涂小萍 徐迪峰 王 毅

(寧波市氣象臺，浙江寧波315012)

0 引言

地形對天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降水分布的影響研究表明，不同尺度、不同走向地形對不同天氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降水分布的影響不同［1-4］。診斷分析表明，地形不僅影響熱帶氣旋(TC)路徑，也是導(dǎo)致TC降水增加的重要因子［5-7］。山脈地形在一定條件下形成的地形輻合線往往是TC內(nèi)部中尺度對流系統(tǒng)的源［8］。為了研究浙江省地形對TC結(jié)構(gòu)和降水的影響，鈕學(xué)新和冀春曉等分別應(yīng)用中尺度模式對0216號臺風(fēng)“森拉克”和0414號臺風(fēng)“云娜”進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明浙江省地形對這兩個TC的降水增幅作用是不同的［9-10］。季亮等通過對0509號臺風(fēng)“麥莎”的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，地形的存在有利于維持TC渦旋強(qiáng)度，這種影響隨TC中心與地形間距離的縮小而逐漸增強(qiáng)，且在對流層中高層表現(xiàn)更為明顯［11］。朱會蕓等研究發(fā)現(xiàn)，臺灣島地形對0513號臺風(fēng)“泰利”渦度場的中心強(qiáng)度和非對稱結(jié)構(gòu)有明顯影響，是臺風(fēng)外圍降水加強(qiáng)的主要原因［12］。對臺風(fēng)“海棠”的模擬發(fā)現(xiàn)浙閩地區(qū)復(fù)雜的中尺度地形為暴雨的增幅做出了重要貢獻(xiàn)［13］。

0908號臺風(fēng)“莫拉克”2009年8月4日在西北太平洋洋面生成后一路加強(qiáng)西行，8月7日在臺灣登陸，進(jìn)入臺灣海峽到再次登陸福建前，由于多個TC環(huán)流和“莫拉克”結(jié)構(gòu)的不對稱性導(dǎo)致其移速緩慢并發(fā)生路徑北折［14］?！澳恕迸_風(fēng)給浙江省帶來大范圍強(qiáng)降水，100 mm以上過程雨量覆蓋全省面積的73%，250 mm以上覆蓋面積29%。溫州蒼南的馬站和漁寮分別觀測到42.8和43.2 m/s的14級陣風(fēng)。

評估表明，浙江省氣象臺業(yè)務(wù)運(yùn)行WRF模式基本能預(yù)報(bào)出降水空間分布和時間演變，但范圍和量值偏大。就區(qū)域平均而言WRF模式在實(shí)況降水量明顯時預(yù)報(bào)性能較好［15］。本文應(yīng)用寧波市氣象臺業(yè)務(wù)運(yùn)行WRF模式對“莫拉克”臺風(fēng)降水預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)分析，以了解WRF模式的降水精細(xì)化指導(dǎo)能力及浙江省地形對“莫拉克”臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

模式和資料同化采用ARW-WRF/3DVAR(V3.1)系統(tǒng)，初猜場采用NCEP/GFS輸出的水平分辨率為 0.5°×0.5°的全球分析場，模式初始化過程中同化了常規(guī)高空、地面觀測資料、浙江省內(nèi)5部雷達(dá)和所有自動站資料，微物理過程采用Thompson方案，輻射采用RRTM長波方案和Dudhia短波方案，初始化未采用TC-Bogus方案，也沒有采用積云對流參數(shù)化方案［16-17］。本文設(shè)計(jì)了2個試驗(yàn)，試驗(yàn)中除地形高度不同外，其他試驗(yàn)條件完全相同。

試驗(yàn)1:控制試驗(yàn)，模式地形為真實(shí)地形;

試驗(yàn)2:模式在26°N ～31°N，117°E ～123°E范圍內(nèi)的地形高度取為0 m。

試驗(yàn)采用了雙向兩重嵌套網(wǎng)格。模式粗網(wǎng)格距15 km，細(xì)網(wǎng)格距5 km，格點(diǎn)數(shù)分別為246×232、190 ×181，分別使用 2'和 30″地形數(shù)據(jù)。粗網(wǎng)格中心點(diǎn)為30°N、120°E，垂直方向取35層eta坐標(biāo)，模式頂為50 hPa。模式初始時間為2009年8月8日08時(北京時，下同)，共積分48 h，時間積分步長分別為60、20 s。資料分析主要針對24～48 h進(jìn)行，以保證試驗(yàn)結(jié)果差異沒有受到spin up時間影響。

2 WRF控制試驗(yàn)預(yù)報(bào)分析

2.1 模擬臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度分析

圖1為試驗(yàn)1(WRF控制試驗(yàn))8日08時—10日08時逐3 h模擬“莫拉克”臺風(fēng)路徑與中央氣象臺(CMO)實(shí)時業(yè)務(wù)定位對比。圖中可見，模式對臺風(fēng)西北行趨勢有預(yù)報(bào)能力，但有一定程度的偏差。8日10時—9日12時“莫拉克”緩慢偏北移動過程中，模擬臺風(fēng)中心明顯偏西，平均偏西0.64個經(jīng)度，且有定位上的擺動。模擬臺風(fēng)中心有2次登陸，分別發(fā)生在05—08時和11—14時。模擬中心氣壓分析，9日02時前維持在970 hPa左右，05—08時臺風(fēng)第一次登陸后中心氣壓并沒有明顯升高，08時僅比05時升高1 hPa，而11時又比08時升高1.8 hPa，表明05—11時臺風(fēng)強(qiáng)度逐漸減弱，11—14時模擬臺風(fēng)中心再次登陸后中心強(qiáng)度以每3 h約2 hPa的速度填塞，比CMO實(shí)時業(yè)務(wù)定強(qiáng)填塞時間提早約3 h。模擬中心氣壓與實(shí)時業(yè)務(wù)定強(qiáng)對比趨勢一致，但比實(shí)時定強(qiáng)偏高，平均偏高6.4 hPa，中心風(fēng)速偏小9 m/s，分析原因可能與模擬初始時刻中心氣壓就偏高9.5 hPa有關(guān)系，而海上觀測資料稀少對于模式精確描述臺風(fēng)強(qiáng)度及其變化也會產(chǎn)生影響。

圖1 2009年8月8日08時—10日08時WRF預(yù)報(bào)逐3 h莫拉克臺風(fēng)路徑與中央臺業(yè)務(wù)定位對比(粗黑實(shí)線為實(shí)況，細(xì)灰實(shí)線為WRF預(yù)報(bào))

2.2 控制試驗(yàn)降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

試驗(yàn)1模擬48 h累積降水主要在浙江東部(圖略)，最大降水出現(xiàn)在溫州，中心值超過500 mm，泰順九峰48 h累積雨量465.2 mm。浙南地區(qū)模擬降水主要出現(xiàn)在8日08時—9日08時，浙中和浙北在9日08時—10日08時(圖2a)，而實(shí)況浙南降水主要在8日夜間到9日白天，浙中和浙北主要在9日08時—10日08時，模擬浙南強(qiáng)降水時段比實(shí)況偏早，浙中和浙北地區(qū)模擬降水時段與實(shí)況較接近，9日08時—10日08時模擬50 mm以上降水主要位于浙中和浙北地區(qū)，模式成功預(yù)報(bào)出寧波西部山區(qū)200 mm以上的強(qiáng)降水帶(圖2a、2b方框內(nèi)區(qū)域)。

圖2 WRF模式對“莫拉克”臺風(fēng)9日08時—10日08時模擬降水(a)與實(shí)況(b)對比及寧波市氣象站雨量預(yù)報(bào)與實(shí)況散點(diǎn)分布(c)

將WRF模式輸出通過雙線性插值到站點(diǎn)得到寧波市135個氣象站(包括自動站)模擬降水量，分析表明，模式對“莫拉克”臺風(fēng)9日08時—10日08時降水量預(yù)報(bào)與實(shí)況相關(guān)系數(shù)達(dá)0.762，圖2c為寧波市各站預(yù)報(bào)降水量與實(shí)況的散點(diǎn)分布，站點(diǎn)較均勻地分布在對角線兩側(cè)，其中62站(45.9%)預(yù)報(bào)降水與實(shí)況距平百分率絕對值小于20%，60站(44.4%)在20% ～50%之間，僅13站超過50%，150 mm以下降水站點(diǎn)相對于對角線的偏離程度相對小。面雨量預(yù)報(bào)與實(shí)況比較:模式對寧波市中北部5個市縣24 h面雨量預(yù)報(bào)與實(shí)況很接近，寧波市區(qū)預(yù)報(bào)134 mm，實(shí)況為123 mm，而對寧波南部地區(qū)模式預(yù)報(bào)比實(shí)況偏多3～5成。模擬150 mm以下降水站點(diǎn)主要位于地形相對平坦的北部和東部沿海，而150 mm以上降水站點(diǎn)主要在地形相對復(fù)雜的南部和西部山區(qū)。地形差異可能是導(dǎo)致模式150 mm以下模擬降水與實(shí)況偏離相對小的原因。

對24 h 累積降水量分 50、100、150、200 和250 mm 5個等級對寧波市境內(nèi)135站預(yù)報(bào)降水進(jìn)行 BS(Bias Score)和 TS 評分［18］，結(jié)果表明(表1)，模式對50和100 mm以上的降水TS評分比較高，分別達(dá)到 0.963 和0.778，BS 接近1，表明模式預(yù)報(bào)站次接近實(shí)況。隨著降水臨界值增大，TS評分逐漸下降，對200mm以上降水TS評分仍有0.320，但漏報(bào)率明顯增大，達(dá)到0.520，相應(yīng)的BS降到0.571。對于250 mm以上的特大暴雨模式預(yù)報(bào)能力較差，TS評分小于0.1。

表1 2009年8月9日08時—10日08時寧波市135站不同等級降水TS、BS評分

逐3 h降水量模擬結(jié)果分析，模式較準(zhǔn)確地模擬出雨帶隨臺風(fēng)中心北抬的過程。9日08—11時模擬15 mm以上降水區(qū)影響到寧波市的中、南部地區(qū)，下午影響寧波市區(qū)，9日17—20時寧波西部和南部3 h降水普遍達(dá)到50 mm以上，局部3 h累積雨量超過100mm，10日凌晨開始寧波市降水明顯減小，降水帶的移動與實(shí)況基本一致。

2.3 模擬雷達(dá)回波分析

WRF模式成功再現(xiàn)了“莫拉克”北抬過程中雷達(dá)回波的移動。圖3為積分24 h(圖3a)和33 h(圖3b)模擬組合反射率及9日17時實(shí)況(圖3c，對應(yīng)33 h預(yù)報(bào))對比(黑框內(nèi)為寧波地區(qū))，分析可見，積分24 h后寧波南部大部分地區(qū)組合反射率達(dá)30 dBz以上，與南部地區(qū)上午開始的明顯降水時間基本吻合。強(qiáng)回波帶隨著積分時間延長逐漸北抬，中午前后整個寧波市被30 dBz以上的回波區(qū)覆蓋，中南部地區(qū)組合反射率強(qiáng)度超過40 dBz，局部地區(qū)超過50 dBz，與寧波中南部的奉化、寧海和象山強(qiáng)降水出現(xiàn)時間一致。9日下午寧波市降水明顯，積分33 h寧波市大部被30 dBz以上的回波覆蓋，并且在寧海、奉化西部山區(qū)和鄞州西部山區(qū)出現(xiàn)超過50 dBz的局部強(qiáng)回波區(qū)，與實(shí)況基本相符，但寧波北部慈溪市的部分地區(qū)模擬回波強(qiáng)度不超過10 dBz，比實(shí)況稍弱。總體來說模式對雷達(dá)回波的移動速度和強(qiáng)度把握具有較高的參考性。

圖3 積分24 h(a)、33 h(b)組合反射率預(yù)報(bào)及9日17時實(shí)況(c，對應(yīng)積分33 h)

圖4 望海崗自動站模擬雷達(dá)反射率時間剖面(a)、逐小時降水量時間序列(b)、積分33 h模擬雷達(dá)反射率緯向剖面(c)及實(shí)況(d)

以寧波市海拔最高的山區(qū)自動站望海崗(圖3中箭頭所指點(diǎn))為例，對比9日02時—10日08時模擬雷達(dá)回波時間剖面圖(圖4a)和逐小時雨量(圖4b)，發(fā)現(xiàn)較強(qiáng)回波主要出現(xiàn)在9日6—23時，17 h前后回波強(qiáng)度達(dá)40 dBz以上，40 dBz強(qiáng)度回波高度超過700 hPa，對應(yīng)17時前后該自動站雨強(qiáng)接近15 mm/h，19時雨強(qiáng)超過40 mm/h，強(qiáng)回波時段與該自動站較強(qiáng)雨強(qiáng)時段對應(yīng)還是比較好，回波生消發(fā)展對強(qiáng)降水出現(xiàn)時段預(yù)報(bào)有參考意義。分析還發(fā)現(xiàn)，降水回波主要出現(xiàn)在迎風(fēng)坡，垂直結(jié)構(gòu)均勻，9日17時(積分33 h)沿望海崗自動站的模擬基本反射率緯向剖面圖(圖4c)上可見:回波集中在119.5°E ～122.5°E 之間的迎風(fēng)坡和地形上空，望海崗以東的迎風(fēng)坡和金華北部山區(qū)40 dBz強(qiáng)度的回波能伸展到400 hPa，比實(shí)況偏高(圖4d)。10日02時開始隨著臺風(fēng)遠(yuǎn)離模擬和實(shí)況回波強(qiáng)度和范圍都明顯減弱。

3 浙江省地形對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和降水影響

3.1 浙江省地形對降水影響

對比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2對浙江省9日08時—10日08時降水量預(yù)報(bào)(圖5a、5b)發(fā)現(xiàn)浙江省地形對“莫拉克”臺風(fēng)降水分布影響較大，試驗(yàn)2(圖5b)降水集中在臺風(fēng)中心附近300 km半徑范圍內(nèi)，呈相對對稱分布，浙江東南部沿海地區(qū)及近海海域降水相對較強(qiáng)，超過100 mm的降水分布在近海海面。試驗(yàn)1(圖5a)臺風(fēng)空間降水發(fā)生了明顯改變，臺州、寧波大部分地區(qū)24 h雨量超過100 mm，50 mm以上的降水增幅帶主要位于28°N以北地區(qū)(圖5c)，降水增幅大值中心一般模式地形高度也相對高，如衢州和金華海拔超過1 km的山區(qū)降水增幅中心值達(dá)100 mm以上，杭州北部的天目山區(qū)也有50 mm以上的降水增幅中心。50 mm以上的降水增幅帶與地形走向基本一致(圖5c)，但全省降水增幅最大區(qū)域不是出現(xiàn)在海拔最高的地區(qū)，而是在寧波市西部山區(qū)，有一條150 mm以上的南北向強(qiáng)降水增幅帶，而浙西南麗水境內(nèi)海拔高度超過1 km的區(qū)域降水并沒有明顯增大，可見地形高度雖然對降水有增幅作用，但降水增幅與海拔高度并不完全呈線性關(guān)系。浙江省地形導(dǎo)致“莫拉克”臺風(fēng)中心后部海面降水量普遍減小50 mm以上，28°N以南的浙南地區(qū)降水增幅也不明顯，僅局部出現(xiàn)50 mm的降水增幅，主要由于浙南地區(qū)模擬強(qiáng)降水出現(xiàn)的時段比實(shí)況偏早引起的。

圖5 試驗(yàn)1(a)、試驗(yàn)2(b)對9日08時—10日08時“莫拉克”臺風(fēng)在浙江省降水量預(yù)報(bào)及差異(c，填色為模式地形高度)

3.2 浙江省地形對大尺度環(huán)流的影響

模擬發(fā)現(xiàn)，浙江省地形對“莫拉克”臺風(fēng)大尺度環(huán)流的影響在風(fēng)場上表現(xiàn)為地形輻合線的形成。圖6為積分24 h不同層次地形風(fēng)矢量場(試驗(yàn)1與試驗(yàn)2風(fēng)矢量差)，此時臺風(fēng)中心位于25.9°N，120.4°E 的臺灣海峽，在距離臺風(fēng)中心200 km以上的浙江省上空形成一條近似東北—西南向的輻合線，并隨高度向浙江西南部收縮(圖6a—6d)，浙北地區(qū)地形輻合線在600 hPa(圖6d)以下層次表現(xiàn)清楚，而海拔相對高的浙西南地區(qū)，輻合線一直可以伸展到400 hPa(圖6e)，400 hPa以上地形影響表現(xiàn)為南風(fēng)的增強(qiáng)(圖6f)，導(dǎo)致臺風(fēng)在迎風(fēng)坡風(fēng)速的明顯減小，最大在麗水境內(nèi)300 hPa層次風(fēng)速可減小30 m/s。隨著臺風(fēng)中心北抬，地形輻合線也隨之北抬，輻合線走向基本為東北—西南向，平行于浙江東部地形。積分30 h(TC 中心26.3°N，120.1°E，靠近閩北陸地)地形輻合線的北端開始影響寧波市，輻合線自東北向西南幾乎跨過了整個浙江省。積分40 h后地形輻合線移出浙江省。沿地形輻合線降水得到了明顯增強(qiáng)，圖7分別為積分24、30、33、36 h 700 hPa地形輻合線及1 h降水增幅。圖中可見10 mm/h以上的降水增幅帶基本沿著中低層地形輻合線，呈東北—西南走向，在地形輻合線后部部分區(qū)域1 h降水增幅＜0，最大降水減少20 mm/h以上，可見地形加劇了臺風(fēng)降水分布的空間不均勻性。積分36 h(圖7d)地形輻合線影響到杭州地區(qū)，并在千島湖南部誘生出一個地形渦旋，渦旋中心距離臺風(fēng)中心200 km以上(此時臺風(fēng)中心在溫州境內(nèi) 26.7°N，119.8°E)，而地形誘生渦旋東部的寧波、紹興和杭州境內(nèi)有明顯的10 mm/h以上雨量增幅帶。對比雨量增幅帶和20 h寧波雷達(dá)組合反射率實(shí)況(圖略)發(fā)現(xiàn)，10 mm雨量增幅帶與30 dBz的回波帶走向?qū)?yīng)較好。

圖6 積分24 h不同高度地形風(fēng)矢量場

圖7 積分24(a)、30(b)33(c)、36(d)h700 hPa地形風(fēng)矢量及1 h降水增幅(單位:mm)

圖8 積分33 h試驗(yàn)1(a)和試驗(yàn)2(b)沿望海崗水平風(fēng)場及垂直速度緯向剖面及垂直速度差(c)時間剖面

地形還使得上升氣流和下沉氣流相間增強(qiáng)，從而進(jìn)一步加劇了降水空間不均勻性。如果不考慮浙江省地形影響，“莫拉克”臺風(fēng)在寧波市的上升速度不會超過0.2 m/s，而試驗(yàn)1水平風(fēng)場和垂直速度都發(fā)生了明顯改變。圖8a和8b分別為積分33 h試驗(yàn)1和試驗(yàn)2沿寧波市望海崗自動站的緯向剖面圖。不考慮地形時(圖8b)，寧波市南部地區(qū)500 hPa以下層次以偏東風(fēng)為主，垂直速度一般不超過0.1 m/s。試驗(yàn)1中(圖8a)迎風(fēng)坡前以東南風(fēng)為主，背風(fēng)坡盛行東北風(fēng)，迎風(fēng)坡上升速度明顯增強(qiáng)，在寧波望海崗和金華義烏上空出現(xiàn)2 m/s以上的上升氣流，而其西側(cè)中低層下沉氣流也得到增強(qiáng)，紹興市新昌縣出現(xiàn)超過0.5 m/s的下沉氣流，從而形成了次級垂直環(huán)流，進(jìn)一步增強(qiáng)了降水的不均勻性。分析試驗(yàn)1與試驗(yàn)2望海崗自動站垂直上升速度增幅時間序列(圖8c)發(fā)現(xiàn)，望海崗的垂直速度在9日17時得到了最明顯的增強(qiáng)，達(dá)到2 m/s以上，上升氣流增強(qiáng)主要表現(xiàn)在600 hPa以下，表明望海崗地形影響主要表現(xiàn)在600 hPa以下的中低層。

4 結(jié)語

1)WRF模式對“莫拉克”臺風(fēng)在寧波市135個氣象站24 h累積降水量預(yù)報(bào)與實(shí)況相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.762，模式對50 mm和100 mm以上的降水 TS評分分別達(dá)到0.963和0.778，BS接近1，對200 mm以上降水TS評分仍有0.320，并成功預(yù)報(bào)出寧波市西部山區(qū)200 mm以上的強(qiáng)降水帶。對“莫拉克”臺風(fēng)北抬過程中雷達(dá)回波的移動速度和強(qiáng)度把握具有較高的參考性，模擬降水回波主要出現(xiàn)在迎風(fēng)坡面，垂直結(jié)構(gòu)均勻，與實(shí)況基本符合。

2)模式對浙南地區(qū)模擬降水主要出現(xiàn)在8日08時—9日08時，比實(shí)況偏早，而浙中和浙北模擬降水時段與實(shí)況基本接近。由于浙江省地形影響，“莫拉克”臺風(fēng)空間降水發(fā)生了明顯改變，9日08時—10日08時累積50 mm/24 h以上的降水增幅帶主要位于28°N以北地區(qū)，降水增幅大值中心一般模式地形高度也相對高，但降水增幅與海拔高度并不完全呈線性關(guān)系。

3)浙江省地形對大尺度環(huán)流的影響主要表現(xiàn)在浙江省境內(nèi)形成明顯的地形輻合線。地形輻合線基本呈東北—西南向，并隨高度向浙江西南部收縮。浙北地區(qū)地形輻合線在600 hPa以下層次表現(xiàn)清楚，而海拔相對高的浙西南地區(qū)，輻合線一直可以伸展到400 hPa，隨著臺風(fēng)中心北抬，地形輻合線也隨之北抬。地形輻合線附近降水得到了明顯增強(qiáng)，10 mm/h以上的降水增幅帶基本沿著中低層地形輻合線并隨輻合線移動。

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