贵州中西部地区一次台风暴雨天气过程诊断分析

贵州中西部地区一次台风暴雨天气过程诊断分析

1日发生在贵州西部沿海地区的台风暴雨天气过程长期以来，对中国东部和东北部地区台风雨的研究已提前进行。因此,针对2014年9月16—18日发生在贵州中西部地区的台风暴雨天气过程,本文将在诊断分析的基础上,采用中尺度模式(WRF)对其发生原因进行数值模拟,以期加深对此类台风暴雨天气过程形成机理的认识,进一步了解WRF模式在贵州台风暴雨过程中的预报特点,对于加强模式产品的应用和促进模式的完善具有重要意义。2资料分析和再分析本文采用的资料包括:美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)一日4次的FNL再分析资料,水平分辨率1°×1°;降水资料为贵州省88个地面观测站的逐时降水资料及中国自动站与CMORPH3分析台风“海鸥”过程的特点及循环诊断3.1中心位置和强度2014年第15号台风“海鸥”于9月12日14时(除特别说明外,文中时间均为北京时)在菲律宾马尼拉东偏南方向约1090km的西北太平洋洋面上生成,生成时强度为热带风暴,中心位置位于13.8°N,130.8°E,中心附近最大风力8级,风速18m/s。生成后“海鸥”向西北方向移动且强度将逐渐增强,13日早晨加强为强热带风暴,下午加强成为台风,15日穿过菲律宾岛进入我国南海并逐渐向华南地区靠近。16日9时40分前后,“海鸥”在海南省文昌市翁田镇沿海登陆,登陆时中心风力达到42m/s,中心最低气压为960hPa,之后继续向西偏北方向移动。至17日14时低压中心位于22.9°N,102.8°E,中心气压998hPa,风速15m/s,减弱为热带低压,中央气象台停止编号。3.2月16日—降水实况受台风“海鸥”影响,贵州中西部地区于9月16日20时左右开始出现强度较大的降水,此次降水过程一直持续到9月18日20时左右趋于结束。由图1可见,此次过程贵州省48h累计降水量呈西多东少的分布特征,强降水主要分布在贵州中部以西地区,且六盘水市南部、毕节市东南部以及黔西南州北部超过150mm,普安县境内累计总降水量超过400mm,而东部地区普遍在25mm以下。为分析整个过程中逐小时降水的演变特征,从贵州中西部地区选取安顺、纳雍、盘州、仁怀、兴仁等5个代表站,给出9月16日10时—18日20时共48h逐小时降水量分布(图2)。由图2可见,强降水分2个时段,第1时段为16日20时—17日20时,此时段受台风“海鸥”的直接影响时段,从12h累计降水量可以看出,其最大值基本出现在17日20时前后,降水量呈快速增长趋势,降水强度亦逐渐增强,这与台风“海鸥”路径稳定、移动速度快、登陆强度强、降水强度大的特点相一致,此时段的降水持续时间长、局地性强;第2时段为17日20时—18日20时,台风已经减弱为热带低压,对贵州影响有所减弱,但从降水演变图中可看出,贵州西部维持较强降水,安顺站的雨强在18日10时超过了11mm/h(图2a),盘州站12h累计降水仍然维持在85mm左右(图2c),但强降水的持续时间不长。因此,在台风对贵州的影响减弱之后的24h内,尽管强降水的持续时间相较第1时段明显偏短,但贵州西部地区的降水仍维持,且最大小时雨强基本出现在第2时段,从而导致17日20时—18日20时产生了连续性的暴雨天气。3.3台风倒槽和大尺度天气系统持续影响降水发生前,贵州上空受副热带高压控制,副高西脊点位于101°E附近,贵州大部地区维持多云天气。位于中国东北地区的低涡西侧偏北气流逐渐引导中高纬冷空气南下,16日08时冷锋已到达长江中下游,由于受到西北行的台风阻挡,此后冷空气缓慢向南向西推进(图略)。此时,台风移至海南省文昌市附近时,副高东退,西脊点在110°E附近稳定维持。17日02时台风倒槽西移至贵州西部上空(图3a),倒槽东侧的东南风在贵州形成明显的风速辐合区,贵州西高东低的地形促使携带大量水汽的东南气流在当地辐合区沿地形抬升,为强降水的产生提供有利的动力条件随着台风登陆继续西进减弱,17日20时以后副高又西伸至110°E以西,贵州处于副高西北侧西南气流控制。同时,700hPa在河套地区的切变东南移至四川东部,与台风倒槽南北向叠加,形成贯穿贵州西部的南北向切变,此切变维持至18日08时(图3b),此时,地面冷锋进入江南,贵州中北部的大部分地区已受到冷空气影响,但台风外围的低空急流亦较前一时段有明显减弱。随着冷空气的逐渐加强,地面准静止锋趋于消失,而贵州地区大气低层冷锋锋区和大气斜压性得到增强综上所述,不同尺度天气系统的持续影响是造成此次贵州中西部地区大范围暴雨天气产生的重要原因。前一阶段是由台风系统引发的持续性降水过程,而后一阶段则是低层切变系统引导北方冷空气南压与副热带高压外围及台风尾流中的暖湿气流相互作用,从而引发的暴雨天气。3.4暴雨过程单次降雨通量分布源源不断的水汽供应是台风形成强降水的重要条件,且台风暴雨强度不仅与台风强度有关,还与台风变性、弱冷空气的入侵等密切相关为分析此次暴雨过程前后2个时段水汽来源的差异,给出了9月16日20时—17日20时、17日20时—18日20时过程平均的700hPa水汽通量分布(图4)。由图4a可见,在强降水发生的第1时段,伴随台风外围东北侧的低空偏南急流,形成了一条自孟湾低压向东跨越南海转而进入西南及华南地区的水汽输送带,其中台风中心东北侧的水汽通量输送高值中心超过了36g·cm4数值模拟和结果分析4.1粗网格领域利用中尺度模式WRF(V3.5版本),对此次由台风及中低层切变系统共同造成的贵州中西部地区暴雨过程进行了数值模拟。模拟方案采用双层嵌套,模拟中心为20.0°N、100.0°E(图5)。粗网格(domain1)格距30km,水平方向格点数368(x)×505(y),范围为9°S~49°N、46~153°E;细网格(domain2)格距10km,水平方向格点数222(x)×304(y),范围为10~37°N、80~129°E;垂直方向为38层,顶层气压为20hPa。模拟时段为2014年9月14日08时—20日08时,共144h,积分步长90s。前人的研究表明4.2强度及稳定性图6给出了台风“海鸥”移动路径及强度的模拟结果与实况对比。由图6a可见,在16日20时之前,尽管模拟出的台风中心和移动路径与实况相比略有偏差,但均朝着西北偏西方向移动,两者平均距离相差90km,最大偏离距离137km,最小仅相差51km,16日20时之后,台风移动路径及中心与实况基本一致。从强度的演变上来看(图6b),模拟的强度在16日20时之前较实况偏弱,之后则比实况偏强,但台风强度变化趋势较为一致。此外,模拟的台风减弱速度比实况稍慢,这可能与台风登陆后客观分析对台风强度的描述偏弱有关。总体看来,WRF模式对此次台风的路径和中心强度模拟效果较好。4.3降水量中心与降水区域为探讨WRF模式对于此次强降水过程的模拟效果,给出9月16日20时—17日20时和17日20时—18日20时的24h累计降水量的实况分布和数值模拟。9月17日20时的24h累计降水(图7a、图7c)显示,第1时段的强降水落区与实况均存在较为分散的特点,基本位于贵州南部及中部偏西的部分地区;但模拟出的降水中心位于黔西南州中部,其中心值为100mm左右,无论是降水中心强度还是大雨以上量级的降水范围与实况相比均存在一定的差距,这可能与WRF模式的模拟方案对于台风的描述不够精确有关;但模式仍体现出该时段贵州的降水呈现东北少西南多的分布特征,并在一定程度上反映出了贵州西部存在强降水中心的事实。18日20时的24h累计降水的实况及模拟可见(图7b、图7d),实况的强降水范围比第1时段24h更为集中,暴雨以上级别的降水主要集中六盘水市、毕节市东南部,且超过100mm的强降水范围比第1时段大;而模拟降水的分布与实况相比,强降水中心强度依旧偏弱,其中心值为50mm,但降水大值区域的分布与实况基本吻合,即主要集中在贵州西部地区,且反映出强降水中心在六盘水市中部。综上所述,2个时段的累计降水模拟值均小于实况观测值,且第1时段模拟的强降水中心及范围与实况存在一定的偏差,这可能与模式地形精度同实际地形有所差异以及对台风模拟效果不够精确有一定的关系。但总体上仍反映出了贵州降水呈西多东少的分布特征。4.4水平风场模拟分析相对螺旋度在一定程度上能够反映低空急流对强降水的作用4.5模拟分析了相对湿度和垂直速度的差异充足的水汽供应、强烈的上升运动以及较长的持续时间是暴雨发生的3个重要条件4.6气流场输送,不稳定能量释放对假相当位温和比湿进行模拟分析,16日20时(图10a),在台风“海鸥”的外围气流开始逐渐影响贵州时,850hPa的比湿达到16~18g/kg,对流层中低层的偏南气流携带暖湿空气输送至105~113°E之间的不稳定层结中,促使不稳定能量释放,雨带亦逐渐形成,并自东向西移动。18日00时(图10b),随着台风减弱,其对贵州的影响亦逐渐消失,此时贵州处于切变系统控制下,贵州近地面比湿仍维持在16g/kg左右,贵州北部不稳定能量逐渐释放并向南移动,随着系统南移减弱,能量释放完毕,贵州强降水天气趋于结束。5暴雨天气过程模拟分析(1)此次台风暴雨天气过程在第1时段具有降水强度增长迅速、持续时间长及局地性强等特点,强降水中心较为分散;第2时段的强降水持续时间短,但最大小时雨强较第1时段强,且24h累计降水超过50mm的范围较第一时段更为集中。(2)引导此次暴雨发生的主要天气系统在前、后两个时段内略有差异但存在联系,第1时段主要受到1415号台风“海鸥”外围云系中的对流云团影响,而在台风减弱后,第2时段降水则主要与低涡切变系统侵入台风尾流及副高外围暖湿气流引发的降水云团再生有关。(3)模