台风“莫拉克”降水观测与云物理特征的模拟研究

徐金霞, 刘奇俊, 宋振鑫

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.国家气象中心,北京100081)

0 引言

近年来许多学者从云微物理角度研究云微物理过程和结构特征对台风造成的影响[1-4]。Zhu等[5]对台风Bonnie进行了不同云物理过程的敏感性试验,得出不同的云微物理过程对台风的路径影响不明显,但对台风强度和内核结构影响显著。若关闭云水和雨水的蒸发过程将迅速导致台风眼区上升气流加强,台风半径减小。Franklin等[6]进行了冰相微物理过程对台风雨带影响的敏感性试验,研究表明霰落速的变化对模拟试验最为敏感,霰落速的加大将使风暴内核区的降雨量增大。

0908号台风“莫拉克”具有移动速度慢、降水强度大、持续时间长3大特点。“莫拉克”登陆台湾前在台湾东部近海停滞了近12小时,在台湾省花莲市登陆后对台湾省中南部造成了历史罕见的“八八水灾”,自8月6日00时至8月8日06时出现较大累积降雨量的地点有:屏东县上德文1296mm、嘉义县大湖947mm、高雄县排云824mm,雨量之大实属历史罕见。“莫拉克”登陆台湾后历经9小时横穿台湾中部地区,又在台湾海峡滞留了近31小时后二次登陆我国福建省霞浦县。登陆后一路北上给福建、浙江、江苏等地带来狂风暴雨,给人们带来了巨大的损失,因此对此次暴雨研究具有实际意义。选取此次台风作为个例,从云物理角度通过GRAPES中尺度模式模拟研究此次暴雨过程。

1 个例介绍

1.1 台风活动概况

0908号台风“莫拉克”(Morakot)于2009年8月3日18时(UTC下同)在西北太平洋洋面上生成,生成后以每小时10～15公里的速度向北偏西方向移动,于5日06时加强为台风,7日“莫拉克”到达台湾东部近海时速度明显减慢,在台湾东部近海停滞了12小时左右,于15时45分在台湾省花莲市沿海登陆,登陆时中心气压为955hPa,近中心最大风速达40m/s。登陆后横穿台湾中部地区,于8日01时进入台湾海峡,之后以每小时5公里左右的速度缓慢地向偏北方向移动,强度逐渐减弱。9日08时20分,“莫拉克”在福建省霞浦县再次登陆,登陆时中心气压上升至975hPa,中心附近最大风速有33m/s。登陆福建后“莫拉克”继续向偏北方向移动,强度分别于9日12时和18时减弱为强热带风暴和热带风暴。到9日22时,“莫拉克”进入浙江省泰顺县境内,在浙江停留了20余小时后进入江苏省宜兴市,再经过十几小时的穿越,最终于11日07时从江苏东台沿海移入黄海西部海面[7]。

1.2 500hPa天气形势分析

如图1(a)所示,由2009年8月7日12时(UTC下同)500hPa高空图可以看出,此时588线西伸至122°E附近,中心出现592dagpm的闭合等值线,台风中心最大风速超过33m/s,台风强度由热带风暴加强为台风,副高由南北的块状分布逐渐演变成东西带状分布,台风位置调整为副高南侧,在此期间莫拉克台风路径出现90°北折。同时可以较明显看出此时东亚地区中高纬度呈现两槽一脊的天气形势。台风于8月7日15:45分登陆台湾岛,此时台风受到台湾岛地形的阻挡作用,并在多种因素的共同影响下,转为偏西路径。由图1(b)可以看到8日00时副高明显东退减弱,588线退至131°E附近,“莫拉克”台风受槽前西南气流的影响,在台湾海峡移动缓慢。如图1(c)所示9日00时,乌拉尔山以东的西伯利亚西部低槽东移至贝加尔湖地区并向南加深发展,西太平洋副高继续减弱,为台风的北折登陆创造了有利条件。至9日12时如图1(d),莫拉克已减弱为强热带风暴,分析其500hPa环流演变可以看出,副热带高压又开始加强并再次出现592dagpm的闭合等值线,但偏南发展,莫拉克受其偏南气流引导也有利于台风向偏北方向移动。由图还可以看出在台风发展过程中其南侧和副高北侧存在着风速大于15m/s的两条急流带,提供水汽和不稳定能量的输送,为暴雨的发生提供了有利条件。

图1 2009年8月7日12时至8月9日12时500hPa天气形势变化(实线为等高线,箭头为风矢量(m/s),阴影区为大于15m/s的风速大小)

1.3 卫星云图分析

卫星云图能够比较直观的监测到台风云系的发生发展,并对降雨强度与落区有明显的指示作用。由图2(a)可以看出此时台风穿越台湾海峡即将登陆福建地区,台风云系在整个东部沿海盘旋发展,其左侧云系已覆盖到福建、浙江等地区,造成这一带的暴雨过程。并在台风登陆后,整个云系形成福建-浙江-江苏的沿海带状降水云团,造成沿海地带的暴雨、大暴雨过程。至9日21:15(UTC)时,台风已经减弱为热带风暴,台风眼已经填塞。整个降水云带在江苏省上空,对福建、浙江等地的影响基本结束。

图2 卫星云图

图3 9日03时各水凝物分布特征

1.4 TRMM卫星观测结构

主要利用T RMM卫星的2A12(TMI反演的降水资料)数据分析了“莫拉克”台风降水和降水云系中各种水粒子(云水、降水、云冰、降冰)的三维结构信息。资料在垂直方向上共14层,每层高度距地表分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0、6.0、8.0、10.0、14.0 和 18.0km 。

2009年8月9日03时“莫拉克”台风基本发展成熟,由TMI反演的地面降水分布图3(a)中可以较好的看出台风的涡旋结构和台风眼的大致位置,大面积的降水区域中存有带状的强降水分布,并且强降水雨带呈现明显的螺旋结构,降水大值区出现在福建大部分地区、浙江少部分地区和海上,台风眼基本无降水。由各水凝物的分布图可以看出此时雨水、可降冰(主要由雪和霰等较大的冰粒子组成)含量较高基本覆盖了整个台风云系。云水与雨水、可降冰分布范围大致相同,但其含量较低,并在台风眼的东侧明显出现一片云水低值区。云冰含量较其他水凝物含量明显偏低且主要出现在台风的螺旋云系中,在福建中部地区与浙江东南部地区上空云冰含量相对较高,这也说明了在这部分地区云顶伸展高度较高,云系对流发展比较旺盛。而从整体看,此刻各水凝物的大值区分布范围与地面强降水地区始终保持一致。

2 模式模拟与结果分析

2.1 模拟方案设计

利用包含有详细云微物理过程的GRAPES中尺度模式并采用增加了bogus初始涡旋的T213预报场作为初始场对“莫拉克”台风造成的暴雨进行数值模拟。模式模拟覆盖区域为 5°N～40°N、105°E～140°E,水平与垂直分辨率为0.2°×0.2°,模式垂直方向共22层,模式层顶气压为100hPa。在模式物理过程的参数选择上,长波辐射选用RRTM方案,短波辐射采用Dudhia方案,积云对流采用Kain-Fritsch方案,微物理方案采用双参数混合相方案。模拟初始时刻为8月8日00时,积分48小时,积分步长为60s,每1小时输出一次模式结果。

2.2 实况降水与模拟对比分析

由2009年8月8日18时(UTC)至9日18时逐6小时降水量实况(由地面加密站测得)与模式预报降水分布对比可以看出,模式预报结果与降水实况比较吻合,成功的模拟出雨带的位置及其走向,雨带整体呈现东北-西南走向,随台风登陆后偏北移动,形成了沿福建-浙江-江苏的带状暴雨以及大暴雨过程。由9日00时的前6小时模拟与实况降水对比可以看出,强降水中心出现在浙闽交界处,降水最大值超过60mm,模式预报的降水分布对比实况降水其中心位置略向北偏移,模拟强度最大值在90mm以上,较实况偏强。到9日06时随着台风的向北移动,强降水中心从浙闽交界处移向浙江省的东南部,福建省东北部地区的降水中心仍然存在,但较浙江东南部偏弱,模拟结果对暴雨中心预报效果良好。随着台风继续北移,至9日18时台风云系对福建降水影响减小,雨带移向江苏地区。模式客观的模拟了此次降水的落区和强度,虽然模式模拟对降水强度有一定的偏差,但对雨带位置模拟结果较好,基本上模拟出了此次降水过程的主要特征。从总体讲,对此次台风暴雨的模拟还是比较理想的。

2.3 MODIS对云顶温度的探测

文中采用由Terra采集的MOD06-L2和由Aqua采集的MYD06-L2云产品中的云顶温度信息反映云系的发展状况。如图5(a)(b)所示“莫拉克”即将登陆福建省,其西侧和北侧云系已覆盖到福建、浙江大部分地区。由图可以看出MODIS探测到的云顶温度低值区出现在福建省的东北部以及浙江省的东南部地区,其云顶温度最低值在220K以下。说明这部分云系发展旺盛,云顶伸展至较高高度,能为降水提供有利条件。由模式预报得到的云顶温度整体较实况偏低,福建及浙闽交界处存在较强的对流云团,云顶温度值在200K以下。

如图5(c)(d)所示,09日14:35台风已在福建省霞浦县登陆,由图可以看出降水云系在登陆后有所发展。随着台风的移动,台风外围云系已伸展到江西省和安徽省的中部地区,此时大陆云顶温度最低值降至210K以下,低值区出现在福建省的东北部以及浙江省的东南部地区,这两个发展深厚的云系也与强降水中心位置相对应。模式模拟结果对强降水中心的对流云团有所体现,模式模拟云顶温度整体较实况偏低,对台风整体螺旋云系体现不明显。

图4 2009年8月8日18时(UTC)至9日18时逐6小时实况与模拟降水对比

图5 2009年8月8日、8月9日云顶温度图及模拟云顶温度图

2.4 云微物理量分布特征

2.4.1 各水凝物模拟水平分布特征与卫星观测对比

由TRMM卫星水凝物分布和模式结果对比可以看出各水凝物在陆地的主要分布范围为福建大部分地区以及浙江省的东南部地区,模式较好的预报出各种水凝物在上述地区的分布情况。由图6(a)(e)可以看出在200hPa高度云冰模拟含量最大值在0.08g/kg以上,模式对其在福建地区的模拟分布强度与实况一致、范围较实况偏小;对浙江东南部云冰的模拟分布较实况含量值偏大。在冰晶层的下层地区有较丰沛的过冷云水,由图6(b)(f)可以看出在500hPa高度云水在福建省和浙江省实况最大值在0.01～0.05g/kg,而模拟强度较实况偏大为0.3～0.5g/kg,其分布范围与实况观测基本一致。雪与冰晶及下层的云水碰并产生大量的霰粒子,在450hPa高度上形成霰含量的大值区,由图6(c)(g)可以看出降冰含量最大值为0.9g/kg,分布在福建中部与浙江东南部模拟与实况吻合较好。霰在暖区融化及云水的碰并是雨水的主要来源,由图6(d)(h)可以看出在700hPa高度雨水含量实况最大值在0.2～0.4g/kg,而模拟强度较实况偏大为0.8～1.0g/kg,其分布范围与实况观测基本一致。

图6 2009年8月9日03时由TRMM卫星监测到的各水凝物分布特征与模式预报结果对比

2.4.2 垂直积分含水量分布和水凝物的垂直分布特征

由图7(a)看出9日03时的1小时降水量大值区出现在福建东北部以及浙江省东南部地区,台风中心基本无降水,与此时的卫星云图对比发现降水基本发生在台风的螺旋云带中,模拟的降水落区与水凝物含量分布范围基本一致。与1小时降水量分布对比可知总的水凝物含量(图7(b))的分布范围和强度与降水分布对应良好,且总水凝物含量极值点与强降水中心A点相吻合,这也是福建省与浙江省出现极端降水的原因。由图7(c)看出云水含量大值区位于眼壁云墙外围附近,最大值为1.8kg/m2,台风眼中有少量云水分布,含量低于0.1kg/m2。从积分固态水的含量分布图7(d)看出在对流活跃的台风西侧云系中冰晶、雪和霰粒子含量较高,分布在福建北部地区,是影响登陆后降水的重要因子。

沿9日03时台风中心B点(26.3°N,120°E)作各水凝物的纬向垂直剖面,从各水凝物的垂直分布图中看出此时台风结构明显,台风眼在120°E附近。云水(图8a)在垂直方向从900～400hPa都有所分布,并且在冷区也有较丰沛的过冷却水,大值区分布在500～600hPa,强度最大值为1.1g/kg以上,雨水(图8b)主要分布在450hPa以下,其分布范围与强降水中心相对应。台风的云墙外围附近存在着强烈的对流作用,因此云层可以伸展到更高的位置,伴随着冰晶(图8a)与雪(图8b)也分布在较高的高度即100～300hPa,最大值分布在200～250hPa,冰晶最大值为0.06g/kg,雪的最大值为0.12g/kg,雪分布范围较冰晶深厚。在云墙的上升气流中,冰雪与云水碰并在450hPa附近形成霰(图8c)含量的大值区,最大值约为2.2g/kg,而霰在暖区的融化以及云水、雨水的碰并也是降水的主要来源。从整体上看台风东侧云系相对西侧而言发展相对较弱,各水凝物含量最大值都出现在台风中心西部,约在118°E左右。

图7 9日03时降水量分布各水凝物垂直积分分布特征

图8 2009年9日03时通过台风中心的各水凝物分布特征(Qi、Qs为实线;Qc、Qr、Qg为阴影)

3 结束语

利用包含有详细云微物理方案的GRAPES中尺度模式对0908号台风“莫拉克”在福建、浙江等地引发的暴雨过程进行模拟,并利用各种卫星资料以及地面观测资料与模式结果对比,综合分析得到以下结论:

(1)模式对此次暴雨的模拟基本正确的模拟出了雨带的分布、走向以及强度。雨带整体呈现东北-西南走向,随台风登陆后偏北移动,形成了沿福建-浙江-江苏的带状暴雨以及大暴雨过程。强降水主要发生在福建大部分地区以及浙江东南部,模拟6小时累积降水最大值超过90mm。

(2)MODIS监测的云顶温度基本反映了台风云系的发展变化,云顶温度低值区出现在福建省的东北部以及浙江省的东南部地区其云顶温度最低值在220K以下。模拟结果与MODIS观测结果变化趋势基本一致,但数值偏低,即模拟的云顶发展至较高高度。

(3)莫拉克台风地面降水区存在多条强降水带,并且强降水雨带呈现明显的螺旋结构且存在许多的强对流雨团,降雨强度最大值达到30mm/h。由TRMM卫星监测的水凝物水平分布特征和模式结果对比可以看出各水凝物在陆地的主要分布范围为福建大部分地区以及浙江省的东南部地区,模式较好的预报出了各种水凝物在上述地区的分布情况。其中模式结果云水和雨水模拟强度较实况偏大,而对云冰和降冰的量级预报与卫星观测量级基本一致,云冰最大值在0.08g/kg以上,降冰含量最大值为0.9g/kg。

(4)模拟的各水凝物的垂直积分含量基本反映了该阶段的降水的主要特征。台风各水凝物的垂直分布基本可以分为3层,由冰晶与雪组成的冰相层,一般位于100～400hPa;由云水和雨水组成的液相层,一般位于600hPa之下,以及由霰与云水、雨水形成的混合层,主要分布在400～600hPa。9日03时刻降水最强区其总水凝物含量最大值达6.5kg/m2以上,积分固态水含量较高,超过3.0kg/m2。冰晶与雪主要分布在300hPa以上的高层,冰晶最大值为0.06g/kg,雪的最大值为0.12g/kg,雪分布范围较冰晶深厚。云水和雨水主要分布范围在500hPa以下,其分布范围与强降水中心相对应。在云墙的上升气流中,冰雪与云水碰并在450hPa附近形成霰含量的大值区,最大值约为2.2g/kg,而霰在暖区的融化以及云水、雨水的碰并是降水的主要来源。

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