浙江省地形对0908台风“莫拉克”降水影响的数值试验*

2013-12-07涂小萍徐迪峰

浙江气象 2013年4期

涂小萍徐迪峰王毅

(宁波市气象台，浙江宁波315012)

0 引言

地形对天气系统结构和降水分布的影响研究表明，不同尺度、不同走向地形对不同天气系统结构和降水分布的影响不同［1-4］。诊断分析表明，地形不仅影响热带气旋(TC)路径，也是导致TC降水增加的重要因子［5-7］。山脉地形在一定条件下形成的地形辐合线往往是TC内部中尺度对流系统的源［8］。为了研究浙江省地形对TC结构和降水的影响，钮学新和冀春晓等分别应用中尺度模式对0216号台风“森拉克”和0414号台风“云娜”进行了数值模拟，结果表明浙江省地形对这两个TC的降水增幅作用是不同的［9-10］。季亮等通过对0509号台风“麦莎”的数值模拟研究发现，地形的存在有利于维持TC涡旋强度，这种影响随TC中心与地形间距离的缩小而逐渐增强，且在对流层中高层表现更为明显［11］。朱会芸等研究发现，台湾岛地形对0513号台风“泰利”涡度场的中心强度和非对称结构有明显影响，是台风外围降水加强的主要原因［12］。对台风“海棠”的模拟发现浙闽地区复杂的中尺度地形为暴雨的增幅做出了重要贡献［13］。

0908号台风“莫拉克”2009年8月4日在西北太平洋洋面生成后一路加强西行，8月7日在台湾登陆，进入台湾海峡到再次登陆福建前，由于多个TC环流和“莫拉克”结构的不对称性导致其移速缓慢并发生路径北折［14］。“莫拉克”台风给浙江省带来大范围强降水，100 mm以上过程雨量覆盖全省面积的73%，250 mm以上覆盖面积29%。温州苍南的马站和渔寮分别观测到42.8和43.2 m/s的14级阵风。

评估表明，浙江省气象台业务运行WRF模式基本能预报出降水空间分布和时间演变，但范围和量值偏大。就区域平均而言WRF模式在实况降水量明显时预报性能较好［15］。本文应用宁波市气象台业务运行WRF模式对“莫拉克”台风降水预报进行检验分析，以了解WRF模式的降水精细化指导能力及浙江省地形对“莫拉克”台风结构的影响。

1 试验方案设计

模式和资料同化采用ARW-WRF/3DVAR(V3.1)系统，初猜场采用NCEP/GFS输出的水平分辨率为 0.5°×0.5°的全球分析场，模式初始化过程中同化了常规高空、地面观测资料、浙江省内5部雷达和所有自动站资料，微物理过程采用Thompson方案，辐射采用RRTM长波方案和Dudhia短波方案，初始化未采用TC-Bogus方案，也没有采用积云对流参数化方案［16-17］。本文设计了2个试验，试验中除地形高度不同外，其他试验条件完全相同。

试验1:控制试验，模式地形为真实地形;

试验2:模式在26°N ～31°N，117°E ～123°E范围内的地形高度取为0 m。

试验采用了双向两重嵌套网格。模式粗网格距15 km，细网格距5 km，格点数分别为246×232、190 ×181，分别使用 2'和 30″地形数据。粗网格中心点为30°N、120°E，垂直方向取35层eta坐标，模式顶为50 hPa。模式初始时间为2009年8月8日08时(北京时，下同)，共积分48 h，时间积分步长分别为60、20 s。资料分析主要针对24～48 h进行，以保证试验结果差异没有受到spin up时间影响。

2 WRF控制试验预报分析

2.1 模拟台风路径和强度分析

图1为试验1(WRF控制试验)8日08时—10日08时逐3 h模拟“莫拉克”台风路径与中央气象台(CMO)实时业务定位对比。图中可见，模式对台风西北行趋势有预报能力，但有一定程度的偏差。8日10时—9日12时“莫拉克”缓慢偏北移动过程中，模拟台风中心明显偏西，平均偏西0.64个经度，且有定位上的摆动。模拟台风中心有2次登陆，分别发生在05—08时和11—14时。模拟中心气压分析，9日02时前维持在970 hPa左右，05—08时台风第一次登陆后中心气压并没有明显升高，08时仅比05时升高1 hPa，而11时又比08时升高1.8 hPa，表明05—11时台风强度逐渐减弱，11—14时模拟台风中心再次登陆后中心强度以每3 h约2 hPa的速度填塞，比CMO实时业务定强填塞时间提早约3 h。模拟中心气压与实时业务定强对比趋势一致，但比实时定强偏高，平均偏高6.4 hPa，中心风速偏小9 m/s，分析原因可能与模拟初始时刻中心气压就偏高9.5 hPa有关系，而海上观测资料稀少对于模式精确描述台风强度及其变化也会产生影响。

图1 2009年8月8日08时—10日08时WRF预报逐3 h莫拉克台风路径与中央台业务定位对比(粗黑实线为实况，细灰实线为WRF预报)

2.2 控制试验降水预报检验

试验1模拟48 h累积降水主要在浙江东部(图略)，最大降水出现在温州，中心值超过500 mm，泰顺九峰48 h累积雨量465.2 mm。浙南地区模拟降水主要出现在8日08时—9日08时，浙中和浙北在9日08时—10日08时(图2a)，而实况浙南降水主要在8日夜间到9日白天，浙中和浙北主要在9日08时—10日08时，模拟浙南强降水时段比实况偏早，浙中和浙北地区模拟降水时段与实况较接近，9日08时—10日08时模拟50 mm以上降水主要位于浙中和浙北地区，模式成功预报出宁波西部山区200 mm以上的强降水带(图2a、2b方框内区域)。

图2 WRF模式对“莫拉克”台风9日08时—10日08时模拟降水(a)与实况(b)对比及宁波市气象站雨量预报与实况散点分布(c)

将WRF模式输出通过双线性插值到站点得到宁波市135个气象站(包括自动站)模拟降水量，分析表明，模式对“莫拉克”台风9日08时—10日08时降水量预报与实况相关系数达0.762，图2c为宁波市各站预报降水量与实况的散点分布，站点较均匀地分布在对角线两侧，其中62站(45.9%)预报降水与实况距平百分率绝对值小于20%，60站(44.4%)在20% ～50%之间，仅13站超过50%，150 mm以下降水站点相对于对角线的偏离程度相对小。面雨量预报与实况比较:模式对宁波市中北部5个市县24 h面雨量预报与实况很接近，宁波市区预报134 mm，实况为123 mm，而对宁波南部地区模式预报比实况偏多3～5成。模拟150 mm以下降水站点主要位于地形相对平坦的北部和东部沿海，而150 mm以上降水站点主要在地形相对复杂的南部和西部山区。地形差异可能是导致模式150 mm以下模拟降水与实况偏离相对小的原因。

对24 h 累积降水量分 50、100、150、200 和250 mm 5个等级对宁波市境内135站预报降水进行 BS(Bias Score)和 TS 评分［18］，结果表明(表1)，模式对50和100 mm以上的降水TS评分比较高，分别达到 0.963 和0.778，BS 接近1，表明模式预报站次接近实况。随着降水临界值增大，TS评分逐渐下降，对200mm以上降水TS评分仍有0.320，但漏报率明显增大，达到0.520，相应的BS降到0.571。对于250 mm以上的特大暴雨模式预报能力较差，TS评分小于0.1。

表1 2009年8月9日08时—10日08时宁波市135站不同等级降水TS、BS评分

逐3 h降水量模拟结果分析，模式较准确地模拟出雨带随台风中心北抬的过程。9日08—11时模拟15 mm以上降水区影响到宁波市的中、南部地区，下午影响宁波市区，9日17—20时宁波西部和南部3 h降水普遍达到50 mm以上，局部3 h累积雨量超过100mm，10日凌晨开始宁波市降水明显减小，降水带的移动与实况基本一致。

2.3 模拟雷达回波分析

WRF模式成功再现了“莫拉克”北抬过程中雷达回波的移动。图3为积分24 h(图3a)和33 h(图3b)模拟组合反射率及9日17时实况(图3c，对应33 h预报)对比(黑框内为宁波地区)，分析可见，积分24 h后宁波南部大部分地区组合反射率达30 dBz以上，与南部地区上午开始的明显降水时间基本吻合。强回波带随着积分时间延长逐渐北抬，中午前后整个宁波市被30 dBz以上的回波区覆盖，中南部地区组合反射率强度超过40 dBz，局部地区超过50 dBz，与宁波中南部的奉化、宁海和象山强降水出现时间一致。9日下午宁波市降水明显，积分33 h宁波市大部被30 dBz以上的回波覆盖，并且在宁海、奉化西部山区和鄞州西部山区出现超过50 dBz的局部强回波区，与实况基本相符，但宁波北部慈溪市的部分地区模拟回波强度不超过10 dBz，比实况稍弱。总体来说模式对雷达回波的移动速度和强度把握具有较高的参考性。

图3 积分24 h(a)、33 h(b)组合反射率预报及9日17时实况(c，对应积分33 h)

图4 望海岗自动站模拟雷达反射率时间剖面(a)、逐小时降水量时间序列(b)、积分33 h模拟雷达反射率纬向剖面(c)及实况(d)

以宁波市海拔最高的山区自动站望海岗(图3中箭头所指点)为例，对比9日02时—10日08时模拟雷达回波时间剖面图(图4a)和逐小时雨量(图4b)，发现较强回波主要出现在9日6—23时，17 h前后回波强度达40 dBz以上，40 dBz强度回波高度超过700 hPa，对应17时前后该自动站雨强接近15 mm/h，19时雨强超过40 mm/h，强回波时段与该自动站较强雨强时段对应还是比较好，回波生消发展对强降水出现时段预报有参考意义。分析还发现，降水回波主要出现在迎风坡，垂直结构均匀，9日17时(积分33 h)沿望海岗自动站的模拟基本反射率纬向剖面图(图4c)上可见:回波集中在119.5°E ～122.5°E 之间的迎风坡和地形上空，望海岗以东的迎风坡和金华北部山区40 dBz强度的回波能伸展到400 hPa，比实况偏高(图4d)。10日02时开始随着台风远离模拟和实况回波强度和范围都明显减弱。

3 浙江省地形对台风结构和降水影响

3.1 浙江省地形对降水影响

对比试验1和试验2对浙江省9日08时—10日08时降水量预报(图5a、5b)发现浙江省地形对“莫拉克”台风降水分布影响较大，试验2(图5b)降水集中在台风中心附近300 km半径范围内，呈相对对称分布，浙江东南部沿海地区及近海海域降水相对较强，超过100 mm的降水分布在近海海面。试验1(图5a)台风空间降水发生了明显改变，台州、宁波大部分地区24 h雨量超过100 mm，50 mm以上的降水增幅带主要位于28°N以北地区(图5c)，降水增幅大值中心一般模式地形高度也相对高，如衢州和金华海拔超过1 km的山区降水增幅中心值达100 mm以上，杭州北部的天目山区也有50 mm以上的降水增幅中心。50 mm以上的降水增幅带与地形走向基本一致(图5c)，但全省降水增幅最大区域不是出现在海拔最高的地区，而是在宁波市西部山区，有一条150 mm以上的南北向强降水增幅带，而浙西南丽水境内海拔高度超过1 km的区域降水并没有明显增大，可见地形高度虽然对降水有增幅作用，但降水增幅与海拔高度并不完全呈线性关系。浙江省地形导致“莫拉克”台风中心后部海面降水量普遍减小50 mm以上，28°N以南的浙南地区降水增幅也不明显，仅局部出现50 mm的降水增幅，主要由于浙南地区模拟强降水出现的时段比实况偏早引起的。

图5 试验1(a)、试验2(b)对9日08时—10日08时“莫拉克”台风在浙江省降水量预报及差异(c，填色为模式地形高度)

3.2 浙江省地形对大尺度环流的影响

模拟发现，浙江省地形对“莫拉克”台风大尺度环流的影响在风场上表现为地形辐合线的形成。图6为积分24 h不同层次地形风矢量场(试验1与试验2风矢量差)，此时台风中心位于25.9°N，120.4°E 的台湾海峡，在距离台风中心200 km以上的浙江省上空形成一条近似东北—西南向的辐合线，并随高度向浙江西南部收缩(图6a—6d)，浙北地区地形辐合线在600 hPa(图6d)以下层次表现清楚，而海拔相对高的浙西南地区，辐合线一直可以伸展到400 hPa(图6e)，400 hPa以上地形影响表现为南风的增强(图6f)，导致台风在迎风坡风速的明显减小，最大在丽水境内300 hPa层次风速可减小30 m/s。随着台风中心北抬，地形辐合线也随之北抬，辐合线走向基本为东北—西南向，平行于浙江东部地形。积分30 h(TC 中心26.3°N，120.1°E，靠近闽北陆地)地形辐合线的北端开始影响宁波市，辐合线自东北向西南几乎跨过了整个浙江省。积分40 h后地形辐合线移出浙江省。沿地形辐合线降水得到了明显增强，图7分别为积分24、30、33、36 h 700 hPa地形辐合线及1 h降水增幅。图中可见10 mm/h以上的降水增幅带基本沿着中低层地形辐合线，呈东北—西南走向，在地形辐合线后部部分区域1 h降水增幅＜0，最大降水减少20 mm/h以上，可见地形加剧了台风降水分布的空间不均匀性。积分36 h(图7d)地形辐合线影响到杭州地区，并在千岛湖南部诱生出一个地形涡旋，涡旋中心距离台风中心200 km以上(此时台风中心在温州境内 26.7°N，119.8°E)，而地形诱生涡旋东部的宁波、绍兴和杭州境内有明显的10 mm/h以上雨量增幅带。对比雨量增幅带和20 h宁波雷达组合反射率实况(图略)发现，10 mm雨量增幅带与30 dBz的回波带走向对应较好。

图6 积分24 h不同高度地形风矢量场

图7 积分24(a)、30(b)33(c)、36(d)h700 hPa地形风矢量及1 h降水增幅(单位:mm)

图8 积分33 h试验1(a)和试验2(b)沿望海岗水平风场及垂直速度纬向剖面及垂直速度差(c)时间剖面

地形还使得上升气流和下沉气流相间增强，从而进一步加剧了降水空间不均匀性。如果不考虑浙江省地形影响，“莫拉克”台风在宁波市的上升速度不会超过0.2 m/s，而试验1水平风场和垂直速度都发生了明显改变。图8a和8b分别为积分33 h试验1和试验2沿宁波市望海岗自动站的纬向剖面图。不考虑地形时(图8b)，宁波市南部地区500 hPa以下层次以偏东风为主，垂直速度一般不超过0.1 m/s。试验1中(图8a)迎风坡前以东南风为主，背风坡盛行东北风，迎风坡上升速度明显增强，在宁波望海岗和金华义乌上空出现2 m/s以上的上升气流，而其西侧中低层下沉气流也得到增强，绍兴市新昌县出现超过0.5 m/s的下沉气流，从而形成了次级垂直环流，进一步增强了降水的不均匀性。分析试验1与试验2望海岗自动站垂直上升速度增幅时间序列(图8c)发现，望海岗的垂直速度在9日17时得到了最明显的增强，达到2 m/s以上，上升气流增强主要表现在600 hPa以下，表明望海岗地形影响主要表现在600 hPa以下的中低层。

4 结语

1)WRF模式对“莫拉克”台风在宁波市135个气象站24 h累积降水量预报与实况相关系数达到0.762，模式对50 mm和100 mm以上的降水 TS评分分别达到0.963和0.778，BS接近1，对200 mm以上降水TS评分仍有0.320，并成功预报出宁波市西部山区200 mm以上的强降水带。对“莫拉克”台风北抬过程中雷达回波的移动速度和强度把握具有较高的参考性，模拟降水回波主要出现在迎风坡面，垂直结构均匀，与实况基本符合。

2)模式对浙南地区模拟降水主要出现在8日08时—9日08时，比实况偏早，而浙中和浙北模拟降水时段与实况基本接近。由于浙江省地形影响，“莫拉克”台风空间降水发生了明显改变，9日08时—10日08时累积50 mm/24 h以上的降水增幅带主要位于28°N以北地区，降水增幅大值中心一般模式地形高度也相对高，但降水增幅与海拔高度并不完全呈线性关系。

3)浙江省地形对大尺度环流的影响主要表现在浙江省境内形成明显的地形辐合线。地形辐合线基本呈东北—西南向，并随高度向浙江西南部收缩。浙北地区地形辐合线在600 hPa以下层次表现清楚，而海拔相对高的浙西南地区，辐合线一直可以伸展到400 hPa，随着台风中心北抬，地形辐合线也随之北抬。地形辐合线附近降水得到了明显增强，10 mm/h以上的降水增幅带基本沿着中低层地形辐合线并随辐合线移动。

［1］孙建，赵平，周秀骥.一次华南暴雨的中尺度结构及其复杂地形的影响［J］.气象学报，2002，60(3):333-342.

［2］毕宝贵，刘月巍，李泽椿.秦岭大巴山地形对陕南强降水的影响研究［J］.高原气象，2006，25(3):485-494.

［3］孟智勇，徐祥德，陈联寿.台湾岛地形诱生次级环流系统对热带气旋异常运动的影响机制.大气科学，1998，22(2):156-168.

［4］王鹏云.台湾岛地形对台风暴雨影响的数值研究［J］.气候与环境研究，1998，3(3):235-246.

［5］张海霞，崔晓鹏，康凤琴，蔡守新.邯郸地区一次登陆台风大暴雨过程观测分析［J］.高原气象，2007，26(5):980-991.

［6］李勋，李泽椿，赵声蓉，曾智华，王勇.“珍珠”(0601)异常急翘路径和内核结构变化的诊断分析及数值研究［J］.气象，2010，36(9):1-8.

［7］张恒德，孔期.0604号强热带风暴碧利斯异常强降水过程的诊断分析［J］.气象，2007，33(5):42-48.

［8］陈联寿，孟智勇.我国热带气旋研究十年进展.大气科学，2001，25(3):420-432.

［9］钮学新，杜惠良，刘建勇.0216号台风降水及其影响降水机制的数值模拟试验［J］.气象学报，2005，63(1):57-68.

［10］冀春晓，薛根元，赵放，余贞寿，等.台风云娜登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验［J］.大气科学，2007，31(2):233-244.

［11］季亮，费建芳.地形对登陆台风麦莎(2005)影响的数值模拟研究［J］.气象，2008，34(6):60-66.

［12］朱会芸，熊双全.地形对台风影响的数值模拟研究［J］.成都信息工程学院学报，2008，23(4):453-459.