与登陆热带气旋相关的降雨研究和预报概述外文翻译资料

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与登陆热带气旋相关的降雨研究和预报概述

陈联寿，李英，程正泉

概要：通过更好地了解降雨率和登陆热带气旋的分布机制，可以提高与登陆热带气旋相关的强降雨预报能力。 登陆热带气旋领域的研究表明，相关的强降雨与水分输送，热带过渡（ET），与季风浪涌的相互作用，地表过程或地形效应，登陆热带气旋内的中尺度对流系统活动，和边界层能量转移等.登陆热带气旋与环境天气系统，特别是西风带和梅雨前沿相互作用，可以改变与这些中纬度天气系统相关的降雨率和分布。

最近改进的技术有助于在定量降水估计（QPE）和定量降水预报（QPF）领域的进步。更具体地说，进展主要是由于遥感观测和包含先进同化技术的中尺度数值模型。这种进展可能提供必要的工具，以改进与未来与登陆热带气旋相关的降雨预报技术。

关键词: 登陆热带气旋 强降水 研究和预测

1. 引言

热带气旋是在热带海洋盆地产生的旋风，近中心最大风速（Vmax）≧10.8 m / s。登陆热带气旋可以是陆地上的热带气旋，也可以是接近陆地的陆地水域中的热带气旋。 与登陆热带气旋相关的强降雨对生命和财产造成严重影响，因此是热带气旋研究界的一个重要课题。 减灾主要取决于登陆热带气旋降雨预报能力的提高。

极端灾害事件经常由与热带气旋登陆相关的强降雨引起。事实上，中国记录的六个最重的降雨事件都与热带气旋有关。 24 小时的最高降水量为1748.5 毫米，是1996年7月31日至8月1日台湾阿里山登陆台风草本（9608）造成的。1967年10月18日台风卡拉（6718）在台湾新廖造成的第二高降水量为24小时1672.6 毫米。第三高降水量由台风莫拉科特（0908）在2009年8月在台湾阿里山24小时1623.5毫米。 2009年台风“葛乐礼”（6312）（Tao，1980）造成的台湾白鹭24小时降水量为1248毫米，排在第四。2009年10月5日台风帕尔马（0917）造成台湾的宜兰24小时降水量第五高点为1086.5毫米。最后，在大陆发生的最强降水事件是1975年8月在河南林庄24小时内发生的最大降水事件，由台风尼娜（7503）引起，造成严重的洪灾，造成数万人死亡。事实上，与登陆热带气旋相关的强降雨常常导致水库崩塌，滑坡，泥石流和山洪暴发，从而对社会和人类生活造成持续的损失和破坏的威胁。 近年来，太平洋和大西洋沿岸地区发生的极端天气事件和气候灾害已经由登陆热带气旋产生，例如太平洋的超级台风云娜（2004），海棠（2005），桑美（2006）和莫拉克（2009） ，以及在大西洋的超级飓风伊凡（2004），丽塔（2005）和卡特里娜（2005），以及阿拉伯海的超级气旋风暴古努（2007）和孟加拉湾的超级气旋风暴纳尔吉斯（2008）。 因此，在这一领域工作的科学家的首要优先事项应是改进登陆热带气旋的预测技术和预警系统。

热带气旋降水预报技术落后于路径预报。 然而，由于遥感观测的发展以及中尺度模型和数据同化技术的改进，近年来取得了重大进展。 几年前，热带气旋降水预报主要是利用经验推测和预测者的主观经验进行的。 然而，今天，一些主要预报中心已经开发、改进了定量降水估计（QPE）和定量降水预报（QPF）的技术，并且将其在实际运用中使用，从而大大提高了预测登陆热带气旋相关降雨的能力。 然而，仍然需要进一步改进QPF基于更好地了解热带气旋降水机制。

为了提高对登陆热带气旋的结构、强度和降雨量的理解，在美国启动了RAINEX（飓风雨带和强度变化实验）和CBLAST（海气耦合边界层）实验。 还在北太平洋西部进行了T-PARC（THORPEX-太平洋亚洲区域运动）和TCS 08（热带气旋结构-2008）实验。 这些实地计划的目标是更好地了解登陆热带气旋行为背后的机制并提高预报。 现在，国际研究计划THORPEX（观测系统研究和可预测性实验）的一个主要目标是提高高影响天气预报能力。 登陆热带气旋产生的大雨产生了最高影响类型的天气事件之一，并且与这些事件相关联的预测技术迫切需要改进。

在本文中，作者描述了与登陆热带气旋相联系的降雨区域及其相关系统。 接下来，讨论影响登陆热带气旋降雨率和分布的重要物理机制。 还介绍了登陆热带气旋对环境降雨的影响，如槽雨和梅雨锋前雨。 最后，还描述了关于登陆热带气旋定量降雨估计和预测技术的研究的现状。

2. 登陆热带气旋降雨分类

本文提供了关于登陆热带气旋降雨的主要物理机制和预报技术的信息。 本文提出的一些观点可以应用于操作预测。

(图1，登陆热带气旋降雨分类)

当气旋登陆时，热带气旋中的螺旋雨带被破坏和变形。 与登陆热带气旋相关的降雨区域可以分类如下（陈和李，2004）（图1）：

A 核心区域降雨。

B 信风雨或螺旋雨带，其中B₁与倒V形槽相关，而B₂是与登陆热带气旋低层中的风切变相关的降雨。

C 由中尺度或微尺度（龙卷风）系统产生的雨，其通常发生在东北象限。

D 不稳定的雨，通常发生在核心以南的区域，上层的冷空气和下层的暖空气相互叠加。

E 与飑线有关的外围雨，偶尔出现在热带气旋的运动方向前方。 这种中尺度系统有时会产生几个龙卷风。

F 远程雨，出现在中纬度西风槽的前面或与远离登陆热带气旋循环系统的地形会聚区相关联。

核心区域通常产生最强的降雨，特别是在登陆阶段。 倒槽雨（B₁）和切变线雨（B₂）可以比核心区域雨更强，特别是在登陆阶段。 远程雨的速率和分布取决于东南急流的水分输送，其本质上与登陆热带气旋有联系。

3. 降雨后的物理机制

热带气旋降雨率不仅取决于登陆热带气旋的强度，而且还取决于其他复杂的相互作用。一个超级台风可能产生更强的降雨，但是许多例子表明，登陆热带气旋在有利条件下的弱残余可能导致比超级台风更强的降雨。 一些关键的物理过程，例如水分传输和潜热释放，也可能在产生热带气旋降水中起重要作用。

3.1水分供应

通常，登陆热带气旋将由于海洋提供的水分和陆地表面摩擦的增加而迅速消散。一些登陆热带气旋由于其强度而在陆地上持续，特别是如果在下层中存在水气平流输送，这通常可以与卫星图像区分开。

程正泉（2008）研究了两组登陆热带气旋中水汽通道与降雨量的关系。一组由五个强降雨情况组成，另一个由五个弱降雨情况组成。此外，用数据复合分析研究了两组的水汽通量场（图2）。结果表明，当存在强水汽传输通道时（图2a和2b），发生登陆热带气旋强降雨，在没有这种通道的情况下出现弱降雨（图2c和2d）。在李等人的另一项研究中（2005），台风碧利斯（0010）的数值模拟表明，如果水汽输送被切断，降雨量将从控制模拟（图3a）显著降低（图3b）。

大量的水蒸汽可以由季风潮带来。 加强的暴雨可以通过剩余登陆热带气旋与具有大量云团的季风浪潮的相互作用过程发生。 这些登陆热带气旋通常在登陆后向西或西南方向移动。 另一个严重的热带风暴碧利斯（0604），是与季风潮相互作用的典型例子。 有一个水汽输送通道具有强烈的水汽通量连接到碧利斯的循环的东圈。 碧利斯产生了非常强的降雨率和广泛的降水分布。 程正泉（2008）的一项研究表明，由季风浪潮提供的相当多的水汽在碧利斯（0604）产生的强降雨中起到了重要作用。

（图2，两组LTC与850 hPa综合数据（程，2008）的流场和蒸气通量分别为：a，b -登陆时强降雨组和登陆后24 小时; c，d-登陆时降雨量小，登陆后24小时; 横坐标表示距离台风中心的格数，正数表示北向和东经，负数表示南向西; TC中心位于（0,0））

（图3，在模拟60小时期间与台风碧利斯（0010）相关的累积降水分布（gt; 100 mm）（来自李和陈，2005）：（a）控制模拟与水分运输; （b）无水分运输）

另一个案例研究（Akihiko，2006）也指出，水汽是热带气旋降水最重要的因素之一。 台风 米雷（0422）于2004年9月29日08时30分在日本九州登陆，在Kii半岛发生强降雨。 使用网格间距为5km的非流体静力学模型（JMANHM）进行一组数值模拟。 使用两组不同的初始水分数据。 结果表明，当使用大量可凝结水的初始条件时，米雷产生的强降水模拟得很好。 当将少量可凝结水用于初始条件时，模拟弱的降雨量。 这表明水分在强降雨的发生中起着关键作用。

大面积的水，如湖泊，河流和水库，也是一个重要的水汽源。 沈等人的数值研究（2002）表明，陆地上的水面有利于降低登陆热带气旋的衰变速率。他们还表明，登陆热带气旋在陆地水面上的衰减率与水深有直接的比例。

除了水面（湖泊，水库等），饱和湿地也可以传递水汽，补充残余涡旋，增加登陆热带气旋的强度及其相关的降雨。 孔（2002）的一项数值研究表明，登陆热带气旋艾里森（2001）的残余物的异常强化与由于艾里森本身引起的连续暴雨的饱和湿地的量密切相关。 强对流系统在温暖，潮湿的地面发展，有利于残余涡旋及其降雨的强化。

3.2热带过渡

观察表明，如果登陆热带气旋不能从中纬度系统获得潜热或斜压能量，则在地面表面摩擦消耗能量后，登陆热带气旋将很快消散。 登陆热带气旋和西风槽之间的相互作用过程可能导致登陆热带气旋的热带跃迁（ET）。位于西风槽后面的冷空气可能侵入涡旋中。 登陆热带气旋（北风）的西半圆将更冷，东半圆将保持温暖（南风）。这改变了登陆热带气旋的温压结构，从而产生一个电磁场。因此，来自热带过渡过程的斜压势能将被转化为动能，恢复剩余的登陆热带气旋并增加其降雨量。

牛等人的数值实验（2005）对台风森拉克（0216）的降水进行了MM5模型。结果表明，侵入热带气旋周围的冷空气在对应于倒V形槽（图1中的B₁）的区域中增加了降雨量。然而，当冷空气渗透到台风中心附近时，热带气旋强度急剧下降，导致热带气旋中心附近降水显着减少，而热带气旋外围和反V谷区降雨量仍然增加。

2001年8月5日，上海发生了一次著名的降雨事件，其中一个原因是热带低压经历了热带过渡过程，导致24小时内有302毫米的降雨（雷，2004）。数值模拟（曾等人，2002）表明，城市热岛效应在降低强降雨中起到了重要作用，由于寒冷空气侵入增加了萧条的分层不稳定性，中国大陆最强的降水量（24小时1062毫米）由台风尼娜（7503）的残余物产生，该降雨量比登陆期间的任何超级台风的降雨率大得多，并且在热带过渡期间被记录，大多数热带过渡过程的台风将在登陆后向北或西北移动。

热带过渡是一种高度影响的天气过程，发生在中纬度地区，偶尔在较低纬度地区，并经常带来严重的降雨灾害。因此，如果热带气旋的残余与冷空气交互，存在热带气旋可能在较低纬度的国家（如越南）产生大量降雨（L.C.Dong，2006，个人通信）的可能性。最大的降雨量会发生热带气旋的登陆与寒冷空气（北方季风）入侵相吻合，或者入侵发生在登陆后12-24小时（Duong，2006）。

适当的冷空气入侵将向登陆热带气旋提供倾斜势能和潜在的不稳定性以增加降雨量。另一方面，如果更强的冷空气侵入并填充剩余涡旋，热带气旋的降雨将会被抑制

3.3 地形

沿海和山区地形可以影响与登录热带气旋相关的降雨。 例如，在山的迎风坡上的地形诱导的上升运动可以有助于降雨的增加。 Akihiko（2006）用去除了地形的JMANHM模型研究了位于日本九州的台风梅尔迪（0422）登陆点远处（东距500公里）的Kii半岛上的三个遥远雨水群进行了敏感性实验。模拟结果表明，与山地地形相关的三个降水系统中有一个消失，而另外两个仍然存在。 实验表明，一些热带气旋降水可以受到地形的显着影响。

热带气旋的远距离降雨可能受中纬度西风槽（见下文第4.1节）和山地地形的影响。 由于热带气旋和中纬度西风槽之间的相互作用，或者登陆热带气旋的外形和外围流动之间的辐合，强降雨可能出现在远离登陆热带气旋中心的区域。

登陆热带气旋中降水的不对称分布与沿海地形效应有关。高降雨率和降雨的广泛分布倾向于在岸迎风的一侧的区域中发生，而在背风侧出现较少的降雨。因此，由于沿海地形的影响，形成了不对称的降雨分布。当热带气旋沿中国东海岸登陆时，位于旋风中心北部的海岸将是迎风区，与倒V形槽（图1中的B₁）重叠。这将导致降雨扩散到热带气旋中心北侧的较大地区，而不是南侧。同样，当沿中国南海岸登陆时，热带气旋降水将扩大到中心东侧比西侧更大的区域。另一方面，数值模拟（梁等人，2002）已经表明，如果正确类型的冷空气由登陆热带气旋的外围北风带来，则强降雨仍然可以发生在海岸的背风侧，会产生不稳定分层。

重要的是要注意，尽管山脉在某些条件下可以增加与登陆热带气旋相关的降雨，但是陆地表面的粗糙度和摩擦会消耗登陆热带气旋的能量并导致其耗散。

3.4 中尺度对流系统

大多数强降雨事件由强中尺度对流系统产生，甚至由微型系统如龙卷风产生。 统计和观测研究表明，这些系统通常发生在登陆台风的右前象限。 由于冷空气，地形和登陆热带气旋本身之间的相互作用，可以产生许多中尺度强对流系统。 强的低层辐合与正涡度和强烈的潜在不稳定性和上层流出辐散有利于中尺度对流系统的生成和生长。

中尺度系统可以由登陆热带气旋与局部地形相互作用诱发。 当台风从东部到达台湾岛时，这种诱发的中尺度涡旋经常发生在台湾海峡。 孟等人（1996）对跨越台湾海峡的台风圆点（9017）进行的数值研究表明，诱导的中尺度涡从斑点与岛的中心山脉密切相关。 山波下风侧的低压区有助于形成中尺度背风涡旋及其相应的强降水。 同时，台湾海峡的地形和原台风的强度也影响诱导中尺度涡的形成。

有记录以来，海南岛上最强的暴雨事件是由热带风暴菲特（0114）造成的，因为它越过琼州海峡到岛北部。 数值模拟（段等人，2005）表明，中尺度涡旋出现在迎风山坡与菲特周围河流之间的辐合区。 在该辐合区域中，下层涡度增加。 同时，由菲

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