龍 園,萬雪麗 ,吳華洪,孔德璇,肖艷林

(1.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553000;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002; 3.貴州省氣象臺，貴州 貴陽 550002)

1 引言

針對我國東部及東北部地區(qū)臺風暴雨的研究在很久以前便已開展[1]，如程正泉等[2]研究表明，臺風登陸時的地形抬升和地面拖曳效應，以及飽和濕下墊面對于潛熱通量輸送、降水范圍和強度有重要影響，而臺風外圍氣流里產(chǎn)生的中尺度對流云團(MCC)是降水形成的直接系統(tǒng)[3-5]。許多專家學者[6-9]也開展了臺風西移對貴州帶來強降水天氣過程的研究，如周明飛等[7]對發(fā)生在貴州三次臺風(0104 號、0214號、1011號)暴雨過程進行了比較，發(fā)現(xiàn)0104號臺風受高壓壩的影響，臺風移速及強度衰減速度明顯偏慢，給貴州帶來了大范圍的暴雨天氣過程。隨著數(shù)值模式的發(fā)展，并應用于中短期天氣預報，尤其是在中小尺度天氣系統(tǒng)引起的極端強降水等方面取得了諸多研究成果[5,10-13]，如吳海英等[14]對臺風“海葵”倒槽特大暴雨進行的數(shù)值模擬，表明冷空氣從對流層中層侵入臺風倒槽，促進暴雨區(qū)及附近的中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展，引發(fā)了江蘇省局地的特大暴雨天氣。戴竹君等[15]利用軌跡模式對熱帶風暴“Bilis”的水汽輸送特征進行模擬發(fā)現(xiàn)，索馬里和80～100°E越赤道氣流的持續(xù)水汽補充有助于低壓環(huán)流在陸上長久維持。但當前模式的發(fā)展仍不能滿足日常業(yè)務中對于復雜天氣過程模擬的需求[16-17]。

因此，針對2014年9月16—18日發(fā)生在貴州中西部地區(qū)的臺風暴雨天氣過程，本文將在診斷分析的基礎上，采用中尺度模式(WRF)對其發(fā)生原因進行數(shù)值模擬，以期加深對此類臺風暴雨天氣過程形成機理的認識，進一步了解WRF模式在貴州臺風暴雨過程中的預報特點，對于加強模式產(chǎn)品的應用和促進模式的完善具有重要意義。

2 資料與方法

本文采用的資料包括：美國國家環(huán)境預測中心/國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)一日4次的FNL再分析資料，水平分辨率1°×1°；降水資料為貴州省88個地面觀測站的逐時降水資料及中國自動站與CMORPH[18]融合的逐小時降水資料，水平分辨率為0.1°×0.1°；臺風資料來源于中國氣象局上海臺風研究所整編的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集，包含熱帶氣旋每6 h一次的中心位置及強度。采用中尺度數(shù)值模式(WRF)[19]對臺風“海鷗”的演變及貴州降水進行模擬。

3 臺風“海鷗”過程特征及環(huán)流診斷分析

3.1 臺風“海鷗”概況

2014年第15號臺風“海鷗”于9月12日14時(除特別說明外，文中時間均為北京時)在菲律賓馬尼拉東偏南方向約1 090 km的西北太平洋洋面上生成，生成時強度為熱帶風暴，中心位置位于13.8°N，130.8°E，中心附近最大風力8級，風速18 m/s。生成后“海鷗”向西北方向移動且強度將逐漸增強，13日早晨加強為強熱帶風暴，下午加強成為臺風，15日穿過菲律賓島進入我國南海并逐漸向華南地區(qū)靠近。16日9時40分前后，“海鷗”在海南省文昌市翁田鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時中心風力達到42 m/s，中心最低氣壓為960 hPa，之后繼續(xù)向西偏北方向移動。至17日14時低壓中心位于22.9°N，102.8°E，中心氣壓998 hPa，風速15 m/s，減弱為熱帶低壓，中央氣象臺停止編號。

3.2 降水實況

受臺風“海鷗”影響，貴州中西部地區(qū)于9月16日20時左右開始出現(xiàn)強度較大的降水，此次降水過程一直持續(xù)到9月18日20時左右趨于結束。由圖1可見，此次過程貴州省48 h累計降水量呈西多東少的分布特征，強降水主要分布在貴州中部以西地區(qū)，且六盤水市南部、畢節(jié)市東南部以及黔西南州北部超過150 mm，普安縣境內(nèi)累計總降水量超過400 mm，而東部地區(qū)普遍在25 mm以下。

圖1 2014年9月16日20時—18日20時貴州中西部地區(qū)的過程降水量(單位：mm)及5個代表觀測站分布Fig.1 The observed accumulated 48-hourrainfall (mm) for 2000 BJT 16 to 2000 BJT 18 Sep 2014(units:mm)and the location of fives representative stations in middle-west Guizhou

為分析整個過程中逐小時降水的演變特征，從貴州中西部地區(qū)選取安順、納雍、盤州、仁懷、興仁等5個代表站，給出9月16日10時—18日20時共48 h逐小時降水量分布(圖2)。由圖2可見，強降水分2個時段，第1時段為16日20時—17日20時，此時段受臺風“海鷗”的直接影響時段，從12 h累計降水量可以看出，其最大值基本出現(xiàn)在17日20時前后，降水量呈快速增長趨勢，降水強度亦逐漸增強，這與臺風“海鷗”路徑穩(wěn)定、移動速度快、登陸強度強、降水強度大的特點相一致，此時段的降水持續(xù)時間長、局地性強；第2時段為17日20時—18日20時，臺風已經(jīng)減弱為熱帶低壓，對貴州影響有所減弱，但從降水演變圖中可看出，貴州西部維持較強降水，安順站的雨強在18日10時超過了11 mm/h(圖2a)，盤州站12 h累計降水仍然維持在85 mm左右(圖2c)，但強降水的持續(xù)時間不長。因此，在臺風對貴州的影響減弱之后的24 h內(nèi)，盡管強降水的持續(xù)時間相較第1時段明顯偏短，但貴州西部地區(qū)的降水仍維持，且最大小時雨強基本出現(xiàn)在第2時段，從而導致17日20時—18日20時產(chǎn)生了連續(xù)性的暴雨天氣。

圖2 貴州中西部地區(qū)代表站48 h(9月16日20時—18日20時)的降水時間序列(a，安順；b，納雍；c，盤州；d，仁懷；e，興仁)，空心柱為小時降水量(左側坐標)，實線為逐12 h累計降水，虛線為逐24 h累計降水(右側坐標)，單位：mmFig.2 The time-serial of rainfall(mm) of stations on mid-west Guizhou for 2000 BJT 16 to 2000 BJT 18 Sep 2014 (a,Anshun; b,Nayong; c,Panxian; d,Renhuai; e,Xingren), which columns are for hourly precipitation, solid and dashed lines are respective for cumulative precipitation by 12 hours and 48 hours

3.3 環(huán)流背景

降水發(fā)生前，貴州上空受副熱帶高壓控制，副高西脊點位于101°E附近，貴州大部地區(qū)維持多云天氣。位于中國東北地區(qū)的低渦西側偏北氣流逐漸引導中高緯冷空氣南下，16日08時冷鋒已到達長江中下游，由于受到西北行的臺風阻擋，此后冷空氣緩慢向南向西推進(圖略)。此時，臺風移至海南省文昌市附近時，副高東退，西脊點在110°E附近穩(wěn)定維持。17日02時臺風倒槽西移至貴州西部上空(圖3a)，倒槽東側的東南風在貴州形成明顯的風速輻合區(qū)，貴州西高東低的地形促使攜帶大量水汽的東南氣流在當?shù)剌椇蠀^(qū)沿地形抬升，為強降水的產(chǎn)生提供有利的動力條件[20]。17日08時500 hPa和700 hPa在貴州西部均有倒槽形成，倒槽東側向貴州的東南風呈風速輻合，有利于水汽在貴州中西部輻合產(chǎn)生較強降雨，同時貴州西高東低的地形特征，有利于倒槽東側的東南風沿地形抬升增強降雨(圖略)。

隨著臺風登陸繼續(xù)西進減弱，17日20時以后副高又西伸至110°E以西，貴州處于副高西北側西南氣流控制。同時，700 hPa在河套地區(qū)的切變東南移至四川東部，與臺風倒槽南北向疊加，形成貫穿貴州西部的南北向切變，此切變維持至18日08時(圖3b)，此時，地面冷鋒進入江南，貴州中北部的大部分地區(qū)已受到冷空氣影響，但臺風外圍的低空急流亦較前一時段有明顯減弱。隨著冷空氣的逐漸加強，地面準靜止鋒趨于消失，而貴州地區(qū)大氣低層冷鋒鋒區(qū)和大氣斜壓性得到增強[21-22]。因此，在17日20時以后，貴州西部地區(qū)降水的形成主要與副高西側及臺風尾流中的暖濕氣流跟地面冷空氣的相互作用有關。

圖3 2014年9月17日02時及9月18日08時高、低空環(huán)流形勢(細實線為500 hPa位勢高度，粗實線為700 hPa切變線及臺風倒槽，風向桿為700 hPa急流，箭頭為200 hPa急流，陰影區(qū)為500 hPa垂直上升區(qū))Fig.3 The upper- and lower-level synoptic weather pattern at 0200 BJT 17 Sep and 0800 BJT 18 Sep 2014. The solid lines are geopotential height at 500hPa (units:dagpm); the bold solid line is wind shear and typhoon troughat700hPa; the shaded areas are rise area at500hPa; the vectors and bars are separately the wind speed≥40m/s at 200hPa and≥12m/s at 700hPa

綜上所述，不同尺度天氣系統(tǒng)的持續(xù)影響是造成此次貴州中西部地區(qū)大范圍暴雨天氣產(chǎn)生的重要原因。前一階段是由臺風系統(tǒng)引發(fā)的持續(xù)性降水過程，而后一階段則是低層切變系統(tǒng)引導北方冷空氣南壓與副熱帶高壓外圍及臺風尾流中的暖濕氣流相互作用，從而引發(fā)的暴雨天氣。

3.4 水汽輸送特征

源源不斷的水汽供應是臺風形成強降水的重要條件，且臺風暴雨強度不僅與臺風強度有關，還與臺風變性、弱冷空氣的入侵等密切相關[23-25]。

為分析此次暴雨過程前后2個時段水汽來源的差異，給出了9月16日20時—17日20時、17日20時—18日20時過程平均的700 hPa水汽通量分布(圖4)。由圖4a可見，在強降水發(fā)生的第1時段，伴隨臺風外圍東北側的低空偏南急流，形成了一條自孟灣低壓向東跨越南海轉(zhuǎn)而進入西南及華南地區(qū)的水汽輸送帶，其中臺風中心東北側的水汽通量輸送高值中心超過了36 g·cm-1·Pa-1·s-1，該高值區(qū)與此時段內(nèi)臺風倒槽附近出現(xiàn)的強降水落區(qū)有較好地對應。而第2時段(圖4b)，隨著臺風逐漸減弱，之前自西向東的水汽輸送帶變?yōu)榕_風尾流中的西南氣流由中南半島、副高邊緣經(jīng)南海向內(nèi)陸地區(qū)輸送，且水汽通量強度減小至14 g·cm-1·Pa-1·s-1。

圖4 2014年9月16日20時—17日20時(a)、17日20時—18日20時(b)過程平均的700 hPa水汽通量(箭頭為水汽通量，陰影區(qū)表示水汽通量大于10 g·s-1·cm-1·Pa-1的區(qū)域)Fig.4 The vapor flux(vectors, units: g/(socmoPa)) at 700hPa which (a) is averaged from 2000 BJT 16 to 17 Sep 2014 and (b) is averaged from 2000 BJT 17 to 18 Sep 2014

4 數(shù)值模擬及結果分析

4.1 模擬方案設計

利用中尺度模式WRF(V3.5版本)，對此次由臺風及中低層切變系統(tǒng)共同造成的貴州中西部地區(qū)暴雨過程進行了數(shù)值模擬。模擬方案采用雙層嵌套，模擬中心為20.0°N、100.0°E(圖5)。粗網(wǎng)格(domain1)格距30 km，水平方向格點數(shù)368(x)×505(y)，范圍為9°S～49°N、46～153°E；細網(wǎng)格(domain2)格距10 km，水平方向格點數(shù)222(x)×304(y)，范圍為10～37°N、80～129°E；垂直方向為38層，頂層氣壓為20 hPa。模擬時段為2014年9月14日08時—20日08時，共144 h，積分步長90 s。

圖5 模式模擬選擇的雙重嵌套的網(wǎng)格范圍及區(qū)域內(nèi)的地形分布(單位：m)Fig.5 The distribution of double nested grid and the terrain in the model area(units:m)

前人的研究表明[23,26-29]，不同的物理參數(shù)化方案的選擇對模擬的結果具有重要的影響。因此，結合多次試驗的結果分析及對已有研究的總結，本次模擬微物理過程方案粗網(wǎng)格采用Kessler(暖雨)方案，細網(wǎng)格采用Ferrier(newEta)微物理方案；長波輻射方案采用RRTM方案；短波輻射方案采用Dudhia方案；近地面層(surface-layer)方案采用Monin-Obukhov方案；陸面過程方案采用Noah方案；邊界層方案采用YSU方案；積云參數(shù)化方案粗網(wǎng)格采用淺對流Kain-Fritsch (newEta)方案，細網(wǎng)格采用Grell-Devenyi集合方案。

4.2 臺風模擬對比

圖6給出了臺風“海鷗”移動路徑及強度的模擬結果與實況對比。由圖6a可見，在16日20時之前，盡管模擬出的臺風中心和移動路徑與實況相比略有偏差，但均朝著西北偏西方向移動，兩者平均距離相差90 km，最大偏離距離137 km，最小僅相差51 km，16日20時之后，臺風移動路徑及中心與實況基本一致。從強度的演變上來看(圖6b)，模擬的強度在16日20時之前較實況偏弱，之后則比實況偏強，但臺風強度變化趨勢較為一致。此外，模擬的臺風減弱速度比實況稍慢，這可能與臺風登陸后客觀分析對臺風強度的描述偏弱有關。總體看來，WRF模式對此次臺風的路徑和中心強度模擬效果較好。

圖6 2014年15日08時—17日14時的臺風路徑(a)與強度(b，單位：hPa)的模擬結果與實況對比Fig.6 The time-serial of simulation results and observation of typhoon track(a) and intensity(b, units:hPa) from 0800 BJT 15 to 1400 BJT 17 Sep 2014.

4.3 降水量模擬對比

為探討WRF模式對于此次強降水過程的模擬效果，給出9月16日20時—17日20時和17日20時—18日20時的24 h累計降水量的實況分布和數(shù)值模擬。9月17日20時的24 h累計降水(圖7a、圖7c)顯示，第1時段的強降水落區(qū)與實況均存在較為分散的特點，基本位于貴州南部及中部偏西的部分地區(qū)；但模擬出的降水中心位于黔西南州中部，其中心值為100 mm左右，無論是降水中心強度還是大雨以上量級的降水范圍與實況相比均存在一定的差距，這可能與WRF模式的模擬方案對于臺風的描述不夠精確有關；但模式仍體現(xiàn)出該時段貴州的降水呈現(xiàn)東北少西南多的分布特征，并在一定程度上反映出了貴州西部存在強降水中心的事實。18日20時的24 h累計降水的實況及模擬可見(圖7b、圖7d)，實況的強降水范圍比第1時段24 h更為集中，暴雨以上級別的降水主要集中六盤水市、畢節(jié)市東南部，且超過100 mm的強降水范圍比第1時段大；而模擬降水的分布與實況相比，強降水中心強度依舊偏弱，其中心值為50 mm，但降水大值區(qū)域的分布與實況基本吻合，即主要集中在貴州西部地區(qū)，且反映出強降水中心在六盤水市中部。

圖7 實況觀測(a、b)與模擬(c、d)的9月17日20時(a、c)及9月18日20時(b、d)24 h累計降水分布，單位：mmFig.7 The observed (a、b) and simulated(c、d) accumulated 24-hour rainfall (units: mm) of 2000 BJT17(a、c) and 2000 BJT 18 Sep 2014 (b、d)

綜上所述，2個時段的累計降水模擬值均小于實況觀測值，且第1時段模擬的強降水中心及范圍與實況存在一定的偏差，這可能與模式地形精度同實際地形有所差異以及對臺風模擬效果不夠精確有一定的關系。但總體上仍反映出了貴州降水呈西多東少的分布特征。

4.4 水平風場模擬分析

相對螺旋度在一定程度上能夠反映低空急流對強降水的作用[26]。本文對東亞地區(qū)700 hPa的流場及相對螺旋度進行模擬分析，9月16日20時(圖8a)，700 hPa臺風中心位于廣西與越南交接處，貴州處于臺風外圍偏東氣流的影響，相對螺旋度大值區(qū)位于臺風北側的倒槽附近，數(shù)值超過了800 m2/s2，螺旋度的大值區(qū)與強降水落區(qū)有較好的對應。對于臺風而言，相對螺旋度亦能反映臺風周邊地區(qū)低層水汽的輸送狀況，說明貴州南部地區(qū)在16日20時已具有較為充足的水汽輸送，為后續(xù)的強降水的持續(xù)提供了有利的水汽條件。18日08時(圖8b)，臺風流場有所減弱，相對螺旋度亦有明顯的降低，表明后期降水的水汽輸送有所減弱，模擬與實況基本一致。同時，在貴州北部地區(qū)的風場中出現(xiàn)了較為明顯的輻合線，而影響貴州地區(qū)后期降水的南下冷空氣與此系統(tǒng)的存在有密切聯(lián)系。

圖8 東亞地區(qū)700 hPa流場(流線)及相對螺旋度(陰影，單位：m2/s2)分布(a，9月16日20時；b，18日08時)Fig.8 The flow field at 700 hPa on East-Asia area(streamline) and relative helicity (shaded,units:m2/s2)(a,2000 BJT 16 Sep 2014; b,0800BJT 18 Sep 2014)

4.5 相對濕度和垂直速度模擬分析

充足的水汽供應、強烈的上升運動以及較長的持續(xù)時間是暴雨發(fā)生的3個重要條件[8]。為分析此次暴雨天氣過程中貴州上空的水汽及垂直運動分布，模擬前后兩個時段貴州強降水中心的相對濕度及垂直速度的剖面圖。由圖9a看出，強降水開始時，貴州東部地區(qū)(105～110°E)有深厚的濕層，高濕區(qū)域延伸高度超過了400 hPa，且上升運動區(qū)同樣深厚，隨著臺風向西北方向移動，臺風外圍對流能量受地形抬升等作用開始釋放，強降水開始逐漸形成。18日00時(圖9b)，貴州以北仍受強烈的上升氣流控制，上升運動中心位于貴州西部25 °N附近，此時，對流層中低層的低渦切變系統(tǒng)伴隨大范圍的垂直上升運動自北向南緩慢移動，隨著北方冷空氣與暖濕氣流在貴州交匯，高濕區(qū)域范圍與伸展高度較前一時段有明顯的增大，加上強烈的垂直抬升運動影響，為第2時段強降水的持續(xù)提供充足的動力條件。

4.6 假相當位溫和比濕模擬分析

對假相當位溫和比濕進行模擬分析，16日20時(圖10a)，在臺風“海鷗”的外圍氣流開始逐漸影響貴州時，850 hPa的比濕達到16～18 g/kg，對流層中低層的偏南氣流攜帶暖濕空氣輸送至105～113°E之間的不穩(wěn)定層結中，促使不穩(wěn)定能量釋放，雨帶亦逐漸形成，并自東向西移動。18日00時(圖10b)，隨著臺風減弱，其對貴州的影響亦逐漸消失，此時貴州處于切變系統(tǒng)控制下，貴州近地面比濕仍維持在16 g/kg左右，貴州北部不穩(wěn)定能量逐漸釋放并向南移動，隨著系統(tǒng)南移減弱，能量釋放完畢，貴州強降水天氣趨于結束。

圖9 9月16日20時沿25.5°N(a)及18日00時沿105.5°E(b)所在直線上的相對濕度(陰影，單位：%)及垂直速度(等值線，單位：Pa/s，虛線表示負值區(qū))的垂直剖面，★號表示貴州地區(qū)降水中心Fig.9 Vertical section of relative humidity (shaded, %) and vertical velocity(contours,Pa/s) along with 25.5°N at 2000BJT 16 Sep 2014 (a) and 0000BJT 18 Sep 2014 (b), ★ is for the precipitation center in Guizhou

圖10 9月16日20時沿25.5°N(a)及18日00時沿105.5°E(b)所在直線上的假相當位溫(陰影，單位：K)及比濕(等值線，單位：g/kg)的垂直剖面，★號表示貴州地區(qū)降水中心Fig.10 As in Fig.9, except for Pseudo-equivalent potential temperature (shaded, untis: K) and specific humidity (contours, units: g/kg )

5 結論與討論

①此次臺風暴雨天氣過程在第1時段具有降水強度增長迅速、持續(xù)時間長及局地性強等特點，強降水中心較為分散；第2時段的強降水持續(xù)時間短，但最大小時雨強較第1時段強，且24 h累計降水超過50 mm的范圍較第一時段更為集中。

②引導此次暴雨發(fā)生的主要天氣系統(tǒng)在前、后兩個時段內(nèi)略有差異但存在聯(lián)系，第1時段主要受到1415號臺風“海鷗”外圍云系中的對流云團影響，而在臺風減弱后，第2時段降水則主要與低渦切變系統(tǒng)侵入臺風尾流及副高外圍暖濕氣流引發(fā)的降水云團再生有關。

③模擬結果與周明飛等[7]研究相比，此次過程中臺風“海鷗”的移速及強度衰弱同樣較快，臺風云系帶來的深厚濕層與暖濕氣流沿地形動力抬升作用，使得貴州累積的不穩(wěn)定能量得到釋放，促使此次暴雨過程中第1時段強降水局地性的形成；第2時段強降水主要受副高外圍及中低層低渦切變系統(tǒng)南壓的影響，垂直上升運動增強明顯，并有冷空氣入侵臺風尾流使降水云團得到重新發(fā)展，從而導致貴州中西部地區(qū)的強降水維持。

采用中尺度模式(WRF)對此次暴雨天氣過程的臺風、強降水落區(qū)、水平風場、相對濕度、垂直速度、假相當位溫和比濕進行了模擬，雖然模擬結果與實況觀測存在一定的差距，但該數(shù)值模式仍能較好地模擬出1415號臺風“海鷗”的演變特征及此次強降水天氣過程的大致趨勢，并揭示了此次暴雨過程形成的重要機理及前、后兩個時段之間存在的密切聯(lián)系。今后將繼續(xù)利用該模式對臺風引發(fā)的貴州暴雨個例進行分析，完善該模式在貴州類似持續(xù)性暴雨天氣過程中的應用。

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