热带气旋登陆中国大陆时地面风场的统计与数值模拟研究

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近年来,登陆TC大风分布特征统计研究已逐渐得到重视,但目前的工作还远远不够。利用精细化观测数据,开展TC登陆前后风场精细化分布特征统计研究,可行且十分必要。利用高分辨率数值模拟,结合敏感性试验,开展更加精细化的登陆TC大风(尤其是近地面大风)分布特征及其与TC热、动力结构乃至微物理结构的关系研究,将有助于对TC大风分布机理的深入认识。
  本文首先利用逐小时风速观测资料以及台风年鉴资料,分析了2008~2014年登陆中国大陆地区的51次热带气旋(TC)的地面风场分布特征,包括TC登陆期间大陆地面风场演变和大风分布特征、海岛站和内陆站的风速差异以及海拔对风力造成的影响等。结果表明:6级及以上大风主要发生在距离TC中心300km内、TC强度达到台风(TY)以上时,并主要位于TC移动方向的右侧,尤其是右前象限;华南区TC风场分布主要由在此区域登陆的TC(Ⅰ类)造成,较大风速区包括广东西南部沿海、雷州半岛附近和海南西部沿岸;华东区TC风场分布主要由在此区域登陆的TC(Ⅱ类)造成,杭州湾出海口以及浙闽沿海是较大风速区;6级及以上大风广泛分布在华南和华东沿海,6~7级地面大风高频站主要位于杭州湾附近,8级及以上地面大风高频站点在杭州湾和福建沿海分布比广东西南部更为密集;TC登陆前后均可能造成大风,大风出现时间与站点至TC中心的距离密切相关;同等强度TC在海岛站造成的风速比陆地站更大,对高海拔站点造成的风力大于低海拔站点。
  其次,利用WRF模式,对热带气旋“彩虹”(1522)登陆过程开展了高分辨率数值模拟,模拟验证表明:模式较成功地模拟出了“彩虹”的登陆期间(特别是登陆前后6h)的移动路径、强度变化以及降水、大陆近地面风场分布。再次,利用高分辨率模拟资料,分析了“彩虹”登陆期间的大风分布以及热、动力结构特征,结合切向风动量方程开展了模拟诊断,切向风动量方程各项在近地面层和边界层顶代表高度上的平面结构诊断分析显示,近地面(0.4km)层上,VVOR(角动量径向平流项)和VPGF(切向气压梯度项)是切向风变化的最大贡献项;边界层顶(1.3km)附近,VPGF和VVA(切向动量垂直平流项)对切向风起到正加速作用,而VVOR则根据入流(出流)特征,起到正(负)加速作用。切向风动量方程各项的轴对称平均结构诊断分析显示,“彩虹”登陆前,VVA和VVOR是决定切向风变化的主要贡献项。
  最后,采用微物理方案(Lin、GCE方案)、边界层方案(ACM2、BouLac)、城市冠层方案(UCM)来对台风“彩虹”进行物理过程参数化方案敏感性试验;另外,通过提升登陆区域的地形高度至原始的1.5倍、2倍来进行地形敏感性试验。在路径方面,不同微物理方案、边界层方案和城市冠层方案的选取对“彩虹”移动路径的模拟均有不同程度的影响,但整体上影响不明显,其中,BouLac边界层方案敏感性试验对“彩虹”路径的模拟效果最好。在强度方面,与选取不同的边界层参数化方案和城市冠层方案相比,不同微物理参数化方案对“彩虹”强度的模拟影响相对更为明显,城市冠层方案对“彩虹”强度模拟影响最不明显。在风场方面,登陆前,“彩虹”风场对边界层参数化方案的敏感性最强,其次是微物理参数化方案,而对城市冠层方案的敏感性相对最小。登陆区域的地形高度抬升1.5倍、2倍,对“彩虹”的移动路径和强度均可造成一定的影响。提高地形高度后的敏感性试验模拟的“彩虹”强度略有降低,近地面风场的强度也略有减弱。
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