臺風“莫拉克”降水觀測與云物理特征的模擬研究

徐金霞, 劉奇俊, 宋振鑫

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.國家氣象中心,北京100081)

0 引言

近年來許多學者從云微物理角度研究云微物理過程和結構特征對臺風造成的影響[1-4]。Zhu等[5]對臺風Bonnie進行了不同云物理過程的敏感性試驗,得出不同的云微物理過程對臺風的路徑影響不明顯,但對臺風強度和內核結構影響顯著。若關閉云水和雨水的蒸發過程將迅速導致臺風眼區上升氣流加強,臺風半徑減小。Franklin等[6]進行了冰相微物理過程對臺風雨帶影響的敏感性試驗,研究表明霰落速的變化對模擬試驗最為敏感,霰落速的加大將使風暴內核區的降雨量增大。

0908號臺風“莫拉克”具有移動速度慢、降水強度大、持續時間長3大特點。“莫拉克”登陸臺灣前在臺灣東部近海停滯了近12小時,在臺灣省花蓮市登陸后對臺灣省中南部造成了歷史罕見的“八八水災”,自8月6日00時至8月8日06時出現較大累積降雨量的地點有:屏東縣上德文1296mm、嘉義縣大湖947mm、高雄縣排云824mm,雨量之大實屬歷史罕見。“莫拉克”登陸臺灣后歷經9小時橫穿臺灣中部地區,又在臺灣海峽滯留了近31小時后二次登陸我國福建省霞浦縣。登陸后一路北上給福建、浙江、江蘇等地帶來狂風暴雨,給人們帶來了巨大的損失,因此對此次暴雨研究具有實際意義。選取此次臺風作為個例,從云物理角度通過GRAPES中尺度模式模擬研究此次暴雨過程。

1 個例介紹

1.1 臺風活動概況

0908號臺風“莫拉克”(Morakot)于2009年8月3日18時(UTC下同)在西北太平洋洋面上生成,生成后以每小時10～15公里的速度向北偏西方向移動,于5日06時加強為臺風,7日“莫拉克”到達臺灣東部近海時速度明顯減慢,在臺灣東部近海停滯了12小時左右,于15時45分在臺灣省花蓮市沿海登陸,登陸時中心氣壓為955hPa,近中心最大風速達40m/s。登陸后橫穿臺灣中部地區,于8日01時進入臺灣海峽,之后以每小時5公里左右的速度緩慢地向偏北方向移動,強度逐漸減弱。9日08時20分,“莫拉克”在福建省霞浦縣再次登陸,登陸時中心氣壓上升至975hPa,中心附近最大風速有33m/s。登陸福建后“莫拉克”繼續向偏北方向移動,強度分別于9日12時和18時減弱為強熱帶風暴和熱帶風暴。到9日22時,“莫拉克”進入浙江省泰順縣境內,在浙江停留了20余小時后進入江蘇省宜興市,再經過十幾小時的穿越,最終于11日07時從江蘇東臺沿海移入黃海西部海面[7]。

1.2 500hPa天氣形勢分析

如圖1(a)所示,由2009年8月7日12時(UTC下同)500hPa高空圖可以看出,此時588線西伸至122°E附近,中心出現592dagpm的閉合等值線,臺風中心最大風速超過33m/s,臺風強度由熱帶風暴加強為臺風,副高由南北的塊狀分布逐漸演變成東西帶狀分布,臺風位置調整為副高南側,在此期間莫拉克臺風路徑出現90°北折。同時可以較明顯看出此時東亞地區中高緯度呈現兩槽一脊的天氣形勢。臺風于8月7日15:45分登陸臺灣島,此時臺風受到臺灣島地形的阻擋作用,并在多種因素的共同影響下,轉為偏西路徑。由圖1(b)可以看到8日00時副高明顯東退減弱,588線退至131°E附近,“莫拉克”臺風受槽前西南氣流的影響,在臺灣海峽移動緩慢。如圖1(c)所示9日00時,烏拉爾山以東的西伯利亞西部低槽東移至貝加爾湖地區并向南加深發展,西太平洋副高繼續減弱,為臺風的北折登陸創造了有利條件。至9日12時如圖1(d),莫拉克已減弱為強熱帶風暴,分析其500hPa環流演變可以看出,副熱帶高壓又開始加強并再次出現592dagpm的閉合等值線,但偏南發展,莫拉克受其偏南氣流引導也有利于臺風向偏北方向移動。由圖還可以看出在臺風發展過程中其南側和副高北側存在著風速大于15m/s的兩條急流帶,提供水汽和不穩定能量的輸送,為暴雨的發生提供了有利條件。

圖1 2009年8月7日12時至8月9日12時500hPa天氣形勢變化(實線為等高線,箭頭為風矢量(m/s),陰影區為大于15m/s的風速大小)

1.3 衛星云圖分析

衛星云圖能夠比較直觀的監測到臺風云系的發生發展,并對降雨強度與落區有明顯的指示作用。由圖2(a)可以看出此時臺風穿越臺灣海峽即將登陸福建地區,臺風云系在整個東部沿海盤旋發展,其左側云系已覆蓋到福建、浙江等地區,造成這一帶的暴雨過程。并在臺風登陸后,整個云系形成福建-浙江-江蘇的沿海帶狀降水云團,造成沿海地帶的暴雨、大暴雨過程。至9日21:15(UTC)時,臺風已經減弱為熱帶風暴,臺風眼已經填塞。整個降水云帶在江蘇省上空,對福建、浙江等地的影響基本結束。

圖2 衛星云圖

圖3 9日03時各水凝物分布特征

1.4 TRMM衛星觀測結構

主要利用T RMM衛星的2A12(TMI反演的降水資料)數據分析了“莫拉克”臺風降水和降水云系中各種水粒子(云水、降水、云冰、降冰)的三維結構信息。資料在垂直方向上共14層,每層高度距地表分別為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時“莫拉克”臺風基本發展成熟,由TMI反演的地面降水分布圖3(a)中可以較好的看出臺風的渦旋結構和臺風眼的大致位置,大面積的降水區域中存有帶狀的強降水分布,并且強降水雨帶呈現明顯的螺旋結構,降水大值區出現在福建大部分地區、浙江少部分地區和海上,臺風眼基本無降水。由各水凝物的分布圖可以看出此時雨水、可降冰(主要由雪和霰等較大的冰粒子組成)含量較高基本覆蓋了整個臺風云系。云水與雨水、可降冰分布范圍大致相同,但其含量較低,并在臺風眼的東側明顯出現一片云水低值區。云冰含量較其他水凝物含量明顯偏低且主要出現在臺風的螺旋云系中,在福建中部地區與浙江東南部地區上空云冰含量相對較高,這也說明了在這部分地區云頂伸展高度較高,云系對流發展比較旺盛。而從整體看,此刻各水凝物的大值區分布范圍與地面強降水地區始終保持一致。

2 模式模擬與結果分析

2.1 模擬方案設計

利用包含有詳細云微物理過程的GRAPES中尺度模式并采用增加了bogus初始渦旋的T213預報場作為初始場對“莫拉克”臺風造成的暴雨進行數值模擬。模式模擬覆蓋區域為 5°N～40°N、105°E～140°E,水平與垂直分辨率為0.2°×0.2°,模式垂直方向共22層,模式層頂氣壓為100hPa。在模式物理過程的參數選擇上,長波輻射選用RRTM方案,短波輻射采用Dudhia方案,積云對流采用Kain-Fritsch方案,微物理方案采用雙參數混合相方案。模擬初始時刻為8月8日00時,積分48小時,積分步長為60s,每1小時輸出一次模式結果。

2.2 實況降水與模擬對比分析

由2009年8月8日18時(UTC)至9日18時逐6小時降水量實況(由地面加密站測得)與模式預報降水分布對比可以看出,模式預報結果與降水實況比較吻合,成功的模擬出雨帶的位置及其走向,雨帶整體呈現東北-西南走向,隨臺風登陸后偏北移動,形成了沿福建-浙江-江蘇的帶狀暴雨以及大暴雨過程。由9日00時的前6小時模擬與實況降水對比可以看出,強降水中心出現在浙閩交界處,降水最大值超過60mm,模式預報的降水分布對比實況降水其中心位置略向北偏移,模擬強度最大值在90mm以上,較實況偏強。到9日06時隨著臺風的向北移動,強降水中心從浙閩交界處移向浙江省的東南部,福建省東北部地區的降水中心仍然存在,但較浙江東南部偏弱,模擬結果對暴雨中心預報效果良好。隨著臺風繼續北移,至9日18時臺風云系對福建降水影響減小,雨帶移向江蘇地區。模式客觀的模擬了此次降水的落區和強度,雖然模式模擬對降水強度有一定的偏差,但對雨帶位置模擬結果較好,基本上模擬出了此次降水過程的主要特征。從總體講,對此次臺風暴雨的模擬還是比較理想的。

2.3 MODIS對云頂溫度的探測

文中采用由Terra采集的MOD06-L2和由Aqua采集的MYD06-L2云產品中的云頂溫度信息反映云系的發展狀況。如圖5(a)(b)所示“莫拉克”即將登陸福建省,其西側和北側云系已覆蓋到福建、浙江大部分地區。由圖可以看出MODIS探測到的云頂溫度低值區出現在福建省的東北部以及浙江省的東南部地區,其云頂溫度最低值在220K以下。說明這部分云系發展旺盛,云頂伸展至較高高度,能為降水提供有利條件。由模式預報得到的云頂溫度整體較實況偏低,福建及浙閩交界處存在較強的對流云團,云頂溫度值在200K以下。

如圖5(c)(d)所示,09日14:35臺風已在福建省霞浦縣登陸,由圖可以看出降水云系在登陸后有所發展。隨著臺風的移動,臺風外圍云系已伸展到江西省和安徽省的中部地區,此時大陸云頂溫度最低值降至210K以下,低值區出現在福建省的東北部以及浙江省的東南部地區,這兩個發展深厚的云系也與強降水中心位置相對應。模式模擬結果對強降水中心的對流云團有所體現,模式模擬云頂溫度整體較實況偏低,對臺風整體螺旋云系體現不明顯。

圖4 2009年8月8日18時(UTC)至9日18時逐6小時實況與模擬降水對比

圖5 2009年8月8日、8月9日云頂溫度圖及模擬云頂溫度圖

2.4 云微物理量分布特征

2.4.1 各水凝物模擬水平分布特征與衛星觀測對比

由TRMM衛星水凝物分布和模式結果對比可以看出各水凝物在陸地的主要分布范圍為福建大部分地區以及浙江省的東南部地區,模式較好的預報出各種水凝物在上述地區的分布情況。由圖6(a)(e)可以看出在200hPa高度云冰模擬含量最大值在0.08g/kg以上,模式對其在福建地區的模擬分布強度與實況一致、范圍較實況偏小;對浙江東南部云冰的模擬分布較實況含量值偏大。在冰晶層的下層地區有較豐沛的過冷云水,由圖6(b)(f)可以看出在500hPa高度云水在福建省和浙江省實況最大值在0.01～0.05g/kg,而模擬強度較實況偏大為0.3～0.5g/kg,其分布范圍與實況觀測基本一致。雪與冰晶及下層的云水碰并產生大量的霰粒子,在450hPa高度上形成霰含量的大值區,由圖6(c)(g)可以看出降冰含量最大值為0.9g/kg,分布在福建中部與浙江東南部模擬與實況吻合較好。霰在暖區融化及云水的碰并是雨水的主要來源,由圖6(d)(h)可以看出在700hPa高度雨水含量實況最大值在0.2～0.4g/kg,而模擬強度較實況偏大為0.8～1.0g/kg,其分布范圍與實況觀測基本一致。

圖6 2009年8月9日03時由TRMM衛星監測到的各水凝物分布特征與模式預報結果對比

2.4.2 垂直積分含水量分布和水凝物的垂直分布特征

由圖7(a)看出9日03時的1小時降水量大值區出現在福建東北部以及浙江省東南部地區,臺風中心基本無降水,與此時的衛星云圖對比發現降水基本發生在臺風的螺旋云帶中,模擬的降水落區與水凝物含量分布范圍基本一致。與1小時降水量分布對比可知總的水凝物含量(圖7(b))的分布范圍和強度與降水分布對應良好,且總水凝物含量極值點與強降水中心A點相吻合,這也是福建省與浙江省出現極端降水的原因。由圖7(c)看出云水含量大值區位于眼壁云墻外圍附近,最大值為1.8kg/m2,臺風眼中有少量云水分布,含量低于0.1kg/m2。從積分固態水的含量分布圖7(d)看出在對流活躍的臺風西側云系中冰晶、雪和霰粒子含量較高,分布在福建北部地區,是影響登陸后降水的重要因子。

沿9日03時臺風中心B點(26.3°N,120°E)作各水凝物的緯向垂直剖面,從各水凝物的垂直分布圖中看出此時臺風結構明顯,臺風眼在120°E附近。云水(圖8a)在垂直方向從900～400hPa都有所分布,并且在冷區也有較豐沛的過冷卻水,大值區分布在500～600hPa,強度最大值為1.1g/kg以上,雨水(圖8b)主要分布在450hPa以下,其分布范圍與強降水中心相對應。臺風的云墻外圍附近存在著強烈的對流作用,因此云層可以伸展到更高的位置,伴隨著冰晶(圖8a)與雪(圖8b)也分布在較高的高度即100～300hPa,最大值分布在200～250hPa,冰晶最大值為0.06g/kg,雪的最大值為0.12g/kg,雪分布范圍較冰晶深厚。在云墻的上升氣流中,冰雪與云水碰并在450hPa附近形成霰(圖8c)含量的大值區,最大值約為2.2g/kg,而霰在暖區的融化以及云水、雨水的碰并也是降水的主要來源。從整體上看臺風東側云系相對西側而言發展相對較弱,各水凝物含量最大值都出現在臺風中心西部,約在118°E左右。

圖7 9日03時降水量分布各水凝物垂直積分分布特征

圖8 2009年9日03時通過臺風中心的各水凝物分布特征(Qi、Qs為實線;Qc、Qr、Qg為陰影)

3 結束語

利用包含有詳細云微物理方案的GRAPES中尺度模式對0908號臺風“莫拉克”在福建、浙江等地引發的暴雨過程進行模擬,并利用各種衛星資料以及地面觀測資料與模式結果對比,綜合分析得到以下結論:

(1)模式對此次暴雨的模擬基本正確的模擬出了雨帶的分布、走向以及強度。雨帶整體呈現東北-西南走向,隨臺風登陸后偏北移動,形成了沿福建-浙江-江蘇的帶狀暴雨以及大暴雨過程。強降水主要發生在福建大部分地區以及浙江東南部,模擬6小時累積降水最大值超過90mm。

(2)MODIS監測的云頂溫度基本反映了臺風云系的發展變化,云頂溫度低值區出現在福建省的東北部以及浙江省的東南部地區其云頂溫度最低值在220K以下。模擬結果與MODIS觀測結果變化趨勢基本一致,但數值偏低,即模擬的云頂發展至較高高度。

(3)莫拉克臺風地面降水區存在多條強降水帶,并且強降水雨帶呈現明顯的螺旋結構且存在許多的強對流雨團,降雨強度最大值達到30mm/h。由TRMM衛星監測的水凝物水平分布特征和模式結果對比可以看出各水凝物在陸地的主要分布范圍為福建大部分地區以及浙江省的東南部地區,模式較好的預報出了各種水凝物在上述地區的分布情況。其中模式結果云水和雨水模擬強度較實況偏大,而對云冰和降冰的量級預報與衛星觀測量級基本一致,云冰最大值在0.08g/kg以上,降冰含量最大值為0.9g/kg。

(4)模擬的各水凝物的垂直積分含量基本反映了該階段的降水的主要特征。臺風各水凝物的垂直分布基本可以分為3層,由冰晶與雪組成的冰相層,一般位于100～400hPa;由云水和雨水組成的液相層,一般位于600hPa之下,以及由霰與云水、雨水形成的混合層,主要分布在400～600hPa。9日03時刻降水最強區其總水凝物含量最大值達6.5kg/m2以上,積分固態水含量較高,超過3.0kg/m2。冰晶與雪主要分布在300hPa以上的高層,冰晶最大值為0.06g/kg,雪的最大值為0.12g/kg,雪分布范圍較冰晶深厚。云水和雨水主要分布范圍在500hPa以下,其分布范圍與強降水中心相對應。在云墻的上升氣流中,冰雪與云水碰并在450hPa附近形成霰含量的大值區,最大值約為2.2g/kg,而霰在暖區的融化以及云水、雨水的碰并是降水的主要來源。

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