个例研究.pdf

摘要 2 0 0 8 年7 月底8 月初产生于中国南海的台风“凤凰”，是2 0 0 8 年度强 度最大，影响范围最广、造成危害最大的台风。本文采用n c e p ( n a f i o n m c e n t e r sf o re n v i r o n m e n tp r e d i c i o n ) 全程一日四次2 0 0 8 年7 月2 5 日一8 月1 日资料，利用诊断分析和w r f ( w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t ) 模式数值模拟 对台风“凤凰”形成发展的大尺度环境场，以及水汽、动力、热力条件进行 了较为系统的分析。发现“凤凰”登陆后低压环流长久维持，暴雨强度大， 分布广。其移动路径与大陆高压和副热带高压的变化关系密切。中纬度高压 与西南季风的加强及稳定维持，形成有利环流背景场，为台风暴雨的发生发 展提供了有利的水汽条件。对台风暖心结构进行分析发现，暖心结构的形成、 发展、消亡对台风发展、成熟、消亡具有较好的指示作用。对温度场进行分 析发现，在台风活动期间，自北南下的弱冷空气，与北上的台风外围云团交 汇，等温线倾斜，势能逐渐转化成动能，有利于大气低层辐合、高层辐散的 形成，造成较强的上升运动，有利于强降水的发生。 运用w r f 中尺度模式对2 0 0 8 年7 月2 7 日1 8 时一8 月1 日1 8 时的台 风过程进行了模拟。对比n c e p 观测资料表明，该模式能够较好地模拟出台 风“凤凰”的移动路径；降水区域分布与实况比较接近；较好地模拟出这次 台风暴雨的水汽输送通道，在台风登陆后存在两条水汽输送带：一条为经过 中南半岛、孟加拉湾的西南季风输送带，一条为南海海面的水汽输送带，这 两条水汽输送带为台风登陆后造成的持续强降水提供了强有力的水汽保障； 在台风过程中，模式对垂直上升运动的模拟也较为成功。本文设计了地形敏 感性试验，模拟结果表明：把模拟区域内的地形高度增加一半，降水区域分 布与实况分布较为一致；把试验区域内的地形高度削去，降水区域分布呈两 条带状，随着台风的发展，逐渐汇合到一起，最后随着台风的消亡而消失。 关键词：台风，诊断分析，数值模拟 i a b s t r a c t b yt h ee n do fj u l yo re a r l ya u g u s ti n2 0 0 8p r o d u c e di nt h es o u t hc h i n as e a , ”p h o e n i x ”i sat y p h o o nt h a th a dt h eg r e a t e s ts t r e n g t h ，e x e r t e dt h ew i d e s ti m p a c t ， a n db r o u g h ta b o u tt h eb i g g e s td a m a g ei n2 0 0 8 i nt h i sp a p e r , t h el a r g es c a l e e n v i r o n m e n t a lf i e l do fp h o e n i x sf o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n t , a sw e l la sw a t e r v a p o r , p o w e r , t h e r m a l c o n d i t i o n sa l e s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d w i t ht h e i n f o r m a t i o no fn c e pg a t h e r e df o u r t had a yi nt h ew h o l ec o u r s ef r o mj u l y2 5 ， 2 0 0 8t oa u g u s t1i n2 0 0 8d a y , a n dw i t ht h ed i a g n o s t i ca n a l y s i sa n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw r fm o d e l t h el o n gm a i n t e n a n c eo fl o wp r e s s u r ea n d t h ei n t e n s ea n dw i d e l ys p r e a ds t o r ma f t e rt h el a n d i n go fp h o e n i xi sd i s c o v e r e d i t sm o v i n gp a t hh a sa na f f i n i t yw i t ht h ec o n t i n e n t a lh i g hp r e s s u r ea n ds u b t r o p i c a l h i g hp r e s s u r e t h ee n h a n c e m e n ta n ds t e a d ym a i n t e n a n c eo fm i d - l a t i t u d eh i g h p r e s s u r ea n ds o u t h w e s tm o n s o o ne n a b l eaf a v o r a b l ec i r c u l a t i o nb a c k g r o u n df i e l d t ot a k es h a p e ，w h i c ho f f e r sa9 0 0 dc o n d i t i o no fm o i s t u r ef o rt h eo c c u r r e n c eo f t y p h o o nt o r r e n t i a lr a i n a f t e ra l la n a l y s i so fw a r l nc o r es 仃u c t u r e ，t h er o l eo f w a r mc o r es t n l c n l r e s f o r m a t i o n d e v e l o p m e n ta n dd i s a p p e a r a n c e i nt h e d e v e l o p m e n t , m a t u r i t ya n dd i s a p p e a r a n c eo ft y p h o o nh a sb e e nd i s c o v e r e d a n d w h e nt h et e m p e r a t u r ef i e l di sa n a l y z e d ，t h ei n t e r s e c t i o nb e t w e e nt h ew e a kc o l d a i rf r o mn o r t ht os o u t ha n dt h ec l o u dc l u s t e ro ft h et y p h o o np e r i p h e r yn o r t h w a r d l e a dt ot h ei s o t h e r ml e a n ，a n dt h e nm a k ep o t e n t i a le n e r g yc h a n g et ot 6 n e t i c e n e r g yg r a d u a l l y , w h i c hs c i v e st h ef o r m a t i o no fl o w e r - l e v e lc o n v e r g e n c ea n d i n t e n s eu p p e r - l e v e ld i v e r g e n c e ，g i v e sr i s et oas t r o n ga s c e n d i n gm o t i o n ，a n di s c o n d u c i v et ot h ea p p e a r a n c eo fs t r o n gr a i n f a l l i nt h i sp a p e r , t h em e s o s c a l em o d e li nw r f ( w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t ) h a sb e e nu s e dt os i m u l a t et h et y p h o o np r o c e s sf r o m6p m o nj u l y2 7t o6p m o na u g u s t1 ，2 0 0 8 n c e po b s e r v a t i o n ss h o wt h a tt h i sm o d e li sag o o do n et h a t c a nw e l l s i m u l a t et h em o v i n gp a t ho fp h o e n i x ；t h ed i s t r i b u t i o no ft h er a i n i n g r e g i o ni ss i m i l a rt ot h er e a ls i t u a t i o n ；t h ew a t e rv a p o rt r a n s p o r tc h a n n e lo ft h i s t y p h o o nr a i n s t o r ma f t e rl a n d i n gh a sb e e nw e l ls i m u l a t e dw h i c hh a st w o ，o n ei s w h a tp a s s e di n d o - c h i n ap e n i n s u l aa n dt h es o u t h w e s tb a yo fb e n g a lm o n s o o n b e l t ，t h eo t h e rt h es o u t hc h i n as e a ，b o t ho fw h i c ho f f e ras t r o n gs u p p o r to fw a t e r v a p o rf o rc o n t i n u e dh e a v yr a i na f t e rt h el a n d i n go ft y p h o o n ；t h em o d e ls i m u l a t e s i nt h ep r o c e s so ft y p h o o ns u c c e s s f u l l yt h ea s c e n d i n gm o t i o n a n di nt h i sp a p e r t o p o g r a p h i cs e n s i t i v i t yt e s t sh a v eb e e nd e s i g n e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o w st h a tt h et e r r a i ni nt h es i m u l a t i o nr e g i o ni n c r e a s e sah a l f , t h ed i s t r i b u t i o no f i i r a i n f a l lr e g i o ni si d e n t i c a lt ot h a to fr e a ls i t u a t i o n ；w h e nt h et e r r a i nh a sb e e n e l i m i n a t e d ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h er a i n f a l lr e g i o np r e s e n t st w ob a n d s ，g r a d u a l l y b l e n dw i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft y p h o o n ，a n d f i n a l l yd i s a p p e a rw i t h t h e d i s a p p e a r a n c eo ft y p h o o n k e yw o r d s ：t y p h o o n ，d i a g n o s t i ca n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构己 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名：蔓盏 日期：避翻 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的 规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量 复制并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编 入有关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：二址 日期：糊 第一章引言 台风是发生在热带海洋上的一种具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋，它 ( 含咫风、热带风暴) 是全球热带地区的一种十分严重的自然灾害。台风是最 强的暴雨天气系统，总是伴有狂风暴雨，常给途经的地区造成严重的灾害， 例如洪涝爆发、城市内涝、农田受淹、房屋倒塌等。国内外不少极端暴雨记 录都与台风活动有关。我国历史上3 次破记录的特大暴雨都是台风造成的1 1 1 ， 1 9 7 5 年8 月7 5 0 3 号台风( n i n a ) 造成河南驻马店的特大暴雨，其2 4 小时 降水量达1 0 6 2 m m ，1 小时雨量最大达2 3 5 m m ，造成两座水库崩溃，洪水泛 滥，数万人丧生；6 3 1 2 号台风( g l o r i a ) 在我国台湾百新创下1 2 8 4 n u n 2 4 h 的 记录；6 7 1 8 号台风( c a r l a ) 在我国台湾新寮创下1 6 7 2 m m 2 4 h 的记录。由此可 见，台风造成灾害的主要部分往往由台风引发的暴雨洪涝造成。 我国是世界上台风登陆最多、受台风影响最严重的国家之一，平均每年 登陆我国的台风达7 8 个，台风带来的大风、暴雨和风暴潮等造成我国年 均2 4 6 亿元的经济损失及5 7 0 多人死亡【2 , 3 , 4 1 ( 近海台风强度突然减弱的机理 研究) 。近年来，随着经济的发展，台风造成的经济损失更是触目惊心的， 例如0 4 1 4 号邰l ( r a n a n i m ) 、0 5 1 9 号台风( l o n g w a n g ) 等。又如2 0 0 6 年第4 号强热带风暴“碧利斯”( b i l i s ) 在福建登陆后，使湖南、广东、福建、江 西、广西、浙江六省( 区) 出现严重暴雨洪涝、山洪灾害，有2 9 6 2 2 万人 不同程度受灾，因灾死亡6 3 7 人，失踪2 1 0 人，因灾直接经济损失达3 4 8 3 亿元。 为了减轻灾害，过去十几年国内外连续不断地开展了台风的研究工作 5 】。如在1 9 9 1 1 9 9 6 年间，国内组织国家科技攻关8 5 9 0 6 一0 7 “台风 科学、业务试验和动力学理论的研究”等课题，并于1 9 9 3 1 9 9 4 两年夏季 开展了代号为“c a t e x ( c h i n aa b n o r m a lt y p h o o ne x p e r i m e n t ) ”的国内热带 1 气旋科学试验【1 1 ，把部分靠近沿海即将登陆的8 个台风为目标试验台风，取 得了大量地面加密资料和雷达、卫星等资料。我国，在台风运动突变、结构 和强度突变、台风暴雨的突然增幅、热带气旋路径预报方法等方面取得了新 的进展 6 。 东亚是世界上有名的季风区，夏季热带系统活跃，而西太平洋是世界上 台风发生最频繁的地区，常有台风在我国登陆。当条件有利时，可与中纬度 系统发生相互作用，引发特大暴雨。因此我们加强对台风路径、台风暴雨的 研究，对于各级政府机构防灾减灾具有现实意义。 1 1 台风的结构与暴雨 一个发展成熟的台风，圆形涡旋半径一般为5 0 0 k m - - l o o o k m ，高度可 达1 5 k m 一2 0 k m ，是一种深厚的天气系统，台风由外围区、最大风速区和台 风眼三部分组成。外围区的风速从外向内增加，有螺旋状云带和阵性降水。 台风中心气压很低，一般在9 9 0 - - 8 7 0 h p a 之间，中心附近地面最大风速一般 为3 0 - - - 5 0 m s ，有时可超过8 0m s 。最强烈的降水产生在最大风速区，平均 宽8 k m - - 1 9 k m ，它与台风眼之间有环形云墙：台风眼位于台风中心区，最 常见的台风眼呈圆形或椭圆形状，直径约l o k m 一7 0 k m 不等，平均约4 5 k i n ， 台风眼的天气表现为无风、少云和干暖。 台风结构和结构变化是台风研究最基本的领域。台风结构变化不仅是结 构本身的问题，它还影响到台风的强度变化、路径的偏折、台风暴雨落区和 雨强甚至风暴潮的强弱瓯台风暴雨的强度和分布还和台风结构有密切关系 【8 1 ，登陆台风下垫面山脉地形辐合作用和台风环流内部的切变会在这些地区 生成强烈对流运动和中小尺度涡旋系统，这种结构的生成将在相应地区产生 强暴雨。c h e n 等 9 1 指出海陆差异往往使登陆飓风产生很不对称的结构，这 些不对称性不但可能影响飓风的强度，而且在一些地区导致降水、阵风甚至 2 龙卷的出现。 台风流场、热力场的不对称结构与远距离台风暴雨有密切的关系【1 0 】。 对9 2 1 6 号台风分析表明，台风环流内地面涡度、散度、风场、8 5 0h p a 流 场和温度场均为不对称分布，特别是温度场表现出明显的西冷东暖的特征， 正是这种非对称结构极大的加强了高层的热成风，加大了低层的辐合，是上 升运动加强和产生暴雨的根本原因之一，暴雨位于台风倒槽的强辐合区和台 风北侧的暖平流区。 1 2 台风的路径 台风移动的方向和速度取决于作用于台风的动力，动力分内力和外力两 种。内力是台风范围内因南北纬度差距所造成的地转偏向力差异引起的向北 和向西的合力，台风范围愈大，风速愈强，内力愈大。外力是台风外围环境 流场对台风涡旋的作用力，即北半球副热带高压南侧基本气流东风带的引导 力。研究表明，台风的移动路径主要决定于大型气压场吲。翁小芳等【4 】分析 2 0 0 8 年1 号台风“浣熊”的路径变化后指出，台风“浣熊”的移动路径与 副热带高压位置的演变有关。内力主要在台风初生成时起作用，外力则是操 纵台风移动的主导作用力，因而台风基本上自东向西移动。热带气旋的路径 一般受3 _ 5 公里高空( 8 5 0 - - - 5 0 0 h p a ) 气流的引导，它的移动速度也同高空 气流的流速有关系。由于副高的形状、位置、强度变化以及其它因素的影响， 台风移动路径并非规律一致而是变得多种多样。以北太平洋西部地区台风移 动路径为例，其移动路径大体有三条：1 、西进型：台风自菲律宾以东一直 向西移动，经过南海最后在中国海南岛或越南北部地区登陆，这种路线多发 生在1 0 1 1 月；2 、登陆型：台风向西北方向移动，穿过台湾海峡，在中国 广东、福建、浙江沿海登陆，并逐渐减弱为低气压。这类台风对中国的影响 最大。7 8 月基本都是此类路径；3 、抛物线型：台风先向西北方向移动， 气 当接近中国东部沿海地区时，不登陆而转向东北，向日本附近转去，路径呈 抛物线形状，这种路径多发生在5 1 和卜1 1 月。台风形成后，一般会移 出源地并经过发展、减弱和消亡的演变过程。热带气旋的移动速度平均约 2 0 - - 3 0 k m h ，转向时移速较慢，转向后移速较转向前要快些。 1 3 台风降水 1 3 1 台风外围暴雨 台风外围云团暴雨是指距台风中心l o o k m 以外或更远地区的云团造成 的暴雨。暴雨主要发生在台风环流的外围，暴雨落区出现在台风强的气旋性 环流之外或边缘上。暴雨的形成不仅与台风外围云团、台风中有倒槽向北伸 展有关，而且与西风槽、冷空气南下、台风外围气流及其它系统相互作用等 也有关。这类暴雨在登陆或移近我国而未登陆的台风中以及台风生命过程中 的早、中、晚期均可出现。 台风外围暴雨多出现在台风环流的北侧或南侧，这是因为我国东部沿海 地区海岸线近似南北走向。当台风登陆后在台风环流北侧，高空仍盛行东到 东南气流，海上云团形成后沿偏东气流移动，暴雨出现在台风北侧。而在台 风南侧盛行南到西南气流，云团形成后沿盛行气流向偏北移，暴雨出现在南 侧1 9 1 。9 6 0 8 号台风于8 月3 日西北行到达湖北省时，其外围东北方有中尺度 对流云团发展，造成8 月3 日至5 日在河北省西南部与山西、河南交界处出 现特大暴雨，3 天总雨量超过5 0 0 r a m t l l l 。分析雷达回波和卫星云图【1 2 】发现， 这次特大暴雨是由中a 尺度云团、中一y 尺度云团和中一尺度云团造成 的，它们对应着最大暴雨中心。分析0 0 1 2 号台风暴雨【1 3 】，梅州市2 3 、2 4 日的暴雨是由于北移的辐合带与台风槽合并，使台风槽云系重新发展所造 成。 4 1 3 2 台风倒槽暴雨 台风倒槽也是形成台风暴雨的一个重要天气系统，倒槽暴雨指出现在对 流层下部台风倒槽影响而引起的远距离台风暴雨。李玉兰【1 4 】在7 9 0 7 号台风 分析中发现：降水最强处出现在倒槽与西风槽结合处东侧，且冷锋云系与台 风相距小于十个纬距时应考虑台风北侧降水增强，最强雨区位于二者相交 处，形成北大南小暴雨带。励申申等利用合成分析方法讨论了中纬度台 风倒槽结构及倒槽暴雨形成的动力学特征，得出结论：台风倒槽暴雨既有热 带系统丰富水汽，又有中纬系统的斜压性，因而能产生比台风环流本身大得 多的降水。 1 3 3 台风与其他系统相互作用暴雨 台风暴雨的形成需要有充足的水汽和强烈的上升运动条件。陈联寿1 1 6 】 也指出，登陆台风在以下几种环流条件下将维持较长时间：( 1 ) 台风环流保 持一定的水汽供给；( 2 ) 台风环流中存在活跃的中尺度对流活动；( 3 ) 弱冷 空气侵入台风环流引起变性；( 4 ) 登陆台风环流移入一个高空辐散区之下。 只要台风维持的时间越长，其造成的降水影响也就越大。闫淑莲等17 】分析 了台风“麦莎”对山东半岛大暴雨的影响后认为，低空急流输送的充足水汽 和水汽的强烈辐合能为暴雨的发生提供有利的水汽条件。有研究表明，台风 “碧利斯”的降水是一种典型的与西南季风相结合的降水类型【1 8 】。此外， 刘晓波等和王洪勋等认为，南下冷空气的入侵与台风外围暖湿气流的 共同作用也是造成台风降水增幅的主要原因之一。 对远距离台风暴雨的发生与非纬向高空急流的统计分析口1 1 表明，远距 离台风中尺度暴雨与非纬向高空急流密切相关。对0 2 1 2 号台风“北冕”后 部暴雨影响的分析和数值试验2 2 1 研究指出，低空急流形成了从孟加拉湾到 5 福建沿海的强水汽输送带，为暴雨过程提供了十分有利的水汽条件。西风槽 可为远距离降水提供低层辐合、高层辐散、以及槽前正涡度平流的大尺度背 景，这将有利于垂直运动的发展和降雨的维持。有时台风与西风带系统结合 并不明显，但若有小股冷空气配合同样可以产生暴雨，如9 7 1 1 号台风暴雨 【2 3 、2 4 1 。陈忠明等【2 5 】通过个例诊断分析指出，台风与西南低涡的相互作用通 过向低涡区输送大量的水汽和热量，为涡区内特大暴雨天气的发生提供水热 条件。相互作用对低涡结构的改变，促进低涡东部大气非平衡运动加剧，其 动力强迫激发的辐合和正涡度持续增长，为涡区特大暴雨的发生提供了动力 条件。远距离台风暴雨和台风流场、热力场的不对称结构也有密切的关系 【2 6 】。 c h e n 2 7 ，指出，登陆热带气旋与中纬度冷锋的相互作用可为热带气旋 的发展或持续提供斜压能量。数值试验【2 8 1 的结果也证明了c h e n 的结论，即 登陆的台风与中纬度槽相互作用，从而获得斜压能量将能使台风环流维持较 长时间，甚至重新加强发展。 海岸线对台风暴雨也有影响。郑庆林等口9 、j o l ，利用一个具有三重水平 结构的台风模式模拟研究了9 2 1 6 号台风移过台湾后在福建省登陆过程中由 于海岸地形引起的雨量变化。当海岸线扩展后，台风登陆提前，降水提前发 生在“虚假”陆地上。一些较小的地形同样对台风降水起到一定的增幅作用 【3 l 】。9 9 0 8 号台风在陆上的移动路径是取平坦的珠江下游，无明显的山地影 响，但在白云山以南的降水强度明显大于山北，这是因为白云山南侧有地形 切变线生成。 1 4 地形台对风暴雨的影响 地形对台风暴雨的增幅作用主要表现在两个方面：一是风在海岸的摩 擦辐合；二是地形的抬升作用。地形抬升引起降水增幅作用主要取决于两个 6 因素：一是低层风速，风速越大，增幅越强：二是气流的暖湿程度，气流愈 暖愈湿，地形对降水增幅的作用愈大。在台风登陆过程中，都具备这两个条 件，因而地形抬升对降水的增幅作用极为明显。 研究口2 1 表明，台风登陆不同地形时，暴雨强度和分布状况极不相同。 由于不同部位的台风环流与海岸线间构成向岸风和离岸风两种不同的形式， 特别是当存在沿岸走向的山脉坡地时，台风登陆前后暴雨常呈不对称分布。 例如，登陆华南的台风大范围暴雨往往出现在台风中心及其以东地区( 中心 以东南风与东西走向海岸和山脉的迎风坡处) ，暴雨范围大、强度强，以西 地区暴雨范围小、强度弱的不对称分布；登陆华东的台风大范围暴雨区往往 出现在台风中心及其以北地区( 中心以北东风与南北走向的海岸和山脉的迎 风坡处) ，形成台风中心南北雨区和雨量的不对称分布。又如，当台风中心 位于台湾以东海上时，地形对降水的增幅作用主要出现在中央山脉的东侧， 当台风中心位于台湾以西或其西南的海峡内时，地形对降水的增幅作用主要 出现在中央山脉的西侧。数值试验研究吲也表明，地形作用可以加大迎风 坡的降水，使降水中心强度明显增强，同时使背风坡降水减少，从而导致降 水分布更不均匀、更不对称。地形分布越不均匀( 山脉越高) ，地形作用越大。 这主要是迎风坡使湿空气的上升气流增强，降水大，而背风坡较长时间处于 干而下沉的气流中，因此，降水减少。但有数值研究【3 4 1 表明，由于潜热通 量的差异和来自大陆干空气和来自海洋湿空气垂直分布形成的不稳定结构， 也会在台风路径左侧引起强降水，当这种不稳定层结作用超过地形作用时， 路径左侧雨强将会超过右侧雨强。 台风登陆后，由于地表的摩擦作用，台风强度通常会减弱从而降水也 随之减弱。但是，由于地形的抬升作用以及地表的拖曳效应，在一定时间内 能够增加台风的降水。9 2 1 6 号台风数值模拟1 3 5 j 结果表明，地形的抬升辐合 在台风暴雨的增幅中起到很大的作用，因此山脉迎风坡的降水比背风坡明显 7 要大【3 6 】。同时浙闽山地地形起伏增强了地面对大气的拖曳效应【3 7 】，一方面 使垂直运动加强，另一方面也改善了积云对流和大尺度降水条件，增加了对 流降水和大尺度降水，从而引起台风暴雨的增幅。相关对比度分析 3 8 】显示 地形因子，特别是坡距参数对特强降水的影响较之其它参数显著得多，强台 风趋近坡度大的地形时，台风和地形产生的上升运动的叠加是特强降水形成 的重要原因。 1 5 本文研究内容简介 本文将利用常规天气图和n c e p n c a r ( t h en a t i o n a l c e n t e rf o r a t m o s p h e r i c r e s e a r c h ) ( 1 。l 。) 逐6 h 的再分析资料，对2 0 0 8 年台风“凤 凰”环流背景场进行分析，探讨其移动路径的影响因素；对台风活动过程中 的水汽通量及水汽通量散度场进行了分析，探讨其产生暴雨的水汽条件；对 台风的暖心结构进行了分析，分析了暖心结构的变化对台风形成、发展、成 熟及最终消亡的指示作用；对其散度场和垂直运动进行了分析，研究了其产 生台风暴雨的动力因素；还从温度场的分析出发，探讨台风活动过程中，冷 空气对台风暴雨所起的作用。同时利用w r f 模式，设计了一组模拟实验， 将模拟结果和实况进行比较分析，文中还进行了地形敏感性试验，将实验区 域内的地形高度增加一倍和去掉高度后进行降水分布模拟，以期进一步加强 对台风“凤凰”的研究分析，为台风移动路径和降水预报提供一定的实例依 据。 8 第二章天气过程回顾 2 1 台风的环流背景场分析及移动路径 高空5 0 0 h p a 位势高度场( 图略) 可看出，台风“凤凰”的移动路径主 要受到西太平洋副热带高压的影响。“风凰”登陆后，在开始阶段，即7 月 2 5 日，东亚地区为中高纬为2 脊2 槽的形势，两个脊分别位于乌拉尔山附 近和鄂霍次克海以西，两个槽位于巴尔喀什湖附近和北欧地区上空。7 月2 7 2 8 日，中高纬的经向度逐渐缩小，高压脊线位置偏北( 位于3 6 0 n ) ，脊 点西伸到1 1 8 。e 。亚洲中纬度环流较平直，多短波活动，冷空气较弱。西太 平洋副热带高压呈东南一西北走向并且不断北上( 图2 1 a ) ，副高偏强偏北， 印度半岛的季风槽也不断加强，这样的高空大气环流形势有利于台风向中高 纬度发展，深入影响到我国沿海及内陆地区。 2 7 2 9 日，副高和高纬度地区暖脊叠加，并和大陆高压打通形成高压 坝，使的台风北上移动速度减慢。2 9 日副高和大陆高压被台风切断，副高 变成南北走向( 图2 i b ) ，在副高西侧的偏南气流作用下台风北上。东西伯 利亚地区的低压槽和台风“凤凰”相距小于1 8 个纬距，低压槽吸引台风北 上，并且使其减弱。台风在这些系统的共同作用下，沿着副热带高压西侧的 东南引导气流向西北偏北方向移动，强度逐渐减弱。7 月3 0 日，此时高压 带东缩呈南北分布( 图2 i c ) ，台风北行。但可以看到，由于台风北侧还是 受到副高的影响，所以行进速度较为缓慢。 通过以上分析可以看出，台风的移动路径主要受到副热带高压与大陆高 压位置变化的影响；台风过程中，虽然副热带高压主体大部分时间在海上， 但是副高西北部与大陆的暖脊合并，并与大陆高压打通，在台风北侧形成一 条带状的高压带，使台风在闽、浙、苏、皖等地区长时间停留少动，这是台 9 风引起的降水主要分布在福建和浙江两省，且降水大值中心稳定在两省区域 的主要原因这一。 图2 1 ：高空5 0 0 h p a 7 月2 8 日1 2 时( a ) 、2 9 日1 2 时( b ) 、3 0 日o o 时( c ) 5 0 0 h p a 位势高度场 图2 2 是“凤凰”台风的实况路径图，通过对比分析，其移动路径与刚 才的论证分析基本一致，较好地验证了“台风的移动路径主要决定于大型气 压场”的结论。 2 2 中高纬环流形势演变和西南季风对台风的影响 2 7 2 8 日，( 图2 3 a 2 3 b ) 随着中高纬系统的东移，鄂霍次克海以西的 高压脊东移，高压脊与副热带高压叠加。贝加尔湖以西的低槽断裂成为两部 分，南段在原地减弱；北段侧快速东移，在东移过程中强度减弱。东西伯利 亚地区的暖脊依旧叠加在副高之上，有利于副高不断北抬。2 8 日( 图2 3 b ) 副高呈东西带状，控制我国北方大部地区；北欧地区的低槽在东移过程中与 黑海附近的低压打通并发展。 图2 3 ：7 月2 7 日0 0 时( a ) 、2 8 日1 8 时( b ) 、2 9 日0 0 时( c ) 、 3 0 日o o 时( d ) 、3 1 日0 0 时( e ) 5 0 0 h p a 位势高度场 2 9 3 1 日( 图2 3 c - 2 3 e ) 贝加尔湖附近的低槽加深南压吸引北上的台风， 在二者共同作用下副高被切断。贝加尔湖以西有新的低槽发展，欧洲东部的 低槽进一步加深并转向；由于上下游效应，巴尔喀什湖附近的高压脊发展加 强。3 0 日( 图2 3 d ) 开始东西伯利亚的低槽减弱移出我国东北地区，贝加 1 0 尔湖附近的低槽进一步发展，乌拉尔山以西的低槽发生转向，巴湖附近的脊 则继续加强，中高环流的经向度重新加大。中高纬的槽脊变化主要影响副高 的形状和控制范围，进而影响台风的移动和发展【3 9 】。台风在中高纬度环流 的影响下，沿副高的边缘以西行为主；副高西侧的偏南气流、西风槽前的西 南气流有利于引导台风低压北上，中高纬的低槽侵入台风环流促使台风北 上。至3 1 日，台风基本上已并入中高纬低槽( 图2 3 e ) 。 从2 5 日( 图略) 到台风减弱成为热带低压，位于印度半岛上的季风槽 总是加强的，低槽控制范围不断的加大。主要是控制我国的西南地区和华南 地区( 图2 3 d ) 。2 9 日( 图2 3 e ) 开始，季风槽向东北方向发展。季风槽加 强，势力向东北方向扩张，导致西南气流加强。在强西南气流作用下，配合 台风沿副高边缘的西行运动，台风不断北上。同时，西南气流加强，引导大 量水汽涌向台风辐合区，促进了台风暴雨的发生发展f 4 0 】。因此，季风槽的 加强对台风的北上和持续暴雨起到了关键的作用。 2 3 副热带高压演变及对台风的影响 “凤凰”台风过程主要受到西太平洋副热带高压的影响，在台风活动初 期，高纬的冷空气因中高纬气流平直未能南下注入台风，因而台风的发展和 移动不会受到高纬的冷空气影响【4 1 1 。台风主要沿副高的西南侧边缘移动。 相对稳定的副高为副高在南海区积累大量的能量，同时也加强了副高边缘的 东风气流。台风“凤凰”在该区内不断获得能量补充加强为强台风，并且在 强大的东风气流引导下，沿副高向西北方向移动心】。 7 月2 7 日到7 月3 1 日( 图2 3 a 2 3 e ) 5 0 0 h p a 副热带高压历经了西伸北 上、断裂、转向、西伸四个阶段。2 7 日( 图2 3 c ) 副高西伸，在内蒙的西 北地区出现5 8 4 0 的等高线。2 8 日( 图2 3 b ) 副高西伸达到最强，副高呈东 西向带状，控制我国北方大部分地区，台风只能在副高南侧原地打转。2 8 1 】 日台风达到了最强，贝湖附近的低槽加深南压，吸引北上的台风环流，在二 者共同作用下副高被切断。副高逐渐转为南北走向，因此台风的东侧的东南 风加强，其西侧的东北风加强，加强了台风的气旋性环流和台风的北上【4 3 】。 3 0 - 3 1 日( 图2 3 d - 2 。3 e ) 副高减弱东撤，副高主体呈南北向，这时虽然偏南 的气流较强，但季风槽处于相对弱的时期，贝加尔湖附近的低槽南压，台风 被低槽吸入，加上登陆后地形的摩擦作用，台风移动速度和强度大大降低， 台风迅速减弱为热带低压【4 5 1 。 综上分析可知，台风“凤凰”主要是在副高南侧的高温海域得到能量而 加强，并在副高南侧的东南气流和印度半岛季风槽的东侧的西南气流共同作 用下向西北方向移动并登陆。登陆后副高发生转向，季风槽向东北向发展， 低槽将台风有吸引作用，再加上地面的摩擦，台风“凤凰”迅速减弱为热带 低压。 2 4 台风登陆前后的降水过程 “凤凰”是2 0 0 8 年登陆我国最强的台风。在这次过程中，“凤凰”呈 现出登陆强度大、风大、雨急、影响时间长、影响范围广等特点。台风“凤 凰”云系直径1 0 0 0 k m 左右，从图2 4 a _ 2 4 f 可以看出，受其影响，台湾、 广东、福建、浙江、江西、江苏、上海、河南、山东、河北、北京、天津等 1 5 省( 市) 均不同程度受到影响，大风暴雨在7 月2 5 日从我国海上开始， 7 月2 8 日3 1 日，台湾、福建、浙江、广东东部、江西、安徽南部、江苏等 地普降暴雨或大暴雨，累积降雨量一般有5 0 1 0 0 毫米，其中台湾、福建大 部、浙江东部、广东东部降雨量有1 2 0 2 5 0 毫米，部分地区超过5 0 0 毫米， 浙江、福建最大降雨量分别出现在泰顺九峰( 6 8 3 5 毫米) 、柘荣乍洋( 6 4 8 6 毫米) 。降水持续到8 月1 日才在江苏、安徽一带逐渐减弱。 1 2 图2 4 ：7 月2 7 日( a ) 、7 月2 8 日( b ) 、7 月2 91 3 ( c ) 、7 月3 0 日( d ) 、7 月3 1 日( e ) 、8 月1 日( f ) 降水分布图 2 3 台风灾情 同时“凤凰”也是2 0 0 8 年给我国造成损失最重的台风。从2 9 日开始， 江西全省8 0 多个县市出现强降雨，全省5 7 个县市的1 4 3 个乡镇站点出现7 级以上大风。铅山县英将、武夷山、篁碧等乡镇的桥梁、道路被毁，交通、 通讯中断，直接经济损失近亿元。寻乌县城7 0 范围进水，近2 0 万人受灾， 倒塌房屋6 1 0 9 间，洪水造成直接经济损失达3 3 6 亿元。台风“凤凰”在赣期 间，致使江西普降大到暴雨。据不完全统计，截至3 1 日1 8 时，江西有6 2 万人受灾，直接经济损失5 9 亿元。 台风“凤凰”致台农业损失逾8 亿元，花莲县损失达3 亿。闽浙6 0 万 人转移。浙江受灾人数升至两百万直接经济损失近十亿。广东河源市紫金 县附城镇林田村因山洪暴发，导致5 名外省伐木民工被洪水冲走，其中1 人死亡，4 人失踪。此外，受台风“凤凰”影响台湾除金门县、连江县外， 台湾花莲地区出现了1 2 级强风，数万户家庭停电，除金门县、连江县外， 台湾本岛及澎湖县均已宣布2 8 日停止上班上课，当地部分路段因落石坍方 造成阻断。 台风“凤凰”卷走安徽2 3 亿，受灾人口2 5 6 万人，4 5 4 万亩农田受涝， 其中6 4 万亩农田绝收，受台风“凤凰”影响，2 7 日下午3 时1 5 分左右， 江苏高邮市临泽镇洋汊村遭龙卷风袭击，该村九天服装厂1 8 间厂房倒塌， 倒塌面积8 0 0 多平方米，有9 7 名职工受困，后全部被救出。其中4 1 人受伤 被送往医院救治，5 人因抢救无效死亡。 2 4 本章小结 2 0 0 8 年8 号台风“凤凰”是该年强度最大、影响范围最广、造成经济 损失最严重的的一次台风，本章通过对台风活动期间的环流背景场进行了分 析，探讨了中高纬环流形势、副热带高压的演变对台风发展、路径的影响， 以及西南季风的变化对台风的影响，结果发现： l 、台风过程中，副热带高压主体大部分时间在海上，呈南北状分布， 但是副高西北部与大陆的暖脊合并，并与大陆高压打通，在台风北侧高纬地 区形成一条带状的高压带，这样的格局既能够有力于台风登陆北上，又使台 风在闽、浙、苏、皖等地区长时间停留少动。 2 、在台风活动初期，相对稳定的副高在南海区域积累大量的能量，在 活动过程中，当副高西伸达到最强时，控制了我国北方大部分地区，台风只 能在副高南侧原地打转，台风“凤凰”在该区内不断获得能量补充加强为强 台风。 3 、季风槽加强，势力向东北方向扩张，导致西南气流加强。在强西南 气流作用下，配合台风沿副高边缘的西行运动，台风不断北上。同时，西南 气流加强，引导大量水汽涌向台风辐合区，为台风暴雨的发生发展提供了有 利的水汽条件。因此，季风槽的加强对台风的北上和持续暴雨起到了关键的 作用。 1 4 第三章物理量场诊断分析 3 1 水汽条件分析 水汽是形成降水的最基本的条件之一，台风暴雨的维持，必须有水汽的 明显集中以提供源源不断的水汽供应，而水汽的输送和降水的产生又离不开 流场的作用。下面从水汽来源、输送和垂直速度等方面进行分析，探讨台风 暴雨的发生发展过程。 3 1 1 水汽来源 台风活动过程早期，除了“凤凰”自身在垂直方向上通过海一汽相互作 用从洋面吸收水汽外，经过中南半岛、孟加拉湾海域的西南季风也源源不断 地向台风中心南侧输送水汽。分析8 5 0 k p a 风矢量场( 图3 1 ) 可以知道，台 风登陆后，下垫面变成了陆地，所以台风在垂直方向上的水汽来源就消失了， 只剩下水平方向的水汽供给，并以此维持台风的能量。 期间，位于印度半岛的季风槽在不断加强，低槽控制范围不断加大。2 9 日开始，季风槽加强，势力向东北方向扩张，导致西南气流加强。西南风的 进一步加强为台风辐合区输送了大量水汽( 图3 2 ) ，其输送范围远达3 5 0 n 以 北。结合图3 2 还可以看出，在台风登陆后，在水平方向主要存在两条水汽 输送带，除了西南季风输送带外，南海水汽输送带也是重要的水汽通道。水 汽输送的特征与孙建华m 】的研究结果基本一致。由此可见，台风“凤凰” 的降水范围广、强度大与西南季风长时间、远距离的水汽输送有直接关系。 1 5 通过以上分析得出，这次台风“凤凰”能够给我国沿海及内陆地区带来 大量降水，除了在它形成初期在海上吸收的水汽外，登陆后还存在两条重要 的水汽通道，一条是途径孟加拉湾和中南半岛的西南季风输送通道，另一条 是西太平洋水汽输送通道，这两条水汽输送通道是台风持续降水的重要因 素。 3 1 2 水汽通量散度的计算及分析 水汽通量的数值和方向只表示水汽的量值大小和来源，所以还需要进一 步考虑从各个方向输送来的水汽是否能在某地集中起来，表示这种输送水汽 的集中程度的物理量就是水汽通量散度，其物理意义是：单位时间里单位体 积内汇合进来或者辐散出去的水汽质量( 3 】o 水平方向的水汽通量散度a 的表达式为： 肛v ( 1 g yq ) 2 7 - 3 0 日，水汽通量辐合中心随台风中心向西北方向移动，对照降水分 布图，可以看出，降水中心基本与辐合中心吻合。2 7 日，水汽通量散度中心 值还在台湾以东洋砸上( 图3 3 a ) ，降水主要也都分布在海上；台风于2 8 日 0 7 ：0 0 在台湾省花莲县登陆，登陆时中心附近最大风力达1 4 级，风速为4 5m s ， 随后减弱为