台风“安比”变性机制及其对内蒙古大暴雨影响的数值模拟研究

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-04-0588

干旱气象 ›› 2024, Vol. 42 ›› Issue (4): 588-597.DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639(2024)-04-0588

台风“安比”变性机制及其对内蒙古大暴雨影响的数值模拟研究

林弘杰¹(), 文小航², 黄晓璐³(), 李瑞青⁴

1.内蒙古自治区气象科学研究所，内蒙古呼和浩特 010051
2.成都信息工程大学大气科学学院，四川成都 610225
3.内蒙古自治区气象台，内蒙古呼和浩特 010051
4.内蒙古大学，内蒙古呼和浩特 010021

收稿日期:2024-03-15 修回日期:2024-06-07 出版日期:2024-08-31 发布日期:2024-09-13
通讯作者: 黄晓璐（1991—），女，内蒙古赤峰人，高级工程师，主要从事短时临近预报及强对流机理研究。E-mail: 674222133@qq.com。
作者简介:林弘杰（1992—），男，内蒙古呼和浩特人，工程师，主要从事天气预报及数值模式应用研究。E-mail: 407649759@qq.com。
基金资助:
内蒙古自治区自然科学基金青年基金项目(2023QN04008);内蒙古自治区气象局科技创新项目(nmqxkjcx202462);内蒙古自治区自然科学基金面上项目(2023MS04008)

Numerical simulation study of Typhoon “Ambi” degeneration mechanism and its impact on heavy rainstorm in Inner Mongolia

LIN Hongjie¹(), WEN Xiaohang², HUANG Xiaolu³(), LI Ruiqing⁴

1. Inner Mongolia Institute of Meteorological Sciences， Hohhot 010051， China
2. College of Atmospheric Sciences， Chengdu University of Information Technology， Chengdu 610225， China
3. Inner Mongolia Autonomous Region Meteorological Observatory， Hohhot 010051， China
4. Inner Mongolia University， Hohhot 010021， China

Received:2024-03-15 Revised:2024-06-07 Online:2024-08-31 Published:2024-09-13

摘要/Abstract

摘要：

台风“安比”是首个进入内蒙古的热带气旋，引发了该地区中东部的罕见致灾性大暴雨。本文利用中尺度数值预报模式（Weather Research Forecast，WRF）输出的模拟结果、美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）再分析资料、台风路径数据及常规观测资料等，对“安比”北上过程中的变性机制及其对内蒙古大暴雨天气的影响进行了分析。结果显示：大暴雨过程的大尺度环流背景是台风与中高纬西风带高空槽的相互作用，西风槽提供的冷空气与台风的暖湿气流交汇引发了此次大暴雨；在西风槽并入台风的过程中，冷空气自西向东楔入并向下扩散东移，产生强烈的冷平流，推动暖湿空气抬升，破坏了台风的正压暖心结构，并形成“东暖西冷”的不对称温度结构，导致台风变性为温带气旋；主要的降水区域位于MPV1正值区与MPV2负值区的重叠区，区域的对流不稳定和斜压不稳定能量积聚，促进强降水的发展；冷暖空气的交汇区出现强锋生作用，形成明显锋区，为大暴雨提供动力条件，锋生带附近有明显次级环流圈形成，锋前为上升气流，锋后为下沉气流，强降水区域对应上升气流最强区域。

关键词: 台风“安比”, 大暴雨, 变性, 数值模拟, 内蒙古

Abstract:

Typhoon “Ambi” was the first tropical cyclone to enter Inner Mongolia, causing rare catastrophic heavy rainstorm in the central and eastern parts of the region. This paper analyzes the transformation mechanism of “Ambi” during its northward movement and its impact on the heavy rainfall weather in Inner Mongolia using simulation results from the mesoscale numerical forecasting model (Weather Research Forecast, WRF), reanalysis data from the National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR), typhoon path data, and routine observational data. The results indicate that the large-scale atmospheric circulation background of the heavy rainstorm was the interaction between the typhoon and the mid-to-high latitude westerly trough, where the cold air provided by the westerly trough met with the warm and moist airflow of the typhoon, triggering this heavy rainfall event. During the process of the westerly trough merging with the typhoon, cold air intruded from west to east and moved downward, generating a strong cold advection that lifted the warm and moist air, disrupted the barotropic warm core structure of the typhoon, and formed an asymmetric temperature structure of “warm in the east and cold in the west”, transforming the typhoon into an extratropical cyclone. The main precipitation area was located in the overlapping zone of positive MPV1 and negative MPV2 values, where the accumulation of convective instability and baroclinic instability energy promoted the development of intense precipitation. In the region where cold and warm air intersected, strong frontogenesis occurred, forming a distinct frontal zone, which provided the dynamical conditions for heavy rainstorm. Near the frontal band, a noticeable secondary circulation developed, with ascending airflow at the front and descending airflow at the rear, with the area of strongest precipitation corresponding to the region of strongest ascending airflow.

Key words: Typhoon “Ambi”, heavy rainstorm, degeneration, numerical simulation, Inner Mongolia

中图分类号:

P426.616

林弘杰, 文小航, 黄晓璐, 李瑞青. 台风“安比”变性机制及其对内蒙古大暴雨影响的数值模拟研究[J]. 干旱气象, 2024, 42(4): 588-597.

LIN Hongjie, WEN Xiaohang, HUANG Xiaolu, LI Ruiqing. Numerical simulation study of Typhoon “Ambi” degeneration mechanism and its impact on heavy rainstorm in Inner Mongolia[J]. Journal of Arid Meteorology, 2024, 42(4): 588-597.

图/表 10

图1 2018年7月24日08:00—25日08:00内蒙古累计降水量分布（a，单位：mm）及24 h降水量最大的5个站逐小时降水量变化（b）（黑色线为台风路径）

Fig.1 The distribution of cumulative precipitation in Inner Mongolia from 08:00 on 24 to 08:00 on 25, July 2018 (a, Unit: mm) and hourly precipitation variation at the 5 stations with the highest 24-hour precipitation (b) (The black line represents the typhoon’s path)

图2 WRF模式模拟区域范围

Fig.2 Regional range simulated by WRF mode

表1 物理过程参数化方案

Tab.1 Physical process parameterization scheme

参数化方案	第一层网格	第二层网格
云微物理	Lin等方案	Lin等方案
积云对流	Kain-Fritsch方案	无
长波辐射	rrtm方案	rrtm方案
短波辐射	Dudhia方案	Dudhia方案
陆面过程	Noah方案	Noah方案
边界层	YSU方案	YSU方案
近地面层	Monin-Obukhov方案	Monin-Obukhov方案

图3 2018年7月24日08:00（a）、14:00（b）、20:00（c）、25日02:00（d）环流形势场（实线为500 hPa高度场，单位：dagpm；风矢为850 hPa低空急流，单位：m·s-1；红色虚线为500 hPa温度场，单位：℃；填色为200 hPa高空急流，单位：m·s-1；加粗实线为588 dapgm特征线）

Fig.3 Circulation situation at 08:00 (a), 14:00 (b), 20:00 (c) on 24, and 02:00 (d) on 25, July 2018 (The solid lines indicate 500 hPa potential height, Unit: dagpm; the wind vectors indicate 850 hPa low-level jet, Unit: m·s-1; red dashed lines indicate 500 hPa temperature field, Unit: ℃; color shaded areas indicate 200 hPa high-level jet, Unit: m·s-1; bold solid lines indicate 588 dapgm characteristic lines)

图4 台风“安比”模拟与实况路径

Fig.4 Simulated and observed path of Typhoon “Ambi”

图5 2018年7月24日08:00—25日08:00累计降水量模拟分布（a，单位：mm）及阿鲁科尔沁旗站模拟与实况逐小时降水量（b）

Fig.5 Simulated cumulative precipitation distribution (a, Unit: mm), simulated and observed hourly precipitation at Arukorqin Banner station from 08:00 on 24 to 08:00 on 25, July 2018 (b)

图6 2018年7月24日19:00—20:00降水量分布（a，单位：mm）、20:00温度距平（等值线，单位：℃）和温度平流（填色，单位：10-5 K·s-1）沿44°N的经向-高度剖面（b）（黑色实线为剖面所沿纬线，黑色三角形为台风中心，黑色阴影为地形）

Fig.6 The distribution of precipitation from 19:00 to 20:00 (a, Unit: mm), longitude-potential height profile of temperature anomaly (isolines, Unit: ℃) and temperature advection (color shaded, Unit: 10-5 K·s-1) along 44°N at 20:00 (b) on 24, July 2018 (The black solid line represents the latitude line along the profile, the black triangle represents the center position of the typhoon, the black filled area is terrain)

图7 2018年7月24日14:00（a、c）、20:00（b、d）MPV1（填色，单位：10-6 K·m2·s-1·kg-1）、MPV2（虚线，单位：10-7 K·m2·s-1·kg-1）（a、b）和θse（单位：K）（c、d）沿44°N的经向-高度剖面（黑色阴影为地形）

Fig.7 The longitude-potential height profile of MPV1 (color shaded, Unit: 10-6 K·m2·s-1·kg-1), MPV2 (dashed lines, Unit: 10-7 K·m2·s-1·kg-1) (a, b) and θse (Unit: K) (c, d) along 44°N at 14:00 (a, c) and 20:00 (b, d) on 24, July 2018 (The black filled area is terrain)

图8 2018年7月24日14:00（a）、20:00（b）锋生函数（填色，单位：10-10 K·m-1·s-1）、θse（等值线，单位：K）沿119°E的纬向-高度剖面

Fig.8 The latitude-potential height profile of the frontogenesis function (color shaded, Unit: 10-10 K·m-1·s-1) and θse (isolines, Unit: K) along 119°E at 14:00 (a) and 20:00 (b) on 24, July 2018

图9 2018年7月24日14:00（a）、20:00（b）经向风（箭头，单位：m·s-1）与垂直速度（填色，单位：m·s-1）沿44°N的经向-高度剖面（红色箭头为次级环流的上升气流和下沉气流）

Fig.9 The longitude-potential height profile of the meridional wind (arrow, Unit: m·s-1) and vertical velocity (color shaded, Unit: m·s-1) along 44°N at 14:00 (a) and 20:00 (b) on 24, July 2018 (The red arrows indicate the updrafts and downdrafts of the secondary circulation)

参考文献 31

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台风“安比”变性机制及其对内蒙古大暴雨影响的数值模拟研究

Numerical simulation study of Typhoon “Ambi” degeneration mechanism and its impact on heavy rainstorm in Inner Mongolia

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