台风“利奇马”导致的山东降水成因分析_孙雅文.pdf
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1、利用E CMWF提供的E R A 5再分析数据,对2 0 1 9年0 9号超强台风“利奇马”造成山东降水的原因进行了分析,探究此次降水的启动机制。结果表明,“利奇马”造成山东降水是对流发展形成的深厚系统,雨区的移动方向是由水汽辐合区向西北方向移动造成的。降水前期高空暖平流使高压脊发展形成高空急流,山东北部位于高空急流入口区右侧,为强辐散区。对流层低层的东南风提供了充足的水汽,水汽辐合上升,形成降雨。随着雨区移动,低层辐合区和高空辐散区重叠,发展为深厚对流,降水加强。高空辐散区的长时间维持是造成这次较长时间降水的主要原因。关键词:利奇马;降水;水汽辐合;高空急流中图分类号:P 4 4 3 文献标
2、志码:A 文章编号:1 0 0 3-6 4 8 2(2 0 2 3)0 3-0 1 7-0 6D O I:1 0.1 3 9 8 4/j.c n k i.c n 3 7-1 1 4 1.2 0 2 3.0 3.0 0 3引 言热带气旋是发生在热带或副热带洋面上的低压涡旋,是一种强大而深厚的热带天气系统,常伴随狂风、暴雨和巨浪等灾害性天气。我国是受热带气旋影响最严重的国家之一1。随着全球变暖趋势的加剧,热带气旋影响的风险将继续增加2。暴雨作为热带气旋的主要灾害之一,往往造成洪涝爆发、农田受淹、耕地流失、城市内涝和路毁车阻等灾害3,很多强烈的持续性暴雨都与热带气旋密切相关4。热带气旋暴雨最重要的两
3、个因素是落区和强度5。对于落区,陈联寿等5指出主要有三个影响因子:台风涡旋内部结构、台风周围环境大气影响和台风下垫面强迫作用。其中台风周围环境大气影响又可分为三类,干冷空气和辐合线,季风涌,以及中纬度西风槽。影响热带气旋暴雨的因素有很多,比如高空急流6-9、西风槽9-1 0、冷空气1 1-1 3、西南涡1 4、不对称结构1 5、螺旋雨带1 6、下垫面环境1 7-1 9等。山东是我国北方最容易受热带气旋影响的省份之一,热带气旋北上会给山东带来大风和强降水1 9。受1 9 0 9号超强台风“利奇马”影响,2 0 1 9年8月1 0日8时至1 3日1 7时,山东平均降雨量1 6 5.9 mm,过程降
4、雨量是山东有气象记录以来最大值,全省1 6市均出现暴雨以上降水,多地降雨量突破历史极限值。对于这次过程,谭震等2 0认为山东的降水主要是对流层中低层的冷空气入侵台风产生的降水。向纯怡等2 1研究发现山东半岛出现的强降水与台风倒槽和干冷空气叠加形成的锋生作用有关。郭云谦等2 2指出山东地区的降水主要是受台风北侧稳定维持的倒槽和西风槽结合影响。虽然对这次山东省内降水已有一些研究,但未能解释暴雨中心出现的原因和雨区为什么呈东南-西北走向。同时这次过程是一次强对流过程,它的启动机制是什么,是本文所关注的重点。1 资料本文使用的数据为欧洲中期天气预报中心(E CMWF)提供的E R A 5再分析数据,时
5、间分辨率为1 h,基金项目:自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室开放基金项目(L OMF 1 8 0 6);山东省自然科学基金(Z R 2 0 1 9 P D 0 0 2)第一作者简介:孙雅文(1 9 9 0),女,工程师,主要从事海洋-大气相互作用研究。E-m a i l:s o h 1 4q q.c o m*通信作者:王彬(1 9 8 9),男,工程师,主要从事海洋气象预报研究。E-m a i l:s g w a n g b i n 1 2 6.c o m 收稿日期:2 0 2 1-0 2-0 11 8 海 洋 湖 沼 通 报2 0 2 3 年空间分辨率分为气象(0.2 5 0.2 5)和
6、海洋(0.5 0.5)两种。为了检验再分析数据的可靠性,对同时段再分析数据累计降水量和山东省气象站累计降水量(图略)以及环流形势(图略)进行了对比。结果表明再分析数据的降水在分布形态上与气象监测站降水基本一致,但再分析数据的降水量略小于气象监测站,但均是在山东北部存在一个大值中心。从地面和高空的环流形势来看,结果较为一致。因此再分析数据可以体现这次暴雨过程。图1 2 0 1 9年8月1 0日2 2 UT C 8 5 0 h P a位势高度(实线,单位:1 0 g p m)和风速(填色,单位:m/s)。黑点为对应时刻“利奇马”中心位置F i g.1 8 5 0 h P a g e o p o t
7、 e n t i a l h e i g h t(s o l i d,u n i t:1 0 g p m)a n d w i n d s p e e d(s h a d e d,u n i t:m/s)a t 2 2 UT C o n 1 0 A u g u s t 2 0 1 9.B l a c k d o t s r e p r e s e n t t h e c e n t e r l o c a t i o n s o f L e k i m a a t t h e c o r r e s p o n d i n g t i m e2 降水特征分析通过分析逐时降水量与海平面气压(图略)
8、,山东省的暴雨区主要位于超强台风“利奇马”外围的西北侧。从1 0日1 6 UT C开始,山东省内出现明显的降水中心,主要位于山东省的东南部。之后“利奇马”向偏北方向移动,降水中心向西北方向移动且强度加强。2 02 3 UT C降水中心强度较大且位于山东省北部,其位置及强度变化不大。从8 5 0 h P a(图1)来看,存在明显的低空急流,且急流强度较大,风速达到了3 2 m/s以上。整个过程中,低空急流位于台风中心的东北侧和北侧,可将海上的水汽输送至陆地,为山东强降水提供了充足的水汽条件。从5 0 0 h P a(图2)来看,台风存在暖心结构。1 62 2 UT C,台风受到高空槽和副热带高压
9、的共同影响。副热带高压强度略微减弱东退,高空槽后的冷平流使槽发展加深,促使台风向偏北方向移动并逐渐并入到西风槽中。图2 2 0 1 9年8月1 0日5 0 0 h P a位势高度(实线,单位:1 0 g p m)和气温(虚线,单位:)。(a)1 6 UT C,(b)2 2 UT C。黑点为对应时刻“利奇马”中心位置F i g.2 5 0 0 h P a g e o p o t e n t i a l h e i g h t(s o l i d,u n i t:1 0 g p m)a n d a i r t e m p e r a t u r e(d a s h e d,u n i t:)o n
10、 1 0 A u g u s t 2 0 1 9.(a)1 6 UT C,(b)2 2 UT C.B l a c k d o t s r e p r e s e n t t h e c e n t e r l o c a t i o n s o f L e k i m a a t t h e c o r r e s p o n d i n g t i m e为了进一步研究雨区的结构,过降水区做垂直剖面(图3)。从垂直运动速度来看(图3 ab),1 62 0 UT C,上升运动逐渐加强,上升运动的高度由1 6 UT C的4 0 0 h P a升至2 0 UT C的2 0 0 h P a,同时垂直
11、运动速度中心的数值也逐渐增大。2 0 UT C山东逐时降水量明显加强,此时雨区垂直运动速度出现两个中心,分别位于7 0 0 h P a和3 5 0 h P a。上升运动的加强是造成降水加强的又一重要因素。热带气旋降水与潜热释放密切相关。根据Y a n a i等2 3的研究计算视水汽汇(a p p a r e n t m o i s t u r e 3期台风“利奇马”导致的山东降水成因分析1 9 s i n k)Q,Q可以表征潜热2 4,公式如下:Q=-Lqt+Vq+qp()(1)其中,L 是凝结潜热,q 是水汽混合比,V 是水平风速,是垂直运动速度。从Q的分布可以发现(图3 cd),潜热释放与
12、上升运动有很好的对应关系,1 62 0 UT C潜热上升释放的高度及强度逐渐增加,且潜热释放中心与上升运动中心对应一致,表明这次降水是一次对流发展加强的过程。图3 2 0 1 9年8月1 0日垂直剖面图。(a)和(c)1 6 UT C,(b)和(d)2 0 UT C。(a)和(b)为垂直运动速度(单位:P a/s),(c)和(d)为视水汽汇(单位:J k g-1 s-1)F i g.3 V e r t i c a l c r o s s s e c t i o n s o n 1 0 A u g u s t 2 0 1 9.(a)a n d(b)1 6 UT C,(b)a n d(c)2 0
13、UT C.(a)a n d(b)r e p r e s e n t v e r t i c a l v e l o c i t y(u n i t:P a/s),(c)a n d(d)r e p r e s e n t a p p a r e n t m o i s t u r e s i n k(u n i t:J k g-1 s-1)图4 2 0 1 9年8月1 0日2 0 UT C 8 5 0 h P a水汽通量散度(填色,单位:11 0-8 k g h P a-1 m-2 s-1)和风矢量分布。黑点为对应时刻“利奇马”中心位置F i g.4 D i s t r i b u t i o
14、n o f 8 5 0 h P a d i v e r g e n c e o f m o i s t u r e f l u x(s h a d e d,u n i t:11 0-8 k g h P a-1 m-2 s-1)a n d w i n d v e l o c i t y a t 2 0 UT C o n 1 0 A u g u s t 2 0 1 9.B l a c k d o t s r e p r e s e n t t h e c e n t e r l o c a t i o n s o f L e k i m a a t t h e c o r r e s p o n
15、d i n g t i m e 从8 5 0 h P a水汽通量散度和风矢量来看(图4),存在明显的水汽辐合区和风向的切变,低空急流将海上的水汽不断输送到陆地,水汽辐合上升,释放潜热形成降雨。1 62 2 UT C水汽辐合区呈东南-西北走向,与雨区位置对应一致,表明雨区的走向是由于水汽辐合区的移动造成的。从同一时刻的高空图上看(图5),1 0日1 6 UT C开始,山东东北部上空位于高空急流入口区的右侧,存在一个明显的辐散区,此时雨区位于山东东南部。随时间推移,雨区向东北方向移动,山东东北部上空西侧的低压槽发展,振幅加大,辐散区强度加强。2 0 UT C雨区位于高空急流入口区右侧,与 辐 散
16、区 重 合,对 流 发 展 加 强。至2 3 UT C,由于雨区一直位于高空急流入口区右侧,对应高空为强辐散区,这是雨区发展为深厚对流系统且长时间持续的主要原因。2 0 海 洋 湖 沼 通 报2 0 2 3 年图5 2 0 1 9年8月1 0日2 0 0 h P a环流形势。(a)1 6 UT C,(b)2 0 UT C。实线为位势高度(间隔8 0 g p m),虚线为风速(间隔1 0 m/s)。填色为散度(单位:11 0-5 s-1),黑点为对应时刻“利奇马”中心位置F i g.5 2 0 0 h P a c i r c u l a t i o n s o n 1 0 A u g u s t
17、 2 0 1 9.(a)1 6 UT C,(b)2 0 UT C.S o l i d l i n e s r e p r e s e n t g e o p o t e n t i a l h e i g h t(8 0 g p m i n t e r v a l),d a s h e d l i n e s r e p r e s e n t w i n d v e l o c i t y(1 0 m/s i n t e r v a l),s h a d e d a r e a s r e p r e s e n t d i v e r g e n c e(u n i t:11 0-5 s-
18、1),b l a c k d o t s r e p r e s e n t t h e c e n t e r l o c a t i o n s o f L e k i m a a t t h e c o r r e s p o n d i n g t i m e高空辐散区的形成与环流形势的演变密切相关。从前期来看(图6),0 0 UT C开始,山东北部位于高压脊后,存在明显的暖平流,且暖平流的作用不断加强。暖平流使高空脊发展加强,振幅加大,等压线密集,形成高空急流。山东北部位于高空急流入口区右侧,为强辐散区,与对流层低层的雨区重合,促使对流发展成为深厚系统并维持。因此对于这次降水过程,前
19、期高空暖平流促使高空脊发展形成高空急流,是其重要的启动机制和预报信号。图6 2 0 1 9年8月1 0日2 0 0 h P a环流形势。(a)0 0 UT C,(b)0 6 UT C,(c)1 2 UT C,(d)1 8 UT C。实线为位势高度(间隔8 0 g p m),虚线为气温(间隔4)。填色为温度平流(单位:11 0-4 s-1),黑点为对应时刻“利奇马”中心位置F i g.6 2 0 0 h P a c i r c u l a t i o n s o n 1 0 A u g u s t 2 0 1 9.(a)0 0 U T C,(b)0 6 U T C,(c)1 2 U T C,(d
20、)1 8 U T C.S o l i d l i n e s r e p r e s e n t g e o p o t e n t i a l h e i g h t(8 0 g p m i n t e r v a l),d a s h e d l i n e s r e p r e s e n t a i r t e m p e r a t u r e(4 i n t e r v a l),s h a d e d a r e a s r e p r e s e n t t e m p e r a t u r e a d v e c t i o n(u n i t:1 1 0-4 s-1),
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