暖区

温度高的地方

暖区是指温度高的地方。暖区天气越是闷热，越是有利于不稳定能量的积累，强对流天气的表现形式也就越剧烈。但降水云团松散，所以多以短时强降雨为主，雨时下时停、时大时小，而且分布还极不均匀，常会有城北下大雨而城南却大太阳的景象。

简介

温度较为高，人体感到温暖的地区。暖区强对流天气剧烈，强降雨气候较多。

变化特征

台风结构变化是当前台风界关注的一个前沿问题，研究指出：冷空气入侵低纬度地区与热带气旋相遇，会造成眼壁、强对流及暖心结构的破坏，眼壁附近的最大风速环流突然消失。线性平流，β效应和非线性平流三者的共同作用会产生台风的非对称结构以及台风边缘区域涡度场的破碎分布。数值模拟认为，中尺度涡旋和台风涡旋相互作用可使台风结构发生变化。认为可利用台风的非对称结构理论来预报台风路径，台风的非对称结构对台风的异常路径也有影响。在弱引导环境中会使其路径产生摆动甚至打转。岛屿诱生涡旋、海洋加热场、涡列涡量内传也会影响台风的结构变化。

在台风结构的研究工作中，台风的暖心结构问题占有重要的地位。台风是在比较均匀的热带海洋气团中发展起来的，所以气压、温度、风的分布常常都有对称性；可以近似地把台风看成圆对称的涡旋，对于成熟的台风尤其如此。同时，台风是暖心的涡旋，中心温度很高，尤其在对流层上部(300～200hPa)，它的温度比周围热带大气可高出10～15℃。暖心的温度结构是台风最明显的特征之一。对台风Hilda和台风Inez的温度场结构做过分析，也认为台风呈暖心结构。台风最强阶段，温度分布几乎是轴对称的，垂直上升运动几乎到达100hPa附近。台风减弱为低压后，温度场不再是均匀上突地对称分布，从低层到高层暖心结构破坏无遗。分析表明，虽然在温度结构上具有暖心特点，但暖中心轴却是向西南方向倾斜的，台风不会持续不断地加深。台风减弱后，500hPa以下层次的暖心结构消失，但高层仍存在明显的暖心结构。暖区在近335hPa，在低压发展阶段，继续增暖且暖心向下延伸。暖心通常在250hPa最强，暖心向低层发展的过程与台风地面强度减弱的过程相一致。台风主要是由水汽凝结和湿对流中的潜热释放来维持系统的暖心结构和斜压性，并产生有效位能，通过转换而获得动能的。后来，进一步分析了台风暖心结构随时间的变化及其与台风暴雨形成的联系。他们指出，2001年16号台风(百合)在登陆台湾省以前为暖心结构；在台湾岛登陆后，百合台风的暖心结构消失，呈现了湿心结构，并带来大暴雨。对由暖心结构引起的台风降水云系雨强的三维结构进行了分析，类似的研究也一直在做。

上述研究表明：作为一个气候特征，暖心结构是台风的一个主要特征；在一个台风的整个生命史中，它的暖心结构可以是变化的。成熟时，暖心结构最明显，登陆衰减后暖心结构消失，而且暖心结构的变化与台风的强度变化和风雨变化之间可能有联系。

但是，台风整个生命史过程中暖心结构的具体形成过程、暖心结构与台风强度变化关系的具体演变过程如何，尚不清楚。前述研究大都采用常规的探空资料，网格分辨率较低，主要是定性分析。研究采用高分辨率的NCEP/NCAR全球对流层1°×1°再分析格点资料，选择6个登陆台风，定量分析这些台风整个生命史过程中大气边界层暖区变化特征及其与强度变化的关系，结果可供实际业务工作参考。

资料和方法

研究使用2002—2004年6—9月的NCEP/NCAR全球对流层再分析格点资料，其水平分辨率1°×1°，垂直26层，时间分辨率6h，即逐日00时、06时、12时和18时(世界时，下同)。在西太平洋区域，选取在东亚沿岸不同地点登陆的6个台风个例展开研究，它们分别是：0310号台风艾涛(2003年8月3日00时—9日12时，登陆日本)，0307号台风依布都(2003年7月17日06时—24日18时，登陆广东)，0205号台风亚马逊(2002年6月26日06时—7月6日12时，登陆朝鲜半岛)，0414台风云娜(2004年8月6日12时—13日12时，登陆浙江)，0418台风艾利(2004年8月20日00时—26日18时，登陆福建)及0312台风科罗旺(2003年8月15日06时—26日12时，登陆海南)。

用再分析格点上垂直方向各层(26层)的水平风场(u场和v场)资料，求出相应层上的相对涡度(ξ)场(因为NCEP/NCAR再分析资料中，相对涡度(ξ)无法直接获取，只能用水平风场间接求得)，再根据某一层次(1000hPa、500hPa、300hPa)上的相对涡度ξ的资料，绘出该层上的相对涡度场，确定该涡度场上台风涡旋范围内ξmax的位置:如果该涡度场上台风涡旋区内相对涡度最大值在格点上，则此最大格点值即为ξmax；如果相对涡度最大值不在格点上，而是有一大值区，则对大值区若干格点用差值法求取ξmax。研究中这个ξmax的位置就是台风涡旋中心的位置。再用温度T的资料，类似地可以确定Tmax的位置，这个Tmax的位置即为暖中心的位置。研究中台风涡旋中心与暖中心对应于同一层，若正涡中心与暖中心位置基本重合，则台风为暖心结构。

6个登陆台风概况及对我国影响

台风艾涛在我国东海中转向，登陆日本南部的四国岛，对我国未造成影响。台风依布都西北行路径，2003年7月24日02时登陆广东阳江—电白，登陆时中心最大风力达12级，中心气压965hPa，造成广西合浦降水387mm(3d)，广东上川岛最大风速29m/s，阵风47m/s。台风亚马逊西转向路径，登陆韩国西南部，造成我国定海降水量147mm(2d)，浙江大陈岛出现37m/s的最大风速，阵风46m/s，均为本年热带气旋影响的极值。台风云娜于2004年8月12日12时在浙江温岭登陆，登陆时中心气压950hPa，中心最大风力达12级，造成河南商城降水371mm(3d)，浙江大陈岛最大风速42m/s，阵风53m/s，风力强，雨量大，潮位高，对我国影响极为严重。台风艾利掠过台湾北部沿海后，于2004年8月25日15时登陆福建石狮沿海，登陆时中心气压975hPa，中心最大风力达12级，造成福建拓荣降水535mm(3d)，厦门最大风速21m/s，阵风33m/s。台风科罗旺于2003年8月25日起先后登陆海南文昌、广东徐闻及越南，登陆我国时中心最大风速均为35m/s，中心最低气压965hPa，海南、两广大部普降大到暴雨，广西涠洲岛出现最大风速42m/s，阵风53m/s。

图1给出了据NCEP/NCAR再分析资料和热带气旋年鉴资料(作为观测资料对研究所用资料加以验证)绘出的6个登陆台风路径。比较图1a和1b可以看出，两幅图基本相似，相应的登陆点尤其接近，由此说明研究所用NCEP/NCAR再分析1°×1°格点资料可用性较高。

图2为6个登陆台风的强度变化曲线(以1000hPa台风中心附近水平最大切向风速表示强度，此台风中心指1000hPa水平气旋性风场中心，中心附近最大切向风速Vmax用差值方法求取)。由图2可以看出，6个台风的强度变化都经历了4个阶段：形成初期(维持时间较长)，发展期，成熟期(强度最强)和登陆后的迅速衰减期。

暖中心和正涡中心距离与台风强度的联系

由图3可见，台风暖中心与正涡中心的距离随着台风不断发展、加强，呈现逐渐减小的趋势。当台风发展成熟时，两中心的距离减小到最小，随着台风登陆减弱，两中心的距离逐渐增大。由图3a可见，距离d在B点(5日00时)前就小于100km了，而此时尚未成熟，在6日00时以后，距离稳定小于100km，随后强度达到成熟。此外，由图3d可见，台风云娜在B点时d约为100km，甚至更小，但不稳定，此时尚未达到成熟，到C点时经历了连续多个时次的d小于100km，此时强度达到成熟。总的看来，台风暖中心和正涡中心距离与其强度变化呈反相关，即两中心的距离越小，台风强度越强；反之亦然。

表1给出了1000hPa6个台风各个阶段暖中心与正涡中心的平均距离，表2给出3层4阶段所有个例的平均距离，由此可看出：第1阶段两中心距离d都大于200km，这时台风为一般强度；第2阶段d在100～200km之间，台风加强；当d稳定小于100km时，台风成熟。

研究结论

登陆台风的不同发展阶段，其大气边界层相对涡度场和温度场的结构有着明显不同的特征。在台风发展阶段，暖中心与正涡中心之间的距离逐渐减小，台风强度增强；当两中心完全重合时，台风强度最强，垂直向上发展旺盛；而台风登陆减弱阶段，暖中心与正涡中心由重合趋于分离，距离增大，台风强度减弱，出现台风内区西冷东暖的“半冷半暖”热力非对称斜压结构。暖中心与正涡中心的距离与台风强度呈反相关，两中心的距离越小，台风强度越强。当暖中心和正涡中心的距离大于200km，台风为一般强度；当距离在100～200km之间，台风加强；当距离稳定小于100km时，台风成熟。研究的结果可供气象台站业务预报参考，但工作仅是初步的，有待深入研究。

数值模拟

华南暖区暴雨，一般是指产生于华南地面锋线南侧的暖区里(相对于锋后为暖区)的暴雨，或是南岭附近直到南海北部都没有锋面存在，而且华南又不受冷空气或变性冷高脊控制时产生的暴雨。华南暖区暴雨由于其时空尺度小，在常规天气图上一般看不出明显的影响系统，一直是预报工作中的一大难点。因此对这类天气过程采用数值模拟的方法进行研究，对提高防灾减灾能力，保护人民生命财产的安全具有重大的实际意义。

2005年5月9日，在华南南部出现了一次暖区暴雨天气过程。仅广西而言，100～249.9mm的有2个县市，50～99.9mm的有31个县市，25～49.9mm的有14个县市。对这场暴雨，从中央气象台到广西区气象台都预报暴雨主要落区在桂北，北部降水大于南部。而实况刚好相反，暴雨主要在暖区，桂南比桂北大。这次过程充分说明对华南暖区暴雨的预报确实存在很大困难。

为了进一步分析这次过程，我们使用MM5 V3.6中尺度数值模式模拟了这次过程，结果较好。研究根据模式的输出结果，分析了暖区暴雨的中尺度系统结构特征和成因，以期为这类暴雨的预报提供参考。

环流背景分析

在常规天气图上，2005年5月8日08:00(北京时，下同)，高原小槽缓慢移出，东亚大槽东移到120°E附近，引导地面冷空气南下，副热带高压脊线位于10°～15°N，孟加拉湾有低槽存在，华南处在孟加拉湾槽前和副热带高压西北侧的西南气流区，冷暖气流在低层交汇形成的东北西南向切变线位于江西、湖南南部至贵州、广西交界一带，地面静止锋处于湖南、贵州与广西之间。8日20:00东亚槽继续东移，但副热带高压维持少变，地面冷空气以东移为主，低层切变线和地面静止锋略有南压，而500hPa上孟加拉湾槽明显加深，在700hPa上华南沿海上空西南急流由12m·s-1加大到了20m·s-1，同时在925hPa上，桂南和沿海地区出现了西南与东南气流形成的中尺度辐合线，8日20:00之后的华南暴雨正是发生在该中尺度辐合线附近。

200hPa上8日08:00存在一支风速核≥50m·s-1的高空西风急流，急流轴位于桂北与贵州、湖南南部之间，整个华南处于>36m·s-1的急流区中；20:00急流轴北抬东移至湖南中部，华南南部风速开始明显减小，处于急流右侧的入口区中。

以上分析表明，这次过程发生在锋面南下过程中，高空急流北抬东移，西南低空急流加强的背景下，华南南部低层出现辐合与高层出现辐散的形势配置有利于华南暖区暴雨的发生、发展。

卫星云图分析

在卫星云图上，8日20:00华南暖区暴雨发生前，中南半岛上有活跃的对流云团发展并向东北方向移动，华南北部有一条东北西南向的弱云带东移，随后中南半岛上的云团逐渐减弱；9日04:00在其下游，华南上空云带的南缘，即广西南部沿海地区和北部湾海面上出现迅速发展的中-β尺度云团A和B(图4c)。这两块云团东移，07:00合并，强度达到最强，其强中心位于110°E，21.5°N，云顶最低亮温达-81℃，08:00后云团移出广西。沿海地区的暴雨正是在04:00～08:00，暴雨区与中-β尺度云团对应，因此，中-β尺度云团是这次沿海地区暴雨的直接影响系统。云团B主体在北部湾海面上，研究主要分析与华南沿海地区生成、发展的中尺度云团A相对应的中尺度暴雨系统的结构和成因。

数值模拟与结果分析

（1）数值模拟方案及模拟结果

众所周知，PSU/NCARMM5数值模式能够较好地模拟中尺度天气系统及其相联系的强降水时空分布特征。因此，研究采用MM5 V3.6模式，利用2005年5月8日08:00～9日08:00每6h的NCEP再分析资料(水平分辨率1°×1°)，对暴雨过程进行模拟。从2005年5月8日08:00起～9日08:00，积分24h。格点结构采用双重嵌套网格，区域中心位于25°N，110°E，粗、细网格格距分别为60km和20km。二重网格格点数均为61×61×23，模式顶气压为100hPa，积分步长为180s，每1h输出一次模拟结果。粗网格采用Anthes-Kuo积云对流参数化方案、MRF边界层参数化方案以及松弛侧边界条件，取30minNACR地形资料；细网格采用Grell积云对流参数化方案、Blackadar边界层参数化方案以及时变海绵侧边界条件，取10minNACR地形资料。

模拟结果与观测降水量的对比分析表明，模拟的强降水落区与实况基本一致，模式较成功地模拟出华南地区南强北弱的降水分布特点(图4a，b)。由于海上无观测资料，无法证实海上模拟出的强降水区，但逐时的卫星云图上这些地区有中尺度云团对应。从云图与模拟降水率分布对比可以看出(图4c，d)，对应9日06:00暖区暴雨系统对流云团A和B，模拟的06:00～07:00降水具有两个明显降水中心，模式较好地模拟出了中尺度系统的特征。总的来说，MM5 V3.6模式对这次暖区暴雨过程具有较强的模拟能力。

（2）中尺度系统结构

云图的分析显示了暖区暴雨系统(云团)生成和发展都很快，具有很强的中尺度特点，因此我们用中尺度模式输出结果来分析其结构基本特征，重点分析云团发展旺盛时的结构特征。为了了解较大范围的环境场，我们选用粗网格模式输出结果来进行分析。

①水平风速场特征

从水平风速演变可以看出，8日20:00后随着200hPa上高空西风急流轴的北抬，700hPa以下有西南低空急流大风核在中南半岛上向东北方向移动，急流核靠近华南时以东传为主。图5是9日06:00暖区暴雨云团发展旺盛时200hPa与850hPa风场与等风速线分布图。由图5可见，200hPa上在29°N附近有一个>50m·s-1的急流核，华南位于高空急流入口区的右侧，850hPa上在107°E，19°N附近有18m·s-1的西南风强风速中心，华南中部存在一个4～6m·s-1的风速相对小值区，北部难以出现辐合，其沿海的等风速线非常密集，南部正好是低空急流出口左侧辐合区与高空急流入口右侧辐散区的重合区。显然正是这种高低空环流的配置使暴雨在华南南部，而不是在北部，与暖区暴雨系统直接相联系的是西南低空急流的风速强辐合场。西南低空急流为暖区暴雨提供了一个非常有利的低层辐合动力条件。由此可见，它的分布是暴雨发生在暖区的重要原因。

通过以上分析，可以看出低空急流与高空急流相配合造成了华南暖区暴雨，是华南暖区暴雨主要的天气尺度系统，这与天气尺度资料合成分析得出的华南暖区暴雨的影响系统一致。

②垂直环流特征

图6a是双重嵌套网格模式模拟的区域。垂直环流分析表明，暖区暴雨系统对应有垂直次级环流。图6b是南北方向的垂直环流剖面图。由图可见，偏南气流在400hPa以下流入暖区暴雨系统上空，气流在一个很窄的区域内强烈垂直上升，上升运动的垂直尺度非常大，200hPa以下低层到高层都具有上升运动。在暖区暴雨区顶部向外流出的气流在暖区暴雨系统南北两侧均有下沉。在系统以南下沉的气流与上升区构成一个规则的经圈垂直闭合反环流，闭合环流的中心在350hPa上空。需要指出的是，这种补偿下沉运动所形成的环流比较浅薄，下沉主要发生在对流区高层，下沉气流只到达400hPa。在系统以北的下沉不集中，分布在24°N以北的宽广地区，可以看出下沉运动的存在使得华南北部不可能出现强降水。在22°～24°N有弱的倾斜上升运动，对应着次强降水区。

③散度场特征

在水平方向上，散度场演变说明了在暴雨系统的形成、发展过程中，低层700hPa以下气流的风速辐合起了决定性的作用。从图7a和图4c可以看出，850hPa位于雷州半岛以及位于北部湾海面上的两个辐合中心与暴雨系统的两个中心均有较好的对应关系，强云团对应强的中尺度辐合中心。华南南部的辐合明显强于北部，华南地区低层辐合的南强北弱决定了降水的南强北弱。

在垂直方向上，沿经暖区暴雨系统中心110°E剖面图上，暖区暴雨系统低层强烈辐合，最强在900hPa以下，高层有强烈辐散，辐合辐散中心成垂直分布(图7c)。暖区暴雨系统上空的这种配置有利于产生强上升运动，因此有利于产生强降水。

④涡度场特征

在水平方向上，850hPa涡度场分析表明，暴雨系统生成前，在暴雨系统的左侧即中南半岛上有一条较宽广的呈西南东北向的正涡度带，正涡度中心向东北方向移动。暴雨系统形成时，在这条正涡度带的右侧衍生出两个小中心。暴雨系统形成于这两个小中心附近(图7b)。总的来看，正涡度区与暴雨系统位置的对应关系不如散度场那么好(图7a)。这可能是暖区暴雨的一个特点，也从侧面说明流场的散度是暖区暴雨非常重要的因子。

在垂直方向上，沿110°E剖面图上，暖区暴雨系统上空，400hPa以上为负涡度，400hPa以下为正涡度柱(图7d)，涡度的这种分布说明正涡度柱与偏南气流在400hPa以下流入暴雨系统(图6b)有关。

⑤θe特征

图8是暴雨系统形成前和暴雨系统形成时沿110°E相对湿度剖面图。从图中可以看到，暴雨系统形成前(图8a)系统附近存在一个湿度锋区，暴雨系统形成时(图8b)湿区向北扩展，说明系统在主锋区南侧的一个暖锋区上形成。从θe的分布(图9)可以看出暖区暴雨系统南北两侧气团差异明显，暖区暴雨系统及北侧气层大气层结接近于中性或具有弱的对流不稳定性;系统南侧热带气团中对流层低层是高θe值区，700～500hPa为低θe值区，热带气团内层结是不稳定的，但由于有下沉运动，对流受到抑制。θe的这种结构与梅雨锋的结构相似。eθ的演变分析表明，暴雨系统发展过程中系统北面有冷空气活动的迹象，但系统南面低层暖湿空气的作用更加明显。

研究结论

通过以上分析，可得到以下结论：

(1)2005年5月9日华南暖区暴雨发生在锋面南压过程中，200hPa高空急流北抬，同时西南急流加强的背景下，中尺度对流云团是造成暴雨的直接影响系统。

(2)低空急流和高空急流是暖区暴雨重要的天气系统，与暖区暴雨直接相联系的是西南低空急流的风速强辐合场，暖区暴雨系统与低层辐合中心对应，系统上空低层有强烈辐合，高层有强烈辐散，200hPa以下从低层到高层都有上升运动，气流在一个很窄的区域内垂直上升，在暖区暴雨区以南下沉，构成一个规则的经圈垂直闭合反环流。暴雨系统在湿度锋区上形成，低层暖湿气流加强造成暴雨对流系统发展。

(3)暖区暴雨系统与螺旋度密切相关，暖区暴雨系统区为正螺旋度大值区，较大的螺旋度可能是华南暖区暴雨及其中尺度系统发生、发展的一种重要机制。

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