2008年臺風“風神”強迫次級環(huán)流的診斷分析

畢明玉，沈新勇，袁媛，丁治英

(1．氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學)，江蘇 南京 210044;2．中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴實驗室，北京 100029;3．陜西省氣象臺，陜西 西安 710015)

2008年臺風“風神”強迫次級環(huán)流的診斷分析

畢明玉1，2，沈新勇1，2，袁媛3，丁治英1

(1．氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學)，江蘇 南京 210044;2．中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴實驗室，北京 100029;3．陜西省氣象臺，陜西 西安 710015)

利用WRF(weather research and forecasting)模式模擬資料對2008年06號臺風“風神”進行診斷分析，采用準地轉(zhuǎn)PV-ω方程對臺風外圍中尺度對流系統(tǒng)較強的6月20日10時(世界時)的資料進行分析。通過PV-ω方程診斷了潛熱、摩擦及干動力過程對臺風次級環(huán)流的作用，結(jié)果顯示潛熱強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流最強，摩擦強迫主要集中在邊界層，而干動力過程則在臺風中心附近產(chǎn)生影響。加入摩擦、潛熱得到的準平衡流場能夠描述70%左右的臺風環(huán)流。環(huán)境垂直切變在臺風中心附近強迫產(chǎn)生橫向次級環(huán)流的垂直切變與環(huán)境垂直切變相反，次級環(huán)流會使得臺風一側(cè)的上升氣流減弱而另一側(cè)上升氣流增強，從而使得臺風不對稱增強。同時，發(fā)現(xiàn)垂直切變可能在其最大垂直切變方向右側(cè)激發(fā)臺風外圍中尺度系統(tǒng)。通過構(gòu)造理想的準平衡的臺風及疊加在其上的中尺度系統(tǒng)環(huán)流，選擇不同的切變和環(huán)境平均氣流，發(fā)現(xiàn)增大切變會使得強迫次級環(huán)流增強，而增大環(huán)境平均氣流不一定能夠使得強迫次級環(huán)流增大，反而可能使得強迫次級環(huán)流減弱。通過診斷發(fā)現(xiàn)由切變強迫次級環(huán)流造成的中尺度對流系統(tǒng)上方擾動可能是中尺度對流系統(tǒng)持續(xù)存在的原因。

臺風;潛熱;切變;中尺度對流系統(tǒng);強迫次級環(huán)流

0 引言

臺風的生成受到多種尺度系統(tǒng)的影響。疊加在臺風環(huán)流上的中尺度系統(tǒng)，可以看作臺風與環(huán)境氣流相互作用，潛熱釋放，磨擦而引起的。陳聯(lián)壽等(1997)研究發(fā)現(xiàn)臺風外區(qū)熱力不穩(wěn)定會導致臺風的不對稱性增強。垂直切變對臺風強度具有重要影響，Corbosiero and Molinari(2002)發(fā)現(xiàn)在熱帶氣旋外圍雨帶中順切變方向右側(cè)雷暴活動最強，并猜想順切變方向右側(cè)是外區(qū)雨帶中雷暴活動區(qū)，這種雷暴活躍區(qū)可能是由于熱帶氣旋渦旋在外部雨帶范圍存在比內(nèi)區(qū)更大的垂直傾斜而導致的。Frank and Ritchie(1999)發(fā)現(xiàn)切變會導致臺風內(nèi)區(qū)順切變方向的上升速度明顯增大，并使得切變左側(cè)的降水明顯增強。McBride and Zehr(1981)在研究中發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋常常在初始時風暴中心周圍存在較大的垂直切變，但是在風暴核心上方垂直切變卻很小。Zhang and Kieu(2005，2006)對這種現(xiàn)象做了解釋，切變會使得臺風內(nèi)核區(qū)產(chǎn)生相應的次級環(huán)流，這種次級環(huán)流會使得臺風內(nèi)區(qū)的切變減弱，相同切變下強臺風由切變引起的臺風內(nèi)區(qū)次級環(huán)流越強，因此強臺風對切變的抵抗力強。熱帶氣旋的發(fā)展也與垂直切變存在較密切的關系，Wong and Chan(2004)發(fā)現(xiàn)當200與850 hPa之間的垂直切變大于10 m/s時會阻礙臺風發(fā)展。王偉和余錦華(2013)在統(tǒng)計中也發(fā)現(xiàn)臺風的快速增強與垂直切變的方向有關系。

大氣運動是準水平的，大氣在水平面內(nèi)的環(huán)流為主要環(huán)流，與水平面內(nèi)環(huán)流相對的為垂直面內(nèi)的環(huán)流稱為次級環(huán)流，次級環(huán)流包括上升下沉氣流和引起上升下沉運動的輻合輻散氣流，與水平環(huán)流相比量級較小，只有在強的對流系統(tǒng)中才較為明顯。Eliassen(1951)提出的準平衡渦旋次級環(huán)流理論中，給定非絕熱加熱及質(zhì)量和動量通量就可以得出臺風渦旋的強迫軸對稱次級環(huán)流或者橫向環(huán)流。根據(jù)其理論，在柱坐標面內(nèi)熱源和角動量源會強迫臺風渦旋產(chǎn)生環(huán)流，但環(huán)流的形狀大小會與靜力穩(wěn)定度、斜壓穩(wěn)定度及慣性穩(wěn)定度有關。這種準平衡模式隨后被Estoque(1962)引用并進行了擴展，Willoughby(1979)研究顯示臺風眼墻潛熱釋放的徑向梯度會在對流層中低層引發(fā)一個較深的入流，在高層產(chǎn)生一個較淺的流出流，眼墻內(nèi)的上升運動及眼區(qū)內(nèi)的下沉運動，而表面摩擦會在邊界層產(chǎn)生一個較淺的入流和其上弱而深的上升運動，入流會向眼墻逐漸減小而上升運動向眼墻逐漸增大。Shapiro and Willoughby(1982)研究了局地熱源會在臺風平衡渦旋上強迫產(chǎn)生次級環(huán)流，其研究顯示局地點熱源會使其低層輻合產(chǎn)生上升運動而后在高層輻散，并在其周圍產(chǎn)生補償下沉。同時相鄰中尺度系統(tǒng)也會對臺風的次級環(huán)流產(chǎn)生影響，邵麗芳等(2013)發(fā)現(xiàn)臺風相鄰的中尺度系統(tǒng)會改變臺風的對流形狀。雖然Eliassen的次級環(huán)流理論對研究臺風渦旋軸對稱的次級環(huán)流提供了較好的方法，但由于其非對稱假設使得其無法診斷臺風非對稱的潛熱、摩擦、環(huán)境氣流對臺風次級環(huán)流的影響。

本文采用Wang and Zhang(2003)準地轉(zhuǎn)PV-ω方程來診斷臺風及其外圍中尺度系統(tǒng)的熱力摩擦等動力作用。前人多用理想數(shù)值模式討論切變對臺風中心附近對流的影響，但卻少有研究切變等動力作用對臺風外圍中尺度系統(tǒng)的影響。本文診斷了潛熱摩擦及切變對臺風二級環(huán)流的作用，診斷環(huán)境風切變對臺風平均環(huán)流的影響，并提出中尺度系統(tǒng)生成的可能原因。

1 方法

本文診斷方法主要采用Wang and Zhang(2003)的準地轉(zhuǎn)ω方程。此方程是在假相當高度坐標(Hoskins and Bretherton，1972)下，加入潛熱、摩擦及動力強迫等強迫產(chǎn)生次級環(huán)流的主要因子，從垂直渦度方程和熱力學方程出發(fā)推導得到的外源強迫影響下的準平衡ω方程。

由方程(1)得到垂直環(huán)流大小取決于方程的右端項，從左至右分別為渦度平流的垂直變化項、溫度平流的Laplacians項、Jacobian項、β效應項、非絕熱加熱項和摩擦項，而這四項均為動力強迫因子;后三項為β效應項、凝結(jié)潛熱和摩擦造成的外源強迫項。由方程可以看出熱力和動力共同決定了熱帶氣旋中準平衡垂直環(huán)流的大小和輻散風分量。

分析可知，方程(1)并不是一個完全的診斷方程。方程中存在三個局地時間傾向變化項，即，和，其中可由方程(3)假相當高度坐標系下的渦度方程求解得到，與輻散風分量有關的勢函數(shù)χ由假相當高度坐標下連續(xù)方程(4)得到，而和可直接由模式輸出得到。

這樣方程(1)(3)(4)便形成一個完整的診斷方程，通過反復迭代，最終求得所需要的ω及所對應的輻散風分量。

2 準平衡流診斷分析

利用2008年06號臺風“風神”的WRF(weather research and forecasting)模式模擬資料進行模擬，資料分辨率為18 km×18 km。風神于2008年6月18日在菲律賓以東海域形成熱帶低壓，其后逐漸增強為一個臺風，并向西移動，之后穿越菲律賓中部，6月22日，進入南海，25日在廣東粵東沿海登陸。風神臺風在穿越菲律賓向北移動過程中，其西側(cè)總是會出現(xiàn)一個較強的中尺度系統(tǒng)。圖1為實況和模擬的云頂亮溫，可以看出，模式清楚地模擬出了6月20日10時(世界時，下同)的臺風外圍中尺度系統(tǒng)。

圖2a為所研究中尺度系統(tǒng)產(chǎn)生的初始階段，圖2b為中尺度系統(tǒng)發(fā)展到較強的時刻。從圖2及圖1b對比來看，此臺風外圍中尺度系統(tǒng)在發(fā)展過程中中尺度系統(tǒng)相對于臺風中心的相對位置基本沒有什么變化。因此取臺風中心與中尺度系統(tǒng)中心做切面看此中尺度系統(tǒng)隨時間的變化情況，如圖3b所示。從圖中可以看出此中尺度系統(tǒng)約從03時開始發(fā)展在10時發(fā)展到最強，在15時逐漸消亡被其他中尺度系統(tǒng)所取代。

圖4為沿臺風中心與中尺度系統(tǒng)中心的連線做垂直剖面，其中圖4a為模式得到的結(jié)果，圖4b為通過位渦反演(Wang and Zhang，2003)得到的平衡流場，再在其基礎上運用ω方程得到的準平衡流。從圖4a中可以看出，在臺風中心西側(cè)偏南的720 km處中尺度系統(tǒng)的垂直速度可以達到0.6 m/s，且存在較強的雷達反射率。而從圖4b中可以看出，通過反演計算得到的準平衡流與模式資料相比基本一致，因此臺風中的準平衡可以代表臺風的主要環(huán)流。由于在進行位渦反演及求解ω方程過程中，都要求方程符合數(shù)理方程中的橢圓方程規(guī)則，也就是說其物理過程描述的為某一時段內(nèi)達到平衡的過程，因此就不可能描述能量快速頻散的波動過程。盡管如此，從圖4a、b比較可以看出在臺風和外圍中尺度系統(tǒng)垂直環(huán)流中，其準平衡流場可以占到70%左右。因此，準平衡流可以較好地描述臺風環(huán)流及其外圍的中尺度系統(tǒng)。

圖1 20日10時實況(a)、模擬(b)的云頂亮溫(單位:℃;圓圈內(nèi)為中尺度系統(tǒng)所在位置)Fig.1 (a)The observed and(b)simulated cloud top temperature(units:℃;the cycles denote the position of MCS)at 1000 UTC on 20 June 2008

圖2 2008年6月20日02時(a)和12時(b)500 hPa的風場(箭頭;單位:m/s)、位渦(等值線;單位:10-6m2·K·s-1·kg-1)和雷達反射率因子(陰影;單位:dBz)(圓圈為中尺度系統(tǒng)所在位置)Fig.2 The wind(vector;units:m·s-1)，PV(contour;units:10-6m2·K·s-1·kg-1)and radar reflectivity(shaded area;units:dBz)at 500 hPa at(a)0200 UTC and(b)1200 UTC on 20 June 2008(The circle denotes the location of the mesoscale system)

既然準平衡流可以較好地描述臺風環(huán)流及中尺度系統(tǒng)，則通過準地轉(zhuǎn)ω方程便可以診斷潛熱、摩擦及干動力過程對臺風準平衡流場的貢獻率。如圖5所示分別為潛熱、摩擦及干動力過程對臺風次級環(huán)流的貢獻率。圖5a所示為潛熱對強迫次級環(huán)流的貢獻，可以看出在加熱的區(qū)域會產(chǎn)生上升運動，在其周邊會相應的產(chǎn)生補償下沉，而這種補償下沉會因為冷卻作用而使得下沉加速。圖5b為摩擦引起強迫次級環(huán)流，可以看出其強迫作用主要集中在邊界層，在臺風中心附近較為明顯，也有研究指出邊界層強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流類似Ekman抽吸會使得渦旋轉(zhuǎn)動減弱(Montgomery et al.，2001)，而且因為靜力穩(wěn)定的因素，使得其很難影響到高層。圖5c為干動力過程產(chǎn)生的次級環(huán)流，從圖中可以看出，在臺風中心附近干動力強迫產(chǎn)生出一個較強的次級環(huán)流，此次級環(huán)流在垂直剖面上順時針旋轉(zhuǎn)，垂直速度達到0.2 m/s。圖5d為整體準平衡次級環(huán)流與分別用潛熱、摩擦、干動力過程強迫得到的次級環(huán)流的差，其差值非常小，說明得到的結(jié)果是準確的。

從圖5整體上看，潛熱在臺風及其外圍中尺度區(qū)域產(chǎn)生的次級環(huán)流最強，可以占到總體次級環(huán)流的三分之二以上，潛熱對臺風和中尺度系統(tǒng)的維持和發(fā)展起重要作用。并且在外圍中尺度區(qū)域的次級環(huán)流幾乎全部由潛熱強迫產(chǎn)生。摩擦只能影響低層。由此可以看出潛熱釋放是臺風外圍中尺度對流系統(tǒng)的維持和發(fā)展最主要的原因。

圖3 20日10時5 km高度上模擬的風場(箭頭;單位:m/s)和位渦(陰影;單位:10-6m2·K·s-1·kg-1)(a;圓圈為中尺度系統(tǒng)所在區(qū)域;MN線為中尺度系統(tǒng)中心與臺風中心連線;AB和CD兩條線為距離MN線180 km的兩條平行線)以及20日00時—21日00時的位渦(等值線;單位:10-6m2·K·s-1·kg-1)和雷達反射率因子(陰影;單位:dBz)的時間剖面(b;陰影和等值線代表雷達反射率和位渦沿AB與CD之間平均值在垂直高度4～7 km的平均)Fig.3 (a)The simulated wind(arrow;units:m·s-1)and potential vorticity(shaded areas;10-6m2·K·s-1·kg-1)at 5 km at 1020 UTC on 20 June 2008.The circle denotes the location of the mesoscale system and the line MN connects the typhoon center and the mesoscale system center.Line AB and CD are two parallel lines at a distance of 180 km from line MN.(b)The time section ofradarreflection(shaded areas;dBz)and potentialvorticity(contour;10-6m2·K·s-1·kg-1)from 0000 UTC on 20 June to 0000 UTC on 21 June.The shaded areas and contour denote the radar reflection and potential vorticity from 4 to 7 km averaged between AB and CD in Fig.3a

圖4 6月20日10時沿圖3a中MN線的雷達反射率(陰影;單位:dBz)和垂直風速(等值線;單位:m·s-1)的垂直剖面(箭頭為面內(nèi)風場，單位:m·s-1;垂直速度擴大10倍) a.模式結(jié)果;b.通過位渦反演準地轉(zhuǎn)ω方程得到準平衡風場Fig.4 The vertical section of radar reflection(shaded area;dBz)，vertical velocity(contour;m·s-1)along the line MN at 1000 UTC on 20 June in(a)simulation and(b)PV-ω inversion(note that vertical velocity vectors have been amplified by a factor of 10)

圖5 20日10時通過PV-ω方程，由潛熱(a)、摩擦(b)和干動力(c)過程強迫得到的次級環(huán)流，以及由整體得到的準平衡流減去分別由潛熱、摩擦、干動力過程強迫得到的次級環(huán)流的差值場(d)(陰影為潛熱加熱率，單位:K/h;箭頭為強迫產(chǎn)生的風場;等值線為強迫產(chǎn)生的垂直速度，單位:m·s-1)Fig.5 The in-plane flow vectors and vertical motion(contour，m·s-1)forced by(a)latent heating，(b)friction and(c)dry-dynamics processes by PV-ω equation，and(d)the difference of the quasi-balanced secondary circulation minus the sum of a，b and c at 1000 UTC on 20 June(shadings denote the latent heating or cooling rates in K/h)

3 切變強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流

Lander and Holland(1993)的研究指出，當兩個渦旋靠近到一定距離時就會產(chǎn)生互旋運動，兩渦旋在旋轉(zhuǎn)中會合并或者走向分離，這就是所謂的藤原效應(Fujiwhara，1921)。羅哲賢等(2002)也利用正壓渦度方程模式研究了渦旋之間的相互作用，其研究指出兩個靠近的大渦旋與小渦旋，小渦旋會圍繞大渦旋旋轉(zhuǎn)，兩個渦旋能否合并取決于其強度和相互間距離。可以將臺風看作大渦旋中尺度系統(tǒng)看作一個小渦旋，根據(jù)羅哲賢等(2002)的理論小渦旋應該會圍繞大渦旋快速移動，然而在圖2中6月20日02時至12時中尺度系統(tǒng)相對于臺風中心的位置基本不變。通過分析發(fā)現(xiàn)，羅哲賢等(2002)在運用理想模式時并沒有考慮環(huán)境氣流垂直變化的影響，也沒有考慮系統(tǒng)的生成與消亡。因此這種臺風與中尺度系統(tǒng)相對位置不變可能是由環(huán)境氣流引起的。文中將臺風的軸對稱平均環(huán)流作為臺風環(huán)流，由實際風場減去臺風軸對稱平均環(huán)流后做區(qū)域平均，得到的氣流為環(huán)境氣流。文中除了研究6月20日02時至12時中尺度系統(tǒng)變化，還選取了6月21日10時至16時臺風外圍中尺度系統(tǒng)相對較強的時段進行驗證。圖6為6月20日03時至09時、6月21日10時至16時每隔3 h臺風半徑900 km內(nèi)平均氣流隨高度變化。曲線上數(shù)字表示層數(shù)，第1—5層表示地面到2 km高度，第5—25層表示2 km至12 km高度，第25—31表示12 km至15 km高度。點表示每隔0.5 km此層的平均氣流。因為臺風外圍存在中尺度系統(tǒng)具有較強的不對稱性，因此在求取臺風平均氣流時選取的半徑為900 km，箭頭所示為12 km高度內(nèi)最大垂直切變。

圖6 20日03—09時(a)、21日10—16時(b)每隔3 h模擬資料的臺風半徑900 km內(nèi)平均氣流隨高度的變化(點代表每隔0.5 km此層的平均氣流，箭頭代表2～12 km以下的最大垂直切變)Fig.6 (a)The vertical wind shear from 0300 UTC to 0900 UTC on 20 June and(b)from 1000 UTC to 1600 UTC on 21 June every 3 hours in simulation data(the black dot means averaged wind over an area of 900 km ×900 km centered in the eye and calculated every 0.5 km，an arrow is used to indicate roughly a mean shear vector from 2—12 km in the deep environment)

由圖6a、b可見其垂直切變隨時間變化不大。而從圖7中可以看出，當垂直切變不變時其外圍中尺度系統(tǒng)與臺風中心的相對位置也不變，臺風外圍中尺度系統(tǒng)主要位于臺風外圍最大風切變順切變的右側(cè)，而在臺風中心最大風切變左側(cè)對流比右側(cè)要強。由以上分析可知垂直風切變對臺風外圍中尺度系統(tǒng)有重要作用，但是影響內(nèi)區(qū)和外區(qū)對流的機制可能有所不同。為了更清晰地顯示垂直風切變的作用，取臺風軸對稱的平均環(huán)流(即忽略臺風擾動及非對稱的影響)作為臺風環(huán)流，臺風半徑900 km內(nèi)平均氣流(圖6每層平均風速，即忽略環(huán)境水平風速變化)作為環(huán)境氣流，選取6月20日06時和6月21日16時兩個中尺度對流系統(tǒng)快速發(fā)展的時刻，診斷環(huán)境氣流垂直切變對臺風軸對稱平均環(huán)流的影響。具體步驟為:1)取臺風的軸對稱環(huán)流作為臺風環(huán)流，環(huán)境氣流為0，加入臺風軸對稱平均的潛熱摩擦，同通過PV-ω方程計算得到其次級環(huán)流;2)在步驟1)的基礎上加入隨高度變化的平均氣流作環(huán)境氣流，再次用PV-ω方程計算得到次級環(huán)流;3)用步驟2)得到的次級環(huán)流減去1)得到的次級環(huán)流即為平均氣流垂直變化強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流。如圖8所示為6月20日06時和6月21日16時由上述方法得到的垂直切變強迫次級環(huán)流。

從圖8a、b中可以看出垂直切變主要在臺風中心附近的環(huán)流產(chǎn)生影響。在對流層高層垂直切變也會強迫產(chǎn)生擾動。但對臺風內(nèi)核區(qū)外的中低層影響較小。而從圖8 c、d中看出，12 km上臺風外圍對應的上升運動與圖7中各自時刻臺風外圍對流系統(tǒng)較強的區(qū)域?qū)帽容^好，同時，臺風外圍逆切變方向有下沉運動，這與圖7中對應時刻逆切變方向臺風外圍對流不活躍有關。因此認為，垂直切變會導致順切變方向臺風外圍高層產(chǎn)生上升運動，使得上層位渦發(fā)展，而上層位渦向下延伸發(fā)展可能是導致中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生的機制。

切變對臺風環(huán)流有重要作用，為了了解切變大小變化在已形成的臺風外圍中尺度對流系統(tǒng)及臺風次級環(huán)流中的作用，做了以下實驗。選取6月20日10時的臺風軸對稱環(huán)流作為臺風環(huán)流。在臺風的西側(cè)720 km處，加入一個與圖3a中尺度系統(tǒng)位渦大小相似位渦擾動。設計中尺度系統(tǒng)位渦大小形狀

圖76月20日03時(a)、06時(b)、09時(c)及21日10時(d)、13時(e)、16時(f)的模擬云頂亮溫(陰影;℃)、500 hPa風場(箭矢;m/s)和位渦(等值線;10-6m2·K·s-1·kg-1)(箭頭為對應時刻的風速垂直切變)

Fig.7 The cloud top temperature(shaded area;℃)，wind at 500 hPa(arrow;m/s)and PV(contour，10-6m2·K·s-1·kg-1)at(a)0300 UTC，(b)0600 UTC，(c)0900 UTC on 20 June and(d)1000 UTC，(e)1300 UTC，(f)1600 UTC on 21 June(the arrow denotes the wind vertical shear)為公式(5)所示。

圖8 20日06時(a)和21日16時(b)12 km以下沿最大切變方向由風速垂直切變引起的次級環(huán)流的垂直剖面以及20日06時(c)和21日16時(d)12 km處風速垂直切變引起的次級環(huán)流(陰影為臺風軸對稱平均環(huán)流位渦，單位:10-6m2·K·s-1·kg-1;等值線為強迫產(chǎn)生的垂直速度，單位:m·s-1)Fig.8 The shear induced secondary circulation at(a)0600 UTC on 20 June and(b)1600 UTC on 21 June in the direction of max wind shear under 12 km;the induced secondary circulation at 12 km at(c)0600 UTC on 20 June and(d)1600 UTC on 21 June(the shaded area denotes the symmetrical PV(units:10-6m2·K·s-1·kg-1)at that time)

其中:A代表位渦振幅大小;z為高度;He和Re代表位渦的垂直和水平尺度;Oxy代表中尺度系統(tǒng)中心所在的點。此時A取5，He和Re分別取4 km和180 km，Oxy為臺風西側(cè)720 km的位置。得到與原來模擬臺風外圍中尺度系統(tǒng)位渦大小形狀相似的位渦。然后再在中尺度系統(tǒng)區(qū)域加入如圖5a中尺度系統(tǒng)潛熱大小的潛熱，其公式與(5)相同，只是此時A為25。

在臺風軸對稱平均環(huán)流的基礎上加入上述潛熱和中尺度系統(tǒng)位渦，通過位渦反演和準地轉(zhuǎn)ω方程得到理想的臺風和中尺度對流系統(tǒng)準平衡流場，如圖9所示。

為了診斷垂直風切變對臺風及外圍中尺度系統(tǒng)的作用，在圖9中得到準平衡流場的基礎上加入環(huán)境平均氣流，進而診斷環(huán)境氣流對臺風及中尺度對流系統(tǒng)的影響。可以將理想的環(huán)境氣流簡單概括為地表氣流加上垂直切變。即

圖9 6 km高度處的位渦(陰影;單位:10-6m2·K·s-1·kg-1)和風場(箭頭;單位:m·s-1)(a)以及沿臺風中心和中尺度系統(tǒng)中心潛熱加熱率(陰影;單位:K/h)和準平衡風場(箭頭)的剖面(b)Fig.9 (a)The PV(shaded area;10-6m2·K·s-1·kg-1)and wind(arrow;m·s-1)at 6 km and(b)the vertical section of latent heating rate(shaded area;K/h)and quasi-balanced field(arrow)along the MCS center and typhoon center

其中:u0為g高度為0處的風速;?u/?z為環(huán)境風切變得大小。為了更好地了解風的垂直切變對臺風及其外圍中尺度系統(tǒng)的影響，綜合考慮風切變的地表風速和切變大小，設計了三種不同的風廓線。a方案為地表風速為2 m·s-1，切變大小為-1×10-3s-1;b方案的廓線相比較a方案切變大小不變，地表風速為7 m·s-1;c方案廓線相對于a方案廓線地表風速不變，風切變變?yōu)?1.5×10-3m·s-1。

如圖10所示，為上述三種方案的風切變強迫得到的次級環(huán)流。

從圖10中可以看出，干動力過程包括基流和切變與臺風環(huán)流的相互作用。b方案比a方案的地表風速大，但是從圖中可以看出，三種方案中b方案產(chǎn)生的強迫次級環(huán)流最小，因此干動力過程產(chǎn)生的強迫不光與切變大小有關還跟環(huán)境的風速也有關系。將a方案切變增大1.5倍之后，得到的次級環(huán)流比原來要強。由圖10可見，并不是u0越強得到的強迫次級環(huán)流就越強，而增大切變會引起強迫次級環(huán)流增強，進而導致臺風非對稱增強，但是在臺風中軸對稱環(huán)流占主要部分，非對稱性相對較弱，因為觀測和模式研究都認為在臺風中切變有一個閥值，超過這個閥值就會使得臺風減弱。早期研究得出強的切變會使得暖核脫離低層環(huán)流，進而使得臺風減弱。這種切變對臺風的影響是由臺風的結(jié)構(gòu)和強度來決定的。一般來說較強的系統(tǒng)對強的切變抵抗能力強。

從圖10中還可以清楚地看出，定義的風廓線在低層都是西風，高層為東風。而由切變在臺風中心所得到的次級環(huán)流的垂直切變與環(huán)境風垂直切變相反。因此在臺風中心處切變較小。

由圖10a、b、c可以看出，三種方案都在中尺度系統(tǒng)的上方激發(fā)出了輻合上升氣流。雖然b方案由于基流的原因強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流較小，但是從三圖中都可以看出中尺度系統(tǒng)所處位置高層存在擾動。在研究臺風“風神”過程中，發(fā)現(xiàn)其西側(cè)偏南的中尺度對流系統(tǒng)在這一位置長時間的維持與切變強迫使得中尺度對流系統(tǒng)上方產(chǎn)生的擾動有關，這種關系還需要進一步的研究。

4 結(jié)論

1)通過診斷得出臺風及其外圍中尺度系統(tǒng)中70%左右為準平衡流。潛熱得到的次級環(huán)流最強，對中尺度系統(tǒng)的維持和發(fā)展具有重要作用。摩擦強迫主要集中在邊界層，并且強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流較弱，很難突破靜力穩(wěn)定的限制伸展到高層。而干動力過程強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流主要集中在臺風中心附近，強度也沒有潛熱強迫產(chǎn)生的強。

2)通過對比分析較強中尺度系統(tǒng)產(chǎn)生位置與切變有關。在臺風軸對稱平均環(huán)流上疊加上與實際臺風相似的環(huán)境氣流垂直切變，其強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流主要集中在臺風中心區(qū)域附近。同時在臺風順切變方向較遠的高空也會激發(fā)出擾動，距離與臺風中尺度對流系統(tǒng)所在位置相近。因此切變可能是引發(fā)中尺度系統(tǒng)的因子之一。

圖10 不同垂直切變所產(chǎn)生的強迫次級環(huán)流(陰影為潛熱加熱率，單位:K/h;等值線為垂直切變強迫產(chǎn)生的垂直速度，單位:m·s-1;箭矢代表面內(nèi)切變強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流，單位:m·s-1) a.地表風速2 m/s，切變大小-1×10-3s-1;b.地表風速7 m/s，切變大小1×10-3s-1;c.地表風速2 m/s，切變大小-1.5×10-3s-1Fig.10 The forced secondary circulation induced by different vertical shear(the shaded area denotes the latent heating rate(K/h);the contour denotes vertical velocity forced by vertical shear(m·s-1);the arrow means the forced circuldtion forced by vertical shear，m·s-1) a.u0=2 m/s，shear magnitude at-1 ×10-3 s-1;b.u0=7 m/s，shear magnitude at-1 ×10-3s-1;c.u0=2 m/s，shear magnitude at-1.5 ×10-3s-1

3)由環(huán)境垂直切變在臺風中心強迫產(chǎn)生的次級環(huán)流的垂直切變與環(huán)境垂直切變相反，因此次級環(huán)流會減少臺風內(nèi)部的垂直切變。同時次級環(huán)流還會使得臺風一側(cè)上升氣流加強另一側(cè)上升氣流減弱，使得臺風非對稱加強。而通過構(gòu)造理想的準平衡臺風環(huán)流，選擇不同的切變，發(fā)現(xiàn)增大切變會使得強迫次級環(huán)流增強。致謝:衷心感謝美國馬里蘭大學張大林教授和南京信息工程大學吳立廣教授!

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(責任編輯:劉菲)

Diagnostic analysis of the forced secondary circulations by typhoon Fengshen in 2008

BI Ming-yu1，2，SHEN Xin-yong1，2，YUAN Yuan3，DING Zhi-ying1
(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST)，Ministry of Education，Nanjing 210044，China;2.Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Sever Storms，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;3.Shaanxi Meteorological Observatory，Xi'an 710015，China)

The WRF(weather research and forecasting model)is used to simulate the typhoon Fengshen in 2008.PV-ω inversion diagnostic is applied to quantitatively diagnose the simulated data of typhoon Fengshen at 1000 UTC on 20 June.In this study，the contributions of latent heating，friction and dry dynamical processes to the forced secondary circulations(FSCs)of a typhoon vortex are analyzed respectively.The results show that the latent heating FSC accounts most for the forced secondary circulations.The friction FSC is mostly constricted in the boundary layer(PBL)and dry dynamical processes mainly influence the central area of the typhoon.It is shown that the inverted quasi-balanced flow with friction and latent heating can depict 70%of the secondary circulations.In contrast，the dry dynamical forcing，which is determined by vertical shear and system-relative flow，can account for as much as 40%of ver-tical motion in typhoon core area.The FSC reduces the typhoon vertical motion in upshear direction and intensifies the vertical motion in downshear direction，thus the asymmetry of typhoon comes into being.It is found that a mesoscale convective system in the typhoon outer core region develops on the right side of down shear direction.An ideal quasi-balanced typhoon superposed by the mesoscale convective system is constructed to examine the influence of various vertical shear and system relative flow.The result shows that the shear FSC is almost linearly related to the magnitude of environmental vertical shear，while increasing the magnitude of the system-relative flow may possibly weaken the FSC.The disturbance aloft on the mesoscale convective system，which is caused by the shear FSC，may be the reason for the persistence of the mesoscale convective system.

typhoon;latent heating;shear;mesoscale convective system;forced secondary circulations(FSCs)

P435

A

1674-7097(2014)03-0354-12

畢明玉，沈新勇，袁媛，等.2014.2008年臺風“風神”強迫次級環(huán)流的診斷分析［J］.大氣科學學報，37(3):354-365.

Bi Ming-yu，Shen Xin-yong，Yuan Yuan，et al.2014.Diagnostic analysis of the forced secondary circulations by typhoon Fengshen in 2008［J］.Trans Atmos Sci，37(3):354-365.(in Chinese)

2012-06-25;改回日期:2013-02-05

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2013CB430103;2011CB403405);國家自然科學基金資助項目(41375058;41175065);江蘇高等學校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊計劃項目(PIT2014);江蘇高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXZZ/2_0484;CXZZ/2_0491)

沈新勇，博士，教授，博士生導師，研究方向為中尺度動力學及數(shù)值模擬，shenxy@nuist.edu.cn.