李 超，沈菲菲，許冬梅，束艾青，王 琛，康 彥

(1.南通市氣象局，江蘇南通 226018；2.南京信息工程大學(xué)，南京 210044)

臺風(fēng)是發(fā)生在熱帶洋面一種具有暖中心結(jié)構(gòu)的強烈氣旋性渦旋系統(tǒng)，它的破壞力居自然災(zāi)害之首。我國平均每年有7～8個臺風(fēng)登陸，是世界上臺風(fēng)登陸較多、受災(zāi)較重的國家之一[1-2]。因此，臺風(fēng)的研究一直是氣象工作者最關(guān)注的問題之一。在過去的十幾年里，國內(nèi)外氣象學(xué)者已從多個方面對臺風(fēng)的登陸演變和臺風(fēng)降雨結(jié)構(gòu)等展開細致的討論和研究，取得了驕人的成績：康志明等學(xué)者[3-5]研究了影響登陸臺風(fēng)路徑的不同因素；任福民等學(xué)者[6-8]研究了引起臺風(fēng)降水分布差異的原因；王碩甫等學(xué)者[9-10]研究了影響臺風(fēng)降水的中尺度系統(tǒng)；張建海等學(xué)者[11-13]研究了地形對臺風(fēng)降水的影響；江麗伶等學(xué)者[14-16]研究了水汽輸送對臺風(fēng)降水強度的影響；李英[17]研究了垂直風(fēng)切變對臺風(fēng)強度、對流及降水分布的影響；于玉斌等學(xué)者[18-20]研究了冷空氣對臺風(fēng)降水的影響。

近年來隨著觀測手段和模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，在臺風(fēng)研究尤其是臺風(fēng)暴雨方面取得了很大的進展；同時對臺風(fēng)進行高分辨率數(shù)值模擬，使得對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的認知進一步加強了。但由于臺風(fēng)降水本身是一個多尺度相互作用過程的結(jié)果，同時當前的數(shù)值模式發(fā)展還不夠完善，使得人們對臺風(fēng)路徑、強度、降水預(yù)報還需要做進一步深入的研究。采用中尺度非靜力WRF模式，在前人研究工作的基礎(chǔ)上，對超強臺風(fēng)“Saomai”進行高分辨率的數(shù)值模擬及診斷分析，考察模式模擬臺風(fēng)路徑、強度和降水等方面的效果。

1 數(shù)據(jù)資料及數(shù)值模擬方案設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)資料

利用NCEP/NCAR的GFS資料(5 km)、WRF模式對臺風(fēng)“Saomai”開展數(shù)值模擬，利用CMA最佳路徑數(shù)據(jù)集(中國氣象局熱帶氣旋資料中心)、NOAA衛(wèi)星資料、溫州臺風(fēng)網(wǎng)資料分析臺風(fēng)的實時情況，時間均采用世界時。

1.2 數(shù)值模擬方案設(shè)計

利用非靜力中尺度數(shù)值模式WRF對臺風(fēng)“Saomai”進行模擬，選取NCEP/NCAR的GFS資料作為模式的初始場，采用單層5 km×5 km網(wǎng)格，模式中心為26.362 °N，122.548 °E，模擬方案如表1所示。

2 臺風(fēng)“Saomai”實時資料分析

2.1 “Saomai”簡介

超強臺風(fēng)“Saomai”于2006年8月5 日晚在關(guān)島東南方的西北太平洋洋面上生成，生成后以20～25 km/h的速度向西北方向移動，之后其強度逐漸加強；7日06時“Saomai”加強為臺風(fēng)，8日夜間其環(huán)流進一步緊縮，低層風(fēng)眼清晰；9日03時急劇增強為強臺風(fēng)，當天10時繼續(xù)加強為超強臺風(fēng)，夜間沿西北偏西方向移進中國釣魚島以東海面，移速加快；10日09時25分在浙江省蒼南縣南部沿海登陸。登陸后，中心附近最大風(fēng)力17級(60 m/s)，中心附近最低氣壓為920 hPa，是建國以來登陸浙江省最強的臺風(fēng)?！癝aomai”登陸后強度迅速減弱，于11日01時在江西弋陽縣減弱為熱帶低壓，最終次日早晨在湖北省境內(nèi)填塞消失。臺風(fēng)“Saomai”給浙江、福建、江西、湖北四省帶來嚴重的人身傷害和財產(chǎn)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，4省共有665.65萬人受災(zāi)，因災(zāi)死亡達到483人，緊急轉(zhuǎn)移安置180.16萬人，農(nóng)作物受災(zāi)面積29萬hm2，倒塌房屋13.63萬間，直接經(jīng)濟損失近200億元。

表1 WRF模式方案參數(shù)設(shè)定

2.2 大氣環(huán)流分析

臺風(fēng)“Saomai”的移動路徑是由西太平洋副熱帶高壓和中緯度環(huán)流系統(tǒng)共同影響的。從500 hPa高空圖上可見，8月9—10日西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定維持，呈東西帶狀分布，副高脊線大致穩(wěn)定在33°N～36°N，中心位于日本島以南的洋面上。其南側(cè)的臺風(fēng)“Saomai”受副高南側(cè)深厚而穩(wěn)定的東南氣流引導(dǎo)，向西北方向移動，移速較快。100 hPa南亞高壓強而穩(wěn)定，引導(dǎo)副高不斷西伸加強。

中高緯度地區(qū)90°E～120°E之間，存在數(shù)個穩(wěn)定低壓槽，140°E～150°E為高壓脊控制，且不斷有暖平流補充，副高強度不斷加強。10日18時，副高西伸與大陸高壓合并，加強北抬，其軸線轉(zhuǎn)為西北—東南向，臺風(fēng)“Saomai”的引導(dǎo)氣流偏南風(fēng)分量加大，其路徑明顯向北偏移。

10日晚“Saomai”登陸后，環(huán)流形勢發(fā)生了明顯的變化。高層500 hPa出現(xiàn)了強盛的偏東風(fēng)和強負散度區(qū)，200 hPa風(fēng)速明顯增強，風(fēng)垂直切變增大，不利于臺風(fēng)強度維持，“Saomai”逐漸填塞消亡。

2.3 衛(wèi)星云圖分析

臺風(fēng)在衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為灰白色的渦旋云系，有時可見一個黑色的亮點即為臺風(fēng)眼。臺風(fēng)“Saomai” 9—11日的衛(wèi)星云圖如圖1所示。從云圖演變(圖1a、圖1b)可以直觀看出臺風(fēng)云系逐漸趨于濃密白亮，中心稠密區(qū)近似為圓形，臺風(fēng)眼也愈加清晰可見，螺旋度加強。此階段臺風(fēng)“Saomai”已發(fā)展為超強臺風(fēng)，強度仍在加強。10日12時(圖1c)，臺風(fēng)在浙江登陸，登陸后臺風(fēng)逐漸減弱，稠密云區(qū)向四周消散，此前清晰可見的臺風(fēng)眼消失；11日00時(圖1d)，500 hPa強負散度破壞了臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)，臺風(fēng)螺旋結(jié)構(gòu)趨于松散，圓形渦旋結(jié)構(gòu)消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€近似逗點的云系。

圖1 2006年8月9-11日NOAA衛(wèi)星云圖(a 9日12時；b 10日00時；c 10日12時；d 11日00時)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 臺風(fēng)路徑模擬

圖2給出臺風(fēng)“Saomai”的模擬路徑和CMA最佳數(shù)據(jù)路徑，表2給出臺風(fēng)“Saomai”模擬路徑與CMA最佳數(shù)據(jù)路徑偏差情況。由圖2、表2可見，模擬初始階段9日12—18時，最佳路徑與模擬路徑近乎重合；18時“Saomai”實際位置與模擬位置僅相距約15 km；18時后，兩路徑差距逐漸加大，10日00時相距約38 km，06時相距約46 km；06時后，最佳路徑與模擬路徑差距進一步加大，12時相距約達100 km，18時相距約達145 km?？梢姡Ｊ綄Α癝aomai”路徑的模擬在初期階段還是較為成功的。從9日12時至10日06時，模式較好地再現(xiàn)了“Saomai”的移動路徑，路徑偏差較?。坏M路徑臺風(fēng)中心略超前于最佳路徑臺風(fēng)中心。10日06時，“Saomai”中心最低氣壓降至920 hPa，達到最強階段。實況顯示“Saomai”繼續(xù)向西北方向快速移動，移向較之前略偏南，而模擬臺風(fēng)此時已偏離西北方向，向西南方向移動并于12時左右登陸福建。模擬臺風(fēng)的路徑、登陸時間與最佳數(shù)據(jù)路徑出現(xiàn)了一定的偏差，是因為模擬出的大陸高壓位置偏東，致使高層出現(xiàn)偏北引導(dǎo)氣流，同時模式本身對超強臺風(fēng)的模擬存在不足，使得模擬路徑向西南偏移。但總體來看，模式還是較好地把握住了臺風(fēng)的發(fā)展和移動特征。

3.2 大氣環(huán)流模擬

圖3為臺風(fēng)“Saomai”登陸期間高低空環(huán)流形勢分布的模擬。分析高空圖可知臺風(fēng)“Saomai”主要受到副高以及大陸高壓、廣東南部“寶霞”臺風(fēng)的共同影響，模擬的高低空主要天氣系統(tǒng)與實況較為吻合。8月9日18時(圖3a、圖3b)，臺風(fēng)低壓環(huán)流逐漸靠近臺灣島，850 hPa和300 hPa上有明顯的低壓環(huán)流，其北側(cè)是副高南部的東南氣流，此時大陸高壓偏弱；高空300 hPa大陸高壓和副高之間有一明顯中緯度高空槽，槽前暖平流輸送至副熱帶高壓區(qū)，副高增強并穩(wěn)定維持，臺風(fēng)沿副高南側(cè)繼續(xù)向西北移進。10日06時(圖3c、圖3d)，副高繼續(xù)西伸，此時大陸高壓加強，兩高有合并的趨勢；臺風(fēng)“Saomai”在副高南側(cè)的東南氣流引導(dǎo)下繼續(xù)向西北移進，此時其強度明顯增強，臺風(fēng)眼最為清晰。12時，850 hPa臺風(fēng)低壓環(huán)流已移至陸地上空，副高深入內(nèi)陸與大陸高壓合并，阻斷了臺風(fēng)“Saomai”的北上之路。臺風(fēng)“Saomai”傍晚登陸后(圖3e)，副高脊線呈東西走向，偏南風(fēng)的引導(dǎo)分量明顯減小，“Saomai”主要以西移為主。而模擬出的大陸高壓位置偏東(圖3f)，高層出現(xiàn)東北風(fēng)引導(dǎo)氣流，使得模擬出的“Saomai”路徑偏南。由圖還可看出，太平洋的東南暖濕氣流和“寶霞”臺風(fēng)帶來的西南氣流為臺風(fēng)暴雨區(qū)提供充足的水汽，造成臺風(fēng)登陸后的暴雨強度較強、范圍廣；位于臺風(fēng)西北部的中高緯高空槽引導(dǎo)北方冷空氣南下，與洋面的東南暖濕空氣交匯，有利于臺風(fēng)降水的加強。在登陸后期，環(huán)流形勢發(fā)生變化，臺風(fēng)“Saomai”強度逐漸減弱，從云圖上(圖1d)也可以看出螺旋云系逐漸消散，減弱為弱低壓。

圖2 臺風(fēng)“Saomai”模擬路徑與最佳路徑對比

表2 臺風(fēng)“Saomai”模擬路徑與最佳路徑對比表

3.3 累積降水模擬

伴隨著68 m/s的超強大風(fēng)，“Saomai”的降水強而急，且降水點集中。10—12日，強降水主要集中在浙江南部、福建北部及江西中北部的部分地區(qū)。10日傍晚臺風(fēng)登陸浙江蒼南縣后，風(fēng)雨加強。風(fēng)雨增強的主要原因是：副高南側(cè)的低壓環(huán)流與副高形成氣壓北高南低的分布形勢，尤其是副高和大陸高壓合并增強后，氣壓梯度再次加大，造成風(fēng)力猛增；副高南側(cè)的東南氣流源源不斷向臺風(fēng)區(qū)輸送暖濕氣流，加之“寶霞”臺風(fēng)也將中國南部暖濕氣流向東北輸送，為強降水提供了充足的水汽。

圖4給出了8月10日00時、06時、12時、18時前2 h累積降水模擬分布。10日00時(圖4a)，臺風(fēng)仍處在臺灣北部的洋面上，以洋面降水為主，圍繞著臺風(fēng)低壓中心，降水隨低壓環(huán)流近似為螺旋形式分布，云墻附近降水量以12～25 mm為主，部分地區(qū)達到25 mm以上，此時位于“Saomai”西南方的“寶霞”臺風(fēng)為降水區(qū)輸送了充足的水汽。06時(圖4b)浙江大部分地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)降水，2 h降雨量達到25～50 mm，部分地區(qū)超過50 mm。在這期間臺風(fēng)已發(fā)展為超強臺風(fēng)，最大風(fēng)速達到 50 m/s以上。隨后臺風(fēng)一直處于臨海增強的狀態(tài)，如圖4c所示，強降水范圍明顯擴大，浙江和福建北部地區(qū)出現(xiàn)暴雨，強降水中心位于26 °N、119 °E附近，降水強度達到50 mm/h以上。18時(圖4d)以后，“Saomai”近中心風(fēng)力達到17級，大范圍的雨區(qū)一分為二，大部分強降水集中在江西、浙江、福建交界一帶，與上一時刻相比向西西南偏移，這與模擬出的登陸后臺風(fēng)路徑向西南偏移相吻合。

圖3 2006年8月9—10日850 hPa(a、c、e)和300 hPa(b、d、f)高低空環(huán)流的模擬(黑色實線為等高線，單位為gpm。a、b為09日18時；c、d為10日06時；e、f為10日12時)

圖4 2006年8月10日地面2 h累積降水量(單位為mm；a、b、c、d分別為00時、06時、12時、18時)和海平面氣壓(實線，單位為hPa)

4 物理量模擬診斷分析

4.1 動力條件

4.1.1 850 hPa和500 hPa渦度 2006年8月9—10日臺風(fēng)“Saomai”850 hPa和500 hPa渦度模擬場如圖5所示。研究采用的模式分辨率為5 km，明顯高于NCEP資料，模擬的最強渦度達到10-3量級。9日18時(圖5a、圖5b)，“Saomai”達到超強臺風(fēng)級，模擬的初始階段臺風(fēng)路徑與最佳路徑較為吻合，相應(yīng)的渦度場上渦度中心(25.5 °N，122 °E)與臺風(fēng)中心(25.9 °N，123.8 °E)位置也比較接近。圖5c、圖5d對應(yīng)時刻為10日12時，臺風(fēng)處于臨近海岸階段，此時模擬的850 hPa和500 hPa渦度均明顯增強，最強達到10-3量級以上，且高值區(qū)基本出現(xiàn)在海岸附近區(qū)域。在850 hPa上，臺風(fēng)東南側(cè)的渦度明顯強于其它方位，表現(xiàn)出一定的非對稱性，渦度的結(jié)構(gòu)和強度與12時的2 h累積降水(圖4c)有較好的對應(yīng)，最大正渦度區(qū)(26.5 °N，118.5 °E)對應(yīng)強降水區(qū)(26.2 °N，118.8 °E)。在這兩個高度場上同時出現(xiàn)兩個強渦度中心，分別位于臺風(fēng)的東南和西北區(qū)域，說明這些區(qū)域有強烈的上升運動；同時副高南側(cè)東南氣流和臺風(fēng)“寶霞”帶來的西南氣流為降水區(qū)提供了充分的水汽條件，使得浙江南部、福建北部地區(qū)出現(xiàn)了暴雨或特大暴雨(圖4c)。西南側(cè)的強渦度區(qū)和強降水區(qū)對應(yīng)較好，但模擬出的臺風(fēng)東北方向的區(qū)域并未出現(xiàn)強降水，且降水較分散。與模擬出的強渦度不符合，出現(xiàn)偏差的原因是，臺風(fēng)“Saomai”的東北區(qū)域缺少了來自臺風(fēng)“寶霞”的水汽供應(yīng)。無充足的水汽條件，故無法產(chǎn)生較強的降水，因此臺風(fēng)東北和西南兩側(cè)的降水呈不對稱分布。18時(圖5e、圖5f)，隨著臺風(fēng)路徑向西西南偏移，強渦度中心也隨著向西移動，850 hPa強渦度區(qū)較上一時刻明顯縮小，標志著臺風(fēng)強度減弱。

由以上分析可知，850 hPa渦度場演變與臺風(fēng)強度變化有很好的對應(yīng)關(guān)系。渦度的分布和變化表現(xiàn)出明顯的非對稱性，與累積降水分布大體吻合，但仍有部分偏差，水汽條件是原因之一；因此渦度并不能完全指示降水，但在一定程度上仍可判斷出降水大致分布情況。

4.1.2 螺旋度 是一個衡量風(fēng)暴入流氣流以及渦度在入流方向分量大小的物理量，能夠反映出大氣運動場特征，對大氣運動性質(zhì)和特點的描述有一定的貢獻。劉漢華[21]指出垂直螺旋度的水平分布與降水區(qū)域有很好的對應(yīng)關(guān)系，正的螺旋中心與強降水相對應(yīng)。覃麗[22]在一次暴雨過程的分析中也指出,螺旋度的大值中心及其演變能較好地反映暴雨區(qū)和中尺度渦旋的位置及演變?？梢?，螺旋度的大值區(qū)對降水有一定的指示作用。

圖6是“Saomai”近海及登陸時的相對螺旋度模擬分布場。由圖6可見螺旋度正值中心隨著臺風(fēng)路徑向西偏南推進。10日12時臺風(fēng)處于近海階段，引起的浙閩地區(qū)降水已達暴雨。由圖4c可見，臺風(fēng)降雨中心在26.2 °N，118.8 °E附近，最大2 h累積降雨達到100 mm以上，而螺旋度圖上(圖6a)暴雨區(qū)附近的上空有一螺旋度正值中心(26 °N，118 °E)，最強達600 m-2·s-2。18時臺風(fēng)登陸后，暴雨仍持續(xù)，出現(xiàn)兩個強降雨中心，分別是26 °N，118 °E和27 °N，120 °E(較前者弱)，正螺旋度大值中心較前一時刻向西南偏移(圖6b，25 °N，117 °E)。由相對螺旋度變化圖的分析可知，隨著臺風(fēng)登陸后路徑向西南偏移，相對螺旋度正值中心也向西南推進，與強降水中心吻合較好，故相對螺旋度越大，降水越強，對降水的指示意義較大。

4.2 水汽條件

水汽通量是表示水汽輸送強度的物理量，指單位時間流經(jīng)單位面積的水汽質(zhì)量，一般以水平水汽通量來指示水汽的輸送來源。850 hPa水汽通量和流場形勢(圖7)分析表明，臺風(fēng)“Saomai”的水汽主要來源于兩個地區(qū)：一是西太平洋至我國東南海域；二是我國南海區(qū)域。10日12時(圖7a)，水汽通量強中心達到3.5 g/(s·hPa·cm)以上，中心位于28 °N，119 °E附近，此時地面強降水中心(圖4c)位于水汽通量最大值的西南方向。18時，臺風(fēng)登陸后快速減弱的同時，水汽通量大值區(qū)范圍也隨之縮小，水汽通量減小至3.0～3.5 g/(s·hPa·cm)，中心位于29 °N，118 °E(圖7b)。水汽通量減小的同時，強降水中心沒有出現(xiàn)明顯縮小，但降水量有減小的趨勢(圖4d)。由此可見，水汽通量并不能很好指示降水的具體位置，但能反映出降水量的變化趨勢，有一定的指示作用。

圖5 2006年8月9-10日850 hPa(a、c、e)和500 hPa(b、d、f)渦度模擬圖(色斑，單位a、c、e為s-1，b、d、f為10-5s-1；a、b為9日18時；c、d為10日12時；e、f為10日18時)

圖6 2006年8月10日 WRF模式模擬地面到3 km高度的相對螺旋度(單位為m-2·s-2；a 12時，b 18時)

圖7 2006年8月10日850 hPa水汽通量散度(陰影，單位為g/(s·hPa·cm)；箭頭為風(fēng)矢量，單位為m/s；a 12時，b 18時)

5 結(jié)論及不足

利用GFS資料和WRF模式等對臺風(fēng)“Saomai”開展高分辨率數(shù)值模擬，并利用渦度、螺旋度、水汽通量散度等對“Saomai”登陸期間造成的強降水開展模擬診斷研究，主要得出以下結(jié)論。

(1)臺風(fēng)“Saomai”的路徑主要受西太平洋副熱帶高壓和大陸高壓的共同影響，并在500 hPa引導(dǎo)氣流的作用下，向西北偏西方向移動。副高南側(cè)的東南氣流和臺風(fēng)“寶霞”的西南氣流為暴雨區(qū)提供充足的水汽來源。

(2)模式較好地再現(xiàn)了臺風(fēng)“Saomai”登陸前后的發(fā)展演變過程，模擬的臺風(fēng)路徑與觀測路徑基本吻合，僅在登陸之后模擬的路徑偏南。在整個模擬時段內(nèi)，模式較好再現(xiàn)了臺風(fēng)的高低空環(huán)流與周圍系統(tǒng)的相互作用，較成功地模擬出臺風(fēng)的累積降水。

(3)利用模式輸出的高分辨率資料，對臺風(fēng)的動力和水汽條件開展診斷分析。結(jié)果表明：動力條件方面，對流層850、500 hPa渦度場演變與臺風(fēng)強度變化有很好的對應(yīng)關(guān)系，強渦度中心、相對螺旋度與暴雨中心基本吻合，診斷量的強中心對應(yīng)強降雨地區(qū)，中心值越大，降水強度越大，僅個別地區(qū)出現(xiàn)差異(還與水汽條件有關(guān))；水汽條件方面，水汽通量較好地指示了輻合區(qū)的水汽來源和降水趨勢。

(4)利用高分辨率數(shù)值模擬從動力條件和水汽條件等方面分析了臺風(fēng)“Saomai”登陸期間的降水特點，但只從宏觀上考慮降水的成因，并未涉及熱力學(xué)和云微物理等微觀層面，致使研究結(jié)果不夠全面。要全面認識臺風(fēng)登陸及其影響的全過程，必須同時兼具宏觀和微觀的理論研究，才能提高氣象工作者對臺風(fēng)的預(yù)報水平。