热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (5): 637-644  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.05.006
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引用本文  

姚日升, 涂小萍, 俞芳芳, 等. 1614号超强台风“莫兰蒂”在浙江沿海降水预报偏小的原因[J]. 热带气象学报, 2018, 34(5): 637-644. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.05.006.
YAO Ri-sheng, TU Xiao-ping, YU Fang-fang, et al. Reasons for rainfall underestimation of the super typhoon 1614 (meranti) at coastal zhejiang province[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(5): 637-644. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.05.006.

基金项目

国家自然科学基金(41405051);中国气象局预报预测核心业务发展专项(CMAHX20160106)共同资助

通讯作者

涂小萍,女,四川省人,研究员级高级工程师,主要从事天气预报和应用研究。E-mail: txp_hk@aliyun.com

文章历史

收稿日期:2017-06-28
修订日期:2018-01-18
1614号超强台风“莫兰蒂”在浙江沿海降水预报偏小的原因
姚日升 1, 涂小萍 1,2, 俞芳芳 3, 袁伟民 4, 刘建勇 1,2     
1. 宁波市气象台,浙江 宁波 315012;
2. 浙江省气象科学研究所,浙江 杭州 310008;
3. 宁波市奉化区气象局,浙江 宁波 315500;
4. 宁波市气象服务中心,浙江 宁波 315012
摘要:通过对1614号超强台风“莫兰蒂”在浙江沿海降水预报偏小的原因进行回顾,同时基于美国NOAA HYSPLIT4模式,对“莫兰蒂”水汽来源进行轨迹聚类,针对不同路径来源的水汽在“莫兰蒂”浙江沿海降水中的贡献差异进行定量分析,结果表明:数值模式对“莫兰蒂”路径预报偏西、降水预报偏小,直接影响了主观预报服务中降水强度和落区的判断,而数值产品对中纬度环流作用和浙江沿海台风倒槽的预报出现偏差,同时对1616号台风“马勒卡”路径预报偏东,导致主观预报忽略了“莫兰蒂”与其他天气系统的相互作用,影响了对降水动力和水汽因子的判断,也是降水预报偏小的原因之一。“莫兰蒂”水汽输送有3支气流,分别来自东北、东南和偏南洋(海)面,后2支气流为主要水汽来源,浙北沿海以东南向水汽输送最重要,对水汽和降水贡献高达70%以上,表现出1616号台风“马勒卡”对“莫兰蒂”在浙北沿海降水的重要作用,而浙南沿海台风本体的偏南气流与“马勒卡”的东南气流的水汽输送作用相当。可见台风降水预报中,需要密切关注台风环流与其它天气系统以及双台风间的相互作用。
关键词天气预报    台风暴雨    预报偏差    双台风作用    水汽轨迹追踪    
REASONS FOR RAINFALL UNDERESTIMATION OF THE SUPER TYPHOON 1614 (MERANTI) AT COASTAL ZHEJIANG PROVINCE
YAO Ri-sheng 1, TU Xiao-ping 1,2, YU Fang-fang 3, YUAN Wei-min 4, LIU Jian-yong 1,2     
1. Ningbo Meteorological Observatory, Ningbo 315012, China;
2. Zhejiang Institute of Meteorological Sciences, Hangzhou 310008, China;
3. Fenghua District Meteorological Bureau of Ningbo City, Ningbo 315500, China;
4. Ningbo Center for Meteorological Services, Ningbo 315012, China
Abstract: Review was carried out in this paper to investigate the reasons for underestimated rainfall of the super typhoon Meranti (1614) in coastal Zhejiang province, and water vapor trajectory clustering was done as well by using the NOAA HYSPLIT4 model to investigate the quantitative contributions of water vapor to rainfalls from different channels. Results show that typhoon track deviations and rainfall underestimations by numerical models had direct impacts on the subjective forecasts of rainfall intensities and hitting areas. Moreover, numerical model forecast deviations, including weather patterns at mid-latitude, a typhoon reverse trough at coastal Zhejiang areas, and the eastward track offset of typhoon Malakas (1616), which led to the neglect of the interactions between Meranti and other weather systems in subject forecast and impacted the correct forecasts of rainfall dynamics and vapor conditions, should all be blamed for the rainfall underestimations. There were three water vapor trajectories for Meranti, from the northeast, southeast and south oceans (seas) respectively, with the latter two being the main sources. The southeast airflow was the most important for the rainfalls at the northern coast of Zhejiang, which took up more than 70% of the contributions to water vapors and rainfalls, implying the important role of typhoon Malakas for the rainfalls of typhoon Meranti. While at the southern coast of the province, the south airflow took almost as much role as the southeast airflow in water vapor transportation. Analysis implied that in routine services attentions should be paid to the interactions between typhoons and other weather systems as well as binary typhoon interactions.
Key words: weather forecast    typhoon heavy rainfall    forecast error    binary typhoon effects    water vapor trajectory    
1 引言

台风(热带风暴及以上等级热带气旋,下同)往往带来区域性强降水,包括台风本体、螺旋云带、外围环流和远距离水汽输送造成的降水。在台风路径和强度预报较准确的前提下,对前两种降水的预报已有较高的成功率,但对后两种类型的降水,仍可能出现较大偏差[1-4]

在沿海活动或登陆的台风,往往在低空形成一条宽广的东南风急流带,成为暴雨区的主要水汽和能量通道,可通过远距离输送在中纬度地区产生深厚的湿层和强水汽辐合,产生暴雨[5]。同时持续的水汽输送利于台风环流在陆地上维持,有助于台风雨带中的强对流活动,使降雨加强,而对流活动过程中水汽凝结潜热释放是台风获得能量继续维持的重要条件[6]。台风暴雨的强度与各种尺度的天气系统关系密切,包括中纬度西风槽、低涡、弱冷空气等[4, 7-9]

双台风的影响是台风与其它天气系统相互作用的一个特例,国内外有不少学者对双台风的相互作用距离、影响机制等做过深入研究。徐洪雄等[10]基于数值试验研究得出台风“天鹅”的水汽、动能输送为台风“莫拉克”发展与维持做出了一定贡献。梁军等[11]发现双台风“达维”和“苏拉”相互作用,有利于“达维”获得源源不断的水汽供应,并在辽东半岛地区形成水汽辐合,导致暴雨持续。漆梁波等[1]对双台风形势下上海地区一次暴雨过程作了预报对比,得出暴雨过程是由其中一个台风左后侧偏北气流与另一个台风倒槽东南气流相结合所致。1323号强台风“菲特”登陆减弱后,浙江、上海等地出现了强降雨,很多气象工作者研究得出与冷空气和台风“丹娜丝”的水汽输送密切相关[2-3, 12-14]。关于水汽输送,除了通过水汽通量的诊断[12],近年来HYSPLIT模式的后向轨迹也成为研究水汽来源与贡献大小的重要手段[14-15]

1614号超强台风“莫兰蒂”给浙江沿海带来区域性的特大暴雨,由于数值模式降水指导预报偏小,对1616号台风“马勒卡”水汽输送和中纬度环流作用估计不足,造成“莫兰蒂”在浙江沿海预报降水偏小。本文基于多种气象资料,对“莫兰蒂”强降水预报偏小的原因进行总结,应用HYSPLIT4模式分析“莫兰蒂”登陆前后的水汽来源和贡献,以加深对双台风相互作用时水汽输送的认识,为今后台风强降水预报提供参考。

2 资料和方法 2.1 资料

所用气象资料包括:(1)中央气象台台风实时业务定位定强和预报资料、常规观测资料、浙江省自动气象站和温州市洞头风廓线雷达资料。资料来自浙江省气象信息中心,风廓线雷达和自动站资料为逐小时整点值,进行了人工质量控制;(2)常用数值预报指导产品,其中欧洲中期天气预报中心(ECMWF)产品为细网格资料(0.25 °×0.25 °);(3)美国NCEP FNL全球再分析资料(1 °×1 °),用于要素场分析;(4) GDAS(Global Data Assimilation System)资料(1 °×1 °),用于HYSPLIT4模式进行水汽轨迹路径聚类分析。

2.2 方法

HYSPLIT4模式由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室(ARL)和澳大利亚气象局联合研发,用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹[16]。该模式使用拉格朗日观点来跟踪气流运动过程中所携带粒子的移动,分为前向轨迹模型和后向轨迹模型。HYSPLIT4模式提供了多条轨迹的聚类分析功能,聚类时逐条引进每一条轨迹,计算每一条轨迹的欧氏距离总空间方差变化率,当某条轨迹引入后导致总方差变化大于临界值时,该条轨迹被认为分属不同类别[17]。轨迹聚类分析时空间方差变化临界值取30%。

应用该模式及GDAS资料(包括风、湿度、温度等),对2016年9月14日08时(北京时间,下同)—16日08时“莫兰蒂”强降水期间进行逐3 h的72 h水汽后向轨迹追踪,起始点分别为宁波市奉化站和温州市文成站(代表浙南沿海)两个暴雨中心,垂直方向3 000 m以下间隔500 m,3 000~6 000 m间隔1 000 m,每个站分别得到153条气流后向轨迹进行聚类,每一类视为一个水汽通道。将各水汽通道后向轨迹中包含的逐3 h位温、比湿和高度进行平均,统计各水汽通道的要素特征。

根据各气流轨迹起始点(最终时刻)所对应的水汽含量和小时降水值,对每个水汽通道所包含每条轨迹起始点所对应的气象要素值求和,然后计算各水汽通道对站点水汽和降水贡献所占的比例,公式如下:

(1)

式中m为水汽通道数,n为第i个水汽通道所包含的轨迹数。Wi, j为第i个通道、第j条气流轨迹起始点所对应的气象要素值,对于水汽而言是相应时刻、对应高度的比湿,对于降水而言是相应时刻、对应站点的小时降水量。Ci为第i个水汽通道贡献所占的比例。

3 天气实况和预报情况 3.1 天气实况

1614号台风“莫兰蒂”于9月10日14时在菲律宾以东洋面生成,12日11时加强为超强台风,15日03时在福建省厦门市翔安区登陆,登陆时为强台风。登陆后朝西北方向移动,在闽赣交界处转向北偏东方向移动,15日17时减弱为热带低压,经江西、安徽,在江苏入海。1616号台风“马勒卡”于9月13日08时在菲律宾以东的洋面生成,15日20时加强为强台风。“马勒卡”先朝西北方向移动,17日在台湾东部海域转向偏北方向移动,18日转向东北方向移动。该台风主要影响我国东海海面,对沿海地区影响不大(图 1a)。

图 1 a.台风“莫兰蒂”和“马勒卡”路径及2016年9月13日08时的预报路径(黑色实线:实况路径,红色实线:中央气象台预报,红色虚线:关岛预报,绿色实线:日本预报,蓝色实线:ECMWF预报);b. 2016年9月14日08时—16日20时浙江省累积雨量(单位:mm)。

受“莫兰蒂”外围环流影响,9月14日上午浙江沿海开始出现阵雨,降水过程持续到16日下午,强降水时段主要在15日08时—16日08时,过程雨量空间分布见图 1b,全省平均雨量144 mm,其中宁波208 mm,温州197 mm,台州190 mm,300 mm以上有142站,500 mm以上有2站。

3.2 预报情况

对此类影响浙江的台风降水预报,实际工作中主要从以下几方面考虑:(1)台风路径和强度预报;(2)天气形势预报,重点关注是否有冷空气影响、是否有台风倒槽等;(3)降水数值预报和上级指导预报。

9月13日下午浙江省气象台首次发布“莫兰蒂”过程降水定量预报。按当时预报路径(图 1a),“莫兰蒂”台风本体降水将主要影响浙江西部,同时由于台风深入内陆,强度减弱较快,降水也很快减弱;另外,“马勒卡”与“莫兰蒂”相距1 400 km以上,两者相互作用较小。此时数值预报产品中浙江沿海的台风倒槽、低层辐合和冷空气对“莫兰蒂”环流的影响等因素都不明显,因此认为“莫兰蒂”降水以本体降水为主,没有其它降水增幅因子。图 2a为ECMWF细网格模式13日08时起报的14日08时—16日20时浙江省降水预报,浙江沿海和西部地区普遍在50 mm以上,浙南沿海有150 mm以上的降水中心,其它数值预报产品和上级降水指导预报与此量级大致相同。鉴于多家数值模式降水预报具有较好的一致性,故模式产品在首次降水预报中起到了重要的参考作用。

图 2 a. ECMWF 9月13日08时起报的14日08时—16日20时累积降水(单位:mm);b.13日16时浙江省气象台发布的14日08时—16日20时雨量预报。

基于上述分析,13日16时浙江省气象台首次发布的“莫兰蒂”决策服务产品中,预报14日白天—16日白天温州、台州、丽水大部和宁波中南部及浙西北天目山区有100~200 mm降水,其中温州大部200 mm以上(图 2b),14日仍维持上述预报结论。与实况(图 1b)对比,浙江沿海雨量预报普遍偏小50 mm以上,温州偏小100 mm,而宁波地区差距最大,偏小150 mm左右。

15日09时,浙江省气象台发布订正预报,将温州、丽水、台州、宁波以及天目山区等地剩余雨量提高到100~150 mm,但与后期雨量实况相比,仍有较大的差距。15日08—20时随着“莫兰蒂”转向北上,雷达回波的动态显示浙江东部沿海不断有新的对流单体生成,形成具有明显“列车效应”的强降水回波带(图 3),15日15时浙江省气象台再次发布订正预报:“预计今天下午到明天上午温州、丽水、台州、宁波、绍兴、金华、杭州、湖州、嘉兴等地区仍有大到暴雨天气,雨量一般还有40~70 mm,部分80~120 mm,局地可达200 mm以上”,与后期实况相比,仍存在一定的差距。

图 3 2016年9月15日16:40华东雷达拼图
4 浙江沿海降水预报偏小的原因 4.1 路径预报偏差和降水指导预报偏小

9月13日下午浙江省气象台首次发布“莫兰蒂”过程降水定量预报产品时,中央气象台、关岛、日本的主观预报和欧洲中心的数值模式对“莫兰蒂”和“马勒卡”路径预报总体偏差都不大,4站24、48、72 h路径预报平均误差分析,“莫兰蒂”13日08时为48、164、470 km,13日20时为64、230、802 km,“马勒卡”13日08时为66、156、218 km,13日20时为67、162、228 km,但对“莫兰蒂”的路径预报均偏西,而“马勒卡”路径预报均偏东(图 1a)。“莫兰蒂”转向北上后的路径预报偏西,导致业务预报中认为其中心距离浙江省较远,主要影响浙江西部,对东部沿海影响较小,这不仅直接导致对“莫兰蒂”降水影响程度预估偏小,也影响对降水落区的判断,同时“马勒卡”路径预报偏东还影响到对其水汽输送作用的判断。

13日08时起报的数值产品对14日08时—16日20时浙江沿海各地的降水预报均比实况明显偏小。ECMWF细网格对降水落区分布预报相对较好,但与实况(图 1b)相比仅浙南沿海预报出小范围150 mm以上的中心,宁波地区预报雨量仅50~100 mm(图 2b),即使考虑模式系统误差而加以修订仍与实况有很大的差距。13日20时起,随着台风路径预报更接近实况,降水预报仍偏小,其它数值产品也与其类似。数值产品是台风降水预报的重要参考依据,其预报偏小是导致降水预报偏小的主要原因之一。

4.2 台风倒槽预报偏差

浙江省年均会发生1.8次台风倒槽暴雨,占台风暴雨总数约4成,暴雨主要发生在宁波南部至温州一带沿海地区[18]。“莫兰蒂”预报中也关注了是否有台风倒槽的出现。图 4a为13日20时ECMWF细网格模式预报的15日20时850 hPa风场和散度场,可见“莫兰蒂”的预报位置比实况偏西南,同时没有预报出浙江沿海的台风倒槽和低层辐合。

图 4 a. ECMWF 2016年9月13日20时起报的15日20时850 hPa风场、散度场(填充,单位:10-5 s-1)和高度场(等值线,单位:gpm)(台风符号为实况位置);b. 2016年9月15日20时NCEP FNL 850 hPa风场、散度场(填充,单位:10-5 s-1)和高度场(等值线,单位:gpm)(紫色线条为台风倒槽标识)

事实上“莫兰蒂”登陆福建后,低层风场显示从台风中心到华东沿海水平风切变增大,形成明显的台风倒槽,15日白天到夜间为浙江沿海强降水集中时段,低层辐合较强,14时表现最强,925 hPa上倒槽内负散度中心值达到-10×10-5 s-1,20时850 hPa上倒槽附近有中心值-6×10-5 s-1的大范围负散度区(图 4b)。台风倒槽陆地一侧的风羽与等高线之间有交角,说明存在地转偏差,而地转偏差是造成辐合、辐散的动力因素。

4.3 忽视了中纬度环流的作用

弱冷空气渗透是台风暴雨增幅的一个重要因素。图 5a显示,2016年9月13日08时500 hPa华北地区有一个浅槽,14日08时850 hPa浙江北部-上海-朝鲜半岛有一个浅的冷舌存在,并有1 ℃以上的24 h负变温。同时,14日08时850 hPa θse(图略)也显示在华北南部(35 °N附近)有相对密集的等θse线,浙江位于高θse区,为强降水提供了热力和水汽条件。从850 hPa流场来看,14日08时(图 5b)在冷高压前部,日本岛-长江下游存在一条切变线,附近有正涡度区存在。之后切变线向东南方向移动,最终与台风倒槽相接,加深了浙江沿海的台风倒槽,同时加强了中低层的水汽辐合(图 4b)。700 hPa环流形势与850 hPa类似,只是冷高压中心和切变线相对偏西北(图略)。以上分析表明:北方弱冷空气在浙江北部与“莫兰蒂”环流交汇,从热力和动力上对浙江沿海的台风降水有增幅作用,遗憾的是由于该股冷空气太弱,连续几天的数值预报产品中都没有体现,导致预报中没有考虑弱冷空气对降水的增幅作用。

图 5 a. 2016年9月13日08时NCEP FNL 500 hPa高度场(黑色等值线,单位:gpm)、14日08时850 hPa温度场(红色等值线,单位:℃)及24 h变温场(填充,单位:℃);b. 14日08时NCEP FNL 850 hPa风场和涡度场(单位:10-5 s-1,紫色线条为切变线标识)。
4.4 忽视了“马勒卡”的水汽供应

13日08时—15日08时,台风“莫兰蒂”与“马勒卡”相距1 400 km以上,其后略有减小,但也有1 300 km左右。从台风的路径实况和预报来看,两台风因距离较远,互旋作用并不明显,导致对“马勒卡”的水汽供应作用估计不足。

应用HYSPLIT4模型的粒子后向轨迹来追踪“莫兰蒂”水汽来源,以进一步分析不同水汽通道对浙江沿海强降水的作用。图 6a6b为浙北沿海代表站点水汽通道和影响层次时空分布。表 1列出了各水汽通道的贡献占比和各水汽通道的特征统计值。

图 6 a. “莫兰蒂”浙北沿海水汽通道分布;b.浙北沿海水汽通道(填充,黑色:通道1,红色:通道2,灰色:通道3)、比湿(白色等值线,单位:g/kg)和降水(黄色曲线)时序图(横坐标:日期-时间,单位:dd-hh或hh,左侧纵坐标:海拔高度,单位:m,右侧纵坐标:降水量,单位:mm);c.洞头站水平风时空变化(横坐标:日期-时间,单位为dd-hh或hh,纵坐标:高度,单位:m)。
表 1 2016年9月14日08时—16日08时浙北、浙南沿海各水汽通道特征统计

图 6a显示主要水汽通道有3条,分别为来自日本海的东偏北气流(通道1)、来自西北太平洋的东南气流(通道2)和来自菲律宾北部海域的偏南气流(通道3)。通道2和通道3本质上分别体现了“马勒卡”对“莫兰蒂”的东南气流水汽输送和“莫兰蒂”东侧偏南气流的水汽输送。水汽通道影响时段和层次分析(图 6b),通道1影响时段均在“莫兰蒂”登陆前,层次不超过3 000 m,对应的降水弱且时空分布不均匀,通道2不仅层次深厚,而且影响持续到整个过程结束,对应着强降水时段,通道3层次基本在4 500 m以上,只有在16日强降水趋于结束时才变为主要水汽通道。浙南沿海通道2层次相对较低、影响时间较短,通道3占比相对较大(图略)。图 6b还显示强降水发生时段基本对应比湿增大或峰值时段,降水减弱伴随着比湿的减小,强降水结束后比湿急剧下降,说明水汽是强降水发生的基础条件。

图 6c为温州市洞头风廓线雷达测风的时空变化,可见浙南沿海水汽通道和层次分布与风廓线雷达测风资料时空变化基本一致。水平风在垂直方向上存在明显的风切变,16日02时起由于台风中心的接近,除低层为东南风外,垂直方向上表现为较一致的偏南风,反映出不同时间和高度上水汽通道的变化。1 000 m以下风向由东北转为东南,对应着由水汽通道1向通道2的转变,1 000 m以上风向则由东到东南风转为偏南风,反映出由水汽通道2向通道3的转变。

统计表明(表 1):各水汽通道在浙北和浙南沿海比湿有所不同,但均表现为通道2最大,通道3最小,通道1居中。对降水贡献以通道1为最小,其平均位温和高度也最低,可见通道1层次最浅薄;通道2和通道3对浙北沿海水汽贡献分别为71.7%和28.1%,对降水的贡献分别为77.7%和20.2%,对于浙南沿海而言,两通道的贡献相当。特征量对比还发现,通道3的位温和影响高度均较通道2更高,而通道2平均比湿较通道3高3.5 g/kg以上,这与通道3源地偏南,而且已有大量水汽凝结成降水并释放出潜热有关。

5 结论与讨论

通过对“莫兰蒂”台风浙江省降水预报的回顾,将主客观台风路径预报和降水预报与实况对比、数值产品形势预报与美国NCEP FNL(1°×1°)再分析资料对比,利用2016年9月13—16日浙江省自动气象站和风廓线雷达观测,基于美国NOAA HYSPLIT4模式对1614号超强台风“莫兰蒂”水汽来源进行轨迹聚类,对其在浙江沿海降水预报偏小的原因进行分析得出以下结论。

(1) “莫兰蒂”路径预报偏西、数值模式降水预报偏小,直接影响了对浙江降水强度和落区的判断。

(2) 数值预报产品对中纬度环流作用和浙江沿海台风倒槽的预报出现偏差,同时“马勒卡”路径预报偏东,影响了对降水的动力和水汽因子的判断,也是降水预报偏小的原因之一。

(3) “莫兰蒂”水汽输送有3支气流,分别来自东北、东南和偏南洋(海)面,后2支气流为主要水汽来源,浙北沿海东南向气流对水汽和降水贡献超过70%,表现出“马勒卡”对“莫兰蒂”在浙北沿海降水的重要作用,而浙南沿海台风本体的偏南气流与“马勒卡”的东南气流的水汽输送作用相当。

可见台风降水预报中,需要密切关注台风环流与其它天气系统以及双台风间的相互作用。台风降水开始后,判断强降水结束时间和剩余雨量也是预报中的一个难点。如果具备可行的资料快速同化和预报系统,综合分析风廓线雷达、GPS/MET等其它观测资料,将有助于预报员把握天气形势的变化,做出更及时、准确的预报。

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