引言

热带气旋灾害的主要部分往往是由热带气旋引发的暴雨洪涝灾害^[1]。暴雨是各种尺度天气系统相互作用的产物, 其中中尺度天气系统是直接造成暴雨的天气系统^[2]。近年来, 随着计算机技术与数值模式的发展, MM5中尺度模式能提供动力协调性较好的高分辨输出结果, 成为研究暴雨及暴雨中尺度系统的有力工具, 许多气象工作者运用它对中尺度系统、暴雨、台风等进行了大量研究, 并且得出了许多有益的结论^[3-6]。

2004年第18号台风艾莉于8月20日在菲律宾以东洋面上生成并向西北移动, 8月25日16时30分在福建省福清市的高山镇第一次登陆(图 1), 然后转向西南移动, 沿福建沿海, 三次入海、三次登陆, 横穿福建省, 26日14时减弱成热带低压, 进入广东境内后减弱消失。此台风具有时间长、影响范围大, 多次登陆等特点, 路径复杂, 极其罕见。台风登陆前后福建省各县(市)普降暴雨、大暴雨, 局部出现特大暴雨, 柘荣县24小时降雨量高达407.2mm, 造成局部洪涝、山体滑坡、水利设施严重被毁等严重灾害。据不完全统计, 其经济损失高达24.85亿元。选取这次个例, 运用常规天气图资料、MM5中尺度模式输出结果, 对台风暴雨成因进行物理量诊断分析, 并进一步做了地形敏感性试验, 旨在加深0418号台风暴雨可能物理机制的认识, 为提高台风暴雨预报准确率提供有益线索与思路。

1 形势概况及风场分布

从台风艾莉路径来看, 第一次登陆后转向西南从而横穿全省沿海, 是造成大范围暴雨的关键所在(见图 1)。高度场上, 2004年8月24日08时—26日08时(北京时, 以下同), 500hPa中高纬度欧亚基本维持两槽两脊的形势(图略), 两脊分别在乌拉尔山和东北附近, 两槽位于贝加尔湖和鄂霍茨克海附近。500hPa图上副高588线已经断成两环, 西环位于中国大陆中东部, 呈块状, 脊线为东北-西南向; 东环位于日本东南面。25日20时, 从高度场上并不能完全分析出台风将要转向。但风场上, 24日08时, 可以清楚地看到, 在700 ~ 500hPa台风西北到北侧5 ~ 6个纬距内出现一支风速4 ~ 10m·s^-1的东-东北气流, 台风北侧东北风约有28m·s^-1, 与之等距的东南侧, 西南风为22m·s^-1; 25日08时, 台风西北到北侧5 ~ 6个纬距内风速增加到12 ~ 14m·s^-1, 台风北侧的东北风因台风靠近副高, 高度差加大风速增大到33m·s^-1, 在台风的东南侧, 西南风为22m·s^-1, 风速少变。25日20时, 台风中心北侧, 福建与浙江交界线附近出现一支强盛的偏东低空急流, 700hPa上的风速≥24m·s^-1, 850hPa的风速≥20m·s^-1, 300hPa上, 台风西北侧5个纬距内的东北气流仍然十分明显(≥20m·s^-1), 比台风中心附近的气流速度更大。模式输出结果也表现出风场不对称分布(图 2)。由此可见台风在其西北到西侧的东北气流引导下, 以及台风风场的西北侧风大、东南侧风小的非对称性, 利于台风登陆后路径左折^[7], 从而导致台风横穿福建南部各市(县), 受台风螺旋云带影响, 造成了大范围暴雨。

2 模式简介与模拟效果

利用2004年8月25日到26日每6小时的1°×1°NC EP再分析资料和同时间的探空、地面资料作为第一初估值, 通过Gressman客观分析方法进行再分析, 最后的客观分析场产生初始场和侧边界, 从25日20时起, 积分24小时。采用双重嵌套网格, 区域中心为25°N、118°E, 粗细网格格点数均为61 ×81, 粗网格格距为30km, 细网格格距为10km, 积分步长90s, 每小时输出一次模拟结果。模式顶气压为100hPa, 侧边界条件均为松驰边界, 云降水物理过程采用Reisner方案, 行星边界层物理过程采用Blackada高分辨PBL参数化, 地形资料粗网格采用NCAR的30min全球地形资料, 细网格采用10min全球地形资料。

图 3、图 4分别是25日20时—26日20时24h雨量实况及同时段模式输出细网格模拟降水量。模拟出福建省南北两个降水中心, 一个在闽东北, 中心值为279mm, 比实况稍小, 但位置与实况较为吻合。另一个在南部, 171mm, 比实况稍大, 中心位置稍偏东100km。由此可以认为MM5对此次台风暴雨过程模拟比较成功, 能为暴雨的诊断研究提供较为可信的动力协调资料。

3 CAPE与总风暴相对螺旋度

对流有效位能CAPE (convective available potentional energy)是一个能定量反映大气环境中是否可能发生深厚对流的热力变量, 对强对流天气的发生有较好的指示意义, 当CAPE >1500J·kg^-1时, 发生强对流的可能极大^[8]。总风暴相对螺旋度(Storm Relative Helicity, 简称螺旋度SRH)是一个描述环境风场气流沿运动方向的旋转程度和运动强弱的物理参数, 它反映了大气的运动场特征^[9]。用来衡量环境风场具有多少沿气流方向的水平涡度及其贡献^[10]。强对流天气既可发生在低风暴相对螺旋度结合高对流有效位能的环境中(CAPE >2000J·kg^-1, SRH < 200m²· s^-2), 也可能发生在相反的环境中^[8] (CAPE < 1500J·kg^-1, SRH >200m²·s^-2)。

图 5a是25日20时CAPE分布, CAPE中心位于闽东北, 中心值约为350J· kg^-1, 26日02时(图 5b), CAPE高值中心移到闽南, 中心值约为160J·kg^-1, 模拟结果显示出CAPE中心与暴雨中心有较好的对应关系, 但从数值上来看, CAPE远远小于1500J·kg^-1。

但从螺旋度的水平分布看, 25日20时, 福建及附近沿海为螺旋度高值区, 最大正中心数值达404m²·s^-2 (图 5c), 福建沿海螺旋度梯度较大, 等值线密集。此后螺旋度值进一步加大, 至26日02时, 台风环流圈内出现三个螺旋度大值中心, 一个在闽东北, 中心数值达431m²·s^-2, 一个在闽南至粤东, 中心数值达315m²·s^-2, 另一个在台湾岛西侧中心数值达464m²·s^-2。这与25日20时至26日08时12h降水量的三个中心吻合。随着台风强度减弱, 向西南移动, 螺旋度高值区数值逐渐减小, 降水强度也跟着减弱, 26日08时, 比较明显的正值中心只有闽东北和闽南至粤东(图 5d)。暴雨发展和强盛阶段, 螺旋度的值都明显增大, 暴雨减弱衰退的阶段, 螺旋度的值又明显减小。螺旋度值增减与暴雨强度变化配合较好。

由上可见, 本次台风暴雨发生在低对流有效位能结合高螺旋度的环境场中。实况暴雨区位于台风中心的右侧, 暴雨发生前是北风区, 因此CAPE值小。从螺旋度的定义来看, 前述的风场不对称分布, 必然引起造成进入风暴入流强度及水平涡度发生变化, 平流过程(涡度平流及水平分布不均匀引起的温度平流)是使地转平衡破坏的原因^[11]。这种因平衡导致的次级环流将导致不稳定层结大气中扰动的不稳定发展, 使得对流发展。

4 非地转的湿Q^*矢量及非地转的湿Q^*矢量散度

为进一步研究次级环流与台风暴雨的关系, 引入张兴旺^[12]等提出的非地转的湿Q^*矢量及Q^*矢量散度概念。用湿Q^*矢量散度作唯一强迫项的非地转 ω方程为:

近似取, ▽·Q^* ∝ω, ▽·Q^* < 0, ω < 0, 即湿Q^*矢量的辐合, 对应上升运动。反之为下沉运动。

图 6为此次台风暴雨过程中各时次Q^*矢量散度沿AB线(如图 1所示, A点取23.7°N、117.2°E, B点取27.3°N、120.0° E)方向的垂直剖面图。Q^*矢量散度场多呈条块状辐散、辐合区相间分布的形式, 反映了中尺度特性。25日20时, 闽东北上空, 存在Q^*矢量散度负值区, 该负值区随高度增加由南向北倾斜, 此处为上升气流。福建中部沿海, 即台风中心附近上空, Q^*矢量散度为正值区, 在此区域存在下沉运动; 26日02时闽东北上空仍为Q^*矢量散度负值区, 并出现两个大的负值中心, 一个在850hPa附近, 中心强度最大值-1.154 ×10^-12 s^-3·hPa^-1, 另一个中心, 在250hPa附近, 中心强度为-2.288 ×10^-12 s^-3·hPa^-1, 为上升运动; 闽南上空出现较明显的Q^*矢量散度负值区, 上升运动加剧, 在台风中心附近上空850hPa至600hPa间有正Q^*矢量散度中心, 强度为1.023 ×10^-12 s^-3hPa^-1, 此处为下沉气流区; 26日08时, 台风中心仍在闽南, 此时其西南方上空为Q^*矢量散度负值区, 350hPa上仍有负值中心, 强度为-0.35 ×10^-12 s^-3· hPa^-1为弱上升气流区。至26日20时, 台风已减弱为热带低压, 中心在粤东, 闽南上空的Q^*矢量散度负值区强度大幅降低, 上升运动逐渐减弱, 已无明显降水。

由上分析, 在各时次台风中心东北和西南侧普遍存在上升的次级环流, 而在台风中心附近上空有下沉气流区, 存在下沉的次级环流, 聚积在对流低层水汽和能量受次级环流的强迫辐合抬升, 导致暴雨产生。在对流层低层Q^*矢量散度辐合区和辐散区的交界处, 伴随有较大的对流性降水。

5 地形敏感性试验

闽东位于福建东北部, 地形复杂, 西侧靠武夷山, 东面濒临太平洋, 中北和中南部又有呈东北—西南、西北—东南走向的太姥山和天湖山两条山脉, 构成沿海多山地形。本次24小时降水最大的柘荣县位于鹫峰山脉—戴云山脉—博平岭的迎风坡上, 地形的强迫抬升作用与中尺度暴雨系统进一步发展密切相关。为进一步认识地形对降雨的作用, 本文进行了两种地形敏感性试验, 与控制试验对比研究它对中尺度系统及降水的产生所起的作用。方案一:削平福建省(23.7°N、117.2°E)、(27.3°N、117.2°E)、(27.3°N、120.0°E) 3点范围内高于400m的地形高度; 方案二:削除(23.7°N、117.2°E)、(27.3°N、117.2°E)、(27.3°N、120.0°E) 3点范围内福建地形高度。结果显示, 随着高度的下降, 闽北的强降水区明显收缩强度减弱, 无地形时, 只留下86mm的降水中心, 位置也有西移。闽南沿海的强降水区也有收缩, 中心往东北方向移动。地形强迫作用对降水的影响可表示为, 山脉爬坡气流产生的降水量(R)可表达为, 其中F为凝结率, ω为山脉坡度所造成的垂直运动。R表达式说明降水量与山脉坡度所造成的垂直运动成正比。敏感性试验里, 积分12h后, 垂直速度发生了明显变化, 第一种方案中地形高度的降低明显造成垂直速度的减小(图 7a)。当完全削减地形后, 在闽北呈东北—西南走向的太姥山、戴云山两山脉东侧, 中低层垂直速度中心强度由24cm·s^-1减小为20cm·s^-1 (图 7b)。可见地形高度对垂直运动影响显著, 进一步影响暴雨强度与分布。

6 结论

(1) 在东北气流引导下, 台风艾莉西北侧风大, 东南侧风小的非对称性分布, 是台风转向西南的原因之一, 从而导致台风横穿福建, 造成了大范围暴雨。

(2) 台风艾莉暴雨发生在低对流有效位能与高螺旋度相结合的环境中, 暴雨中心与CAPE及螺旋度高值区对应较好。

(3) 较大的对流性降水出现在对流层低层非地转湿Q^*矢量散度辐合区和辐散区的交界处。

(4) 通过对削减地形的对比试验, 表明中尺度地形对垂直运动有显著影响, 进一步影响暴雨强度与落区分布。