颶風(fēng)Bonnie發(fā)生發(fā)展過程中的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)變化和慣性穩(wěn)定度分析

李杭玥，王詠青，辛辰

(1．南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院太平洋臺(tái)風(fēng)研究中心，江蘇南京210044;2．中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

0 引言

熱帶氣旋(Tropical Cyclone，簡(jiǎn)稱TC)是一種形成于熱帶或副熱帶洋面的、具有暖心結(jié)構(gòu)的、非鋒面氣旋，且有界限清楚的中心，伴隨著有組織的深對(duì)流和封閉表面風(fēng)環(huán)流。達(dá)到一定強(qiáng)度的熱帶氣旋被稱為臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)(生成地不同)，其中颶風(fēng)通常發(fā)生在北太平洋東部、大西洋及加勒比海附近，近地面風(fēng)速達(dá)到33 m/s以上，強(qiáng)度分為5個(gè)等級(jí)，從弱到強(qiáng)級(jí)數(shù)依次增加。熱帶氣旋通常具有強(qiáng)大的破壞力(陸佳麟和郭品文，2012;周旭等，2013)，可在登陸地區(qū)引起風(fēng)暴潮、洪水、大風(fēng)等災(zāi)害，給國(guó)家經(jīng)濟(jì)及人身財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失(李春虎等，2008)。熱帶氣旋的破壞力極強(qiáng)(王詠青等，2012;陶麗等，2013)，研究其強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)一直受到氣象學(xué)者的高度重視(趙軍平等，2012;王偉和余錦華，2013;李肖雅等，2014)。

一般從內(nèi)部因子、環(huán)境氣流與邊界層的作用和海洋熱力狀況變化等方面對(duì)熱帶氣旋的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。內(nèi)部因子包括眼墻及螺旋雨帶的特征(陳聯(lián)壽和丁一匯，1979)、眼墻的替換(Wang，2001;Sitkowski et al.，2012)以及對(duì)流的非對(duì)稱分布(翁之梅等，2012);有關(guān)環(huán)境氣流與邊界層的作用方面，沈陽等(2012)著重研究了環(huán)境流場(chǎng)的垂直切變等對(duì)TC的作用，Duan et al.(1998，2000)研究了下墊面等外界環(huán)境與TC環(huán)流的相互作用等;在熱力過程方面，王瑾和江吉喜(2005)研究了TC熱力結(jié)構(gòu)變化，端義宏等(2005)研究了海洋熱狀況變化以及海洋飛沫對(duì)TC強(qiáng)度的影響等。

慣性穩(wěn)定度是熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展過程中的一個(gè)重要因子。慣性穩(wěn)定度表達(dá)式(Rozoff et al.，2012)為

其中:v是方位角平均的切向風(fēng);r是從風(fēng)暴中心為起點(diǎn)的半徑;f是科里奧利參數(shù)是軸對(duì)稱的渦度矢量的垂直分量。在線性CISK理論中，慣性穩(wěn)定度近似于f2，然而觀測(cè)結(jié)果和利用原始非線性方程和平衡模式的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果(Schubert and Hack，1982)表明，只有在熱帶氣旋發(fā)展的初始階段慣性穩(wěn)定可近似為f2。在大部分TC的快速加深階段，氣旋內(nèi)部的比 f大得多，在(r，z)平面中，慣性穩(wěn)定度的增加給空氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)增加了更多的阻力。Shapiro and Willoughby(1982)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切向風(fēng)隨著半徑的增大而減小得更慢時(shí)，增強(qiáng)的慣性穩(wěn)定度會(huì)使低層徑向流入減弱。Rappin et al.(2011)則發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)暴的高層流出與一個(gè)高慣性穩(wěn)定度區(qū)域相互作用時(shí)，TC加強(qiáng)的速率會(huì)發(fā)生減弱。陳聯(lián)壽和劉式適(1997)指出，慣性穩(wěn)定度對(duì)熱帶氣旋的尺度有影響:當(dāng)慣性穩(wěn)定度參數(shù)和層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù)隨著離中心的距離增加而增加時(shí)，熱帶氣旋的尺度增加;反之，則減小。

Bonnie于1998年8月14日生成于非洲西海岸，8月22日06時(shí)(世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，簡(jiǎn)稱UTC)升級(jí)為颶風(fēng)。Bonnie的發(fā)展過程很長(zhǎng)，向西北方向移動(dòng)，直至26日在美國(guó)北卡羅來納州南部登陸，給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重災(zāi)害，總損失約達(dá)10億美元，Pasch et al.(2001)對(duì)其發(fā)生發(fā)展過程及造成的損失進(jìn)行了詳細(xì)敘述。國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者對(duì)颶風(fēng)Bonnie進(jìn)行了大力研究，包括對(duì)Bonnie進(jìn)行數(shù)值模擬研究，利用高分辨率衛(wèi)星、飛行器雷達(dá)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)等進(jìn)行研究。Zhu et al.(2004)利用高分辨率非靜力平衡模式MM5(格距4 km)成功地再現(xiàn)了Bonnie生命史的各階段特征，并分析了Bonnie的強(qiáng)度變化，云和降水的不對(duì)稱，以及眼區(qū)、眼墻動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)領(lǐng)域的垂直結(jié)構(gòu)。他認(rèn)為Bonnie受風(fēng)垂直切變影響導(dǎo)致眼墻和風(fēng)暴中心向外傾斜，以及眼墻替換過程是受大尺度氣流影響。陸漢城等(2007)利用非對(duì)稱波分量的分解方法，使用Zhu et al.(2004)的模擬結(jié)果，對(duì)颶風(fēng)Bonnie中的中尺度波動(dòng)特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明熱帶風(fēng)暴中1波型擾動(dòng)存在渦旋波性質(zhì)(為主)和散度擾動(dòng)的變化，而2波型擾動(dòng)則具有明顯的混合波性質(zhì)。

本文擬使用上述Zhu et al.(2004)的高分辨率(格距4 km)MM5數(shù)值模擬颶風(fēng)Bonnie(1998)結(jié)果，時(shí)段為1998年8月23日12時(shí)15分—26日06時(shí)，數(shù)據(jù)每15 min一次，共66 h，264個(gè)時(shí)次，結(jié)合颶風(fēng)Bonnie的特殊結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化特點(diǎn)，研究颶風(fēng)Bonnie(1998)發(fā)生發(fā)展過程中的慣性穩(wěn)定度特征。

1 颶風(fēng)Bonnie路徑、強(qiáng)度變化及其風(fēng)垂直切變

1.1 颶風(fēng)Bonnie的發(fā)生發(fā)展過程

本文選取Bonnie由風(fēng)暴升級(jí)為颶風(fēng)后至登陸前的時(shí)段作為研究的時(shí)間范圍，即8月23日12時(shí)15分—26日06時(shí)(世界時(shí)，下同)。由圖1可以看出，颶風(fēng)路徑起始于巴哈馬群島南側(cè)以東，其走向?yàn)槲鞅毕颍顷懬奥窂缴韵蛘狈较蚱D(zhuǎn)。取最小海平面氣壓值(minimum sea level pressure，簡(jiǎn)稱MSLP)與900 hPa最大風(fēng)速(V)來描述颶風(fēng)Bonnie發(fā)生、發(fā)展過程中的強(qiáng)度變化，選取900 hPa氣壓層是因?yàn)檠蹓^(qū)900 hPa高度大約相當(dāng)于邊界層頂高度。

圖1 模擬的1998年8月23日12時(shí)15分—26日06時(shí)颶風(fēng)Bonnie的路徑(時(shí)間間隔為15 min)Fig.1 Simulated track of hurricane Bonnie from 1215 UTC 23 to 0600 UTC 26 August 1998(15 min interval)

圖2顯示，模式中颶風(fēng)Bonnie最小海平面氣壓與900 hPa最大風(fēng)速具有良好的匹配關(guān)系。本次颶風(fēng)強(qiáng)度經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱、再到強(qiáng)的過程。8月23日12時(shí)起，颶風(fēng)Bonnie逐漸增強(qiáng)，24日00時(shí)左右，V首次達(dá)到極大值，約為80 m/s，相對(duì)應(yīng)的MSLP也首次達(dá)到極小值，約為951 hPa。Bonnie的這一強(qiáng)度維持了一段時(shí)間，MSLP一直維持在952 hPa附近，V維持在68～80 m/s。該強(qiáng)度維持約12 h后，24日12時(shí)Bonnie逐漸減弱，25日10時(shí)左右，V達(dá)到極小值，僅為57 m/s，最低氣壓升至956 hPa以上。圖2清楚顯示Bonnie具有兩個(gè)不同的發(fā)展階段，即23日12時(shí)15分—24日06時(shí)和25日10時(shí)—26日06時(shí)。8月22—25日大部分時(shí)間，對(duì)流的云水平結(jié)構(gòu)(圖4a—d)是非常不對(duì)稱的，大多數(shù)雷達(dá)反射率在眼墻的東北象限。在此之后，MSLP和V相互匹配著減小和增大，Bonnie的強(qiáng)度又一次加大，氣旋從非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變?yōu)檩S對(duì)稱結(jié)構(gòu)。26日00時(shí)，颶風(fēng)強(qiáng)度持續(xù)加強(qiáng)，但Bonnie已經(jīng)移動(dòng)到較冷的海洋表面，且眼墻已經(jīng)擴(kuò)大，眼墻替換，眼墻半徑內(nèi)的對(duì)流相對(duì)較弱(圖4、5)。

圖2 1998年8月23日12時(shí)15分—26日06時(shí)颶風(fēng)Bonnie強(qiáng)度變化(空心方框線表示900 hPa最大風(fēng)速每小時(shí)平均值(單位:m/s);實(shí)心線表示最小海平面氣壓每小時(shí)平均值(單位:hPa))Fig.2 Intensity variation of hurricane Bonnie from 1215 UTC 23 to 0600 UTC 26 August 1998(Hollow box line represents the maximum wind speed(units:m/s)at 900 hPa and solid line represents minimum sea level pressure(units:hPa))

1.2 颶風(fēng)Bonnie的風(fēng)垂直切變演變特征

以往的研究結(jié)果表明，較大的風(fēng)垂直切變能有效抑制甚至減弱熱帶氣旋的強(qiáng)度。Duan et al.(2004)通過觀測(cè)分析認(rèn)為，由于風(fēng)垂直切變對(duì)TC的影響，上層釋放的潛熱能量從氣旋中平流出去，導(dǎo)致TC強(qiáng)度減弱。但也有學(xué)者不認(rèn)同這個(gè)說法，Holland and Wang(1999)通過數(shù)值研究認(rèn)為，水平風(fēng)垂直切變雖然會(huì)使熱帶氣旋增強(qiáng)的速率減緩，但它并不影響熱帶氣旋達(dá)到它的最大可能強(qiáng)度。Wong and Chan(2004)則認(rèn)為，二級(jí)環(huán)流非對(duì)稱是熱帶氣旋原有的對(duì)稱二級(jí)環(huán)流與水平風(fēng)垂直切變引起的非對(duì)稱二級(jí)環(huán)流疊加的結(jié)果，不同強(qiáng)度的風(fēng)垂直切變會(huì)造成不同的二級(jí)環(huán)流結(jié)構(gòu)。Frank and Ritchie(2001)發(fā)現(xiàn)，5～10 m·s－1的風(fēng)垂直切變不會(huì)立即減弱風(fēng)暴強(qiáng)度，風(fēng)垂直切變?cè)?0～15 m·s－1之間能減弱氣旋的強(qiáng)度。陳光華和裘國(guó)慶(2005)進(jìn)一步指出，產(chǎn)生TC非對(duì)稱性的眼墻中尺度過程對(duì)其強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)變化至關(guān)重要，外部的環(huán)境氣流也是通過這些眼墻的中尺度過程影響到TC的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)變化。由此可見，熱帶氣旋強(qiáng)度的變化會(huì)受到水平風(fēng)垂直切變的影響，但并不是簡(jiǎn)單的減緩或阻止熱帶氣旋強(qiáng)度的增強(qiáng)，且以上觀點(diǎn)中沒有對(duì)熱帶氣旋的發(fā)生、發(fā)展、成熟及消亡各階段中的水平風(fēng)垂直切變的作用分別進(jìn)行闡述，這些問題有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。

Zhu et al.(2004)研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境氣流對(duì)颶風(fēng)Bonnie的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度具有較大的影響。在颶風(fēng)Bonnie的發(fā)展過程中，水平風(fēng)垂直切變較大時(shí)，颶風(fēng)強(qiáng)度不減弱反而增強(qiáng)，因此基于Bonnie的這些特征，Bonnie成為了研究風(fēng)垂直切變?cè)龃髸r(shí)颶風(fēng)反而強(qiáng)度增強(qiáng)的典型個(gè)例。Rogers et al.(2003)通過對(duì)Bonnie的數(shù)值模擬研究了風(fēng)暴與其環(huán)境流的相互影響，揭示了風(fēng)垂直切變對(duì)降雨方位角變化的影響。鐘瑋等(2008)則通過模式資料和反演的準(zhǔn)平衡流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，颶風(fēng)眼墻和螺旋雨帶區(qū)域的風(fēng)垂直切變影響了颶風(fēng)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的形成和維持，強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的不均勻分布造成了Bonnie的非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)度維持的特征。陳國(guó)民等(2010)利用TC模式對(duì)颶風(fēng)Bonnie進(jìn)行敏感試驗(yàn)得知，能夠抑制熱帶氣旋強(qiáng)度甚至使之減弱的水平風(fēng)垂直切變的臨界值為8～10 m·s－1。沈陽(2012)的研究表明，在風(fēng)垂直切變影響下，垂直速度和降水場(chǎng)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變化程度與其切變的強(qiáng)度呈正比，風(fēng)垂直切變是颶風(fēng)Bonnie強(qiáng)度變化的主要影響因子。

為了研究颶風(fēng)Bonnie的環(huán)境風(fēng)場(chǎng)與颶風(fēng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，圖3給出200 hPa和850 hPa間風(fēng)垂直切變強(qiáng)度的時(shí)間演變。風(fēng)垂直切變的計(jì)算方法如下:162×162個(gè)格點(diǎn)的正方形網(wǎng)格內(nèi)，計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)在200 hPa和850 hPa間的風(fēng)垂直切變，

式中:s代表風(fēng)垂直切變;u200和u850分別表示200 hPa和850 hPa各格點(diǎn)的緯向風(fēng)速;v200和v850分別表示200 hPa和850 hPa各格點(diǎn)的經(jīng)向風(fēng)速。得出每個(gè)格點(diǎn)上的風(fēng)垂直切變后，再對(duì)整個(gè)區(qū)域的風(fēng)垂直切變做區(qū)域平均，得出風(fēng)垂直切變強(qiáng)度。

由圖3可見，風(fēng)垂直切變先增強(qiáng)后減弱再增強(qiáng);結(jié)合圖4和圖5可將Bonnie的生命史大致分為三個(gè)階段:第一階段是強(qiáng)風(fēng)垂直切變階段，從23日12時(shí)開始到24日12時(shí)，切變均大于12 m/s，24日06時(shí)左右達(dá)到極值22 m/s，此階段颶風(fēng)Bonnie的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)十分明顯;第二階段為強(qiáng)風(fēng)垂直切變減弱階段，24日12時(shí)到25日06時(shí)，該階段風(fēng)垂直切變的強(qiáng)度迅速減弱，由12 m/s減弱至6 m/s，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征也隨之減弱;第三階段為25日06時(shí)到26日06時(shí)，此階段為弱風(fēng)垂直切變階段，直至26日06時(shí)，風(fēng)垂直切變強(qiáng)度均小于6.5 m/s，Bonnie發(fā)展為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。綜上所述，颶風(fēng)Bonnie風(fēng)垂直切較大時(shí)，其非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征明顯;反之，風(fēng)垂直切較小時(shí)，其非對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征不明顯，這與已有的研究結(jié)果是一致的。

圖3 200 hPa和850 hPa間風(fēng)垂直切變強(qiáng)度(單位:m/s)Fig.3 Vertical wind shear strength between 200 hPa and 850 hPa(units:m/s)

2 不同風(fēng)垂直切變情況下颶風(fēng)Bonnie結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)風(fēng)垂直切變及颶風(fēng)強(qiáng)度變化，選取6個(gè)代表時(shí)次對(duì)不同物理量進(jìn)行討論，這6個(gè)時(shí)次分別為23日12時(shí)15分以及該時(shí)次后每隔12 h的5個(gè)時(shí)次。Bonnie在較強(qiáng)的風(fēng)垂直切變影響下，其多種物理要素的分布均呈現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱結(jié)構(gòu);當(dāng)風(fēng)垂直切變強(qiáng)度維持在5 m/s以下時(shí)(25日06時(shí)至26日05時(shí))，颶風(fēng)Bonnie開始逐漸發(fā)展為軸對(duì)稱化結(jié)構(gòu)。

2.1 水平結(jié)構(gòu)特征

圖4為颶風(fēng)Bonnie在700 hPa上的高度場(chǎng)、雷達(dá)反射率分布和水平風(fēng)場(chǎng)。由圖4a可見，第一階段，颶風(fēng)中心位勢(shì)高度最低為2 840 gpm，等高線由中心向外圍表現(xiàn)為稀疏—密集—稀疏的分布特征。根據(jù)雷達(dá)回波圖可以看出，颶風(fēng)結(jié)構(gòu)存在明顯的不對(duì)稱性，眼墻水平特征表現(xiàn)為不閉合狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)垂直切變強(qiáng)度約為13 m/s，Bonnie處于快速發(fā)展加強(qiáng)階段，外圍存在多條螺旋雨雨帶，結(jié)構(gòu)較為松散。Bonnie眼區(qū)右側(cè)的眼墻和螺旋雨帶的雷達(dá)反射率均達(dá)到20 dBz以上，說明該區(qū)域?qū)α髟瓢l(fā)展旺盛。由圖4b可知，此時(shí)眼區(qū)中心位勢(shì)高度已降至2 720 gpm，東側(cè)的強(qiáng)對(duì)流區(qū)比北側(cè)發(fā)展得更為旺盛，雷達(dá)反射率最大值達(dá)到55 dBz，相較于12 h前，其范圍明顯增大，眼墻和螺旋雨帶逐漸偏向東北象限。結(jié)果表明，第一階段風(fēng)垂直切變明顯增大，由于存在低層?xùn)|南氣流給東眼墻供應(yīng)能源、暖的洋面以及有利的上層輻散等條件，氣旋強(qiáng)度增加;而西半部分由于上層西北氣流接近(圖略)，容易產(chǎn)生下沉、變暖、干燥，從而抑制發(fā)展的深對(duì)流，這就產(chǎn)生了颶風(fēng)Bonnie的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

圖4 700 hPa上雷達(dá)反射率和水平風(fēng)及位勢(shì)高度的分布(陰影部分表示雷達(dá)反射率(單位:dBz);等值線表示高度(單位:gpm);箭矢表示水平風(fēng)場(chǎng)(單位:m/s)) a.23日12時(shí)15分;b.24日00時(shí)15分;c.24日12時(shí)15分;d.25日00時(shí)15分;e.25日12時(shí)15分;f.26日00時(shí)15分Fig.4 Distributions of radar reflectivity，horizontal wind and geopotential height at 700 hPa(shadings represent radar reflectivity(units:dBz);isolines represent geopotential height(units:gpm);arrows represent horizontal wind(units:m/s))a.1215 UTC 23 August;b.0015 UTC 24 August;c.1215 UTC 24 August;d.0015 UTC 25 August;e.1215 UTC 25 August;f.0015 UTC 26 August

由圖4d可見，第二階段，眼墻和螺旋雨帶所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)對(duì)流區(qū)集中在東北象限，強(qiáng)度減弱，但范圍有所增大(風(fēng)垂直切變強(qiáng)度為6 m/s)。眼墻周圍的雷達(dá)反射率大小基本不變，但外圍螺旋雨帶對(duì)流開始增強(qiáng)。該圖表明，Bonnie的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)持續(xù)到8月25日，隨著風(fēng)垂直切變強(qiáng)度的減弱(圖3)，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)檩S對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

第三階段，又過了12 h，8月25日12時(shí)15分，風(fēng)垂直切變僅為2 m/s左右，圖4e中水平結(jié)構(gòu)從高度不對(duì)稱結(jié)構(gòu)變?yōu)榻S對(duì)稱結(jié)構(gòu)，颶風(fēng)中心附近已經(jīng)發(fā)展成為閉合眼墻，強(qiáng)對(duì)流擾動(dòng)進(jìn)一步向中心匯聚，內(nèi)核尺度減小，但對(duì)流強(qiáng)度與上一時(shí)次相比明顯減弱，螺旋雨帶區(qū)域雷達(dá)反射率大小在50 dBz以內(nèi)。圖4e、f中，隨著颶風(fēng)Bonnie逐漸靠近陸地，眼墻出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，眼墻和螺旋雨帶結(jié)構(gòu)松散，此時(shí)正處于眼墻的替換階段(Sitkowski et al.，2012)。

2.2 垂直結(jié)構(gòu)特征

圖5為過颶風(fēng)中心、沿著東西方向的雷達(dá)反射率與水平風(fēng)速的垂直剖面圖。第一階段，圖5a具有明顯的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在距離颶風(fēng)中心1°的東側(cè)，出現(xiàn)超過40 m/s的切向風(fēng)速的大值中心，該區(qū)域?qū)α髅黠@強(qiáng)于西側(cè)。24日00時(shí)15分，圖5b中雷達(dá)回波范圍明顯增大，此時(shí)Bonnie的強(qiáng)度第一次達(dá)到極大值。由圖5a、b可以看出，隨著颶風(fēng)Bonnie的發(fā)展，強(qiáng)度逐漸增大，颶風(fēng)最大風(fēng)速半徑縮小，最大水平風(fēng)速增大。

第二階段，圖5c中，雷達(dá)反射率強(qiáng)度最大為50 dBz，相比于第一階段強(qiáng)度有所增強(qiáng)，但對(duì)流的范圍明顯減小。由圖5d可見，25日00時(shí)15分，颶風(fēng)強(qiáng)度幾乎達(dá)到極小值，眼墻及螺旋雨帶的雷達(dá)反射率大小均不超過50 dBz，比圖5c減小10 dBz，這與颶風(fēng)強(qiáng)度相吻合。但颶風(fēng)中心西側(cè)，77.5～78.0°W出現(xiàn)了超過45 dBz的強(qiáng)對(duì)流單體。

第三階段，圖5e中，Bonnie又一次增強(qiáng)，雷達(dá)回波范圍再次增大且強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)Bonnie向美國(guó)東海岸移動(dòng)時(shí)，颶風(fēng)眼墻有一次替換過程。圖5e中，在距離中心0.5°處有同心內(nèi)眼墻，并在距離中心1°處有一個(gè)外側(cè)同心眼墻，內(nèi)外眼墻強(qiáng)度相似，眼墻和螺旋雨帶從非對(duì)稱結(jié)構(gòu)變成高度對(duì)稱結(jié)構(gòu)。隨著颶風(fēng)的發(fā)展，圖5f中內(nèi)眼墻消失，眼墻半徑擴(kuò)大，對(duì)流減弱，但因?yàn)樵谧畲箫L(fēng)速帶內(nèi)的氣流具有較高的慣性穩(wěn)定度，所以隨著時(shí)間的改變，颶風(fēng)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化不大。

熱帶風(fēng)暴眼墻和螺旋雨帶的不對(duì)稱性，在熱帶氣旋的路徑以及強(qiáng)度變化中起著重要作用，對(duì)其動(dòng)力性質(zhì)的研究是整個(gè)熱帶氣旋的研究重點(diǎn)。在颶風(fēng)Bonnie的生命期中，它經(jīng)歷了復(fù)雜的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化。雷達(dá)反射率因子的演變過程(圖4、圖5)顯示，1998年8月23—25日Bonnie為非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為迅速加強(qiáng)階段;隨后通過眼墻的替換，它發(fā)展為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的演變可以通過風(fēng)垂直切變(圖3)來解釋(Zhu et al.，2004;Hogsett and Zhang，2009)，當(dāng)處于眼墻不完整發(fā)展階段時(shí)，風(fēng)垂直切變達(dá)到最強(qiáng)。在颶風(fēng)的東北象限有對(duì)流旺盛區(qū)，而西南象限則幾乎沒有對(duì)流發(fā)展。8月25—26日，Bonnie發(fā)展成為典型的軸對(duì)稱颶風(fēng)，圖4e、f和圖5e、f中，雷達(dá)反射率因子和水平風(fēng)場(chǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)出高度軸對(duì)稱化，同時(shí)在距離颶風(fēng)中心50 km處為內(nèi)眼墻，150 km處為外眼墻，在較遠(yuǎn)的400 km處存在一條較弱的螺旋雨帶，此時(shí)Bonnie正經(jīng)歷眼墻替換過程。

3 颶風(fēng)Bonnie的慣性穩(wěn)定度分析

慣性穩(wěn)定度參數(shù)是一個(gè)非常重要的動(dòng)力參數(shù)，可以體現(xiàn)出對(duì)徑向流入氣流的阻力。位于主眼墻附近和內(nèi)部的區(qū)域通常有高漩渦，這個(gè)區(qū)域具有強(qiáng)慣性穩(wěn)定度。高慣性穩(wěn)定區(qū)域限制了低層徑向運(yùn)動(dòng)，這是颶風(fēng)內(nèi)核發(fā)展的一個(gè)重要因素。從慣性穩(wěn)定度(I2)的表達(dá)式可知，它體現(xiàn)了風(fēng)速的水平切變變化。在大多數(shù)情況下，切向風(fēng)速隨時(shí)間增加最快的區(qū)域?yàn)樽畲箫L(fēng)速半徑內(nèi)側(cè)，從而導(dǎo)致最大風(fēng)速半徑收縮。

圖6給出了颶風(fēng)Bonnie的慣性穩(wěn)定度I2的高度—徑向軸對(duì)稱分布演變情況。第一階段，圖6a顯示，慣性穩(wěn)定度I2在行星邊界層(planetary boundary layer，簡(jiǎn)稱PBL)的頂點(diǎn)附近達(dá)到峰值，為6×10－6s－1，隨著高度增加迅速降低，其脊線與內(nèi)眼墻的上升氣流位置重合，高層的慣性穩(wěn)定度值更低，這使得颶風(fēng)眼內(nèi)氣團(tuán)向內(nèi)的沉降在高層更明顯。圖6b中，隨著颶風(fēng)增強(qiáng)，此時(shí)慣性穩(wěn)定度 I2達(dá)到最強(qiáng)，在PBL頂點(diǎn)附近的峰值達(dá)到11×10－6s－1。比較圖6a、b可以發(fā)現(xiàn)，隨著颶風(fēng)強(qiáng)度變大，慣性穩(wěn)定度極值中心向颶風(fēng)中心靠近，且其梯度也有所增加。

第二階段，慣性穩(wěn)定度極值有所降低，分別為7×10－6s－1、5 ×10－6s－1。最后階段，慣性穩(wěn)定度極值維持在3.5×10－6s－1左右。圖6e中，由于慣性穩(wěn)定度大值區(qū)范圍擴(kuò)大，對(duì)流層低層的切向加速度變大。慣性穩(wěn)定度梯度在最大風(fēng)速半徑附近通常是相當(dāng)大的，這樣將會(huì)有一個(gè)相應(yīng)的切向加速度梯度出現(xiàn)。這種慣性穩(wěn)定度的分布結(jié)果導(dǎo)致最大風(fēng)速半徑收縮，此時(shí)(圖4e、5e)颶風(fēng)正處于眼墻替換階段，內(nèi)眼墻減弱，外眼墻向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。圖6c—f中，慣性穩(wěn)定度極值中心隨著時(shí)間的推移距離颶風(fēng)中心越來越遠(yuǎn)，慣性穩(wěn)定度極值在風(fēng)暴中心附近顯著降低，眼區(qū)變得更加對(duì)稱，慣性穩(wěn)定度分布與颶風(fēng)眼墻半徑匹配良好。根據(jù)上述颶風(fēng)結(jié)構(gòu)可知，圖6c—f中，颶風(fēng)正處于眼墻替換過程(eyewall replacement cycle，簡(jiǎn)稱ERC)中，慣性穩(wěn)定度大值區(qū)從距離颶風(fēng)中心20 km處向外移至60 km處，先出現(xiàn)雙眼墻，隨后內(nèi)眼墻消失，外眼墻增強(qiáng)并收縮，形成新的眼墻，在眼區(qū)內(nèi)，Bonnie形成了半徑約為80 km的高慣性穩(wěn)定度區(qū)域。由此可見，慣性穩(wěn)定度大值區(qū)分布范圍隨颶風(fēng)眼墻半徑的增大而擴(kuò)大，水平方向上，在內(nèi)眼墻位置處慣性穩(wěn)定度值最大;垂直方向上，在PBL頂處慣性穩(wěn)定度達(dá)到峰值;慣性穩(wěn)定度隨高度減小，其脊軸位于內(nèi)眼墻上升氣流位置處。對(duì)流層底層的慣性穩(wěn)定度較大，表明颶風(fēng)渦流在對(duì)流低層更穩(wěn)定(Zhang and Kieu，2006)。

圖5 過颶風(fēng)眼中心的經(jīng)度—高度剖面(陰影部分表示雷達(dá)反射率(單位:dBz);等值線表示水平風(fēng)速(單位:m/s)) a.23日12時(shí)15分;b.24日00時(shí)15分;c.24日12時(shí)15分;d.25日00時(shí)15分;e.25日12時(shí)15分;f.26日00時(shí)15分Fig.5 Longitutde－h(huán)eight cross sections through the center of the hurricane eye(shadings denote radar reflectivity(units:dBz)and isolines denote horizontal wind speed(units:m/s)) a.1215 UTC 23 August;b.0015 UTC 24 August;c.1215 UTC 24 August;d.0015 UTC 25 August;e.1215 UTC 25 August;f.0015 UTC 26 August

圖6 不同時(shí)刻慣性穩(wěn)定度參數(shù)I2與雷達(dá)反射率的徑向—垂直剖面(橫軸為離颶風(fēng)眼的距離(單位:km);陰影部分表示雷達(dá)反射率(單位:dBz);等值線表示慣性穩(wěn)定度參數(shù)I2(單位:10－6s－1)) a.23日12—13時(shí);b.24日00—01時(shí);c.24日12—13時(shí);d.25日00—01時(shí);e.25日12—13時(shí);f.26日00—01時(shí)Fig.6 Radial－vertical sections of inertial stability parameter I2and radar reflectivity at different times(the horizontal axes are the distance from the hurricane eye(units:km)，the shaded areas represent radar reflectivity(units:dBz)，and the isolines represent inertial stability parameter I2(units:10 －6s－1)) a.1200—1300 UTC 23 August;b.0000—0010 UTC 24 August;c.1200—1300 UTC 24 August;d.0000—0010 UTC 25 August;e.1200—1300 UTC 25 August;f.0000—0010 UTC 26 August

圖6中，雷達(dá)反射率因子的強(qiáng)度也呈現(xiàn)增強(qiáng)—減弱—增強(qiáng)的變化趨勢(shì)。雷達(dá)反射率因子到颶風(fēng)中心的距離變化與I2的極值中心到颶風(fēng)中心的距離變化大致相同，都表現(xiàn)為減小—增大—減小的變化趨勢(shì)。隨著時(shí)間的增加，圖6d—f中，對(duì)流逐漸增強(qiáng)，強(qiáng)對(duì)流范圍逐漸增大。23日12時(shí)至24日00時(shí)，慣性穩(wěn)定度大值區(qū)內(nèi)的對(duì)流強(qiáng)度減弱，表現(xiàn)了慣性穩(wěn)定度限制徑向運(yùn)動(dòng)和限制兩個(gè)不同氣團(tuán)混合的能力。隨著Bonnie減弱，慣性穩(wěn)定度也隨之遠(yuǎn)離颶風(fēng)中心并向?qū)α骰顒?dòng)最強(qiáng)處靠近，因此，較高的慣性穩(wěn)定度的向外發(fā)展與風(fēng)暴的內(nèi)核尺度的外向發(fā)展一致。在高慣性穩(wěn)定度區(qū)域外側(cè)，外眼墻以及螺旋雨帶的對(duì)流強(qiáng)度達(dá)到最大，超過35 dBz。

Musgrave et al.(2012)指出了Rossby變形半徑在診斷颶風(fēng)結(jié)構(gòu)發(fā)展中的作用。Rossby變形半徑的表達(dá)式為L(zhǎng)R=NH/(ζ+f)。其中:N為布朗特—維色拉頻率(Brunt V?is?la frequency);H為系統(tǒng)的深度;ζ為系統(tǒng)的相對(duì)渦度;f是科里奧利參數(shù)。當(dāng)Rossby變形半徑減小時(shí)，將使得潛熱釋放集中，有利于颶風(fēng)加強(qiáng)(見Musgrave et al.(2012)中圖12)。從慣性穩(wěn)定度的表達(dá)式可以清楚地看到，慣性穩(wěn)定度的增大對(duì)應(yīng)著Rossby變形半徑的減小，同時(shí)削弱風(fēng)垂直切變影響。在颶風(fēng)Bonnie的結(jié)構(gòu)發(fā)展中，較高的慣性穩(wěn)定度發(fā)展與風(fēng)暴的內(nèi)核尺度發(fā)展一致正是該結(jié)果的體現(xiàn)。

4 結(jié)論

颶風(fēng)Bonnie的風(fēng)垂直切變變大時(shí)，非對(duì)稱結(jié)構(gòu)顯著;風(fēng)垂直切變變小時(shí)，軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)顯著。根據(jù)風(fēng)垂直切變隨時(shí)間的變化，將颶風(fēng)Bonnie的發(fā)生、發(fā)展過程中劃分為3個(gè)階段，并對(duì)3個(gè)發(fā)展階段的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及慣性穩(wěn)定度特征進(jìn)行了分析。在這3個(gè)階段中，較高的慣性穩(wěn)定度的范圍與風(fēng)暴的內(nèi)核尺度發(fā)展一致，第一階段颶風(fēng)加強(qiáng)，慣性穩(wěn)定度大值區(qū)向內(nèi)核收縮，在第二、三階段的眼墻替換過程中，內(nèi)眼墻消失，新眼墻形成，慣性穩(wěn)定度大值區(qū)又向外運(yùn)動(dòng)。高慣性穩(wěn)定度提供阻抗徑向運(yùn)動(dòng)，阻止了對(duì)流層低層的徑向運(yùn)動(dòng)，使得Rossby變形半徑減小，導(dǎo)致潛熱釋放集中，這對(duì)颶風(fēng)加強(qiáng)起到十分重要的作用，這是颶風(fēng)內(nèi)核發(fā)展的一個(gè)重要因素。

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