EC細網格對臺風“尼伯特”影響蒼南暴雨的分析應用*

萬小雁 張靈杰 董大治 鄭峰

(1.蒼南縣氣象局,浙江 蒼南 325800;2.文成縣氣象局,浙江 文成 325300;3.溫州市氣象局,浙江 溫州 325027)

0 引 言

蒼南縣位于溫州東南沿海,臺風暴雨、大風、風暴潮嚴重影響的地區之一。據資料統計,臺風在廈門以北和溫州以南登陸,對蒼南影響嚴重[1]。蒼南縣擁有130多萬人口,地理氣候獨特,因此對影響蒼南的登陸臺風過程進行分析和積累經驗顯得尤為重要。一直以來,許多學者對登陸臺風的強度、路徑變化等研究成果豐富[2-5]。對各類臺風暴雨的成因及天氣學診斷也做了大量工作[6-9]。其中,董大治對嚴重影響蒼南的臺風進行防汛減災及政策制定方面的研究,得出了有意義的結論[10-11]。

2016年第1號臺風“尼伯特”(熱帶風暴級)于7月3日8點在美國關島以南的西北太平洋洋面上生成,2016年也是1951年有氣象記錄以來第二晚生成臺風的年份。5日02—20時強度逐漸加強為超強臺風,超強臺風強度維持近57 h,8日5:50在臺灣臺東太麻里鄉沿海首次登陸,登陸時中心附近最大風力有16級(55 m/s),中心最低氣壓為920 hPa,于9日13:45在福建省泉州石獅市再次登陸,登陸時中心附近最大風力有10級(25 m/s),中心最低氣壓為990 hPa。10日凌晨3時在福建寧化縣境內減弱為熱帶低壓。8日20時—10日8時蒼南縣平均面雨量59.6 mm,最大出現在橋墩水庫188.3 mm,風力最大出現在望洲山23.6 m/s(9級)。此次預報預警結果表明,“尼伯特”臺風對蒼南的風雨影響預報服務較準確,防御措施到位,全縣基本無災情。

1 資料和方法

本文利用常規氣象資料和EC細網格0.125°×0.125°格點數據,對1601號臺風“尼伯特”影響蒼南的大暴雨過程進行釋用及診斷分析,并檢驗和評估細網格格點預報的效果,為提高基層臺站預報臺風災害性天氣積累經驗,從而提高相關預報水平。

鑒于“尼伯特”登陸點在莆田—廈門之間,對蒼南的風力影響小,本文主要針對臺風大暴雨影響進行討論。

2 預報分析場和實況形勢場對比分析

用EC細網格0.125°×0.125°格點數據對同一時次同一高度的實況和預報形勢進行對比分析發現(采用8日20時500 hPa高度場和850 hPa風場,圖略),6日20時、7日08時、7日20時、8日08時起報的8日20時預報場,500 hPa高度場均與實況場差異不大,850 hPa風場在各時段起報的預報場偏東急流中偏北分量較實況來的大,從而造成8日20時—9日08時的累積降水量預報比實況小。EC細網格對9日08時的風場預報接近實況流場,因此對9日08—20時的雨量預報與實況接近。從形勢場的預報可以看出,此次EC細網格就1601號臺風“尼伯特”對蒼南的暴雨影響預報具有分析意義。

3 EC細網格模式雨量預報檢驗

圖1 EC細網格模式對橋墩水庫站6—9日08時和20時起報的未來各段12 h累積雨量圖(單位:mm)

根據臺風登陸前72 h內的EC細網格08時、20時起報的產品,預報時效為12、24、48、72 h,對橋墩水庫站(120.3°E,27.47°N)進行插值,插值方法為:求距離站點最近的格點,以最近距離格點的預報值作為該站點的預報值。

對比各家數值模式對降水預報的情況,EC細網格模式對于蒼南地區強降水落區、量級和起止時間較其他模式準確率高,不同起報時次的預報結果變化小。從7月6日20時、7日08時、7日20時、8日08時4個起報時次,對7日08—20時、7日20時—8日08時、8日08—20時、8日20時—9日08時、9日08—20時、9日20時—10日08時的12 h累積降水量對比檢驗(見圖1)發現,EC細網格模式預報蒼南地區的降水提前48 h預報效果較好,并隨著預報初始場的調整,對強降水時段的預報結果調整不大,更能突出EC細網格模式降水預報的穩定性。對比實況來看,各起報時次對9日08時—9日20時12 h累積降水在預報量級上一直比較穩定,表現最好的是0620和0720起報的,與實況吻合度高,其他時次起報的都較這兩次偏少。

從蒼南全縣的雨量分布預報來看(見圖6),EC細網格模式各起報時次對臺風影響階段的累積預報量級均能反應出來,6日20時起報的最大值位于蒼南西北部127.2 mm,較實況出現的最大值188.3 mm量級一樣,均為大暴雨,數值偏小,實況出現在暴雨以下的東部地區,預報值又比實況大,從這方面能看出此次過程有大暴雨點出現。7日08時起報的雨量在量級分布上,極大值較實況小,其他值與實況接近,從這個時次的預報可以看出,全縣均會出現暴雨過程,總體數值接近50 mm。7日20時起報的雨量情況與6日20時起報的情況接近,而8日08時起報的雨量又與7日08時起報的雨量情況接近,表明各時段的08時起報場能預報出過程的極大雨量值,20時的起報場能反映除極大值外的各區域分布情況,從而說明EC細網格模式在此次臺風暴雨對縣級臺站的預報較成果,分析意義較大。

4 物理量診斷

臺風影響地區常出現暴雨[12],臺風暴雨主要有3種類型:臺風環流本身所造成的暴雨,臺風本體的降水效率高;臺風與其他系統共同作用形成的暴雨;受地形影響形成的暴雨。李傳祥等對在廈門—莆田之間登陸的歷史臺風進行研究得出[13],廈門至莆田登陸臺風對溫州全市來講雨量的影響較小,如果有冷空氣的配置,對溫州雨量的影響較大,但未對基層臺站,尤其是溫州南部的影響進行深入探討。1601號臺風“尼伯特”給溫州造成的降水影響表現為南北差異大,臺風影響期間,蒼南全縣過程面雨量達暴雨量級,西北部地區多站累積雨量達大暴雨量級,以下用EC細網格08、20時分析場對蒼南暴雨大暴雨形成的各物理量配置進行分析。

4.1 低空急流建立和維持

從暴雨發生的風場背景來看,蒼南地區8日20時(圖2a)850 hPa仍為偏東氣流,流場速度<12 m/s,到9日08時(圖2b),研究區域上空已轉為東南氣流,風速>12 m/s,低空急流軸壓至,說明東南風急流在8日20后開始逐漸建立,蒼南位于低空急流出口區的右側,十分有利于上升運動。到9日20時(圖2c)雖風速所有減弱,但仍維持東南氣流,與實況中降水仍持續相符合。到10日08時(圖2d),急流形勢維持但對應的風向已轉為偏南風,說明水汽輸送渠道變弱,對應的降水實況為間歇性小的陣性降水。

(a:8日20時;b:9日08時;c:9日20時;d:10日08時,▲標志為研究區域)圖2 850 hPa流場和急流圖

4.2 暴雨區的水汽輸送

水汽是產生暴雨的必要條件,水汽通量是表征水汽輸送的重要物理量,它表示單位時間內流經某一單位面積的水汽含量,代表水汽水平輸送的強度,物理意義為每秒鐘對于垂直于風向、一厘米寬、一百帕高的截面所流過的水汽克數[14]。水汽通量通常用來判斷水汽來源、水汽的輸送方向和強度以及與環境的關系。從850 hPa水汽通量和風場圖(圖3)可見,“尼伯特”臺風在蒼南地區引發的暴雨過程水汽由強東南風急流輸送,來自東海的水汽通量最高達20 g/(s·hPa·cm),蒼南又在臺風倒槽曲率最大處附近,可引起大量水汽在該地輻合。

對比“尼伯特”不同時刻水汽輸送變化看,隨著臺風的移近,水汽通量大值區逐漸向蒼南地區靠近,8日20時(圖3a)“尼伯特”北側環流開始明顯,9日08時(圖3b)水汽通量大值區已經覆蓋蒼南,由于蒼南離臺風中心距離較遠,臺風外圍環流形成的東南風急流方向一致,因而能形成強的水汽輸送帶,為降水提供了源源不斷的水汽。

(a:8日20時,b:9日08時)圖3 850 hPa水汽通量和風矢量

4.3 輻散特征

高層輻散低層輻合配置有利于暴雨的發生和維持。利用EC細網格分析資料對“尼伯特”移動過程中的4個時次散度緯向垂直剖面進行分析(圖4)。8日20時(圖4a),120°～121°E范圍內,為低層弱輻合和高層弱輻散結構,強度為-4×10-5s-1,輻合高度達850 hPa,實況是蒼南開始出現陣性降水。到9日08時(圖4b),120°E附近輻合高度上升到700 hPa,兩側有明顯的對稱性正散度分布,中低層兩側輻散區和低層輻合中心促進了上升運動的發展,對應的高層有16×10-5s-1的強輻散,說明8日20時至9日08時高空輻散強度明顯加大,低層輻合上升增強,實況中短時強降水階段發生在該時間段內。9日20時(圖4c)低層輻合中心值達-8×10-5s-1,高空為4×10-5s-1,蒼南出現連續性的較強降水過程。隨著“尼伯特”移近,高層輻散和低層輻合配置逐漸西移,從10日08時(圖4d)看出,高空已轉變為輻合形勢,降水減弱。

李傳祥等[13]研究中指出,700 hPa的垂直速度與雨量影響量級有較好的對應關系。尼伯特登陸類型也屬這個范圍,考慮到蒼南地區輻合場高度僅伸展到700 hPa,700 hPa的垂直速度場在臺風移動過程在對蒼南的表現較弱(圖略),故采用850 hPa的垂直速度場進行分析。從8日20時(圖5a)的垂直速度場看(臺風登陸前24 h左右),蒼南地區垂直速度-0.2～-0.6 Pa/s,9日08時(圖5b)的垂直速度場看(臺風登陸前10 h左右),垂直速度達到-0.6 Pa/s,9日20時(圖5c)(臺風登陸后4 h左右)的垂直速度降至-0.2 Pa/s。研究區域中低層垂直速度場在臺風登陸前24 h出現小的負值中心,然后逐漸變大,為短時強降水提供了動力條件,登陸后幾個小時內減弱快,但上升氣流仍維持,這與降水強弱變化和降水維持情況相吻合。

(a:8日20時,b:9日08時,c:9日20時,d:10日08時)圖4 沿27.3°N的散度緯向垂直剖面圖(單位:10-5 s-1)

(a:8日20時,b:9日08時,c:9日20時)圖5 850 hPa垂直速度場

通過以上幾個物理量分析和與實況的對比結果來看,EC細網格模式能較好地反映此次臺風引發的蒼南暴雨大暴雨過程情況,說明EC細網格資料在基層臺站中分析該類天氣有一定的能力。

5 地形影響

陶詩言先生等對于地形在暴雨發生中的作用做過總結[12],其中總結到地形對降水有增幅作用。利用EC細網格各預報時次對“尼伯特”的雨量格點產品對地形的增雨能力預報進行評估(圖略),0620起報的0820—1008累積雨量預報最大值為127.2 mm,與實況最大值188.3 mm屬同一量級(大暴雨),大暴雨量級和落區預報準確,說明該時次對地形的增雨作用預報能力已經在細網格模式中有所體現,而且表現優秀。0708起報的0820—1008累積雨量預報雖然量級偏小,但是對西北山區的地形增雨表現良好。0720起報的效果跟0620起報的一致,但是0808和0820起報的效果與0708起報的效果一致。從實況圖看,大暴雨發生在蒼南縣的西北部山區,沿海平原鄉鎮量級明顯較山區小,說明蒼南山地地形對臺風降水增幅作用明顯,尤其在橋墩水庫站附近,雨量較其他地方大,可供水庫預排防汛決策做參考。

6 結 語

利用EC細網格模式對1601號“尼伯特”臺風影響蒼南的暴雨大暴雨過程進行診斷分析和預報效果檢驗,得出以下幾點結論:

1)EC細網格模式對蒼南的降水預報提前48h能預報出來,且量級準確;表現較差的是登陸臺灣島后的雨量預報,原因可能是臺灣地形對臺風外圍雨量的預報影響造成的。

2)EC細網格模式對莆田—廈門一帶登陸的“尼伯特”臺風影響蒼南地區期間的風場、低層輻合和高層輻散配置場、850 hPa垂直速度場演變與降水起始及強度實況吻合。

3)蒼南縣西北部山區地形對臺風暴雨起到增雨作用,EC細網格在地形增雨方面和對大暴雨落區預報都有較好的指示意義。