李 瑞，李本亮，胡 鵬，梁永禮，劉愛梅

（濟南市氣象局，山東濟南 250102）

環(huán)境垂直風(fēng)切變對0509號臺風(fēng)“麥莎”的影響分析

李 瑞，李本亮，胡 鵬，梁永禮，劉愛梅

（濟南市氣象局，山東濟南 250102）

利用多種衛(wèi)星觀測資料和NCEP/NCAR提供的風(fēng)場資料等，分析了環(huán)境垂直風(fēng)切變對0509號臺風(fēng)“麥莎”的強度、對流和降水結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：在臺風(fēng)“麥莎”整個生命史中，垂直風(fēng)切變與其強度之間關(guān)系非常密切，但垂直風(fēng)切變不是影響其強度變化的唯一因素；“麥莎”登陸前及登陸后在垂直風(fēng)切變作用下，強對流和強降水均位于順切變方向及其左側(cè)，對流和降水呈1階非對稱分布。

臺風(fēng)“麥莎”；強度；對流和降水結(jié)構(gòu)；環(huán)境垂直風(fēng)切變

0 引言

大量研究［1-6］表明，一定強度的環(huán)境垂直風(fēng)切變（environmental vertical wind shear）是阻礙熱帶氣旋（TC）生成和造成熱帶氣旋減弱的主要因素之一。GRAY［7］認(rèn)為，環(huán)境垂直風(fēng)切變對TC總體上的影響可解釋為“通風(fēng)流”效應(yīng)，即由于各層水平風(fēng)方向和速度不同，使TC內(nèi)區(qū)高層暖濕空氣及釋放的潛熱平流到環(huán)境中而導(dǎo)致TC強度減弱。GALLINA et al［8］統(tǒng)計研究表明，阻礙TC發(fā)展的環(huán)境垂直風(fēng)切變的閾值在大西洋為7～8 m·s-1，在西北太平洋為9～10 m·s-1。另外，很多研究［9-12］表明，環(huán)境垂直風(fēng)切變與TC的對流和降水結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在觀測研究方面，F(xiàn)RANKLIN et al［13］綜合應(yīng)用下投式探空儀和機載多普勒雷達資料分析在垂直風(fēng)切變影響下風(fēng)暴Gloria（1985）的對流分布，發(fā)現(xiàn)Gloria（1985）內(nèi)眼壁上的對流趨于集中在順切變方向左側(cè)。CORBOSIERO et al［14］借助美國國家閃電探測網(wǎng)觀測的閃電資料研究了垂直風(fēng)切變對35個大西洋TC對流分布的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)垂直風(fēng)切變大于5 m ·s-1時，90%多的閃電發(fā)生在順切變方向兩側(cè)的象限內(nèi)；在TC內(nèi)雨帶（距TC中心100 km以內(nèi)）順切變方向左側(cè)象限內(nèi)的閃電數(shù)最多，而在外雨帶（距TC中心100～300 km范圍內(nèi)）順切變方向右側(cè)象限內(nèi)的閃電數(shù)最多，閃電數(shù)越多表明對流越活躍。CHEN et al［15］利用TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）衛(wèi)星觀測反演的地面降水率研究了垂直風(fēng)切變對北半球大洋上TC降水分布的影響，結(jié)果表明當(dāng)垂直風(fēng)切變大于7.5 m·s-1時，距TC中心300 km以內(nèi)最大降水率位于順切變方向左側(cè)。在數(shù)值模擬研究方面，干絕熱框架下垂直風(fēng)切變影響TC眼壁附近的非對稱垂直運動的物理機理已比較清楚［16-17］，雖然非對稱次級環(huán)流的上升運動位于順切變方向的右側(cè)，由于TC逆時針方向環(huán)流的平流作用，使強降水出現(xiàn)在順切變方向及其左側(cè)；在考慮了濕過程以后［18-19］，強烈的上升運動和降水出現(xiàn)在順切變方向的左側(cè)。環(huán)境垂直風(fēng)切變對TC強度、對流和降水結(jié)構(gòu)的影響在國外已有較多研究，并將其作為TC強度和降水預(yù)測模型［20-23］的一個重要因子，然而目前在國內(nèi)這方面的研究和應(yīng)用還不多，加強這方面的研究具有一定意義。

2005年7月30日12時（世界時，以下時間均采用世界時）第9號熱帶氣旋“麥莎”在雅浦島以南約100 km的太平洋上生成。隨后幾天，它一直向西北方向移動，強度不斷加強，于8月5日19時40分在浙江省玉環(huán)縣登陸，登陸時強度為強臺風(fēng)。登陸以后，“麥莎”繼續(xù)向西北方向移動，強度逐漸減弱。7日進入安徽東部并減弱為熱帶風(fēng)暴。然后，它開始折向北移動，進入江蘇省。8日“麥莎”進入山東省，下午變性為溫帶氣旋?！胞溕币苿勇窂胶退?jīng)洋面SST見圖1（考慮在6 d的時間內(nèi)SST不會有明顯變化，因此用7月31日至8月5日平均SST代表“麥莎”所經(jīng)洋面SST分布）?！胞溕钡顷懞笃茐牧?，影響范圍廣，是我國2005年度受災(zāi)面積最大、經(jīng)濟損失最重的一個臺風(fēng)。本文將借助多種觀測資料分析環(huán)境垂直風(fēng)切變對“麥莎”強度、對流和降水結(jié)構(gòu)的影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

“麥莎”強度和中心經(jīng)緯度資料來自中國氣象局上海臺風(fēng)研究所出版的《熱帶氣旋年鑒》，該資料每6 h記錄一次。

環(huán)境風(fēng)場取自NCEP/NCAR提供的FNL（Global Final Analyses）分析場，該資料空間分辨率為1°，時間分辨率為6 h。

海表溫度采用NCEP提供的全球?qū)崟r海溫資料（RTG-SST），該資料為日平均SST，空間分辨率為0.5°。

利用風(fēng)云2C衛(wèi)星搭載的可見光紅外自旋掃描輻射儀（VISSR）觀測的1 h平均相當(dāng)黑體亮度溫度（TBB）來研究TC對流系統(tǒng)的發(fā)展，其空間分辨率為0.1°。對于強對流天氣的發(fā)展，云頂亮溫一般在-60℃以下，有時會達到-100℃以下，云頂溫度越低表明云頂越高，對流越旺盛［24］。據(jù)統(tǒng)計，87.3%以上的暴雨發(fā)生在-63～-80℃［25］。這為我們應(yīng)用TBB數(shù)據(jù)來研究“麥莎”對流的發(fā)展提供可行性。

TRMM衛(wèi)星是1997年11月美日聯(lián)合發(fā)射的，第一次用于量化測量熱帶降雨的空間衛(wèi)星計劃，目的是更多地了解熱帶降雨對全球氣候系統(tǒng)的影響［26］。該衛(wèi)星是一顆極軌衛(wèi)星，其周期為91.3 min，每天運行15.77軌，覆蓋范圍為赤道附近南北緯50°之間的地區(qū)。衛(wèi)星上搭載的微波成像儀（TMI）的觀測目的是探測海上降雨強度，其掃描寬度為760 km，水平分辨率為4.4 km。呂艷彬等［27］利用1998年6月華南暴雨試驗期間3個加密觀測時段的逐小時雨量資料對TRMM/TMI的測雨能力進行了考察，結(jié)果表明TRMM/TMI對熱帶強對流降水有較好的監(jiān)測能力。丁偉鈺等［28］利用2002年3個熱帶氣旋登陸廣東過程中自動氣象站的降水資料對TRMM降水估計資料進行了檢驗，研究發(fā)現(xiàn)2種資料有很好的相關(guān)性，TRMM降水估計資料可以反映出熱帶氣旋降水的變化特征。因此，本文主要利用TRMM/TMI觀測反演的地面降水率（單位為mm·h-1）研究臺風(fēng)“麥莎”的降水分布及其與環(huán)境垂直風(fēng)切變的關(guān)系。

1.2 方法簡介

1.2.1 環(huán)境垂直風(fēng)切變的計算

為了計算影響TC的環(huán)境垂直風(fēng)切變，參照PATERSON et al［29］的方法，從NCEP/NCAR再分析風(fēng)場資料中剔除TC本身的環(huán)流。把剔除TC環(huán)流后的風(fēng)場作為TC的環(huán)境風(fēng)場。

對于環(huán)境垂直風(fēng)切變的計算，目前比較普遍的求法是利用850 h Pa和200 hPa兩層的區(qū)域平均風(fēng)場矢量差來表示，沿切變方向稱為順切變方向，相反方向則稱為逆切變方向。參照PALMER et al［30］的方法，以TC所在位置為中心，在10°×10°的正方形網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，分別計算850 h Pa和200 hPa兩層上經(jīng)向和緯向風(fēng)場的風(fēng)速平均值，進而求出這兩層的區(qū)域平均風(fēng)場矢量差，其大小為：

式中：vws表示環(huán)境垂直風(fēng)切變的大小，u200和u850分別表示200 hPa和850 hPa等壓面上的緯向風(fēng)速，v200和v850分別表示200 h Pa和850 hPa等壓面上的經(jīng)向風(fēng)速。

1.2.2 對流和降水非對稱性的計算

將風(fēng)云2C（TRMM）衛(wèi)星反演的TBB（地面降水率）沿方位Fourier展開，用以研究臺風(fēng)“麥莎”對流（降水）的空間分布，其公式如下：

式中：r為距TC中心的徑向距離，θ表示方位角度，j表示Fourier展開的波數(shù)，R0為方位向平均的TBB（地面降水率），Rjc和Rjs為TBB（地面降水率）j階波動Fourier系數(shù)。徑向距離r處TBB（地面降水率）的j階波動振幅可表示為：

1.2.3 趨勢研究方法

趨勢研究主要利用施能等［31］提出的氣候趨勢系數(shù)方法，即對任一時間序列｛xi｝，其氣候趨勢系數(shù)rxt定義為：

2 結(jié)果與分析

2.1 強度變化與環(huán)境垂直風(fēng)切變的關(guān)系

圖2顯示的是2005年7月31日12時至8月7日12時“麥莎”中心最低氣壓及其環(huán)境垂直風(fēng)切變隨時間的演變。由圖2可見，在“麥莎”登陸前（7月31日12時至8月5日18時），垂直風(fēng)切變不斷顯著減弱（趨勢系數(shù)為-0.696，通過0.001的顯著性水平檢驗），至8月1日6時便減弱至＜10 m·s-1，當(dāng)4日12時減弱至最小值1.895 m·s-1時，“麥莎”達到生命史中的最大強度臺風(fēng)。此后30 h內(nèi)，垂直風(fēng)切變依然較弱（均值為6.136 m·s-1），“麥莎”繼續(xù)維持最大強度。同時，從圖1可以看出“麥莎”登陸前所經(jīng)洋面SST達27～29℃，為其強度的增強和維持提供了充足的能量來源。這與CHAN et al［32］的研究結(jié)論相一致，他認(rèn)為TC強度對SST變化的響應(yīng)幾乎是同時的，當(dāng)SST在27～30℃時，TC增強最快。由此可見，“麥莎”登陸前處于不斷顯著減弱的較弱切變環(huán)境中（切變均值為7.286 m·s-1），同時27～29℃的高海溫區(qū)為其強度的增強提供了十分有利的環(huán)境條件。“麥莎”登陸后（8月6日00時至7日12時），一方面受不斷顯著增強的垂直風(fēng)切變影響（趨勢系數(shù)為0.788，通過0.05的顯著性水平檢驗），另一方面深入內(nèi)陸下墊面由海洋變?yōu)殛懙兀瑏碜韵聣|面進入臺風(fēng)系統(tǒng)的潛熱和水汽大幅減少以及地形的摩擦等都使其由臺風(fēng)迅速減弱為熱帶低壓。

進一步計算得到“麥莎”整個生命史中中心最低氣壓和垂直風(fēng)切變兩組序列同時刻的相關(guān)系數(shù)為0.657，中心最低氣壓滯后垂直風(fēng)切變6 h的相關(guān)系數(shù)為0.596，這2個相關(guān)系數(shù)均通過0.001的顯著性水平檢驗。以上分析說明垂直風(fēng)切變與“麥莎”強度之間關(guān)系非常密切，但垂直風(fēng)切變不是影響其強度變化的唯一因素。“麥莎”登陸前及登陸后在影響其強度變化的多個因素中，垂直風(fēng)切變的相對作用還需今后進一步深入研究。

2.2 對流與環(huán)境垂直風(fēng)切變的關(guān)系

“麥莎”登陸前（7月31日12時至8月5日18時），每隔6 h共有22個TBB數(shù)據(jù)樣本。首先將這些數(shù)據(jù)樣本分別以“麥莎”中心為極坐標(biāo)中心插值到極坐標(biāo)上，然后旋轉(zhuǎn)使它們的垂直風(fēng)切變方向重合（均指向正北），進而對TBB數(shù)據(jù)疊加求平均，最終得到如圖3a所示的合成圖。由圖可知，合成TBB的空間分布具有明顯的非對稱性。距“麥莎”中心800 km以內(nèi)，在同一半徑距離上，TBB低值即強對流主要位于順切變方向及其左側(cè)的象限上，而在逆切變方向左側(cè)的象限上始終是TBB的高值。TBB的極低值即最強對流位于順切變方向左側(cè)距“麥莎”中心400 km以內(nèi)。

選取“麥莎”登陸后（8月6日00時至7日12時）每隔6 h共7個TBB數(shù)據(jù)樣本來分析垂直風(fēng)切變對其對流分布的影響。從TBB合成圖（圖3b）可以看出，“麥莎”登陸后，隨著強度的迅速減弱，對流強度也顯著減弱；TBB的空間分布仍表現(xiàn)出明顯的非對稱性。距“麥莎”中心800 km以內(nèi)，TBB低值即強對流主要位于順切變方向及其左側(cè)，而在逆切變方向左側(cè)始終是TBB高值。TBB的極低值即最強對流遠(yuǎn)離“麥莎”中心，位于順切變方向左側(cè)距“麥莎”中心400 km附近。

將“麥莎”登陸前（圖3a）及登陸后（圖3b）合成的TBB沿方位Fourier展開（表1和表2），在各徑向距離上1階振幅明顯大于其它高階振幅，說明“麥莎”對流分布具有明顯的1階非對稱結(jié)構(gòu)。

以往理論上的研究只能說明垂直風(fēng)切變影響TC眼墻附近對流呈1階非對稱分布的形成機理［12，16-19］，BLACK et al［9］、FRANKLIN et al［13］及CORBOSIERO et al［14］的觀測資料統(tǒng)計分析也只限于距TC中心300 km以內(nèi)，圖3的分析結(jié)果表明，無論“麥莎”登陸前還是登陸后，距“麥莎”中心300 km以內(nèi)，甚至300～800 km的強對流都偏向于落在順切變方向及其左側(cè)。

2.3 降水與環(huán)境垂直風(fēng)切變的關(guān)系

由于衛(wèi)星掃描在時間和空間上的局限性，選取TRMM/TMI觀測反演的7個時次的地面降水率進行分析，如圖4所示。對于每個TRMM/TMI觀測時刻，選取與該時刻最相近2個時刻的“麥莎”中心位置和垂直風(fēng)切變，通過線性插值得到該觀測時刻“麥莎”中心位置和垂直風(fēng)切變?？紤]“麥莎”登陸后被TRMM/TMI觀測到的次數(shù)較少，選取地面加密自動氣象站觀測的2005年8月7日00時—01時降水量作為研究資料的補充（圖5）。8月7日00時—01時，“麥莎”中心由（31.2°N，118.4°E）略微向北移動到（31.3°N，118.4°E），垂直風(fēng)切變與正東方向的夾角由32.49°略微順時針旋轉(zhuǎn)到32.24°，所以用00時與01時“麥莎”中心位置、垂直風(fēng)切變的平均來定性分析垂直風(fēng)切變對“麥莎”降水分布的影響是可行的。從圖4和圖5可以看出，在“麥莎”生命史中，眼墻及眼墻外螺旋雨帶的強降水均位于順切變方向及其左側(cè)。將“麥莎”登陸前（圖4a）及登陸后（圖4f）的地面降水率沿方位Fourier展開（表3和表4），在各徑向距離處1階振幅明顯大于其它高階振幅，說明“麥莎”降水分布具有明顯的1階非對稱結(jié)構(gòu)。

以往觀測研究集中分析海盆中TC降水分布與垂直風(fēng)切變的關(guān)系［10-11，15］，對TC登陸后二者之間關(guān)系的研究甚少。TC登陸后其降水分布由垂直風(fēng)切變、水汽供應(yīng)改變、復(fù)雜地形、TC與中低緯度系統(tǒng)相互作用等共同影響所決定，降水的空間結(jié)構(gòu)具有很大的不確定性。從圖4e～4g及圖5可以看出，“麥莎”登陸后降水分布與垂直風(fēng)切變依然具有很好的對應(yīng)關(guān)系，即強降水位于順切變方向及其左側(cè)。

3 結(jié)論

（1）“麥莎”登陸前處于不斷顯著減弱的較弱切變環(huán)境中和27～29℃的高海溫區(qū)，為其強度的增強提供了十分有利的環(huán)境條件，使“麥莎”由熱帶低壓不斷發(fā)展增強為臺風(fēng)?！胞溕钡顷懞?，一方面受不斷顯著增強的垂直風(fēng)切變影響，另一方面深入內(nèi)陸，下墊面由海洋變?yōu)殛懙?，來自下墊面進入臺風(fēng)系統(tǒng)的潛熱和水汽大幅減少以及地形的摩擦等都使其由臺風(fēng)迅速減弱為熱帶低壓。在“麥莎”整個生命史中，垂直風(fēng)切變與其強度之間關(guān)系非常密切，但垂直風(fēng)切變不是影響強度變化的唯一因素?！胞溕钡顷懬凹暗顷懞笤谟绊懫鋸姸茸兓亩鄠€因素中，垂直風(fēng)切變的相對作用還需今后進一步深入研究。

（2）“麥莎”登陸前，TBB的極低值即最強對流位于順切變方向左側(cè)距“麥莎”中心400 km以內(nèi)。登陸后TBB的極低值即最強對流遠(yuǎn)離“麥莎”中心，位于順切變方向左側(cè)距“麥莎”中心400 km附近。“麥莎”登陸前及登陸后，距“麥莎”中心800 km以內(nèi)的強對流都偏向于落在順切變方向及其左側(cè)，對流呈1階非對稱分布。

（3）“麥莎”登陸前，眼墻及眼墻外螺旋雨帶的強降水均位于順切變方向及其左側(cè)。“麥莎”登陸后，降水分布由垂直風(fēng)切變、水汽供應(yīng)改變、復(fù)雜地形、TC與中低緯度系統(tǒng)相互作用等共同影響所決定，降水的空間結(jié)構(gòu)具有很大的不確定性，然而垂直風(fēng)切變與降水分布仍具有很好的對應(yīng)關(guān)系，即強降水位于順切變方向及其左側(cè)?！胞溕钡顷懬凹暗顷懞蠼邓?階非對稱分布。

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Effects of environmental vertical wind shear on Typhoon Matsa（0509）

LI Rui，LI Ben-liang，HU Peng，LIANG Yong-li，LIU Ai-mei
（Jinan Meteorological Bureau，Jinan 250102，China）

The effects of environmental vertical wind shear（VWS）on the intensity，convection and precipitation asymmetries in Typhoon Matsa（0509）were analyzed based on the satellite observation data from various sources and NCEP/NCAR reanalysis wind.The results show that before and after Matsa's landfall，there is very close relationship between the VWS and Matsa's intensity，but the VWS is not a sole factor for Matsa's intensity variability.The VWS has a great impact on the asymmetric distribution of Matsa's convection and precipitation before and after its landfall.Heavy convection and rainfall generally occurr downshear to downshear-left of the VWS vector，showing a strong wavenumber-1 asymmetry.

Typhoon Matsa；intensity；convection and precipitation structures；environmental vertical wind shear

P444

A

1001-909X（2014）02-0014-09

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.002

李瑞，李本亮，胡鵬，等.環(huán)境垂直風(fēng)切變對0509號臺風(fēng)“麥莎”的影響分析［J］.海洋學(xué)研究，2014，32（2）：14-22，

10.3969/j. issn.1001-909X.2014.02.002.

LI Rui，LI Ben-liang，HU Peng，et al.Effects of environmental vertical wind shear on Typhoon Matsa（0509）［J］.Journal of Marine Sciences，2014，32（2）：14-22，doi：10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.002.

2013-11-27…………

2014-04-03

國家自然科學(xué)基金項目資助（40775060）

李瑞（1977-），男，江蘇宿遷市人，高級工程師，主要從事臺風(fēng)降水方面的研究。E-mail：lr9352@126.com