謝文鋒，劉峰，郭智亮，張有洋

（民航中南空管局氣象中心，廣東廣州 510405）

我國是世界上臺風登陸最多的國家，臺風登陸后產(chǎn)生的強降水天氣對人民的生產(chǎn)生活及航空飛行的安全都有重要影響。影響臺風降水強度和分布的因子復雜多樣，涉及臺風的強度、移速、環(huán)流條件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、下墊面強迫等［1-4］。如冷空氣的入侵會增加臺風降水的強度，地形抬升也可能造成臺風登陸過程中迎風坡降水的增加［5-7］。許多研究指出，螺旋雨帶是造成臺風強降水的主要中尺度系統(tǒng)，在螺旋雨帶上常有中尺度強對流單體產(chǎn)生［8-9］。關于螺旋雨帶的成因，近年來從渦旋Rossby波的角度解釋螺旋雨帶成因開始被普遍接受，認為產(chǎn)生臺風渦旋Rossby波的原因是臺風中存在相對渦度的徑向梯度［10］。

盡管對臺風過程的降水機理做了許多研究，但不同臺風過程的主導因子常常各有不同，臺風降水的強度和落區(qū)的精細化預報仍然是業(yè)務工作中的難點。受1804號臺風“艾云尼”影響，廣州機場出現(xiàn)了24 h累積降雨量261.4 mm的持續(xù)性強降水天氣，造成了大量航班的取消和延誤。因此本研究通過WRF模式對“艾云尼”登陸后引發(fā)機場強降水的機制進行模擬研究，以期為以后相似形勢的預報提供參考。

1 “艾云尼”過程概況

2018年04號臺風“艾云尼”6月7日20：30（北京時，下同），在廣東省陽江市沿海登陸，登陸后以10 km／h的速度向東北方向緩慢移動。圖1是6月8日05：00、14：00臺風登陸后的廣東區(qū)域雷達拼圖，其中紅色方框表示機場終端區(qū)，是航班最密集、航線最復雜的飛行關鍵區(qū)域。由圖1可以看到，由于登陸后臺風強度減弱，臺風眼壁區(qū)組織比較疏松，05：00（圖1a）在臺風的東側(cè)存在2條主要的螺旋雨帶，匯聚于臺風的東北象限，廣州機場終端區(qū)主要受螺旋雨帶頭部的降水云團影響。08：00，降水回波的整體范圍有所減小，強度變化不大。14：00（圖1b），臺風緩慢移動，強度開始減弱，影響機場的螺旋雨帶明顯東移減弱，在內(nèi)核區(qū)的東側(cè)重新生成了一條新的螺旋雨帶，緩慢向偏東方向移動，14：00—17：00發(fā)展中的螺旋雨帶一直覆蓋在機場上空。

圖1c是6月8日00：00—24：00廣州機場逐1 h累計降雨量，影響機場的降水主要分為2個階段：第1階段為03：00—11：00，降水主要由臺風東北側(cè)的螺旋雨帶頭部產(chǎn)生；第2個主要降水時段出現(xiàn)在 13：00—17：00，其中 14：00—16：00的小時雨量都超過了50 mm，機場出現(xiàn)持續(xù)性強降水天氣，造成航班無法起降。第2階段的降水是由臺風內(nèi)核區(qū)東側(cè)新生成緩慢移動的螺旋雨帶產(chǎn)生，且在螺旋雨帶中存在中尺度的強對流單體，實際業(yè)務工作中未能提前預判這一階段的強降水天氣，給航班調(diào)配帶來了一定被動。

圖1 2018年6月8日05：00（a）、14：00（b）廣東區(qū)域雷達拼圖；6月8日00：00—24：00廣州機場逐小時累積降雨量（c）

2 數(shù)值模擬試驗設計

本研究使用 WRFV3.8.1版本，試驗采用Mercator地圖投影的三重雙向嵌套網(wǎng)格，區(qū)域的中心位于 23°N，113°E，水平分辨率為 27、9和 3 km，垂直方向設置51層。3個模擬區(qū)域均采用YSU行星邊界層方案及RRTM長波和Dudhia短波輻射參數(shù)化方案。在模擬的第1和第2個區(qū)域采用KF積云對流參數(shù)化方案和WSM6云微物理方案，而在第3個3 km分辨率的網(wǎng)格中，不采用積云對流參數(shù)化方案，只使用WSM6云微物理方案。初始場資料選用NCEPGDAS／FNL的3 h一次0.25°×0.25°分辨率的再分析資料。模擬時間均從2018年6月7日20：00至6月9日02：00，共積分30 h。

3 模擬結(jié)果驗證

3.1 路徑和強度變化

圖2a是6月8日02：00—9日02：00第3區(qū)域模擬的臺風路徑與實況的比較，由于模式的“spin-up”調(diào)整，去除了前6 h的模擬結(jié)果?？梢钥吹?，臺風登陸以后逐漸向東北方向移動，20：00以后轉(zhuǎn)向偏東方向移動。試驗基本模擬出了臺風向東北方向緩慢移動的過程，但整體位置偏東，平均偏差為33 km。圖2b是模擬的臺風中心最低海平面氣壓與實況的比較，基本模擬出了臺風強度在登陸以后緩慢減弱的過程，其中模擬的最低海平面氣壓在05：00以后比實況偏低，平均誤差為-3.2 hPa，模擬的地面最大風速平均誤差為2.0 m／s。

圖2 2018年6月8日02：00—9日02：00觀測和模擬的臺風路徑圖（a）以及臺風逐3 h最低海平面氣壓（b）

廣州機場第2階段的強降水主要發(fā)生在8日下午臺風強度整體減弱的過程中，因而有很大的預報難度。

3.2 雷達回波

圖3是6月8日05：00、14：00和17：00第3區(qū)域模擬的雷達組合反射率和950 hPa風場，其中黑色十字表示機場所在位置。對比圖1可知，05：00模擬的回波分布形態(tài)與實況非常相似，強降水回波主要位于臺風的東側(cè)和北側(cè)，具有顯著的非對稱渦旋狀結(jié)構(gòu)。從廣東中部向南延伸至海上的主螺旋雨帶與實況對應很好，但對東部最外圍區(qū)域的螺旋雨帶模擬的較實況偏弱。14：00模擬的回波與實況相比，在臺風東北側(cè)的偏北氣流當中都有大片的穩(wěn)定性降水區(qū)域，模擬結(jié)果顯示在臺風東南側(cè)的偏南暖濕氣流中有多個中尺度強對流單體生成，但與實況相比結(jié)構(gòu)更松散，并沒有發(fā)展成一條完整的螺旋雨帶。17：00臺風東南側(cè)的降水云團明顯減弱，與實況相比未能模擬出新螺旋雨帶的發(fā)展過程。實際業(yè)務工作中，歐洲中心和美國GFS數(shù)值預報產(chǎn)品均漏報了8日下午的強降水過程。WRF模式雖然也未能完整模擬出螺旋雨帶的生成，但能夠指示出在臺風整體減弱過程中，內(nèi)核區(qū)東南側(cè)仍然有新的強降水單體生成，對8日下午的預報有一定的指示意義。

圖3 2018年6月8日05：00（a）、14：00（b）和17：00（c）模擬的雷達組合反射率（填色，單位：dBz）和950 hPa風場（矢量箭頭，單位：m／s）

4 機場持續(xù)性強降水成因的模擬分析

4.1 水汽輸送條件

持續(xù)不斷的水汽輸送是強降水發(fā)生和維持的重要條件［11］。分析925和850 hPa的水汽通量（圖略），6月8日08：00的水汽通量具有明顯的非對稱性，臺風東側(cè)的偏南氣流從南海北部將大量的水汽輸送到臺風主體的東部和北部區(qū)域，最大水汽通量超過45 g·（cm·s·hPa）-1，研究表明，充沛的水汽輸送有利于臺風暖心結(jié)構(gòu)的維持，也有助于雨帶的加強［1］。相比之下，925 hPa的水汽輸送比850 hPa更強。到14：00，925和850 hPa的水汽通量均有所減弱，因而臺風強度和周邊的對流強度也整體減弱，水汽通量的大值區(qū)從臺風東側(cè)向臺風北側(cè)偏移，雨區(qū)主體也移至臺風北側(cè)。值得注意的是，雖然14：00后臺風的整體水汽輸送減弱，但在臺風主體的東南部仍然存在兩條有一定強度的螺旋狀水汽輸送帶，最大水汽通量超過35 g·（cm·s·hPa）-1，為下午新螺旋雨帶的生成提供了非常有利的水汽條件。

4.2 動力條件

圖4a是8日08：00模擬的925 hPa散度和1 h累積降水分布，由圖4a可以看到，東北側(cè)的大范圍降水區(qū)和強輻合區(qū)有非常好的對應關系，08：00輻合區(qū)主要在臺風的東側(cè)和東北側(cè)，主要由偏南氣流和偏東氣流匯合形成，隨著臺風向東北方向移動，11：00主要的輻合區(qū)位于臺風的東北側(cè)（圖略），來自海上的偏南氣流與廣東東北部的東北氣流在臺風東北部形成輻合。為了進一步了解輻合區(qū)的垂直結(jié)構(gòu)，沿著23.2°N的強輻合區(qū)（圖4a黑色線）作08：00散度和水平風速大小的東西向垂直剖面（圖5a），發(fā)現(xiàn)臺風東北部的對流區(qū)域有非常顯著的低層輻合中層輻散特征，在850 hPa以下的邊界層區(qū)域是輻合層，850到500 hPa是強的輻散層。在800 hPa以下存在非常強的東南低空急流，最大風速超過30 m／s。研究指出低空急流不僅為強降水的產(chǎn)生提供大量水汽，還能造成急流前部的空氣輻合上升［12］。因此850 hPa以下邊界層的輻合抬升作用是造成臺風東北部區(qū)域大范圍強降水天氣的動力機制，從而也引發(fā)了廣州機場8日第1階段的持續(xù)性強降水天氣。

8日下午第2階段強降水是由臺風內(nèi)核區(qū)東側(cè)向東發(fā)展的螺旋雨帶造成。圖4b是8日14：00模擬的925 hPa渦度和1 h累計降水分布，正渦度的大值區(qū)主要位于臺風的內(nèi)核區(qū)和東南側(cè)。許多研究指出，臺風螺旋雨帶和低層渦度分布有很好的對應關系，臺風中的徑向渦度梯度能產(chǎn)生渦旋Rossby波，而渦旋Rossby波可以觸發(fā)螺旋雨帶的生成［13］。試驗模擬出14：00在臺風的東南側(cè)存在一條明顯的螺旋狀正渦度帶，且強降水區(qū)域出現(xiàn)在正渦度帶上。沿著23°N（圖4b黑色線）作14：00渦度和水平風速大小的東西向垂直剖面圖（圖5b），可以清楚看到在113.8°E附近出現(xiàn)強降水的位置上存在深厚的正渦度區(qū)，向上擴展至600 hPa，且在低層存在風速超過21 m／s的低空急流。因此，偏南暖濕水汽的輸送配合正渦度的觸發(fā)作用是8日下午臺風減弱過程中在其東南側(cè)仍有新螺旋雨帶生成的原因。

圖4 2018年6月8日08：00模擬的925 hPa散度（填色，單位：10-4 s-1）、風場（矢量箭頭，單位：m／s）和1 h降水（等值線，單位：mm）（a）；6月8日14：00模擬的925 hPa的渦度（填色，單位：10-4 s-1）、風場（矢量箭頭，單位：m／s）和1 h降水（等值線，單位：mm）（b）

圖5 2018年6月8日08：00模擬的沿23.2°N東西向散度（填色，單位：10-4 s-1）和水平風速（等值線，單位：m／s）的垂直剖面（a）；14：00模擬的沿23°N東西向的渦度（填色，單位：10-4 s-1）和水平風速（等值線，單位：m／s）的垂直剖面（b）

5 結(jié)論

1）“艾云尼”具有顯著的非對稱結(jié)構(gòu)，強降水天氣主要發(fā)生在臺風東側(cè)和北側(cè)的螺旋雨帶中。850 hPa以下臺風東側(cè)低空急流的水汽輸送為臺風的維持和強降水的發(fā)生提供了非常有利的水汽條件。

2）偏南暖濕氣流與東北氣流在臺風東北側(cè)匯合造成的邊界層輻合抬升是引發(fā)機場第1階段強降水的動力機制。

3）在臺風整體減弱過程，其內(nèi)核區(qū)東南側(cè)的正渦度帶在有利的水汽輸送配合下觸發(fā)了新螺旋雨帶的形成，螺旋雨帶中的中尺度強對流云團造成了機場第2階段的強降水，在以后的工作中值得關注。

4）WRF模式雖然未能直接模擬出8日下午在臺風減弱過程中東南側(cè)有完整的螺旋雨帶生成，但模擬出的螺旋狀正渦度帶和強對流單體對預報有一定的指示意義。