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本论文利用美国NCEP/NCAR1°×1°全球再分析资料、探空和地面观测、降水观测、雷达和卫星等常规和非常规观测资料,以及中尺度非静力数值模式WRF,针对2008年第8号登陆台风“凤凰”的强降水过程开展了观测分析和数值模拟研究,主要结论如下:
(1)利用波流相互作用理论对登陆台风“凤凰”的强降水过程开展了观测资料诊断分析。将NCEP/NCAR1°×1°全球再分析资料和常规地面、探空观测资料引入ARPS模式的初始化模块(ADAS)形成客观分析场,利用客观分析场计算了“凤凰”台风登陆期间的波作用密度及相应的波作用通量散度项,分析了其与6小时累积地面观测降水的关系。结果表明,波作用密度的异常值区始终覆盖观测雨区,二者在水平分布和时间演变趋势上比较一致,波作用密度与降水系统的发展和演变密切相关,其正高值区与观测的6小时累积地面降水具有良好的对应关系。波作用通量散度分析表明,在登陆台风“凤凰”引发的暴雨过程中,非地转风位涡扰动和一阶扰动平流与动力场和热力场扰动梯度的耦合项是影响波作用密度(扰动热力切变平流)发展演变的主要强迫项,而基本态与扰动之间的扰动动量平流和扰动热量平流的交换对扰动发展演变的影响相对来说较弱;进一步分析表明扰动与基本态的交换主要是扰动热量平流交换,而扰动动量平流交换非常弱。
(2)利用有限区域风场分解技术对“凤凰”台风登陆期间的水平风场进行了分解,分析了登陆台风“凤凰”风场的无辐散风分量和无旋风分量的分布特征与强降水之间的联系,结果表明:在“凤凰”台风中,无辐散分量大于无旋分量,但无旋分量变化大于无辐散风分量。登陆以后,“凤凰”台风减弱后的低涡环流系统的低层辐合中心与高层辐散中心逐步分离,但由于其辐合层次深厚,辐合运动从中高层逐渐向低层减弱,导致了“凤凰”台风在陆地上的维持时间较长,这是从风场分解角度看到的“凤凰”台风能在陆地上长时间维持的一个可能原因。此外,由于中低层辐合的非对称性,导致了垂直上升运动也出现明显的非对称分布。从“凤凰”登陆前后其无旋风分布与降水落区对应关系来看,降水区主要出现在低层无旋风分量的辐合中心附近。因此,从无旋风的辐合区可大致判断降水的可能落区。
(3)利用中尺度非静力数值模式WRF对2008年第8号登陆台风“凤凰”的强降水过程开展了高分辨率数值模拟,模拟采用3重嵌套,最高分辨率3km,共积分了5天。通过观测与模拟的比较验证可以看出,模式较好地模拟再现了“凤凰”台风的发展演变以及登陆过程,模拟的台风路径与观测路径较为一致,同时模式也较好地模拟了整个研究时段当中,台风“凤凰”的强度演变(中心最低气压和地面最大风速)、大尺度环流演变和台风环流与周围环流系统的相互作用过程、主要雷达回波特征以及相应的降水分布特征等,模拟取得了成功。
(4)依据对登陆台风“凤凰”强降水过程的观测资料诊断分析,进一步选取了能够表征降水区辐合辐散特征和波扰动特征的两个参数,基于上述的高分辨率数值模拟资料,对登陆台风“凤凰”的强降水过程开展了动力诊断分析。由于降水与波扰动紧密相关,同时与风的辐合、辐散也有密切的关系,因而将这两个特征耦合起来,定义了一个新的动力因子——扰动热力散度参数,并利用这个新的动力因子对登陆台风“凤凰”的强降水过程开展了进一步的动力诊断分析,结果表明:在整个研究时段内,扰动热力散度参数的异常值区始终覆盖在地面雨区之上,二者的空间分布和时间演变趋势也比较一致,并且降水区内的扰动热力散度参数表现为强信号,而非降水区表现为弱信号,扰动热力散度参数对强降水落区有较好的指示作用。
本论文的主要特色及创新点有:(1)利用中尺度非静力数值模式WRF对2008年第8号登陆台风“凤凰”的强降水过程开展了高分辨率数值模拟,成功地模拟再现了“凤凰”台风长达5天的发展演变以及登陆过程等;(2)把波流相互作用理论应用于对登陆台风“凤凰”的强降水过程的诊断分析,计算了“凤凰”台风登陆期间的波作用密度以及相应的波作用通量散度项,结果表明:波作用密度的异常值区与观测的6小时累积地面降水具有良好的对应关系;(3)利用有限区域风场分解技术对“凤凰”台风登陆期间的水平风场进行了分解,结果表明:在“凤凰”台风中,降水区主要出现在低层无旋风分量的辐合中心附近,而登陆以后,“凤凰”台风辐合层次深厚,辐合运动从中高层逐渐向低层减弱,这是从风场分解角度看到的“凤凰”台风能在陆地上长时间维持的一个可能原因;(4)针对与登陆台风强降水紧密联系的波扰动和辐合辐散两个特征,建立了一个新的动力因子,并利用该因子对登陆台风“凤凰”的强降水过程进行了动力诊断。结果表明:新的动力因子对强降水落区有较好的指示作用。