中国是世界上受台风影响最严重的国家之一,平均每年约有7个台风在我国登陆,登陆地点主要集中在华南及华东南部沿海地区。台风对中国影响的最重要方面是其所带来的强降水,但在台风的研究和预报中,风雨强度的研究和预报虽已取得不少成果(王咏梅等,2008;许映龙等,2015;谢惠敏等,2016;Wang et al,2016),但相比台风路径预报,风雨预报仍然是台风预报的薄弱环节之一(钮学新等,2005a)。
台风暴雨不仅发生在台风登陆前后,在登陆后的2~3 d,在有利条件下,深入内陆的台风残余环流仍会产生暴雨或大暴雨,造成严重灾害(程正泉等,2009;任丽等,2013;周福等,2014;梁钊明和王东海,2015)。台风登陆后,影响降水的因素除了台风本身的路径、强度和大小外(刘爱鸣和高珊,2011),台风非对称结构(王瑾等,2007)、地形(梁旭东等,2002;陈俊等,2017)、螺旋雨带发展(余贞寿等,2009)、水汽输送(李英等,2005)、大陆前期热力条件(钮学新等,2005b)、海岸线分布、中低纬系统的相互作用(郭荣芬等,2013;刘建勇等,2014;梁军等,2015)等都会影响台风暴雨的强度和分布特征。
针对台风降水的非对称特征及成因,国内外学者已开展了很多研究工作(陈联寿等,2004;周玲丽等,2011)。孙力等(2015)、岳彩军和曹钰(2014)通过数值模拟研究指出,台风登陆后的强降水主要集中在台风西北侧的能量锋区附近。垂直风切变(Frank and Ritchie, 1999;DeMaria,1996)和台风的移动均能造成台风暴雨的非对称分布(Corbosiero and Molinari, 2003;Bender,1997),强降水易在台风移动路径右侧产生。
地形对登陆台风降水的时空分布特征也有明显影响(杨仁勇等,2013;刘少军等,2011;段晶晶等,2017)。华东沿海的地形抬升作用有利于台风东侧对流的产生和加强(朱佩君等,2010)。在地形的强迫增幅作用下,强降水落区经常与地形走向或地形坡度具有较好的对应关系(冀春晓等,2007;黄新晴等,2015)。
螺旋雨带是台风降水的重要特征之一。台风环流中的风场结构水平分布不均匀导致垂直涡度的径向梯度,从而引起涡旋罗斯贝波,涡旋罗斯贝波的叠加和传播是造成螺旋雨带的原因之一(邓莲堂等,2004;康建伟等,2007)。螺旋雨带的发展能够把台风暴雨组织和传播到很远的距离,是台风暴雨预报的难点所在(李英等,2007;朱佩君等,2005)。王勇等(2010)对台风海棠的研究指出,螺旋雨带的非对称结构与水平风场的不均匀分布有关,高低层垂直切变风的辐散场有利于螺旋雨带低层辐合上升运动的发展。
1513号台风苏迪罗于2015年8月7—11日影响我国,造成11个省(市)出现了暴雨、大暴雨天气。中央气象台(NMC)针对“苏迪罗”强降水过程的预报服务工作总体来说较为成功,但由于登陆后第二天台风暴雨分布较分散,给预报带来很大难度,定量降水预报(quantitative precipitation forecast, QPF)准确率下降。本文将对此次台风暴雨过程进行QPF检验及诊断分析,并对台风登陆次日QPF准确率下降问题进行探讨,总结预报着眼点。
1 资料选取本文的台风降水观测包括国家级观测站和自动站观测降水。QPF检验中,预报员主观预报为NMC 08时(北京时,下同)对外发布的24 h QPF;数值模式检验为欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,以下简称EC)细网格模式,T639全球模式及美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)模式前一日20时起报的36 h预报。在对台风登陆次日分散性暴雨成因的诊断分析中,选用了东南沿海地区雷达拼图资料,地面自动站观测资料及NCEP 6 h间隔、1°×1°的全球再分析资料(Final Operational Global Analysis,FNL)等。
2 台风暴雨过程和QPF检验 2.1 台风暴雨过程2015年第13号台风苏迪罗于西北太平洋洋面生成后以西北路径向我国沿海靠近,8月8日早晨在台湾登陆,22:10在福建莆田再次登陆,登陆时中心附近最大风力为13级(38 m·s-1),中心最低气压为970 hPa(台风级别)。登陆后,“苏迪罗”由西北转向偏北方向移动,强度逐渐减弱,9日夜间减弱为热带低压,10日下午在安徽境内减弱为低压环流。受“苏迪罗”影响,8月7日08时至11日08时,11个省(市)出现了强降水天气(图 1a),其中,浙江中南部、福建东北部、江西西北部、江苏中南部及安徽东部等地过程累积雨量普遍达100 mm以上,局地超过300 mm(福建周宁为467.9 mm,浙江括苍山为372.7 mm,江苏大丰为353.5 mm,江西庐山为441.2 mm)。
台风登陆过程中(8月8日08时至9日08时,D1),已具有明显的非对称结构,台风北侧和东侧的风速较大(图 2a);强降水比较集中(图 1b),主要位于台风移动路径的右侧(浙江南部和福建东北部)。台风登陆后第二天(8月9日08时至10日08时,D2),非对称性加强,结构变得松散,中心气压迅速上升,风速减小,等位势高度线变得稀疏,台风北侧为强偏东风急流(图 2b)。受其影响,D2台风本体降水较弱,中心附近(福建西部、江西东部)仅为中到大雨,局地暴雨;但台风外围的北侧和东部沿海地区出现了较强的暴雨、大暴雨天气(图 1c)。10日,台风北侧高压坝东退入海,台风沿高压系统左侧偏南引导气流北上,与中纬度系统逐渐接近,台风外围环流与北方回流冷空气间的相互作用(图 2c)导致台风登陆后第三天(8月10日08时至11日08时,D3),给苏皖地区带来了强降水,其中江苏中部出现了大暴雨、局地特大暴雨(图 1d)。
对比台风影响过程的逐日降水(图 1b~1d)发现,D1和D3暴雨空间分布均比较集中,但D2的暴雨则非常分散。从降水强度上看(图略),虽然D2的大暴雨和特大暴雨站点数较D1略有减少,但其大雨和暴雨的站点数却明显高于D1和D3。台风登陆次日,暴雨仍然很强,暴雨站点分布非常分散,这给QPF带来很大挑战。
2.2 定量降水预报检验为定量检验台风降水预报,图 3给出了NMC预报员与数值预报模式(EC,T639,NCEP)的逐日暴雨、大暴雨预报TS评分。对于D1及D3的强降水,预报员和各家数值模式均有较好表现,其中预报员的暴雨TS评分分别达0.43和0.52,大暴雨TS评分分别达0.47和0.49;各家模式的暴雨TS评分在0.44~0.56,大暴雨TS评分在0.32~0.67。但对于D2的分散性暴雨,各家数值模式的TS评分均较D1和D3出现显著下降(图 3),其中暴雨TS评分仅有0.11~0.23,有些大暴雨TS评分甚至低于0.07。预报员对D2的暴雨和大暴雨预报评分虽然较数值模式有所提高,但与D1和D3相比,预报评分下降十分显著。对于分散性强降水数值模式往往把握较差,除上述全球模式外,中尺度模式和集合预报系统等对D2的暴雨预报也均出现了较大偏差(图略)。面对数值模式的偏差及暴雨的分散性,预报员对D2暴雨的预报订正难度较大,QPF评分也出现了下降。
预报员24 h QPF误差的空间分布显示(图 4a),其对安徽南部、福建东北部及浙江东南部沿海的强降水把握较好,但在浙江北部出现了暴雨漏报,在浙江西南部、福建西北部和江西东北部等地出现了暴雨、大暴雨空报(图 4a)。对比EC模式预报(图 4b),两者误差分布整体较相似,但预报员在EC基础上有一些较好的订正,如预报员将浙江东南部和福建东北部沿海的降水量级调大,其对台风东侧的强降水把握明显优于EC;此外,预报员将台风北侧的暴雨范围扩大,抓住了安徽东南部的暴雨点,减少了暴雨漏报。尽管这些订正提高了暴雨和大暴雨评分,但其仍存在较大误差,下文将对此次分散性暴雨的成因进行探讨。
天气尺度环流形势演变显示,“苏迪罗”登陆我国大陆前,500 hPa上中高纬地区为两槽一脊形势,我国大陆上淮河以南的广大地区受均压场控制。在台风系统北侧,副热带高压呈带状分布,形成一个高压坝。台风在海洋上以西偏北路径向我国大陆靠近,同时也向带状副热带高压逼近,副热带高压南侧与台风之间的等位势高度线变得越来越密集,在台风北侧逐渐有强东风急流发展,与此同时,由于我国大陆中纬度地区前期处于均压场控制,台风西侧的等压线相对稀疏,从水平风场看,强风速区基本位于台风环流的北侧,而台风中心和西南侧的风速则相对较弱(图 2a,图 5a)。台风北侧的偏东风急流从海洋上带来较强的水汽输送,导致动量、热力高值区均不断在台风北侧发展;而台风西侧和南侧为偏北和偏西风控制,水汽输送很弱(图 5d),这一区域的动量和热力条件均较弱,台风环流的非对称性进一步加强。
925 hPa的水平散度分布显示(图 5b),台风北侧和东侧存在两条强辐合带,台风中心由于气旋性环流明显,速度场上也表现为很强的低层辐合,但对流层高层的辐散场上台风中心附近则没有很好的高空辐散相匹配,高空强辐散区主要位于台风北侧及东部沿海地区(图 5c)。而从水汽条件上看,台风中心附近从登陆后始终没有明显的水汽输送,卫星云图(图略)上也显示,台风中心附近的云系非常弱。较强的水汽条件同样位于台风北侧和东侧。因此,受环境场及台风非对称结构的影响,在台风北侧和东部沿海地区,既有有利的动力条件,也有较好的水汽输送,而台风中心附近以及台风环流西南侧的水汽和动力条件均较差,从而导致D2的强降水主要位于台风北侧及东部沿海地区(图 1c)。此外,东北地区有东北冷涡活动(图 2),槽后偏北风有利于冷空气或干空气从东路南下,在台风北侧存在明显的露点锋(图略),也有利于台风北侧强降水的产生。
3.2 台风暴雨不均匀分布成因 3.2.1 动力条件的非均匀分布在8月9日白天,尽管有利降水产生的动热力和水汽条件均位于台风北侧,但其分布并不均匀。台风东北象限对流层低层(925 hPa)两条强辐合带之间(28°~29°N、118°~120°E)为辐散区,相应200 hPa这一区域为弱辐散或辐合区。不管是对流层低层的辐合带还是对流层高层的辐散区均在28°~29°N、118°~120°E(以下称为弱动力条件区)出现了断裂(图 5b,5c),因此该区域的动力条件较差、降水较弱。此时台风的中心位置位于26.8°N、116.8°E,弱动力条件区位于台风中心的东北侧。
图 6给出了9日14时,沿118°E的水平风速、散度及垂直速度的垂直结构。从图中可以看出,27°N附近在700~800 hPa出现了风速大于16 m·s-1的较强风速带;31°N在850 hPa附近水平风速超过了22 m·s-1, 强风速带十分明显。而在两个强风速带之间的28°~29°N附近风速则相对较弱,对应着垂直下沉运动。对流层低层具有两个强辐合中心,分别位于850 hPa、27.5°N和800 hPa、31°N,分别对应着左右两个中尺度强风速带,而两个急流核之间的区域辐合相对较弱,这与以往台风暴雨研究中的对流层低层强风速带和台风外围雨带的对应关系(王勇等,2008;周海光,2010)相一致。在对流层高层,中纬度高空急流核位于37°N附近,高空急流向南延伸至台风北侧。受低层辐合特征的影响,26°、30°和32°N均有垂直上升运动发展,而对流层低层(700~900 hPa)两条辐合带之间的28°~29°N则为下沉运动,其动力条件较差,降水强度明显弱于其他地区。此外,对于近地面层(900~1000 hPa),由于台风中心位于26.8°N,因此26°~28°N附近受台风眼下沉运动的影响也存在着较强的下沉运动。
预报员在预报时,考虑到台风环流中心的破坏和非对称性的发展,增强了台风北侧的降水强度和强降水范围,取得了较好的订正效果。但是,对于台风东北象限动力条件的非均匀性分布考虑明显不足,对两条强辐合带间的相对风速较弱、辐合条件较差的下沉运动区没有预估能力,因此造成了在浙江西南部、福建西北部、江西东北部出现了较大范围的暴雨、大暴雨的空报。
3.2.2 螺旋雨带发展及地形作用华南沿海地区的雷达拼图显示(图 7),8月9日08时,浙江东南部沿海地区有较强回波(图 7a),且回波沿切向方向不断发展,逐渐形成一条明显的螺旋雨带(图 7b)。螺旋雨带在9日11时位于浙江中南部到安徽南部、江西北部之间(图 7b)。到9日16时,雨带开始北推,浙江南部的强回波消失,浙江东部沿海到浙江北部地区有强回波发展,并一直持续到10日00时(图 7d~7f),造成了浙江北部的暴雨。从雷达拼图的演变看,浙江东部偏中沿海地区不断有强回波产生,并沿切线方向发展,该地的强回波从9日08时至10日00时共持续了16 h。
强回波不断在浙江东部偏中沿海地区产生,表明该地区具有明显的对流触发机制。图 8给出了浙江东部沿海地区的地形分布及自动站观测地面风场和1 h累积降水量。由图可见,在洪家—台州为一条地势相对较低的山谷,其东侧为台州湾,南北两侧则是括苍山和天台山山脉,山脉之间的山谷地区因地形强迫作用,在台风东北象限的有利动力条件下,不断有地面辐合线发展维持(辐合线南侧为东南风,北侧为偏东到偏北风),导致强降水不断在上述地区产生(图 8)。9日16时,强降水位于山脉间的喇叭口地形处,最大小时雨强达58 mm·h-1。受螺旋雨带发展的影响,山谷地形的下游地区也有较强降水产生,沿台风北侧形成一条螺旋雨带(图 8a)。
针对台风螺旋雨带的理论和数值模拟研究均指出,螺旋雨带的形成与涡旋罗斯贝波有关,涡旋罗斯贝波是一种频散波,其能量会不断向外围扩散,因此螺旋雨带在形成后,会一边围绕热带风暴中心做反时针旋转,一边向外扩展(朱佩君等,2005;余志豪,2002)。8月9日22时,山谷地区受地形强迫影响,依然有强降水被激发,但下游地区的强降水已经北推至杭州湾南岸宁波与绍兴之间,同时925~500 hPa东南风向内陆推进,东南风与西南风构成的辐合线向北推进,东南风与东北风构成的辐合线向西推进(图 8b)。卫星云图显示(图略),位于浙江北部122°E的次螺旋雨带中心在9日15时位于29.9°N,到21时,其向北推进至31.2°N,两者相差1.3°,而台风中心在此阶段则由26.9°N移到27.9°N,北移了1°,其值小于螺旋雨带北推的距离(1.3°),说明螺旋雨带的北推是台风北移与螺旋雨带向外能量扩散共同造成的,这与朱佩君等(2005)和余志豪(2002)的结论相同。
预报员在制作预报时,考虑到地形的增幅作用并结合前期经验,在浙江沿海地区提高了降水量级,对EC预报做出了较好订正,抓住了浙江东部沿海的暴雨和大暴雨点(图 4)。但是,预报员没有考虑到降水沿切线方向螺旋雨带的发展以及螺旋雨带的北扩,因此对于地形下游地区浙江北部的强降水预报把握不足,出现了强降水的漏报。
4 预报着眼点台风登陆次日,本体降水减弱,暴雨较分散,且影响因素十分复杂,如台风的非对称结构、动力结构的非均匀性、地形及螺旋雨带发展等均会影响强降水,导致数值模式表现较差,预报员订正难度较大。在东风急流背景下,分散性强降水预报要特别关注台风东北象限风场的中尺度结构特征、浙江东部沿海的地形增幅作用以及台风外围螺旋雨带的发展演变和低层辐合线的变化。
图 9总结了“苏迪罗”登陆次日的强降水与影响系统概念图。台风登陆后,环流结构的非对称性增强,台风东北侧对流层低层为较强辐合,高层为强辐散,配合偏东风气流的水汽输送作用,其动力条件和水汽条件均有利于强降水的产生;而台风中心到西南象限动力条件和水汽条件均较差,不利于强降水的产生(图 9a)。台风东北象限风场结构存在非均匀性,有中尺度急流核发展,低层动力场表现为两条分隔的强辐合带,两条辐合带之间为弱辐散和下沉运动区(图 9a)。因此台风东北象限的强降水分布也不均匀,两条辐合带伴随着较强降水,而之间区域降水则较弱。随着台风北上及螺旋雨带的向外频散,一方面地形不断在浙江东部沿海诱发对流系统,并沿切线方向发展为螺旋雨带;另一方面雨带逐渐向外围扩散,导致浙江北部的强降水(图 9b)。此外,在D2后期,东北地区的冷槽系统增强南压,低层回流冷空气沿偏东风与台风外围环流结合,促进了低层锋生,更有利于台风北侧降水的发展。
预报员在制作定量降水预报时,不仅要考虑台风本体降水的减弱及东北象限降水的增强,更要关注台风北侧的风场中尺度精细结构,分析螺旋雨带的发展和演变规律,细化降水落区分布。此外,在地形的降水增幅作用外,还要注意降水沿切向方向螺旋雨带的发展以及雨带向外围的扩散,关注对流层低层辐合条件及地面辐合线的演变。
5 结论本文利用常规气象观测数据,雷达、卫星资料,FNL分析数据及各家数值模式和NMC的QPF数据等对1513号台风苏迪罗的降水特征及预报检验进行了分析,并针对台风登陆次日的分散性强降水成因及预报误差原因进行了探讨,总结了分散性强降水的预报着眼点,主要结论如下:
(1) “苏迪罗”登陆次日,台风本体降水减弱,强降水非常分散。各家数值预报模式均出现了预报评分显著下降的情况。预报员QPF虽然对数值模式做出了较好订正,但其仍然存在较明显误差,预报评分较D1和D3下降显著,显示出对分散性强降水的预报把握能力较差。
(2) 环境流场导致台风非对称结构的发展,台风东侧和北侧对流层低层为较强辐合,配合高层辐散和较强水汽输送,有利于强降水的产生;而台风中心及西南象限动力、水汽条件均较差,降水较弱。台风东北象限风场具有非均匀性,对流层低层为两条强辐合带,其间为弱辐散和下沉运动区。预报员对风场中尺度结构演变缺乏有效判断,且对台风中心附近的降水存在高估,因此在江西东北部、福建西北部和浙江西南部出现了暴雨、大暴雨的空报。实际预报中要密切关注中尺度模式的风场演变、雷达回波螺旋雨带的发展以及台风中心的填塞,根据中尺度风场辐合带,结合雷达雨带外推,细化强降水落区。
(3) 地形对台风降水有明显增幅作用。浙江沿海山脉地形附近不断有强降水产生,并沿切线方向发展为螺旋雨带,随后向北推进。预报员成功调大了浙江沿海山脉地形附近的降水,但对降水沿螺旋雨带的发展和向外围的扩散把握不足,从而导致浙江北部暴雨漏报。在预报中,预报员面对地形对降水的作用不能仅调大降水强度,更要详细分析对流层低层切变线的发展特征,分析雷达回波中雨带的演变规律,对雨带的精细落区进行把握。
(4) 对于台风登陆次日分散性强降水的预报关键点为:台风的非对称性、风场结构的非均匀性、地形作用以及螺旋雨带的发展等。特别是螺旋雨带的发展、演变,决定了强降水的具体落区位置。预报员往往能预估到螺旋雨带的出现,但对具体螺旋雨带会在距离台风中心多远处发展、螺旋雨带的宽度如何、两条螺旋雨带间的距离以及螺旋雨带的影响因素等问题目前还缺乏理论认识和预报方法,有待于进一步的研究工作。
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