从靖, 主要从事天气预报技术研究.E-mail:
基于强降水发生的物理机制, 采用“配料法”综合动力、水汽、不稳定物理诊断参数, 构建了综合强降水指数THWC(temperature, helicity and water condensation)。运用NCEP/NCAR再分析资料计算THWC指数, 对2018年第14号台风摩羯北上影响海河流域期间进行诊断分析, 结果表明, THWC指数对未来6 h台风偏北侧暴雨区分布及中心量级预报准确。选取2012-2018年影响流域的北上台风个例, 进行普适性检验表明:标准化后的ZTHWC指数更具有普适性, 解决了THWC指数对暴雨中心量级预报可能出现的不稳定性问题; ZTHWC指数与未来6 h的台风中心暴雨落区及中心量级大小均具有较好的对应关系, 且北上台风环流越完整, 两者的吻合度越高, 因此可以将ZTHWC指数作为北上台风暴雨的定量预报指标。
Based on the physical mechanism of heavy rain occurrence, a new heavy rain index THWC (temperature, helicity and water condensation) was constructed by using the ingredients based method to diagnose the dynamic, water vapor and unstable conditions signals. The THWC index calculated with NCEP/NCAR reanalysis data was used to diagnose the northward-moving Typhoon Yagi (No.14 in 2018) affecting Haihe River Basin. The results indicated that the THWC index is accurate for forecasting the northerly rainstorm location of typhoon and the center magnitude in the following 6 hours. Then the universality of THWC index was tested according to the northward-moving typhoons affecting Haihe River Basin during 2012-2018. The results showed that the standardized ZTHWC index is more universal than the THWC index, and it has solved unstable problem of THWC index in forecasting quantitative prediction of the central precipitation magnitude. The ZTHWC index has a good correspondence with the main rainstorm location near typhoon center and the central precipitation magnitude in the following 6 hours. The more integrated the atmospheric circulation of northward-moving typhoon is, the better coincidence between ZTHWC and the typhoon main rainstorm area is. Therefore, the ZTHWC index can be used as a quantitative index for forecasting the main rainstorm of the northward-moving typhoon.
台风是影响中国的主要灾害性天气系统之一,其登陆后的灾害往往是由台风暴雨引发的(
天气形势演变为暴雨提供了大尺度背景场,而暴雨的发生则取决于降水的内在物理机制(
上述这些常用的物理量基本上是基于空间某一或某几个气压层的定性诊断分析,而究竟哪一层对台风暴雨具有强指示意义,该物理量能否预报出暴雨的强度量级等问题仍有待研究。因此基于暴雨形成机理,分析暴雨发生的动力、热力、水汽因子的配合和空间结构演变(
海河流域地处华北平原(
海河流域及河系分区
Haihe River Basin and its partition
大气是一种非线性系统,降水的形成与大气环流背景及其物理参数关系十分密切(
大气不稳定条件包括热力不稳定和动力不稳定。
热力不稳定也称静力不稳定或层结不稳定,大多数热力不稳定属于“潜在不稳定”,当没有释放机制存在时,这种不稳定没有意义(
该热力不稳定度参数具有明确的物理意义,
从运动学的观点来看,旋转的流体有利于能量的维持,对风暴的发展与维持起到了积极作用。在对流层低层几千米内(一般指3 km),相对于风暴的风向随高度顺转是风暴旋转发展的关键因子,风暴相对螺旋度
式中:
降水产生的直接原因是由充足的水汽和垂直运动共同作用的结果,而水汽凝结量既是水汽辐合上升的结果产物,又是产生降水直接物质来源。因此,文中引入单位时间的水汽凝结量即水汽凝结率(WC)作为综合诊断水汽和垂直运动的物理参量,推导过程如下:
假设单位时间内,一个底边长为Δ
将静力平衡公式Δ
若取上式中物理量单位:
取底边边长Δ
单位为g·s-1·cm-2·hPa-1。
引入凝结函数
式中:
由于只有湿空气上升达到饱和时才会发生凝结,所以引入系数
式中:当
将式(7)代入式(5),则单位体积内水汽凝结率
由于凝结函数
从式(8)可以看出,水汽凝结率可以综合反映湿绝热系统的垂直运动、水汽以及凝结潜热释放热信息。而台风的发展维持是大尺度运动与积云对流相互作用的结果,即积云对流释放的凝结潜热提供驱动大尺度运动所需的热能,而大尺度扰动又产生发生积云对流所需的湿空气辐合(
本文采用“配料法”,取降水发生三要素:动力、水汽、不稳定的“交集”进行构建,将热力不稳定参数即
本文所使用的降水实况资料来自于中国气象局下发MICAPS系统逐小时加密自动站资料。首先将逐小时加密自动站降水量资料处理为08—14、14—20、20—02和02—08时逐6 h累积降水量资料,并采用Cressman方法将流域内(32°~43°N、112°~120°E)降水站点资料插值到0.05°×0.05°网格点上。
u,
本节首先采用NCEP再分析资料计算THWC指数并检验其在2018年第14号台风摩羯中的应用效果,然后选取2012—2018年所有影响海河流域的北上台风个例,采用空间相关分析、闭合中心极值对比的方法检验其普适性。
2018年14号台风摩羯于8月8日14时生成,并于12日23:35前后在浙江省温岭沿海登陆并继续北上,14日早晨开始影响海河流域。08时(
2018年8月14日08时(a),14时(b)500 hPa高度场(黑线,单位:dagpm)、850 hPa风场以及滞后6 h后海河流域降水分布(填色)
The 500 hPa geopotential height (black lines, unit: dagpm), 850 hPa wind and distribution of rainfall (shaded area) in Haihe River Basin during following 6 h at (a) 08:00 BT and (b) 14:00 BT 14 August 2018
诊断分析14日08—14时台风中心偏北侧的暴雨区(
2018年8月14日08—14时6 h降水量分布(填色)及剖面切线位置(黑实线)
Distribution of rainfall (shaded area) from 08:00 BT to 14:00 BT 14 August 2018 and the location of cross-section lines (black solid lines)
2018年8月14日08时沿台风暴雨中心切线A剖面(
Vertical cross sections of line A (The bold black line is the red line in
分析倒槽切变线顶端的暴雨区剖面(切线B)可以看到,位于118°E附近以及119°E附近两个暴雨中心上空的动力、水汽、不稳定条件远远小于台风中心附近暴雨区。118°E附近暴雨区除近地层950 hPa以下有较强的水汽通量辐合及
同
Same as
引入基于动力、水汽、不稳定条件构建的新型强降水指数THWC对暴雨区进行诊断分析,THWC指数及各组成物理量分布特征如
2018年8月14日08时海平面气压场(黑线, 单位:hPa)、物理量(粉线)与滞后6 h降水量分布(填色)
Distributions of sea level pressure (black line, unit: hPa), physical parameters (pink line), and distribution of rainfall (shaded area) in Haihe River Basin during the following 6 h at 08:00 BT 14 August 2018
但是值得注意的是对于滦河及北三河下游的台风倒槽顶部暴雨区,尽管组成THWC指数的物理量均有一定的反映,但其物理量中心区位置及强度与两个暴雨中心偏差较大,这说明对于具有明显的南风与东北风辐合、存在冷空气侵入破环台风环流的地区(
2018年8月14日08时假相当位温(实线, 单位:K)及温度平流(填色)剖面(a)沿台风北侧暴雨中心切线A剖面, (b)沿倒槽暴雨中心切线B剖面
Vertical cross sections of
北上台风作为影响我国北方沿海地区的重要天气系统,20世纪末期以来有明显增多的趋势(
强降水指数THWC(ZTHWC)及其各组分与滞后6 h降水分布空间相关系数
The spatial correlation coefficients between heavy rain THWC index (ZTHWC) and its component and precipitation in the following 6 h
台风 | 时间(年-月-日-时) | 风暴相对螺旋度 | 整层最大水汽凝结率 | THWC指数 | ZTHWC指数 | |
**表示空间相关系数通过0.05的显著性水平检验。 |
||||||
1810 |
2018-07-24-02 | 0.64** | 0.57** | 0.72** | 0.76** | 0.74** |
2018-07-24-08 | 0.71** | 0.59** | 0.77** | 0.70** | 0.69** | |
1814 |
2018-08-14-08 | 0.56** | 0.50** | 0.71** | 0.66** | 0.64** |
2018-08-14-14 | 0.48** | 0.61** | 0.52** | 0.72** | 0.72** | |
1818 |
2018-08-19-08 | 0.52** | 0.28** | 0.58** | 0.32** | 0.31** |
2018-08-19-14 | 0.36** | 0.22** | 0.55** | 0.23** | 0.21** | |
2018-08-19-20 | 0.67** | 0.49** | 0.79** | 0.66** | 0.63** | |
1710 |
2017-08-02-14 | 0.22** | 0.24** | 0.13** | 0.24** | 0.23** |
2017-08-02-20 | 0.35** | 0.32** | 0.38** | 0.32** | 0.30** | |
2017-08-03-02 | 0.73** | 0.79** | 0.73** | 0.59** | 0.56** | |
1210 |
2012-08-03-14 | 0.37** | 0.49** | 0.41** | 0.59** | 0.62** |
2012-08-03-20 | 0.55** | 0.39** | 0.63** | 0.47** | 0.46** | |
2012-08-04-02 | 0.53** | 0.51** | 0.86** | 0.60** | 0.59** |
但值得注意的是THWC指数与少数台风暴雨区分布空间相关性相对较小,其中1813号“温比亚”8月19日08时、14时以及1710号“海棠”8月2日14时和20时,THWC指数与降水分布虽然具有一定的显著正相关性,但空间相关系数很小,仅在0.3左右(
文中对比THWC闭合中心值与滞后6 h强降水区中心最大降水值,探究THWC指数对台风暴雨区强度的预报指示作用(
强降水指数THWC(ZTHWC)闭合中心最大值及滞后6 h降水中心值
The max value of closed center in THWC index (ZTHWC) and precipitation centre in the following 6 h
台风 | 时间 |
滞后6 h |
滞后6 h |
THWC闭合中心最大值/ |
ZTHWC闭合中心 |
1810 |
2018-7-24-02 | 大清河至滦河下游地区 | 137.0 | 71.5 | 137.7 |
2018-7-24-08 | 滦河及北三河中下游 | 127.7 | 695.6 | 136.9 | |
1814 |
2018-8-14-08 | 徒骇马颊河中上游 | 172.0 | 162.4 | 200.2 |
2018-8-14-14 | 漳卫南运河下游 | 297.6 | 250.6 | 189.9 | |
1818温比亚 | 2018-8-19-20 | 徒骇马颊河下游 | 145.2 | 830.6 | 232.9 |
1710海棠 | 2017-8-3-02 | 滦河下游 | 188.5 | 1142.6 | 215.7 |
1210达维 | 2012-8-3-14 | 徒骇马颊河下游 | 159.3 | 11.6 | 190.4 |
2012-8-3-20 | 滦河下游 | 162.3 | 159.2 | 328.2 | |
2012-8-4-02 | 滦河下游 | 191.0 | 170. 9 | 207.4 |
式中:
分析标准化的强降水指数ZTHWC可以发现,对于1814号台风摩羯暴雨,ZTHWC分布与滞后6 h的降水落区分布基本重合(
2018年8月14日08时(a)和14时(b)海平面气压场(黑线,单位:hPa)、ZTHWC指数(粉线)与滞后6 h降水量分布(填色)
Distributions of sea level pressure (black line, unit: hPa), ZTHWC index parameters (pink line) and rainfall (shaded area) in Haihe River Basin during the following 6 h at 08:00 BT (a) and 14:00 BT (b) 14 August 2018
基于降水发生的动力、水汽、不稳定三要素,采用“配料法”构建综合强降水指数THWC,并运用THWC指数对2018年8月13—14日北上影响海河流域的台风摩羯进行了诊断分析;最后选取2012—2018年影响海河流域的5个北上台风,通过分析THWC指数与降水实况分布的空间相关性、闭合中心最大值差异检验THWC指数对台风暴雨落区、中心量级预报的普适性,得到以下几点结论。
(1) 水汽凝结率包含了湿空气垂直运动条件、水汽条件以及潜热能量交换信息,对于需要潜热释放维持环流的台风系统来说较为重要。而基于动力、水汽、不稳定三者“交集”构建的强降水指数THWC全面描述了台风暴雨发生前期的强信号,THWC指数中引入的最大水汽凝结率能侧重反映出台风发展特点,从理论上讲更适合描述台风暴雨的发生。
(2) 组成THWC指数的三个物理量中,最大水汽凝结率作为降水产生物质基础,对未来6 h的由北上台风造成海河流域产生降水的落区分布具有一定的决定作用;而THWC指数预报效果在一定程度上优于单一信号,其大值区与未来6 h降水落区具有显著的正相关性,对未来6 h环流完整的台风暴雨落区分布具有很好的预报指示作用,但对于有冷空气侵入的台风倒槽及残余台风环流造成的暴雨,预报性不强。
(3) THWC指数可以指示台风暴雨区中心量级大小,尤其可以定量预报台风摩羯未来6 h台风暴雨中心大小,但是对于其他个例普适性不强,其暴雨中心量级的定量预报稳定性差,易出现极端值;而标准化的ZTHWC指数较THWC指数稳定,在大多数情况下,对未来6 h的台风暴雨分布及中心量级大小均有较好的预报意义,且台风环流越完整,预报效果越好,因此ZTHWC指数可以作为北上台风暴雨落区及中心量级定量预报指标。
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