台风“黑格比”登陆期间浙江地区水汽演变特征分析.pdf
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1、杨逸霖,钱燕珍,葛旭阳,等.台风“黑格比”登陆期间浙江地区水汽演变特征分析J.热带气象学报,2023,39(3):413-423.文章编号:1004-4965(2023)03-0413-11台风“黑格比”登陆期间浙江地区水汽演变特征分析杨逸霖1,钱燕珍2,葛旭阳1,黄绮君1(1.南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室,江苏 南京 210044;2.宁波市气象台,浙江 宁波 315012)摘要:在 2020 年 8 月 35 日台风“黑格比”登陆期间,浙江地区出现了强降水。利用中国自动站与CMORPH融合降水产品及ERA5再分析资料进行分析,表明浙江地区强降水
2、分两个阶段。为探究两个阶段降水成因,采用扰动天气图方法、拉格朗日轨迹追踪模式HYSPLIT与FLEXPART(the Flexible Particle Model)重点分析浙江地区强降水期间水汽输送特征,结果表明伴随强盛西南夏季风环流的水汽通道起着重要作用。最后,利用中尺度模式WRF_ARW进行了水汽条件的敏感性试验,进一步验证了西南季风水汽输送的重要性。在台风登陆降水预报过程中,需要关注西南夏季风背景下不同水汽输送影响。关键词:台风;登陆降水;水汽输送中图分类号:P444文献标志码:ADoi:10.16032/j.issn.1004-4965.2023.037收稿日期:2021-10-25
3、;修订日期:2023-01-18基金项目:国家自然科学基金项目(42175003);宁波科技局重大项目(2019B10025)共同资助通讯作者:葛旭阳,男,浙江省人,教授,主要从事台风动力学研究。E-mail:第39卷 第3期2023年6月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.39,No.3Jun.,20231 1 引引言言台风登陆后的水汽输送状况是其登陆后降水能否维持的一个基本条件,强水汽输送也是造成台风暴雨增大和维持的一个主要原因1-3。台风暴雨主要分为三种类型:集中在台风眼墙附近的主体暴雨、台风与中纬度或热带其他系统相互作用的远距离暴
4、雨、受迎风坡强迫抬升运动造成的暴雨4。而台风暴雨的强度和分布主要取决于台风自身结构影响、所处大尺度环境场以及下垫面强迫三个方面5。陈联寿等1指出,由于热带气旋登陆的地形强迫作用,陆地上的地形强迫辐合形势将使热带气旋的暴雨雨量增大,降水落区面积增大,这种强迫作用使得登陆华东地区的热带气旋北侧降水增强、雨区增大。李英等6对0010号台风“碧利斯”的数值试验结果表明,切断台风的水汽输送后不仅台风强度明显减弱,而且暴雨强度也显著减弱。Li等7对7503号台风“Nina”的分析表明,湿地边界层中水汽、动量等的垂直输送对登陆热带气旋的强度、结构以及降水结构有重要作用。叶成志等3对0604号热带气旋“碧利斯
5、”的研究表明,“碧利斯”在登陆后的低压环流与南海水汽相结合造成了湖南省东南部的特大暴雨。潘婧茹等8分析了1211号台风“海葵”影响江苏的两段主要降水过程的水汽特征,发现西南季风对台风登陆后同一区域内出现第二次强降水具有相当大的贡献。王烨豪9分别选取登陆福建且对浙江造成严重影响和一般影响的两类台风个例进行合成分析,发现登陆福建台风造成的强降水主要集中在浙江南部和东部地区。由此可见,由于与其环流相关联的水汽场特征存在差异,登陆热带气旋可能造成完全不同的降水分布和强度特点。2004号台风“黑格比”于2020年8月1日12时(世界时,下同)在菲律宾东北洋面上生成,向西北方向移动;于2日21时加强为强热
6、带风暴,3日06热 带 气 象 学 报第39卷时达到台风级并向浙江南部沿海靠近;3日19时30分左右以近巅峰强度在浙江省乐清市沿海登陆,登陆时中心附近最大风力达13级(38 m/s),中心最低气压970 hPa;随后以20 km/h的速度继续向西北偏北方向移动,受陆地摩擦作用影响,“黑格比”形态迅速崩溃,强度逐渐减弱,4日01时由台风级降为强热带风暴级,中心附近最大风力11级(30 m/s),17时降为热带风暴。“黑格比”台风具有以下两个特点:第一,“黑格比”为近海生成台风,处于我国台风24 h警戒线附近,低层正涡度平流以及来自台风南侧的水汽输送是造成“黑格比”在登陆前24 h内由热带风暴级迅
7、速增强至台风级的主要原因10,登陆时“黑格比”强度近巅峰状态,7级风圈半径在300 km以内;第二,登陆减弱北移后,台风南侧仍有强降水,影响时间长,尽管“黑格比”已于4日上午移出浙江地区,但浙江地区降水继续维持至8月5日,出现了第二阶段的强降水。历史个例表明,强降水往往伴随着台风登陆时刻的主体降水,而登陆台风衰减北移后南侧出现长时间强降水比较少见。当地业务部门对第二次强降水预报效果不佳,这值得对此过程进行成因分析。为此,本文将利用ERA5再分析资料、WRF模式以及水汽追踪模式,设计水汽敏感性试验并结合水汽诊断分析,重点针对台风“黑格比”登陆后第二阶段强降水的可能机理,以此期待提高登陆热带气旋强
8、降水过程的预报技巧。2 2 资料和方法资料和方法2.1 资料台风“黑格比”登陆期间的路径和中心强度数据来自中国气象局热带气旋资料中心整编的逐6小时台风路径和中心强度数据。降水数据来自中国自动气象站与CMORPH融合逐小时降水资料。大尺度环境场数据使用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的第五代大气再分析资料(ERA5),其空间分辨率为0.25 0.25,时间跨度从1979年开始至今且为逐小时数据。2.2 方法2.2.1 物理量的气候场与扰动场分离扰动天气图方法能够在分离大气物理量的时空平均基础上,将天气尺度瞬变扰动量从实际观测变量中分离出来,从而能够反映出瞬时扰动量对例如龙卷、短时强降水、台风等
9、极端天气的直接对应关系11-13。本文将历史30年的8月34日天气形势作为气候场,计算得到2020年8月34日逐小时大气环境的瞬时扰动场。2.2.2 水汽通量势函数通过ERA5再分析数据中的风场和比湿计算得到水平方向水汽通量(Qx,Qy)后,通过以下公式计算水汽通量的势函数及其水平辐散分量(Qx,Qy):h2=-h(Qx,Qy)(1)(Qx,Qy)=-h(2)通过超张弛法数值求解式(1)得到水汽通量的势函数。随后通过水汽通量的势函数求解式(2)得到水汽通量的无旋分量(辐散分量)。2.2.3 整层水汽通量异常的分解使用尺度分离方法14-16,将 IVT(整层水汽通量)异常分解为下式:IVT=1g
10、PsPtop(qV)dp=1gPsPtopq VdpA+1gPsPtopqVdpB+1gPsPtopqVdpC+residue(3)其中,IVT、q、V分别表示整层水汽通量、比湿以及风场的扰动分量,g为重力加速度;Ptop为积分上界的气压(300 hPa);Ps为海平面气压。等式右端四项分别为:A项扰动风场对平均水汽的输送,B项平均风场对扰动水汽的输送,C项扰动风场对扰动水汽的输送,以及余项(residue)。这里使用的气候态、扰动分量为2.2.1节扰动天气图方法分解得到的气候态与扰动分量。3 3“黑格比黑格比”登陆降水概况登陆降水概况图 1 为中国自动气象站与CMORPH融合降水与ERA5再
11、分析资料中“黑格比”登陆后的降水分布演变情况及850 hPa扰动风场、扰动比湿,叠加IBTrACS台风数据集相应时刻“黑格比”位置。从2020年8月4日00时降水(图1a)可看到,此时的414第3期杨逸霖等:台风“黑格比”登陆期间浙江地区水汽演变特征分析降水落区主要位于浙江东南沿海,结合“黑格比”位置以及850 hPa环流形势,该时刻降水基本围绕台风主体,且落区主要位于台风南侧、东南侧;伴随“黑格比”的逐渐北移,降水落区随之向北延伸的同时雨强逐渐减弱,至4日21时(图1c)在江浙省界附近降水强度再次增强,而此时降水落区已经与“黑格比”环流中心有较大距离。为方便下文对两个降水阶段的描述,将 20
12、20年 8月 4日 0015时定义为“黑格比”登陆期间的第一阶段强降水过程,8月4日1622时为第二阶段强降水过程。图1浙江地区一小时累积降水(填色,单位:mm)以及850 hPa扰动风场(矢量箭头,单位:m/s)和扰动比湿(红色等值线,单位:g/kg)a.4日00时;b.4日14时;c.4日21时。图中黑点为“黑格比”中心位置。35N34N33N32N31N30N29N28N27N26N4 4 环境场水汽特征分析环境场水汽特征分析本文首先通过扰动天气图方法对“黑格比”登陆期间两个强降水阶段低层扰动水汽、扰动风场进行对比分析(图 1 中矢量箭头及红色等值线)。由图1可见,在两次强降水阶段,西南
13、扰动风场与较高的扰动水汽均稳定少变维持,即“黑格比”登陆期间伴随着强盛的西南季风。对比降水区与台风位置的差异可看到,第一阶段强降水的水汽来源于台风本体的水汽,而第二阶段强降水落区已经位于“黑格比”环流南侧,即台风南侧与西南季风交汇处。水汽通量的势函数反映区域内水汽的收支情况17-18,即水汽通量势函数源汇对水汽输送有清楚的指示意义。势函数的极小值中心对应水汽输入区;反之,势函数的大值中心意味着该区域为水汽输出区。利用整层水汽通量势函数来对比分析这两次降水峰值相对应的水汽输送特征。图2分别给出了两个强降水阶段时整层水汽通量势函数以及整层水汽通量的无旋分量,两阶段强降水落区与整层水汽的辐合中心基本
14、吻合。第一阶段强降水(图2a)时水汽通量的辐合中心与台风中心位置十分接近,表明此时整层水汽辐合形势集中在“黑格比”环流主体内,即第一阶段主要为台风“黑格比”主体降水;在随后24小时内,台风中心逐渐向北移动,但水汽辐合中心移动速度落后于台风移速,至第二阶段强降水(图2b)时,整层水汽通量辐合中心与台风中心存在明显的距离。这说明第二阶段强降水与台风主体降水不同。考虑到台风强度进一步衰减,一个值得关注的问题是:产生第二阶段强降水的成因与第一阶段台风主体降水有何差异?本文将针对该问题开展诊断分析。环境场水汽条件(如整层水汽通量;IVT)对降水至关重要。为进一步揭示异常环流影响,本文将采用尺度分离的方法
15、,重点探讨气候态、扰动分量对整层水汽通量异常的贡献。图3给出了第二阶段整层水汽通量异常以及式(3)右端A、B、C三项的空间分布。从整层水汽通量异常的逐项诊断看,第二阶段强降水发生时的水汽通量异常由扰动风场占主导地位,即上式右端A项扰动风场对气候态的水汽输送对IVT 的贡献最大,C项扰动35N34N33N32N31N30N29N28N27N26N35N34N33N32N31N30N29N28N27N26N117E119E121E123E117E119E121E123E117E119E121E123E12.5510152535455 m/s(a)(b)(c)415热 带 气 象 学 报第39卷风场
16、对扰动水汽的输送贡献次之,B项气候态风场对扰动水汽的输送贡献最小。由此可见,水汽输送主要取决于强盛的西南夏季风环流。图2 2020年8月4日 00时(a)、21时(b)整层水汽通量势函数(填色,单位:106kg/s)与水汽通量无旋分量(矢量,单位:106kg/s)分布图红色等值线为相应时刻一小时累积降水10 mm、25 mm、40 mm等降水量线,红点为观测“黑格比”位置。图32020年8月4日21时整层扰动水汽通量的逐项诊断ad分别对应式(3)中左端项(a)、右端A项(b)、右端B项(c)、右端C项(d)。(a)(b)35N34N33N32N31N30N29N28N27N26N117E119
17、E121E123E35N34N33N32N31N30N29N28N27N26N117E119E121E123E100-120-100-80-60-40-200204035N34N33N32N31N30N29N28N27N26N117E119E121E123E117E119E121E123E35N34N33N32N31N30N29N28N27N26N35N34N33N32N31N30N29N28N27N26N35N34N33N32N31N30N29N28N27N26N117E119E121E123E117E119E121E123E248163264(a)(b)(c)(d)416第3期杨逸霖等:台
18、风“黑格比”登陆期间浙江地区水汽演变特征分析5 5 水汽源区及轨迹分析水汽源区及轨迹分析综上所述,水汽通量势函数与扰动天气图对两个阶段降水的水汽条件分析表明,两个强降水阶段水汽来源可能存在差异。为进一步揭示这些差异,本文利用NOAA开发的HYSPLIT拉格朗日后向粒子追踪模式19-20进行目标空气块轨迹追踪(图4)。具体来说,对来自两次降水落区的目标空气块后推24小时得到目标空气块的轨迹。图4a中,第一阶段降水发生24小时前几乎所有目标气块路径均呈现气旋性旋转态势,这与台风环流吻合。而在第二阶段(图 4b),绝大多数目标气块的移动轨迹表现出从南侧直接移入降水区,即西南季风将水汽直接输送到降水区
19、。这些结果进一步验证了前文分析结果。图4HYSPLIT模式对两阶段强降水落区的水汽后向追踪轨迹图a.2020年8月4日00时;b.2020年8月4日21时。每种颜色的线条代表一个典型目标气块,黑色五角星表示起始追踪位置。虽然 HYSPLIT 拉格朗日后向例子追踪模式可以揭示目标区水汽轨迹,但无法定量描述各区域对降水的相对贡献。而拉格朗日轨迹追踪模式FLEXPART不仅可用来追踪大气中各种成分的输送21-23,而且可通过更加清晰、定量的方式反映各类天气形势下水汽输送的特征24-26。为此,本文将采用FLEXPART模式,对造成第二阶段强降水的天气尺度水汽来源进行定量分析。Numaguti27与
20、Trenberth28的研究发现,水汽平均在大气中的留滞时间约为10天,因此选取浙江地区为目标降水区域,对目标气块从达到第二阶段强降水峰值强度起,回推10天模拟目标气块轨迹。采用前人研究22-23,25,29-30对E-P的定义:E-P i=1N()ei-piA=i=1NmidqidtA(4)其中,E和 P分别表示单位面积下垫面的蒸发率(Evaporation)和降水率(Precipitation),因此E-P代表了蒸发率与降水率之差(即地表水通量),ei和pi分别表示单一目标气块内水汽含量的增长率和减少率,mi、qi分别表示单一目标气块的质量和比湿,t为时间,A为所划分区域的表面积。根据前文
21、的西南季风水汽输送通道(图5),划分水汽源区见图 5a 黑色矩形所围区域。参考Huang等25研究,用目标降水区域内释放的总水汽Rtotal表示目标区域内的降水量,分别计算每个水汽源区在目标降水区域释放的水汽为R,不同水汽源区对目标区域内降水的贡献率C计算如下:C=RRtotal100%(5)由FLEXPART模式模拟结果诊断得到的E-P分布见图5a填色,其中负值表明经过此处的气块净释放水汽,即水汽汇区,正值表明经过此处的气块净摄取水汽呈现为水汽源区。从图5a看出,目标气块在洋面上时主要表现为气块获取水汽,气(a)(b)417热 带 气 象 学 报第39卷块水汽含量增加,经过陆地时则以气块释放
22、水汽为主。在到达目标区域时,气块中的水汽得到充分释放,出现了显著和集中的降水。注意到气块在运动过程中伴随数次水汽的释放与摄取,因此需要对水汽源区的整体贡献进行定量分析。通过降水贡献率公式估算得到不同水汽源区的水汽贡献见图5b。从图 5b中的水汽源区定量贡献直方图可看出,区 域 A 的 整 层 大 气 和 边 界 层(PlanetaryBoundary Layer,PBL,这里指从地面至850 hPa)内水汽对目标区域降水贡献分别达到 36.8%和30.6%,是对浙江地区降水贡献最大的水汽源区;区域B的降水贡献排第二,相应降水贡献分别为13.1%和11.4%;浙江地区局地的整层大气与边界层大气降
23、水贡献分别为5.0%和1.7%。结果表明,大尺度环境场在“黑格比”登陆10天之内维持着较强的西南季风,源源不断地将湿空气输送至浙江地区,伴随台风的强水汽辐合场(图2)造成浙江地区的降水。图5FLEXPART模式模拟结果诊断得到的E-P(填色,单位:mm)与水汽源区划分(黑色矩形)(a)、各水汽源区对目标降水区域的贡献百分比(b)a中T区表示目标降水区域,对应右图loc直方图;b中Total为所有考察的区域贡献之和,蓝色为整层大气贡献百分比,红色为边界层贡献百分比。6 6 WRFWRF敏感性试验敏感性试验上述分析结果表明西南季风对浙江地区两阶段 降 水 的 重 要 作 用。利 用 中 尺 度 数
24、 值 模 式WRF_ARW,本文将开展针对水汽来源的敏感性试验。模拟过程采用三层格距分别为 27 km、9 km、3 km的嵌套网格,其中第三层为跟随台风移动网格,模式模拟的区域中心为122 E,30 N,模拟区域设置如图6所示;初始时刻为2020年8月3日00时,积分72 h,使用NCEP的FNL 1 1 再分析资料作为模式初始及边界条件。模式模拟的参数化方案设置参见表1。本文设计三组模拟试验,第一组为控制试验;第二组(RH55)敏感性试验将 WRF前处理系统中积分时段期间 met_em 文件中 25 N 南侧的相对湿度减少为原始相对湿度的55%,以达到削弱南侧热带地区水汽输送的作用;第三组
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