台风“艾云尼”引发广州机场强降水的模拟

2020-03-20谢文锋刘峰郭智亮张有洋

广东气象 2020年1期

谢文锋，刘峰，郭智亮，张有洋

（民航中南空管局气象中心，广东广州 510405）

我国是世界上台风登陆最多的国家，台风登陆后产生的强降水天气对人民的生产生活及航空飞行的安全都有重要影响。影响台风降水强度和分布的因子复杂多样，涉及台风的强度、移速、环流条件、内部结构、下垫面强迫等［1-4］。如冷空气的入侵会增加台风降水的强度，地形抬升也可能造成台风登陆过程中迎风坡降水的增加［5-7］。许多研究指出，螺旋雨带是造成台风强降水的主要中尺度系统，在螺旋雨带上常有中尺度强对流单体产生［8-9］。关于螺旋雨带的成因，近年来从涡旋Rossby波的角度解释螺旋雨带成因开始被普遍接受，认为产生台风涡旋Rossby波的原因是台风中存在相对涡度的径向梯度［10］。

尽管对台风过程的降水机理做了许多研究，但不同台风过程的主导因子常常各有不同，台风降水的强度和落区的精细化预报仍然是业务工作中的难点。受1804号台风“艾云尼”影响，广州机场出现了24 h累积降雨量261.4 mm的持续性强降水天气，造成了大量航班的取消和延误。因此本研究通过WRF模式对“艾云尼”登陆后引发机场强降水的机制进行模拟研究，以期为以后相似形势的预报提供参考。

1 “艾云尼”过程概况

2018年04号台风“艾云尼”6月7日20：30（北京时，下同），在广东省阳江市沿海登陆，登陆后以10 km／h的速度向东北方向缓慢移动。图1是6月8日05：00、14：00台风登陆后的广东区域雷达拼图，其中红色方框表示机场终端区，是航班最密集、航线最复杂的飞行关键区域。由图1可以看到，由于登陆后台风强度减弱，台风眼壁区组织比较疏松，05：00（图1a）在台风的东侧存在2条主要的螺旋雨带，汇聚于台风的东北象限，广州机场终端区主要受螺旋雨带头部的降水云团影响。08：00，降水回波的整体范围有所减小，强度变化不大。14：00（图1b），台风缓慢移动，强度开始减弱，影响机场的螺旋雨带明显东移减弱，在内核区的东侧重新生成了一条新的螺旋雨带，缓慢向偏东方向移动，14：00—17：00发展中的螺旋雨带一直覆盖在机场上空。

图1c是6月8日00：00—24：00广州机场逐1 h累计降雨量，影响机场的降水主要分为2个阶段：第1阶段为03：00—11：00，降水主要由台风东北侧的螺旋雨带头部产生；第2个主要降水时段出现在 13：00—17：00，其中 14：00—16：00的小时雨量都超过了50 mm，机场出现持续性强降水天气，造成航班无法起降。第2阶段的降水是由台风内核区东侧新生成缓慢移动的螺旋雨带产生，且在螺旋雨带中存在中尺度的强对流单体，实际业务工作中未能提前预判这一阶段的强降水天气，给航班调配带来了一定被动。

图1 2018年6月8日05：00（a）、14：00（b）广东区域雷达拼图；6月8日00：00—24：00广州机场逐小时累积降雨量（c）

2 数值模拟试验设计

本研究使用 WRFV3.8.1版本，试验采用Mercator地图投影的三重双向嵌套网格，区域的中心位于 23°N，113°E，水平分辨率为 27、9和 3 km，垂直方向设置51层。3个模拟区域均采用YSU行星边界层方案及RRTM长波和Dudhia短波辐射参数化方案。在模拟的第1和第2个区域采用KF积云对流参数化方案和WSM6云微物理方案，而在第3个3 km分辨率的网格中，不采用积云对流参数化方案，只使用WSM6云微物理方案。初始场资料选用NCEPGDAS／FNL的3 h一次0.25°×0.25°分辨率的再分析资料。模拟时间均从2018年6月7日20：00至6月9日02：00，共积分30 h。

3 模拟结果验证

3.1 路径和强度变化

图2a是6月8日02：00—9日02：00第3区域模拟的台风路径与实况的比较，由于模式的“spin-up”调整，去除了前6 h的模拟结果。可以看到，台风登陆以后逐渐向东北方向移动，20：00以后转向偏东方向移动。试验基本模拟出了台风向东北方向缓慢移动的过程，但整体位置偏东，平均偏差为33 km。图2b是模拟的台风中心最低海平面气压与实况的比较，基本模拟出了台风强度在登陆以后缓慢减弱的过程，其中模拟的最低海平面气压在05：00以后比实况偏低，平均误差为-3.2 hPa，模拟的地面最大风速平均误差为2.0 m／s。

图2 2018年6月8日02：00—9日02：00观测和模拟的台风路径图（a）以及台风逐3 h最低海平面气压（b）

广州机场第2阶段的强降水主要发生在8日下午台风强度整体减弱的过程中，因而有很大的预报难度。

3.2 雷达回波

图3是6月8日05：00、14：00和17：00第3区域模拟的雷达组合反射率和950 hPa风场，其中黑色十字表示机场所在位置。对比图1可知，05：00模拟的回波分布形态与实况非常相似，强降水回波主要位于台风的东侧和北侧，具有显著的非对称涡旋状结构。从广东中部向南延伸至海上的主螺旋雨带与实况对应很好，但对东部最外围区域的螺旋雨带模拟的较实况偏弱。14：00模拟的回波与实况相比，在台风东北侧的偏北气流当中都有大片的稳定性降水区域，模拟结果显示在台风东南侧的偏南暖湿气流中有多个中尺度强对流单体生成，但与实况相比结构更松散，并没有发展成一条完整的螺旋雨带。17：00台风东南侧的降水云团明显减弱，与实况相比未能模拟出新螺旋雨带的发展过程。实际业务工作中，欧洲中心和美国GFS数值预报产品均漏报了8日下午的强降水过程。WRF模式虽然也未能完整模拟出螺旋雨带的生成，但能够指示出在台风整体减弱过程中，内核区东南侧仍然有新的强降水单体生成，对8日下午的预报有一定的指示意义。

图3 2018年6月8日05：00（a）、14：00（b）和17：00（c）模拟的雷达组合反射率（填色，单位：dBz）和950 hPa风场（矢量箭头，单位：m／s）

4 机场持续性强降水成因的模拟分析

4.1 水汽输送条件

持续不断的水汽输送是强降水发生和维持的重要条件［11］。分析925和850 hPa的水汽通量（图略），6月8日08：00的水汽通量具有明显的非对称性，台风东侧的偏南气流从南海北部将大量的水汽输送到台风主体的东部和北部区域，最大水汽通量超过45 g·（cm·s·hPa）-1，研究表明，充沛的水汽输送有利于台风暖心结构的维持，也有助于雨带的加强［1］。相比之下，925 hPa的水汽输送比850 hPa更强。到14：00，925和850 hPa的水汽通量均有所减弱，因而台风强度和周边的对流强度也整体减弱，水汽通量的大值区从台风东侧向台风北侧偏移，雨区主体也移至台风北侧。值得注意的是，虽然14：00后台风的整体水汽输送减弱，但在台风主体的东南部仍然存在两条有一定强度的螺旋状水汽输送带，最大水汽通量超过35 g·（cm·s·hPa）-1，为下午新螺旋雨带的生成提供了非常有利的水汽条件。

4.2 动力条件

图4a是8日08：00模拟的925 hPa散度和1 h累积降水分布，由图4a可以看到，东北侧的大范围降水区和强辐合区有非常好的对应关系，08：00辐合区主要在台风的东侧和东北侧，主要由偏南气流和偏东气流汇合形成，随着台风向东北方向移动，11：00主要的辐合区位于台风的东北侧（图略），来自海上的偏南气流与广东东北部的东北气流在台风东北部形成辐合。为了进一步了解辐合区的垂直结构，沿着23.2°N的强辐合区（图4a黑色线）作08：00散度和水平风速大小的东西向垂直剖面（图5a），发现台风东北部的对流区域有非常显著的低层辐合中层辐散特征，在850 hPa以下的边界层区域是辐合层，850到500 hPa是强的辐散层。在800 hPa以下存在非常强的东南低空急流，最大风速超过30 m／s。研究指出低空急流不仅为强降水的产生提供大量水汽，还能造成急流前部的空气辐合上升［12］。因此850 hPa以下边界层的辐合抬升作用是造成台风东北部区域大范围强降水天气的动力机制，从而也引发了广州机场8日第1阶段的持续性强降水天气。

8日下午第2阶段强降水是由台风内核区东侧向东发展的螺旋雨带造成。图4b是8日14：00模拟的925 hPa涡度和1 h累计降水分布，正涡度的大值区主要位于台风的内核区和东南侧。许多研究指出，台风螺旋雨带和低层涡度分布有很好的对应关系，台风中的径向涡度梯度能产生涡旋Rossby波，而涡旋Rossby波可以触发螺旋雨带的生成［13］。试验模拟出14：00在台风的东南侧存在一条明显的螺旋状正涡度带，且强降水区域出现在正涡度带上。沿着23°N（图4b黑色线）作14：00涡度和水平风速大小的东西向垂直剖面图（图5b），可以清楚看到在113.8°E附近出现强降水的位置上存在深厚的正涡度区，向上扩展至600 hPa，且在低层存在风速超过21 m／s的低空急流。因此，偏南暖湿水汽的输送配合正涡度的触发作用是8日下午台风减弱过程中在其东南侧仍有新螺旋雨带生成的原因。

图4 2018年6月8日08：00模拟的925 hPa散度（填色，单位：10-4 s-1）、风场（矢量箭头，单位：m／s）和1 h降水（等值线，单位：mm）（a）；6月8日14：00模拟的925 hPa的涡度（填色，单位：10-4 s-1）、风场（矢量箭头，单位：m／s）和1 h降水（等值线，单位：mm）（b）