臺(tái)風(fēng)“山竹”降水非對(duì)稱(chēng)特征及其與環(huán)境流場(chǎng)的相互作用研究

唐一寧，冶磊，李煜斌，高志球

(南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210044)

1 引 言

熱帶氣旋是位于熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，位于西北太平洋及其鄰近海域且底層最大風(fēng)力達(dá)到12 級(jí)的熱帶氣旋被稱(chēng)為臺(tái)風(fēng)[1]。登陸臺(tái)風(fēng)常伴隨強(qiáng)風(fēng)、暴雨及風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全[2]。西北太平洋是臺(tái)風(fēng)生成頻數(shù)最多、分布范圍最廣，且各月均能觀(guān)測(cè)到熱帶氣旋活動(dòng)的海域[3]。我國(guó)平均每年受到該海域超過(guò)20 個(gè)臺(tái)風(fēng)的影響且約有8 個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸[4]，是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一。

現(xiàn)有研究表明環(huán)境風(fēng)場(chǎng)垂直切變是影響熱帶氣旋降水非對(duì)稱(chēng)的重要因素之一[5]，Jones[6]利用非絕熱的靜力原始方程模式提出了環(huán)境垂直風(fēng)切變引起非對(duì)稱(chēng)降水的等位溫面抬升機(jī)制。Wang 等[7]加入了斜壓原始方程模式，發(fā)現(xiàn)在順風(fēng)切變一側(cè)的對(duì)流明顯加強(qiáng)。Black等[8]通過(guò)傅里葉分析方法發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋的流出層存在顯著的非對(duì)稱(chēng)。Lonfat 等[9]發(fā)現(xiàn)，位于北半球洋面上的熱帶氣旋內(nèi)核非對(duì)稱(chēng)降水大值區(qū)域通常位于環(huán)境順風(fēng)切變的左側(cè)，同時(shí)隨著環(huán)境風(fēng)切變的增強(qiáng)，非對(duì)稱(chēng)性也會(huì)增強(qiáng)。Hence等[10]的研究表明在熱帶海洋上，眼墻和內(nèi)雨帶中的對(duì)流傾向生成于順風(fēng)切變的右側(cè)，成熟于順風(fēng)切變左側(cè)并形成降水，最后消亡于逆風(fēng)切變一側(cè)，而外雨帶中的對(duì)流傾向生成于逆風(fēng)切變的右側(cè)，降水于順風(fēng)切變右側(cè)，最后消亡于順風(fēng)切變左側(cè)[11]。林愛(ài)蘭等[12]的研究則表明熱帶氣旋登陸后的強(qiáng)降水區(qū)一般位于中心南側(cè)或東南側(cè)。Chen 等[13]的統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)于北半球的熱帶氣旋，較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變對(duì)熱帶氣旋降水的分布起決定性作用，順風(fēng)切變的左側(cè)是主要降水區(qū)域，而風(fēng)切變和移動(dòng)的配置決定了非對(duì)稱(chēng)的大小。

另外，熱帶氣旋強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)也與環(huán)境流場(chǎng)息息相關(guān)。Gray[14]的研究指出，較小的環(huán)境垂直風(fēng)切變(＜10 m/s)使熱帶氣旋加強(qiáng)；而較大的環(huán)境垂直風(fēng)切變(10～20 m/s)不利于熱帶氣旋的生成和加強(qiáng)。McBride等[15]對(duì)此進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈的垂直風(fēng)切變(＞14 m/s)對(duì)熱帶氣旋的發(fā)展和增強(qiáng)具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。Merrill[16]的觀(guān)測(cè)研究表明垂直風(fēng)切變能阻止熱帶氣旋在環(huán)境切變氣流中發(fā)生和發(fā)展。Frank 等[17]由此歸納出了早期垂直風(fēng)切變對(duì)熱帶氣旋影響的“通風(fēng)流”效應(yīng)。Bender[18]則基于數(shù)值模擬和數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果提出了“二級(jí)環(huán)流效應(yīng)”。DeMaria[19]認(rèn)為垂直風(fēng)切變導(dǎo)致了位渦的傾斜，為了維持靜力平衡使得中層的溫度增加來(lái)響應(yīng)此傾斜，同時(shí)增溫導(dǎo)致垂直穩(wěn)定度的增加從而減弱對(duì)流活動(dòng)，使熱帶氣旋強(qiáng)度變?nèi)?。Reasor等[20]指出渦旋的傾斜是由于背景風(fēng)在垂直方向上的平流差造成的。Merrill[21]通過(guò)組合37 個(gè)熱帶氣旋的上層環(huán)境，發(fā)現(xiàn)上層環(huán)境可增大熱帶氣旋的上層出流。Onderlinde 等[22]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在正確的環(huán)境設(shè)置下，背景流的螺旋度或背景風(fēng)的深度可極大地改變模擬熱帶氣旋的演變。Zeng等[23]的統(tǒng)計(jì)研究也表明熱帶氣旋的強(qiáng)度變化與垂直風(fēng)切變呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，Wang 等[24]以及Tao 等[25]也得到類(lèi)似結(jié)論。Chen 等[13]的研究表明北半球(南半球)的波數(shù)1 最大降水非對(duì)稱(chēng)在順風(fēng)切變左(右)側(cè)，降水非對(duì)稱(chēng)性隨風(fēng)暴強(qiáng)度的增大而減小。Lonfat 等[9]也發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)切變大于7.5 m/s 時(shí)非對(duì)稱(chēng)降水的最大值始終位于順風(fēng)切變的左側(cè)。此外，垂直風(fēng)切變也是影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的重要因子之一[26]，例如楊詩(shī)琪等[27]的研究表明在西北太平洋較弱的垂直風(fēng)切變(＜12 m/s)有利于臺(tái)風(fēng)的發(fā)展。上述研究主要關(guān)注環(huán)境流場(chǎng)對(duì)熱帶氣旋的影響，而最近的研究表明熱帶氣旋也會(huì)反作用于環(huán)境流場(chǎng)[18,28]。Bender[18]通過(guò)數(shù)值模式發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋前方有低層自由大氣持續(xù)的輻散區(qū)同時(shí)后方有低層自由大氣持續(xù)的輻合區(qū)，與熱帶氣旋區(qū)域的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)形成對(duì)應(yīng)。Ryglicki 等[28]在對(duì)熱帶氣旋和背景場(chǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)由渦旋傾斜所形成的對(duì)流產(chǎn)生的輻散出流有助于改變熱帶氣旋周?chē)尘皻饬鞯姆较?，從而減少局地垂直風(fēng)切變，出流與環(huán)境風(fēng)相遇時(shí)的阻塞效應(yīng)形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)高壓，其壓力梯度向逆風(fēng)切變方向延伸至約1 000 km 處，從而導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)減速、匯聚、下沉。

綜上所述，過(guò)去的大部分研究主要集中于環(huán)境流場(chǎng)對(duì)熱帶氣旋的影響，而對(duì)于環(huán)境流場(chǎng)與熱帶氣旋內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程的相互作用，特別是臺(tái)風(fēng)內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程(如非對(duì)稱(chēng)降水)對(duì)環(huán)境流場(chǎng)反饋?zhàn)饔玫难芯枯^少。因此，本文基于臺(tái)風(fēng)“山竹”主要研究熱帶氣旋非對(duì)稱(chēng)降水特征及其與環(huán)境流場(chǎng)的相互作用，從而完善對(duì)熱帶氣旋動(dòng)力過(guò)程的理解，為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和降水預(yù)報(bào)提供更準(zhǔn)確的理論基礎(chǔ)[26]。

2 資料與方法

2.1 臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)

本文選擇2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”的增強(qiáng)過(guò)程進(jìn)行分析。臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)使用了中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心提供的CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)集[29]，收錄了1949 年以來(lái)西北太平洋海域臺(tái)風(fēng)每6 h 的強(qiáng)度和位置，臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)緯度精確到0.1 °，中心最低氣壓值精確到1 hPa，同時(shí)有最大風(fēng)速和平均風(fēng)速等參量。

2.2 環(huán)境場(chǎng)數(shù)據(jù)

環(huán)境場(chǎng)使用的是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)第五代再分析資料ERA5 數(shù)據(jù)(替代了之前的ERA-Interim數(shù)據(jù))。時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.25 °×0.25 °，垂直分辨率為37層，包括風(fēng)速、溫度、濕度、位勢(shì)高度等物理量。所使用的海平面氣壓、降水量等地表數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率和水平分辨率與垂直層數(shù)據(jù)一致，用于驅(qū)動(dòng)模式和對(duì)比分析。

2.3 降水?dāng)?shù)據(jù)

降水?dāng)?shù)據(jù)使用的是全球降水測(cè)量(Global Precipitation Measurement，GPM)數(shù)據(jù)。在熱帶降雨測(cè)量任務(wù)(TRMM)取得成功后，GPM 接替其提供新一代全球雨雪衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。使用的數(shù)據(jù)子集為IMERG Final Run，其時(shí)間分辨率為30 分鐘，數(shù)據(jù)時(shí)間延遲為3.5 個(gè)月，即時(shí)間覆蓋范圍：2000年6 月1 日到當(dāng)前時(shí)間往前3.5 個(gè)月，空間分辨率為0.1 °×0.1 °，覆蓋范圍為全球。降水量單位為mm/h。

2.4 臺(tái)風(fēng)中心的確認(rèn)方法

本文中取海平面最低氣壓中心為臺(tái)風(fēng)中心。首先根據(jù)CMA最佳路徑數(shù)據(jù)集獲取每個(gè)時(shí)次的臺(tái)風(fēng)中心位置，再將其代入ERA5 數(shù)據(jù)或WRF 輸出數(shù)據(jù)中，并在此格點(diǎn)半徑200 km 范圍內(nèi)搜索海平面氣壓最低點(diǎn)，海平面氣壓最低點(diǎn)即為臺(tái)風(fēng)中心。

2.5 垂直風(fēng)切變計(jì)算方法

垂直風(fēng)切變是指在不同氣壓層上風(fēng)速或風(fēng)向的差異，計(jì)算上表達(dá)為高層風(fēng)矢量與低層風(fēng)矢量之差，因?yàn)閷?duì)臺(tái)風(fēng)發(fā)展和維持的抑制特性使其成為統(tǒng)計(jì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模型的重要組成部分[30]，廣泛應(yīng)用于各種模式或預(yù)測(cè)系統(tǒng)，如統(tǒng)計(jì)颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)系統(tǒng)(Statistical Hurricane Intensity Prediction System，SHIPS)計(jì)算垂直風(fēng)切變?yōu)閮蓪拥牟钪?200 hPa 和850 hPa)[31]。而氣象衛(wèi)星研究合作研究所(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies，CIMSS)使用的是兩個(gè)層平均(150～300 hPa 和700～925 hPa)[32]。本文中根據(jù)臺(tái)風(fēng)“山竹”個(gè)例的具體情況(即上層流出層主要位于400 hPa 附近，可見(jiàn)于第3 節(jié))，選擇信號(hào)較強(qiáng)的400 hPa和800 hPa計(jì)算垂直風(fēng)切變：

上式VWS 為垂直風(fēng)切變，U400、V400 分別代表400 hPa的風(fēng)的U、V分量，U800、V800分別代表800 hPa的風(fēng)的U、V分量，都為矢量。計(jì)算垂直風(fēng)切變的水平范圍為距臺(tái)風(fēng)中心200～300 km 環(huán)狀區(qū)域。此處選取200～300 km 處環(huán)狀區(qū)域是因?yàn)樵撎帪榕_(tái)風(fēng)環(huán)流和環(huán)境流場(chǎng)的相接區(qū)域，分析該區(qū)域可更好地認(rèn)識(shí)熱帶氣旋內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程對(duì)環(huán)境流場(chǎng)的反饋?zhàn)饔谩?/p>

2.6 波數(shù)1非對(duì)稱(chēng)計(jì)算方法

基于最低海平面氣壓得到臺(tái)風(fēng)中心位置后，可得到任意格點(diǎn)對(duì)應(yīng)臺(tái)風(fēng)中心的方位角，然后基于臺(tái)風(fēng)中心進(jìn)行切向風(fēng)徑向風(fēng)轉(zhuǎn)換：

上式u、v分別為水平風(fēng)的u、v分量，Utan 為切向風(fēng)，Urad 為徑向風(fēng)，α為每個(gè)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)中心的方位角。再對(duì)所需變量進(jìn)行傅里葉變換，如徑向風(fēng)、切向風(fēng)、高度場(chǎng)等。

F[f(t)]為傅里葉變換后的函數(shù)(數(shù)據(jù))，f(t)為原函數(shù)(數(shù)據(jù))

一波頻率為ω=1/L，ω為一波頻率，L為離散函數(shù)(數(shù)據(jù))f(t)的長(zhǎng)度，將ω帶入F(t)即可得到一波非對(duì)稱(chēng)的表達(dá)式。

2.7 WRF模式設(shè)計(jì)

2.7.1 WRF方案

本文的數(shù)值模擬研究選用的是WRFV4.0(ARW)模式。WRF 模式(The Weather Research and Forecasting Model)是為大氣研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際大氣條件或理想條件進(jìn)行模擬。目前隨著WRF 模式的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于我國(guó)中尺度天氣業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)試驗(yàn)中，同時(shí)在區(qū)域氣候模擬研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍，提高了各類(lèi)天氣系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果[33]。本文的模擬區(qū)域?yàn)?0 °E～180 °，3 °S～40 °N，采用三層嵌套，分辨率為18 km、6 km 和2 km。d01 范圍為90 °E～180 °，3 °S～40 °N，d02 范圍為95～175 °E，0 °～37 °N，d03 范圍為148～168 °E，5～24 °N。d01 格點(diǎn)數(shù)為472×302；d02 格點(diǎn)數(shù)為1 270×787；d03 格點(diǎn)數(shù)為979×1 027。垂直分33層。使用的主要方案為：微物理過(guò)程方案為Eta (Ferrier)方案[34]，邊界層方案為BouLac方案[35]，一層區(qū)域積云參數(shù)化方案為Kain-Fritsch (new Eta)方案[36]，二層三層區(qū)域采用無(wú)積云參數(shù)化。長(zhǎng)波輻射方案為RRTM 方案[37]，短波輻射方案為Dudhia 方案[38]，地表方案為Unified Noah地表模型[39-40]。

本文對(duì)臺(tái)風(fēng)“山竹”使用WRF 進(jìn)行兩組模擬試驗(yàn)，有臺(tái)風(fēng)的模擬( 下文稱(chēng)TCE，即TC experiment)，和去除臺(tái)風(fēng)的模擬(下文稱(chēng)NTCE，即non-TC experiment)。模擬時(shí)段都為2018 年9 月8日18 時(shí)—14 日12 時(shí)(北京時(shí)間，下同)。有臺(tái)風(fēng)的模擬TCE 中單純使用ERA5 作為背景場(chǎng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中可發(fā)展出的臺(tái)風(fēng)與最佳路徑數(shù)據(jù)較接近；而去除臺(tái)風(fēng)的模擬則在ERA5 背景場(chǎng)的基礎(chǔ)上使用WRF 中的TC bogus 模塊在臺(tái)風(fēng)生成的早期時(shí)刻(2018 年9 月8 日18 時(shí))去除臺(tái)風(fēng)渦旋，所以該模擬試驗(yàn)中沒(méi)有臺(tái)風(fēng)生成，代表了無(wú)臺(tái)風(fēng)狀況下的流場(chǎng)。通過(guò)TCE 和NTCE 試驗(yàn)的對(duì)比，可得到臺(tái)風(fēng)對(duì)環(huán)境流場(chǎng)的影響。

2.7.2 TC bogus方案

WRF 模式系統(tǒng)的ARW 核心提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的熱帶氣旋模擬方案，即TC bogus。它可消除一個(gè)現(xiàn)有的熱帶氣旋，也可有限制地制造一個(gè)虛假的新熱帶氣旋。對(duì)于還未發(fā)展起來(lái)的臺(tái)風(fēng)或淺臺(tái)風(fēng)渦旋場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外常使用bogus來(lái)進(jìn)行清除并且通常能得到較好的結(jié)果[41-43]，同時(shí)黃小剛等[44]對(duì)10個(gè)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行清除的對(duì)比研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)bogus 作為消去臺(tái)風(fēng)的方法具有較好的效果。使用TC bogus就可得到去除臺(tái)風(fēng)后的背景場(chǎng)，再用WRF 進(jìn)行的模擬就是本文中的NTCE試驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 臺(tái)風(fēng)“山竹”的模擬結(jié)果分析

圖1 為CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)和TCE 試驗(yàn)中臺(tái)風(fēng)模擬的路徑強(qiáng)度對(duì)比圖，臺(tái)風(fēng)“山竹”的路徑主要集中在120～160 °E，10～20 °N 范圍內(nèi)，大體上由東側(cè)向西移動(dòng)，TCE 在13 日之前的路徑與最佳路徑數(shù)據(jù)集基本重合，之后的時(shí)間有一定偏差。在9—13日的時(shí)間內(nèi)，臺(tái)風(fēng)主要向西移動(dòng)，由158 °E向西移動(dòng)至133 °E左右，大約西移了25個(gè)經(jīng)度，緯度變化不大，基本維持在15 °N 附近，之后路徑轉(zhuǎn)為向西北移動(dòng)，到14日12時(shí)，臺(tái)風(fēng)西移了8個(gè)經(jīng)度，北移了3 個(gè)緯度，來(lái)到125 °E，18 °N 附近。在強(qiáng)度上，TCE 與最佳路徑數(shù)據(jù)集的強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致，區(qū)別在于最佳路徑數(shù)據(jù)集的快速增強(qiáng)階段發(fā)生在10 日00 時(shí)—11 日12 時(shí)，氣壓由965 hPa 下降到910 hPa，并在12—14 日保持在910 hPa。TCE 的快速增強(qiáng)階段出現(xiàn)在10 日18 時(shí)—12日18 時(shí)，氣壓由980 hPa 下降到910 hPa，13 日之后氣壓下降到900 hPa 附近。風(fēng)速基本與氣壓的變化趨勢(shì)相反，最佳路徑數(shù)據(jù)集的風(fēng)速在11 日12時(shí)之前逐漸上升，由30 m/s上升到65 m/s左右，之后保持在65 m/s 附近。TCE 的風(fēng)速在12 日06 時(shí)之前由20 m/s 逐漸上升到65 m/s 左右，并在13—14 日保持在70 m/s 附近?？傮w來(lái)說(shuō)，臺(tái)風(fēng)“山竹”模擬除了快速增強(qiáng)階段滯后18 h 左右，其他方面都與最佳路徑數(shù)據(jù)較接近。

3.2 降水非對(duì)稱(chēng)特征及其與垂直風(fēng)切變的相關(guān)性

圖2 展示了作為參考值的GPM 降水和ERA5風(fēng)切變，以及TCE試驗(yàn)的降水和風(fēng)切變，降水的半徑范圍均為對(duì)應(yīng)時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心半徑500 km 以?xún)?nèi)。從圖2a 中可看出ERA5 數(shù)據(jù)中的平均風(fēng)切變?cè)?1日12時(shí)之前主要指向西南側(cè)，其后至13日00時(shí)由于風(fēng)切變變小，方向已不具備代表性(圖3)，13 日00 時(shí)之后風(fēng)切變指向又回到西南偏西方向。GPM 降水在9 日06 時(shí)之前在各個(gè)方向均有分布，之后到10 日18 時(shí)，東北側(cè)和西北側(cè)的降水依次減少，降水基本集中于南側(cè)，之后直至13 日00 時(shí)，降水都集中在臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)至西南側(cè)，即順風(fēng)切變左側(cè)，具有明顯的降水非對(duì)稱(chēng)特征。對(duì)于TCE 試驗(yàn)，其風(fēng)切變由9 日00 時(shí)的指向西側(cè)逐漸轉(zhuǎn)為12日00時(shí)的指向南側(cè)，之后風(fēng)切變變小，方向已不具備代表性(圖3)，13日00時(shí)之后風(fēng)切變又回到西南偏西方向。TCE 試驗(yàn)中在10 日06 時(shí)之前各方向均有一定降水分布，其中東南側(cè)較多，10 日06 時(shí)—12 日00 時(shí)降水基本集中于臺(tái)風(fēng)中心東南側(cè)，其他方向降水很少，具有明顯的降水非對(duì)稱(chēng)特征，之后除西北側(cè)外其他各方向均有一定降水?？傮w上看，TCE 結(jié)果與GPM/ERA5 較接近，其中TCE 的降水強(qiáng)度較弱，但降水分布在11 日12 時(shí)之前與GPM 一樣，表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱(chēng)性，且都集中于順風(fēng)切變左側(cè)。TCE風(fēng)切變方向在11日12時(shí)之前與ERA5 基本接近，其后由于ERA5 中的風(fēng)切變極小，方向不具備代表性，所以存在一些偏差。因此，后文主要關(guān)注11日12時(shí)之前的動(dòng)力過(guò)程分析。

圖2 臺(tái)風(fēng)“山竹”降水方位分布與風(fēng)切變指向的時(shí)間序列 a.GPM降水和ERA5風(fēng)切變結(jié)果；b.TCE的結(jié)果?；叶忍钌珗D為降水，灰色短橫線(xiàn)為風(fēng)切的方向，黑色豎線(xiàn)之間的時(shí)間為分析臺(tái)風(fēng)降水與環(huán)境場(chǎng)的相互作用關(guān)系的時(shí)間段。

圖3 距離臺(tái)風(fēng)“山竹”中心200～300 km環(huán)狀區(qū)域內(nèi)垂直各層平均風(fēng)和風(fēng)切變隨時(shí)間變化a.ERA5結(jié)果；b.TCE結(jié)果；c.NTCE結(jié)果；d.TCE減去NTCE的結(jié)果。d中灰圈標(biāo)注區(qū)域?yàn)榕_(tái)風(fēng)動(dòng)力引起非對(duì)稱(chēng)風(fēng)變化的主要區(qū)域。

3.3 熱帶氣旋內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程對(duì)環(huán)境流場(chǎng)的反饋?zhàn)饔醚芯?/h3>

圖3 展示了不同高度的ERA5、TCE 和NTCE中的半徑200～300 km 處環(huán)狀區(qū)域的非對(duì)稱(chēng)風(fēng)，其中400 hPa和800 hPa兩層的切變?yōu)樵谶@一環(huán)狀區(qū)域的垂直風(fēng)切變，與通常采用的200 hPa 和850 hPa 有所區(qū)別，這是由于臺(tái)風(fēng)“山竹”200 hPa 處由臺(tái)風(fēng)動(dòng)力引起的非對(duì)稱(chēng)風(fēng)變化較弱，但在400 hPa處較強(qiáng)(圖略)。從圖3a 的ERA5 數(shù)據(jù)可看出在12日之前，較低層的平均風(fēng)一開(kāi)始為東風(fēng)，10—11日轉(zhuǎn)為東南風(fēng)且風(fēng)速變小，之后又轉(zhuǎn)回東風(fēng)，東南風(fēng)最深厚的時(shí)刻在10 日12 時(shí)650 hPa 附近。中層(500 hPa左右)的平均風(fēng)大部分時(shí)間保持為東風(fēng)且風(fēng)速變化不大，11 日12 時(shí)后轉(zhuǎn)為東南風(fēng)且風(fēng)速減小。在高層，能明顯看出平均風(fēng)總的趨勢(shì)是由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)同時(shí)風(fēng)速增大，再轉(zhuǎn)回偏東風(fēng)同時(shí)風(fēng)速減小，同時(shí)越高層的平均風(fēng)維持東北風(fēng)的時(shí)間越長(zhǎng)，其中在10 日06 時(shí)左右由高層延伸到450 hPa左右。平均風(fēng)切變?cè)?0日00時(shí)—11日00時(shí)較大，指向西南側(cè)。TCE 的變化趨勢(shì)基本與ERA5 相同，其中12 日之前高層為東北風(fēng)，且最深厚時(shí)刻在11 日00 時(shí)左右延伸至500 hPa，低層?xùn)|南風(fēng)最深厚時(shí)刻在11 日03 時(shí)左右，比ERA5 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間偏后。在10 日12 時(shí)—11 日12 時(shí)，垂直風(fēng)切變較大且指向偏南側(cè)。NTCE去除臺(tái)風(fēng)后，前期除了最頂層為東北風(fēng)外，其他各層基本都為東風(fēng)且風(fēng)速較小，風(fēng)切變大都指向西側(cè)。由TCE 減去NTCE 的結(jié)果可看出，臺(tái)風(fēng)前期對(duì)于環(huán)境風(fēng)的影響體現(xiàn)在使600 hPa 以上的北風(fēng)加強(qiáng)，在400 hPa 最明顯，700 hPa 以下的南風(fēng)加強(qiáng)，在800 hPa最明顯，這在10 日12 時(shí)—11 日12 時(shí)較顯著，同時(shí)對(duì)應(yīng)400 hPa與800 hPa的風(fēng)切變指向南側(cè)的分量加大。由圖2可知，此時(shí)臺(tái)風(fēng)降水主要集中在臺(tái)風(fēng)南側(cè)至東南側(cè)，與下層增大的南風(fēng)至東南風(fēng)，高層增大的北風(fēng)至西北風(fēng)有著對(duì)應(yīng)關(guān)系，在11 日00 時(shí)之前，在臺(tái)風(fēng)的影響下，垂直風(fēng)切變指向南側(cè)的分量逐漸增大，在11 日00 時(shí)左右達(dá)到最大，之后逐漸減小并偏向東南側(cè)，與降水的位置相對(duì)應(yīng)。

圖4和圖5顯示了臺(tái)風(fēng)降水分布和400 hPa的垂直速度分布，圖6 和圖7 則分別展示了400 hPa和800 hPa 的非對(duì)稱(chēng)風(fēng)場(chǎng)、一波高度場(chǎng)、一波溫度場(chǎng)以及原始風(fēng)場(chǎng)在TCE 和NTCE 之間的差異。圖4～圖7可看出，10日18時(shí)，臺(tái)風(fēng)“山竹”東部降水較大，由第二類(lèi)條件不穩(wěn)定機(jī)制，降水釋放潛熱，使氣溫升高，低層氣壓下降，指向臺(tái)風(fēng)中心的流入氣流增大，又由于絕對(duì)角動(dòng)量守恒原則，使得低層的切向風(fēng)速也將隨之增大，低層環(huán)流加強(qiáng)，這造成周?chē)呐瘽窨諝饬魅氩⑻?，抬升途中膨脹冷卻形成降水，又由于臺(tái)風(fēng)中的水平氣壓梯度力隨著高度升高而逐漸減小，在抬升至流出層(400 hPa)高度后，就出現(xiàn)了外流的氣流，形成高壓區(qū)并向外輻散，所以高空從東側(cè)出流，并具有較大位勢(shì)高度(壓強(qiáng))。并且，降水釋放的潛熱上升也使得東側(cè)的溫度較高，在高空溫度場(chǎng)和高度場(chǎng)是互相匹配的(深厚系統(tǒng))。臺(tái)風(fēng)的高層與低層之間通過(guò)上升運(yùn)動(dòng)聯(lián)系，400 hPa 垂直速度的情況與降水分布一致，正的垂直速度(上升運(yùn)動(dòng))主要位于東側(cè)。800 hPa 的東部高位勢(shì)高度區(qū)，主要是由于該區(qū)域在400 hPa 出流導(dǎo)致的輻合使得該區(qū)域空氣柱質(zhì)量較大，800 hPa 的東部低溫區(qū)，主要由于更大的入流帶來(lái)了較遠(yuǎn)處的低溫空氣導(dǎo)致。此時(shí)非對(duì)稱(chēng)風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)尚未滿(mǎn)足地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系(這里已去除了軸對(duì)稱(chēng)的風(fēng)壓關(guān)系，即去除了梯度風(fēng)平衡的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)和離心力分量)，主要由臺(tái)風(fēng)非絕熱加熱引起非對(duì)稱(chēng)風(fēng)場(chǎng)，然后由非對(duì)稱(chēng)風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)氣壓場(chǎng)，此時(shí)由于高空出流的非對(duì)稱(chēng)風(fēng)為北風(fēng)，空氣流入南側(cè)使氣壓升高，同時(shí)也形成了一個(gè)南高北低的氣壓場(chǎng)，進(jìn)而由白貝羅定律形成一個(gè)西風(fēng)的分量，推動(dòng)降水進(jìn)一步向東側(cè)集中。同時(shí)降水通過(guò)凝結(jié)釋放潛熱，大氣升溫同時(shí)高層質(zhì)量流出輻散，使得低層氣壓下降，低層氣旋性環(huán)流加強(qiáng)，正垂直速度區(qū)域與降水區(qū)域?qū)?yīng)。11 日00 時(shí)，整體相對(duì)于上個(gè)時(shí)次加強(qiáng)，因?yàn)榈蛯又行臍鈮合陆?，風(fēng)速增強(qiáng)，使得向內(nèi)輻合和向上輸送的水汽增加，通過(guò)形成更多積雨云使得東側(cè)降水增多，相應(yīng)地在東南側(cè)造成高溫區(qū)域，非對(duì)稱(chēng)風(fēng)為北風(fēng)，使得南側(cè)高度場(chǎng)增高，形成南高北低的氣壓場(chǎng)并產(chǎn)生西風(fēng)，非對(duì)稱(chēng)風(fēng)的向東分量增大，結(jié)合高壓區(qū)域產(chǎn)生的南風(fēng)，降水由東南側(cè)繼續(xù)向東側(cè)移動(dòng)。11 日06 時(shí)，降水大值區(qū)域和正垂直速度區(qū)域集中于臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)，對(duì)應(yīng)東側(cè)的高溫高位勢(shì)高度區(qū)域，平均風(fēng)南風(fēng)分量增大，非對(duì)稱(chēng)風(fēng)主要為西北風(fēng)，空氣流向東南側(cè)形成東南高西北低的氣壓場(chǎng)，由白貝羅定律產(chǎn)生了西南風(fēng)，帶動(dòng)降水由東側(cè)偏南向正東移動(dòng)，低層輻合加強(qiáng)使低層風(fēng)速繼續(xù)增大，最大風(fēng)速出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)中心東部。總的來(lái)看，在臺(tái)風(fēng)“山竹”前期，氣壓由980 hPa 降到955 hPa，正垂直速度區(qū)域變化情況基本與降水大值分布方位一致，由東南側(cè)向東側(cè)集中。由于臺(tái)風(fēng)降水方位和非對(duì)稱(chēng)風(fēng)使得高溫高壓區(qū)域集中于東部，進(jìn)而帶動(dòng)了高層非對(duì)稱(chēng)風(fēng)的方向發(fā)生變化，由最開(kāi)始的北風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，降水逐漸集中于東側(cè)，整體呈現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖4 臺(tái)風(fēng)“山竹”300 km范圍內(nèi)平均降水圖 a.10日18時(shí)；b.11日00時(shí)；c.11日06時(shí)。

圖5 臺(tái)風(fēng)“山竹”300 km范圍內(nèi)400 hPa垂直速度圖 正值為向上的垂直速度。a.10日18時(shí)；b.11日00時(shí)；c.11日06時(shí)。

綜上所述，由于TCE 和NTCE 試驗(yàn)控制了除有無(wú)臺(tái)風(fēng)外的其他變量的一致性，可認(rèn)為兩者的差別是由臺(tái)風(fēng)的存在對(duì)環(huán)境流場(chǎng)的作用導(dǎo)致的，非對(duì)稱(chēng)降水與非對(duì)稱(chēng)風(fēng)具有緊密聯(lián)系，因此可簡(jiǎn)單歸納出臺(tái)風(fēng)內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程對(duì)環(huán)境流場(chǎng)的反饋?zhàn)饔脵C(jī)理：環(huán)境垂直風(fēng)切變首先影響強(qiáng)降水的發(fā)生位置(順風(fēng)切變左側(cè))，而非對(duì)稱(chēng)降水相伴的非絕熱加熱進(jìn)而帶動(dòng)高壓和低壓區(qū)域移動(dòng)，同時(shí)高低壓位置的變化又帶動(dòng)非對(duì)稱(chēng)風(fēng)和平均風(fēng)的方向發(fā)生改變，所以臺(tái)風(fēng)環(huán)流與環(huán)境流場(chǎng)相互影響，并呈現(xiàn)正反饋的關(guān)系。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)2018 年臺(tái)風(fēng)“山竹”，通過(guò)使用ERA5 再分析資料、GPM 降水?dāng)?shù)據(jù)和WRF 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)風(fēng)非對(duì)稱(chēng)降水的分布和臺(tái)風(fēng)與環(huán)境流場(chǎng)的相互作用進(jìn)行了研究。

(1) 降水分布表現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱(chēng)性，主要集中在南側(cè)，而北側(cè)幾乎無(wú)降水。同時(shí)與平均風(fēng)切變的關(guān)系十分密切，降水總是位于順風(fēng)切變的左側(cè)，降水方位與風(fēng)切變指向同步變化，平均風(fēng)切變指向發(fā)生了一定的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

(2) 臺(tái)風(fēng)“山竹”環(huán)境風(fēng)各垂直層以偏東風(fēng)為主，風(fēng)切變基本指向西南側(cè)或南側(cè)。臺(tái)風(fēng)早期對(duì)環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的影響體現(xiàn)為使高層北風(fēng)增大，低層南風(fēng)增大，指向降水區(qū)域方位(南側(cè)或西南側(cè))的風(fēng)切變分量先增大后減小。

(3) 在臺(tái)風(fēng)前期(氣壓由980 hPa 降到955 hPa)，由非對(duì)稱(chēng)風(fēng)帶動(dòng)降水位置變化，進(jìn)而帶動(dòng)高壓和低壓區(qū)域移動(dòng)，同時(shí)高低壓位置的變化又帶動(dòng)非對(duì)稱(chēng)風(fēng)和平均風(fēng)的方向發(fā)生改變，臺(tái)風(fēng)對(duì)環(huán)境的影響與環(huán)境對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響二者呈現(xiàn)出相互影響的反饋關(guān)系。

致 謝：本論文的數(shù)值計(jì)算得到了南京信息工程大學(xué)高性能計(jì)算中心的計(jì)算支持和幫助，特此致謝！