资源 环境 生态 土壤 气象81-116

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1 中国农学通报 2017,33(31): Chinese Agricultural Science Bulletin 麦德姆 造成山东暴雨的卫星水汽图像分析 潘玲, 陈小苏 ( 日照市气象局, 山东日照 ) 摘要 : 为提高台风暴雨的预报准确率, 降低对农业生产的影响, 本研究利用常规观测资料和 FY-2E 卫星云图, 分析台风 麦德姆 造成山东暴雨的成因 结果表明 : 前期强降水是由台风倒槽造成, 后期中 低纬度系统相互作用导致半岛地区出现大暴雨 ; 水汽图像上的亮区对应对流层中上部湿区, 亮区与低层水汽通量散度大值区和 500 hpa 总温度场高能舌重合, 对台风路径的预报和暴雨落区有较好的指示意义 ; 水汽图像上系统的形态和灰度变化, 能更有效地监测中 低纬度系统相互影响导致的过程, 叠加云导风产品能更清晰地监测台风进入中纬度变性为温带气旋的风场与云系变化, 云导风产品在台风预报分析中能发挥重要作用 关键词 : 台风 ; 暴雨 ; 卫星图像 ; 水汽边界 ; 云导风中图分类号 :P458 文献标志码 :A 论文编号 :casb Satellite Water Vapour Image Analysis of the Torrential Rain in Shandong Caused by Matmo Pan Ling, Chen Xiaosu (Rizhao Meteorological Bureau, Rizhao Shandong ) Abstract: The paper aims to improve the forecast accuracy of typhoon torrential rain, reduce the impact of typhoon torrential rain on agricultural production. By using conventional observation data and FY- 2E satellite cloud pictures, the authors analyzed the cause of typhoon Matmo torrential rain in Shandong. The results showed that: the heavy rain in earlier stage was caused by the typhoon inverted trough, and middle and low latitude weather systems interaction in later stage led to heavy rainstorm in Shandong peninsula; water vapour bright area on the satellite cloud pictures corresponded to the upper wet area in the troposphere, bright area overlapped with lower water vapour flux divergence of great value and high energy tongue at 500 hpa total temperature field, which had good instruction significance to the path of typhoon forecast and the rainstorm fall area; the changes of morphology and grayscale in water vapour images could monitor more effectively in the interaction of middle and low latitude weather systems, the superposition of cloud winds products could monitor transformation of wind and cloud more clearly, which turned into extratropical cyclone from typhoon after entering the middle latitude, cloud winds products could play an important role in typhoon forecast. Key words: typhoon; torrential rain; satellite image; water vapour boundary; cloud winds 0 引言山东省位于中国东部沿海, 每年都有台风影响山东, 台风暴雨是造成山东省农业受灾的主要天气之一, 台风的预报是气象业务工作中的重点和难点 目前, [1-6] 有很多专家对台风暴雨进行了研究, 部分专家对影 响中国北方的台风降水特征进行了分析 [7-10] 张少林 [11] 等分析在福建登陆的 0418 号台风时指出, 西风带弱 冷空气侵入台风北伸倒槽, 促使了对流的强烈发展和 [12] 暴雨的产生 钮学新等研究指出, 冷空气入侵 地形 作用 水汽条件及其影响时间长短等都能影响台风的 基金项目 : 日照市气象局气象科学技术研究项目 日照市大暴雨天气过程卫星云图特征分析 (2016rzqx04) 第一作者简介 : 潘玲, 女,1985 年出生, 江苏扬中人, 天气预报工程师, 本科, 主要从事天气分析及预报工作 通信地址 : 山东省日照市东港区山东路 687 号日照市气象局气象台,Tel: , panling0802@126.com 收稿日期 : , 修回日期 :

2 潘玲等 : 麦德姆 造成山东暴雨的卫星水汽图像分析等 : 99 降水量 气象卫星观测具有较大的空间覆盖率和较高的时 间分辨率, 可以快速对大范围天气分布做出全面的监 测, 目前已经成为监测和预报暴雨等强对流天气的重 要手段之一 相比红外云图, 水汽图上的水汽区比云 区更为连续完整 由于水汽起了大气运动被动示踪物 的作用, 水汽图像能有效地显示出对流层中部的大尺 度流型 水汽图像上的干湿边界特征, 包括连续时次 干湿边界和暗区亮度的变化, 对天气系统的发展有明 显的指示意义 目前, 有部分专家对台风暴雨过程的 卫星云图做了一定的解译研究 [13-16], 并且对卫星水汽图 像也做了一定的研究工作, 指出水汽图上的干湿区对 [17-19] [20] 暴雨落区有一定的指示意义 张守峰等对云导 风的应用给出相关实验结果, 认为将卫星云导风作为 观测资料进入模式后可明显减小台风的路径预报误 差 但是, 在实际工作中对台风进行水汽云图结合云 导风的分析方面, 目前的研究还比较少 2014 年第 10 号台风 麦德姆 造成山东省 45.1 万 人受灾, 农作物受灾面积 hm 2, 其中绝收 hm 2 ; 直接经济损失 4.9 亿元, 对农业生产造成严重 的不利影响 本研究主要利用 2014 年 7 月 日 常规观测资料和 FY-2E 卫星云图, 从环流形势 物理量 场 卫星水汽云图等方面, 研究台风 麦德姆 在山东省 造成暴雨的机制, 对未来台风暴雨的预报具有有益的 参考意义 1 台风路径及降水 2014 年第 10 号台风 麦德姆 ( 强热带风暴级 ) 于 7 月 18 日 2 时在菲律宾马尼拉东偏南约 1620 km 的西北 太平洋洋面上生成 ( 见图 1a), 中心附近最大风力 8 级 (18 m/s), 中心最低气压 998 hpa 麦德姆 生成后向 西北方向移动, 强度不断增强 23 日 00:15 在台湾省 台东县长滨乡沿海登陆, 登陆时中心附近最大风力 14 级 (42 m/s), 中心最低气压 955 hpa;23 日 15:30 在福建省福清市高山镇沿海再次登陆, 登陆时减弱为强热带风暴, 中心附近最大风力 11 级 (30 m/s), 中心最低气压 980 hpa, 登陆后向偏北方向移动,7 月 25 日 8 时在山东省日照市附近转向东北移动,25 日 17:10 在山东省荣成市虎山镇沿海第 3 次登陆, 登陆时中心附近最大风力 8 级 (20 m/s), 中心最低气压 993 hpa 5 日 18:10 在荣成市成山镇移入黄海北部海面 25 日 23 时在黄海北部变性为温带气旋 麦德姆 在 24 日下午开始影响山东,24 日 14 时开始, 山东省中东部地区出现强降雨, 至 26 日 6 时, 共有 104 个县 1322 个乡镇出现降雨, 其中青岛 烟台 威海和潍坊东部降大暴雨, 局部特大暴雨 ; 日照 潍坊西部出现暴雨, 全省降水分布自东向西逐渐呈减少趋势, 全省平均降水量达 51.0 mm, 过程雨量图见 ( 见图 1b) 超过 250 mm 的站点有 14 个,100~250 mm 的站点有 249 个,50~100 mm 的站点有 194 个, 大监站最大降水量为青岛胶州 mm, 区域站最大降水量为烟台昆嵛山为 mm 24 日夜间 25 日夜间, 渤海海峡和黄海北部北风达 8~9 级, 阵风 10~11 级 ; 渤海和黄海中部北风达 7 级阵风 8~9 级 其中烟台塔山站 25 日 13 时极大风速为 30.5 m/s 2 天气形势分析 23 日 20 时 ( 见图 2a),500 hpa 西风槽位于华北中部至甘肃中部, 呈东北 - 西南向, 西太平洋副热带高压 ( 以下简称副高 ) 脊线位于 32 N 附近, 西伸脊点到达 116 E 台风 麦德姆 ( 强热带风暴级 ) 位于副高西南部的东南气流中, 引导气流导致 麦德姆 向西北偏北方向移动 24 日 8 时 ( 见图 2b), 西风槽东移加深有所南压, 副高呈块状分布,588 线在后期略有东缩后便稳定在 125 E 附近, 引导 麦德姆 登陆后沿着副高西侧向正北移动, 后转向东北移动, 并减弱为热带风暴 24 a. 移动路径 b. 降水分布 图 1 10 号台风 麦德姆 移动路径和山东省降水分布图

3 100 中国农学通报 a.2014 年 7 月 23 日 20 时 b.2014 年 7 月 24 日 8 时 c.2014 年 7 月 24 日 20 时 d.2014 年 7 月 25 日 8 时 图 hpa 环流形势分析 日 20 时 ( 见图 2c), 西风槽继续东移加深, 副高 588 线经向度加大, 副高边缘较强的偏南气流引导 麦德姆 向偏北方向移动, 受台风倒槽与西风槽结合的影响, 山东半岛和东南沿海在 24 日下午开始出现强降水 25 日 8 时 ( 见图 2d), 副高西伸加强, 脊点西伸至 118 E, 西风槽与副热带高压环流形势的演变增加了台风的东移分量, 台风转向北偏东方向,17:10 在山东省荣成市虎山镇沿海登陆, 继续给半岛地区带来强降水 25 日 20 时 ( 图略 ), 副高继续西伸, 同时大陆高压加强, 麦德姆 位于两高压之间, 随着西风槽北收, 台风继续向东 北方向移动, 对山东省的影响趋于结束 24 日 20 时 ( 见图 3a) 麦德姆 中心位于安徽南部, 台风倒槽一直向北伸至鲁南地区, 台风倒槽东侧的沿海东南急流带来充沛的水汽, 强降水区位于倒槽东侧东南气流中,6 h 超过 50 mm 的强降水全部位于半岛地区 随着河套附近高压东移, 其东侧冷空气不断侵入台风倒槽中, 导致台风的西北侧不断有对流云团生成, 在鲁西北也出现了较强降水区 ( 见图 3b) 台风 麦德姆 登陆北上的过程中, 西风槽与副热带高压相互作用, 影响台风的移动路径和强度变化 a.2014 年 7 月 24 日 20 时 b.2014 年 7 月 25 日 2 时 图 3 地面填图分析 ( 浅灰色阴影区 :6 h 降水量 25 mm; 深灰色阴影区 :6 h 降水量 50 mm)

4 潘玲等 : 麦德姆 造成山东暴雨的卫星水汽图像分析等 : 101 台风登陆后强度不断减弱, 而副高 588 线西伸, 副高强度增强 由于副热带高压偏南 西伸的位置偏西, 导致其西侧的西南气流较强, 使台风的移动路径向东北移动, 在山东半岛产生了暴雨 西风槽携带冷空气与台风环流相互作用, 对暴雨有一定程度的加强 研究表明, 西风带系统与台风结合或冷空气入侵, 使斜压不稳定能量向动能发展, 促使位能向扰动动能转化, 会促进 [11] 系统内部对流发展, 诱发暴雨产生 3 物理量场分析暴雨的产生和持续需要强烈的上升运动和充足的水汽供应 从水汽图像 ( 见图 5a) 上可见台风云系呈色调浅白的水汽亮带, 和其西侧的暗区有明显的干湿区对比, 深厚的湿区紧邻西侧暗带对应的干区, 分别对应深厚的上升和下沉运动, 此次过程强降水出现在强烈的上升运动中, 暴雨区处于深厚的上升运动区域 水汽通量散度表示了水汽的集中程度, 从 24 日 20 时 850 hpa 水汽通量散度 ( 见图 5a) 来看, 山东中东部地区位于强水汽辐合区内, 半岛地区有 1 个 g/(s hpa cm 2 ) 的水汽辐合中心, 强烈的水汽输送与辐合为半岛地区大暴雨的发生供应了充沛的水汽 单位质量气块的动能 位能 感热能和潜热能的总和称为该气块的总能量, 而总温度反映总能量的大小, 并具有准保守性 台风预报中可参考 500 hpa 总温度的高能舌和能量锋区来预报台风暴雨区, 并且台风有向总温度高值区移动的潜势, 即高能舌一定程度上能预测台风的移动路径 台风暴雨强度与能量场锋区强度呈正相关, 能量场锋区越强, 降水量越大 从 24 日 20 时水汽图像叠加 500 hpa 总温度 ( 见图 4b) 上可以看到, 在安徽中南部有高能量大值中心, 高能区范围较大, 华东沿海地区均处于高能区 总温度场高能舌伸向山东南部, 水汽图像上水汽区对应高能舌和高能锋区 强降水发生在高能舌中心轴线附近 另外 500 hpa 总温度高能舌走向与 麦德姆 路径基本重合, 实际工作中 500 hpa 总温度高能舌对台风路径的预报有一定的指示意义 4 卫星云图分析随着卫星资料的日益增多和云图处理水平的提高, 卫星云图已成为分析台风的主要工具, 分析和预报台风的方法也越来越完善, 精度越来越高, 效果越来越好 水汽图上的水汽表现远比红外图上的云区要宽广, 水汽图上水汽区比红外图上云区要连续完整, 本文重点选用水汽云图分析台风云系的演变 7 月 22 日 20 时 ( 见图 5a), 在北纬 N 有 1 条呈反气旋弯曲的带状高空急流云系 (AB), 北侧边界光滑整齐 台风眼清晰可见 (C), 中心位于台湾岛中南部, 环流结构较为完整, 眼区周边存在螺旋状的稠密云区, 受台湾岛山脉影响, 台风西北侧云系较东南侧的结构松散, 台风南部与热带西南季风云系中的对流云团 (D) 相接 台风北侧为副高形成的内边界暗区, 在副高北部和西北部有发展的对流云团 (E) 23 日 2 时 ( 见图 5b), 高空急流云系 (AB) 南压到 N, 副高受台风北上和西风带急流南压影响, 高压控制区较上一时次有所变窄 随着台风登陆台湾省, 原来的眼区已经被整片的稠密云区覆盖, 结构近似正圆形, 台风受副高南侧的东到东南气流影响, 将向西偏西北方向移动 23 日 8 时 ( 见图 5c), 高空急流云系 (AB) 与副高北侧的带状云系 (CD) 逐渐靠近, 并在日本海附近合并, 随着台风靠近大陆, 受地形摩擦影响, 靠近大陆的云系开始变得松散, 结构不再对称, 受台风北上和西风带急流南压影响, 高压控制区较上一时次又进一步变窄 23 日 15:30, 台风从福建第二次登陆, 登陆后强度减弱, 由于副高开始东退, 台风开始向西北偏北方向移动, 台风的水汽随着副高南侧的偏东急流向陆地输送, 同时在副高脊线西部, 南支槽西南气流向山东输送水汽 从 17 时的水汽图 a. 水汽图像叠加 850 hpa 水汽通量散度场 ( 单位 :10-7 g/(s hpa cm 2 )) b. 水汽图像叠加 500 hpa 总温度 ( 单位 : ) 图 年 7 月 24 日 20 时水汽图像叠加物理量场分析

5 102 中国农学通报 a.2014 年 7 月 22 日 20 时 b.2014 年 7 月 23 日 2 时 c.2014 年 7 月 23 日 8 时 d.2014 年 7 月 23 日 17 时图 5 FY-2E 水汽云图 像可以看出 ( 见图 5d) 副高进一步减弱, 由水汽图像探测原理可知, 水汽通道几乎探测不到低层水汽, 此时华东大部仍然为副高控制的暗区, 由于低槽 (AB) 携带弱冷空气影响, 在副高西北侧和北侧触发了对流天气, 其中位于山东中南部的对流云团, 在云图上更为白亮, 此云团导致鲁东南地区出现短时强降水天气, 其中平邑站 6 h 雨量达 72 mm 7 月 23 日夜间至 24 日早晨为山东降水相对较弱的时段 24 日 8 时 ( 见图 6a), 受高空槽东移影响, 有 1 条清晰的斜压叶急流边界 (AB) 位于高空槽前, 呈现振幅较小的 S 形, 边界凹的地方是槽中较为干冷的区域, 凸起的边界与高空急流云系的北边界平行重合 随着台风进一步深入内陆, 台风云系结构变得相对松散, 但南部仍与季风云系 (C) 相接, 季风云系对台风环流水汽和能量的供应起到了重要作用 山东南部受台风外围偏东气流影响, 为浅灰色调 24 日 17 时 ( 见图 6b), 高空槽进一步东移, 中低纬系统相结合, 系统斜压性增强, 槽前斜压叶急流边界 (AB) 凹处的曲率增大, 随着向岸的偏东急流和冷空气相互作用, 在山东沿海触发了对流, 导致沿海大暴雨的出现 25 日 8 时 ( 见图 6c), 随着台风进一步北上靠近高空急流云系, 斜压叶边界凹处的冷空气进入台风环流, 至 14 时 ( 见图 6d), 已经变性为具有明显冷暖锋结构的温带气旋 水汽导风能够描述对流层中上层的大气运动信息 从水汽图像叠加云导风产品可以看出, 在水汽图 像上河套南部暗区处对应 500 hpa 温度场高空冷槽位置 ( 见图 7a), 并且暗区处 500 hpa 附近为西北气流, 水汽图像上自北方南下的暗区具有干冷的特征 在台风暴雨过程中, 中纬度西风带系统与台风外围结合时, 冷空气的侵入起重要作用 气象卫星水汽图像能够清晰地监测到对流层中上层冷空气活动以及移动方向, 在天气预报分析中发挥重要的作用 在这次台风暴雨过程中, 从云导风反映的对流层高层辐散中心对应台风中心附近区域, 随着辐散区向东北推进, 降水也由华东沿海向山东半岛推进 24 日 20 时 ( 见图 7b), 水汽图像上可以明显看出西风带系统与台风外围云系在山东西北部结合, 西风槽携带冷空气与台风环流相互作用, 造成大气斜压性增大, 对暴雨有一定程度的增幅作用 随着干冷空气的侵入, 台风涡旋云系变得愈发不明显, 转为非对称结构, 云区后部出现明显的 S 型边界 ( 见图 7c) 中低纬系统的合并, 叶状边界曲率增大, 干冷空气不断卷入, 凹处表现为明显的冷锋形态, 而拐点北侧也更明显的向北方冷区突起, 台风逐渐变性为具有锋面结构的温带气旋 ( 见图 7d) 5 结论与讨论山东半岛是中国受台风影响导致农业受灾较为严重的地区之一, 主要由台风暴雨和台风大风造成, 有时也会引起风暴潮, 导致海水倒灌, 造成严重的灾害 本研究对台风 麦德姆 造成山东暴雨的天气过程进行综合分析, 结论如下 :

6 潘 玲等 麦德姆 造成山东暴雨的卫星水汽图像分析 等 a.2014 年 7 月 24 日 8 时 103 b.2014 年 7 月 24 日 17 时 c.2014 年 7 月 25 日 8 时 d.2014 年 7 月 25 日 14 时 图 6 FY-2E 水汽云图 a.2014 年 7 月 24 日 14 时 b.2014 年 7 月 24 日 20 时 c.2014 年 7 月 25 日 8 时 d.2014 年 7 月 25 日 20 时 图 7 FY-2E 水汽图像叠加云导风 1 西风槽与副热带高压是制约和影响台风 麦德 姆 活动与强度变化的重要系统 中 低纬度系统相互 作用是山东产生暴雨的主要原因 2 水汽图像可以用来示踪副高控制下的暗区和 冷空气入侵的干边界 能有效监测台风系统的移动路 径 强度变化以及热力性质的转变 3 水汽图像上的亮区与低层水汽通量散度大值 区和 500 hpa 总温度场高能舌重合 是台风暴雨落区和 路径预报的重要参考依据 卫星云图对于大范围天气系统能做出全面的监

7 104 中国农学通报 测, 为研究中纬度系统与台风系统的相互作用提供依据 目前, 在轨运行的 FY-2 卫星能够在汛期提供 6 min 间隔的加密观测, 对于监测中 低纬度系统相互作用有重要意义 在实际的预报服务工作中, 仍需提高多种高分辨率观测资料的融合应用能力 参考文献 [1] 陈联寿, 丁一汇. 西太平洋台风概论 [M]. 北京 : 科学出版社,1979: [2] 陈联寿, 罗哲贤, 李英. 登陆热带气旋研究的进展 [J]. 气象学报,2004, 65(5): [3] 冯涛, 黄荣辉, 陈光华, 等. 近年来关于西北太平洋热带气旋和台风活动的气候学研究进展 [J]. 大气科学,2013,37(2): [4] 朱洪岩, 陈联寿, 徐祥德. 中低纬度环流系统的相互作用及其暴雨特征的模拟研究 [J]. 大气科学,2000,24(5): [5] 徐文金. 台风外围暴雨成因及其增幅的一种动力学机理 [J]. 南京气象学院学报,1995,l8(1): [6] 井喜, 贺文彬, 毕旭, 等. 远距离台风影响陕北突发性暴雨成因分析 [J]. 应用气象学报,2005,l6(5): [7] 曹钢锋, 朱官忠, 朱君鉴. 影响我国北方的台风路径分类及降水特征 [J]. 气象,1992,18(7): [8] 梁钊明, 王东海. 一次台风变性并入东北冷涡过程的动力诊断分析 [J]. 大气科学,2015,39(2): [9] 梁军, 张胜军, 黄艇, 等. 辽东半岛 达维 (1210) 台风暴雨的诊断分析 [J]. 气象,2015,41(3): [10] 刘学刚, 李庆宝, 张金艳, 等. 近年来引发青岛暴雨的台风特征分析 [J]. 气象,2011,37(9): [11] 张少林, 龚佃利, 陈晓红, 等. 热带气旋远距离暴雨过程的诊断分析 [J]. 气象,2006,32(4): [12] 钮学新, 杜惠良, 滕代高, 等. 影响登陆台风降水量的主要因素分析 [J]. 暴雨灾害,2010,29(1): [13] 许健民, 方宗义 卫星水汽图像和位势涡度场在天气分析和预报. 中的应用 导读 [J]. 气象,2008,34(5):3-8. [14] 韩丁, 严卫, 叶晶, 等. 基于 CloudSat 卫星资料分析东太平洋台风的云 降水和热力结构特征 [J]. 大气科学,2013,37(3): [15] 覃丹宇, 李博.FY2 双星亮温归一化及其在台风个例中的应用 [J]. 气象,2012,38(12): [16] 潘旸, 宇婧婧, 廖捷, 等. 地面和卫星降水产品对台风莫拉克降水监测能力的对比分析 [J]. 气象,2011,37(5): [17] 曹丽霞, 赵亮, 徐怀刚, 等.2007 年 7 月 9 10 日江淮大暴雨的水汽图像解译研究 [J]. 气象,2013,39(5): [18] 蒋建莹, 汪悦国. 卫星水汽图像上两次暴雨过程的干 湿特征对比分析 [J]. 气象,2014,40(6): [19] 李云川, 胡欣, 戴念军. 一次强暴雨过程的水汽图像分析 [J]. 气象, 2001,27(1): [20] 张守峰, 王诗文. 在台风业务系统中使用卫星云导风资料的试验 [J]. 气象,1999,25(8):22-25.

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