台风“海燕”过境海南岛数值模拟及暴雨成因诊断

徐　红，程　攀，王瑞丽

(1.沈阳区域气候中心,辽宁　沈阳　110166；2.中国人民解放军94675部队气象站，浙江　杭州　310053； 3.武汉市气象台，湖北　武汉　430040)



台风“海燕”过境海南岛数值模拟及暴雨成因诊断

徐红1，程攀2，王瑞丽3

(1.沈阳区域气候中心,辽宁沈阳110166；2.中国人民解放军94675部队气象站，浙江杭州310053； 3.武汉市气象台，湖北武汉430040)

摘要：利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、地面观测降水资料、FY-2E卫星相当黑体温度资料，采用WRF中尺度数值模式对2013年11月9—11日台风“海燕”过程进行数值模拟，并对期间海南暴雨天气诊断分析。结果表明：台风“海燕”携带的大量水汽，为海南暴雨提供了丰富的水汽来源；TBB梯度高值区与暴雨强度及落区有很好的对应关系。地形在暴雨过程中起到重要作用，初期台风外围偏东气流遇海南中部高山产生地形重力波，促使局地辐合上升，产生降水；随着台风靠近，风向转为偏南且风速增大，地形作用促使气流强烈抬升，在低层产生强对流中尺度系统，并与高层辐散系统配合，产生强降水。

关键词：台风“海燕”；数值模拟；诊断分析；地形

引言

台风是形成在热带海洋上的强烈天气系统，是地球上最具破坏力的自然灾害之一[1]。我国是世界上台风登陆最多的国家，在24 h累积降水记录中，排在前6位的强降水事件均由台风引发[2-4]。台风所引起的暴雨常导致水库决堤、山体滑坡、泥石流、山洪等自然灾害，严重威胁着人民生命财产。因此，加强对台风的研究具有重要的现实意义[5]。海南处在西北太平洋台风的西移路径上,素有“台风走廊”之称，影响海南的热带气旋平均每年有6～7个，其中2.6个热带气旋登陆海南[6]。除强风致灾外，台风所产生的暴雨洪涝是海南的主要自然灾害, 热带气旋降水平均占海南年总降水量的30%[7]。台风暴雨与台风自身结构状态密切关联。赵付竹等[8]对“纳沙”、“尼格”台风对比分析时指出，登陆台风动力结构和水汽辐合的不对称分布，导致暴雨落区和强度存在显著差异；许向春等[9]指出，海南台风降水受登陆台风前强对流、螺旋雨带以及眼区附近的云墙等多个系统共同影响；刘少军等[10]指出，1953—2005年间登陆海南岛的台风产生的年平均降水量与地形因子呈明显的线性关系, 海南台风过程降水变化的空间特征表现与地形分布存在明显的一致型；陈联寿等[11]认为台风登陆后的低压维持、丰富的水汽输送、中低纬环流的相互作用、中尺度系统影响和地形作用是造成台风特大暴雨的基本成因；许娈等[12]指出，水汽通量散度利用垂直运动和水汽散度这2个引发暴雨的关键因子，能够较好地判断强降水的范围及中心。

近年来，随着气象卫星、多普勒雷达等非常规观测资料的加入，以及数值预报技术的迅猛发展，有效推动了台风研究水平的提高。然而台风暴雨的预报准确率却依然较低，距离需求仍有较大差距[13]。因此，需要从大量台风个例中去研究台风机制，特别是伴随的暴雨灾害更值得深入研究。2013年第30号台风“海燕”，是1949年以来11月登陆或擦过海南的最强台风，其降水总量呈现南北非对称分布，产生的强降水在当地造成严重的经济损失和人员伤亡。本文利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、FY-2E相当黑体温度、新一代中尺度数值模式WRF(Weather Research Forecasting)输出的精细化资料，对该台风经过海南时产生的暴雨过程进行动力诊断，以加深对晚秋季节影响海南台风暴雨产生机制的认识，以期为海南台风暴雨预报提供参考。

1暴雨过程

2013年第30号台风“海燕”，11月4日08：00(北京时，下同)在美国关岛东南方1 100 km的西北太平洋洋面上生成后一路西行，并持续加强；10日16：00，位于海南省乐东县莺歌海镇西偏南方向约25 km的近海海面上(18.4°N、108.5°E)，中心附近最大风力高达14级，风速42 m·s-1，擦过海南西南部后移入北部湾。11月10—12日，海南大部降水量100～250 mm，部分地区超过250 mm，其中保亭局地降水量达545 mm，导致海南省19个市县 204.48 万人受灾，农作物受灾面积达122 063 hm2，37 016 hm2绝收。

从图1可看出，在台风“海燕”影响下，海南降水总量呈现南北非对称分布，在19°N以北降水较少，以南较多。暴雨中心位于五指山附近，总降水量>500 mm；总降水量从暴雨中心向四周逐渐减少。通过暴雨中心逐小时降水量(图1b)看出，降水主要集中在11月9日12：00—11日06：00之间。从9日14：00开始陆续有少量降水产生，降水强度<10 mm·h-1；10日00：00后，降水突然增大，05：00达到40 mm左右；06:00降水减小至18 mm，07:00再次增大，一度达到40 mm以上；之后降水减小，17:00达到最低；19:00再次增大，但强度较小，22:00最高仅为25 mm；之后降水开始减小，11日02:00之后降水基本结束。

2环流形势

陶诗言[14]和丁一汇[15]等指出，暴雨通常在有利的大尺度环流条件下产生，大尺度系统对暴雨有制约作用。台风暴雨的生成、发展与大尺度环流系统密切相关。11月10—11日，500 hPa高度场上，我国中高纬度地区以经向环流为主，584 dagpm线位于30°N附近，以西风平流为主，低纬度地区南支槽位于80°E附近，较常年同期明显偏西，西北太平洋副热带高压呈东西带状分布，西伸脊点也比常年同期偏西。台风“海燕”穿越菲律宾后，从南海一直向西北方向移动。10日02：00(图2a)，台风中心位于15.5°N、111.4°E，西北太平洋副热带高压受其影响，已经开始从西南部收缩，但北部尚未受到影响，西伸脊点位于100°E附近。10日下午，台风擦过海南后，近一步向西北偏北方向移动。11日02：00(图2b)，台风中心移动到20.5°N、107.3°E，受其影响，西北太平洋副热带高压明显收缩东退，西伸脊点退至115°E附近。

台风“海燕”影响海南之前，西太平洋副热带高压较往年同期偏西，控制海南地区；随着台风从南海向西北移动，西太平洋副热带高压从西南方向开始向内收缩，当西太平洋副热带高压东退移出海南，开始生产降水；当台风外围环流逐渐控制海南时，降水量迅速增大。台风向西北偏北移动过程中，西太平洋副热带高压西伸脊线全面向东收缩，西南部先前收缩部分由于台风北移，逐渐向西南方向伸展，反过来又促使台风移向西北。当台风外围环流逐渐移出海南后，降水基本停止。可见，随着副高东退移出、台风外围环流控制海南时，强降水增强；当台风外围气流影响减弱时，海南降水也减弱。

图1　2013年11月9日12：00—11日06：00海南降水量分布(a,单位：mm)

图2　2013年11月10日02：00(a)及11日02:00(b) 500 hPa高度场(单位:dagpm)

3台风“海燕”云系分析

通过相当黑体温度(black-body temperature，TBB)可以较为直观地反映云系动态。研究表明[16-17]，TBB不仅可以直观显示台风环流的规模，且强降雨的演变与TBB梯度变化有明显的对应关系。

图3为逐小时降水量与FY-2E气象卫星TBB演变图。9日18:00开始，TBB≤-12 ℃云系开始影响海南，但整个区域降水量很小，小时雨强在10 mm·h-1以下。随着台风移动，海南处于台风右前部，其上空TBB梯度逐渐增大，并指向台风外围与海南岛相交处的切线方向。10日00:00(图3a)，TBB≤-42 ℃云系影响海南，海南南部降水小时雨强快速增大到10 mm·h-1以上，雨区位于TBB≤-42 ℃云团的右前方。之后，强降水持续产生并从南向北移动。10日12:00(图3b)，海南中西部上空出现TBB≥-32 ℃的云团，与台风中心TBB≤-62 ℃的云系形成TBB梯度高值区，在此区域降水中心小时雨强达到40 mm·h-1以上。该TBB≥-32 ℃的云团仅维持1 h左右就北移入海，海南上空TBB梯度减小，雨强下降到30 mm·h-1以下。随着台风向海南西部移动，降水区从西南向东北移动。10日18:00(图3c)，海南基本被TBB≤-52 ℃的云系包围，但降水主要位于海南上空TBB梯度高值区，并沿TBB=-62 ℃线南北带状分布。随着台风离去，影响海南的TBB逐渐增大，雨区随TBB=-62 ℃线向西移动，面积缩小，雨强降至15 mm·h-1以下(图3d)；当TBB≤-52 ℃的云系撤出海南时，降水也逐渐停止。

在台风影响海南初期，海南位于台风前进的右前方，其上空TBB梯度逐渐增大；当TBB≤-42 ℃的云团影响海南时，南部开始降水，小时雨强快速增大到10 mm·h-1以上，雨区位于TBB≤-42 ℃云团的右前方。当台风逐渐靠近海南并从西南部移过时，雨区始终处于台风中心与海南之间的TBB梯度方向上，以带状分布为主，降水小时雨强最大处位于TBB梯度高值区。值得注意的是，当台风远离海南，由TBB≤-52 ℃云系控制海南时，在海南东南沿海处虽有TBB梯度大值区，但基本没有降水。从上述分析可看出，在台风影响海南前、中期，强降水区域及强度与TBB梯度有很好的对应关系，可以根据TBB的这些特征，推断台风过程暴雨未来变化趋势。

4数值模拟

为了进一步探究本次暴雨过程，对台风“海燕”影响海南时段进行数值模拟，并利用其输出的高分辨率资料进行诊断分析。

4.1数据及模式设计

使用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料，选取2013年11月9日08:00作为初始时间，模拟时段为11月9日08:00—11日20:00，共60 h。模式区域中心为18.21°N、107.91°E，垂直方向分为35层。使用中尺度数值模式WRF(V3.4)，采用双层嵌套方案进行模拟。经过多次模拟实验，选取较优结果，具体方案如表1所示[18]。

4.2模拟结果分析

图4为模拟的台风“海燕”经过海南时的路径和总降水量分布，其中图4a为11月9日14：00—11日08：00台风“海燕”路径图，实心圆点代表中国气象局热带气旋资料中心提供的台风最佳路径，实心方框代表本次模拟的台风路径。超强台风“海燕”从南海向西北移动，10日02：00—11日02：00，模拟路径与实况非常逼近，台风中心从海南西南部擦过，受其影响海南产生大暴雨。从图4b看出，模拟与实况的总降水量在量级与分布上都十分相似，暴雨中心位于五指山以南地区，西向减小梯度先大后小，东向减小梯度先小后大；南北方向都有伸展区域，但向北伸展的区域与实况略有偏差，位于109.5°E附近。

图3　2013年11月10—11日TBB演变 (单位:℃)

格点数水平分辨率/km微物理过程方案积云对流长波辐射方案短波辐射方案边界层方案近地面层方案陆面过程方案粗网格190×16927WSM6Betts-Miller-JanjicRRTMDudhiaYSUMonin-ObukhovNoah细网格301×1519WSM6Betts-Miller-JanjicRRTMDudhiaYSUMonin-ObukhovNoah

图4　2013年11月9日14：00—11日08：00台风路径(a)及模拟的总降水量(b,单位:mm)

在大尺度环流形势上，台风靠近海南时西太平洋副热带高压从西南部开始向东部收缩，随着台风擦过海南后向西北移动，西太平洋副热带高压从西南部开始向西伸展，与实况基本一致(图略)。因此，可认为本次模拟能够比较客观反映台风“海燕”经过海南时的情形。

5诊断分析

5.1水汽条件

暴雨的产生离不开有利的水汽条件，利用水汽通量及水汽通量散度能够直观反映出水汽输送方向、大小及辐合情况。从850 hPa水汽通量及水汽通量散度(图5)看出，台风以其强大的动力作用，使南海的大量水汽向海南输送并产生辐合，为暴雨提供了充沛的水汽。台风影响初期(图5a、图5c)，海南位于“海燕”西北方向，主要受台风外围偏东气流影响，海南南部上空水汽通量>0.3 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通量散度负值区从海南西南部向偏北方向推进，海南上空开始有水汽辐合，伴有少量降水产生。随着台风向西北方向移动，海南上空水汽通量>0.4 g·cm-1·hPa-1·s-1，水汽通量散度大范围负值区覆盖海南西南部，水汽辐合增强，降水增大。到10日12：00(图5b,图5d)，台风移动到海南西南部，海南受东南气流影响，海南上空大部分水汽通量>0.5 g·cm-1·hPa-1·s-1，海南西南部水汽通量散度<-5×10-5g·cm-2·hPa-1·s-1，说明有大量水汽输送及辐合，有利于强降水的持续产生。随着台风擦过海南向西北方向移动，水汽通量逐渐减小到0.4 g·cm-1·hPa-1·s-1以下，水汽通量散度负值区从海南西北部移出，水汽供应减小，降水逐渐停止。

可见，台风“海燕”从南海带来的大量水汽，为暴雨提供了源源不断的水汽；水汽首先在海南西南部辐合，随着台风移动逐渐覆盖整个海南。通过水汽通量及水汽通量散度值，可以对台风暴雨的落区及持续时间进行较好的预测。

图5　2013年11月9日23：00(a，c)及10日12：00(b,d)850 hPa水汽通量

5.2地形影响

台风导致暴雨，除与本身环流系统及与其它天气系统相互作用外，另一个重要因素就是地形作用，在迎风坡暖湿空气被迫抬升，往往形成大暴雨[19-20]。从对TBB及水汽的分析可看出，此次暴雨与台风环流本身密切相关，那么地形在此次过程中有何作用?

图6a为海南地形图，海南四周低平，西南部高耸，以五指山、鹦哥岭、坝王岭为隆起核心，向外围逐级下降，山地、丘陵、台地、平原构成环形层状地貌，梯级结构明显。这次暴雨中心位于五指山附近，强降水分布与此处地形分布十分相似，向东和西南方向逐渐减小。可以看出在18.2°N—18.6°N之间，坡度较缓，并且高度较低；在暴雨中心西侧的坝王岭附近，沿109.2°E作地形高度垂直剖面(图6b，空心圆表示)，在18.6°N—18.8°N之间，坡度突然变陡，高度迅速升到800 m以上；18.8°N向北缓慢下降。虽然五指山与坝王岭相距仅50 km左右，同样受台风影响，并且地形高度及坡度相似，但降水量却很小。所以，除了台风自身环流外，地形在本次暴雨过程所起作用还需进一步研究。

5.3流场与云水含量

分别沿109.65°E、109.2°E作流场的垂直剖面(图7)。11月10日前(图7a、图7b)，经向气流由北向南穿越海南，经过中部山脉时，迎风坡气流抬升、背风坡气流下沉，两处垂直环流形势基本一致。前者850 hPa以下气流由北向南沿地形缓慢抬升，在18.8°N附近急剧下沉，并由高空到地面向南倾斜，经过下沉狭长带后，再次上升，18.3°N以南再下沉；后者气流急剧下沉区在19°N附近，同样由高空到低层向南倾斜，再次上升后下沉，但强度均较弱。两处云水含量>0.4 g·kg-1的部分主要集中在850 hPa以下，在下沉带处减弱。随着台风移动，影响海南的风向发生转变，经向气流转为由南向北(图7c、图7d)，两处垂直环流形式迥异，前者在18.8°N以南为上升气流，并且在18.6°N附近强而集中，>0.2 g·kg-1的云水达到500 hPa以上，在750 hPa附近有一云水含量>1 g·kg-1的中心，气流过18.8°N后开始下沉，产生2次小波动后在19.8°N以北再次上升，并在800 hPa附近形成了3个云水含量>0.6 g·kg-1的次中心；后者气流在19°N以南产生2次波动，在18.8°N—19°N之间产生上升气流，但强度较弱，虽然云水含量>0.2 g·kg-1的云水柱达到500 hPa高度，但最大含量仅为0.6 g·kg-1，过19°N后产生一次小波动，最后在19.6°N以北再次上升，云水含量达到0.6 g·kg-1左右。

图6　海南地形高度(阴影，单位：m)(a)及沿109.2°E的地形高度垂直剖面(b)

图7　2013年11月9日23:00(a,c)及10日12:00(b,d) 沿109.65°E (a, b)、

当台风影响海南后，由于经向风转向，导致流经海南上空的气流发生变化，由于迎风坡抬升作用，沿109.65°E线18.8°N以南上升气流强且集中，大量水汽辐合上升，云水含量增大到1 g·kg-1以上，有利于暴雨的产生；而沿109.2°E线由于南部山峰阻挡，产生下沉运动，导致迎风坡上升气流减弱，云水含量较小，降水量较少 。

5.4散度和涡度

通过散度和涡度场的水平结构分布，能够比较直观地显示中尺度系统辐合辐散情况，进而判断是否有重力波的存在。在强降水开始前，海南处于台风前进方向，受偏东风影响，当台风外围气流遇到海南的山地后产生地形波。图8a显示850 hPa散度场出现2条东北—西南向的链式结构(黑粗线表示)，比较涡度场(图8b)发现，沿散度场链式结构一带，正涡度和正散度的位置存在半个位相差(π/2)，涡度零线处于辐合中心，可初步判断重力波的存在[21]。

图8　2013年11月9日23:00 850 hPa散度场(a，粗线表示重力波的

沿18.85°N作散度场的垂直剖面，9日23:00(图8c)，850 hPa以下109.8°E和109°E分别有较为明显的正负值中心，向上则负、正交替排列且向西倾斜；而在110°E以东没有明显的这种结构。随着台风靠近海南，风速增大，风向逐渐由偏东转为偏南，散度、涡度的这种排列特征不再明显，即使出现但又很快消失，难以形成完整的重力波结构。因此，10日12：00(图8d)，在109°E—109.8°E之间700 hPa以下为负散度，700 hPa与500 hPa之间为正散度，这种低层辐合高层辐散的垂直结构，有利于中尺度系统发展，从而产生暴雨。

从以上分析可看出，台风外围影响海南初期，偏东风遇中部高山，气流产生波动，形成中尺度重力波，在重力波作用下局地辐合上升，产生降水；随着台风靠近，风向由偏东转为偏南，由于风速增强，气流抬升作用增强，低层产生强对流中尺度系统，与高层辐散系统配合产生强降水。

6结论

(1)西太平洋副热带高压与台风“海燕”外围环流与本次暴雨过程密切相关，当西太平洋副热带高压撤出海南时，开始有降水生产；当台风外围环流控制海南上空时，降水量迅速增大。

(2)相当黑体温度(TBB)能够直观地显示台风的移动发展过程，在台风影响海南前、中期，暴雨区始终处于台风中心与海南之间的TBB梯度方向上，以带状分布为主，降水小时雨强最大处往往位于TBB梯度高值区。

(3)台风“海燕”以强大的动力作用把南海水汽输送到海南岛上空，并辐合产生强降水。水汽通量能够直观反映出水汽输送方向及大小，水汽通量散度负值区能够反映水汽辐合情况，强降水发生在水汽通量>0.3 g·cm-1·hPa-1·s-1正值区与水汽通量散度负值区相重叠处。综合水汽通量与水汽通量散度数值分析，可以对台风暴雨的落区及持续时间进行较好的预测。

(4)海南中西部地形在本次台风暴雨中起到重要作用，台风外围影响海南初期，偏东风遇中部高山，气流产生波动，形成中尺度重力波，在重力波作用下局地辐合上升，产生降水；随着台风靠近，风向由偏东转为偏南，风速增强，气流抬升作用也增强，低层产生强对流中尺度系统，与高层辐散系统配合产生强降水。

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Simulation and Diagnostic Analysis of a Rainstorm Process Influenced by Typhoon Haiyan (2013) on Hainan Island

XU Hong1, CHENG Pan2, WANG Ruili3

(1.RegionalClimateCenterofShenyang,Shenyang110166,China;2.MeteorologicalStation,No94675ArmyofPLA,Hangzhou310053,China;3.WuhanMeteorologicalObservatory,Wuhan430040,China)

Abstract:A rainstorm process occurring in Hainan Island from 9 to 11 November 2013 was studied by using the 1°×1° NCEP/NCAR reanalysis data, observed surface precipitation data and black-body temperature (TBB) data from FY-2E satellite. The typhoon Haiyan (2013) was simulated by WRF (Weather Research Forecasting) mesoscale numerical model and diagnostic analysis of the rainstorm process in Hainan Island was made by using WRF model outputs. Results show that the typhoon carried a lot of water vapor for rainstorm when it was passing Hainan Island. TBB gradient high values had a good correspondence with the storm intensity and falling area. The topography of Hainan Island played an important role in this rainstorm process. The easterly wind fluctuated when it encountered the central mountains, which caused mesoscale gravity wave and promoted the local convergence rising when the rainstorm started. When the typhoon was near Hainan Island, the wind direction shifted to south and the wind speed increased, the air lifted owing to the effect of Hainan topography and the meso-scale convective system generated in the lower layer which cooperated with the upper level divergence system resulted in this strong precipitation.

Key words:the typhoon Haiyan(2013); numerical simulation; diagnostic analysis; topography

收稿日期：2015-04-29；改回日期：2015-07-29

基金项目：“国家科技支撑计划课题(2013BAK05B03)”资助

作者简介：徐红(1986-)，女，山东济宁人，硕士，工程师，研究方向为气候资源开发与利用. E-mail:lnqxny@163.com

文章编号：1006-7639(2016)-03-08-0503

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0503

中图分类号：P458.1

文献标识码：A

徐红，程攀，王瑞丽.台风“海燕”过境海南岛数值模拟及暴雨成因诊断[J].干旱气象，2016，34(3)：503-510, [XU Hong, CHENG Pan, WANG Ruili. Simulation and Diagnostic Analysis of a Rainstorm Process Influenced by Typhoon Haiyan (2013) on Hainan Island[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):503-510], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0503