热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (3): 314-323  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.004
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引用本文  

雷丽娟, 雷小途. 东海台风对四川东部暴雨的影响研究[J]. 热带气象学报, 2018, 34(3): 314-323.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.004.
雷丽娟, 雷小途. Influence of typhoon in the east china sea on the southwest vortex rainstorm in sichuan province[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(3): 314-323. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.03.004.

基金项目

国家重点基础研究发展(973)计划(2013CB430305);公益性行业专项(GYHY201406010)共同资助

通讯作者

雷小途, 男, 江西省人, 研究员, 主要从事台风机理研究。E-mail:leixt@typhoon.org.cn

文章历史

收稿日期:2017-05-05
修订日期:2018-04-24
东海台风对四川东部暴雨的影响研究
雷丽娟 1, 雷小途 2     
1. 成都信息工程大学,四川 成都 610225;
2. 中国气象局上海台风研究所,上海 200030
摘要:利用NCEP逐6 h的FNL再分析资料、地面气象站逐小时降水资料以及中尺度数值模式WRF对2010年9月5日14时—6日20时发生在四川东部的一次西南涡暴雨天气过程进行诊断分析和数值研究。重点探讨了东海远距离台风对西南涡的移动和维持、水汽输送作用。结果表明:(1)这次川东暴雨是在中纬度30~50 °N的两槽一脊的环流背景下,川西高原的东移低值系统(西南涡)受位于东海的北上台风间接阻挡,及源于南海和孟加拉湾的水汽不断输送等有利条件下形成的;(2)台风“玛瑙”并未向西南涡降雨区直接输送水汽;(3)东海台风“玛瑙”对上游东移的西南涡具有阻挡作用:台风的出现,使西风带上游东移的系统(含西南涡)东移的速度减慢,西南涡因此在四川东部地区滞留时间延长,是造成该地区暴雨天气发生的重要原因。
关键词西南涡    台风    暴雨    数值模拟    水汽输送    
INFLUENCE OF TYPHOON IN THE EAST CHINA SEA ON THE SOUTHWEST VORTEX RAINSTORM IN SICHUAN PROVINCE
LEI Li-juan1, LEI Xiao-tu2     
1. Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;
2. Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration, Shanghai 200030, China
Abstract: Using NCEP 6-hourly reanalysis data、the hourly rain data and the mesoscale numerical model WRF, the southwest vortex rainstorm (SVR) occurred in the eastern part of Sichuan province from 5th September, 2010, 14pm (UTC+8) to 6th, 20pm is diagnostically analyzed and numerically simulated.Intensive discussions are made about the impact of typhoon in the East China Sea on movement and maintenance of the southwest vortex and the transportation of water vapor. The results show as follows. (1) The SVR in eastern Sichuan province was formed under favorable conditions.Such as the circulation background of "two troughs and one ridge" in the mid- latitude 30~50 °N, the eastward moving low system (southwest vortex) of the western plateau of Sichuan province was indirectly blocked by the northward typhoon in the East China Sea, and the water vapor from the South China Sea and the bay of Bengal was continuously transported to the storm area. (2) Typhoon"Malou" did not transport water vapor to the southwest vortex rainstorm area. (3) The typhoon in the East China Sea had a "blocking" effect on the moving eastward southwest vortex: the speed of Eastward system (including southwest vortex) in westerlies upstream slowed down because of the effect of typhoon, and prolonging the "retention" time of southwest vortex in the eastern part of Sichuan province, which played an important role in causing the heavy rainfall in the region.
Key words: southwest vortex    typhoon    rainstorm    numerical simulation    transfer of water vapor    
1 引言

西南低涡(或称西南涡)是青藏高原特殊地形在特定环流条件下形成于西南地区的一类独特的中尺度天气系统(常见于700 hPa或850 hPa上),其生命史大多为1~2天且较少移出西南地区[1]。停滞在源地附近的西南涡是我国西南地区(特别是四川)夏半年引发暴雨过程的重要天气系统之一,如1981年7月四川持续大暴雨是由西南涡长时间维持造成的[2];移出源地的西南涡常给所经地区带来强降水,如1998年的长江大洪水即与沿江东移的西南涡关系密切[3]。人们对西南涡与其他天气系统相互作用并诱发暴雨天气进行了较多研究,并取得有意义的成果。高低空急流及其耦合对西南涡的发展有重要意义,高低空急流的位置与西南涡活动关系密切,杨帅等[4]发现高空急流的走向与西南涡的活动联系紧密,处于西风急流时,西南涡快速东移;处于西北风急流时,西南涡稳定少动。高原涡与西南涡的相互作用对西南涡的发展有重要影响,刘富明等[5]认为高原涡与西南涡处于非耦合时,将抑制西南涡的发展,当两者耦合时将促进西南涡发展;陈忠明等[6]认为高原涡偏西,并与西南涡处于非耦合状态时,高原涡中心及东部下沉气流会抑制西南涡发展,当其移到100 °E时与西南涡垂直叠加时,可使西南涡加强,导致该地暴雨。西南涡伴随的中尺度切变线、能量锋区与局地暴雨的发生也有紧密联系。孟加拉湾风暴和南海地区的台风均能通过向西南涡直接输送水汽和能量的方式对西南涡的活动产生影响,陈忠明等[7]指出,南海的强热带气旋可直接向四川西南涡提供水汽和能量输送,通过改变低涡邻域内风压场和能量场分布,显著影响低涡结构;李强等[8]通过数值试验研究得出远距离台风增强了水汽和不稳定能量的输送,在不同的台风动力风场作用下,西南涡的移动路径明显不同,降水也有差异。有研究[9-10]通过个例分析发现台风对西南涡具有阻挡作用,可使西南涡移动变慢。目前研究南海台风与西南涡的作用较多,而对东海台风关注较少,李云川等[11]讨论过东海台风对西南涡稳定加强的作用。本文将以四川2010年9月5—6日暴雨为例,通过诊断分析和中尺度数值模式WRF[12]模拟,分析此期间东海台风“玛瑙”对西南涡发展及其降水的影响,以期丰富和完善对西南涡发展及移动的物理机制的认识,提高对西南涡活动及其降水的预报水平。

2 数据资料

本文所用资料主要包括:美国国家环境预报中心(NCEP)水平分辨率为1 °×1 °的6 h一次FNL再分析资料;中国国家级地面气象站逐小时降水数据集;中国气象局上海台风研究所整编的CMA-STI西北太平洋热带气旋最佳路径数据集。

3 降水实况

2010年9月5日14时—6日20时(北京时,下同),四川境内出现了一次大范围、区域性暴雨天气过程(图 1),期间四川省30 h累计降雨量主要集中在东部地区,累计雨量超过50 mm的有13个测站,其中渠县、岳池和武胜各站的累计雨量均超过100 mm。四川中部自东向西雨量逐渐减少,形成一条降雨带,降雨量大于10 mm;而四川南部和北部受此次降雨影响较小,雨量均小于10 mm。此次降雨受到西南涡的影响,5日14时西南涡形成于四川西部,20时快速向东移动,所经地区均有不同程度降雨,6日02时到达四川东部,之后移动速度减缓,造成川东地区暴雨。

图 1 2010年9月5日14时—6日20时30 h累计降水量(单位:mm)分布及西南涡路径

进一步分析整个西南涡影响下的降雨过程可发现,西南涡形成于四川西部,由于其迅速东移并未在此处造成大的降雨;而当其移到东部时,由于某种原因使其东移和东北移减缓,从而造成东部的暴雨。研究发现在整个降雨过程中,2010年第9号台风“玛瑙”位于东海,并且台风与西南涡几乎位于同纬度。相距“遥远”的台风是否向西南涡直接输送能量和水汽从而影响此次降雨?或是对西南涡的发展和移动有显著的影响?本文将从环境场诊断分析和模式模拟对这两个问题进行探究。

4 台风活动与环流背景 4.1 台风“玛瑙”概况

2010年第9号台风“玛瑙”是9月1日晚由在关岛西北约400 km处的西北太平洋洋面上的一个热带低压发展生成,随后向偏西北方向移动且强度逐渐增强,4日约08时加强为热带风暴,下午穿过琉球群岛后进入东海,5日“玛瑙”转向向北移动。6日08时又转向东北移动并加强为强热带风暴,中心最低气压为990 hPa,中心位置为126.4 °E,31.2 °N。后经过朝鲜海峡在7日进入日本海,8日在日本福井登陆,然后迅速减弱并继续向东移动,穿过日本中部进入太平洋,10日下午在日本以东洋面消散。

图 2 台风“玛瑙”路径 圆点标记处为08时的台风位置。
4.2 环流背景

分析9月4—6日每日逐6 h的500 hPa环流形势发现,中纬度地区30~50 °N存在稳定的两槽一脊型环流,在巴尔克什湖-贝加尔湖之间为斜压性低槽并伴有一个强低压中心,贝加尔湖附近为高压脊,贝加尔湖以东为一低槽。巴尔克什湖以东的低压中心不断东移南压,冷空气由低压外围的等压线引导不断向四川地区输送,为暴雨的产生提供有利背景条件。同时东海台风“玛瑙”不断北上,挤压副高并切断,导致小部分高压留在大陆,形成大陆高压,副高主体东退。台风“玛瑙”缓慢北移,有利于大陆高压的维持和稳定,从而对东移的低值系统形成阻挡作用。从图 3看出,5日20时后台风缓慢向北移动,四川上空有一斜压性低槽东移增强,6日02时移到川东的西南涡处于槽前上升气流中,有利于西南涡增强,同时西南涡受下游台风阻挡移动缓慢,致使川东出现强降水。6日20时之后(图略),随着台风东北移,副高南退西伸,西南涡移出四川,四川境内暴雨结束。

图 3 2010年9月5—6日500 hPa环流背景场 单位:10 gpm。a. 5日20时;b. 6日02时;c. 6日08时;d. 6日14时。
4.3 台风与西南涡的关系

图 4为西南涡在四川境内强度的变化特征。5日14时西南涡逐渐形成,到20时其强度变化不大,700 hPa中心强度为15×10-5 s-1左右。由图 1可知西南涡在20时后迅速东移,结合图 4可以看到,西南涡在东移过程中强度不断增大,6 h后就增强到21.5×10-5 s-1,直至6日14时左右最强涡度值达到27×10-5 s-1,此后强度减弱,20时后西南涡移出四川。可见,西南涡在川东缓慢移动且涡度中心增强阶段与台风缓慢北上,阻挡东移系统的时间基本一致。台风和大陆高压阻挡上游低值系统东移,致使西南涡在川东地区移动缓慢,加之西南涡一直处于高空槽前上升气流中,有利于西南涡的发展,从侧面反映出台风对西南涡的间接阻挡作用。

图 4 2010年9月5日14时—6日20时四川境内700 hPa西南涡强度 单位:10-5 s-1
4.4 水汽输送

图 5是2010年9月6日02—20时850 hPa风场和1 000~300 hPa整层水汽通量。6日02时(图 5a)西南涡位于川东104.8 °E,31 °N附近,来自南海的一支水汽随强偏南气流向川东地区输送,并不断增强。08时(图 5b)整层水汽通量高达8 × 105 g/(m·s)以上,此后水汽量稍有减弱,但仍汇聚于川东地区,为当地暴雨提供了充足的水汽条件。20时之后台风继续北上,大陆高压向东移动,沿大陆高压外围的偏南气流向北输送的水汽东移,西南涡移出四川,川东暴雨结束。由此可见台风在东海缓慢移动,通过影响大陆高压稳定维持,可使来自南海的水汽集聚于川东地区,提供有利的水汽条件。虽然台风是一个强大的水汽源,但它并未直接向西南涡输送水汽,这有别于发生于南海的台风对西南涡的影响[6-10]

图 5 2010年9月6日850 hPa风场(单位:10 m/s)和1 000~300 hPa整层水汽通量(阴影,单位:105 g/(m·s)) a. 02时;b. 08时;c. 14时;d. 20时。

利用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的HYSPLIT-4模型[13]来追踪此次降水的水汽来源及运行轨迹。所用资料是美国国家环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)的全球再分析资料GDAS数据资料。

本文选取水汽集聚和降水大值区进行水汽后向轨迹追踪,渠县、岳池和武胜3个站在30 h(5日14时—6日20时)内的累积降水超过100 mm。因此后向轨迹模拟:选取106~108 °E,30~32°N区域,每隔1 °为一个起点,垂直方向选1 500、3 000和5 500 m(分别对应850、700、500 hPa)三层,模拟空间总共有27个起始点,每隔12 h输出一次轨迹点。起始时间为2010年9月6日08时,后向追踪4天(96 h)。由模式结果(图 6)可知,四川降雨区的水汽主要来源于南海(低层)及孟加拉湾(中层)海域,位于东海近海的台风并没有向四川降水区输送水汽。

图 6 2010年9月6日08时水汽输送后向轨迹模拟 红线:1 500 m,蓝线:3 000 m,绿线:5 500 m。

综上所述,台风并未对此次降水直接输送水汽,而是通过影响大陆高压使来自南海的水汽由大陆高压外围强偏南气流向暴雨区输送。台风滞留在东海近海,对上游西南涡等系统有阻挡作用,使西南涡在川东移动缓慢,致使暴雨产生。下文利用数值模式(WRF)进行模拟试验,着重探讨台风对西南涡活动及降水的影响。

5 数值模式模拟及分析 5.1 模式设计

本文选用中尺度数值模式WRFV3.8.1版本模式,试验模拟区域如图 7,空间网格采用双重嵌套,粗网格与细网格分辨率分别为30 km和10 km,对应区域网格格点数分别为192×331和312×540。垂直分辨率为27层,外层试验区域中心点位于109.927 °E,31.161 °N。初始场资料和侧边界场资料采用NCEP的FNL分辨率为1 °×1 °,6 h一次的数据。试验的微物理过程选用Lin方案;积云参数化方案选用浅对流Kain-Fritsch(new Eta);长波辐射方案为RRTM方案;短波辐射方案为Dudhia短波辐射方案;边界层方案选用Mellor- Yamada-Janjic(Eta)TKE方案;陆面过程是热量扩散方案。模式积分时间为2010年9月4日20时—6日20时,时间步长为60 s,积分48 h,每1 h输出一次模拟结果。

图 7 WRF模式模拟的双重嵌套网格的区域范围及区域内的地形(单位:m)分布

敏感性试验:为研究台风“玛瑙”对西南涡降水的影响,采用WRFV3.8.1版本的bogus方案,设计剔除台风的敏感性试验,试验中的相关参数为:将初始时刻2010年9月4日20时台风“玛瑙”的位置(126.9 °E,26.5 °N)作为敏感性试验移除台风的中心点,以初始时刻台风中心最大风速(23 m/s)作为移除风速,最大风速半径为100 km,兰金涡旋比例因子设为0.8。所用参数化方案与控制试验相同。

5.2 控制试验与实况对比

图 8为模式模拟台风“玛瑙”9月4日20时—6日20时路径与实况的对比。可见:虽然模拟的台风路径总体偏西,但误差均小于120 km(表 1),且对台风的移动趋势模拟效果较好,特别是在本文研究时段内台风的北上过程。此外,模式对川东地区的降雨模拟也与实况相近,只是模拟的雨量略微偏大,降水的总体分布,特别是川东地区自西向东逐渐增大的形态与实况基本吻合。如图 9b所示,模拟的5日14时—6日20时的30 h累计降雨主要分布于四川中部地区,形成一条降雨带,降雨大值区位于东部地区,四川南部基本无降雨。图 9b还给出了5日14时—6日20时西南涡移动路径的模拟结果(实心黑线)与实况(空心黑线)的对比,除了6日02时西南涡位置偏差较大外,其他时刻都比接近。6日02时模拟的西南涡位置偏南,较实况南移约0.9 °,东移约0.7 °,后面的3个时刻均与实况相近。模式模拟的西南涡走向为东北移动,与实况也基本符合。

图 8 2010年9月4日20时—6日20时模拟台风路径(红线)与实况(黑线)的对比
表 1 台风“玛瑙”路径误差
图 9 2010年9月5日14时—6日20时30 h降水累计降雨量(单位:mm)及西南涡路径实况(a)与模式模拟结果(b,空心黑线为实况,实心黑线为模式结果)

图 10为5日20时和6日08时两个时刻500 hPa环流场的模拟与实况的对比。模拟的环境场配置与实况相近,模式也基本正确模拟出了副高由于北上台风的挤压而东退的位置变化,以及四川上空低值系统的东移和四川西北部低压中心的不断南压。台风在东海北上期间与西南涡之间形成的大陆高压也与实况接近。鉴于模拟的台风路径、四川地区的降水、西南涡路径和高空环流背景场等均与实况相近,故下文的敏感性试验便在此模拟(控制试验)基础上进行。

图 10 500 hPa位势高度场5日20时(a、c)、6日08时(b、d)的实况(a、b)和模拟结果(c、d) 单位:10 gpm。
5.3 敏感性试验分析

为了进一步分析远距离台风对西南涡的影响,本文设计了初始场上去除东海台风“玛瑙”的敏感性试验,并据此对比分析西南涡移动路径及其降水的变化。从控制试验初始时刻的海平面气压场(图 11a)可以看到台风中心126.9 °E,26.5 °N的气压从内而外逐渐增大,且基本呈对称分布。图 11b为移除台风后的敏感性试验在初始时刻海平面气压场的分布,可见,移除台风后没有明显低值中心存在,且副高位置西移。

图 11 2010年9月4日20时的控制试验(a)和敏感性试验(b)的海平面气压场(单位:hPa)分布
5.3.1 台风对西南涡活动与降水的影响

图 12为是否去除台风的模拟30 h累计降水分布及西南涡路径。去除东海台风“玛瑙”后(图 12b),西南涡从川西向川东移动过程中,6日02时的位置由原来的105.45 °E,30.23 °N变为106.13 °E,31.42 °N,向北和向东分别偏移约1.19 °和0.68 °,即去除台风后西南涡移动路径总体北移。图 12c是去除台风后与台风存在时雨量差值,暴雨区位置随着西南涡路径的改变而北移,整个雨带从四川中部变为四川北部。此外,与实况和控制试验中6日20时西南涡仍在四川境内不同,去除东海台风的敏感性试验中的西南涡移动更快(6日08时已移出四川境内)、消亡得更早(6日08时后便与西风槽合并)。

图 12 2010年9月5日14时—6日20时30 h累计降雨量(单位:mm)和西南涡移出路径的控制试验(a)和敏感性试验(b)结果以及去除台风后与去除台风前的雨量差值(c,单位:mm)分布

结合图 13的700 hPa风场可以看出,由于台风的存在使大陆高压稳定维持,从而对上游的西南涡系统的东移形成阻挡作用,导致西南涡东移缓慢,进而引发四川地区的强降水。当东海海域的台风被去除后,对西南涡的阻挡作用也随之消失,西南涡快速向偏东方向移出四川境内,并与中高纬度的西风槽合并而消亡。

图 13 9月6日02时(a、d)、08时(b、e)和14时(c、f)700 hPa风场(箭头,单位:10 m/s)、相对湿度(阴影,单位:%)叠加的控制试验(a~c)和敏感性试验(d~f)

事实上,由敏感性试验的500 hPa环境场(略)可知,6日08时四川北部上空有一低槽东移,西南涡位于高空槽前,由于高、低空系统的配置,导致西南涡降水的强度增强(图 12b),西南涡之所以在去除台风后快速东北移,与高空的引导气流关系密切。去除台风后,500 hPa高空副高西伸入内陆,中部地区的等值线在槽前较陡,呈东北走向,从而引导低层西南涡向东北方向快速移出四川,并与东移的西风槽合并消失。

5.3.2 降水原因

前面已经分析出西南涡降水在去除台风与否的降水位置和强度有所改变,而降水的产生离不开水汽和上升运动。下面将从这两个方面进一步分析降水位置和强度改变的原因。由图 13可发现:去除台风后,大陆高压消失,伴随西南涡的偏南气流更加强盛,致使水汽在川东集聚的位置北移,对比图 13b13e可以明显看到川东水汽位置的改变,去除台风后水汽大值区移到川东偏北位置。

图 14为6日02时在强降水区沿106 °E经向垂直速度的控制试验和敏感性试验的垂直剖面。对比发现:垂直速度大值中心均位于中上层,有台风时的上升运动集中发生于30.5 °N附近,去除台风后的上升运动北移,位于31.3 °N附近。这与前面分析的降水中心北移具有一致性。去除台风后上升运动加强,水汽在川东偏北位置集聚,最终导致该地降水强度增强。由此可见由于远距离台风的影响,大陆高压分散一部分偏南气流,导致大量水汽在四川东部偏南地区聚集,加之受台风影响西南涡在川东移动缓慢,致使该地发生暴雨过程。

图 14 6日02时沿106 °E经向垂直速度的控制试验(a)和敏感性试验(b)的垂直剖面 单位:cm/s。
6 概念模型

通过敏感性试验与实况对比,得到台风影响西南涡的概念模型(图 15)。在中纬度地区存在两槽一脊的环流背景下,台风北上挤压副高东退,西南涡与台风之间形成稳定大陆高压。当去除台风后,西南涡很快移出四川并入西风槽消散,说明东海台风的存在对西南涡的移动有阻挡作用,使其移动减缓,延长滞留时间,给滞留区造成暴雨天气。

图 15 存在台风(a)和去除台风(b)的概念模型
7 结论与讨论

本文通过诊断分析东海台风“玛瑙”对西南涡及其引发的四川地区降水的影响,并且通过WRF模式设计敏感性试验,对去除台风与否的比较分析。

(1) 此次四川东部暴雨是在中纬度两槽一脊型的环流形式下产生的,巴尔克什湖以东的低压中心不断东移南压,四川位于槽前有利的形势下,同时高原有东移的低值系统即西南涡,台风“玛瑙”正好处于东海与西南涡相近的纬度上,台风与西南涡之间的大陆高压稳定维持,对东移的西南涡起到阻挡作用,加之南方不断有水汽向川东输送,在这些有利降水的条件作用下造成川东地区的暴雨天气过程。

(2) 位于东海海域的台风虽是强大的水汽源,但通过对川东降雨区进行水汽后向轨迹追踪发现,台风并未向该降雨区直接输送水汽,这有别于南海台风对西南涡的影响方式(直接输送水汽)。

(3) 敏感性试验结果表明,东海远距离台风对此次川东西南涡暴雨有一定影响。去除台风后,西南涡迅速东北移出四川并入西风槽而消失,说明台风对上游系统东移的阻挡作用,导致西南涡东移缓慢。此外,当东海海域有台风活动时,由于大陆高压外围气流影响导致向川东输送的偏南气流弱于去台风后,使得来自南海的水汽在川东偏南处集聚,致使该地暴雨。

(4) 去台风后降雨强度反而增强,这是由于西南涡东北移动与高空的西风槽耦合,上升运动增强,且此时水汽集聚强盛,导致降雨强度增强。

(5) 东海台风影响西南涡降水主要表现为:间接阻挡西南涡东移,减缓其东移速度,随着台风北上,阻挡作用消失,西南涡快速移出;台风强大的水汽源未向西南涡直接提供水汽。

本文只是个例分析结果,今后将进行大量的研究以确定此结论的普适性。

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