降水方程探讨菲特台风登陆过程导致浙闽地区暴雨的主要物理过程

“台风登陆了，感觉雨没有预期那么大，倒是狂风阵阵令人无眠。”

“我们这里风雨交加，有几阵雨从天上倾斜而下。”

“咦，你们两地水汽辐合都很强，怎么降水差异那么大呀？”

从太空俯视，海上的台风显得格外美丽，令人震撼。台风登陆往往预示着狂风骤雨。台风所过之处，轻则折断树枝，重则街道乡村变成“汪洋大海”，给人类造成巨大的灾害。细心的人们发现，受台风影响，相邻两个市的气象观测站水汽辐合相似，但是地面降水可以存在很大的差异，从天气学角度来看，这可能与不同尺度天气系统相互作用有关；从物理量场来看，需要考虑降水效率以及影响降水效率的物理因子。

登陆台风带来的强降水往往造成巨大经济损失乃至人员伤亡。由地形和台风环流相互作用引发的强降水可以造成严重的洪涝灾害。但是，目前数值模式对于台风降水的模拟仍然存在一定的不确定性，这其中一个重要的原因就是模式对于影响台风降水的物理过程的模拟仍然存在不确定性，对于台风降水的降水效率了解亦不够深入。本研究运用降水方程探讨菲特台风登陆过程导致浙闽地区暴雨的主要物理过程以及台风暴雨中的降水效率。自Braham（1952）提出降水效率以来，它已经被研究了60余年，它是连结地面降水、云微物理过程以及大尺度水汽辐合的一个重要物理量。

本研究主要用WRF模式最内重3-km的逐小时模拟结果驱动 Lagrangian质点扩散模式（the Lagrangian flexible particle dispersion model, FLEXPART），追踪了三个不同强降水中心（安吉、宁波、温州）的不同质点的运动轨迹，沿着质点运动轨迹分析了质点的降水率与降水效率的变化特征，并且运用地面降水收支方程、云微物理收支方程、雨滴微物理收支方程分析了影响降水率与降水效率的主要物理因子。研究结果表明，质点轨迹分析结果表明各个强降水中心的降水源可以追踪到东海海域，表明水汽源主要源于东海（图1）；降水效率在地形的迎风坡有增强的趋势，但是与地形高度无明显线性关系（图2）；

图1 到达各个目标城市的质点轨迹：(a)随机选取的质点的轨迹(粉红色：宁波；绿色：温州；红色：安吉)；(b)研究所选的各个质点轨迹：包含A_Anji蒸发与降水的关系，B_Anji，C_Anji，D_Anji安吉四个质点，以及宁波和温州的质点，绿色*号代表质点起始点。填色代表地形的高度。

图2安吉三个不同质点沿质点轨迹的地形高度(单位：米)，大尺度降水效率(LSPE)，云微物理降水效率(CMPE)：(a) A_Anji，(b) B_Anji，(c) C_Anji，以及(d) D_Anji。灰色填色代表地形，地形高度的单位是米，降水效率的单位是%。

当水汽辐合且以及云凝物辐合时，降水效率往往高达100%，导致强降水的发生；强降水中心为云凝物辐合，而强降水中心周边为云凝物辐散，表明强降水中心周边的云凝物输送至强降水中心，是强降水得以发生的重要原因（图2，图3）。

图3大尺度地面降水收支(a，b，c，d)沿着安吉各个质点轨迹的变化趋势：(a) A_Anji，(b) B_Anji，(c) C_Anji，以及(d) D_Anji。PS，QWVT，QWVF，QWVE，QCM，以及QDIFV 分别是大尺度地面降水方程的各个收支项，分别代表地面降水率，局地大气变干/加湿，水汽通量辐合/辐散，蒸发蒸发与降水的关系，云凝物的输送(云凝物辐合/辐散)。单位是mm h-1。

安吉各个质点的弗劳德值（Froude numbers）远大于1（大于16.2），安吉各个质点很有可能通过爬坡越过山脉，爬坡气流很可能被迫抬升促进凝结，而降水率超过150 mm/h质点的降水率远大于其他三个质点（小于100 mm/h），这主要与云凝物辐合有关（图3）。云凝物辐合包含雨滴、霰、云滴、冰晶等云凝物辐合，雨滴辐合在局地强降水形成过程中具有十分重要的作用，雨滴辐合包含雨滴的垂直平流或者水平平流输送。安吉的强降水与雨滴辐合有关。雨滴通量辐合主要取决于雨滴垂直平流递增，而雨滴垂直平流递增主要是垂直上升运动和对流层中层的雨滴在垂直方向上递减所致（图4a）。雨滴通量辐散主要取决于雨滴的纬向平流递减，这主要由雨滴的纬向递减和东风气流共同作用所致（图4c-d）。可见，局地大暴雨的发生不仅要考虑水汽辐合的作用，周边地区雨滴的直接输送至关重要。

图4 安吉雨滴各个物理项的时间高度剖面图：(a)雨滴垂直变化项(qr/,unit：10-2kg kg-1) 和(b)垂直速度(d,unit：Pa s-1)，(c, e, g)雨滴纬向变化(qr/x,unit：10-7kg kg-1m-1)，(d, f, h)纬向风(du,unit：105Pa s-1)，(a, b) A_Anji，(c, d) B_Anji，(e, f) C_Anji，以及(g, h) D_Anji。

该系列成果发表于《Journal of Hydrometeorology》、《Journal of Geophysical Research - Atmospheres》、《Quarterly Journal Of The Royal Meteorological Society》等期刊。第一作者是当时就读于浙江大学的博士研究生（现为杭州师范大学遥感地学系教师）徐慧燕,文章通讯作者是浙江大学李小凡教授。

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