熱帶氣旋中尺度特征及其變化的衛(wèi)星觀測分析

熱帶氣旋中尺度特征及其變化的衛(wèi)星觀測分析

資料與文獻綜述根據(jù)研究，中國在25n南登陸的亞熱帶氣候頻率約占中國登陸亞熱帶氣候總數(shù)的86%，其降雨頻率遠遠超過了25n北登陸的亞熱帶氣候頻率。其中海南島是中國受臺風登陸和影響最多的省份之一,僅次于廣東省,年平均登陸熱帶氣旋2.7個。以往對25°N以南登陸的熱帶氣旋暴雨的研究多偏重于某些個例的天氣學和動力學方面,降水分布氣候分析方面較少。毛夏等分析了影響華南熱帶氣旋特大暴雨的時空分布規(guī)律,并利用時最大雨量資料分析了不同時段、不同地區(qū)、不同路徑熱帶氣旋時特大暴雨的相對落區(qū)。李永康等曾分析1980—1990年我國25°N以北和25°N以南登陸的熱帶氣旋所產(chǎn)生的暴雨累積頻數(shù)的地理分布,揭示了熱帶氣旋造成我國陸地上降水的概況。然而,許多研究和分析表明,即使同樣在25°N以南(或以北)登陸,并且以相同路徑移動,降水空間分布仍隨具體登陸點的變化而不同。文獻利用1960年代及1970年代初的臺風雨量資料,分析了我國不同地區(qū)臺風登陸后24小時平均降水分布特征,指出在登陸華南的西行臺風中,主要暴雨中心經(jīng)常出現(xiàn)在路徑的左側(cè);登陸華南地區(qū)的北移臺風,則經(jīng)常出現(xiàn)在路徑的右側(cè)。該工作的研究結(jié)果主要基于多個臺風的平均值,那么對每個個例而言,是否在登陸地區(qū)、路徑相近的情況下,強降水分布與平均狀態(tài)類似呢?各種登陸海南島的不同路徑臺風,其逐小時降水變化又有什么特征?另外,登陸海南熱帶氣旋整個過程降水分布有幾種類型?為了回答這些問題,有必要對登陸海南的熱帶氣旋降水分布規(guī)律作更詳細的普查、分析。本文首先從個例普查出發(fā),分析總結(jié)了1996—2005年在海南島登陸的7個熱帶氣旋過程降水分布與熱帶氣旋活動特征之間的關(guān)系,試圖為過程降水分布的動力釋用預(yù)報提供一定的指標。登陸海南的熱帶氣旋常出現(xiàn)強烈的局地性暴雨,范圍一般最大不超過200～300km,最小的甚至只有幾百十米,是熱帶氣旋內(nèi)的中小尺度系統(tǒng)觸發(fā)所致。近年來不少專家從觀測資料或數(shù)值實驗研究了熱帶氣旋中尺度暴雨的發(fā)生、發(fā)展,這些工作基本針對個例進行。另外,由于熱帶氣旋源于熱帶海洋,而海洋上缺少觀測資料,本文利用海南省18個地面站降水自記資料每小時降水量(不全)及靜止衛(wèi)星每小時云圖反演降水資料,對多個熱帶氣旋進行分析,將熱帶氣旋作為一個整體來研究探討它在登陸前后的降水分布變化特征,彌補了以往對熱帶氣旋降水的研究只局限于陸地降水的不足。1衛(wèi)星資料特征分析本文所用資料為海南省18個地面站降水自記資料每小時降水量(不全)及靜止衛(wèi)星每小時云圖反演降水資料(所用資料的衛(wèi)星型號如下:2003年5月前是GMS-5,2003年6月至2005年6月為GOES-9,之后是MTSAT-1R,衛(wèi)星分辨率0.05度。反演方法見文獻)。僅有陸地觀測降水資料不能全面客觀地反映熱帶氣旋本身的整體降水及登陸前后的變化,因此有必要利用高時空分辨率的衛(wèi)星資料。地面站降水自記資料每小時降水量在本文的作用主要為檢驗每小時遙感資料及衛(wèi)星云圖反演降水資料在陸地地區(qū)降水強度隨時間變化趨勢的質(zhì)量。經(jīng)比較分析表明,衛(wèi)星遙感資料反演的降水普遍比地面觀測值量級偏小,但單站實況降雨量與對應(yīng)經(jīng)緯度網(wǎng)格點的反演降水值相關(guān)系數(shù)均置于0.51～0.66之間(單個個例用于檢驗的時次樣本數(shù)>40),能較好地反映降水的空間分布、時間變化特征。由于資料的限制,本文只選取了1996—2005年在海南島登陸的7個熱帶氣旋(9612,0016,0220,0308,0312,0320,0518)作為研究對象。2熱帶氣旋保護區(qū)域在較短段的分布根據(jù)18個地面站降水自記(9612,0016,0220,0308,0312,0320,0518)7個登陸海南島的熱帶氣旋的暴雨特征發(fā)現(xiàn),所有個例的最大降水時段基本出現(xiàn)在登陸前3個小時至登陸后12個小時內(nèi)。本文主要關(guān)注上述個例中,熱帶氣旋最大強降水區(qū)域的分布特征。分析發(fā)現(xiàn),熱帶氣旋登陸前后中尺度最大強降水區(qū)域分布位置隨時間有所變化,且不同路徑的變化情況不同。根據(jù)上述個例的臺風運行路徑,基本可分為偏中西行(0308號熱帶氣旋,0518號熱帶氣旋,見圖1a)、偏南西行(9612號熱帶氣旋,0016號熱帶氣旋,見圖1b)、自南向北行(0220號熱帶氣旋,0320號熱帶氣旋,見圖1c)、偏北西行(0312號熱帶氣旋,見圖1d)4類。2.1地形與臺風降水由上列0518及0308號熱帶氣旋登陸前后10小時內(nèi)逐小時最大區(qū)域降水圖的變化情況(其余時次圖略)可發(fā)現(xiàn),登陸海南島偏中西行路徑的熱帶氣旋,在登陸前其最大降水區(qū)域基本處在氣旋的東南象限。登陸后,最大降水區(qū)域逐漸移至西南象限。降水強度的變化也具有相似的特征,在登陸前至登陸初期,兩個個例均有逐漸加強的趨勢(圖2中a1、a2、b1、b2),這可能與地形的作用有關(guān)。有研究表明,地形的抬升輻合在臺風暴雨的增幅中起到很大的作用。海南中部山脈地形起伏增強了地面對大氣的拖曳效應(yīng),一方面使垂直運動加強,另一方面也改善了積云對流和大尺度降水條件,使得山脈的迎風坡方向即偏中西行路徑的熱帶氣旋東南象限或偏南象限出現(xiàn)了臺風暴雨增幅。值得注意的是,氣旋登陸中后期,降水強度并非單調(diào)遞減。由圖2中a3、a4、b3、b4可見,登陸后第4～6個小時,五指山山脈以南的山前區(qū)域降水強度再次增強.這是由于地表的摩擦作用,臺風強度通常會減弱從而降水也隨之減弱,但是,由于局地地形的抬升作用以及地表的拖曳效應(yīng),在一定時間內(nèi)也能夠增加氣旋的局部降水。上述兩個熱帶氣旋,在登陸8小時后,降水強度下降較快(圖略)。最強降水中心在登陸前到登陸中期基本環(huán)繞在中心附近,登陸后期逐漸出現(xiàn)離心特征,幅度在100km左右。2.2最大降水區(qū)域由9612及0016號熱帶氣旋登陸前后10小時內(nèi)最大區(qū)域降水變化的情況可發(fā)現(xiàn)(其余時次圖略):登陸海南島偏南西行路徑的熱帶氣旋,降水強度在氣旋登陸前10小時內(nèi)逐漸加強,在登陸前2小時至登陸時達到最大,登陸前的整個過程最大降水區(qū)域均環(huán)繞在臺風中心附近(圖3a1、a2、b1、b2),最大降水中心基本處在臺風的東南象限。隨著登陸西行,降水強度逐漸減弱(圖3a3、a4、b3、b4),但減弱速度較上述偏中西行路徑的0308、0518兩個例慢,強降水中心在登陸西行過程中逐漸由東南象限移向西南象限,這一特征與偏中西行的0308及0518號熱帶氣旋個例十分相似,且有明顯的離心趨勢,幅度在100km左右。2.3臺風降水的降水特征由0320及0220號熱帶氣旋登陸前后10小時內(nèi)最大區(qū)域降水的變化可發(fā)現(xiàn),(其余時次圖略)登陸海南島自南向北行路徑的熱帶氣旋,在登陸前10個小時內(nèi)其最大降水中心同樣處在臺風中心附近,最大值大部分時間內(nèi)處在氣旋的南到西南象限(圖4a1、a2、b1、b2)。登陸后降水變化最明顯的特征表現(xiàn)為降水強度迅速下降,0320號臺風在登陸后,強降水中心基本消散(圖4a3、a4)。這類臺風的最大降水中心在登陸后離心幅度最大,0220號臺風在登陸后(圖4b3、b4),最大降水中心距離臺風中心在180～200km左右,且兩個個例的逐小時降水強度變化過程表明,登陸海南島自南向北行路徑的熱帶氣旋,登陸后,其最大的降水區(qū)域有明顯的自偏南象限向偏西象限順轉(zhuǎn)的過程。2.4中尺度強降水中心偏北西行路徑的熱帶氣旋其移動區(qū)域基本在海南島北部至瓊州海峽之間。由于所處的位置,該類型熱帶氣旋對海南、廣東,甚至廣西地區(qū)均有較大的風雨影響。0312號熱帶氣旋登陸前后10小時內(nèi)最大區(qū)域降水的變化的情況可發(fā)現(xiàn),登陸海南島偏北西行路徑的熱帶氣旋,在移近陸地時,在海南及廣東沿海海岸線附近的熱帶氣旋外圍地區(qū)均出現(xiàn)了多個中尺度強降水中心(圖5a、b),這與海岸地形的存在有著非常密切的關(guān)系。鄭慶林的研究表明,大陸海岸線的分布可以使登陸臺風結(jié)構(gòu)發(fā)生突變,從而影響到暴雨強度及落區(qū)的變化,暴雨中心隨海岸線的擴展而移動,地形坡度的增加會引起地形性降水增強,從而使移近陸地時海岸線附近的強降水增幅。該類型熱帶氣旋降水存在一個異常明顯的特征是,登陸后10個小時內(nèi)降水強度非但沒有減弱,反而有所加強,且最大強降水中心一直穩(wěn)定出現(xiàn)在氣旋的西南象限,即本島西南或以南地區(qū)(圖5c、d),這可能與該象限正是水汽輸送通量極大值區(qū)域(圖略)以及該區(qū)域處于氣旋西南風場的五指山山脈迎風面有關(guān)。登陸前最大降水中心出現(xiàn)在臺風中心60km以內(nèi)。登陸后離心態(tài)勢很明顯,最大降水中心距離臺風中心150～230km附近。3中尺度的演變由上述4類不同路徑、8個熱帶氣旋的登陸海南島前后10小時內(nèi)逐小時強降水分布情況的分析發(fā)現(xiàn),不同路徑的熱帶氣旋前后10小時內(nèi)逐小時強降水分布特征雖然存在一定的共性,但也有不小的差別。(1)不同路徑的熱帶氣旋登陸前10個小時之內(nèi),中尺度強降水基本上分布于熱帶氣旋中心附近;而熱帶氣旋登陸后,中尺度強降水開始出現(xiàn)明顯的“離心”或“偏心”特征,離心的幅度跟臺風運行的路徑有很大關(guān)聯(lián),離心幅度最大的路線為自南向北行,強降水中心距離氣旋中心180～240km,離心幅度最小的路線為偏中西行路徑,強降水中心距離氣旋中心100km左右。(2)不同路徑的熱帶氣旋在登陸前后,其最大降水中心的強度變化也有明顯差異。偏南西行及自南向北行路徑的熱帶氣旋登陸后10個小時內(nèi),其最大降水中心的強度會逐漸減弱;偏中西行路徑的熱帶氣旋,登陸后其最大降水中心的強度并非單調(diào)遞減,而是在某些時次有突然回增的跡象;而偏北西行路徑的熱帶氣旋登陸后10個小時內(nèi)降水強度非但沒有減弱,反而有所加強。(3)上述個