江 颖 邹小松

(1.福建省福州市气象局,福建 福州 350008; 2.福建省闽侯县气象,福建 福州 350199)

1 概述

福建省位于我国东南部沿海,地形复杂,西北部多山地,东南部沿海,受台风影响频繁,每年登陆中国的台风中有一半以上对福建省产生影响,导致严重经济和财产损失,影响人民生活[1]。台风暴雨是台风灾害中危害和损失最大的,也是学界最为关注的[2]。许多国内外学者对台风暴雨机理进行深入探究,但由于台风路径、强度、自身结构不同,并且台风还与中高纬环流互相影响,中小尺度相互作用,因此难以得出一个统一结论[3]。

地形是影响台风暴雨的一个重要因素。叶成志[4]指出，相较于产生暴雨的其他环流条件,在低层为台风登陆时的偏东风气流控制下,地形对台风暴雨增幅作用尤为明显。何立富等[5]研究表明，地形对偏东气流抬升的作用导致“泰利”台风强降水的特点为落区主要在大别山东麓和九岭山脉迎风坡上,气流抬升有利于对迎风坡降雨增幅。福建省具有三面环山、一面临海特殊地形,同样具有在山脉迎风坡产生大暴雨到特大暴雨的特点[6-8]。许多学者研究地形对登陆台风暴雨增幅作用的机理。陈联寿[9]指出，当登陆台风在陆地上移动缓慢并有特定的地形与其配合时,山脉地形与低空环流汇合形成地形辐合区,例如喇叭口地形,其生成中尺度次生中心和小涡有利于降雨持续发展。通过地形模式敏感性试验,吴启树等[10]指出,在山坡迎风坡的地形坡度与气流正交速度乘积最大的时候,地形对台风暴雨的增幅作用最大。多数研究集中于地形迎风坡对台风暴雨的增幅作用,而对地形阻挡台风暴雨作用方面的研究还不多，1709号台风“纳沙”和1710号台风“海棠”分别于30日6时、31日2时50分登陆福清，此次罕见的近距离双台风过程导致风雨持续时间长、累积雨量大、影响范围广,福建沿海大部降雨达特大暴雨量级,但是福建西北部只有局部达到暴雨量级。为了探寻地形对此次福建暴雨分布特点的影响,本文利用1°×1°NCEP再分析资料和WRF模式对鹫峰山脉进行地形敏感试验,分析鹫峰山脉对此次强降水的影响,以期为福建省地形对类似台风暴雨的预报提供参考和依据。

2 台风“海棠”概况及降水实况

7月26日11时，1709号台风“纳沙”在菲律宾以东的西北太平洋面上生成,而后向西北方向移动,强度逐渐加强；28日17时，加强为台风(29日05时最强达40m/s,13级,960hPa)。29日19时40分在台湾宜兰东部沿海登陆,登陆后，台风向西偏北方向移动,30日06时前后在福清市沿海登陆,登陆时为台风,14时就减弱为热带低压(图1a)。7月28日20时，1710号热带风暴“海棠”在南海北部洋面上生成,“海棠”生成后向东北方向移动,强度略有加强。30日17时30分在台湾屏东县近海登陆,登陆后转向北偏西方向移动,31日2时50分前后在福清市沿海登陆,登陆时为热带风暴级,登陆后强度逐渐减弱,并与“纳沙”减弱后的残涡合并。23时在江西境内减弱为热带低压,8月1日8时停编(图1b)。“海棠”减弱后继续北上,与北边的西风槽相互影响,对福建省造成大范围降水。台风“纳沙”和“海棠”的最大特点是显著的藤原效应、24h内在同一地区登陆的罕见现象。

(a)1709号台风“纳沙”路径实况及预报 (b)1710号台风“海棠”路径实况

此次暴雨过程主要是发生在7月30日—8月1日,而台风“纳沙”在7月30日12时就已经减弱为热带低压,所以主要分析台风“海棠”对这次过程的影响。30日夜间，“海棠”进入台湾海峡,福建省沿海及南部地区降水加大(图2a)；7月31日“海棠”登陆福清后,以本体和螺旋雨带降水为主,导致福建沿海大部分地区出现大暴雨到特大暴雨(图2b)；8月1日,“海棠”减弱北上,与西风带结合,导致福建西北部发生降水(图2c)。因为此次过程,前两天降雨落区主要在沿海,鹫峰山脉的南侧(鹫峰山脉位于图2d黑色方框内),8月1日的降雨主要在鹫峰山脉北侧,因此对7月30日—8月1日的台风暴雨用WRF模式进行模拟,研究鹫峰山脉对此次暴雨的影响。

3 模式方案设计

模式的初始场和边界层资料是26层等压面、每6小时一次的1°×1°NCEP/NCAR气象再分析资料。模拟地区为115.5°E～120.5°E、22.5°N～28.2°N,覆盖整个福建省,采取两重网格嵌套方式,粗网格格距为9km,格点数为121×91；细网格格距为3km,格点数为181×181。模式采用的参数化方案为：WSM微物理方案,RRTM长波辐射方案,Dudhia短波辐射方案,QNSE近地面方案,Noah陆面参数化方案,浅对流Kain-Fritsch(newEta)积云参数化方案,QNSE-EDMF边界层方案(表1)。这次模拟过程的时段为2017年7月28日08时(北京时间,下同)至8月3日08时，共144h,粗网格时间间隔为3h,细网格时间间隔为1h,控制试验以此方案得出。为了分析鹫峰山脉对此次台风暴雨的影响,在控制试验的基础上,对改变地形高度进行了敏感性试验(将鹫峰山脉高度升高2倍和降低0.3倍)。

(a)2017年7月30日08时—31日08时累积降水 (b)2017年7月31日08时—8月1日08时累积降水

表1 模式模拟的参数化方案

4 模拟结果分析

对比控制试验(图3)和实况分析得出,7月30日控制试验很好地模拟出了台风环流降雨的形态,但降雨落区模拟结果偏南,福建北部模拟的雨量偏大；7月31日控制试验模拟的降雨量级与实况较为吻合,但对福建东北部降雨落区的模拟偏小；8月1日是台风“海棠”残留与西风带结合的降雨,控制试验模拟出福建西北的暴雨,但模拟落区偏小。整体来说，控制试验较好地模拟出此次过程降雨量级和降雨形态,较好地模拟出台风暴雨在鹫峰山脉地形的转折。

图3 WRF模拟的2017年7月30日8时—31日8时(a)、7月31日8时—8月1日8时(b)、8月1日8时—2日8时(c)24h累积降雨

原始鹫峰山脉呈西南-东北走向,地势较高,高度达800～1000m,对南侧的热带气旋和北侧的西风槽起到很好的地形阻挡作用,因此对鹫峰山脉做地形敏感试验。敏感试验1：考虑到福建地形是丘陵地区，因此将位势高度降低至鹫峰山脉高度的0.3倍更符合没有山脉影响的模拟情况(图4)。对比分析敏感试验1和控制试验的模拟结果显示：7月30日的降水鹫峰山脉地形起到显著作用,南部暴雨减弱,西北部暴雨明显增强,说明台风减弱更慢(图5a)；对于7月31日的台风本体降水,地形降低后没有显著影响(图5b)；对于8月1日台风残涡与西风槽合并的降水,鹫峰山脉降低后,模拟的闽西北暴雨强度偏强、落区增大偏北(图5c),说明地形对西风槽并未阻挡,仍是对台风强度和位置的影响,鹫峰山脉位势高度降低后台风残涡模拟偏强,与西风带相互作用的更为剧烈，导致暴雨强度强、落区大。

(a)福建省原始地形 (b)将鹫峰山脉位势高度缩小0.3倍

图5 敏感试验1的2017年7月30日8时—31日8时(a)、7月31日8时—8月1日8时(b)、8月1日8时—2日8时(c)24h累积降雨

敏感试验2：由于鹫峰山脉原始高度800～1000m，所以将鹫峰山脉位势高度升高2倍满足抬高地形的目的(图6)。对比分析敏感试验2(图7)和控制试验,得出：7月30日鹫峰山脉西侧(福建西北部)模拟的降雨较控制试验明显减弱,基本是小到中雨量级,鹫峰山脉东侧(福建东北部沿海)模拟的降雨强度较控制试验偏强,且整个台风环流降水的形态偏南,说明鹫峰山脉地形对台风起到很好的阻挡作用。在鹫峰山脉东侧地形抬升偏东气流,使得迎风坡降水显著；由于地形阻挡在鹫峰山脉西侧未受到台风太大影响,只是小到中雨；7月31日同样也是由于地形抬升作用,敏感试验2模拟的鹫峰山脉东侧降雨强度加强；对比8月1日的敏感试验2和控制试验对福建西北部降雨的模拟结果发现,敏感试验2的降雨落区偏小、偏南，且量级偏弱,仍说明此时鹫峰山脉对西风带未有显著影响,由于山脉高度升高对台风阻挡,使得台风减弱加快,导致弱的台风残留和西风带结合，使得西北部降雨量级偏弱,落区偏小(图7)。

(a)福建省原始地形 (b)将鹫峰山脉位势高度升高2倍

图7 敏感试验2的2017年7月30日8时—31日8时(a)、7月31日8时—8月1日8时(b)、8月1日8时—2日8时(c)24h累积降雨

5 结论

本文运用WRF模式,对201710台风“海棠”在福建省2017年7月30日—8月1日的降雨进行模拟,并在此基础上对鹫峰山脉地形影响台风暴雨进行敏感试验,得出结论如下：①WRF模式较好地模拟出此次过程降雨量级和降雨形态,模拟出在鹫峰山脉地形暴雨的转折；②通过对鹫峰山脉地形升高2倍和降低0.3倍后的对比发现，位势高度降低0.3倍后模拟的7月30日鹫峰山脉南部暴雨较控制试验减弱,西北部暴雨较控制试验明显增强,位势高度升高2倍后模拟的7月30日鹫峰山脉西侧(福建西北部)降雨较控制试验明显减弱，且整个台风环流降水的形态偏南；位势高度升高2倍后，7月31日模拟的鹫峰山脉东侧降雨强度加强；鹫峰山脉位势高度降低0.3倍后模拟的8月1日闽西北暴雨强度偏强、落区增大偏北，位势高度升高2倍后模拟的8月1日福建西北部降雨偏小偏南且量级偏弱。鹫峰山脉对此次台风强度和路径有很大影响,地形的存在对鹫峰山脉东侧(迎风坡)降水有增幅作用,在鹫峰山脉西侧,地形对台风暴雨起到很好的阻挡作用。