華東沿海地形對登陸熱帶氣旋運動影響的理想數(shù)值研究

陳小宇 吳立廣 吳玉琴

摘要利用中尺度數(shù)值模式設(shè)計一組高分辨率理想試驗，采用位渦趨勢方法定量診斷分析熱帶氣旋在登陸我國華東沿海地形時，其運動發(fā)生的精細(xì)化變化以及不同因子的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明，平地的存在使得登陸熱帶氣旋移速相對更快，當(dāng)華東沿海地形存在時，熱帶氣旋移速顯著增大，這種增速現(xiàn)象主要是由于平地和地形所引起的非對稱氣流以及相應(yīng)的引導(dǎo)氣流變化所致，這很可能是導(dǎo)致預(yù)報路徑誤差的一個重要原因。平地試驗中，陸地在熱帶氣旋低層激發(fā)出中小尺度的非對稱氣流，與之不同的是，實際地形的加入激發(fā)出更大尺度并且更強(qiáng)的非對稱偏南氣流。位渦趨勢方法的診斷結(jié)果表明，非引導(dǎo)效應(yīng)總體而言對熱帶氣旋運動貢獻(xiàn)較小，這是因為這些因子相互抵消，但在不同的垂直層次上，不同的非引導(dǎo)因子貢獻(xiàn)存在明顯的差異。

關(guān)鍵詞登陸熱帶氣旋運動；地形；非對稱氣流；位渦趨勢方法

熱帶氣旋（TC）的路徑和運動一直以來都是熱帶氣旋預(yù)報和研究中最為重要的方面之一，路徑預(yù)報的準(zhǔn)確度直接關(guān)系著強(qiáng)度、降水以及災(zāi)害等方面的預(yù)報結(jié)果。早期的觀點大多認(rèn)為熱帶氣旋的運動主要受大尺度環(huán)境氣流的引導(dǎo)效應(yīng)所影響（Adem and Lezama，1960；George and Gray，1976；Neumanm，1979；Chan and Gray，1982）。但許多學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，觀測中熱帶氣旋的運動方向和環(huán)境氣流的方向之間始終存在一定的偏差，并且這種偏差并不是由于引導(dǎo)氣流計算方式和范圍的差別所引起的（George and Gray，1976；DeMaria，1985；Chan and Williams，1987；Fiorino and Elsberry，1989）。早在20世紀(jì)80年代初，Holland（1983）就提出了β漂移（βdrift）理論，對這一現(xiàn)象的機(jī)制進(jìn)行了解釋，發(fā)現(xiàn)行星渦度的經(jīng)向梯度在熱帶氣旋內(nèi)部激發(fā)出一對渦旋對，渦旋對之間的向極向西的通風(fēng)流是導(dǎo)致熱帶氣旋運動與環(huán)境引導(dǎo)氣流存在偏差的原因。這一理論得到后續(xù)大量的觀測和數(shù)值研究的驗證（Holland，1983；Chan and Williams，1987；Fiorino and Elsberry，1989；Willoughby，1990，1992；Peng and Williams，1990；Li and Wang，1994；Wang et al.，1997）。

除了環(huán)境導(dǎo)引和β漂移之外，Wu and Wang（2000）發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋運動還受到非引導(dǎo)氣流效應(yīng)的影響。他們提出了一種新的診斷方法，把熱帶氣旋看作具有較強(qiáng)正位勢渦度（PV）異常的系統(tǒng)，因此將熱帶氣旋運動與位勢渦度的趨勢變化聯(lián)系起來，這種方法被稱為位渦趨勢（PVT）方法。該方法不僅考慮傳統(tǒng)的引導(dǎo)氣流和β漂移的作用，還包含了垂直運動、非絕熱加熱以及摩擦等非引導(dǎo)效應(yīng)對于熱帶氣旋運動的貢獻(xiàn)。Wu and Wang（2001a，2001b）利用這一方法進(jìn)一步分析了絕熱加熱和非絕熱加熱情形下，引導(dǎo)和非引導(dǎo)效應(yīng)對于熱帶氣旋運動的貢獻(xiàn)。Chan et al.（2002）采用該方法診斷觀測中熱帶氣旋路徑變化時，發(fā)現(xiàn)不同的因子對于各種類型的熱帶氣旋路徑貢獻(xiàn)有所差別。此外，一些研究在分析熱帶氣旋登陸的理想試驗和個例模擬中利用該診斷方法區(qū)別不同物理過程的作用（Wong and Chan，2006；吳玉琴等，2015）。這些結(jié)果表明，位渦趨勢方法相比于傳統(tǒng)的引導(dǎo)氣流方法，可以更好地應(yīng)用于熱帶氣旋運動的診斷分析中。

登陸熱帶氣旋給我國沿海地區(qū)的人民生命財產(chǎn)安全造成了巨大的損失（Zhang et al.，2009；張嬌艷等，2011；曹劍等，2012；李肖雅等，2014），因此對于登陸熱帶氣旋路徑的研究直接關(guān)系著災(zāi)害損失和防臺減災(zāi)工作的展開。Tuleya and Kurihara（1978）最早設(shè)計了理想試驗以研究登陸熱帶氣旋的特征變化。在這之后，許多研究針對島嶼和山脈地形（例如臺灣島）進(jìn)行了大量的觀測和數(shù)值研究（Chang，1982；Bender et al.，1987；Yeh and Elsberry，1993a，1993b；Lin et al.，2005；Jian and Wu，2008；Yang et al.，2008；Huang et al.，2011；Wang et al.，2012；Xie and Zhang，2012）。與之相對應(yīng)的是，較少有研究涉及大陸地形對熱帶氣旋路徑的影響。針對這一問題，Wong and Chan（2006）設(shè)計了幾組理想試驗，研究在沒有背景氣流和地形的影響下，熱帶氣旋登陸f平面的平坦陸地過程中運動的變化。他們發(fā)現(xiàn)陸地的存在激發(fā)熱帶氣旋環(huán)流產(chǎn)生不對稱的結(jié)構(gòu)，這種不對稱性逐漸發(fā)展，最終使得熱帶氣旋產(chǎn)生向陸地的運動趨勢，運動速度約為1 m/s。這些結(jié)果表明，陸地使得熱帶氣旋的不對稱結(jié)構(gòu)發(fā)展從而可能導(dǎo)致登陸過程中移速增加。后續(xù)的數(shù)值研究進(jìn)一步驗證，在β平面和三角洲地形影響下這種運動加速現(xiàn)象的存在（AuYeung and Chan，2010；Szeto and Chan，2010），但是這種研究中同樣沒有考慮環(huán)境氣流的影響。針對這一問題，Li et al.（2013）在試驗中加入了均勻的環(huán)境氣流，發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，但是他們在研究中著重關(guān)注熱帶氣旋登陸過程中降水的變化，缺乏對于運動變化的定量性分析。在熱帶氣旋登陸大陸地形的過程中，較少有研究考慮環(huán)境氣流的影響，尤其當(dāng)環(huán)境氣流和地形高度同時存在時，會對登陸熱帶氣旋運動產(chǎn)生何種影響，仍然缺乏更深入的認(rèn)識。

近三十年間，登陸我國的熱帶氣旋陸上持續(xù)時間和移動速度都出現(xiàn)了明顯的變化（Chen et al.，2011），一些研究結(jié)果也表明，登陸我國大陸與海南島的熱帶氣旋造成了重大的直接經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡（Zhang et al.，2009；張嬌艷等，2011），但是對于登陸我國大陸沿海地區(qū)的熱帶氣旋的運動研究仍然偏少。因此，本文設(shè)計高分辨率的理想試驗?zāi)M熱帶氣旋登陸我國華東沿海地區(qū)，通過對比試驗結(jié)果定量地診斷背景氣流和華東地區(qū)實際地形對于登陸熱帶氣旋運動的影響，以及不同的物理過程對于運動變化的貢獻(xiàn)。

1資料與試驗設(shè)計

使用WRFARW V 221模式，試驗設(shè)計采用了五層網(wǎng)格雙向嵌套設(shè)置，最外層網(wǎng)格為水平分辨率27 km，格點數(shù)為230×210，網(wǎng)格中心點為1325°E、300°N。四層內(nèi)網(wǎng)格的水平分辨率分別為9、3、1、1/3 km，格點數(shù)分別為432×399、333×333、501×501以及720×720。模式的垂直層次為40層，模式頂氣壓為50 hPa。最外兩層網(wǎng)格為固定網(wǎng)格，其范圍設(shè)置足夠包含了西北太平洋海域的主要系統(tǒng)的發(fā)展和演變；最內(nèi)三層網(wǎng)格為移動網(wǎng)格，伴隨著模擬的熱帶氣旋運動而移動，主要覆蓋了逐個時次上的熱帶氣旋影響范圍。

選取2005年典型熱帶氣旋“麥莎”活動并登陸的2005年8月5—9日這一時段，利用Lanczos時間濾波方法（Duchon，1979）得出該時段的20 d以上低頻背景場作為試驗的背景場（圖1）。8月5號00時（世界時，下同），“麥莎”位于臺灣東北側(cè)洋面之上，此時該熱帶氣旋的近地面風(fēng)速約為45 m·s-1，在后續(xù)的3 d中，“麥莎”沿著環(huán)境場氣流向西北方向移動并于8月5日19時40分在我國東南沿海地區(qū)登陸，登陸之后強(qiáng)度開始下降并逐漸消散。初始時刻，該低頻背景場呈現(xiàn)出典型的西北太平洋夏季的環(huán)流形式，主要表現(xiàn)為較為明顯的季風(fēng)槽和副高的分布特征。需要指出的是由于環(huán)境場已經(jīng)過濾波處理（已去除20 d以下頻段的系統(tǒng)），因此后續(xù)登陸試驗中的TC路徑與強(qiáng)度均與臺風(fēng)“麥莎”存在明顯區(qū)別。

最外層網(wǎng)格的微物理參數(shù)化方案和積云對流方案分別采用WSM3簡單冰方案和KainFritropical cycloneh方案（Dudhia，1989；Kain and Fritch，1993），第二至第五層網(wǎng)格采用WSM6微物理方案并關(guān)閉積云對流方案（Hong and Lim，2006）。邊界層過程選用的是Yonsei University 邊界層方案（Noh et al.，2003），輻射過程選擇了Dudhia 短波方案（Dudhia，1989）、Rapid Radiative Transfer Model（RRTM）長波方案（Mlawer et al.，1997），陸面過程采用的是Noah陸面過程模式。模式初始化選用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）發(fā)布的分辨率為1°×1°的FNL全球分析資料（Final Operational Global Analysis），該資料時間間隔為6 h。試驗中對最外層網(wǎng)格進(jìn)行張弛逼近（Nudging），以便積分過程的背景場更為穩(wěn)定。最外層網(wǎng)格的積分時間步長為90 s，總積分時間為96 h。

在該低頻背景場中，放入人工構(gòu)造的理想軸對稱渦旋。為了進(jìn)一步改進(jìn)人造渦旋的結(jié)構(gòu)和風(fēng)壓關(guān)系，本研究中，預(yù)先將構(gòu)造的理想軸對稱渦旋放入一個f平面無環(huán)境場的全海洋試驗中，讓渦旋在該環(huán)境中進(jìn)行初旋（Spinup），使其結(jié)構(gòu)和風(fēng)壓關(guān)系得到模式動力與熱力過程的調(diào)整和改善。進(jìn)行初旋之前，構(gòu)造的理想渦旋的海平面最低氣壓為994 hPa，近地面最大風(fēng)速約30 m·s-1。經(jīng)過12 h的初旋后，該渦旋結(jié)構(gòu)依然保持對稱，海平面最低氣壓下降至965 hPa，近地面最大風(fēng)速達(dá)到40 m·s-1，已達(dá)到了臺風(fēng)強(qiáng)度（圖2）。之后從初旋試驗結(jié)果中計算得出該渦旋的風(fēng)場、溫度場、濕度場以及氣壓場等物理變量，加入圖1所示低頻背景場之中與熱帶氣旋“麥莎”（8月5日00時）相近的位置（1226°E，251°N），使其沿著季風(fēng)槽與副高之間的東南氣流向西北方向運動，之后登陸我國華東沿海地區(qū)。

在低頻背景場和理想渦旋的基礎(chǔ)上，設(shè)計一組理想試驗，以此對比分析在高分辨率的情況下，熱帶氣旋在登陸過程中運動的精細(xì)化變化。三個試驗分別為全海洋試驗（OCN），平地試驗（FLT）和地形試驗（TOP）。全海洋試驗中，將整個區(qū)域的下墊面和表層屬性全部設(shè)置成海洋屬性；平地試驗中，去除所有的地形高度，將其全部設(shè)置為0；而在地形試驗中，包括真實的地形高度和分布。同時，在所有試驗中，海平面溫度統(tǒng)一設(shè)置為29 ℃，在平地和地形試驗中，地表溫度也同樣設(shè)置為29 ℃，這么設(shè)置是為了排除海平面和地表溫度的差異所可能造成的熱帶氣旋登陸過程中的差異。同時，在平地和地形試驗中，陸表屬性也設(shè)置為均一的類型，本研究中選擇的陸表類型是我國華中華北地區(qū)常見的灌溉型農(nóng)田與牧場（irrigated cropland and pasture），該類型的地表摩擦層厚度為007 m。

2模擬結(jié)果

圖3給出了模擬的海洋試驗、平地試驗以及地形試驗中熱帶氣旋的積分前48 h移動路徑，其中熱帶氣旋中心定義為最大方位角平均的切向風(fēng)所對應(yīng)的中心（Wu et al.，2006）。為了剔除地形對低層氣旋環(huán)流的影響，三組實驗中將700 hPa氣旋中心的移動軌跡作為氣旋整體的移動路徑。從圖3可以看出，三組試驗中熱帶氣旋的運動方向一致但是移速存在區(qū)別，其中海洋試驗、平地實驗、地形試驗中熱帶氣旋分別在積分42 h、39 h、24 h到達(dá)海岸線，這表明在平地試驗、地形試驗中熱帶氣旋的移動速度較海洋試驗中更快。需要指出的是，在海洋試驗中去除了陸地和地形，因此在該試驗的分析中將熱帶氣旋移動至原陸地位置的時刻定義為該試驗的登陸時刻。

從強(qiáng)度模擬結(jié)果（圖4）看，平地實驗、地形試驗中熱帶氣旋登陸后強(qiáng)度迅速減弱，48 h后，兩個試驗中熱帶氣旋近地面風(fēng)速降為熱帶風(fēng)暴級別。在海洋試驗中，渦旋在積分前12 h強(qiáng)度增加，并維持在40 m/s。與海洋試驗類似，平地試驗和地形試驗中氣旋在海洋中移動強(qiáng)度增加，在登陸前3 h氣旋強(qiáng)度開始減弱。熱帶氣旋登陸時，平地試驗、地形試驗中熱帶氣旋強(qiáng)度為310、313 m/s，登陸9 h后兩個試驗中強(qiáng)度減弱為194、176 m/s。積分48 h后，三個試驗中熱帶氣旋強(qiáng)度分別為：383、191、148 m/s。海平面氣壓場的變化表明，在登陸前24 h，三個試驗中熱帶氣旋的海平面最低氣壓接近，但這之后，海洋試驗熱帶氣旋繼續(xù)增強(qiáng)，氣壓持續(xù)下降。與之相反的是，平地和地形試驗中的熱帶氣旋在登陸前氣壓即開始上升，登陸后12 h，海洋試驗、平地試驗和地形試驗中的熱帶氣旋海平面最低氣壓分別為950、976、989 hPa，同樣表明了地形試驗中熱帶氣旋強(qiáng)度下降的速率更大。

吳玉琴等（2015）利用WRF模式模擬熱帶氣旋“莫拉克”（2008），通過考慮熱帶氣旋在移動過程中自身的PV一波發(fā)展改進(jìn)了原有的PVT診斷方法，并通過對比PVT估算速度、大尺度環(huán)境引導(dǎo)氣流與模擬的熱帶氣旋移速，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的PVT估算速度較引導(dǎo)氣流能更好地表征熱帶氣旋的運動，特別是在熱帶氣旋運動出現(xiàn)振蕩時刻。因此，本文利用改進(jìn)后的PVT方法診斷理想試驗結(jié)果，重點分析熱帶氣旋登陸過程中引導(dǎo)效應(yīng)與非對稱結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系。

為了評估大尺度環(huán)境引導(dǎo)氣流與PVT估算速度在表征熱帶氣旋移動上的差異，在此分別計算了海洋、平地、地形數(shù)值試驗中熱帶氣旋移速、PVT估算速度、引導(dǎo)氣流的對比（圖5）。參考前人計算方法（Wu and Wang，2000；吳玉琴等，2015），計算PVT各項估算速度和引導(dǎo)氣流時采用第二層網(wǎng)格（D02）的固定坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，熱帶氣旋移速采用第五層高分辨率網(wǎng)格中的氣旋中心計算得出。此外，三個數(shù)值試驗中各垂直層上PVT估算速度均為以熱帶氣旋中心為中心，直徑為540 km的圓形區(qū)域計算，垂直方向上采用850～300 hPa多層平均，各層引導(dǎo)氣流采用相同的計算范圍和垂直層次所得，熱帶氣旋移速為前后兩小時位置差計算所得。

32熱帶氣旋移速的差異

三個數(shù)值試驗中，熱帶氣旋的移速出現(xiàn)明顯的差異。海洋、平地和地形試驗中氣旋在登陸前后的37 h平均移速分別為267、313、462 m/s，同時段平均引導(dǎo)氣流大小分別為251、271、423 m/s。這表明在平地試驗中即出現(xiàn)了熱帶氣旋登陸增速的現(xiàn)象，與Wong and Chan （2006）結(jié)果類似，但僅約05 m/s的增速幅度明顯小于他們所發(fā)現(xiàn)的1 m/s的增幅，這可能是由于本研究中所采用的地表摩擦層厚度僅為007 m，小于Wong and Chan （2006）的試驗設(shè)置。更值得注意的是，在地形試驗中，熱帶氣旋移速相對于海洋試驗中的結(jié)果增加了約2 m/s，表明實際地形的存在使得熱帶氣旋在登陸過程中移速顯著增大，并且這種現(xiàn)象很可能是由于引導(dǎo)氣流的增大所導(dǎo)致。楊瓊瓊和吳立廣（2015）在分析臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差時發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的預(yù)報誤差來源于臺風(fēng)移速的預(yù)報偏差而非移動方向的偏差，因此在環(huán)境氣流和地形共同影響下，熱帶氣旋登陸時運動所出現(xiàn)的變化很可能是導(dǎo)致路徑預(yù)報誤差的一個重要原因。

分析試驗中熱帶氣旋移速的經(jīng)向和緯向分量后發(fā)現(xiàn)，PVT估算速度較引導(dǎo)氣流更接近熱帶氣旋的移速（圖5），特別是在熱帶氣旋移動過程中出現(xiàn)速度突變情況下，例如海洋試驗和平地試驗中熱帶氣旋登陸前后6 h經(jīng)向和緯向速度均出現(xiàn)短時振蕩特征（圖3a—d），PVT估算速度很好地表征了熱帶氣旋移動中的速度變化特征，而傳統(tǒng)的引導(dǎo)氣流計算難以表征這一現(xiàn)象。熱帶氣旋登陸前24 h到登陸后12 h內(nèi)，平地試驗中平均經(jīng)向、緯向速度分別為-123、286 m/s，平均PVT估算速度為-116、262 m/s，相應(yīng)的平均引導(dǎo)氣流為-057、263 m/s。PVT估算速度與熱帶氣旋移速之間均方根誤差分別為013、029 m/s，引導(dǎo)氣流與熱帶氣旋移速之間均方根誤差為066、04 m/s，從計算的平均移速、均方根誤差數(shù)值上都可以看出PVT估算速度相較于引導(dǎo)氣流能更好地表征熱帶氣旋的移動，并且在海洋試驗和地形試驗中存在類似的結(jié)果。這是由于PVT診斷方法不僅包含了大尺度環(huán)境引導(dǎo)氣流對熱帶氣旋運動的作用，還包含了熱帶氣旋結(jié)構(gòu)變化、非絕熱加熱、PV垂直平流等對熱帶氣旋運動的作用。需特別指出的是，在地形試驗中的熱帶氣旋經(jīng)向速度分析中，PVT速度與熱帶氣旋移速的均方根誤差略大于引導(dǎo)氣流的偏差，這主要是由于該試驗中熱帶氣旋強(qiáng)度的迅速下降所導(dǎo)致的，但PVT方法仍然可以更好地再現(xiàn)熱帶氣旋在登陸前后的緯向速度以及經(jīng)向速度的振蕩。結(jié)合上述結(jié)果，可利用PVT診斷方法診斷三個數(shù)值試驗中熱帶氣旋運動的差異。

Wu and Wang（2000）指出局地PV一波變化由PV的水平平流、PV垂直平流、非絕熱加熱、摩擦四項組成，為了評估各物理過程對熱帶氣旋運動的作用，在此分別計算三組數(shù)值試驗中PV的水平平流（簡稱HA）、PV垂直平流（簡稱VA）、非絕熱加熱（簡稱DH）、摩擦（簡稱FR）對應(yīng)的估算速度與PVT估算速度的對比（圖6）。

從圖6可以看出，三組數(shù)值試驗中PV水平平流對應(yīng)的估算速度最接近PVT估算速度，在海洋數(shù)值試驗中，PVT、HA、VA、DH、FR各項所對應(yīng)的緯向估算速度為-087、-021、-07、005、-001 m/s，經(jīng)向速度為242、261、038、-043、-014 m/s，相應(yīng)的引導(dǎo)氣流為-052、243 m/s。從數(shù)值上可以看出，HA對應(yīng)的估算速度接近引導(dǎo)氣流的大小，從長時間平均來看，HA對熱帶氣旋運動的作用要遠(yuǎn)大于其他三項的作用總和，此外，VA與DH對熱帶氣旋運動的作用是相互抵消的，這也導(dǎo)致了熱帶氣旋的移動基本由HA決定。與海洋試驗相同，平地試驗與地形試驗中HA對PVT的貢獻(xiàn)最大，但HA與引導(dǎo)氣流之間的差異相比海洋試驗增加，這可能是兩個試驗登陸過程中由熱帶氣旋非對稱結(jié)構(gòu)的發(fā)展引起的非引導(dǎo)效應(yīng)所導(dǎo)致的?？傮w而言，PVT方法診斷的結(jié)果表明，HA項對于三個試驗熱帶氣旋的運動起著最重要的貢獻(xiàn)，同時可以表征三個熱帶氣旋移速的明顯差異（圖6）。Wu and Wang （2001a）指出，HA項的貢獻(xiàn)主要表示了熱帶氣旋中的引導(dǎo)效應(yīng)，但與傳統(tǒng)意義的引導(dǎo)氣流有所區(qū)別，不僅包括了大尺度環(huán)境引導(dǎo)氣流和β漂移的作用，還包含了熱帶氣旋內(nèi)垂直切變、垂直運動、絕熱和非絕熱加熱等過程所造成的非對稱氣流對熱帶氣旋運動的直接貢獻(xiàn)。

33登陸熱帶氣旋的非對稱結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步分析產(chǎn)生登陸熱帶氣旋運動變化的原因，分別計算三組試驗中熱帶氣旋登陸時刻降水率與700 hPa的風(fēng)場進(jìn)行對比（圖7）。從圖7可以看出，海洋試驗中熱帶氣旋登陸時刻降水率與700 hPa風(fēng)場基本呈對稱結(jié)構(gòu)，降水主要集中在距離熱帶氣旋中心120 km區(qū)域內(nèi)，且熱帶氣旋眼墻北側(cè)區(qū)域內(nèi)降水最大（圖7a，b）。平地實驗中，登陸時刻熱帶氣旋的風(fēng)場、降水速率結(jié)構(gòu)上非對稱性增強(qiáng)，大值區(qū)均在氣旋東北側(cè)（圖7c，d），地形試驗中風(fēng)場、降水分布與平地試驗存在相似結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)度上地形試驗的非對稱性要略弱于平地試驗。三個試驗中的降水大值均分布在順切變左側(cè)區(qū)域，與之前的研究結(jié)果一致，表明強(qiáng)對流更傾向于發(fā)生在順切變左側(cè)區(qū)域（Frank and Ritchie，2001；Chen and Yau，2003）。

為了進(jìn)一步了解地形對熱帶氣旋非對稱結(jié)構(gòu)的影響，分別計算平地試驗和海洋試驗中不同時間段內(nèi)中低層熱帶氣旋的一波非對稱風(fēng)場差值以及降水率的差值（圖8a—d）。為了更深入地研究登陸前熱帶氣旋結(jié)構(gòu)的變化，在此將熱帶氣旋登陸前的24 h分為兩個時間段：第一個為登陸前24～13 h（b1時間段），第二個為登陸前12 h（b2時間段），下同。從圖中可以看出，平地試驗中b1時間段內(nèi)，700 hPa一波非對稱風(fēng)場熱帶氣旋中心處有弱西北氣流，同時在熱帶氣旋西北側(cè)（陸地的區(qū)域）出現(xiàn)了氣旋式的風(fēng)場異常，平地試驗和海洋試驗中的降水速率分布差異是這種低層地形導(dǎo)致輻合氣流的結(jié)果。熱帶氣旋內(nèi)核區(qū)域的西南向的通風(fēng)流與兩個試驗中水平速度的差異相當(dāng)。b2時間段內(nèi)，低層非對稱氣流的增強(qiáng)與地形試驗中熱帶氣旋在登陸之前的加速度是一致的，700 hPa上出現(xiàn)了較為明顯的南風(fēng)氣流，氣流左側(cè)的氣旋性環(huán)流異常與陸地的分布相對應(yīng)（圖6d）。但是這種非對稱結(jié)構(gòu)在中層難以被識別出，500 hPa上的南風(fēng)非對稱氣流特征明顯偏弱，且在熱帶氣旋內(nèi)核區(qū)域出現(xiàn)了北風(fēng)異常，與熱帶氣旋的移速增速趨勢相反。從中低層對比可以看出，熱帶氣旋在平地試驗的登陸過程中的增速現(xiàn)象主要來源于700 hPa上非對稱南風(fēng)氣流的貢獻(xiàn)，說明平地試驗中地形所激發(fā)的非對稱結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在低層。

在地形試驗中，b1時間段內(nèi)，相較于海洋試驗和平地試驗，地形導(dǎo)致的非對稱氣流強(qiáng)度更強(qiáng)；非對稱的南風(fēng)氣流在低層到高層上都比平地試驗中的結(jié)果更顯著（圖9a—c）。另一個顯著特征是，非對稱氣流的半徑超過熱帶氣旋的半徑，達(dá)到約1 000 km半徑的范圍，雨帶的分布與平地試驗類似。在b2時間段內(nèi)，700 hPa上非對稱氣流最顯著，這可能是因為熱帶氣旋低層環(huán)流受地形的影響最為顯著。結(jié)合上述分析：在地形試驗中，非對稱南風(fēng)氣流與平地試驗中的結(jié)果相比明顯增強(qiáng)，非對稱南風(fēng)氣流不僅出現(xiàn)在中低層，在高層也有明顯的分布特征，同時氣流強(qiáng)度和覆蓋范圍也明顯增大，因此導(dǎo)致地形試驗中熱帶氣旋的移速最快。此外值得一提的是，非對稱氣流的半徑明顯大于熱帶氣旋的尺度，這一結(jié)果表明，地形不僅導(dǎo)致了熱帶氣旋出現(xiàn)了非對稱結(jié)構(gòu)，還顯著地影響了環(huán)境風(fēng)場。這一現(xiàn)象體現(xiàn)了地形與平地對于登陸熱帶氣旋運動的不同影響程度，平地只能對中低層的熱帶氣旋環(huán)流產(chǎn)生影響，而地形可以對熱帶氣旋和環(huán)境氣流同時造成非常重要的影響，使得氣旋在登陸過程中產(chǎn)生明顯的增速現(xiàn)象。

34非引導(dǎo)效應(yīng)的作用

吳玉琴等（2015）曾指出非引導(dǎo)效應(yīng)對于臺風(fēng)“莫拉克”的移速振蕩有著非常重要的作用。那么在登陸過程中，其余非引導(dǎo)效應(yīng)起著何種作用？為什么熱帶氣旋運動主要受到引導(dǎo)氣流的影響？針對這些問題，為了進(jìn)一步定量地分析非引導(dǎo)效應(yīng)的作用，分別計算三個試驗中熱帶氣旋在b1時間段內(nèi)、b2時間段內(nèi)各非引導(dǎo)效應(yīng)的平均貢獻(xiàn)，結(jié)果如圖10所示。

Wu and Wang（2001a）進(jìn)一步將PV水平平流項分為兩部分：

∧1（-V·P）≈-V1·Ps-Vs·P1。

其中：腳標(biāo)s和1表示對稱分量和一波分量；等式右端第一項為非對稱氣流引起的對稱PV分量的輸送，簡稱ASAF，包含大尺度引導(dǎo)氣流和通風(fēng)流對熱帶氣旋運動的影響，與一波風(fēng)場的區(qū)域平均引導(dǎo)氣流對應(yīng)較好；第二項為對稱氣流引起的非對稱PV分量的平流，簡稱AASF，包含了β渦對、垂直切變及非對稱加熱產(chǎn)生的非對稱氣流等物理過程對熱帶氣旋運動的作用。本研究中將引導(dǎo)氣流以外的各物理過程統(tǒng)稱為非引導(dǎo)效應(yīng)，包括了AASF項，PV垂直輸送項（VA），非絕熱加熱項（DH）以及摩擦項（FR）。

圖10海洋試驗（a，d）、平地試驗（b，e）、地形試驗（c，f）中登陸前24～13 h（a，b，c）和12～1 h（d，e，f）平均的多層平均位渦趨勢各非引導(dǎo)項估算移速（VA項估算速度，藍(lán)色；DH項估算速度，紅色；FR項目估算速度，灰色；AASF項估算速度，紫色；上述各項的矢量和，棕色）

Fig.10Averaged nonsteering terms including vertical advection（VA，blue），diabatic heating（DH，red），friction（FR，gray），advection of the asymmetric PV structure by the symmetric flow（AASF，purple） and vector sum of nonsteering terms（brown） during （a，b，c）24—13 h and （d，e，f）12—1 h before landfall in （a，d）OCN，（b，e）FLT and （c，f）TOP experiments

由圖10可以看出，三組試驗中，b1、b2時間段內(nèi)，去除引導(dǎo)氣流后PVT各分項對熱帶氣旋運動的作用不一致，PVT各分量的矢量和小于引導(dǎo)氣流作用。海洋試驗中b1、b2時間段內(nèi)非引導(dǎo)效應(yīng)總貢獻(xiàn)的矢量和分別為052、022 m/s，平地試驗中兩個時間段矢量和分別為069、022 m/s（圖10中棕色矢量），而在兩組試驗中熱帶氣旋移動的平均速度大約3 m/s，因此海洋試驗、平地試驗中登陸時段內(nèi)非引導(dǎo)效應(yīng)對熱帶氣旋運動的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于引導(dǎo)氣流的貢獻(xiàn)。在地形試驗中，b1、b2時間段內(nèi)非引導(dǎo)效應(yīng)的總貢獻(xiàn)分別為116、138 m/s，明顯大于海洋和平地試驗的結(jié)果，但在該試驗中熱帶氣旋移速明顯增大，因此非引導(dǎo)效應(yīng)對于移速的整體貢獻(xiàn)依然偏小。值得注意的是，由圖10可以看出：VA、DH項各自的估算速度數(shù)值上均大于或者接近非引導(dǎo)項的總貢獻(xiàn)，但矢量方向上存在一定程度的反位相分布特征，這說明在登陸過程中，非引導(dǎo)效應(yīng)各項之間存在一定程度相互抵消，因此對熱帶氣旋運動的作用整體貢獻(xiàn)偏小，熱帶氣旋在登陸過程中總體仍受到引導(dǎo)效應(yīng)的作用。此外，非引導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致熱帶氣旋有向西運動的趨勢，同時在地形試驗中，由于地形的存在使得熱帶氣旋登陸過程中FR項加大。

圖10的結(jié)果表明垂直方向上多層平均的非引導(dǎo)效應(yīng)對熱帶氣旋運動的總體作用較小，但在各垂直層上是否有同樣的作用呢？Wu and Wang（2001b）在數(shù)值研究中發(fā)現(xiàn)，加熱場在熱帶氣旋高低層呈現(xiàn)相反的作用。為了進(jìn)一步分析各物理因子在不同垂直層次上的不同貢獻(xiàn)，分別診斷了三個試驗中，熱帶氣旋登陸前12 h內(nèi)高中低層PVT各分項對熱帶氣旋運動的貢獻(xiàn)（圖11）。從圖11可以看出：熱帶氣旋登陸前12 h內(nèi)，三個試驗中PVT方程各項的高低層貢獻(xiàn)存在較大差異，例如HA項和ASAF項高低層（700 hPa與300 hPa）貢獻(xiàn)相反，DH項與ASAF項在同一層次貢獻(xiàn)相反，這些發(fā)現(xiàn)與Wu and Wang（2001b）的結(jié)論一致。需要指出的是，海洋和平地試驗中ASAF項在中層貢獻(xiàn)較小，而在高層對熱帶氣旋運動的作用均為負(fù)貢獻(xiàn)，但在地形試驗的ASAF項中高層均為較為顯著的正貢獻(xiàn)，這一結(jié)果與該試驗中引導(dǎo)氣流的顯著增大對應(yīng)。此外，兩個登陸試驗的低層DH項與海洋試驗結(jié)果存在明顯差異，這說明熱帶氣旋在登陸過程中受陸地和地形的影響，低層非絕熱加熱以及相應(yīng)的非對稱對流、降水等結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)的變化，例如圖7中的降水率差別所示。以上結(jié)果表明，雖然非引導(dǎo)效應(yīng)對于熱帶氣旋運動的整體貢獻(xiàn)相對于引導(dǎo)效應(yīng)偏小，但在不同的垂直層次上各項的作用存在明顯差異，尤其在登陸試驗中，DH項發(fā)生了明顯的變化。

圖11海洋試驗（a，b，c）、平地試驗（d，e，f）、地形試驗（h，i，j）中登陸前12～1 h平均的300 hPa（a，d，h）、500 hPa（b，e，i）和700 hPa（c，f，j）位渦趨勢各項估算移速（VA項估算速度，藍(lán)色；DH項估算速度，紅色；FR項目估算速度，灰色；AASF項估算速度，紫色；ASAF估算速度，黑色）

Fig.11Averaged PVT terms including vertical advection（VA，blue），diabatic heating（DH，red），friction（FR，gray），advection of the asymmetric PV by the symmetric flow（AASF，purple） and advection of the symmetric PV by the asymmetric flow（ASAF，black） at （a，d，h）300 hPa，（b，e，i）500 hPa and （c，f，j）700 hPa during 12—1h before landfall in （a，b，c）OCN，（d，e，f）FLT and （h，i，j）TOP experiments

4結(jié)論與討論

對于熱帶氣旋登陸過程中的運動變化一直以來都是備受關(guān)注的一個問題，但是長期以來，更多的研究關(guān)注于特殊的島嶼地形（例如臺灣島）對于路徑的影響，僅有少量研究涉及大陸地形的作用（Wong and Chan，2006；AuYeung and Chan，2010；Szeto and Chan，2010；Li et al.，2013）。然而這些研究中，通常又沒有考慮地形高度和環(huán)境氣流的影響。因此，本研究針對這一問題，設(shè)計了一組高分辨率的數(shù)值理想試驗，通過試驗結(jié)果對比以及位渦趨勢方法的診斷結(jié)果，分析研究登陸我國華東沿海地區(qū)的熱帶氣旋在登陸過程中的運動變化，以及不同的物理因子對于這種變化的不同貢獻(xiàn)。

分析結(jié)果表明：當(dāng)?shù)湫偷牡皖l背景場存在時，在熱帶氣旋登陸前24 h至登陸后12 h這一段時間內(nèi)，熱帶氣旋在平地試驗中的移速相比在海洋試驗中的移速增加了約05 m/s，在具有實際地形高度的試驗中，熱帶氣旋移速存在約2 m/s的增幅。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，這些移速增加的現(xiàn)象主要是由地形所引起的非對稱氣流以及相應(yīng)的引導(dǎo)效應(yīng)變化所引起的。在熱帶氣旋登陸前，平地下墊面可以激發(fā)出中低層的非對稱氣流，這種熱帶氣旋尺度的非對稱氣流導(dǎo)致了引導(dǎo)氣流的增大，從而產(chǎn)生移速的加快。當(dāng)?shù)匦胃叨却嬖跁r，地形可以激發(fā)出更大尺度的非對稱南風(fēng)氣流，同時這些非對稱氣流更強(qiáng)，從熱帶氣旋的低層發(fā)展到高層，因此造成了地形試驗中顯著增大的熱帶氣旋移速。需要指出的是，這種地形所造成的非對稱氣流同時包括了地形對于熱帶氣旋環(huán)流和對于環(huán)境氣流的分別貢獻(xiàn)，如何定量化地區(qū)別兩者的不同貢獻(xiàn)，有待今后的研究中進(jìn)一步的分析。

除了引導(dǎo)效應(yīng)之外，非引導(dǎo)效應(yīng)對于登陸過程中的熱帶氣旋運動的整體貢獻(xiàn)相對較小，但是其作用不可忽視。位渦趨勢方法的診斷結(jié)果表明，這些非引導(dǎo)因子整體存在相互抵消的現(xiàn)象，因此對熱帶氣旋運動總貢獻(xiàn)偏小，這與前人研究結(jié)果一致。此外，在不同的垂直層次上，不同的非引導(dǎo)效應(yīng)的貢獻(xiàn)存在著明顯的差異，這些差異與熱帶氣旋登陸過程中強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)等方面的變化有著密切聯(lián)系，表明熱帶氣旋強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化同樣可能在一定程度會對其運動產(chǎn)生影響。

綜合以上結(jié)論，可以看出我國大陸華東沿海地區(qū)的地形可以使得熱帶氣旋在登陸該區(qū)域時移速發(fā)生顯著的增大，增幅明顯大于前人在平地試驗中發(fā)現(xiàn)的結(jié)果，這種現(xiàn)象在前人研究中未有涉及，可能是導(dǎo)致臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差的一個原因，值得更深入的研究和探討。

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