1822號臺風“山竹”的渦旋Rossby波特征分析

周冠博，焦亞音，錢奇峰，高拴柱

(1.國家氣象中心，北京 100081；2.河北省環(huán)境氣象中心，河北 石家莊 050021)

引言

臺風是發(fā)生在熱帶洋面上的最嚴重的災害性天氣系統(tǒng)，我國受臺風危害嚴重，平均每年有7～8個臺風在我國南部和東部沿海各省登陸，并可能深入內(nèi)陸而給當?shù)貛砭薮蟮臑暮p失。臺風所造成的災害絕大多數(shù)發(fā)生在臺風接近陸地和登陸期間，因此本文重點探討臺風在登陸前后其內(nèi)部的動力結構及演變特征，及其與臺風降水之間的關系。

渦旋羅斯貝(Rossby)波是臺風內(nèi)部的重要波動之一，影響著臺風降水的強度和落區(qū)[1-12]，研究臺風內(nèi)部渦旋Rossby波的結構和演變對理解臺風降水具有重要意義。早期研究中，MacDONALD[13]在研究臺風的螺旋雨帶時，首次提出了渦旋Rossby波的存在。MONTGOMERY and KALLENBACHER[14]、MONTGOMERY and ENAGONIO[15]提出了對流強迫渦旋Rossby波傳播是臺風非對稱性產(chǎn)生并影響臺風環(huán)流的一種可能物理機制。余志豪[16]全面論述了臺風螺旋雨帶中渦旋Rossby波的成因。張瑛等[17]對2004年14號臺風“云娜”中的渦旋Rossby波進行了研究，發(fā)現(xiàn)臺風中的渦旋Rossby波可以沿徑向激發(fā)出局地渦旋Rossby波，該機制可以用來解釋臺風螺旋云雨帶在外圍的順時針伸展，以及某些外圍螺線的形成。明杰和舒守娟[18]對臺風“云娜”進行了敏感性數(shù)值試驗并分析了地形對臺風環(huán)流內(nèi)渦旋Rossby波傳播的影響。沈新勇等[19]對臺風“云娜”的分析發(fā)現(xiàn)臺風渦旋系統(tǒng)中的渦旋Rossby波可分為兩種類型，即第一類渦旋Rossby波和第二類渦旋Rossby波。王勇和丁治英[20]對2005年第5號臺風“海棠”進行了數(shù)值模擬和分析，結果指出“海棠”主雨帶是渦旋Rossby波激發(fā)出來的螺旋雨帶，與850 hPa正渦度帶有很好的對應關系。焦亞音等[21]模擬了2015年第22號臺風“彩虹”，分析發(fā)現(xiàn)渦旋Rossby波的1波、2波擾動的動力配置能夠影響對流系統(tǒng)的發(fā)展及臺風降水的強度和分布。徐祥德等[22]給出了臺風渦旋螺旋波結構模型。余錦華[23]進行了渦旋Rossby波傳播和臺風切向風速變化的數(shù)值模擬，指出初始擾動中心位置對渦旋Rossby波傳播和臺風切向風速變化的影響明顯。

然而人們對于影響我國的臺風中的渦旋Rossby波的動力和熱力特征及臺風暴雨形成機理的認識和理解還不是很充分，為此，本文采用包含各種物理過程的高時空分辨率的WRF中尺度模式，對2018年第22號臺風“山竹”個例進行了數(shù)值模擬，并在此基礎上，分析臺風“山竹”眼墻、螺旋雨帶以及其中的渦旋Rossby波的結構特征，研究臺風登陸前后渦旋Rossby波對眼墻、螺旋雨帶及地面降水的影響。

1 臺風“山竹”簡介

2018年第22號臺風“山竹”是2018年登陸我國最強的臺風，它于9月7日在西太平洋生成，之后不斷加強(圖1a-b)，15日凌晨在菲律賓呂宋島東北部沿海登陸，16日17時前后(北京時)在廣東省江門市臺山沿海登陸，17日20時(北京時)在廣西停止編號(圖1a)。受“山竹”和冷空氣的影響，廣東中南部和沿海大部地區(qū)、廣西中東部、福建東部和南部最大陣風有8～11級，惠州沱濘列島達17級以上，最大風速約62.8 m·s-1(圖1c)。廣東多地降水達到300～478 mm，臺灣屏東局地降水超過1 500 mm(圖1d)。另外，珠江口附近增水達2～3.4 m[24]。

圖1 臺風“山竹”路徑圖(a)，9月14日17時FY-4A衛(wèi)星云圖(b)，9月16日00時—17日06時過程最大陣風(c)和9月16日00時—18日08時降水量實況圖(d)

2 高分辨率數(shù)值模擬

本文采用WRF模式對臺風“山竹”過程進行高分辨率的數(shù)值模擬。背景場和側邊界由NCEP GFS(Global Forecast System)提供。模式采用雙層單向嵌套，水平分辨率分別為3 km和1 km，網(wǎng)格格點數(shù)為700×700，垂直分層為51層，模式層頂氣壓為50 hPa。模式起始時間為2018年9月16日00時(世界時，下文同)。模式采用物理過程參數(shù)化方案如表1所示。

表1 模式物理參數(shù)化方案配置

由模擬和實際的臺風“山竹”路徑(圖2a)對比可見，本次模擬對臺風“山竹”的路徑模擬得比較成功，從模擬的初始時刻到9月17日12時，路徑及臺風中心位置都比較一致，在模擬初期臺風的移速較實況略偏快，而模擬后期較實況略偏慢，總體而言，模擬路徑與實況路徑的偏差較小，在可接受的范圍內(nèi)，本次模擬較為成功。

由模擬與實況的臺風“山竹”中心海平面氣壓(圖2b)和最大風速(圖2c)的對比可見，模擬與實況的臺風中心海平面氣壓和最大風速變化趨勢比較吻合，模式很好地再現(xiàn)了臺風“山竹”在登陸之后的減弱過程。模擬的臺風中心海平面氣壓在9月16日12時之前比實況略偏弱，之后偏強，總體來看，模式還是比較好地再現(xiàn)了臺風“山竹”整個發(fā)展演變過程中路徑和強度變化特征[25]。

圖2 2018年9月16日00時—17日12時(間隔3 h)臺風“山竹”實況路徑(黑線)和模擬路徑(紅線)(a)，臺風“山竹”實況中心海平面氣壓(黑線)和模擬中心海平面氣壓(紅線)(b)，實況海平面最大風速(黑線)和模擬海平面最大風速(紅線)(c)

3 臺風結構

3.1 臺風精細動力結構分析

利用模式輸出資料來進一步分析臺風“山竹”內(nèi)部精細的動力垂直結構。圖3給出了臺風登陸前、登陸期間和臺風登陸后的切向風、徑向風以及垂直速度的徑向垂直分布。如圖3a所示，臺風登陸前最大風速半徑為100～150 km，最大切向風速位于2 km高度以下的邊界層中，約為45 m·s-1，切向風速的垂直切變顯著，大值區(qū)隨高度向臺風外側傾斜。在最大風速半徑處及其外側，徑向風在邊界層表現(xiàn)為入流，高層表現(xiàn)為出流，形成了低層輻合、高層輻散的配置。與之相對應，在最大風速半徑附近出現(xiàn)了明顯的垂直上升運動，垂直速度大值區(qū)隨高度逐漸向外傾斜，最大垂直速度出現(xiàn)在高層，上升區(qū)的內(nèi)側則為垂直下沉區(qū)。

圖3 臺風登陸前9月16日01時、登陸時9月16日09時、登陸后9月16日17時臺風方位角平均高度-徑向剖面圖(a、b、c為切向風，d、e、f為徑向風，g、h、i為垂直速度；單位：m·s-1，流入為正)

在臺風登陸過程中，臺風的強度逐漸減小。低層切向風速的最大值減弱到40 m·s-1，低層徑向入流減弱，而高層徑向出流增強，表明高層輻散增強，同時高層的最大垂直上升速度中心也有所增大，臺風眼墻處中層出現(xiàn)了上升運動的次級中心，強垂直上升區(qū)伸展到眼墻低層。

在臺風登陸以后，臺風的強度明顯減小。低層切向風速的最大值減弱到35 m·s-1，中低層徑向風和垂直上升速度都顯著減小，說明臺風的垂直徑向環(huán)流明顯變?nèi)酢?/p>

3.2 臺風“山竹”的雨帶特征

由雷達反射率因子以及垂直速度的垂直剖面圖(圖4)可知，臺風中心東側眼墻的雷達回波最強，垂直雷達回波呈陡立的柱狀結構，代表旺盛發(fā)展的深對流，而臺風中心西側眼墻的雷達回波相對較弱，代表趨于減弱的對流系統(tǒng)，臺風東側眼墻以東的三條螺旋雨帶的深對流主要位于對流層的中低層。強垂直上升運動主要出現(xiàn)在眼墻處，尤其是西側眼墻的垂直速度最大，而眼墻外的螺旋雨帶的垂直速度明顯小于眼墻處的垂直速度。

圖4 9月16日12時模擬雷達組合反射率分布(a；色標，單位：dBZ)，沿圖a的AB線所做的垂直速度的剖面圖(b；色標，單位：m·s-1)和眼墻及雨帶的垂直環(huán)流結構(c；陰影為雷達反射率因子，單位：dBZ)

從環(huán)流結構上來看，臺風東側眼墻的環(huán)流結構與西側眼墻明顯不同，臺風的非對稱結構明顯。西側眼墻的低層輻合主要是來自眼區(qū)西側的西風入流，并隨著高度傾斜，在4 km的高度垂直上升延伸至西側眼墻的高層，在14.5 km的高度形成大范圍的東風出流，使得西側眼墻的高層輻散增強，其下沉支在4 km以下高度形成弱的下沉氣流，而后流入眼區(qū)并加速，形成低層的西風入流，與東側眼墻東側的東風入流一起，形成了低層輻合的氣流，這兩支氣流匯合后隨高度傾斜上升，在12.4 km的高度附近轉為大范圍的高層西風出流，增加了東側眼墻的高層輻散。臺風螺旋雨帶低層為一致的東風入流，經(jīng)過較弱的垂直上升后在8.3 km的高度附近形成西風出流流出。

3.3 渦旋Rossby波的識別與特征分析

垂直渦度擾動或位渦擾動可以作為渦旋Rossby波的代表物理量，常被用來分析研究渦旋Rossby波的結構和演變特征。本文用尺度分離的方法，利用上述高分辨率數(shù)值模擬輸出資料來診斷分析臺風“山竹”內(nèi)部渦旋Rossby波的結構特點。

由9月16日00時至17日12時2 km高度上1波、2波的垂直渦度的切向方向上(距離臺風中心100 km)時間演變圖(圖5)可知，臺風發(fā)展的不同階段，1波和2波的傳播特點也不同。臺風登陸前(16日00時至06時)，1波先順時針傳播，后轉為逆時針傳播，且傳播速度較快；2波主要表現(xiàn)為順時針傳播。臺風登陸時(16日06時至12時)，1波和2波均主要表現(xiàn)為逆時針傳播，切向移動速度逐漸減慢。在臺風登陸之后(16日12時之后)，1波切向移動基本停止，切向移動速度幾乎為0，2波的切向移動速度比1波明顯較快。

圖5 9月16日00時至17日12時2 km高度垂直渦度(單位：10-4 s-1)的切向(距離臺風中心100 km)隨時間演變(a. 1波，b. 2波；橫坐標表示距離臺風中心方位，自東向西逆時針旋轉360°)

有研究表明，渦旋Rossby波與臺風眼墻和臺風螺旋雨帶有較好的對應關系，渦旋Rossby波可以被用來判斷分析臺風強降水的位置和移動。因而本文將進一步分析渦旋Rossby波與臺風眼墻和臺風螺旋雨帶中對流系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展的關系。

圖6為臺風登陸前、登陸時和登陸后2 km處的1波垂直渦度和2 km處的雷達反射率因子對比圖。如圖所示，在臺風登陸之前，1波的擾動結構較為松散，擾動異常值區(qū)主要集中在中心環(huán)流附近。隨著臺風靠近陸地，強雷達回波有1波負渦度擾動，其內(nèi)側存在較強的1波正渦度擾動，回波結構逐漸整齊，強度逐漸減弱。在臺風登陸時，1波的結構緊湊，環(huán)流中心進一步收縮，強雷達回波區(qū)通常伴隨有1波的正渦度擾動，二者具有明顯的相關性，對流活動明顯。在臺風登陸之后，1波的影響范圍擴大，臺風中心環(huán)流結構變得松散，非對稱結構特征顯著，1波的切向移動明顯變得很緩慢，1波正渦度擾動對應強雷達回波，存在強對流活動。

圖6 9月16日臺風登陸前(a. 01：30 UTC，b. 02:00 UTC，c. 02：30 UTC)、臺風登陸時(d. 08：00 UTC，e. 08：30 UTC，f. 09：00 UTC)、臺風登陸后(g. 18：00 UTC，h. 18：30 UTC，i. 19：00 UTC)2 km高度1波垂直渦度和2 km高度雷達反射率因子對比圖(陰影為雷達反射率因子，單位：dBZ；等值線為擾動垂直渦度，單位：10-4 s-1)

圖7為臺風登陸前、臺風登陸時和臺風登陸后2 km處的2波垂直渦度和2 km處的雷達反射率因子對比圖。由圖6和圖7的對比可以看出，1波和2波渦度擾動和對流系統(tǒng)具有一定的對應關系。在臺風登陸之前，強雷達回波區(qū)存在1波和2波的正負渦度擾動，結構比較松散，總的來說正渦度擾動抑制對流系統(tǒng)的發(fā)展，負渦度擾動促進對流系統(tǒng)的發(fā)展。在臺風登陸期間和臺風登陸之后，強雷達回波區(qū)與1波和2波正的渦度擾動具有更好的對應關系，由于臺風登陸后受到下墊面的摩擦作用而強度有所減弱，同時正的渦度擾動會引起正的散度變大，中低層輻散加強，致使臺風眼墻和眼墻周圍呈現(xiàn)中低層輻合，垂直的上升速度加快，促使對流系統(tǒng)加強；而負的渦度擾動大值區(qū)外緣的對流不強，這是因為1波和2波正的渦度擾動致使臺風眼墻的中低層輻散變大，導致垂直上升運動變小，對于對流系統(tǒng)的發(fā)展很不利。

圖7 9月16日臺風登陸前(a. 01：30 UTC，b. 02:00 UTC，c. 02：30 UTC)、臺風登陸時(d. 08：00 UTC，e. 08：30 UTC，f. 09：00 UTC)、臺風登陸后(g. 18：00 UTC，h. 18：30 UTC，i. 19：00 UTC)2 km高度2波垂直渦度和2 km高度雷達反射率對比圖(陰影為雷達反射率因子，單位：dBZ；等值線為擾動垂直渦度，單位：10-4 s-1))

圖8為模擬的臺風登陸前、臺風登陸時和臺風登陸后的30 min累計降水量。與雷達強回波的水平分布相似，在臺風登陸前，降水量大值區(qū)主要出現(xiàn)在臺風西側的眼墻區(qū)，且穩(wěn)定少動；在登陸期間，強降水區(qū)主要出現(xiàn)在臺風偏北側的眼墻和西南側的螺旋雨帶內(nèi)，并且強降水區(qū)沿切向逆時針旋轉移動，這與1波和2波渦度擾動的切向移動方向一致；在臺風登陸之后，強降水區(qū)的范圍進一步縮小，強降水區(qū)和強雷達回波區(qū)都位于臺風東側的螺旋雨帶處。

圖8 模擬的9月16日臺風登陸前(a. 01：30 UTC，b. 02:00 UTC，c. 02：30 UTC)、臺風登陸時(d. 08：00 UTC，e. 08：30 UTC，f. 09：00 UTC)、臺風登陸后(g. 18：00 UTC，h. 18：30 UTC，i. 19：00 UTC)的30 min累計降水量(色標，單位：mm；圖8d中的AB線是在臺風東北象限強降水區(qū)畫的一條線段，圖9和圖10為沿AB的垂直剖面圖)

圖9是過圖8的AB線模擬的臺風登陸前(9月16日01時)，臺風登陸期間(9月16日10時)和臺風登陸后(9月16日20時)擾動1波垂直渦度、水平散度、垂直速度的垂直剖面圖。由圖可知，臺風登陸前，強降水區(qū)上空8～10 km的高度為正的散度擾動大值區(qū)，其下層為負的散度擾動大值區(qū)，表明高層大氣是輻散的，而中低層大氣輻合明顯，臺風眼墻處有劇烈的上升運動。強降水區(qū)西部的低層是正渦度擾動的大值區(qū)，并且隨著高度向外傾斜，一直延伸到中高層，其下方是由低層傾斜向上伸展的負渦度擾動，這兩條正負相間的渦度擾動帶幾乎與正負相間的散度擾動帶同位相疊加，上層正的渦度擾動會促使正的散度增加，從而使得高層輻散增強；而下層負的渦度擾動會促使負的散度增加，從而使得低層輻合增強，綜合結果會使上升運動加強，對流系統(tǒng)得到發(fā)展，降水量也有可能在短時間內(nèi)增大。臺風登陸時，強降水區(qū)上空是正的散度擾動大值區(qū)，其下方負的散度擾動大值區(qū)隨高度向外傾斜，并且明顯增強，依然維持中低層大氣輻合，高層大氣輻散的動力配置，眼墻處有強烈的垂直上升運動，而眼墻外圍出現(xiàn)了明顯的下沉運動。強降水區(qū)上空主要是正渦度擾動大值區(qū)，并且隨高度向外傾斜，延伸至中高層，其下為較弱的負渦度擾動，此時高層輻散很強，而低層輻合相對較弱，登陸時間段的對流發(fā)展主要是取決于高層強輻散的抽吸作用。臺風登陸之后，由于受到下墊面的影響，30 min累計降水量不足5 mm，降水量大大減弱了。此時高層大氣主要是正的渦度擾動和負的垂直速度，代表高空主要是輻合氣流為主，垂直運動主要是下沉氣流為主，因此對流活動被明顯抑制，臺風降水將逐漸減弱消失。

圖9 臺風登陸前(9月16日01時)、登陸期間(9月16日10時)、登陸后(9月16日20時)擾動1波垂直渦度(色標，單位：10-5 s-1；a、d、g)、水平散度(色標，單位： s-1；b、e、h)和垂直速度(色標，單位：Pa·s-1；c、f、i)沿圖8d中AB線的垂直剖面圖(橫縱坐標單位：km，藍色實線為該徑向位置的30 min降水量)

由2波擾動的垂直分布(圖10)可知，在臺風登陸以前，臺風眼區(qū)上空為明顯的正的渦度擾動，代表高層輻散，其下方為負的渦度擾動，代表低層輻合，這種動力配置有利于對流的系統(tǒng)性發(fā)展。強降水區(qū)上空10 km和4 km的高度上的散度擾動同時為正，其下方的散度擾動同時為負，并且伴有明顯的垂直上升運動，同時強降水區(qū)的渦度擾動主要是正的高值區(qū)，其下的負高值區(qū)隨高度向外傾斜，依然是中低層大氣輻合，高層大氣輻散的動力配置，也有利于對流的維持和發(fā)展。在臺風登陸時，散度擾動自上而下呈現(xiàn)出正負、正負、正負相間的三條傾斜的散度擾動帶，同時伴有較強的垂直上升運動，渦度擾動基本上是正的高值區(qū)，代表輻散作用明顯，散度得到增加，從而促進了對流系統(tǒng)的發(fā)展。臺風登陸后，臺風眼墻在對流層低層有較弱的下沉運動存在，降水區(qū)上空為負的渦度擾動區(qū)，代表高層主要是輻合區(qū)，眼區(qū)開始出現(xiàn)填塞減弱，不利于對流系統(tǒng)的發(fā)展。

圖10 臺風登陸前(9月16日01時)、登陸期間(9月16日10時)、登陸后(9月16日20時)擾動2波垂直渦度(色標，單位：10-5 s-1；a、d、g)、水平散度(色標，單位： s-1；b、e、h)和垂直速度(色標，單位：Pa·s-1；c、f、i)沿圖8d中AB線的垂直剖面圖(橫縱坐標單位：km，藍色實線為該徑向位置的30 min降水量)

6 結論

采用WRF中尺度模式對2018年22號臺風“山竹”進行高分辨率的數(shù)值模擬，成功地模擬出臺風“山竹”的移動路徑、強度和降水分布。以此為基礎，通過模式輸出資料，分析臺風的動力精細結構和臺風雨帶的宏觀特征。再利用尺度分離方法，得到渦旋Rossby波的擾動場資料，進一步分析渦旋Rossby波的特征。研究臺風登陸前后渦旋Rossby波與臺風降水的相關關系，得到以下主要結論：

1)由WRF模式輸出的高分辨率的資料，分析臺風“山竹”精細的動力結構和雨帶的演變特征。分析得到臺風眼墻處具有低層徑向入流、高層徑向出流的動力配置。在臺風眼墻的附近，同時存在切向風速高值區(qū)、垂直上升區(qū)、正溫度距平區(qū)，并隨高度向外側傾斜，雷達回波較強，對流系統(tǒng)比較深厚。

2)利用尺度分離后得到的渦旋Rossby波擾動場資料，分析臺風登陸前后渦旋Rossby波的演變特征。分析得到1波和2波同時具有朝切向傳播和徑向傳播的特征，但是2波的振幅明顯小于1波，在切向方向上1波的傳播速度比2波要慢很多。

3)渦旋Rossby波與臺風眼墻和臺風雨帶的關系。1波和2波擾動影響的范圍與臺風眼墻和螺旋雨帶的范圍較為一致，1波和2波的正渦度擾動大值區(qū)基本覆蓋強的雷達回波區(qū)域，同時伴有較強的對流活動。另外1波和2波的渦度擾動、散度擾動、垂直速度擾動的發(fā)展存在一定的相關關系。如果降水區(qū)的渦度擾動呈現(xiàn)出上層為正、下層為負的動力配置時，而散度擾動的垂直配置也有類似配置時，則會加強對流系統(tǒng)的發(fā)展，有利于降水的增強；如果降水區(qū)的渦度擾動呈現(xiàn)出上層為負、下層為正的動力配置時，而散度擾動的垂直配置也有類似配置時，或者降水區(qū)的渦度擾動的垂直分布與散度擾動的垂直分布相反時，則會抑制對流系統(tǒng)的發(fā)展，不利于降水的增強。因此，1波和2波擾動的上層輻散下層輻合的動力配置會促使對流系統(tǒng)的加強，同時也會對臺風降水的強度和分布有一定的作用。