台风“海棠”特大暴雨数值模拟研究

在福建中北部登陆的台风,往往会严重影响浙江,尤其值得注意的是台风引起特大暴雨经常会发生在浙江东南沿海的南雁荡山区和北雁荡山区,2005年在福建省连江黄歧登陆的台风"海棠"(0505)对浙江东南沿海造成严重影响,是这类台风比较典型个例。文中利用非静力模式MM5模拟"海棠"台风在浙东南沿海造成的特大暴雨,模拟结果与实况对比分析表明,模式较好地模拟了台风降水强度和分布,特别是成功模拟出南雁荡山区特大暴雨中心(南部暴雨区)和雁荡山区特大暴雨中心(北部暴雨区);运用高时空分辨率模拟资料对特大暴雨成因进行诊断分析表明,南部暴雨区涡度低层到高层向西倾斜结构和北部暴雨区高低空强辐散辐合的耦合结构有利于形成暴雨区强烈上升运动,环境风场垂直切变产生次级环流进一步加强暴雨区上升运动;暴雨区持续不稳定层结和特殊水汽输送通道为特大暴雨提供热力条件和水汽条件。最后对浙南闽北地形对台风特大暴雨影响进行数值敏感性试验表明,温州南、北雁荡山脉地形等高线与台风水汽输送路径正交是造成特大暴雨的重要原因,地形使暴雨增幅明显,地形越高对暴雨增幅越明显,降水分布更加不均匀。比较台风造成南、北特大暴雨条件,发现两者既有环境风场垂直切变产生次级环流进一步加强暴雨区上升运动、持续不稳定层结以及地形对暴雨增幅作用等相同之处,又有动力结构、维持持续不稳定层结条件以及水汽输送等不同之处。     

台湾地形对1011号台风“凡亚比”影响的数值试验

利用WRF-ARW 3.2.1模式,对台湾岛地形对2010年第11号超强台风"凡亚比"的路径、降水及结构的影响进行了数值模拟和敏感性试验。结果表明:台风登陆台湾岛前,迎风坡地形低压作用使台风中心南落并出现逆时针打转;背风坡地形低压和台风西北侧台湾海峡出现弧状正涡度带,使台风进入台湾海峡时出现"V"型异常路径;台湾岛地形作用使台风西北侧水汽辐合和正涡度减小,而使其东侧、南侧水汽辐合和正涡度增加,台风出现西北弱、东南强的不对称结构和降水不均匀分布;台湾中部山脉地形对台风低层流场的阻挡抬升作用对台风降水具有明显的增幅作用,造成台湾岛降水分布呈南部、东部强而西北部弱的不对称分布。     

鲁中山区地形对山东省一次暴雨影响的敏感性数值模拟试验

利用PSU/NCAR MM5V3中尺度数值模式进行了鲁中山区地形对一次台风暴雨的数值模拟敏感性试验,结果分析表明:鲁中山区地形作用对山东省暴雨有重要影响,迎风坡可引起低层气流和水汽的辐合上升运动增强,降水量增加,但偏北气流在迎风坡的水汽辐合不明显,降水量影响不大;山顶引起低层辐合上升运动减弱,辐散下沉运动增强,降水量减小;背风坡引起低层气流和水汽的辐合上升运动增强,降水量增加。     

浙江天目山区台风暴雨特征和成因分析

通过区域自动气象站资料和ERA5资料从台风分型、雨量分布、影响系统、地形特征等方面分析天目山区台风暴雨特征和形成机理，结果表明：①天目山区台风雨量分布呈东北、西北多，中部、南部少的特征，东天目山为主要的降水中心，浙西天池为次中心；②高空槽呈西北—东南走向时，槽后冷空气气旋式地从台风的西北侧向南侧入侵，呈半包围状环绕台风中心，使得台风再次出现了明显的相对暖中心，有利于气旋性涡度的激发，增强雨势；③日平均降温幅度2 ℃左右的弱冷空气侵入到低空，沿着近地面嵌入到暖湿空气的底部，与地形条件一起对暖湿气团起到了有力的抬升作用，最有利于天目山区触发对流性天气；④天目山区台风降水增幅作用主要表现为迎风坡效应、狭管效应以及气流遇山时发生的绕流、反弹现象在山前形成辐合线和辐合中心；登陆北上台风容易在天目山区北侧造成降水中心，而登陆西行台风降水中心在天目山区东侧。     

台湾岛地形对登陆台风“莫兰蒂”(1614)强对流雨带发展影响的模拟研究

2016年9月14~15日超强台风“莫兰蒂”（1614）登陆厦门后在福建省中北部引发了特大暴雨天气过程,特大暴雨由台风登陆后北侧至东北侧一个缓慢移动的长生命史中尺度强对流螺旋雨带活动造成。利用中尺度数值模式WRF（V3.9）对台风登陆引发福建省中北部特大暴雨过程进行了大区域无嵌套数值模拟,较准确地模拟了台风引发特大暴雨的强度和落区,并成功地再现了台风登陆后北侧至东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带的发生、发展过程。分析发现,台风大风区外围几个零散的中尺度辐合区在移入台湾地形下游的弱风切变区、正涡度带、湿静力能（假相当位温、比湿）锋区后,组织发展成一个带状的中尺度辐合带而形成强对流螺旋雨带,长时间地维持和发展,并向东北方向缓慢移动。台湾地形在有利于强对流螺旋雨带长时间组织发展和维持的中尺度环境场的形成中扮演着重要角色,即地形效应在其下游形成的正涡度带（正位涡带）、雨带（位于高湿静力能区）南侧低湿静力能带（即湿静力能锋区）,对强对流螺旋雨带的长时间发展维持非常重要。地形敏感性试验的结果进一步证实了台湾地形在台风登陆后东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带形成及维持中的重要作用。     

地形对台风“海葵”降水增幅影响的研究

使用NCEP GFS资料和WRF V3.4模式对2012年第11号台风"海葵"(1211)引发的安徽强降水过程进行数值模拟,通过改变模式中安徽省大别山区和皖南山区的地形高度,设计一组敏感性试验,对"海葵"降水的地形增幅效应进行研究。结果表明:(1)WRF模式对台风"海葵"降水过程有较好的模拟能力。(2)大别山区和皖南山区地形对"海葵"移动路径、强度以及降水分布、强度均有不同程度的影响;不同地形高度下模拟的台风路径及降水分布差异较大,且降水中心强度与地形高度相关性较好,地形对暴雨增幅作用明显。(3)山区地形有利于中尺度辐合线和低涡生成、发展,并有强水汽辐合中心与之相对应;有地形时对流层低层上升运动比无地形时明显加强,对安徽中南部强降水增幅作用显著。     

台风Rananim登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验

应用非静力平衡中尺度模式MM5(V3.6)，对0414号台风Rananim在登陆期间移动路径和所产生的降水进行了数值模拟研究，模式较好地再现了台风Rananim的移动路径和所产生的降水，但模拟的过程降雨量与实况值还有所偏差。多普勒雷达探测资料表明，台风Rananim登陆期间，强回波带出现在台风移动的右前方，螺旋云带中镶嵌着大量的对流云团；垂直液态水含量的高值区出现在台风中心的西北侧。作者通过在浙江、福建东部沿海一带进行有无地形的数值对比试验，着重讨论了台风登陆期间地形对台风降水、台风结构特征变化的影响。结果表明:（1）台风登陆期间， 地形的影响对台风降雨量有明显的增幅作用。由地形强迫产生的降雨量和地形走向相一致，迎风坡降雨量增加，背风坡降雨量减少，地形影响使浙江东部一带增加的平均降雨量约占该地区模拟平均总降雨量的40%左右。（2）台风登陆期间，地形的强迫作用有利于在低层台风眼的西北侧形成明显的辐合带，高层为明显的辐散区；在中尺度环流场上，地形的影响有利于台风中心西北侧低层中尺度气旋性涡旋系统的发生发展，从而激发中尺度对流云团，形成中尺度雨团，造成了台风中心南北雨区和雨量的不对称分布。（3）地形的强迫作用，可以使台风流场局部发生改变。当地形强迫产生与台风环流同向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显增强；当地形强迫产生与台风环流反向的中尺度扰动时，将使台风环流局部明显减弱。（4）台风登陆期间，地形的影响可以使台风靠近陆地一侧眼壁内的垂直上升速度增大，位涡明显增强，从而造成台风涡旋的增强。     

0505号“海棠”台风暴雨数值模拟试验和分析

利用中尺度数值模式WRFv2.2较好的模拟结果, 并结合NCEP再分析资料、 地面自动站降水资料以及实况雷达回波资料对台风 “海棠” 造成的浙闽地区特大暴雨进行分析。研究发现, 这次暴雨属于台风中心北侧附近的螺旋云带降水, 主要是由边界层强中尺度辐合带直接影响造成的, 降水伴随着辐合带发展; 边界层顶的强东风急流和对流层低层强偏南气流在浙闽地区的交汇是强辐合带的成因; 台风向西北方向移动相伴东风急流和强辐合带的北移, 这是本次暴雨出现稳步北抬的原因。台风的三支不同气流在浙江南部和福建北部地区交汇上升, 起到了水汽通道和能量输送以及建立不稳定区的作用, 提供了暴雨的增幅与维持, 而气流的汇合主要发生在边界层内, 这也是中尺度辐合带高度受限于边界层的原因。浙闽地区复杂的中尺度地形对本场暴雨的发生有重要作用, 为暴雨的增幅做出了重要贡献, 但是, 对边界层不同气流造成的中尺度辐合带而言, 地形的作用较小, 仅可阻挡降水向西延伸。     

"99.8"山东特大暴雨形成机制的数值模拟分析

利用双重嵌套的非静力数值模式MM5V3,成功地模拟了1999年8月11~12日山东诸城发生的特大暴雨。利用模式输出的高时空分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析。结果表明,这次特大暴雨是在弱冷空气侵入台风低压环流,热带辐合带北伸的形势下形成的;倾斜涡度发展是特大暴雨及中尺度低涡产生、发展的重要机制,鲁东南有利的地形对中尺度低涡的形成具有重要作用;台风低压倒槽顶部的强辐合作用首先触发上升运动,产生强降水,强降水位于低层气旋性暖式切变最明显的地方;强降水释放的凝结潜热使高层气层增暖,高层辐散加强,引起低层中尺度低涡强烈发展,导致降水增幅。可见,CISK机制是特大暴雨和中尺度低涡加强的另一种机制。     

太行山对北京“7.21”特大暴雨的影响及水汽敏感性分析的数值研究

运用GRAPES_Meso模式对2012年7月21—22日发生在北京地区附近的特大暴雨过程进行数值模拟和地形、水汽的敏感性试验。地形敏感性试验发现,在这次特大暴雨过程中,由于太行山北端的阻挡作用,使得气流和水汽辐合、抬升,加强了对流过程;对流层低层山前东南风和西南风、北风的辐合带增大了气旋性涡度,使东移到北京的低涡稳定维持5 h左右,对降水有明显的增幅作用;而且地形起伏和地形海拔高度对降水都有明显增幅作用,地形起伏的增幅作用较地形高度的大。水汽敏感性试验发现在这次特大暴雨过程中,水汽条件较小的变化,会导致水汽输送的明显差异,从而导致降水量显著地改变。     

A Numerical Study of the Severe Heavy Rainfall Associated with Typhoon Haitang （2005）

Typhoons landing in the central and north of Fujian Province often seriously impact Zhejiang Province. Much attention has been given to exceptionally torrential rain in the South/North Yandang mountainous regions in the southeast of Zhejiang Province associated with typhoon-landing. Typhoon Haitang （2005） is a typical case of such a category, which landed in Huangqi Town of Lianjiang County in Fujian Province, and meanwhile greatly impacted Southeast Zhejiang. A numerical simulation has been performed with the PSU/NCAR non-hydrostatic model MM5V3 to study the torrential rain associated with Typhoon Haitang. The comparison of simulated and observed rainfalls shows that the MM5V3 was able to well simulate not only the intensity but also the locations of severe heavy rain of Typhoon Haitang, especially the locations of the south/north heavy rain center areas in the South/North Yandang mountainous regions. Meanwhile, the diagnostic analysis has been also carried out for better understanding of the severe heavy rain mechanism by using the model output data of high resolution. The diagnostic analysis indicates that the westward tilt of the axis of vorticity from lower layer to upper layer over the south heavy rain center area and the coupled structure of convergence in the lower layer and divergence in the upper level over the north heavy rain center area, were both propitious to stronger upward motion in the layers between the mid and upper atmosphere, and the secondary circulation induced by the vertical shear of the ambient winds further strengthened the upward motion in the heavy rain areas. After Haitang passed through Taiwan Island into the Taiwan Strait, the water vapor east of Taiwan Island was continuously transferred by typhoon circulation towards South Wenzhou, leading to the torrential rainfall in the South Yandang mountainous region south of Wenzhou. Subsequently~ Haitang moved northwards, the water vapor belt east of Taiwan Island slowly advanced northwards, the precipitation rate obviously enhanced i     

中尺度地形对“98.7”鄂东特大暴雨的动力作用

用一个高分辨的 η坐标模式对 1998年 7月 2 1日鄂东沿江特大暴雨过程进行数值模拟 ,得到与实况相吻合的结果。通过敏感性试验和分析 ,研究了局地中尺度地形对这次暴雨过程的影响及其机理。结果表明 ,虽然地形对这次特大暴雨过程的基本面貌并未起到决定性的作用 ,但也有一些重要影响。大别山对边界层南风暖湿气流的阻挡使位于其迎风面上游的暴雨带有所加强。幕阜山对边界层水汽流入的拦截则使位于其背风面下游的暴雨带的初期发展减缓。到了暴雨盛期 ,由于暴雨带南侧有中尺度低空急流出现并正好位于幕阜山区 ,因地形而抬高的摩擦层内的Ekman风矢偏转直指暴雨区 ,加强了暴雨区水汽的辐合。由于强对流暴雨系统盛期近地层气流转为辐散 ,对暴雨维持起关键作用的辐合层升高 ,因此地形抬高的摩擦辐合恰好叠加其上使之增强 ,这可能是此次鄂东沿江特大暴雨过程持续时间长的一个重要原因。     

2016年7月华北特大暴雨过程河北南部垂直风切变观测特征

利用气象观测站小时雨量、不同探测手段得到的高空风资料，对2016年7月19—20日华北特大暴雨过程中河北南部降雨不同阶段水平风的垂直变化特征进行分析。结果表明：（1）在河北南部，太行山沿山一带到山前平原、平原东部分布着两片短时强降雨区，而前者强度更强，体现了地形迎风坡对降雨的增幅作用。（2）本次过程中，三种探测手段计算的深层垂直风切变具有一致的变化规律。西部山区和山前平原降雨显著增强阶段，环境风维持强深层垂直风切变，相应的u风差也显著增强，利于迎风坡降雨增强；降雨结束时，深层垂直风切变为弱垂直风切变。（3）强降雨阶段，水平风垂直切变矢量基本上呈现单一方向顺时针切变，且低层风垂直切变较大；降雨结束阶段，水平风垂直切变矢量方向变化复杂。（4）太行山脉高度以下的东风不断增强，最大东风分量达到8～28 m?s-1，利于山区和山前降雨的增强。     

一次海南秋季台风暴雨的特征和成因分析

利用ECMWF再分析资料、TRMM-3B42降水资料及FY2E卫星TBB资料综合对2013年一次海南秋季台风“海燕”的暴雨特征及成因进行了诊断分析。结果发现:(1)台风内的中尺度云团是造成海南大暴雨的直接影响系统, 地形抬升作用和弱冷空气的入侵加剧了海南大暴雨的强度, 暴雨中心落在五指山迎风坡; (2)偏南气流和东南气流的辐合及低空急流的存在是触发和维持大暴雨的有利条件; (3)暴雨产生在θ_e面陡峭密集区, 陡立密集导致了倾斜涡度发展。MPV1和MPV2与强降水有很好的对应关系, 暴雨发生时, 对流层低层MPV1 < 0, 同时MPV2>0;(4) 850 hPa垂直螺旋度正值区对未来6 h强降水落区有很好的指示意义。      

新疆西部一次大暴雨形成机理的数值模拟初步分析

2016年7月31日至8月1日新疆西部发生了一次罕见的大暴雨过程,利用常规观测资料、FY-2G卫星TBB（Black-Body Temperature）资料和NCEP/NCAR（1°×1°）再分析资料,在天气尺度环流背景和中尺度系统分析的基础上,利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式对此次大暴雨过程进行了高分辨率数值模拟,利用模拟资料对大暴雨的形成进行了分析。结果表明:此次暴雨发生在稳定维持的"两脊一槽"环流形势下,巴尔喀什湖低槽、高空偏西急流、低空偏东急流和近地面辐合线是造成此次大暴雨过程的主要天气系统。中尺度云团沿近地面的辐合线在天山迎风坡附近不断生成,云团生成后,在向东北方向移动过程中,经过伊犁地区上空时,受天山地形抬升影响不断发展增强,造成伊犁地区出现持续性较强降水。天山迎风坡附近持续较长时间的辐合线是造成此次新疆西部大暴雨的直接中尺度系统,其生成与低层风场辐合、低空急流和地形均有关系。低层辐合引发的垂直运动在地形迎风坡附近加强,风场辐合及地形抬升共同导致强垂直运动发展并维持,类似于"列车效应",不断生成的尺度更小的对流系统沿着辐合线持续移过新疆西部的伊犁地区,是该次暴雨持续的重要原因。     

A Numerical Study of Mesoscale-Topography Influence on the Heavy Rainband of Typhoon Hato (2017)

During the movement of Typhoon Hato (2017) over land, heavy rainfall occurred when the spiral rainband which was about 100 km distance away from the center of the typhoon passed the Dayao Mountain (with an elevation of 1.2 km). In this study, the structures and forming mechanism of the heavy rainband along the mountain range are investigated by using high-resolution model simulations. The results show the importance of topography in causing the heavy rainband. Upslope of the steep terrain lifts the cyclonic flow to produce strong upward motion when the rainband passes across with high wind speed. At the same time, the warm and humid air is lifted to the steep slope, causing unstable energy to accumulate over the windward slope, which is conducive to the occurrence of rainfall. In particular, the convective cells generated upstream of rainband will further strengthen and develop due to the uplift when they move close to the mountain foot. Some precipitation particles in the convective cells fall to the ground while others move downstream with the intense updrafts, forming heavy rainfall near the summit. As a result, the largest accumulative rainfall coincides well with the orientation of the mountain ridge.     

太行山地形影响下的极端短时强降水分析

2015年8月2日午夜和2011年8月9日前半夜,在两种不同天气系统背景下太行山东麓都出现了小时雨量超过50 mm的极端短时强降水天气,两次过程都是雷暴先在太行山区触发加强,经过下山2 h先后在丘陵站平山和山前平原站石家庄市区产生极端短时强降水。利用常规探测资料、地面加密观测资料、石家庄SA多普勒天气雷达资料,对不同天气系统背景下太行山特殊地形影响的极端短时强降水成因进行分析。结果表明:偏东气流被南北向的太行山地形强迫抬升,且与下山雷暴出流形成中尺度辐合线触发新的雷暴,雷达回波呈现后向传播特征和列车效应造成局地极端短时强降水。太行山地形通过增强辐合上升运动、增大垂直风切变使雷暴下山加强。不同天气系统强迫下,太行山特殊地形对雷暴发展作用不同。在偏西气流引导下,暖区极端短时强降水由阵风锋触发,具有突发性、降水时间短、伴随风力大的特点,下山雷暴出流加快且与山前偏东风的辐合加强,陆续在丘陵区和山前平原触发对流与下山雷暴合并加强造成极端短时强降水;而在东北气流引导下,回流冷锋和阵风锋共同触发的极端短时强降水具有持续时间较长、降雨总量较大、伴随风力较小的特点,太行山东坡对东北冷湿回流有阻挡积聚作用,东北偏北来的雷暴出流边界西端在迎风坡上强迫抬升使雷暴触发并加强,东北气流遇山后发生气旋性偏转使雷暴出流转向东南下山,与平原的偏东风辐合加强,造成丘陵区和山前平原的总降雨时间更长、降雨总量更大。     

江西中西部地区一次暴雨过程的地形敏感性试验

利用常规观测、加密自动站资料和NCEP再分析资料,分析2005年5月江西萍乡地区春季一次暴雨过程发现,该过程仅萍乡南部地区出现暴雨,而中北部地区为小到中雨。考虑到萍乡中南部特殊地形,通过WRF中尺度模式模拟再现这次暴雨过程,并设计降低、增高和移除地形三组敏感性试验探究地形对降水的影响。结果表明：（1）萍乡地形的屏障作用在南部地区造成的风场辐合是南部产生暴雨的重要原因;（2）地形通过影响切变线附近风场辐合以及水汽汇集的位置和强度来改变暴雨的落区与强度;（3）较高的地形造成气流在山前堆积,造成明显的水平气压梯度,使局地气流与背景气流在山前辐合,有利于山前降水增强。