引言

台风是最强的暴雨系统，许多气象学者致力于台风暴雨机理研究，台风暴雨的强度可能与大尺度环流背景、中尺度系统、水汽条件、局地地形、层结稳定度、边界层辐合和高层出流等许多方面关系密切(陈联寿和孟智勇，2001)。徐祥德等(2003)指出在北半球对流结构往往可发生在台风前进方的右部象限，并使中尺度雨团在该区域重复生成、移动或滞留，以至在台风的这一象限(地区)暴雨成灾。康志明等(2008)研究“碧利斯”(0604) 特大暴雨成因发现，冷空气从东西两侧嵌入，触发对流运动发展，近地层散度、涡度的形变项使山区处于一涡源状态，不断触发中尺度降水系统，引起暴雨增幅。刘晓波等(2008)分析了台风罗莎引发上海大暴雨的成因，认为第一阶段暴雨是由台风外围云系发展成中小尺度的云团产生的。可见台风暴雨往往出现在对流发展旺盛的区域。

研究表明地形对台风暴雨的增幅有时非常重要。解以扬和徐祥德(1993)在登陆台风暴雨地形增幅的数值试验中指出，下垫面地形强迫对登陆台风外围环流有响应，地形的动力强迫可使500 hPa垂直运动在有无地形偏差场上构成一对上升与下沉运动的“偶结构”。张福青等(1996)及江敦春等(1997)用MM4数值模式对几个台风进行了数值模拟，模拟雨量接近实况，并模拟出无地形雨量为有地形雨量的40%左右。蔡则怡和宇如聪(1997)利用中国科学院大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)η坐标有限区域数值模式对“75·8”大暴雨开展了模拟，指出山脉的相对高度和陡峭程度以及山脉与暴雨系统的相对位置对暴雨的强度十分敏感，地形稍有改变，暴雨强度将减弱3/4以上。Wu et al(2002)通过高分辨数值模式进行模拟，指出地形对台风降雨具有明显的增幅效应。段丽和陈联寿(2005)指出地形和中尺度对流系统对热带风暴穿越琼州海峡引发海南西部大暴雨起了重要作用，台风涡旋带来的暖湿空气与五指山地形辐合形成的MCS是这次台风暴雨的主角。周福等(2014；2016) 通过诊断分析“菲特”减弱时浙江大暴雨过程及台风灿鸿造成浙江东北部大暴雨成因，指出呈喇叭口状西高南高的杭州湾地形有迎风坡作用和地形辐合，对偏东、东北气流参与造成的降雨过程有增幅作用。

由以上简要回顾可知，针对台风暴雨地形作用，已开展了大量的研究工作，并取得了很多重要进展，但到目前为止，少有针对杭州湾区域地形对台风暴雨增幅的数值研究，因此相关的台风暴雨(强降水)机理的认识还十分有限。本文将利用WRF模式，对2015年第09号台风灿鸿开展高分辨率的数值模拟，并结合各种观测资料，对其降水和结构特征变化进行研究，并针对特定范围的地形、陆表属性等进行了一系列敏感性试验，进一步研究“灿鸿”台风造成浙江东北部强降雨的原因，以期对此类台风的预报有所帮助。

1 资料和模式简介

本文所用的主要资料包括：中国气象局提供的热带气旋最佳路径数据集、NCEP/NCAR提供的6 h一次FNL(Final Operational Global Analysis)资料、常规观测和自动站加密资料及FY-2E卫星的云顶亮度TBB资料。

本文使用的模式是WRF-ARW V 3.6.1。试验具体方案采取双向、三重嵌套网格，三重水平网格的格距分别为27、9和3 km，格点数分别为306×306、633×447和661×661，第三层网格采用移动网格，网格中心跟随台风中心移动(图 1a)。模式中心为18.396°N、135.524°E，模式垂直方向为31层，模式顶气压为50 hPa。最外层网格微物理过程采用WSM-3简单冰方案(Dudhia, 1989)，细网格采用Lin方案(Lin et al, 1983)。最外层和第二重网格采用了Kain-Fritch对流方案(Kain and Fritch, 1993)，但在第三重网格区域内，没有使用积云对流参数化方案。在三重网格中，都采用的有Yonsei University边界层方案(Noh et al, 2003)、Dudhia短波方案(Dudhia, 1989)、Rapid Radiative Transfer Model(RRTM)长波方案(Mlawer et al, 1997)。模式初始化选用NCEP的水平分辨率为1°×1°的FNL全球分析资料。对最外层网格做了nudging，以便模拟结果能更接近观测。模式模拟时长5 d，从2015年7月8日00时到7月13日00时。

为了检验浙江东北部一带的地形、土地类型和杭州湾水体对“灿鸿”所造成的强降雨的影响，在其他参数保持不变的情况下，在本次数值模拟中设计了4个敏感性试验：试验1，保持模式原有的地形特征(CTL)；试验2，将浙江东北部区域(28.6°~30.6°N、120.0°~123.1°E)范围内高于100 m的地形全部削为100 m的地形敏感性试验(T100)；试验3，将上述范围内的地形高度增加一倍(T2)；试验4，将上述范围内的陆表属性设置为均一的类型，本研究中选择的陆表类型是我国华、中华北地区常见的灌溉型农田与牧场(irrigated cropland and pasture)(ICP)，该类型的地表摩擦层厚度为0.07 m；试验5，将杭州湾的水体(29.8°~30.9°N、120.1°~121.9°E)替换为陆地(HZW)。本研究希望通过这5个试验的结果对比，对于地形、陆地水体下垫面对“灿鸿”台风结构和降水分布的影响变化进行深入的分析。

2 “灿鸿”概况及影响

2015年9号热带风暴灿鸿于6月30日12时(世界时，下同)在西北太平洋洋面上生成，7月6日06时加强为台风，9日06时加强为强台风，15时加强为超强台风。“灿鸿”生成后一直向西北方向移动，11日08时前后擦过浙江省舟山朱家尖沿海，之后折向东北方向移动(图 1)(沈晓琳等，2015)。

从过程雨量(图 2a)可以得到，“灿鸿”给浙江东北部地区带来了极端的降水，是1949年以来首个7月中旬以前相似路径在浙江东北部地区造成大暴雨的台风(周福等，2016)。最大的累积降水位于余姚大岚镇丁家畈站，累积降水量达到531 mm，其次是余姚四明山镇棠溪站528 mm。大岚镇丁家畈站记录了台风灿鸿降水的极值，图 2b给出了丁家畈站从7月10日00时到12日00时的逐时降水。可以看到丁家畈站的雨强并不是很强，小时雨强都在30 mm·h^-1以下，但每小时雨量超过10 mm的时间为23 h，降雨持续时间较长，给浙江东北部造成严重的灾害。

3 暴雨成因的诊断分析 3.1 大尺度环境场

从“灿鸿”影响期间500 hPa高度场、高低空环流配置情况以及对流的水平结构分析(图 3)，可见10日06时前后台风灿鸿位于副热带高压西南侧，台风外围螺旋雨带开始接触影响浙江沿海地区，深对流主要出现在“灿鸿”中心的南侧，对应此时台风强度达到最强(图 3a)。10日18时，台风眼四周云系减弱，其西北侧螺旋云带中的强对流云团加强，低于-70℃的冷云顶覆盖了浙江东北部地区，这可能与浙江东北部地形的辐合抬升作用有关联，当时该区域降雨特别强(图 3b)。11日06时，台风西侧对流云团缓慢减弱，但仍维持在-60℃的TBB低值区，此时浙江东北部地区还维持强降水(图 3c)。直到11日18时，台风主体对该区域的影响趋于结束(图 3d)。从图 3中还可以看出，低空西南气流主要位于台风灿鸿东南部，为台风提供了充沛的水汽供应，加之台风东南侧“浪卡”台风带来的充沛水汽，使台风灿鸿近海得以维持，造成台风暴雨强度强、范围大。“灿鸿”在浙江东北部降水增强阶段，高空槽逐渐加深并向东靠近“灿鸿”，急流经向、纬向度均较大，“灿鸿”处于高空急流入口区右侧，非地转运动使高层辐散增强，降水增加。

3.2 物理量诊断

分析各高度层暴雨区(28.5°~30.5°N、120°~122°E)涡度、散度和垂直速度的时空演变(图 4a)，可见从10日06时至12日06时，暴雨区在整个对流层一直维持正涡度，台风擦过舟山前正涡度随时间增强，并在11日06时达到最大，最大正涡度区出现在850 hPa附近，正涡度区伸展至200 hPa以上，台风转向后正涡度逐渐减小。从散度场的时空演变来看，整个暴雨过程800 hPa以下的低层为强辐合，300 hPa以上高层为辐散，中间层接近无辐散。11日00—12时700 hPa附近和200 hPa以上高层有强辐散区，最强辐散出现在150 hPa，中心值大于4×10^-5 s^-1。台风转向后，低层辐合和高层辐散强度都有所减弱，辐合层的厚度也有所减小。台风灿鸿接近浙江时，暴雨区上空低层600~1000 hPa上升运动增强，强中心位于800 hPa附近。从宁波多普勒雷达探测到的基本反射率图(图 4b)来看，在台风灿鸿接近浙江时，台风眼壁环形呈闭合环状，强度30 dBz以上。螺旋状回波带汇集在台风西北及北侧，螺旋云带中镶嵌着大量的对流云团，说明螺旋云带中的中小尺度系统活跃。

3.3 地形作用

地形对台风暴雨的增幅作用很大(刘爱鸣等, 2010; 丁治英等, 2014; 吴海英等, 2014; 林小红等, 2015)，主要原因可能有两个：(1) 风在海岸的摩擦辐合；(2) 地形抬升作用。当热带气旋趋近海岸、岛屿、陆地时，向岸风或沿海山脉迎风坡的辐合作用将加剧对流运动，陆地上山脉地形增强的辐合对流会不断产生对流系统(陈联寿等, 2004)。台风灿鸿最强降水发生在路径西侧的浙江东北地区就与上述原因密切相关。台风灿鸿东侧东风强劲，底层东风受到浙江东北山脉的阻挡，气流爬升，结合散度的垂直变化来看，浙江东北地区外海宽阔，海岸对较强的东风的摩擦辐合特别显著，山脉迎风坡前为辐合区，地形的摩擦辐合及抬升作用使得台风西北侧出现大量中小尺度对流系统，是暴雨增幅的重要原因(图 5)。

4 地形作用的数值试验分析

图 1a给出了观测与控制试验模拟的“灿鸿”路径，从模拟开始一直到7月10日00时，模拟与观测的台风路径和中心位置都比较一致。之后，模拟较实况台风移动速度略偏慢。模拟与观测的“灿鸿”台风中心气压变化见图 1b。由图 1b可见，模拟与观测的台风中心气压变化趋势比较一致，模式较好地再现了“灿鸿”在擦过舟山之前的加强过程，以及转向之后的衰减过程。模拟的台风比实况略偏强，其原因可能与模式本身存在的一些不足有关，有待进一步深入探讨。试验2~5分别检验了浙江东北部一带的地形、土地类型和杭州湾水体对“灿鸿”所造成的强降雨的影响，试验显示模拟的台风移动路径、强度与控制试验无明显差异(图略)。

4.1 对降雨量的影响

从CTL模拟累积降水量(图 6a)可以看到：浙东北的强降水中心位置与实况基本吻合，模拟累积降水量达到了360 mm以上，但在量值上还是要小于实况值。总体来看，模式还是很好地把握住了“灿鸿”台风发展演变过程中主要的路径、强度和降水特征。从T100试验模拟累积降水量(图 6b)可以看到：落区较原强降水区偏北，浙江东北部的强降水中心明显减弱，累积降水量不足220 mm。T2试验把原地形增加一倍后，累积降水量比CTL试验明显增加，达到了490 mm(图 6c)。ICP试验中，累积降水量305 mm(图 6d)。HZW试验中累积降水量不足300 mm(图 6e)。所选区域的地形高度、850 hPa风场和累积雨量叠加还显示(图 6a)，“灿鸿”在7月11日06时，浙江省内盛行东北风，浙江东北部区域中心为一北—南走向的山脉，降水大值区与山脉走向一致，降水中心出现在山脉迎风坡一侧。可见，地形是“灿鸿”造成浙江东北部暴雨增强的主要原因。其次，杭州湾水体和浙江东北部的土地类型也对此次大暴雨起了一定的作用。下面我们将着重分析T100试验模拟结果。

4.2 对对流云团的影响

控制试验中(图 7a)，对流层低层强上升运动主要分布在台风西北部内螺旋雨带中，即浙江东北部地区。上升运动形成有组织的、切向分布的带状结构，这些雨带径向宽约10 km，且向上十几至100 km左右，最强上升运动超过10 m·s^-1，这种结构可能与地面雷达观测到的热带气旋中的小尺度雨带有关。强上升运动与小尺度涡旋有着紧密联系，表现为众多小尺度对流系统，这表明中小尺度深对流系统主要位于台风西北部，最大降水也发生在此处。台风中心附近区域水汽通量较小，其眼壁区域水汽通量最大，浙江东北部也为高水汽通量区，并且伴有带状分布的散度负值中心(图 7c)。T100试验中(图 7b)，浙江东北部地区只零星分布一些强上升运动，没有形成带状结构，小尺度对流系统明显减弱。浙江东北部也是水汽通量高值区，但是只有零星分布的散度负值区(图 7d)。内螺旋雨带位于眼壁外的内核区域，由于高层卷云的遮蔽作用通常不能在卫星云图上观察到，但可以在雷达反射率图上观测到。螺旋雨带活动不仅能影响气旋强度，也可造成大风、暴雨等局地灾害性天气。以往观测表明，热带气旋内核区存在更小尺度(平均径向宽度约10 km)的螺旋雨带，并可能影响整个气旋的动力结构。台风灿鸿的高分辨率(3 km)数值模拟显示，“灿鸿”内核区西北侧存在这种小尺度螺旋雨带。但在T100试验中，这种小尺度螺旋雨带明显减弱，降水也明显减少。

截取跨越暴雨区的线段(图 6a中AB)，长度约为100 km，暴雨中心位置海拔约350 m，暴雨区两侧地形高度相差较大，左侧最高峰海拔接近480 m，而右侧海拔逐渐降低(图 8b)；降地形试验中，暴雨区附近地形高于100 m的都已经降为100 m(图 8d)。10日21时左右，暴雨中心附近出现一条短回波带，此后，左侧最高峰附近10日23时有回波发展，但持续时间很短，11日03时开始，暴雨中心及其右侧有超过45 dBz的强回波带发展，而左侧回波较弱，时间上比暴雨区滞后6 h(图 8a)。总体来看，台风灿鸿对浙江东北部影响从10日18时左右开始，直到11日18时才趋于结束，持续时间较长，形成了稳定的强回波带。T100试验中，台风灿鸿对浙江东北部的影响从11日04时才开始，持续6 h后基本已趋于结束，并且整个过程中只有零星的回波发展，并没有出现稳定的强回波带(图 8c)。

4.3 对台风结构的影响

对台风灿鸿擦过舟山前后结构特征进行进一步分析。采用研究热带气旋的常用方法(Xu and Wu, 2005；魏超时等, 2011)，将各物理量在以台风中心为原点的柱坐标中分解为轴对称和非对称两部分, 用变量的轴对称部分表示轴对称结构。图 9给出的是物理量的轴对称部分。从两个试验中的台风底层(模式距地约32 m)方位角平均的对称风场的径向分布随时间的演变可以看出，控制试验中(图 9a)，方位角平均的切向风风速逐渐增强，10日06时达到最大，超过65 m·s^-1，台风的大风半径(定义为轴对称切向风的最大值所在半径)距离台风中心约60 km，这与台风强度变化相对应。在这之后，对称风场强度随时间线性减小，在11日降水最强阶段，仍维持在35~50 m·s^-1，此时台风仍然维持较强的对称性。台风边界层的入流平均强度可以达到27 m·s^-1。T100试验中，轴对称切向风速和径向风最大强度出现时间也比控制试验略早(图 9b)。

图 9c表明接近舟山时“灿鸿”具有典型的眼墙和暖心结构特征。在台风中心附近，风速小，上升运动十分弱并存在下沉运动，非绝热加热少，具有典型的眼区特征。切向风速存在最大风速半径，自中心向外，切向风随半径增大而增强，在70~100 km处切向风达到最大，之后随着半径的加大而减小。强劲的上升运动位于最大风速半径附近，与强上升运动相匹配的是水汽凝结产生的大量非绝热加热，具有典型的眼墙结构，非绝热加热的大值区延伸至10 km高度处。图 9c还表明此时眼墙随高度稍向外倾斜，这一现象在多个登陆台风中均被观测到(魏超时等, 2011)。低层切向风随高度的增加而增强，在边界层顶附近达到最大，随着高度再增加，风速减弱。降地形试验中，最大风速半径比控制试验略大，约为80~110 km，非绝热加热大值区只延伸至6 km高度处(图 9d)。

5 结论

台风灿鸿穿过舟山群岛北上过程中，在浙江东北部地区48 h累积降水量最大达到531 mm，是1949年以来首个7月中旬以前相似路径在浙江东北部地区造成大暴雨的台风。利用中尺度非静力数值模式WRF V3.6.1对台风灿鸿(1509) 的结构演变和所产生的降水进行了高分辨率数值模拟。通过分析诊断和数值试验，得到以下主要结果：

(1) 台风擦过舟山时，东北气流下，浙东北地形的摩擦辐合及抬升作用使得大量的对流云团汇集在台风西北侧，中小尺度系统活跃，是浙江东北部产生强降水的重要原因。

(2) 模式较好地再现了“灿鸿”的发展演变过程和在浙江东北部产生的强降水。控制试验也模拟出了在台风接近陆地时，内核区西北侧存在有组织的小尺度螺旋雨带，降雨量和地形走向相一致，迎风坡降雨量增加。

(3) 通过升降地形，改变土地类型和将杭州湾水体用陆地替换的敏感性试验发现：地形的影响对台风降雨量的增幅最为明显。降低地形，会造成台风西北侧小尺度螺旋雨带明显减弱，浙东北地区降水也明显减少。可见，台风接近陆地时，会与地形发生复杂相互作用，影响其内部中小尺度系统结构和演变，引起降水异常变化。其次，杭州湾水体和浙江东北部的土地类型也对此次大暴雨起了一定的作用。大暴雨期间，台风灿鸿一直维持较强的对称性，具有典型的眼墙和暖心结构特征。