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0509号台风麦莎螺旋雨带中尺度系统的数值研究

周玲丽，翟国庆，何斌

1 地球科学系，浙江大学，杭州

2浙江省气象台，杭州

3江西气象台，江西

摘要

本文使用先进的天气研究和预测模式（ARW来模拟2005年台风“麦莎”在浙江东北沿海地区引起的局地暴雨过程。研究结果显示，暴雨主要是由滞性雨带综合体（SBC）结构的次级螺旋雨带所引起的。在次级螺旋雨带的边界处出现一条强烈的中beta;尺度辐合线，这一天气系统也与多普勒雷达的回波带相符合。辐合带中还包含了几个更小尺度的辐合中心，并且所有的这些辐合气柱均向外倾斜。辐合带所在地区在未来一小时内预报会出现大于20mm的降水。在暴雨过程中，多普勒雷达回波波段、辐合线以及未来一小时降水量均保持同步演变。进一步的研究表明，径向风垂直切变和低空急流切向分量影响辐合气柱的形成与发展。径向风反气旋环流的上升支与低空急流入口区的切向风分量共同作用从而加强了辐合。二级环流的反气旋环流以及辐合形成的强迫抬升使得低层的暖湿气流流入降水系统。在对流不稳定的条件下，强对流引发了大暴雨。

关键字：台风暴雨 辐合线 螺旋雨带 径向风 切向风

一 引言

中国是世界上受台风影响最严重的国家之一，每年平均有7到8个台风会登陆我国（Cheng和Ding，1979）。从沿海地区发生自然灾害的频率和影响程度来说，台风灾害比其他自然灾害更严重。这些灾害主要是由与台风相关的暴雨造成的，而导致台风暴雨最重要的天气系统之一是螺旋雨带。这些雨带一般宽5-50km，长100-300km,存在于热带气旋中,并且具有复杂的3维结构，伴有广泛的嵌有深对流核的层状降水带（atlans等,1963;barnes等，1991）。许多研究证明了这些深层小尺度对流系统在与台风有关的严重暴雨中的重要作用（Chen，1995；Chen和Luo，1995；Meng等，1996）。小的对流系统产生的降水往往要比台风自身产生的降水更严重，并且直接影响着降水的强度和分布（Chen等，2005）。过去的研究也发现中尺度强降水与台风的强雷达回波之间存在密切联系，这两者与边界层明显的辐合相对应（Zhou，2008；Zhou等人，2009）。

浙江省地处我国东南沿海，经济发达，人口稠密，近几年受台风灾害的影响程度居全国前列。平均每年有5.3个热带气旋影响浙江省，0.66个热带气旋在浙江登陆（Yang等，2007）。根据对所有的台风降水记录资料分析，台风带来的最大单站降水基本都在100mm以上，其中有31次台风带来最大单站降水在500mm以上（Lv和Yao，2006）。例如，0509号台风麦莎于2005年8月5日19时30分在浙江省的东南沿海玉环县登陆，导致了整个浙江省北部发生特大暴雨。台风期间，最大单站降水量接近511.5mm，导致了严重的经济损失和人员伤亡。台风麦莎登陆时的卫星云图显示有两个发展旺盛的云带存在于台风的眼墙外（fig.1）。通过willoughby等人的研究（1984）表明，这是典型的滞性雨带综合体（SBC），它其中包括一个主雨带，一个连接内部眼墙和外部雨带的连接雨带，有时还会有一个位于眼墙和外部主雨带之间的第二雨带。对于台风麦莎来说，第二雨带是导致浙江北部特大暴雨的主要系统。

Fig. 1. 风云2号2005年8月5日16时红外云图

虽然热带气旋中对流尺度系统的重要性已被有力地论证过(riehl和malkus，1958)，但集中在这一领域的研究很少。主要是因为对流尺度系统生命期很短，发展迅速。用现有的观测手段深入地研究这些系统的内在结构很困难。多普勒雷达观测和数值模拟已经成为研究台风中尺度暴雨内部结构非常有用和有利的工具，尤其是最近多普勒雷达沿海布局的改进以及数值天气预报的发展。为了深入了解台风暴雨带的生成和发展机制以及螺旋雨带中的中尺度对流系统的结构特征，本文使用中尺度数值模式WRF被来重建和研究由台风麦莎的导致的暴雨过程

二 个例和试验设计

此次数值模拟使用了ARW中尺度模型。使用两层嵌套的ARW来做48小时模拟，模式开始时间为暴雨前25小时，即2005年8月5日00时。该模式在垂直方向分为31层（in the terrain—following sigema coordination）。第一层网格的水平间格距30km，一共有121*110个网格点。第二层网格的水平格距为10km，一共有91*88个网格点。初始和侧面边界条件是基于每6小时（0点，6点，12点，18点）的分辨率为1度的ncep FNL分析数据。该模式用了lin等人的微物理方案（lin等，1983；rutledge and hobbs，1984；tao，1989），betts－miller－janjic的积分方案（betts，1986；betts and miller，1986；janjic，1994）以及YSU边界层方案（hong和dudhia，2003）。

Fig. 2.数值实验两层嵌套方案

在设计的试验中，使用了WRF-VAR循环同化模式每六小时同化一次观测数据。在这种方案中，WRF-Var的初始场是来自于先前的WRF-VAR分析数据的WRF六小时短时预报。WRF-VAR的协方差矩阵是从前一个月的WRF预报统计中获得的，这些预报统计是利用NMC方法(barker等人，2001；parrish and derber，1992)计算得出的。用于同化的观测资料包括常规地面观测资料和高空观测资料以及雷达反射率和径向风观测资料.

三 结果和检验

3.1台风路径

观测路径显示台风麦莎向西北方向移动并于2005年8月5日19时40分登陆浙江省东南海岸（北纬28度，东经121.2度），然后在整个浙江省保持西北向移动，最终于2005年8月6日14时离开浙江省。对比模拟路径，结果显示，除了一些轻微的南北偏转外，模拟路径与台湾中央气象局发布的最佳路径基本一致。登陆前，模拟的台风中心位置较观测的台风中心偏南10-15km，并且比观测登陆点早一小时在偏南10km处登陆。但是，模拟台风也向西北方向移动，并且与观测台风在同一时间同一地点离开浙江省。

Fig. 3.台风麦莎的实况和模拟路径，实线代表实际最佳路径，点线代表WRF模拟的最佳路径

3.2降水

在分析观测的降水形势之前，需要注意的是，降水数据是从自动地面气象站获得的，这意味着没有海洋区域的降水数据。图4a可以看出浙江省的东北部沿海地区的东南部至西北部存在强降水，24小时降水达到350mm。此次降水高度集中，降雨量大于300mm的区域主要集中在各方向150km范围内。模拟结果与观测结果大致一致。据观测，在浙江东北沿海还有一条由东南向西北延伸的强大集中雨带，但它的位置偏南10km,最大值比观测值弱一点.

上述结果表明模拟结果与观测结果基本一致，这就意味着该模式可以大致反映此次台风的降水过程。所以，模拟结果可以被用来进一步分析。

四 边界层螺旋雨带及中尺度辐合线

一些研究发现，某些台风引起的强降水与边界层中尺度辐合线有着密切联系。辐合线在暴雨的形成，触发和维持中起着重要作用（zhou，2008；zhou等人，2009）。为了检验这一结论在台风麦莎中是否正确，本文将多普勒雷达回波资料以及自动站降水数据，与模拟的辐合场进行比较，来研究这三种因子间的联系。

世界时06时，浙江省东北部沿海台风中心东北方向出现大于35dbz的强雷达回波带。回波长250km，宽25km,从东南向西北延伸。沿着这条回波带嵌有几个45-55dbz的回波中心，与台风麦莎的次级螺旋雨带相对应。在强回波带外，还有另一个雷达回波带出现在海面上。尽管外部的这一条回波带也包含了一些回波中心，但是它的强度较弱,结构较为松散。它是外部回波带所对应的主要雨带。在两个雷达回波带内，有几个回波块沿着径向延伸到眼壁，这几个回波块对应于连接的螺旋雨带。在接下来的一个小时内，自动

气象站观测的降水主要发生在二级雨带内，达20mm以上。雨量最大值的过程和位置都与二级雨带对应的较好。许多研究发现，台风中心以东的雨带沿径向缓慢向外移动(senn和hiser，1959；willoughby，1978；may，1996),也有可能保持静止，在逆风边缘会形成新的单体（atlas等人，1963）。在雨带向外传播的过程中，主雨带有时会衰减并消失，被第二雨带所取代（may，1996）。在接下来的几个小时内，台风麦莎的螺旋雨带发生了如图5c,5e,5g,5i的情况。浙江省东北部沿海地区螺旋雨带的位置基本保持不变，而台风向西北方向移动，这说明两条雨带径向向外传播。然而，这两个雨带的演变趋势完全相反。在向外移动时，二级雨带明显增强，新的小回波块出现在回波带的上端。相反的，外围的主要雨带逐渐减弱，最终消亡被二级雨带取代。在这一过程中,不仅接下来自动站观测得到的降水与二次雨带相当吻合，而且随着二级雨带的发展，降水的强度也显著增强。一小时最大降水量在仅仅三到四小时内从20mm快速增加至100mm。

925 hPa高度处的模拟辐合场可以看到位于观测雷达回波带附近的强辐合线。辐合线为中尺度，与回波带有着相似的结构与过程。虽然由于数值模型中存在不可避免的误差，辐合线位置和回波带之间存在一定的偏差，但发展和结构特征表明，模拟辐合线和观测得到的雷达回波带均代表螺旋雨带。图5b显示06时，次螺旋雨带对应的模拟辐合线相对较强，由3到4个中gamma;尺度的强度超过-35/s的强辐合中心组成。然而，辐合线外部对应的主螺旋雨带要弱的多，最强的辐合中心强度为-12/s，结构松散。在辐合线与台风中心之间也有几个径向分布的小的辐合中心，对应着连接的螺旋雨带。接着，这两条辐合线都以径向向外逐渐向外移动，辐合线内的雨带不断增强，辐合线外的雨带在两个小时内衰减并消失。（图5h，5f）最终，内部的辐合线代替外部的辐合线。（图5h，5j）

上述分析表明，台风麦莎中心以东的滞性雨带综合体是暴雨过程的主要影响系统，由几个雨量单元组成，它们的尺度要小得多。

Fig6.2005年8月6日08时沿辐合线所作垂直剖面。阴影部分代表辐合强度超过-10/s，实线代表辐散大于10/s,点线代表上升速度，黑色的三角形代表了引起此次浙江东北沿海暴雨的辐合中心位置

尤其是滞性雨带综合体的次级螺旋雨带是造成浙江东北部海域暴雨的直接影响系统。次螺旋雨带不断的向外移动并且不断加强，最终在主雨带消亡后代替其成为了新的主雨带。而与边界层螺旋雨带相对应的稳定的强中beta;辐合线也与螺旋雨带的尺度，过程，分布和发展趋势相似。沿着次螺旋雨带，下一小时产生了超过20mm的强降水。降水与辐合线同步分布、演变。上述结果进一步证明了模拟的辐合场的可信度。

五 螺旋雨带中尺度辐合线的垂直结构

在第四部分中，低层辐合场已显示出次级螺旋雨带与强中尺度辐合线密切相关。在本节中，将会通过研究垂直结构来发现辐合线的发展机制。

图6是2005年8月6日08时沿辐合线作的垂直剖面。从图上可以看出，沿着辐合线从东南向西北方向有四个辐合中心。辐合最强处位于900hPa以下，辐合中心的顶部达到650-750hPa。在400-700hPa高度层上有四个发散中心，分别与收敛中心一起形成四个一对一的结构。这表明在抽吸和抬升的作用下，辐合中心之间出现强烈的上升气流，最大上升速度超过-60 hPa/s.

图7为沿辐合线并穿过一个辐合中心的垂直剖面的发展过程，这一辐合中心导致了浙江东北部海域局地特大暴雨。交叉线位于台风中心，随着时间的推移会随着辐合线移动。在系统的初始阶

Fig.5多普勒雷达0.5km高度观测所得cappi回波图以及925hPa模拟流线辐合场：(a)(b)2005年8月6日06时；(c)(d)2006年8月6日07时；(e)(f)2005年8月6日08时；(g)(h)2005年8月6日09时；(i)(j)2005年8月6日10时。蓝色流线代表未来一小时降水，左侧彩色柱代表多普勒雷达回波大于35dBZ的区域，流线场中的填色区代表辐合强度大于minus;10times;10minus;5 sminus;1.的区域

0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60

SW Distance (km) NE SW Distance (km) NE

Fig. 7. 横切辐合线并且穿过导致此次浙江东北沿海暴雨辐合中心的垂直切面2005年8月6日(a)04时；(b)06时；(c)08时；(d)14时。阴影表示辐合超过-10/s,实线代表辐散超过10/s，点线表示垂直速度，图c的黑色粗线标记了辐合系统轴线

段，辐合很弱。在地面附近只有一个小于-20/s的弱辐合中心，并且在600 hPa高度有一些较弱的辐散中心。辐合中心和辐散中心之间的上升运动也很弱，以至于在该地区只出现少量零星降雨（图7a）。两小时后（图7b），辐合强度迅速增强，并逐渐向台风外部倾斜上升。辐合中心上的辐散区域也明显抬升，并显著加剧。因此，上升运动进一步增强了降水。在08时（图7c），辐合达到了最大，形成从地面到450hpPa的强倾斜辐

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