（气象学专业论文）一次台风特大暴雨的中尺度数值模拟分析.pdf

南京信息工程大学硕士论文 摘要 应用n e c p n c a r 每日四次全球再分析资料作为输入背景场，采用m m 5 v 3 非静 力中尺度模式对一次台风登陆后的特大暴雨过程进行模拟，通过对模式以及再 分析资料物理量场的诊断发现：前期暴雨是台风气旋环流本身在倒槽顶部由于 气流辐合作用造成的，南风气流占主导作用，属于暖区对流降水；后期暴雨由 于北方冷空气的南下以及新台风的加入，偏东风气流占了主导作用，暖区对流 降雨和锋面降雨共存 台风减弱阶段，由于冷空气以及新台风环流的影响，造成高低空急流的转向 以及强度变化，改变了水汽和能量的传输路径，使得垂直上升运动中心产生分 裂和偏移，造成了强雨区的南北位移以及强度变化；降雨中心的南北位移还和 水汽输送的通道密切相关，强雨区始终位于低层风场切变曲率最大的地区，这 里是水汽的最大辐合上升运动区。另外，暴雨落区也是地形作用紧密相关，强 降雨中心位于山脉东侧。 天气形势演变都是和中尺度波动发生发展紧密相联的，通过滤波可以揭示这 些天气现象的内在机制；台风气旋、冷空气等中尺度系统相互作用，产生中a 、 中b 等多尺度波动，是这次暴雨的主要影响系统，中1 3 尺度滤波揭示了暴雨天 气系统的演变情况；将中尺度滤波和精细化模式输出背景场相结合进行分析， 可以发现暴雨后期，由较弱的中尺度系统相互作用产生的中a 尺度天气系统对 南部暴雨起到主导作用，是一种新的中尺度分析的有效方法。 中d 尺度波动也是对强降雨有利的天气系统，是一种空间尺度较小的波动， 水平尺度在1 0 0 3 0 0 k m 的波动其垂直尺度也比较小，在8 5 0 h p a 表现为强烈的 辐合运动，而一般在5 0 0 h p a 就可以表现出和低层环流位相相反的环流形式。 关键词：内陆台风暴雨，中尺度数值模式，中尺度滤波，中尺度天气系统 南京信息工程大学硕士论文 a b s t r c t b ym a k i n gu s eo fg l o b l er e a n a l y s i sd a t ao ff o u rt i m e so n e d a yf r o mn e c p n c a rf o rb a c k g r o u n df i e l da n ds i m u l a t i n gah e a v y r a i n f a l la f t e rl a n d i n gb yu s i n gn o n h y d r o s t a t i cm e s o s c a l e m o d e lm m 5 v 3 ，t h ed i a g n o s t i cr e s u l tt op h y s i c a lp a r a m e t e ro f r e a n a l y s i sd a t aa n dt h eo u t p u to fs i m u l a t i o ns h o w st h ee a r l y s t o r mr a i n f a l lo fw a r mc o n v e c t i r ep r e c i p i t a t i o na n d p r e v a i l i n gs o u t hw i n di sc a u s e db ya i rc o n v e r g e n c eo nt h et o p o fi n v e r t e dt r o u g ha n dl a t eo n em a j o r i n gi ne a s tw i n di n c l u d e s b o t hw a r mc o n v e c t i v ea n df r o n t a lr a i n f a l lb e c a u s eo ft h en o r t h c o l da i r sm e v e m e n ts o u t ha n dt h en e wc y c l o n e 7s j o i n o nt h ew e a kp h a s eo ft h et y p h o o n ，t h ev a r yo ft h et o pa n d l o wl e v e lj e ts t r e a m sd i r e c t i o na n di n t e n s i t ya f f e c t e db y t h ec o l da i ra n dt h en e wt y p h o o nc h a n g ev a p o u ra n de n e r g y c h a n n e la n d t h e p o s i t i o n a n di n t e n s i t yo f h e a v y r a i n f a l l ，o w i n gt ot h ed i v i s i o na n d t h ed e v i a t i o no ft h eu p p e r m o v e m e n tc e n t e r t h er a i nc e n t e rr e l a t e dt ot h ev a p o u rc h a n n e l t i g h t l yl i e si nt h em a xz o n eo ft h ew i n ds h e a rc u r v a t u r ea n d t h ev a p o u rc o n v e r g e n c e1 i f t i na d d i t i o n ，i ti sl o c a t e di nt h e e a s t e r no fm o u n t a i n sb e c a u s eo ft h et o p o g r a p h i c a la c t i o n b e c a u s eo ft h et i g h tc o n c e r no ft h ev a r yo ft h ew e a t h e r s i t u a t i o na n dt h ep r o d u c ea n dp r o g r e s so fm e s o s c a l ew a v e ，t h e f i l t e rc a n p r o b e t h ei n n e rm e c h a n i s mo ft h ew e a t h e r d e v e l o p m e n t t h em u l t - s c a l ew a v e ，m e s o - bs c a l e ，m e s o as c a l e a n ds oo n ，p r o d u c e db yt h ei n t e r a c t i o no ft h em e s o - s c a l e w a v e ，t h et y p h o o nc y c l o n e ，t h ec o l da i r ，e t c i st h em a jo rs y s t e m t ot h i sr a i n t h ef i l t e r i n go ft h em e s o - bs c a l es y s t e ms h o w s t h er e v o l u t i o no ft h ew e a t h e rs y s t e m b ya n a l y z i n gt h e m e s o s c a l ef i l t e r 7sr e s u l ti nc o o o e r a t i o nw i t ht h eo u t p u to f t h eh i g hr e s o l u t i o nm e d e l ，o nt h el a t ep e r i o do ft h er a i n f a l l t h em e 8 0 as c a l ec a u s e db yt h ei n t e r a c t i o no ft h ew e a k m e s o s c a l ew a v e si st h el e a d i n ge f f e c ta n d t h en e wv a l i dm e t h o d o ft h em e s o - s c a l ea n a l y s i s a sas m a l l s c a l es p a t i a lw a v e ，t h em e s o - 伍o n et a k e 南京信息工程大学硕士论文 a d v a n t a g eo f t h e h e a v yr a i n f a l l ，w h i c h v e r t i c a ls c a l e ，w h e n t h e h o r i z o n t a ls c a l ei sa b o u tf r o m1 0 0 k mt o3 0 0 k m ，a l s oi s s h o r t ，w h i c hs h o wt h er e v e r s ep h a s ei nt h e5 0 0 h p al e v e l ，w h i l e t h es t r o n gc o n v e r g e n c ei nt h el o wl e v e l k e yw o r d s ：i n n e rl a n dt y p h o o nh e a v yr a i n f a l l ；m e s o s c a l e n u m e r i c a lm o d e l ；m e d i u m - s c a l ef i l t e r ；m e s o - as c a l ew e a t h e r s y s t e m 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已经发表或撰写过的 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：差亟塞。 日 期：丛丑! ! j 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：墨丛袅。 日 期：) 生亟! ：! l 南京信息工程大学硕士论文 第一章引言 1 1 台风概述 台风是一种破坏力很强的灾害性天气系统。其危害性主要有三个方面：大风。台风 中心附近最大风力般为8 级以上。暴雨。台风是最强的暴雨天气系统之一，在台风经 过的地区，一般能产生1 5 0 m m 3 0 0 m m 降雨，少数台风能产生1 0 0 0 m 以上的特大暴雨。1 9 7 5 年第3 号台风在淮河上游产生的特大暴雨，创造了中国大陆地区暴雨极值，形成了河南 “7 5 8 ”大洪水。风暴潮一般台风能使沿岸海水产生增水，江苏省沿海最大增水可达 3 m 。“9 6 0 8 ”和“9 7 1 1 ”号台风增水，使江苏省沿江沿海出现超历史的高潮位。 台风除了给登陆地区带来暴风雨等严重灾害外，也有一定的好处。据统计，包括我园在 内的东南亚各国和美国，台风降雨量约占这些地区总降雨量的1 4 以上，因此如果没有台 风这些国家的农业困境不堪想象；此外台风对于调剂地球热量、维持热平衡更是功不可没， 众所周知热带地区由于接收的太阳辐射热量最多，因此气候也最为炎热。而寒带地区正好 相反。由于台风的活动，热带地区的热量被驱散到高纬度地区，从而使寒带地区的热量得 到补偿。 台风是给人类造成的影响有利有弊，对台风带来的灾害人类无能为力，但是气象工作 者可以通过准确预报台风路径，强度以及降雨落区等趋利避害，将损失减小到最小程度， 因此，需要气象工作者长期不懈地对台风进行研究 1 2 台风研究现状 过去几十年来，我国气象工作者对登陆我国台风的产生源地，产生的条件、台风的结 构、台风的路径和强度、台风登陆以及登陆后的影响等方面做了大量的研究工作。 影响我国的台风主要来自西北太平洋，那里也是世界上产生台风最多的地区( 3 6 ) ，西 北太平洋台风源地又分为三个相对集中区：菲律宾以东洋面、关岛附近洋面和南海中部， 在南海形成的台风，对我国华南一带影响重大。j e 太平洋西部地区出现的台风并不都在我 国登陆，据统计，每年5 1 1 月有台风在我国登陆的可能，而1 2 4 月没有台风在我国登陆。 l 南京信息工程大学硕士论文 在我国登陆的台风，平均每年有6 7 个，最多有1 1 个，最少有3 个，集中在7 9 月，约占各 月登陆台风总次数的8 0 “】。王金博等利用美国海军台风警报中心( j t w c ) 提供的1 9 4 5 2 0 0 2 年热带风暴路径资料统计分析了西北太平洋( n w p ) 和中国南海( s c s ) 风暴生成及登陆中国大 陆热带风暴的时空演变特征。季节变化上，n i p 风暴登陆主要集中于6 1 1 月，s c s 风暴影 响主要集中在6 9 月，但后者登陆总数比前者少。西北太平洋风暴在东南沿海( 2 7 礼1 2 0 e ) 附近登陆的频次最高，在此以北随纬度急剧下降。年际变化时间尺度上，登陆大陆的风暴 年总数与来自南海的年风暴数成正比。登陆我国的热带风暴年频数有明显的区域差异和显 著的2 7 年振荡。长期趋势上，两个海域的风暴年生成频数和登陆大陆的年风暴频数在5 8 年中总体呈线性增长趋势，其中登陆频数增长趋势相对缓慢，但近几年登陆风暴数与生成 风暴数都表现出减少的趋势。生成频数和登陆频数都呈现出年代际变化，其年代转换发生 在1 9 6 0 、1 9 7 0 年和1 9 9 0 年前后”。孙秀荣等利用海陆热力差指数( i ) 、5 0 0 h p a 位势高度场、 向外长波辐射( o l r ) 资料及n c e p n c a r 月平均再分析数据集，分析东亚夏季风与西北太平洋 地区( 包括中国南海) 热带气旋频数的关系，结果表明，在强夏季风年西北太平洋地区热带 气旋频数偏多，而弱夏季风年同期热带气旋频数异常偏少而后期趋于正常，正常夏季风年 热带气旋频数基本正常“。 在台风的成因方面，李崇银在厄尔尼诺年西太平洋( 包括中国南海) 台风活动偏少，而 反厄尔尼诺年台风活动偏多的统计分析结果基础上，根据台风形成的条件，分析了厄尔尼 诺年和反厄尔尼诺年西太平洋热带地区的大气环流和状态以及海水温度的变化：厄尔尼诺 出现所造成的热带大气环流形势的异常变化，不仅引起西太平洋台风形成的环境条件的改 变，而且也直接影响台风发生发展的能量供应。在厄尔尼诺年，由于西太平洋海温偏低， 不利于蒸发凝结：静力稳定度参数较大和沃克环流的异常下沉，都不利于积云对流在热带西 太平洋地区的发展，凝结潜热的释放也就自然偏弱。也就是说，厄尔尼诺引起的大气环流 和状态以及海温的异常变化，都对西太平洋台风的形成不利，因此厄尔尼诺年台风偏少。 相反，在反厄尔尼诺年，热带大气环流以及海温的变化却对西太平洋台风的发生发展有利， 因此台风数偏多鲫。徐亚梅等采用n c a r p s u 研制的非静力中尺度模式m 艏，研究了南半球冷 空气入侵在热带气旋形成中的作用。数值试验结果表明：南半球冷空气侵袭后，在菲律宾 2 南京信息工程大学硕士论文 以东洋面上形成热带气旋；没有冷空气入侵时，只有扰动产生，没有热带气旋形成。在对 流不稳定的背景场中，即使没有冷空气入侵，低层小尺度辐合引起强上升运动，产生的非 绝热加热，在热带洋面上也能形成扰动但是非绝热加热使得稳定度增加，没有低层强辐 合的支持，对流不能持续，扰动不能发展成为热带气旋。南半球冷空气的入侵，一方面气 温降低，使得中低层层结稳定度降低；另一方面，冷空气形成向北的气压梯度，在低纬度 产生南风，导致低层强辐合。稳定度因子和低层辐合的共同作用，驱动深厚的垂直环流， 产生十分显著的非绝热加热，形成了暖心的热带气旋。_ l i t 研究结果一定程度上肯定了存 有疑义的冷空气学说”。 在台风发展过程中，台风的移动路径以及强度变化是非常重要的研究内容。魏清等利 用1 9 8 0 2 0 0 1 年登陆广东的7 2 个热带气旋的路径和降水资料，计算了热带气旋登陆前后的 移动速度和加速度，比较分析了热带气旋主要降水落区与热带气旋移速变化的关系。计算 结果统计表明：登陆广东的热带气旋中，有6 6 1 的个例在登陆时移速加快。当主要降水 落区位于热带气旋前进方向右侧时，热带气旋的1 2 d 时平均加速度为正的占了大部分( 8 1 8 ) ；当主要降水落区位于热带气旋前进方向左侧时，近八成( 7 8 6 ) 的热带气旋平均 加速度为负。这些统计结果进一步从诊断事实上说明了地形以及非绝热加热等因子对台风 移动的可能影响咖。李英等利用1 9 7 0 2 0 0 1 年热带气旋年鉴资料，对3 2 年来西太平洋熟带 气旋登陆我国的频率、位置、维持、衰减、变性、加强及消亡等进行统计分析，揭示热带 气旋登陆活动的一些事实和特征。研究表明：在我国沿海不同地区( 不包括岛屿) 登陆的热 带气旋，其陆上维持时间明显不同，从广西至浙江，维持时间向北增加；热带气旋登陆后 的明显衰减主要发生在登陆后1 2 小时内，登陆时越强的热带气旋，衰减得越厉害；热带气 旋在我国陆上消失的位置最北是黑龙江、最西可至云南，广西是登陆我国热带气旋消失数 最多的地区罗哲贤研究了热带气旋逆时针打转的现象，他用一个带有环境加熟项和耗 散项的正压准地转模式，实施了6 组时间积分大于7 天的数值试验，数值地研究了这种异常 路径对计算区域的大小、热源扰动、初值扰动和迭代精度扰动的稳定性问题。认为该异常 路径是模式大气中一种比较稳定的运动形态。最后分析了逆时针打转异常路径的可能原因： 这个异常路径是在b 效应、非线性平流、环境加热场和耗散的共同作用下形成的。热带气旋 3 南京信息工程大学硕士论文 环流非对称性的振荡以及最大风速区环绕热带气旋中心沿逆时针方向的旋转，可能是形成 这种异常路径的重要原因脚。陈联寿等数值模拟研究揭示了台风外区热力不稳定非对称结 构对其异常路径的影响，不仅表现在热带气旋系统动力结构特征上，而且反映在台风外区 三维非对称热力结构的特点方面，如温、湿场的不稳定层结的非对称分布；热带气旋外区 热力结构的非对称分布可导致热带气旋路径的显著改变，即热带气旋中心趋于强温、湿不 稳定层结区域；热带气旋的异常运动特征与其外区热力不稳定层结构的强弱程度相关；热 带气旋运动对于其外区热力不稳定结构的分布特征具有较显著的敏感性，不同的外区热力 非对称结构分布可导致热带气旋轨迹的显著差异，并可形成各类复杂运动路径，其中包括 。旋转”或“打转”、“转向”等异常运动”。 自。7 5 8 ”河南特大暴雨之后，我国气象工作者对登陆台风的陆上维持及引发的暴雨 增幅的天气气候背景、影响因子、结构特征、能量收支等方面进行了广泛研究，取得了一 系列成果。陈联寿指出台风登陆后在陆地维持不消的几个条件：台风环流保持水汽供应、 具有正涡度的输入、获得斜压能量以及高空辐散增强等“”；林毅等选取1 9 9 6 1 9 9 8 年5 个登 陆福建的台风，分析其中尺度暴雨时空分布规律；并通过对数字化处理的逐时红外卫星云 图的研究，揭示台风中尺度对流系统发生发展的云图特征。分析表明台风中尺度暴雨的强 度与中尺度对流云团的最冷云区温度和面积密切相关，常出现在中尺度对流云团偏东侧具 有云顶温度梯度密集、云顶温度等值线曲率较大，云团处在发展阶段这些云图特征的区域 e 1 1 赵宇等利用m m s v 3 非静力数值模式对1 9 9 9 年8 月1 1 - 1 2 日由变性台风引发的山东特大暴雨 过程进行了较为成功的数值模拟。用模式输出资料，根据位涡理论探讨了这次特大暴雨天 气发生、发展的动力学机制。结果表明：西风带弱冷空气侵入台风环流，触发不稳定能量 释放是这次特大暴雨形成的重要原因；应用位涡守恒原理能较好地解释特大暴雨和中尺度 低涡发生发展的原因，对流层高层位涡扰动是影响中尺度低涡和特大暴雨发生发展的重要 因素；3 4 5 k i g 等熵面上风场和气压场的分布揭示了东南暖湿空气沿等熵面爬升与扩散的冷 空气相遇，对流强烈发展，产生特大暴雨的物理机制”李英等采用动态合成分析方法， 对登陆后长久维持热带气旋( l t c ) 和迅速消亡热带气旋( s t c ) 的大尺度环流特征进行合成分 析和动力诊断。研究表明：( 1 ) l t c 登陆后，在一个长波槽前有向偏北移动靠近中纬度斜压锋 4 南京信息工握大学硕士论文 区的趋势，而s t c 登陆后，无长波槽靠近，并远离中纬度斜压锋区；( 2 ) l t c 登陆后，仍与一 支低空急流水汽输送通递连结，而s t c 登陆后很快与这支水汽通道分离；( 3 ) l t c 登陆后逐渐 变性，获取斜压能量，其环境风垂直切变增强，ae2 0 0 - 8 5 0 负值增大，而s t c 登陆后没有这 样的特征；( 4 ) l t c 登陆后，其高层与中纬度急流靠近，增强了其向东北方向的高空流出气 流，而s t c 不存在这样一支流出气流；( 5 ) l t c 登陆后，摩擦使其能量耗损，但从中高层环境 中获得了能量，而s t c 登陆后，有同样的能耗却无明显的环境能量补给。因此，当一个热带 气旋登陆后，从其移动趋势、与水汽通道的连结、与斜压锋区的关系和高空流出气流等特 征，可以初步判断其是长久维持还是迅速衰减”1 。 这些工作都从不同的方面揭示了内陆台风暴雨的特征，不过内陆台风暴雨在预报中仍 然有很大困难，一方面是研究还不够透彻，另外一方面则是每次台风暴雨过程都有自己的 特性，下面讨论台风“泰利”造成的内陆暴雨及演变的原因。 1 3 本文研究目的和意义 1 内陆台风暴雨是典型的多个中尺度系统造成的天气过程，由于目前普遍采用的中尺 度研究手段是高分辨率卫星以及雷达等探测方式，对于中尺度系统尺度的判定，一般通过 雷达或者卫星上显示的云团尺度来进行进行定义，由于天气系统的多尺度波动，这样对天 气系统的定义是很不全面的，往往只能看到多尺度相互作用后产生的天气系统，而对于中 小尺度的系统却无法衡量，因此，进行中尺度研究首先要进行中尺度滤波分离。如果想将 多个尺度系统分离来研究的话，通过卫星和雷达已经不能满足这种研究的需要，中尺度滤 波是一个比较好的多尺度分析的手段。 2 但是以往的滤波方法一般采用实况资料或者再分析资料，空间格距大，主要分离 5 0 0 8 0 0 k m 左右的波动，由于精度受限，更小尺度的天气系统不能很好过滤出来。因此， 利用高精度的气象研究手段一中尺度数值预报的高分辨率输出结果来进行滤波分析，可以 进行更小尺度波动的研究。目前，利用高分辨率中尺度模式结果进行滤波来研究中小尺度 系统很少有人涉及，因此通过对这次台风过程的分析研究，可以找到个有效的手段对中 尺度系统，特别是中小尺度系统进行数值模拟分析，从而更深刻揭示这类系统的结构和机 南京信息工程大学硕士论文 理，了解各个尺度系统相互影响的机制，为更准确预报中小尺度台风暴雨以及其他中小尺 度天气系统提供除探测以外的有力的方法。 6 南京信息工程大学硕士论文 第二章模式介绍 2 1i r a 5 中尺度模式简介 由于受常规观测资料时空分辨率的限制，人们对于中小尺度天气系统的发生发展及其 结构、动力和热力结构等方面的研究难以深入细致。目前国外及国内各种中尺度数值模式 取得很大发展并日趋成熟，对于很多中尺度现象已经能进行较好的模拟和解释。埘5 是比 较成熟的一种中尺度模式，在许多研究中表明埘5 模式在中尺度系统模拟，特别是暴雨的 预报有较好的效果。 瓤5 是美国宾夕法尼亚州立大学( p s u ) 和美国国家大气研究中心( n c a l l ) 于七十年代末， 八十年代初在a n t h e s 和w a r n e r ( 1 9 7 8 ) 的啦4 的基础上发展起来的中尺度模式。吼5 吸取 了m m 4 模式众多成功经验，兼有静力和非静力框架，对物理过程的描述更为周密合理，模 式分辨率得到更大的提高，可以采用单向或双向多重嵌套和可移动的套网格，并且加入了 四维资料同化系统。经试用，姗5 的模拟和预报效果比眦4 更好目前该模式己被国外及 国内诸多科研单位和大学广泛用于对热带风暴、中纬度气旋锋面系统、暴雨，中尺度对流 系统等重要天气过程的中尺度数值模式研究，并且广泛应用于各国气象部门蚵数值业务预 报，取得了较好的效果。 吼5 模式较好实现了模块化，模式按功能可分为前处理、主模块和后处理3 部分，其 中前处理包括t e r r a i n , r e g r i d ，r 肼i n s 几i 订l el l ，i n t e r p f 和n e s t d o 删；主模块是硒艏： 后处理包括i n t e r p b ，删s t o g r a d s g r 册i r i p 。t e r r a i n 模块是姗5 模式第一步，用来设定 模式模拟区域，并将地形高度，植被类型等数据水平插值到网格点上。r e g r i d 模块将等压 面上的各种资料内插到中尺度网格上。r a w i n s l i t t l e _ r 模块利用观测资料对大尺度背景 场进行订正。i n t e r p f 模块把r e g r i d 或a w i n s 几i t t l e r 输出的等压面资料垂直插值到地 形坐标o 面上，形成嘲5 主模块需要的初始场和侧底边界条件n e s t d o 辄n 模块把地形坐 标o 面上的物理场从粗糙网格水平插值到高分辨率网格上，为高分辨率网格提供初始条件。 眦5 模块是模式的核心部分，对模拟区域进行积分运算并产生模拟或预报结果。i n t e r p b 模 块把蛐5 模块的输出结果从地形。坐标插回等压面上，同时对一些物理量进行了诊断计算。 7 南京信息工程大学硕士论文 姐5 t o g r a d s g r a p 珏r i p 模块用于删5 中各部分输出结果的可视化。 强5 模式控制方程为大气非静力平衡原始方程，垂直结构为0 坐标，水平结构采用b 型跳点网格，考虑了较真实的地形和下垫面分类资料，采用分裂时间积分方案。物理过程 包括大气水平与垂直涡动扩散，积云对流参数化及显式微物理过程方案，太阳短波辐射及 大气长波辐射方案和整层或高分辨率的行星边界层方案等。模式的分辨率、垂直层次、计 算区域大小及各种物理过程可根据需要进行选择，灵活方便。本文所使用的删5 是v 3 6 版。 2 2 本文l 嘶中尺度模拟参数说明 背景场采用每日四次的美国n b c p n c a r 全球再分析资料，格距为r x1 。，运用眦5 v 3 非静力中尺度模式对这次过程进行数值模拟，模式采用粗细嵌套网格方案，粗细网格水平 分辨率分别为3 0 l 【m 和l o i 皿，模拟过程中，有限区域的物理过程参数保持不变，粗细网格 水平格点数为6 5 x 5 1 和1 1 2 x 9 7 ，模拟中心点位于1 1 6 e 、3 0 1 ，垂直方向1 7 层，模式积 分步长9 0 ，积云参数化方案采用b e t t s - m i l l e r 方案，边界层方案采用高分辨率b l a c k a d a r p b l ，显式水汽方案采用s h u l t z 微物理过程，大气辐射采用r g t m 长波方案。模拟时段从 2 0 0 5 年9 月2 日0 8 时( 北京时) 开始，到2 0 0 5 年9 月4 日0 8 时结束，积分时长为4 8 小时。 8 南京信息工程大学硕士论文 第三章降雨及天气形势分析 3 1 降雨实况及模拟结果分析 3 1 1 台风登陆后影响介绍 2 0 0 5 年第1 3 号台风泰利( t a l i m ) 于9 月1 日在台湾省和福建沿海登陆后，继续西进， 并于2 日和3 日造成长江中下游地区出现大范围连续暴雨和特大暴雨天气，致使江西北部、 安徽西南部、湖北东部持续4 0 多个小时出现强暴雨，不少地区降水量大大超过历史记录并 产生严重洪涝以及泥石流、山体滑坡等地质灾害。据统计，1 3 号台风“泰利”共造成浙江、 安徽、福建、江鹾、河南、湖北等6 省1 9 6 2 4 万人受灾，因灾死亡1 2 9 人，直接经济损 失1 5 4 6 亿元，是2 0 0 5 年登陆台风中产生降水最强、死亡人数最多的台风。 3 1 2 降雨实况及模拟结果的比较分析 9 南京信息工程大学硕士论文 至菇一蓠i 警 l o 南京信息工程大学硕士论文 图1 模拟雨量和实况雨量比较图( 单位：衄) a2 日0 8 时到3 日0 8 时模拟雨量b 降雨实况 c3 日0 8 时到4 日0 8 时模拟雨量d 降雨实况7 台风“泰利”于9 月1 日登陆台湾省花莲后。于当日1 4 时3 0 分在福建莆田市再次登 陆，登陆时中心气压9 7 0 h p a ，近中心最大风速3 5 s s ，并继续向删方f 句移动，9 月2 日 凌晨进入江西境内并减弱为热带风暴，傍晚前后到达赣西北一带并稳定少动，直至3 日2 l 时在南昌附近消亡填塞。台风“泰利”在登陆前期就给福建、浙江带来大风和强降雨天气， 在我国内陆造成的强降雨时段主要在9 月2 3 日，图l b 和d 是这两天的降雨实况图，这 次台风内陆降雨主要集中在长江中下游安徽、湖北和江西三省交界处，强雨中心有两个， 一个江西西北部，另一个强雨中心在安徽西南部。 2 日( 图l b ) 最强降雨中心位于安徽西南部大别山东侧及南侧，中心值为3 5 0 m 的特 大暴雨，l o o n 以上的次中心在幕阜山东北角以及湖北东部，范围较大，江西北部有两个 降雨极值，分别在1 5 0 衄和2 5 0 蛐以上；3 日( 图l d ) 雨强中心分裂成为三个，最强雨区南 移到幕阜山东北江西北部，极值仍然是3 0 0 衄左右的特大暴雨，原来大别山东北侧的强降 雨区仍然维持，不过最强中心略微北移和减弱，另外，在江西和湖南交界处还有个1 5 0 咖 的次中心，说明从2 日到3 日，强降雨有一个从北至南的传递过程。 南京信息工程大学硕士论文 从数值模式模拟的效果来看，2 日( 图l a ) 的雨区和北部3 0 0 m 1 的降雨中心都模拟较为 成功，不过中心点有0 5 个纬度的差别，另外江西和湖北境内的雨区模拟效果稍差一些；3 日( 图l c ) ，5 0 衄以上暴雨区以及3 个强雨中心能成功模拟出来，只是江西北部中心比实况 向南偏移了0 5 1 纬度，模拟雨量比实际雨量偏小1 5 0 m ，另外两个次中心模拟的极值和 实况偏差在5 0 咖左右，总体来说，模拟效果比较好，能够比较好地反映暴雨实际情况。 3 2 环流形势分析 南京信息工程大学硕士论文 图22 0 0 5 年9 月2 日0 8 时位势高度场、风场和温度场合成图 ( 实线温度场，等值线间隔0 3 k ；虚线位势高度场，等值线间隔4 9 p m ) a5 0 0 h p ab8 5 0 h p a 台风登陆前，3 1 日2 0 时5 0 0 h p a 风场和位势高度场上副热带高压较弱( 图略) ，主体位 于日本以东的北太平洋上，副高脊线在3 0 n ，大陆高压也较弱，两高压之间是南北风的风 向切变区，正穿过安徽以及江西北部，即未来的强雨集中区。中高纬地区环流较为平直， 不断有小槽小脊移过华北地区。9 月1 日( 图略) ，“泰利”在福建北部登陆后沿着副热带 高压外围引导气流向西北方向移动，同时，日本海上空的副热带高压有一个加强西伸的过 程，其西部脊线延伸到江苏和安徽东北部上空，大陆高压也在加强向东扩展，另外，甘肃 和宁夏地区有一浅槽正在快速东移，槽后西北气流引导弱冷空气不断影响我国中部地区。 2 习5 0 0 h p a 上( 图2 a ) ，大陆高压明显加强，其中心东移到川西高原附近，华北低槽加 深，由于副高以及大陆高压的阻挡，台风沿着副高外围两高压之间的风向切变地区缓慢向 西北移动，并且迅速减弱为热带低压。台风登陆后在8 5 0 1 1 p a ( 图2 b ) 上，从东北到华北有 东北一西南向冷温度槽区，从华北到华南北部是狭长的冷舌，台风后部东南气流使得暖舌 象楔子一样将暖湿气流输入到华北弱冷空气中。 2 日台风气旋中心位于江西南部，而赣、鄂，皖三省交界处的强降雨区位于台风气旋 南京信息工程大学硕士论文 项部( 图l b 和图l d ) ，王淑静等利用倾斜涡度发展理论推得的强降水判据0 扣p v i o ) ，对不同路径，结构不同的登陆台风的若干实例进行了暴雨落区的解释，发现台风 倒槽顶部是东南风急流与东北风切变最明显的地方，也是登陆台风与西风带系统相互作用 最活跃的地方，该处集中了对流不稳定、低层辐合、冷暖平流交汇等现象，常有新的中尺 度、次天气尺度的扰动生成，对暴雨发生发展极其有利“”。 3 日，台风低压环流在湘赣交界处稳定少动并且迅速填塞，与此同时，第1 4 号台风“彩 蝶”也在向东海移动，3 日2 0 时台风中心已经位于1 3 6 0 e 。2 0 0 n ( 图略) 。 上述分析结果表明。两高之间风向及风速切变区对登陆台风降雨具有预示作用。其预 示作用表现在两个方面：一是由于切变区的存在，副高所产生的南风及东南风气流和北部槽 的西北气流在雨区上空交绥，造成水汽和能量辐合：二是切变区为台风西进提供通道，未 来台风倒槽曲率最大区也位于这一地区。 3 3 周场分析 3 3 1 高低空急漉分析 强对流天气往往都是和高低空急流紧密联系的，高空急流入口区右侧有气流辐散运动， 低空急流出口区左侧为辐合运动，低层辐合，高层辐散，产生气流的垂直上升运动，为降 雨提供动力条件。陶祖钰等分析了9 2 1 6 号台风登陆后的结构和暴雨，指出由于台风的不对 称结构并在登陆后始终位于2 0 0 h p a 急流入口区右侧的强辐散区下方，因而登陆后能长时间 维持，并在台风东北侧存在强上升运动，造成大范围大风和暴雨天气“”。丁治英等还发现， 台风暴雨发生时，2 0 0 h p a 一般都为西南风急流( 9 0 9 6 ) ，暴雨区位于高空急流右后方，暴雨 增幅时，高空急流有一个增强转竖的趋势“。下面分析这次降雨过程和急流的配合情况 1 4 南京信息工程大学硕士论文 南京信息工程大学硕士论文 南京信息工程大学硕士论文 1 7 南京信息工程大学硕士论文 图3 高空全风速图( 单位：m s ) a9 月2 日0 8 时2 0 0 h p ab9 月2 日0 8 时8 5 0 h p a c9 月2 日2 0 时2 0 0 h p ad9 月2 日2 0 时8 5 0 h p a 南京信息工程大学硕士论文 e9 月3 日0 8 时2 0 0 h p af9 月3 日0 8 时8 5 0 h p a g9 月3 日2 0 时2 0 0 h p a h9 月3 日2 0 时8 5 0 h p a 2 日0 8 时降雨开始时，2 0 0 h p a 高空急流中心位于东经1 2 5 。、北纬4 2 。附近( 图3 a ) ， 最大风速等值线为5 5 m s ，急流轴基本为东西走向；降雨开始后( 图3 c ) ，由于2 0 0 h p a 西风 槽的加深，急流中心迅速增强，中心等值线达到6 0 m s ，另外5 5 m s 的等值线也向东南各 馆移了约一个经纬度，急流轴下部转为西南向，高空风这种经向性的增强为南北不同性质 的气流交换提供了条件，从而传输能量和水汽，为强降雨的发生提供了必要条件；3 日降 雨的后半段( 图3 e 、g ) ，东北亚上空的急流中心位置与强度基本保持不变，这和台风登陆 后稳定少动，降雨区的位置和强度基本没有变化是致的。 同时，我国西北地区上空的高空急流却有显著变化；2 日上午( 图3 a ) ，在甘肃北部和 内蒙上空也有一个高空急流带存在，和东北上空急流相连。最强等值线4 5m s ；2 日晚上( 图 3 c ) ，这里的高空急流带减弱断裂；3 日( 图3 e 、f ) ，这里的高空急流突然增强，最强中心 等值线达到5 0 m s ，比2 日增大了s m s ，而且，高空急流核在向东南方向移动。3 日0 8 时， 4 5 m s 等值线只是向东南移动了3 个经纬度左右的距离，3 日白天，急流核的移动加快，向 东移动了约5 个经度 高空急流右侧为反气旋环流，急流核的增强使得高层辐散运动增强，同样有利于暴雨 的发生；而且高空急流相互靠近，也使得原来位于东北亚高空急流辐散区之下的暴雨区的 辐散运动进一步加大；同时，高空急流东南移动也可以引导低层天气系统的移动，特别是 华北冷空气的南压；急流核的南移增大了高空风经向性，增大了降雨的可能性。 因此可以看到：东北亚高空急流2 日增强转竖，丽此时西北高空急流是减弱的，因此， 2 日暴雨主要和东北亚高空急流相关；3 日西北高空急流有一个增强转竖并且向东南移动的 趋势，这种高空形式也对暴雨发生发展十分有利。 低空急流是和台风环流相伴而生的，陈联寿和丁一汇指出：台风外围暴雨往往和台风 外围低空急流相联系“”，它是暴雨的水汽和能量的主要通道。2 日0 8 时( 图3 b ) 台风登陆后， 台风环流右边南风低空急流轴为南北向，位于福建中部到安徽南部上空，中心最大风速为 2 4 m s ；随后，台风稳定少动( 图3 d ) ，但低空急流核却发生转向和偏移现象，最强风速区 1 9 南京信息工程大学硕士论文 转为台风环流前部的北风区，位于湖南中部。急流轴转为东北一西南向，最大风速仍然有 2 2 m s 台风暴雨的不同时段，急流核发生偏移和转向，同时高低空急流的配置也发生了改 变：暴雨前期，暴雨中心位于高空急流入口右侧和低空急流出口的左侧：暴雨后期，雨区 则位于东北亚高空急流入口右侧、西北高空急流出口右侧和低空急流左侧，虽然此时高低 空急流配置依然是高层辐散，低层辐合，也是暴雨的集中时段，但是雨区却自北向南发生 了位移。3 日低空急流迅速减弱，低压后部最大风速只有1 2 m s ( 图略) 。 因此，这次暴雨过程高低空急流相配合对暴雨发生非常有利：2 0 0 h p a 东北亚上空急流 增强转竖，高空风经向性的增强为南北不同性质的气流交换提供了条件，从而传输能量和 水汽，为强降雨的发生提供了必要条件；暴雨后期，西北高空急流也增强转竖并且向东南 移动，使得后期暴雨可以继续维持；由于台风低压的移动导致低空急流转向，从而改变了 水汽和能量的传输路径，造成了强雨区的南北位移。 3 3 2 模拟风场配合降雨条件分析 南京信息工程大学硕士论文 ，45t- huh 1 41 5 u 图4a3 ( y n 。1 1 7 5 。e 8 5 0 h p a 模拟u 场、v 场及全风速场演变图( 单位：m s ) b 九江( 2 9 5 0 n ，1 1 5 6 0e ) 实况雨量变化图( 单位：皿) c 模拟强降雨中心( 2 9 0e 1 1 5 5 。n ) 的降雨演变图( 单位：m ) ( 以上同为3 小时一次) 此次台风降雨过程中，江西九江( 2 9 6 n 。1 1 5 6 e ) 出现有历史记录以来最强降雨天 气，从2 日0 8 时到4 日0 8 时，总降雨量为8 3 4 m 为了更细致地研究低空急流和降雨的 对应关系，把九江这样有一定代表性站点的降雨情况图示出来( 图4 b ) ，与其附近的点( 3 0 2 1 ， m 南京信息工程大学硕士论文 。n ，1 1 7 5 0 e ) 的模拟风场演变情况( 图4 a ) 以及模拟降雨中心的降雨变化情况( 图4 c ) 作比 较，可以发现一定的对应关系： 图4 b 显示九江站从9 月2 日0 9 时开始的4 8 小时内每三小时雨量变化情况，可以看到： 九江在鸽小时内有两次降雨集中时段，一个是2 日0 6 时到晚上2 4 时，总降雨量4 5 9 咖， 平均每小时雨量2 5 5 衄，1 8 时2 4 时达到最强，平均每小时雨量为3 0 3 m ；第二个降雨 时段在3 日1 8 时2 4 时，平均每小时雨量2 9 m i ；从3 日0 3 时到1 8 时是强降雨间歇期。 图4 c 显示的则是模拟强降雨中心( 2 9 啊、1 1 5 5 屯) 从9 月2 日0 8 时开始4 8 小时内每三 小时雨量变化情况，对比实况降雨，数值模拟的结果基本可以反映降雨的实际变化：数值 模拟2 日的强降雨时段集中在1 1 时2 0 时，3 日0 2 时到1 7 时也是强降雨间歇期，第二个 强降雨时段在3 日1 7 时2 3 时，除了数值模拟开始阶段由于模式物理过程刚刚开始运行， 雨量模拟效果较差外，其他的两个强降雨时段和间歇期模拟效果都比较理想。 第一个强降雨时段是由台风低压后部强低空s s e 急流造成。对应在风场演变图( 图4 a ) 上，由于南风持续增强( 达到1 6 a s ) 。比东风( 1 0 r e s ) 大很多，因此全风速基本由v 风提 供，经向风将动能及潮湿空气源源不断输送到此地，造成持续2 4 小时左右的连续强降雨天 气；第二个降雨时段，南风( 2 m s ) 比第一个时段有大幅度减小，而东风气流却有大幅度增 加( i s m s ) ，因此，后段强降雨天气基本是纬向气流提供的暖湿空气以及动能。 因此，这次台风降雨的不同时段，不同的低空急流在支配降雨的产生和变化：降雨的 前阶段，由于南风低空急流强盛并且持续时间长，因此，强雨区位于偏北的安徽西南部； 在降雨后段，由于台风减弱后的低压环流长时间停滞在湖南、江西交界处，再加上地形摩 擦等作用，南风低空急流减弱而东风气流强盛，因此雨区发生向南偏移 3 3 3 水平纬向风动量分析 南京信息工程大学硕士论文 图58 5 0 h p a 水平纬向风动量分布( 等值线) ( 单位tm 7 s 勺和流场 a 模拟1 2 小时b 模拟3 6 小时 前面已经提到在这次台风暴雨过程中东风气