Analysis on the frontogenesis mechanism of an extreme rainstorm in Shandong Province caused by Typhoon “Rumbia”

doi:10.11755/j.issn.1006-7639-2024-06-0854

Abstract

Abstract:

Typhoon “Rumbia” was the most disastrous tropical cyclone, triggering rare floods in Shandong. Based on the conventional meteorological observation data, the reanalysis data from the National Centers for Environmental Prediction, and the precipitation data from automatic weather stations, the frontogenesis mechanism of an extreme rainstorm in Shandong Province caused by Typhoon“Rumbia” from 17 to 20 August 2018 was studied in this paper. The results indicate that the precipitation affected by Typhoon “Rumbia”can be divided into three stages: the precipitation of the typhoon outer cloud system, the precipitation of the interaction of the middle and low latitude weather systems and the precipitation triggered by the typhoon trough. The frontogenesis area of the typhoon rainstorm is mainly in the lower level, and the location of the frontogenesis area is closely related to the location of the cold air. The locations of the heavy precipitation are consistent with the frontogenesis area. The large-value center of frontogenesis intensity corresponds well to the center of the heavy rainstorm, and the intensity of frontogenesis can well indicate the rainfall in the next 6 hours. Favorable convergence flow field on the south side of the dense area of pseudo-equivalent potential temperature (θ_se) lines was the key to cause frontogenesis. The location of the elongation deformation frontogenesis is consistent with the convergence center of the divergence, the large value center of θ_seand the total frontogenesis area in this rainstorm process is consistent. The elongation deformation term, shear deformation term and divergence term all contribute positively to the total frontogenesis. The typhoon rainstorm is caused by frontogenerative dynamics, and the area with the strongest ascending motion of the frontal secondary circulation corresponds to the area of the strongest rainstorm. Under the conditions of strong water vapor transport, convergence and strong convective instability, the convergence of typhoon trough and strong frontogenic secondary circulation together produce strong upward movement, and the dynamic uplift effect is rapidly enhanced, resulting in strong convergence of water vapor and transport to the upper level and causing extremely heavy rain in Shandong Province. The rainstorm area is located at the 700 hPa positive helicity center and its right side, and the period of rapid enhancement of positive helicity corresponds to the period of heavy precipitation, and the maximum value center of positive helicity moves down to the vicinity of 900 hPa, which indicates the weakening of typhoon heavy precipitation.

Key words: typhoon, extraordinary heavy rain, frontogenesis, secondary circulation, helicity

摘要：

台风“温比亚”是山东致灾最严重的热带气旋，引发了山东罕见的洪涝灾害。本文利用常规气象观测、美国国家环境预报中心再分析资料及自动气象站降雨量观测资料，对2018年8月17—20日由台风“温比亚”引发山东极端暴雨的锋生机制进行分析。结果表明，台风“温比亚”影响山东的降水分为台风外围云系降水、中低纬系统相互作用降水和台风倒槽降水3个阶段。此次台风大暴雨的锋生区主要在低层，锋生区位置与冷空气位置密切相关，强降水落区与锋生区位置较为吻合，锋生强度大值中心与大暴雨中心对应较好，锋生强度对未来6 h降雨有指示意义；假相当位温（θ_se）等值线密集带南侧的辐合流场是促进锋生的关键，此次暴雨过程伸长变形锋生区与散度辐合中心、θ_se大值中心及总锋生区位置分布较为一致，伸长变形项、切变变形项和散度项都对总锋生有正贡献；此次台风暴雨由锋生动力作用产生，锋生次级环流上升支最强区域正对应暴雨最强区域。在强水汽输送、辐合作用和对流不稳定强的条件下，台风倒槽辐合与强锋生次级环流共同作用产生强上升运动，且动力抬升作用迅速增强，导致水汽强烈辐合并向高层输送，形成山东特大暴雨；暴雨区位于700 hPa正螺旋度中心及其右侧位置，正螺旋度迅速增强时段与强降水时段相对应，正螺旋度大值中心下移到900 hPa附近可预示台风强降水减弱。

关键词: 台风, 特大暴雨, 锋生, 次级环流, 螺旋度

CLC Number:

P458

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Figures/Tables 7

Fig.1 Distribution of cumulative precipitation from 17：00 on 17 to 14：00 on 20 August 2018 in Shandong Province （Unit： mm）

Fig.2 Circulation situation at 20：00 on 17 （a）， 20：00 on 18 （b）， 08：00 （c） and 20：00 （d） on 19， August 2018 （The blue solid lines indicate 500 hPa potential height， Unit： dagpm； the red dashed lines indicate 500 hPa temperature field， Unit： ℃； the wind vectors indicate 850 hPa wind field， Unit： m·s-1； the dark red solid lines indicate trough lines； the solid red arrows indicate low-level jet； the hollow red arrows indicate high-level outflow； the green shaded areas indicate wind speed more than or equal to 30 m·s-1）

Fig.3 The 700 hPa pseudo-equivalent potential temperature （Unit： K） and wind field （Unit： m·s-1） at 08：00 （a）， 20：00 （b） on 19， and the latitude-height profile along 118°E （c） and the longitude-height profile along 36.5°N （d） of pseudo-equivalent potential temperature and wind field at 02：00 on 20， August 2018 （The blue solid line is for pseudo-equivalent potential temperature， arrow vector is for full wind speed vector）

Fig.4 The 700 hPa pseudo-equivalent potential temperature （Unit： K） and frontogenesis function （Unit： 10-9 K·m-1·s-1） at 20：00 on 18 （a）， 14：00 （b） and 20：00 （c） on 19 and 02：00 on 20 （d）， the latitude-height profile of pseudo-equivalent potential temperature and frontogenesis function along 118°E at 20：00 on 19 （e） and 02：00 on 20 （f）， August 2018 （The blue dotted line is for pseudo-equivalent potential temperature， the red solid line is for frontogenesis function）

Fig.5 Superposition of 700 hPa shear deformation frontogenesis （blue dotted lines， Unit： 10-5s-1）， elongation deformation frontogenesis （red solid lines， Unit： 10-5s-1） and divergence （the color shaded for divergence less than -1×10-5s-1， Unit： 10-5s-1） at 20：00 on 18 （a）， 14：00 （b） and 20：00 （c） on 19， 02：00 on 20 （d）， August 2018

Fig.6 The Q-vector divergence （Unit： 10-15 hPa-1·s-3） at 20：00 on 19 （a） and 02：00 on 20 （b）， the longitude-height profile along 36.5°N （c） and the latitude-height profile along 118°E （d） of vertical velocity （isolines， Unit： 10-3 hPa·s-1） and vertical flow field （arrow vectors， Unit： m·s-1） of the meridional winds， the longitude-height profile along 36.5°N （e） and latitude-height profile along 118°E （f） of vertical velocity （isolines， Unit： 10-3 hPa·s-1） and the vertical flow field （arrow vectors， Unit： m·s-1） of the latitudinal winds at 20：00 on 19， August 2018

Fig.7 The 700 hPa helicity （Unit： 10-7 hPa·s-2） at 08：00 （a）， 20：00 （b） on 19， the longitude-height profile of helicity along 36.5°N at 08：00 （c）， 20：00（d） on 19 and 02：00 （e）， 08：00 （f） on 20， August 2018（Unit： 10-7 hPa·s-2）

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