台风“尤特”(1311)暴雨的数值模拟及螺旋度诊断分析

王硕甫， 钟兰頔， 李瑞， 李彩玲

(1．佛山市气象局，广东佛山　528000；2.广东省气象台，广东广州　510080；3.南昌市气象局，江西南昌　330000；4.中国民航三亚空管站，海南三亚　572000)



台风“尤特”(1311)暴雨的数值模拟及螺旋度诊断分析

王硕甫1，2， 钟兰頔3， 李瑞4， 李彩玲1

(1．佛山市气象局，广东佛山528000；2.广东省气象台，广东广州510080；3.南昌市气象局，江西南昌330000；4.中国民航三亚空管站，海南三亚572000)

摘要：为了研究台风暴雨的环流特征，利用NECP/NCAR 1°× 1°再分析资料，应用中尺度WRF模式对“尤特”进行数值模拟。模拟结果表明，副高的位置、西南季风急流的水汽输送和大尺度辐合是造成华南地区大范围暴雨的重要原因。利用模拟结果，对台风暴雨的垂直螺旋度特征的进一步研究后指出，垂直螺旋度能很好地反映低层大气辐合、高层大气辐散的垂直结构，螺旋度大值中心的位置与台风暴雨落区有较好的对应关系，螺旋度迅速增大预示着降水急剧增加，对台风暴雨的强度和落区预报有较好的指示作用。

关键词：天气学； 台风暴雨； 数值模拟； 螺旋度； “尤特”(1311)

近年来，随着多普勒雷达、气象卫星、中尺度自动站等观测手段应用于台风的高分辨率监测，对台风的发生发展条件、结构、移动路径、风雨特征以及台风暴雨影响因子等有了众多的研究结果[1-7]。此后由于数值模式具有较高的时空分辨率和能较好地反演天气过程等优势，对台风过程进行数值模拟试验逐渐成为了研究台风热力结构、演变过程和台风涡旋的主要手段[8-9]。周冠博等[10]模拟了台风“凤凰”的登陆过程，其诊断结果表明散度垂直通量能够描述低层辐合、高层辐散的垂直动力结构，能较好地预报台风暴雨的落区；闵颖等[11]对台风“珍珠”的模拟和诊断结果表明，台风暴雨和大风主要集中在螺旋云带范围内，螺旋云带内的强抽吸作用和毛细效应是上升运动强烈发展的主要因素。

螺旋度是用来表示流体沿旋转方向运动强弱的物理量，是有利于维持大气对流运动的重要基本特征之一，被广泛应用于暴雨、雷暴、台风、龙卷等强对流天气的诊断分析[12-14]。许多相关研究表明，螺旋度中心位置、强度的变化对台风暴雨具有预报意义[15-17]。本研究在进行大气环流分析和数值模拟的基础上，利用物理量诊断的方法，分析了2013年第11号台风“尤特”登陆过程中强降水的分布和螺旋度与强降水的对应关系，希望能够对以后台风暴雨的预报提供一定的帮助。

1“尤特”台风简介

1311号台风“尤特”于2013年8月9日18：00(世界时，下同)在菲律宾以东洋面生成后向西北方向移动，强度迅速加强，于11日09：00达到超强台风级别，11日19：00在菲律宾吕宋岛东部沿海登陆，之后继续向西北方向移动，以台风强度进入南海。在南海，“尤特”于13日00：00再次加强为强台风，并于14日07：50前后登陆广东省阳西县，登陆时中心气压955 hPa，最大风速42 m/s。

本研究利用NECP/NCAR 1°×1°再分析资料和Micaps降水资料分析大气环流背景和降水情况，应用WRF模式对2013年8月13—16日的“尤特”台风登陆过程开展数值模拟并进行暴雨过程的螺旋度诊断分析。

2数值模拟方案设计

本研究利用非静力中尺度数值模式WRF3.4.1版本对强台风“尤特”的登陆过程进行模拟，选取NECP/NCAR 1°×1°再分析资料作为模式初始场，采用双重嵌套网格，模式中心为22.54°N，115°E，模拟方案设计如表1所示。积分时间为2013年8月13日00：00——16日00：00共72 h，积分步长为180 s。

表1　WRF 模式参数设定

3模拟结果及验证

3.1环流形势

由图1可以看出，在整个积分时间段内，模拟的500 hPa副高、台风闭合环流的形状和位置的变化特征与实况一致。850 hPa的模拟流场与实况十分相似，流场中心位置基本吻合，而且也描绘出了由13日00：00流场中心东西两侧风速不对称逐渐转为14日00：00的对称性结构的特征。但不足之处在于，在台风登陆后，模拟风场陆地上的风速较实况偏大，其原因可能与模式下垫面对风速的影响考虑不足有关。

图1　实况(a、b、c)与模拟(d、e、f)的500 hPa高度场(等值线，单位：dagpm)及850 hPa急流(风向杆，单位：m/s)对比

从大尺度环流特征来看，随着台风环流的西行，在500 hPa上其逐渐转为偏南气流引导，移动路径由西北路径转为偏北路径。到了15日00：00，中纬度地区副高西伸，同时菲律宾上空存在块状高压，“尤特”同时受到东风气流与西风气流作用，引导气流不明显，台风环流维持在两广交界处。从850 hPa风场的情况可以看到，从13日00：00起，一条宽广的西南低空急流带与台风环流连接，为台风环流的发展加强提供了丰富的能量和水汽。台风登陆后，从孟加拉湾经中南半岛到华南地区仍维持着急流强度的西南风到偏南风，台风环流中心的东侧明显存在偏南风和偏东风的辐合，华南地区位于大尺度水汽和风向辐合的中心。

3.2台风路径

图2是“尤特”台风实况与模拟路径对比。

图2　台风“尤特”的实况(黑线)与模拟(红线)路径

可以看出，从模拟开始到15日00：00，模拟与实况的台风路径较为一致，模拟试验中台风的移速稍慢于实况。实况与模拟路径都显示台风在登陆前后有西折的现象，但是实况路径的西折发生在14日06：00到12：00，模拟路径发生在14日12：00到18：00。在15日00：00之后台风路径开始向东折，但是模拟路径的东移不是很明显，速度也明显慢于实况。

3.3雷达回波与24 h降水

对比2013年8月14日“尤特”登陆期间实况及模拟的雷达回波分布情况可以看到(图略)，模拟的云团回波与实况的分布形式比较一致，台风的眼区、云墙和螺旋雨带等结构的回波特征十分清晰，也描绘出了台风中心西南侧的回波明显比东北侧强度强、组织性高的特征。模拟回波的上岸时间、地点与实况基本吻合，模拟试验还反映出了“尤特”登陆后回波迅速减弱的特点。不同之处在于，在模拟图中可以看出00：00和06：00台风中心东北侧的回波比实况偏强，并且12：00的模拟雷达回波上台风眼仍清晰可见，但实况雷达回波已难分辨出台风眼区。

图3给出了8月13日00：00—16日00：00的逐24 h实况及模拟降水分布。在“尤特”登陆前，广东东南部的莲花山脉南坡及海南东北部地区已出现暴雨级别降水，而上述地区的模拟降水量级偏小。“尤特”登陆当天，广东西南部和广东东南部沿海地区出现100 mm以上降水，数值模拟对广东西南部的降水落区吻合较好，但降水中心量级偏大，对于广东东南部的降水则量级与范围都明显偏小。15日，大暴雨区继续向北延伸，珠三角地区、广东西南部沿海及广东西北部、广西东北部均出现100 mm以上降水，50 mm以上降水范围也有明显扩大，模拟降水能很好地反映出当日降水范围扩大的特征，但存在降水中心位置偏西偏南以及中心量级明显偏大的问题，对粤东地区的降水减弱也没有很好地反映出来。

图3　13日00：00—14日00：00(a，b)、14日00：00—15日00：00(c，d)、15日00：00—16日00：00(e，f)24 h实况(a，c，e)和模拟(b，d，f)累积降水量(单位：mm)对比

4螺旋度诊断分析

本研究利用模式输出的高时空分辨率资料，选取垂直螺旋度进行强降水的动力诊断，Z坐标系下垂直螺旋度的表达式为

在对各层垂直螺旋度和散度随时间的变化进行对比分析后发现，在13日，高低层大气的辐合辐散不明显，此时该区域内的垂直上升运动并不强烈，整层大气的垂直螺旋度基本为0。14日，大气垂直方向上形成了低层辐合、高层辐散的散度场配置，在强“抽吸作用”下引起强烈的上升运动，整层大气的垂直螺旋度迅速增大。随后低层负散度中心和中高层正散度中心强度有所衰减，正垂直螺旋度明显减小，说明低层辐合、高层辐散引起的上升运动已明显减弱。从15日09：00开始，区域内再次形成低层辐合、高层辐散的高低空配置，正垂直螺旋度重新加大。因此可以说明，正垂直螺旋度的变化与大气的辐合辐散运动有关，垂直螺旋度能够反映大气低层辐合、高层辐散的垂直动力结构，且在台风暴雨过程中850和300 hPa的垂直螺旋度变化尤为明显。

850 hPa垂直螺旋度和随后6 h的降水分布如图4所示。14日06：00，强降水区位于广东西部海面上和广东阳江的沿海地区，对应的垂直螺旋度在广东西部海面存在大值区，但位置比强降水区略偏南偏东，范围也偏小。14日12：00，强降水区位于广东西部地区，广东西部的垂直螺旋度大值区的位置与强降水中心基本一致。14日18：00，强降水区移至粤桂交界地区，垂直螺旋度在粤桂交界的广东一侧存在大值区，位置与强度与广东的强降水区对应较好，在广西境内也有大值区，但位置比广西的强降水区明显偏东。15日00：00，强降水区继续西移至广西东南部地区，此时在粤桂交界的广西一侧有垂直螺旋度大值区，位置比强降水区略偏东。300 hPa垂直螺旋度的分布特征与850 hPa垂直螺旋度基本一致(图略)。总的来说，在强降水区范围内能找到对应的垂直螺旋度大值区，垂直螺旋度大值区内的降水比弱螺旋度区域的降水大，垂直螺旋度大值区的强度与台风强降水的强度有较好的对应关系。

图4　850 hPa螺旋度(等值线，单位：×10-5m·s-2)(a，c)和滞后6 h降水(填色，单位：mm)(b，d)

图5显示了13日00：00—16日00：00暴雨区300和850 hPa平均垂直螺旋度与3 h累积降水量随时间的变化。可以看到，垂直螺旋度的波形与降水量随时间的变化十分吻合。13日00：00到14日00：00，高低2层均表现为零或弱垂直螺旋度，此时并未发生强降水。14日03：00起，300和850 hPa的垂直螺旋度迅速增大，到了15：00 300 hPa正垂直螺旋度超过14×10-5m·s-2，850 hPa正垂直螺旋度超过10×10-5m·s-2，对比降水量发现，该区域15：00到18：00的3 h累计降水量达到最大值。随后垂直螺旋度和降水量均逐渐减小。从15日09：00开始，300 hPa正垂直螺旋度重新加大，最高值为4×10-5m·s-2，850 hPa正垂直螺旋度也于15日18：00加大到3×10-5m·s-2，此时区域内的降水量再次加大，但总体强度小于14日06：00到15日00：00内的降水。15日18：00后2层正垂直螺旋度减小的同时，强降水也明显减弱。这进一步表明了，在时间演变趋势上，垂直螺旋度与未来3 h的降水强度存在对应关系，且垂直螺旋度强度的变化提前于降水强度的变化。

图513—15日暴雨区300和850 hPa平均垂直螺旋度与3 h降水随时间变化

5结论

1)WRF模式能较为成功地模拟出“尤特”台风登陆过程和降水分布。模拟的500 hPa副高闭合环流和850 hPa西南急流的位置、形状、强度等特征与实况较为一致，模拟850 hPa陆上风速较实况偏大。在台风移向移速方面，模拟的台风路径与观测路径较为一致，但在移动速度和登陆后的东转上，二者存在一定的差别。在对比模拟与实况的雷达回波图后发现，模式能较好反映出回波的结构特征和位置，但在强度上比实况偏强。此外，模拟还反映出了尤特登陆后回波迅速减弱的特点。同时，对台风中心附近降水分布的模拟与实况降水比较一致，能较好地模拟出14日和15日的强降水落区，但降水中心量级偏大；另外，模式对于广东东南部地区的台风外围降水的模拟效果较差。

2)通过研究“尤特”台风登陆期间的环流情况，可知台风登陆后副高的引导气流不明显、台风环流稳定少动、低层西南低空急流带与台风环流持续连接以及台风环流中心东侧存在强风向、水汽辐合区是造成华南地区大范围暴雨的重要原因。

3)利用模式输出的高时空分辨率资料，对“尤特”的强降水进行了垂直螺旋度的诊断分析。结果表明，正垂直螺旋度的变化与大气的辐合辐散运动有关，且在台风暴雨过程中850和300 hPa的垂直螺旋度变化特征尤为明显；在空间分布上，垂直螺旋度中心的位置与未来6 h台风中心附近的强降水区有较好的对应关系；在时间演变趋势上，850和300 hPa的垂直螺旋度极大值出现的时间与未来3 h短时强降水发生时间一致，垂直螺旋度大小与降水强度存在较好的对应关系。这说明垂直螺旋度能反映台风强降水的发展状况和剧烈程度，对预报强降水有较好的指示意义。

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收稿日期：2015-09-15

基金项目：广东省气象局科学技术研究项目(2014B21)

作者简介：王硕甫(1990年生)，男，本科，主要从事短期和短时天气预报。E-Mail：huoyue_anthony@163.com

中图分类号：P44

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1007-6190.2016.02.002

Numerical Simulation of Heavy Rain Associated withTyphoon Utor (1311) and Diagnostic Analysis of Its Helicity

WANGShuo-fu1, 2,ZHONGLan-di3,LIRui4,LICai-ling1

(1. Meteorological Bureau of Foshan City, Foshan 528000; 2. Meteorological Observatory of Guangdong Province,Guangzhou 510080; 3. School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, ChengduSichuan 610225; 4. Air Traffic Regulator of Sanya, Civil Aviation Administration of China, Sanya Hainan 572000)

Abstract：For the purpose of studying the circulation characteristics of typhoon-related heavy rain, we numerically simulated Typhoon Utor using the NCEP/NCAR 1°×1° reanalysis and the mesoscale WRF model. As shown in the simulation, the location of the subtropical high, the transport of water vapor through the Southwest Monsoon jets and the convergence of large-scale convergence are important contributors to the extensive heavy rain in the south of China. It is discovered, after further analysis of the vertical helicity of typhoon-related heavy rain using the simulation, that the vertical helicity well reflects a vertical structure of low-level convergence versus upper-level divergence; the location of the center of the high helicity values is corresponding well with the area of the typhoon-related heavy rain; and rapid increase of the helicity indicates fast increase of rainfall, making it a good indicator of the intensity and rain area.

Key words：synoptics; typhoon-related heavy rain; numerical simulation; helicity; Utor (1311)

王硕甫， 钟兰頔， 李瑞， 等.台风“尤特”(1311)暴雨的数值模拟及螺旋度诊断分析[J].广东气象，2015,38(2)：6-10.