大气科学  2017, Vol. 41 Issue (5): 1037-1058   PDF    
台湾岛地形对“麦德姆”台风的影响
陈俊1, 平凡2, 王秀春3, 李梦夏1     
1 南京信息工程大学地理与遥感学院, 南京 210044
2 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室, 北京 100029
3 中国东方航空股份有限公司运行控制中心, 上海 200000
摘要: 采用WRF模式,以2014年10号台风"麦德姆"为例,针对台湾岛中央山脉的局部地形,设计精细化地形试验,数值模拟了"麦德姆"台风登陆台湾岛前后地形对其路径、强度及风雨分布的影响。研究结果表明:真实的地形能更好的模拟和再现"麦德姆"台风发生发展的过程;台湾岛中央山脉地形对登岛"麦德姆"台风的路径有实质性的影响,降低台湾地形高度试验导致台风路径向西南偏转,而提高台湾岛地形高度则导致台风路径向东北偏转,地形高度改变的程度与路径偏转程度成正相关,地形高度改变所导致阻挡效应及台风环流与大尺度环流的相互作用是导致路径偏转的主要原因;台湾岛地形高度的改变对台风强度有明显的影响,增加或减少台湾岛地形高度,都会使台风强度有所减弱,这与地形变化引起的动力狭管效应、云水物质分布及外围云带的对流运动有关;台湾岛地形影响"麦德姆"台风降水的机制更为复杂,其不仅与地形引发的台风强度及结构变化有关,更与地形引起的眼区对流活动和螺旋云带及外围云系的时空分布有关。
关键词: 地形      降水      麦德姆台风      台湾中央山脉     
Topographic Influence of Taiwan Island on Typhoon "Matmo"
CHEN Jun1, PING Fan2, WANG Xiuchun3, LI Mengxia1     
1 School of Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044
2 Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms(LACS), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
3 China Eastern Airlines, Shanghai 200000
Abstract: In this paper, the WRF model is used to study the topographic impact of the mountain range in central Taiwan Island on typhoon "Matmo" in 2014, including the typhoon intensity and distributions of winds and rain before and after "Matmo" made landfall in Taiwan Island. The results show that realistic representation of the topography could yield better simulations and reproduce the development process of Typhoon "Matmo". The Taiwan Island Central Mountain had a substantial impact on the moving path of "Matmo". In the experiment with a reduced height of topography in Taiwan Island, "Matmo" turned to the southwest compared to the observation; when increasing the topography height, "Matmo" turned to the northeast of its observed path. The degree of topography height change was positively correlated to the path deflection of "Matmo". Interaction between typhoon circulation and large-scale circulation was the main reason for the path deflection of "Matmo". Furthermore, changes in the topography height in Taiwan Island had obvious impacts on the typhoon intensity. Both increase and decrease in topography height in Taiwan Island would weaken the typhoon intensity, which was attributed to the dynamic narrow-tube effect and also related to cloud water distribution and convective activities. The mechanism for the topographic effect of Taiwan Island on typhoon precipitation was complicated. It was not only related to typhoon intensity and structure changes, but also associated with terrain-induced convective activities and spatio-temporal distribution of the spiral clouds in the peripheral region of typhoon.
Key words: Topography      Precipitation      Typhoon "Matmo"      Central Mountains of Taiwan Island     
1 引言

我国深受西北太平洋台风的影响,每年平均约有七个台风在我国东南沿海登陆,带来强风和暴雨,引发风暴潮,其影响可以从沿海地区延伸到内陆省份(许映龙等,2010)。在全球变暖的气候背景下,全球极端天气事件呈多发趋势,我国登陆台风引发的极端天气事件也逐渐增多,登陆台风的平均强度增强,强台风和超强台风的数量也明显增加。虽然近年来我国台风业务预报取得一定进展,特别是在台风路径预报方面取得一定的进步(Chen et al., 2010Xie,2012Tu et al., 2014);但在台风强度预报方面,与世界各大台风预报中心一样, 我国台风强度业务预报进展比较缓慢(许映龙等,2010);尤其是在台风暴雨预报方面,目前我国尚无有效的业务客观预报方法。其中一个重要原因在于地形对台风暴雨影响研究方面尚未形成完备的理论解释,对其影响机理的认识和理解仍然不够深入全面,缺乏有效的预测手段和方法(钮学新,2008)。因此,地形对台风暴雨的影响是研究台风发生发展的重要方面。

国内外对地形影响登陆台风已有大量研究,取得了一系列研究成果。2002年中国实施了登陆台风外场科学试验(CLATEX),对在强风背景下边界层的结构特征和海岸地形对台风结构、强度和近海路径偏折的影响开展观测研究。这些台风外场科学试验获得了丰富的有针对性观测资料,为登陆台风研究奠定了重要基础,有力地推动了台风预报水平的提高(李英,2004)。长期以来,复杂地形对台风路径的影响始终是研究的焦点(朱永禔,1996)。近年来我国对地形影响台风路径的研究众多,如:Xie(2012)使用理想化模型研究地形对“莫拉克”台风的影响,阐述影响台风路径的主要因素是复杂地形和台风环流交互影响,预测台风降水需要考虑地形因素。地形影响台风强度变化主要是通过下垫面(如海洋、地形)与台风环流的相互作用(端义宏等,2005)。虽然台风强度变化可能是多个因子综合影响的结果。但当一个成熟的台风趋向登陆时,地形的改变对其强度的影响显得尤为重要。地形对登陆台风引发暴雨及其突然增幅的影响受到气象学家的高度关注,也是台风研究领域的关键性科学问题之一(陈联寿和孟智勇,2001陶诗言等,1979)。具体来说下垫面地形对台风暴雨有增幅作用,主要表现在三方面:一是辐合抬升作用,一些特殊地形如喇叭口、峡谷等地形使辐合作用突然加强,抬升作用加大,导致对流系统的发生;台湾“67.10”、“63.9”暴雨和河南“75.8”特大暴雨都出现在喇叭口和峡谷特殊地形条件下(Lin et al., 2001)。二是阻挡作用,地形阻挡降水系统停滞少动,致使局地降水增加而酿成重灾;郑庆林和吴军(1996)研究发现山地地形对大气的拖曳作用使台风降水增幅明显。三是地形通过抬升形成各种降水云系进而影响云微物理过程促进暴雨增幅。除了地形作用,海岸线的分布和不同干湿下垫面对台风暴雨也有一定的影响(李英, 2004, 汪亚萍等,2015)。Fang et al.(2011)使用高分辨模式研究台湾地形对“莫拉克”台风降水的影响,得出由于地形影响,准确预报台风的降水落区和强度是比较困难,需要用概率预报的方式,对台风进行集合预报,得出较精确的结果。Chen et al.(2007)以及Xu et al.(2012)通过台湾地形影响的季风降水试验,发现了台湾地形的影响可以延伸至海洋,间接地影响长时间序列的中尺度系统,在海洋上新生的对流系统在经过台湾岛时会逐渐消亡,其在迎风海岸产生较强的降水。

从上述地形影响台风相关研究的简短回顾可以看出,近几十年来人们对地形影响台风暴雨的研究取得了很大进展,获得很多有价值的科研成果,不但提高了人们对台风形成机理和发展机制的认识,并且利用相关理论还可对某些重大台风突变和转折性天气过程进行科学解释。目前登陆台风暴雨已有了大量研究成果,但是登陆台风暴雨的预测理论和业务预报仍存在着很大的困难和挑战,如地形对台风引导气流与台风环流的强迫作用需要深入探讨;地形对暴雨增幅的影响机制研究仍需深入。

本文选取对我国影响较大的1410号台风“麦德姆”为研究个例,“麦德姆”台风受台湾岛中央山脉地形影响,在其强度快速减弱的阶段,出现了较大的暴雨增幅。本文采用局地地形的敏感性试验,利用高分辨WRF模式,以欧洲中心0.5°×0.5°再分析资料为初始场,进行数值模拟,探讨局地地形对台风路径、强度及结构的影响,分析和揭示其可能的影响机制。

2 “麦德姆”台风过程概况及天气环流形势分析 2.1 “麦德姆”台风过程概况

2014年第10号强台风“麦德姆”7月18日上午06时(协调世界时,下同),加强为热带风暴,台风“麦德姆”在菲律宾马尼拉东偏南的西北太平洋洋面上生成,向北偏西方向移动。7月20日00时,台风“麦德姆”的中心位于台湾省台北市南偏东约1620公里的西北太平洋洋面上,中心气压为970 hPa,向北偏西方向移动,强度继续加强,逐渐向台湾东南部海面靠近。22日继续加强为强台风,22日09时其中心位于台湾省花莲东南方约210公里的西北太平洋洋面上,中心气压为955 hPa,向西北方向移动。7月22日16时15分左右,台风“麦德姆”在台湾省台东县长滨乡沿海登陆,中心气压为955 hPa。22日21时“麦德姆”已由台湾省彰化县移入台湾海峡海面,其中心位于福建省晋江市东偏南方大约190公里的海面上。7月23日07时30分左右在福建省福清市高山镇沿海登陆,减弱为强热带风暴,中心气压为980 hPa。7月24日早上00点40分,以热带风暴进入江西境内并减弱北上。“麦德姆”是我国2014年第一个北上台风。主要有三个特点:降水多,多个地区达到历史极值;陆上停留时间长;影响大,给部分地区特别是台湾带来暴雨等严重的灾害性影响。本文截取了7月20日至24日台风较强且对台湾影响较大时间段进行数值模拟研究。

2.2 天气环流形势分析

7月22日06时“麦德姆”台风已经发展为强台风,位于台湾东南方210公里处,已对台湾造成了较大的影响,经过24小时发展,在23日06时已经过台湾中央山脉进入台湾海峡。在这24小时内,“麦德姆”台风登陆台湾东南部,造成台南强烈降水,本文选取并详细分析了这一时间段的大气环流状况,以探究影响台风的大气环流、台风环流以及地形对台风路径以及降水的影响(如图 1)。

图 1 (a–c)7月22日06时(协调世界时,下同)及(d–f)7月23日06时环流形势场:(a、d)200 hPa风场(矢量,单位:m s-1;黑色等值线:200 hPa位势高度场,单位:gpm;填色:200 hPa散度场,单位:10-4 s-1);(b、e)500 hPa(黑色等值线:500 hPa位势高度,单位:gpm;红色虚线:500 hPa温度,单位:℃;矢量:500 hPa风场,单位:m s-1);(c、f)850 hPa(矢量:850 hPa风场,单位:m s-1;填色:850 hPa水汽通量散度,单位:10-7 g hPa-1 cm-2 s-1 Figure 1 Circulation fields at 0600 UTC 22 July and 0600 UTC 23 July: (a, d) 200-hPa winds (vectors), geopotential height (black contours, units: gpm), and divergence (shaded, units: 1 s-1); (b, e) 500-hPa geopotential height (black contours), temperature (red dotted lines), and wind field (vectors); (c, f) 850-hPa wind field (vectors) and water flux divergence (shaded)

图 1ad分别为2014年7月22日06时(图 1a)与23日06时(图 1d)200 hPa位势高度场、散度场及风场的合成图,由此可以看出在22日06时北半球中高纬呈现两槽一脊的经向型环流分布,东亚大槽在120°E~130°E附近,欧洲大槽在60°E附近,乌拉尔山到贝加尔湖为深厚的阻塞高压;南亚高压在30°N附近,分裂成两个中心,分别位于60°E和90°E区域,此时“麦德姆”台风位于(20°N,125°E)附近,对应着200 hPa高空较强的辐散区,高空急流轴在40°N附近。到23日00时,中高纬仍维持两槽一脊的经向型环流分布,此时鄂霍次克海附近的低压发展为深厚的闭合系统,东亚大槽发展加深,从乌拉尔山延伸到贝加尔湖的高压脊稳定少动,欧洲大槽发展也在加深,中高纬东亚大槽的发展有利于变性“麦德姆”台风强度的维持;南亚高压发展强劲,继续西伸,南亚高压脊线伸展到120°E,高空急流轴仍维持在40°N附近且向南倾斜,在南亚高压脊的外缘有强的辐散区,此时“麦德姆”台风位于南亚高压南侧,在200 hPa有较强的辐散中心,高空辐散较22日00时有明显增强。

图 1be分别为2014年7月22日06时(图 1b)与23日06时(图 1e)500 hPa位势高度场及风场的合成图。22日06时鄂霍茨克海低压发展旺盛,东亚大槽从(50°N,135°E)延伸到(40°N,120°E)附近;此时,副高的中心位于135°E,其588脊线西伸到100°E附近地区,台风中心位于台湾东南方向的洋面,西南季风与副高外围线相互作用在台风东南侧形成了较强的辐合区;到23日06时,东亚大槽进一步加深,斜压性发展,台风位于副热带高压脊线的西南侧,受副高阻挡,仍向西北方向运动,台风眼区东侧的西南季风与副热带环流的辐合交汇作用较22日06时明显增强,受西北向移动台风的影响,副热带高压有所减弱,588脊线东退到120°E附近。

图 1cf分别为2014年7月22日06时(图 1c)与23日06时(图 1f)850 hPa水汽通量散度及流场的合成图。可见22日06时“麦德姆”位于(20°N,125°E)台湾的东南洋面上,其南侧的西南季风为其输送了大量暖湿空气;由水汽通量散度空间分布可知,在台风眼区西北象限和东南象限,有两个强的水汽辐合中心,其东南象限的水汽辐合中心,如上所述主要是由于西南季风与东南季风的辐合,而西北象限强辐合中心可能与台风外围云系受地形阻挡的局地辐合有关。至23日06时,“麦德姆”台风西移,主体登陆台湾岛,台风中心位于(23°N、120°E)台湾海峡区域,较22日06时台风强度有所减弱,台风最低气压到985 hPa,但此时台风西北及东南象限的水汽辐合中心进一步增强,辐合区域扩大。

3 模拟设计和试验方案 3.1 模式设计及数据来源

模式使用Weather Research Forecast (WRF) V3.6.1,将欧洲中期天气预报中心(ECMWF)6 h间隔0.5°×0.5°资料作为数值模拟的初始场和侧边界,数值试验采用3层双向嵌套方案,模式中心点为(26°N, 121°E),三层嵌套的水平分辨率分别为13.5、4.5、1.5 km,格点数分别为232×250、271×271、241×277(如图 2);垂直层数为28层,模式顶为50 hPa;第一层区域(d01)使用WSM3物理参数化方案和Kain-Fritsch scheme积云参数化方案,区域2、3(d02、d03)均采用Lin云微物理方案且未使用积云参数化方案(见表 1)。模拟外层区域模拟时间为2014年7月20日00时至7月24日00时,积分时间是96 h;第二层区域模拟时间为2014年7月21日18时至7月23日12时,涵盖了台风登陆台湾前后;第三层区域模拟时间为2014年7月22日06时至7月22日18时,主要包括台风登陆台湾时,模拟结果每小时输出一次,积分步长为30 s。

图 2 (a)叠加地形高度场的三层模拟区域(d01、d02、d03)及(b、c、d、e)控制试验和敏感性试验的地形图(第三层区域d03)。填色为地形高度场(单位:m) Figure 2 (a) Triple-nesting domain superposed on topography and (b, c, d, e) topography in the four sensitivity experiments the innermost domain d03). Color shadings are terrain height, units: m

表 1 模式配置详表 Table 1 Model configuration
3.2 控制试验模拟

本文采用上述试验方案,进行数值模拟,其中控制试验较好模拟了“麦德姆”台风的演变过程及特点。

本文选取最外层网格模式输出资料,将模拟得到的最小海平面气压(MSLP)所在的位置定为台风的中心,得到模拟台风的移动路径,并与日本气象厅所记录的实况路径作对比(如图 5中的红色线与黑色线)。总体来说,模式较好再现了台风“麦德姆”向西北方移动以及在东侧副热带高压的引导下长久维持西北向移动的特点。22日06时之前,模拟台风路径与实况路径几乎重合,22日00时至23日12时,模拟台风路径在实况路径的西侧,并且比实况台风移动稍快,两者偏差越来越大,但是两者路径相差始终不超过100 km,这与台风环流受台湾岛地形阻挡作用有关。

图 3 “麦德姆”台风强度图(d01),以最低气压为表征。黑色线为实况最佳路径,红色为Ctrl试验路径,横坐标为时间,每一刻度为六个小时(与实况数据间隔一致) Figure 3 The intensity of "Matmo" represented by the minimum sea level pressure. The black line shows the observed typhoon track, and the red one for the simulation of Ctrl experiment, the abscissa indicates time, and each scale is six hours (consistent with live data intervals)

图 4 卫星云图实况(左图)与Ctrl试验雷达回波(右图)对比图(单位:dBZ):(a、d)7月22日00时d01层的对比;(b、e)7月22日18时d02层的对比;(c、f)23日12时d02层的对比 Figure 4 Comparisons of satellite cloud map (left column) with radar reflectivity simulated in the Ctrl experiment (right column): (a, d) The result of the outermost domain (d01) simulation at 0000 UTC 22 July; (b, e) domain 2(d02) simulation at 1800 UTC 22 July; (c, f) the result of the innermost domain simulation (d03) at 1200 UTC 23 July

图 5 “麦德姆”台风路径(d01)。黑色线为实况最佳路径,红色为Ctrl试验路径,紫色为Sen 0.5试验路径,蓝色为Sen 0.75试验路径,绿色为Sen 1.25试验路径 Figure 5 "Matmo" typhoon path (d01). Black line shows the path from typhoon best track data, red line is the result of Ctrl experiment, purple line is the result of the Sen 0.5 experiment, blue line is the path simulated by the Sen 0.75 experiment, and green line is for the Sen 1.25 experiment

本文中强度相应的变化采用最大风速的演变来表示。结合图 35(红、黑线)模拟台风中心的最大风速随时间演变的情况,并与日本气象厅所给出的实况数据强度作对比,可知控制试验基本模拟出了台风强度的变化过程。由于模拟的初始场和边界条件只采用了NCEP最终分析资料而没有加入其它同化资料,模式的swin-up效应导致模拟初始时刻,台风强度较实况略弱。观测台风在22日00时至12时达到最强,最大风速为39 m s-1。模拟台风也在22日00时至12时达到最强,最大风速为41 m s-1,比观测大2 m s-1,说明模式较好地模拟出了台风的最大强度。在22日12时之后,观测和模拟都呈现较快速度下降趋势,并在23日12时之后,逐渐趋于平缓,这可能与台风环流受台湾岛地形阻挡摩擦作用有关。

本文通过对比雷达反射率与卫星云图(图 4),分别对台风登陆台湾前(22日00时)、登陆台湾时(22日18时)、离开台湾后(23日12时)三个典型时刻进行比较分析,三个时刻雷达反射率基本与实况一致,表明控制试验很好地捕捉了台风结构。其中22日00时模拟的雷达反射率较实况的眼区结构更加对称,大值区基本一致,但偏东南,说明模拟的强度较实况强一些且响应时间上有滞后;22日18时模拟的雷达反射率相对实况的对流中心位置基本一致,模拟眼区周边的对流单体较多,两者都很明显表现出眼区结构已不完整,这可能与台湾的中央山脉地形对台风结构的影响有关;23日12时模拟的雷达反射率与实况相较基本一致,且两者均明显表现出眼区结构进一步分散,同时模拟较实况强一些,实况更为分散。

图 8给出22日06时至23日06时24小时累积降水,模式输出台风降水与中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)驱动数据的实况降水相比,降水落区基本一致,实况的降水范围较大,而模拟的降水强度偏强。这是台风登陆台湾后受台湾中央山脉影响较多的时间段,结合雨带的分布和强度,可以看出台湾中央山脉对“麦德姆”台风降水局地有较大增幅作用,模拟结果也能较好地表现出这一点。

图 6 “麦德姆”台风强度(d01),以最大风速为表征。黑色线为实况最佳路径的强度,红色为Ctrl试验强度,紫色为Sen0.5试验强度,蓝色为Sen0.75试验强度,绿色为Sen1.25试验强度 Figure 6 The intensity of "Matmo" (d01) represented by the maximum wind speed. Black line is from the best track data, red line is for Ctrl simulation, purple line shows simulation of the 0.5 experiment, blue line is for the 0.75 experiment, and green line is for the 1.25 experiment

图 7 (a)Sen 0.5、(b)Sen 0.75、(c)Sen 1.25敏感性试验的雷达反射率与Ctrl试验的雷达反射率差值(单位:dBZ)的对比(d02) Figure 7 Differences in radar reflectivity between simulations of (a) Sen 0.5, (b) Sen 0.75, (c) Sen 1.25 experiments and that of Ctrl experiment

图 8 22日06时至23日06时的24小时累计降水(不显示海面降水,d02区域,单位:mm,):(a)观测;(b)Ctrl试验;(c)Sen 0.5;(d)Sen 0.75;(e)Sen 1.25 Figure 8 24-hour accumulated precipitation (Sea surface precipitation is not shown, domain 02, units: mm) from 0600 UTC 22 July to 0600 UTC 23 July: (a) Observations; (b) simulation of the Ctrl experiment; (c) simulation of the 0.5 experiment; (d) simulation of the 0.75 experiment; (e) simulation of the 1.25 experiment

综上所述,控制试验较好地模拟出了“麦德姆”的移动路径、强度、螺旋云带分布及眼区结构以及其风雨分布。因此,在控制试验基础上的地形敏感性数值试验,能较好地模拟再现地形的改变影响登岛台风“麦德姆”的演变过程,为探讨地形影响登岛台风“麦德姆”的物理机制奠定基础。

3.3 数值试验设计

观测表明,台湾岛地形对登岛台风“麦德姆”的路径、强度及风雨分布均有重要影响,特别是台湾中央山脉对“麦德姆”台风的影响至关重要。为了细致研究台湾岛地形对台风路径、强度及风雨分布的具体影响过程及可能机制,本文设计了不同台湾岛地形高度的敏感性试验,具体试验方案如下(地形效果如图 2):

(1)控制试验(Ctrl):真实地形,作为各敏感性试验的对比基础。

(2)敏感性试验一(Sen0.5):地形减半,即中央山脉地形设置为实际高度的0.5倍。计算公式:h为高度,如果h≥1200 m,则h1 = h×0.5;如果600 m<h<200 m,则h1 = 600 m。

(3)敏感性试验二(Sen0.75):地形0.75倍,即中央山脉地形设为实际高度0.75倍。计算公式:如果h≥1200 m,则h2 = h×0.75;如果600 m<h<1200 m,则h2 = 600 m。

(4)敏感性试验三(Sen1.25):地形1.25倍,即上述山脉地形设置为实际高度1.25倍。计算公式:如果h>600 m,则h3 = (h-600)×1.25 + 600。

本文对以上试验方案做了数值模拟,敏感性试验的模式设计及模拟数据与控制试验一致。数值试验设计主要是考察台湾的特殊地形,特别是台湾中部的中央山脉对登岛台风“麦德姆”的路径、强度及风雨分布的影响,探讨其影响的可能机制。

4 数值试验结果的比较 4.1 不同地形高度对台风路径的影响

运用海平面气压(SLP)分析方法,即由模拟的最小海平面气压场和最大风速来综合确定各个试验的台风中心,以此确定台风路径,实况资料采用日本气象厅(JMA)发布的台风路径资料。由图 5可知:(1)三个敏感性试验基本模拟出了“麦德姆”台风的移动路径,但仍存在较明显的差异,特别是在台风环流受台湾地形影响之后偏差较为明显,说明不同高度台湾岛地形对台风的移动路径有着较大影响,最远偏差可达两个纬度以上。(2)敏感性试验与控制试验相比,控制试验与实况最为接近,说明真实地形对台风路径模拟效果较好。(3)无论是增加还是降低台湾岛的地形高度,都会对“麦德姆”台风路径产生影响,一个有趣的现象是:降低地形高度,台风路径向西南偏转;而增加地形高度,台风路径向东北偏转。(4)“麦德姆”台风登陆时,三组试验试验与控制试验差异不大,说明台风登陆台湾岛时的路径影响相对有限,主要是因为本研究改变的只是台湾岛中央山脉的局地地形,局地地形的改变对台风眼区对流有一定的影响,对大尺度引导气流以及台风环流影响相对有限。本文将在第4部分机制研究,对此现象进行分析,探讨其可能的物理机制。

4.2 不同地形高度对台风强度的影响

图 6为实况和4个试验台风最大风速对比。分析可知:(1)台湾岛地形对登岛“麦德姆”台风强度的影响呈现明显的阶段性特征。从20日00时到21日06时,“麦德姆”台风的螺旋云带及外围云系以及台风环流都远离台湾岛,此时台湾岛地形对“麦德姆”台风强度没有影响;从21日06时22日06时,“麦德姆”台风开始增强,至23日18时,“麦德姆”台风迅速减弱,这段时间,由于台风的螺旋云带及外围云系以及台风环流都经过台湾岛区域。因此,台湾岛地形对“麦德姆”台风的强度均有重要影响;对比控制试验可知,降低或增加台湾地形的高度均有利于台风的增强,其机制在下节中做初步研究;在23日18时后,“麦德姆”台风的环流或外围云系远离台湾岛,此后台湾岛地形对“麦德姆”台风强度没有影响。(2)在地形影响期(21日06时至23日18时)内,地形影响最大的两个时刻分别位于台风最强盛的时刻(22日06时)及台风快速减弱的时刻(23日06时),此时敏感试验与控制试验模拟的风速差值最大,这说明地形扰动的作用在台风强度突变的过程中作用最大,意味着地形扰动放大了台风强度非线性变化的结果。(3)台湾岛地形影响台风强度变化最大的区间为22日06时至23日06时,同时也是台风强度迅速减弱的时期,由路径可知此时间段为“麦德姆”台风眼区登陆台湾的时间段,强烈的地面摩擦效应可能是“麦德姆”台风迅速减弱的原因。(4)相对于台湾岛地形对于台风的路径影响而言,台湾岛地形对于台风的强度的影响更为显著;同时对比控制试验与敏感性试验的模拟,实际地形能更好地模拟再现台风强度的演变,这也说明我们的模拟试验结果更为合理。

4.3 不同地形高度对台风眼区结构的影响

为细致考察台湾岛地形对“麦德姆”台风的眼区结构及螺旋云带的影响,我们给出了22日18时(地形影响台风强度最大时)的“麦德姆”台风的眼区结构的雷达分布图,为细致对比控制试验与地形敏感试验的回波差异,我们给出的是雷达回波的差异图,即分别用0.5、0.75、1.25倍地形试验的雷达反射率减去控制试验的雷达反射率(图 7)。由图 7可知:(1)不同地形的敏感性试验均与控制试验的回波分布存在着一定差异;台湾岛地形越平坦,其产生的回波越多,意味着有更多的对流单体。(2)敏感性试验与控制试验回波的差异集中在台风眼区的西南侧,呈现出典型的非对称分布。这说明台湾岛地形对台风云带中对流单体或水汽的输送有明显的阻挡作用,地形越平坦(图 7ab),有更多单体可越过台湾中央山脉,在其眼区的西南侧集中或辐合;同时平坦地形(图 7a),造成台风眼区南侧的螺旋云带外部有放大趋势,即靠近眼区的螺旋云带偏弱(负的回波差),而远离眼区的螺旋云带偏强(正的回波差)。(3)台湾岛地形对登岛“麦德姆”台风的眼区结构及螺旋云带的影响是复杂的。台湾岛地形越陡峭(图 7c),既有正的回波差,也有负的回波差,意味着尽管地形阻挡了一部分单体的输送,同时也会在山前的迎风坡激发出新的对流单体,因此综合的影响成果需要做深入分析,在下节中我们将对此机制做初步的探讨。

4.4 不同地形对台风降水的影响

台湾地形对登岛台风“麦德姆”的降水分布有重要的影响。观测表明:“麦德姆”台风在台湾的降水主要集中在22日18时至23日18时,图 9给出了上述时段24小时累计的实况降水和数值模拟的降水。比较可知:(1)控制试验基本模拟出了台湾地区24小时降水的空间分布。模拟和实况降水的中心都在台湾中央山脉以南的台南地区。(2)台湾岛地形对其降水分布有重要影响。地形越平坦(图 8c),降水的范围越大,地形越陡峭(图 8e),降水越集中在台湾中央山脉地形东南部的带状区域,而西南部的降水越少。(3)台湾岛地形不仅影响台风在台湾岛的降水,还影响“麦德姆”台风水汽的输送,随着地形高度增加,在福建沿海会形成较大的降水区。

图 9 22日16时“麦德姆”台风850 hPa的风场(矢量,单位:m s-1)与散度场(填色,单位:10-4 s-1)的差值场(敏感性试验减去控制试验)合成图(d02) Figure 9 Composite of 850-hPa winds and divergence of typhoon Matmo at 1600 UTC 22 July (the sensitivity experiment minus the control experiment) (d02). Vectors show the wind field, colored shaded areas indicate negative values of divergence
5 台湾岛地形影响“麦德姆”台风的机制分析

台湾中央山脉地形对台风“麦德姆”(1410)的路径、强度、眼区结构和降水分布均有重要的影响,本节将利用数值试验资料进行诊断分析,研究中央山脉地形变化对“麦德姆”台风在登岛前后的发展及演变过程的强迫作用,分别探讨其影响“麦德姆”台风的路径、强度及降水分布的可能机制。

5.1 台湾岛地形影响“麦德姆”台风路径的机制

在敏感性试验中,由于我们仅改变的是台湾岛地形,从图 5上也可以看出对“麦德姆”台风路径的影响仅在其登岛前后的时间段内。地形对台风路径的影响有两个途径,一是地形对台风移动的动力作用,即山脉对台风环流的阻挡作用,引起台风环流的改变,再通过台风环流及大尺度引导气流的相互作用,引起大尺度引导气流的改变,最终影响到台风路径的变化;二是地形影响了台风的结构,包括螺旋云带的位置,眼区的对流活动及分布,进而间接地影响到台风移动路径。

图 9是22日16时“麦德姆”台风登岛后台风中心越过中央山脉的850 hPa风场与散度场的差值场(敏感性试验减去控制试验)合成图。在减弱地形的差值场上,风场的差别主要在于台风眼区及外围云带上,差值场对应的台风外围环流风向大致为偏北向,说明较控制试验,台风的移动路径偏南;从散度的辐合差值场上看,台风眼区呈非对称分布,同时散度差值场随着与台风中心的距离疏远而逐步减弱。在增加地形高度的差值场上,台风外围环流的差值场风向大致为偏南向,这说明较控制试验,台风移动路径偏北。表 2为22日16时“麦德姆”台风850 hPa散度场差值场均方根误差,可以看出地形高度越低,与控制试验的偏差越小,越稳定。

表 2 2014年22日16时“麦德姆”台风850 hPa散度场的差值场(敏感性试验减去控制试验)的均方根误差 Table 2 Standard deviations of differences in 850 hPa divergence between control and sensitivity experiments for "Matmo" simulation at 1600 UTC 22 July 2014

为细致考察地形变化对大尺度引导气流的影响,图 10给出了22日06时至23日06时逐时的控制试验和敏感性试验的引导气流(以台风中心为中心4个纬度半径内、850~300 hPa厚度层内平均的水平气流作为引导气流)的纬向(图 10a)及经向变化(图 10b),由纬向变化图可看出,减小地形高度的引导气流都偏西,而增加地形高度的引导气流偏东;由经向变化图可知,减小地形的引导气流都偏南,而增加地形的引导气流偏北。

图 10 22日06时至23日06时逐时控制试验和敏感性试验引导气流(以台风中心为中心4个纬度半径内、850~300 hPa厚度层内平均水平气流作为引导气流,d02区域,单位:m s-1)(a)纬向及(b)经向变化 Figure 10 The steering flow (defined as the vertically averaged horizontal flow from 850–300 hPa within a radius of 4 latitudes around the typhoon center, domain 02, units: m s-1) by the control experiment and sensitivity experiments from 0600 UTC 22 July to 0600 UTC 23 July: (a) Zonal winds; (b) meridional winds
5.2 台湾岛地形影响“麦德姆”台风强度的机制

台湾岛地形对“麦德姆”台风强度的影响主要发生在台风螺旋云带及外围云系接近及远离台湾岛的阶段内,比较可知,地形对登岛台风强度的影响要大大强于其对路径的影响,主要原因在于,一方面地形对台风的阻挡作用,对台风环流造成了直接的影响,进而影响到台风的强度,如图 9风场和散度场的分析;另一方面是由于地形的改变同时也增强地面摩擦对台风的影响;一个更为重要的原因在于地形改变了水汽的辐合及输送,引起台风眼区对流活动以及螺旋云带和外围云系的改变,这会显著影响台风的强度。

图 11给出了22日12时“麦德姆”台风在登岛前的垂直速度廓线图(方位角平均),由此可以看出,地形越平坦(图 11bc),地形的强迫抬升作用越小,气流的垂直速度越小,其上升运动的范围越小。而地形越陡峭(图 11d),台风的垂直上升区越大。需要指出的是,控制试验的垂直运动存在两个强中心,分别位于3~5 km低空和12 km高空;而陡峭地形下的垂直运动仅存在着一个大的运动中心,在低空3~4 km的中低空,这主要是由于陡峭地形抬高垂直运动层的同时,其次级环流中的补偿下沉运动比控制试验也大大增强,一定程度上减弱高空的对流活动。上述诊断研究表明,地形平坦的数值试验减弱了台风眼区的垂直上升运动,造成台风的强度有所减弱;地形陡峭试验加强了低层的对流,而高空对流上升区域扩大,中心值减小,对台风强度的影响较为复杂。台风强度的这种变化,可以理解为台风与地形间的一种狭管效应。

图 11 7月22日12时“麦德姆”台风在登岛前的垂直速度(单位:Pa s-1)廓线图(方位角平均)(d02区域):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验 Figure 11 Vertical velocity profiles (units: Pa s-1, azimuthal averages) (domain 02) of typhoon "Matmo" before landing at 1200 UTC 22 July: (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment

为进一步理解地形对台风强度的影响,我们研究了地形对台风结构,特别是眼区对流活动的影响。图 12给出了控制与敏感试验模拟的22日12时“麦德姆”台风在登岛前云水、冰晶和雪的垂直廓线,由此可看出,地形对雪的形成及演变影响较小,而对云水和冰晶的影响较大,这是因为地形的变化主要在零度层以下;减弱及增高地形,都不利于云水中心的形成和发展,这说明合适的上升运动对云水中心的形成十分重要;同时给出的“麦德姆”台风在登岛前的雨水和霰的垂直廓线(图 13),也验证了我们的结论,即减弱及增高地形,都不利于雨水中心的形成和发展,其潜热释放对于台风的增强过程是十分重要的,这也是控制试验的台风强度强于敏感性试验的一个重要原因。本文还给出了云水和雨水的垂直廓线随时间变化的比较(如图 14图 15),可以再次验证我们的结论,即减弱及增高地形,都不利于雨水和云水中心的形成和发展,较强的雨水和云水出现在22日00时到23日00时这一时间段,也就是受台湾中央山脉地形影响较大的阶段。

图 12 7月22日12时“麦德姆”台风在登岛前云水、冰晶和雪混合比的垂直廓线(单位:kg kg-1)(方位角平均)(d02区域)。(a、b、c、d)等值线为雪,(e、f、g、h)等值线为冰晶。填色为云水 Figure 12 Vertical profiles of cloud, ice, and snow water mixing ratios (units: kg kg-1, azimuthal averages) (domain 02) at 1200 UTC 22 July before "Matmo" made landfall. Contours show snow mixing ratio in (a, b, c, d) and ice mixing ratio in (e, f, g, h); shaded areas indicate cloud water

图 13 7月22日12时“麦德姆”台风在登岛前的雨水(填色)和霰(等值线)混合比的垂直廓线(单位:kg kg-1)(方位角平均)(d02区域):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验 Figure 13 The vertical profile of rain water mixing ratios (color shading) and graupel (contour) in typhoon before the landing (units: kg kg-1, azimuthal averages) (d02 area) at 1200 UTC 22 July: (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment

图 14 “麦德姆”台风云水混合比(填色)随时间变化的垂直廓线(单位:kg kg-1)(d02区域):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验 Figure 14 Temporal variation of vertical profiles of cloud water mixing ratio (color shading) for "Matmo" (units: kg kg-1) (d02 area): (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment

图 15 “麦德姆”台风雨水混合比(填色)随时间变化的垂直廓线(单位:kg kg-1)(d02区域):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验 Figure 15 Temporal variation of vertical profiles of rain water mixing ratio (color shading) for "Matmo" (units: kg kg-1) (d02 area): (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment
5.3 台湾岛地形对“麦德姆”台风结构的影响机制

台湾中央山脉地形高度都对“麦德姆”台风的眼区结构有较大的影响,影响也主要发生在台风螺旋云带及外围云系接近及远离台湾岛的阶段内。地形高度对“麦德姆”台风眼区结构的影响主要表现:一是其对云水物质的影响(在上节已具体分析);二是其对水汽辐合辐散的影响。

图 16是22日06时“麦德姆”台风在登岛前的垂直风场和散度场垂直剖面(剖面是沿台风实况移动方向从22日06时的坐标点到23日06时的坐标点)。由此可见,在控制试验上(图 16a)台风受中央山脉的阻挡,在山前气流爬升,爬升的高度大约在4 km附近,同时在山前2~6 km的高度上出现了一个强的辐散中心;而在山后,爬升气流下山辐合,在1~3 km的中低空出现了一个强的辐合中心。在减弱地形的试验中(图 16bc),山前气流爬升高度明显降低,爬升高度在2 km附近,同时山前中高空的辐散,与山后中低空的辐散作用明显减弱。而在升高地形的试验中(图 16d),山前气流的爬升高度明显增高,可达5 km的高空,同时山前中高空辐散,与山后中低空辐合显著增强。降低和提高台湾中央山脉地形造成低、中和高层的辐合及辐散强度及分布的改变,直接影响了“麦德姆”台风眼区结构的演变。

图 16 22日06时“麦德姆”台风在登岛前的垂直风场(矢量,单位:m s-1)和散度(填色,单位:10-3 s-1)场合成图(d02区域):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验。 Figure 16 Composite of vertical wind field (vectors, units: m s-1) and divergence field (shaded, units: 10-3 s-1) at 0600 UTC 22 July (d02 area) for "Matmo" before it made landfall: (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment

图 17是22日06时“麦德姆”台风在登岛前的垂直风场和涡度场垂直剖面图,同样可以看出,山前有较强的辐合区并呈狭长分布,且地形越高,辐合越明显。图 18为“麦德姆”台风的暖心结构(单位:K)随时间变化的序列图,可以看出增加地形高度,由于地形的抬升作用,会在中高层形成较强的暖心的结构。

图 17 22日06时“麦德姆”台风在登岛前的垂直风场(矢量,单位:m s-1)和涡度(填色,单位:10-3 s-1)场合成图(d02区域):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验 Figure 17 Composite of vertical wind field (vectors, units: m s-1) and vorticity field (shaded, units: 10-3 s-1) at 0600 UTC 22 July (d02 area) for "Matmo" before it made landfall: (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment

图 18 “麦德姆”台风的暖心结构随时间变化的序列图(填色为扰动温度,单位:K):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验 Figure 18 Temporal changes in the warm core structure of "Matmo" (shaded areas show temperature perturbations, units: K): (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment
5.4 台湾岛地形对“麦德姆”台风降水的影响机制

地形对台风降水影响的机制更为复杂,一方面地形影响台风的动力特征,包括路径及强度;另一方面地形也会影响台风的对流结构及云水物质分布。上述因素会对台风的降水发生较大的间接影响。

地形对台风的垂直运动及云水物质的影响,我们在上节中已作了逐步分析。本节主要研究地形对水汽输送及辐合过程的影响。

图 19给出了22日12时“麦德姆”台风在登岛前的水汽通量垂直剖面图(剖面方向与图 16一致),图中暖色阴影代表的水汽辐散,而冷色阴影代表的是水汽辐合。由此可知,平坦地形(图 16bc)低层的水汽辐合范围更广,呈现多个分散中心的波列分布,水汽辐合的中心通过波列可以传递到山后较远的地方,在山后低层仍有较强的辐合中心;而控制试验的水汽辐合主要在山前(这与云水与分布的台风眼区分布相一致);而增高地形试验山前辐合最强,且范围相对集中。这说明地形减弱试验造成降水的范围较控制试验更宽广,控制试验的降水主要集中在中央山脉山前,而增高试验的降水主要集中在台湾中央山脉的山前迎风坡位置且强度更强。

图 19 22日12时“麦德姆”台风水汽通量垂直剖面(d02区域):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验。填色为水汽通量散度(单位:10-7 g m-2 m s-1),矢量为垂直风场(单位:m s-1 Figure 19 Vertical cross sections of water vapor fluxes for "Matmo" at 1200 UTC 22 July: (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment. Color shaded areas show water vapor flux divergence (units: 10-7 g m-2 m s-1), vectors are for wind fields (units: m s-1)

图 20是22日14时“麦德姆”台风登岛时的800 hPa的水汽通量散度与水平风场的合成图。与控制试验相比(图 20a),平坦地形(图 20bc)在台风眼区的水汽辐合明显减弱,但台风螺旋云带及外围云系的水汽辐合有所增强;陡峭地形(图 20d)在台风眼区的水汽辐合明显增强。这说明,地形减弱试验造成台湾中央山脉的强降水有所减弱,但降水范围扩大,而陡峭地形造成的降水较强,且更为集中。

图 20 22日14时“麦德姆”台风800 hPa的水汽通量散度(填色,单位:10-7 g m-2 m s-1)与水平风场(矢量,单位:m s-1)的合成图(d02区域):(a)Ctrl;(b)Sen 0.5地形试验;(c)Sen 0.75地形试验;(d)Sen 1.25地形试验 Figure 20 The water vapor flux divergence (color shading, units: 10-7 g m-2 m s-1) and horizontal winds (vectors, units: m s-1) at 800 hPa for "Matmo" at 1400 UTC 22 July: (a) Control experiment; (b) Sen 0.5 topographic height experiment; (c) Sen 0.75 topographic height experiment; (d) Sen 1.25 topographic height experiment
6 结论和讨论

本文针对2014年第10号台风“麦德姆”,以欧洲中心6 h间隔0.5°×0.5°资料为初始场,利用美国环境预测中心(NCEP)开发的非静力The Andvanced Research WRF模式(V3.6.1),数值研究了台湾岛中央山脉地形影响“麦德姆”台风(1410)的发展及演变过程。本文模拟了2014年7月20日00时至2014年7月24日00时的台风演变过程(包括台风登陆台湾岛前后的时间段),模拟采用3层双向嵌套方案,分辨率分别为13.5、4.5、1.5 km,模式包括了完整的物理过程。数值研究首先进行真实地形的模拟和分析,在真实地形可较好模拟和再现台风发展演变过程基础上,设计了提高和降低地形高度的数值试验,完整再现了改变地形对台风路径、强度及降水的影响过程。对比控制试验、地形敏感性试验及实况观测资料,比较性诊断以及动力分析了数值试验结果,探究了台湾地形影响“麦德姆”台风路径、强度及降水的可能机制,取得了地形影响台风研究的初步结果。本文研究结果可概括如下:

(1)采用真实地形模拟的控制试验,较好地模拟及再现了“麦德姆”台风登岛前后的演变过程,通过“麦德姆”台风的路径、强度、结构及降水与实况资料的对比分析,可知二者具有较好的一致性,这为台湾地形高度的敏感性数值试验研究奠定了基础。

(2)提高或降低台湾岛地形高度对台风路径有实质性的影响。与实况观测(日本气象厅JMA)的对比,控制试验结果与观测最为接近,说明真实地形是准确模拟“麦德姆”台风路径的前提;降低台湾岛中央山脉地形高度的试验,导致模拟的“麦德姆”台风路径向西南偏转,且降低的地形高度越低,模拟的路径向西南偏转越大,其原因在于地形高度降低,地形阻碍作用减小,使得台风环流向西南偏转;提高台湾地形高度,导致台风路径向东北偏转,主要是由于台湾地形高度增加使得其对台风环流的抬升及阻挡作用更为明显,引起台风外围环流的向东北偏转,比较控制试验与模拟试验的引导气流,可验证我们的结论。

(3)台湾岛中央山脉地形对台风强度有明显影响。地形对台风的影响主要集中在外围云系接近至远离台湾岛这段时间内;台风在登岛前由于动力作用,其强度有明显增强,在登岛后迅速减弱;降低台湾中央山脉的地形高度,“麦德姆”台风的强度有所减弱,强度减弱与地形平坦度呈正相关,主要由于平坦地形使得地形的强迫抬升减弱,削弱了台风眼区的垂直上升运动;而增加台湾地形高度,对台风强度的影响较为复杂,陡峭地形加强了台风眼区的对流,但使得高空对流中心更为分散,一定程度有利于台风强度的增强,但陡峭地形改变台风眼区的云水及雨水时空分布,不利于台风强度的增强。

(4)台湾地形高度也对“麦德姆”台风的眼区结构有重要影响,减弱地形有使台风眼区范围增大的趋势,提高地形高度眼区范围缩小,散度场辐合辐散的诊断分析验证了我们的结论。

(5)台湾岛中央山脉地形对“麦德姆”台风降水的影响机制较为复杂。敏感性试验结果表明,降低台湾地形高度,使得“麦德姆”台风降水范围越大,是由于平坦地形的低层水汽辐合范围更广,呈现多个分散中心的波列分布,同时降低的地形影响了台风眼区的云水物质时空分布,不利于雨水的集中;而提高台湾地形高度,使“麦德姆”台风降水更加集中,降水中心强度越强。

本文模拟再现了台湾不同地形高度影响“麦德姆”台风路径、强度及降水分布的过程,揭示了台湾岛地形影响“麦德姆”台风的物理机制。但本文只是针对单个台风个例的研究,其研究结果需要更多地形影响台风个例的检验;同时本文采用的30 s地形资料,针对于台湾岛区域,地形分辨率略低,需要更高分辨率地形资料(9 m分辨率的精细地形资料)。事实上,地形对台风的影响不仅包括地形高度,还包括地表粗糙度及地表植被类型等综合影响,本文只是针对地形高度对台风的影响进行了精细研究。

本文拟进行的后续研究,将尝试利用地理信息系统的更高分辨率地形资料(2 m精细化地形资料),结合实际地表状况及植被类型,进行多个台湾岛地形影响登岛台风的精细化研究。

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