李啟華， 陸漢城， 鐘瑋， 譚偉才， 孫源

中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院， 南京　211101

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雙模態(tài)風(fēng)垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的作用分析

李啟華， 陸漢城*， 鐘瑋， 譚偉才， 孫源

中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院， 南京211101

摘要本文應(yīng)用WRF( v 3.4) 模式輸出資料，揭示了風(fēng)垂直切變(Vertical Wind Shear：VWS)在垂直方向上的波狀變化特征，這種波狀變化在臺(tái)風(fēng)不同發(fā)展時(shí)期又有不同形態(tài)，其中在持續(xù)強(qiáng)盛期呈雙模態(tài)分布.應(yīng)用VWS引起的次級(jí)垂直環(huán)流影響臺(tái)風(fēng)對(duì)流分布和強(qiáng)度變化的基本原理，用模式資料分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)流層中層具有的VWS是整層VWS的主要部分，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化滯后VWS的形態(tài)突變6h左右；雙模態(tài)波狀變化的VWS產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流和臺(tái)風(fēng)垂直環(huán)流的配置不同使臺(tái)風(fēng)強(qiáng)對(duì)流帶結(jié)構(gòu)變得不對(duì)稱及眼墻區(qū)對(duì)流強(qiáng)度在垂直分布上變得不均勻，隨著持續(xù)強(qiáng)盛期渦旋運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，強(qiáng)對(duì)流帶分布又趨于對(duì)稱.又根據(jù)VWS形成的垂直方向上渦度力分布不均勻引起臺(tái)風(fēng)內(nèi)中尺度滾軸狀對(duì)流帶不穩(wěn)定發(fā)展原理，分析表明：對(duì)流層中、低層的渦度力有利于對(duì)流不穩(wěn)定增強(qiáng)，垂直速度的最大值與風(fēng)垂直廓線的拐點(diǎn)在同一高度上，這與理論模型的結(jié)論一致.因此，VWS的波狀變化分布特征不僅影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)對(duì)流帶中尺度結(jié)構(gòu)的改變，也對(duì)臺(tái)風(fēng)持續(xù)強(qiáng)盛具有重要作用；同時(shí)也是臺(tái)風(fēng)內(nèi)滾軸狀對(duì)流帶不穩(wěn)定的可能啟動(dòng)機(jī)制.

關(guān)鍵詞風(fēng)垂直切變； 雙模態(tài)； 熱帶氣旋； 中尺度對(duì)流帶

1引言

在過(guò)去幾十年中，由于觀測(cè)技術(shù)(尤其是衛(wèi)星和下投式探空觀測(cè) (Soden et al., 2001；Tuleya and Lord, 1997；Aberson and Franklin, 1999))、數(shù)值模式(Emanuel and Ivkovic-Rothman,1999)和理論認(rèn)識(shí)(Chan and Gray, 1982；McAdie and Lawrence, 2000；Wu and Wang，2000)的不斷進(jìn)步，熱帶氣旋(TC)路徑預(yù)報(bào)精度穩(wěn)步提高；但復(fù)雜的數(shù)值模式和先進(jìn)的衛(wèi)星探測(cè)(McAdie and Lawrence, 2000)技術(shù)卻沒(méi)有明顯提高TC強(qiáng)度預(yù)報(bào)的水平，因此，結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的物理機(jī)制研究一直是國(guó)際熱帶氣旋研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，而許多復(fù)雜物理過(guò)程都對(duì)熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化有著顯著影響，如海氣相互作用，臺(tái)風(fēng)與環(huán)境系統(tǒng)相互作用等(Zeng et al.，2008； Ying and Zhang，2012; Wang，2002a，b；Zhang et al.，2005；Houze et al.，2007；Qiu et al.，2010；Sun et al.，2014；2015a；2015b).此外，最近越來(lái)越多的研究關(guān)注TC內(nèi)對(duì)流帶，特別是眼墻區(qū)和螺旋雨帶的結(jié)構(gòu)和變化對(duì)TC結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的影響.由于TC內(nèi)的深厚對(duì)流帶具有滾軸型中尺度帶狀分布，帶狀對(duì)流的啟動(dòng)和發(fā)展機(jī)制是TC結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的重要課題，大氣內(nèi)部過(guò)程產(chǎn)生的中尺度環(huán)流系統(tǒng)都受到大氣中的動(dòng)力不穩(wěn)定制約，中尺度不穩(wěn)定包括的Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定、對(duì)稱性不穩(wěn)定及EKman不穩(wěn)定都與環(huán)境風(fēng)垂直切變(VWS)有關(guān)，因此TC結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的變化一方面與復(fù)雜環(huán)境的相互作用有關(guān)，其中對(duì)VWS相互作用過(guò)程有重要作用，另一方面又與TC內(nèi)部對(duì)流發(fā)展有關(guān).

已經(jīng)證明VWS對(duì)TC的強(qiáng)度變化有著明顯影響，F(xiàn)rank和Ritchie(1999, 2001)研究認(rèn)為VWS的高(低)值與TC迅速衰亡(增強(qiáng))相關(guān).已有研究指出VWS的大小與TC強(qiáng)度變化呈反相關(guān)，因而認(rèn)為較大的VWS對(duì)TC增強(qiáng)起著負(fù)作用，也是大多數(shù)TC不能達(dá)到其潛在強(qiáng)度(potential intensity)的主要原因(DeMaria and Kaplan，1994；Zeng et al.，2007，2008).VWS影響TC強(qiáng)度的物理機(jī)制可能包括：高層暖心的通風(fēng)效應(yīng)(Frank and Ritchie，2001；Wong and Chan，2004；)；對(duì)流層穩(wěn)定度的增加(DeMaria，1996)；渦動(dòng)動(dòng)能通量的作用；低熵空氣對(duì)眼壁區(qū)域的入侵(Riemer et al.，2010)；低熵空氣的中層通風(fēng)效應(yīng)(Tang and Emanuel，2010)；這些研究指出了VWS作用下對(duì)TC發(fā)展中熱力效應(yīng)的影響，而VWS動(dòng)力作用的分析尚不多見(jiàn).曾智華等(2009)初步研究指出VWS層次、量值和方向的非均勻性對(duì)TC強(qiáng)度的影響，如TC強(qiáng)度變化受東風(fēng)切變影響要比西風(fēng)切變小，深層VWS對(duì)TC強(qiáng)度有作用，弱TC對(duì)流層中低層的VWS對(duì)其有更明顯的影響.Zhang和 Chen(2012)建議，除了200～850 hPa的VWS變外，還應(yīng)多關(guān)注高層VWS.可以看出VWS的非均勻性對(duì)TC是具有重要影響的，但其非均勻分布是如何影響TC強(qiáng)度變化的物理過(guò)程尚不清楚.

VWS另一方面的重要作用是導(dǎo)致TC內(nèi)非對(duì)稱對(duì)流分布的變化，F(xiàn)rank和Ritchie(1999)認(rèn)為VWS與TC內(nèi)核結(jié)構(gòu)也有密切關(guān)系，但是VWS如何影響眼墻內(nèi)雨帶和外雨帶的形成和發(fā)展的研究尚不多見(jiàn)，特別是VWS非均勻分布對(duì)TC對(duì)流分布的影響，以及VWS非均勻分布和TC內(nèi)渦散運(yùn)動(dòng)相互作用的分析還不多.

以往研究VWS著眼于低分辨率的環(huán)境風(fēng)垂直分布，即利用200hPa與850hPa之間的風(fēng)矢之差來(lái)代表整層的VWS，但是TC在移動(dòng)過(guò)程中存在環(huán)境大氣系統(tǒng)的改變，以及大氣系統(tǒng)與TC相對(duì)位置變化，因而在深厚的TC對(duì)流區(qū)，VWS分布是不均勻的，這種不均勻性對(duì)TC強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化的影響研究是非常重要的.因此，本文基于觀測(cè)資料分析“菲特”臺(tái)風(fēng)的發(fā)展過(guò)程，應(yīng)用WRF( v3.4) 模式進(jìn)行模擬，并在模式大氣資料能夠充分再現(xiàn)觀測(cè)資料特征的基礎(chǔ)上，將“菲特”臺(tái)風(fēng)劃分為：發(fā)展加強(qiáng)、持續(xù)強(qiáng)盛、快速衰減三個(gè)時(shí)期；分析“菲特”臺(tái)風(fēng)環(huán)境平均風(fēng)和VWS的波狀時(shí)空演變特征，揭示VWS的波狀時(shí)空演變特征對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性變化以及對(duì)其長(zhǎng)生命史強(qiáng)維持的作用.

2“菲特”臺(tái)風(fēng)過(guò)程概述和數(shù)值模擬

2.1“菲特”概述

2013年13號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”于9月30日12時(shí)(世界時(shí)間，下同)在菲律賓以東洋面上生成；于10月01日09時(shí)在西北太平洋洋面上加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；2日21時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)；4日12時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；6日17時(shí)15分在福建省福鼎市沙埕鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有14級(jí)(42 m·s-1)，中心最低氣壓為955 hPa；6日19時(shí)減弱為臺(tái)風(fēng)，20時(shí)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，21時(shí)減弱為熱帶風(fēng)暴；7日01時(shí)在福建省建甌市境內(nèi)減弱為熱帶低壓，持續(xù)時(shí)間為95 h，其中4日12時(shí)至6日18時(shí)有長(zhǎng)達(dá)54 h的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)階段.其最低氣壓強(qiáng)度隨時(shí)間變化與常見(jiàn)臺(tái)風(fēng)的“V”型情況不同，呈“U”型變化，這是一次罕見(jiàn)的長(zhǎng)生命史強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程.在此期間，2013年14號(hào)臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”于10月4日06時(shí)發(fā)展為熱帶風(fēng)暴，尾隨“菲特”臺(tái)風(fēng)向西偏北方向移動(dòng)；5日06時(shí)發(fā)展為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴；5日18時(shí)發(fā)展為臺(tái)風(fēng)；6日06時(shí)發(fā)展為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)；07日00時(shí)發(fā)展為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，路徑逐漸轉(zhuǎn)向偏北方向.分析衛(wèi)星云圖資料發(fā)現(xiàn)(圖略)，“菲特”臺(tái)風(fēng)云系由發(fā)展加強(qiáng)期的松散不對(duì)稱狀態(tài)，轉(zhuǎn)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)期結(jié)構(gòu)緊密的對(duì)稱性狀態(tài).在登陸后，云系結(jié)構(gòu)又逐漸變得松散且呈非對(duì)稱性，登陸后臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)降水也主要集中在臺(tái)風(fēng)的北部.

天氣尺度分析表明，“菲特”臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中，環(huán)境場(chǎng)的影響系統(tǒng)發(fā)生變化，在“菲特”臺(tái)風(fēng)發(fā)展西移過(guò)程中，西太平洋副熱帶高壓也不斷地加強(qiáng)西伸，隨著“菲特”臺(tái)風(fēng)靠近并登陸，副熱帶高壓西伸明顯，在北緯36°左右與中高緯的槽脊活動(dòng)形成對(duì)峙.當(dāng)“菲特”臺(tái)風(fēng)登陸減弱后，副熱帶高壓也逐漸減弱東退，此時(shí)中高緯槽線活動(dòng)南壓明顯，并與“菲特”臺(tái)風(fēng)的殘渦逐漸連成一條東北—西南走向的臺(tái)風(fēng)倒槽，西面大陸高壓對(duì)“菲特” 臺(tái)風(fēng)的西移也有個(gè)阻擋作用.而尾隨臺(tái)風(fēng)“丹娜絲”北側(cè)與副熱帶高壓之間是一個(gè)強(qiáng)風(fēng)區(qū)，其偏東氣流沿副高南緣匯入“菲特”的強(qiáng)風(fēng)區(qū)；并且隨著“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)，副熱帶高壓西南側(cè)的西偏北運(yùn)動(dòng)也加強(qiáng)，這有利于副熱帶高壓西側(cè)的北抬及西伸副熱帶高壓南側(cè)環(huán)流的加強(qiáng).故“菲特”臺(tái)風(fēng)在西折后主要受其與西太平洋副熱帶高壓西南側(cè)之間穩(wěn)定偏東氣流的引導(dǎo)，保持西行直至登陸消亡.此次臺(tái)風(fēng)發(fā)展過(guò)程中，“菲特”臺(tái)風(fēng)與副熱帶高壓、中高緯地區(qū)槽脊、西面大陸高壓及其東南面尾隨著的“丹娜絲”存在多系統(tǒng)相互作用，這種相互作用導(dǎo)致“菲特”臺(tái)風(fēng)環(huán)境風(fēng)場(chǎng)在垂直空間分布及隨時(shí)間變化的不均勻性，本文研究這種不均勻性對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化.

2.2數(shù)值試驗(yàn)

本文采用WRF(v3.4) 模式，使用NCEP1°×1°再分析資料作為初始場(chǎng)及邊界條件，取雙重嵌套區(qū)域, 區(qū)域中心均為 (130° E , 30° N ) , 粗網(wǎng)格水平方向?yàn)?88×365個(gè)格點(diǎn)，格距為18 km , 細(xì)網(wǎng)格水平方向?yàn)?02×558個(gè)格點(diǎn) , 格距為6 km , 垂直分層為50層，頂層為50 hPa,時(shí)間步長(zhǎng)為36 s.微物理過(guò)程采用新Thompson冰雹方案，長(zhǎng)波輻射采用RRTMG方案，短波輻射采用RRTMG方案，積云對(duì)流采用淺對(duì)流Kain-Fritsch方案，側(cè)邊界采用YSU方案，近地面采用MM5 Monin-Obukhov方案，陸面過(guò)程采用Unified Noah方案，除積云對(duì)流參數(shù)過(guò)程內(nèi)層不使用參數(shù)化方案外，其他方案在內(nèi)外層都是相同的.此次模擬過(guò)程初始時(shí)刻選為2013年10月03日12時(shí)，積分84 h，外層每3 h輸出一次模擬結(jié)果，內(nèi)層每1 h輸出一次結(jié)果.

模式結(jié)果表明，模式大氣的移動(dòng)路徑整體表達(dá)了觀測(cè)路徑，即觀測(cè)和模擬的路徑有很好的一致性，特別是在臺(tái)風(fēng)前期和中期，模擬路徑與觀測(cè)偏差僅幾十公里，登陸后的偏差在百公里左右；且移動(dòng)路徑的變化情況也有較好的一致性，模式很好地反映了臺(tái)風(fēng)初始向北移動(dòng)、西折后持續(xù)向西偏北移動(dòng)、登陸后向西南偏轉(zhuǎn)的變化情況(圖1a).模式模擬臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度變化(最低氣壓和最大風(fēng)速)也與觀測(cè)資料基本一致，即強(qiáng)度和最大風(fēng)速變化曲線與觀測(cè)基本一致.由氣壓變化曲線可以看出模擬起始時(shí)刻與實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度略有差異，這是初始調(diào)整過(guò)程中的偏差，登陸臺(tái)風(fēng)時(shí)受地形影響兩者也存在一定偏差，但氣壓的整體變化趨勢(shì)與觀測(cè)資料基本吻合，而且長(zhǎng)達(dá)54 h左右的持續(xù)強(qiáng)盛得到了較好的體現(xiàn)，即 “U”型的變化趨勢(shì)也得到了完整的再現(xiàn)(圖1b)，為模式大氣分析長(zhǎng)生命史維持的機(jī)理研究提供了高分辨率資料基礎(chǔ).同時(shí)模式大氣為臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化研究提供了中尺度分析的較高分辨率資料，現(xiàn)將“菲特”臺(tái)風(fēng)的模擬過(guò)程劃分為三個(gè)階段：發(fā)展加強(qiáng)期(共24 h)：03日12時(shí)—04日12時(shí)；持續(xù)強(qiáng)盛期(共48 h)：04日12時(shí)—06日12時(shí)；快速衰減期(共18 h)：06日12時(shí)—07日06時(shí).

圖1　模擬路徑(a)和強(qiáng)度(b)與觀測(cè)資料的對(duì)比 (a) 實(shí)心點(diǎn)為模擬路徑； 空心點(diǎn)為觀測(cè)路徑； 左側(cè)為“菲特”臺(tái)風(fēng)； 右側(cè)為“丹娜絲”臺(tái)風(fēng)； A和A′分別為“菲特”臺(tái)風(fēng)觀測(cè)和模擬的起始點(diǎn)； B和B′分別為“菲特”臺(tái)風(fēng)觀測(cè)和模擬的終止點(diǎn)； C和C′分別為“菲特”臺(tái)風(fēng)觀測(cè)和模擬的起始點(diǎn)； D和D′分別為“菲特”臺(tái)風(fēng)觀測(cè)和模擬的起始點(diǎn); (b) 實(shí)心圓圈為模擬的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速， 空心圓圈為觀測(cè)值； 粗星號(hào)為模擬的臺(tái)風(fēng)最低氣壓， 細(xì)星號(hào)為觀測(cè)值；兩根縱向?qū)嵕€分別是持續(xù)強(qiáng)盛期的起止時(shí)刻.Fig.1　Comparison of simulated typhoon track (a) and intensity (b) with observations (a) Fitow is in the left and Danas is in the right; open/closed circles represent observed/simulated track. A/A′ and B/B′ are observed/simulated initial position and final position for typhoon Fitow. C/C′ and D/D′ are observed/simulated initial position and final position for typhoon Danas； (b) Open/closed circle represents the observed/simulated maximum wind speed; thin asterisk/bold asterisk represents the observed/simulated minimum surface pressure; two vertical lines are starting and ending time of continuous intensifying.

3環(huán)境平均風(fēng)及其垂直切變的演變特征3.1環(huán)境平均風(fēng)的計(jì)算及演變特征

VWS是指TC所處環(huán)境的大尺度環(huán)流背景場(chǎng)平均水平風(fēng)隨高度的變化，其嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)是環(huán)境平均水平風(fēng)垂直梯度的度量，通常的使用單位為m·s-1.一般研究對(duì)VWS的定義是基本一致的，但計(jì)算時(shí)所選取的水平區(qū)域及垂直分層卻不盡相同，通常用200 hPa的平均風(fēng)減去850 hPa的平均風(fēng)作為VWS，得到的風(fēng)矢量作為整層環(huán)境風(fēng)垂直切變，環(huán)境平均風(fēng)通常是從氣旋中心徑向向外延伸300～800 km區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng).由于環(huán)境風(fēng)場(chǎng)隨高度變化的復(fù)雜性，以及根據(jù)以往中、高分辨率研究的不足，本文根據(jù)“菲特”臺(tái)風(fēng)尺度大小及研究的需要，水平區(qū)域選取以氣旋中心為原點(diǎn)的10°×10°正方形，垂直伸展從950 hPa至50 hPa.分別用間隔50 hPa、100 hPa、150 hPa和200 hPa較高分辨率的四種方案來(lái)計(jì)算平均水平風(fēng)的垂直梯度，即計(jì)算了不同垂直分辨率的VWS，選取合適的垂直分層間隔來(lái)表示環(huán)境風(fēng)垂直分布不均勻性.

如圖2a所示，臺(tái)風(fēng)發(fā)展三個(gè)階段的低層(850～950 hPa)環(huán)境平均風(fēng)均以偏東風(fēng)為主，但風(fēng)隨高度在不同發(fā)展階段具有波狀變化的不同形態(tài).(1)在發(fā)展加強(qiáng)期(3日18時(shí)為代表時(shí)刻)，風(fēng)隨高度變化以順時(shí)針偏轉(zhuǎn)為主，本文將這種風(fēng)隨高度的波狀變化定義為單模態(tài).(2)在發(fā)展加強(qiáng)期后期，即4日06時(shí)開(kāi)始，風(fēng)隨高度變化先在450～950 hPa層次內(nèi)順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，在相當(dāng)厚的層次內(nèi)，環(huán)境風(fēng)大小和方向具有相對(duì)穩(wěn)定性，到450 hPa開(kāi)始轉(zhuǎn)為逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，本文將這種波狀變化定義為雙模態(tài)，它比臺(tái)風(fēng)持續(xù)強(qiáng)盛期的開(kāi)始時(shí)刻提前了6 h.(3)在持續(xù)強(qiáng)盛期(5日18時(shí)為代表時(shí)刻)，低層到高層先順時(shí)針偏轉(zhuǎn)再逆時(shí)針偏轉(zhuǎn).連同04日06時(shí)開(kāi)始的垂直方向變化，因而雙模態(tài)分布持續(xù)了48 h.(4)持續(xù)強(qiáng)盛期后期的6日06時(shí)，因高層的逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)又轉(zhuǎn)為順時(shí)針，使得整層為順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入快速衰減期(6日18時(shí)為代表時(shí)刻).為更好地刻畫臺(tái)風(fēng)不同發(fā)展階段環(huán)境平均風(fēng)時(shí)空變化特征，繪制三個(gè)發(fā)展階段代表時(shí)刻的風(fēng)廓線投影圖(圖2(b、c、d))，由此更清晰地看到平均風(fēng)隨高度變化的幾個(gè)特點(diǎn)，其一是風(fēng)隨高度變化在三個(gè)不同階段經(jīng)歷了單模態(tài)(如03日18時(shí))到雙模態(tài)(如05日18時(shí))再到單模態(tài)(如06日18時(shí))的不同類型的波狀變化；其二是環(huán)境風(fēng)大小和方向的垂直分布在相當(dāng)厚度內(nèi)保持相對(duì)的穩(wěn)定，尤其是持續(xù)強(qiáng)盛期有連續(xù)48 h的相對(duì)穩(wěn)定期；其三是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度改變比模態(tài)改變滯后6 h左右.

圖2　環(huán)境平均風(fēng)的時(shí)空演變特征 (a) 環(huán)境平均風(fēng)V(水平風(fēng)速u和v的合成)垂直分布隨時(shí)間的演變特征(單位： m·s-1)； (b) 03日18時(shí)環(huán)境平均風(fēng)V廓線平面投影圖(單位： m·s-1)； (c) 05日18時(shí)環(huán)境平均風(fēng)V廓線平面投影圖(單位： m·s-1)； (d) 06日18時(shí)環(huán)境平均風(fēng)V廓線平面 投影圖(單位： m·s-1).Fig.2　Temporal-spatial evolution of the environmental mean wind V(u,v) (a) Time evolution of vertical distribution of environmental mean wind vectors (units: m·s-1); (b) Environmental mean wind profile at 18Z Oct 3 (units: m·s-1); (c) Environmental mean wind profile at 18Z Oct 5 (units: m·s-1); (d) Environmental mean wind profile at 18Z Oct 6 (units: m·s-1).

3.2風(fēng)垂直切變的演變特征

由于“菲特”臺(tái)風(fēng)環(huán)境平均風(fēng)在時(shí)空分布上具有波狀變化的特征，僅用200 hPa與850 hPa之差來(lái)表示整層VWS，既不能準(zhǔn)確地描述實(shí)際大氣VWS的特征，也難以分析VWS的波狀變化對(duì)TC中尺度對(duì)流帶強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力學(xué)影響.由3.1節(jié)分析看出，環(huán)境風(fēng)垂直分布既具有波狀變化，又在一定厚度內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定性，因而選擇合適的垂直分辨率表征波狀變化特征是有必要的.本文分別選取每間隔50 hPa、100 hPa、150 hPa和200 hPa四種方案來(lái)計(jì)算環(huán)境風(fēng)垂直切變，期望找到一個(gè)能表征實(shí)際大氣，又適用于本文研究的VWS計(jì)算的分辨率.

由四種較高垂直分辨率方案得到的VWS隨高度和時(shí)間變化特征基本相同(圖略)，都精細(xì)地表征了VWS分布的狀況，本文選取的100 hPa間隔是一種適宜的計(jì)算方案(圖3).分析表明：VWS的時(shí)空分布與環(huán)境風(fēng)變化具有相同的波狀分布形態(tài)，即在發(fā)展加強(qiáng)期VWS的垂直分布是順時(shí)針偏轉(zhuǎn)的單模態(tài)特征；到發(fā)展加強(qiáng)期的后期04日06時(shí)開(kāi)始，隨高度變化就出現(xiàn)了逆時(shí)針的偏轉(zhuǎn)，即出現(xiàn)雙模態(tài)，這種雙模態(tài)維持了48 h；在臺(tái)風(fēng)快速衰減期又出現(xiàn)了順時(shí)針?lè)较蚱D(zhuǎn)的單模態(tài).VWS的模態(tài)變化也較臺(tái)風(fēng)發(fā)展階段轉(zhuǎn)折提前6 h.除模態(tài)變化外，VWS強(qiáng)度也隨高度和不同發(fā)展階段有著差異，主要特征是在對(duì)流層中層(700～500 hPa)有一個(gè)長(zhǎng)生命史維持的西風(fēng)切變，尤其在不同發(fā)展階段有三個(gè)極值中心，分別為5.4 m·s-1，6.5 m·s-1和4.6 m·s-1，但持續(xù)強(qiáng)盛期的西風(fēng)切變厚度比其他兩個(gè)階段要薄一些，而持續(xù)強(qiáng)盛期的高層?xùn)|風(fēng)切變的大值區(qū)維持48 h，最大值達(dá)6.3 m·s-1.這些不均勻特征對(duì)TC中尺度對(duì)流維持和發(fā)展及結(jié)構(gòu)不均勻和不對(duì)稱變化具有重要影響.

為了比較不同層次VWS的影響作用，分析了不同高度間VWS影響的大小(圖4)，由圖可見(jiàn)，高層(200～450 hPa)、中層(450～650 hPa)和低層(650～950 hPa)三層在“菲特”臺(tái)風(fēng)發(fā)展的不同階段其變化趨勢(shì)是不同的，其中中層VWS與整層VWS變化趨勢(shì)最為相似，但切變強(qiáng)度有很大差異，高層次之，低層的VWS隨時(shí)間變化較小，整體呈減弱的趨勢(shì).整層VWS強(qiáng)度都達(dá)到8 m·s-1以上，最大值達(dá)到近15 m·s-1，而中層VWS也達(dá)8 m·s-1，最大值達(dá)到近20 m·s-1且在持續(xù)強(qiáng)盛期與850～200 hPa整層VWS強(qiáng)度是反位相變化的，因而分析不同高度VWS的不同動(dòng)力作用是十分必要的.因此，應(yīng)用高垂直分辨率來(lái)計(jì)算VWS，能更準(zhǔn)確地表征臺(tái)風(fēng)的不同發(fā)展階段呈現(xiàn)的波狀變化類型；根據(jù)同一發(fā)展階段的不同層次變化的相對(duì)穩(wěn)定性，分析它們的動(dòng)力作用具有針對(duì)性.

圖4　不同層VWS隨時(shí)間的演變特征對(duì)比 五角星：臺(tái)風(fēng)模擬最大速度；方框：高層(200～450 hPa)VWS；圓心：中層(450～650 hPa)VWS； 上三角：底層(650～850 hPa)VWS；下三角：整層(200～850 hPa)VWS.Fig.4　Comparison of time evolution of VWS at different pressure levels Rectangle represents the upper level (200～450 hPa) VWS； circle represents the middle level (450～650 hPa) VWS; upward-pointing triangle represents lower level (650～850 hPa) VWS; downward-pointing triangle represents the total (200～850 hPa) VWS.

4風(fēng)垂直切變對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)的影響

4.1風(fēng)垂直切變對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)中尺度對(duì)流帶結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的影響

VWS對(duì)臺(tái)風(fēng)對(duì)流帶的結(jié)構(gòu)分布和強(qiáng)度變化有著重要影響，對(duì)于VWS垂直分布線性變化的環(huán)境場(chǎng)而言，它在環(huán)境風(fēng)順風(fēng)切臺(tái)風(fēng)中心的右側(cè)，也即“down shear left”方向引起非對(duì)稱上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展(Wong and Chen, 2004).其基本原理如圖5a所示，當(dāng)存在西風(fēng)氣流的環(huán)境風(fēng)線性垂直切變時(shí)，產(chǎn)生垂直剖面上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的次級(jí)環(huán)流，該環(huán)流與TC垂直環(huán)流疊加，使TC在順風(fēng)切右(左)側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)(減弱)，同時(shí)又對(duì)TC對(duì)流帶的非對(duì)稱性產(chǎn)生影響.當(dāng)TC持續(xù)強(qiáng)盛期的渦旋加強(qiáng)時(shí)，這種非對(duì)稱性分布因旋轉(zhuǎn)加強(qiáng)逐漸由非對(duì)稱變?yōu)閷?duì)稱.但當(dāng)VWS隨高度具有波狀變化特征時(shí)，由VWS引起的次級(jí)環(huán)流在垂直分布上就具有不均勻性，從而使次級(jí)環(huán)流和臺(tái)風(fēng)垂直環(huán)流的匹配關(guān)系發(fā)生了變化.例如圖5b，同樣是西風(fēng)氣流的環(huán)境風(fēng)，出現(xiàn)風(fēng)速的波狀變化時(shí)，垂直方向上的次級(jí)環(huán)流也就具有了復(fù)雜變化.

圖5　西風(fēng)氣流的切變變化引起的次級(jí)環(huán)流與TC垂直對(duì)流耦合的示意圖 (a)、(b)分別為線性和波狀變化的西風(fēng)氣流對(duì)TC影響的示意圖，其中雙箭頭表示臺(tái)風(fēng)垂直環(huán)流； “+”、“-”分別表示環(huán)境風(fēng)引起的次級(jí)環(huán)流對(duì)臺(tái)風(fēng)垂直環(huán)流起加強(qiáng)和減弱作用.Fig.5　Schematic diagrams showing the influence of the west wind shear on TC (a) and (b) are influences of homogenous and non-homogenous west wind on TC respectively, double arrows depict the vertical circulation of typhoon; “+” and “-” denote the enhancing and weakening effects from secondary circulation induced by environmental wind.

本文選取發(fā)展加強(qiáng)期、持續(xù)強(qiáng)盛期和快速衰減期三個(gè)發(fā)展階段的七個(gè)時(shí)次過(guò)眼心的南北和東西向雷達(dá)反射率及垂直環(huán)流在剖面的分布特征，分析VWS波狀變化特征對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的影響.

4.1.1風(fēng)垂直切變分布對(duì)發(fā)展加強(qiáng)期TC結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的影響

(1) 由垂直分辨率為100 hPa分析的風(fēng)垂直切變(圖3)可見(jiàn)，在發(fā)展加強(qiáng)期階段的3日18時(shí)VWS的垂直分布具有如下特征.對(duì)流層底層有弱東風(fēng)切變，850～750 hPa的切變矢量為南風(fēng)，到750～400 hPa風(fēng)切矢量以偏西風(fēng)為主，且切變風(fēng)速隨高度增加，而300～200 hPa又以東風(fēng)為主，切變風(fēng)速也隨高度增加.根據(jù)風(fēng)切變引起的次級(jí)環(huán)流與TC東西兩側(cè)垂直運(yùn)動(dòng)的疊加原理可知，如圖6a所示，TC西側(cè)低層疊加逆時(shí)針加強(qiáng)作用環(huán)流圈(A)，而在中層則疊加順時(shí)針減弱作用環(huán)流圈(B)，到高層又有逆時(shí)針環(huán)流(C)的增強(qiáng)作用，使得TC西側(cè)產(chǎn)生低層和高層的兩個(gè)加強(qiáng)型垂直運(yùn)動(dòng)中心；TC東側(cè)的作用與西側(cè)相反，其中層的加強(qiáng)型環(huán)流圈(D)能使垂直運(yùn)動(dòng)具有從中低層向高層連續(xù)伸展的作用，但強(qiáng)對(duì)流則在中層.由東西兩側(cè)雷達(dá)反射率可以看到，西側(cè)在對(duì)流層低、高層的兩個(gè)大值中心，東側(cè)則由于中層強(qiáng)對(duì)流的作用使低、中、高層對(duì)流伸展的連續(xù)性而具有整層深對(duì)流特征.因此，VWS不僅影響TC東西兩側(cè)各自對(duì)流在垂直方向上發(fā)展的不均勻性，即西側(cè)的高、低層強(qiáng)、中層弱，東側(cè)反之；也影響著東西兩側(cè)對(duì)流的不對(duì)稱性，但整體而言東強(qiáng)西弱.同理分析南北兩側(cè)的VWS在垂直方向上也存在不均勻性，即南側(cè)低層弱、中高層強(qiáng)，北側(cè)反之；南北兩側(cè)的不對(duì)稱性呈現(xiàn)為南弱北強(qiáng)(圖6b).

圖6　發(fā)展加強(qiáng)期03日18時(shí)過(guò)臺(tái)風(fēng)眼心的東西、南北向垂直剖面圖雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)，流線(單位： m·s-1，其中垂直速度乘以50倍)，黑色上三角為臺(tái)風(fēng)中心位置.(a) 東西剖面；(b) 南北剖面；圖(a)中A和C為加強(qiáng)型的逆時(shí)針環(huán)流圈、B為減弱型的順時(shí)針環(huán)流圈、D為加強(qiáng)型的順時(shí)針環(huán)流圈.Fig.6　Vertical profiles at intensifying stage (18Z Oct 3) along east-west (a)and north-south (b) direction crossing the typhoon center Radar reflectivity image (shading, units: dBz) is overlapped with streamline (units: m·s-1, and 50 m·s-1 for vertical velocity); Black upward-pointing triangle represents the typhoon position. In (a), A and C are intensifying anti-clockwise circulations; B is weakening clockwise circulation; D is intensifying clockwise circulation.

(2) 04日06時(shí)雖然不是強(qiáng)盛維持期，但此時(shí)的VWS的分布特征與03日18時(shí)不同，開(kāi)始進(jìn)入了波狀變化的雙模態(tài)特征階段(圖略)，其切變強(qiáng)度也發(fā)生了變化，例如對(duì)流層低層和高層的東風(fēng)切均加大，分別從0.6 m·s-1增加到1.4 m·s-1和從2 m·s-1增加到5.8 m·s-1.使TC西側(cè)低層和高層的對(duì)流加強(qiáng)，反映的雷達(dá)回波強(qiáng)度也加大，這就表示不僅VWS的方向改變了次級(jí)環(huán)流疊加的作用，而且VWS的大小也能影響次級(jí)環(huán)流疊加作用的強(qiáng)弱.

這種因VWS引起的對(duì)流帶在垂直方向的不均勻性還體現(xiàn)在水平分布的不對(duì)稱性(圖7(a、b、c))，由雷達(dá)反射率強(qiáng)度分布可以看到，由于不同高度在東西、南北兩側(cè)的VWS影響作用的差異，使得對(duì)流層低層(800 hPa)的強(qiáng)回波帶位于西南和東北兩個(gè)區(qū)域，而在對(duì)流層中層(500 hPa)則在東側(cè)，到對(duì)流層高層(200 hPa)又分布在西南和東北兩個(gè)區(qū)域，同時(shí)可以看出水平不對(duì)稱對(duì)流帶隨高度的旋轉(zhuǎn)變化與VWS隨高度的旋轉(zhuǎn)具有很好的一致性.

圖7　發(fā)展加強(qiáng)期03日18時(shí)雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)、風(fēng)速大小(實(shí)線，單位： m·s-1)和風(fēng)矢(風(fēng)向標(biāo)，單位： m·s-1)的水平分布特征 (a) 800 hPa； (b) 500 hPa； (c) 200 hPa.Fig.7　Radar reflectivity (shading, units:dBz), wind direction (wind barbs, units: m·s-1) and speed (contour, units: m·s-1) at intensifying stage (18Z Oct 3) at 800 hPa (a), 500 hPa (b) and 200 hPa (c)

4.1.2風(fēng)垂直切變分布對(duì)持續(xù)強(qiáng)盛期TC結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的影響

由于TC持續(xù)強(qiáng)盛期維持了48 h之久，在06日06時(shí)之前VWS在垂直方向上都具有相似的模態(tài)分布，但在05日18時(shí)最為明顯，以05日18時(shí)來(lái)分析VWS對(duì)持續(xù)強(qiáng)盛期TC結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的影響.05日18時(shí)VWS雙模態(tài)分布是：低層的950 hPa為東南風(fēng)，850～700 hPa為西南風(fēng)；中層(650～450 hPa)為較大的西風(fēng)，在500 hPa高度出現(xiàn)西風(fēng)切變最大值6.8 m·s-1；高層(400～300 hPa)為東南風(fēng)；300 hPa以上為較大的東北風(fēng)，風(fēng)切變達(dá)7 m·s-1.500 hPa出現(xiàn)風(fēng)VWS的拐點(diǎn)，即500 hPa以下風(fēng)隨高度順時(shí)針變化，在該高度以上為逆時(shí)針變化.這種VWS的雙模態(tài)分布使得東西兩側(cè)垂直對(duì)流在垂直分布上不均勻更為清晰，從雷達(dá)回波強(qiáng)度分布可知(圖8a)，西側(cè)低層和高層對(duì)流加強(qiáng)，而中層減弱，東側(cè)反之；整體而言呈現(xiàn)出東強(qiáng)西弱的不對(duì)稱性.同理分析南北兩側(cè)(圖8b)，具有使南側(cè)的中低層(950～600 hPa)減弱，高層(500～200 hPa)加強(qiáng)，北側(cè)反之；不對(duì)稱性也呈現(xiàn)出南弱北強(qiáng)，強(qiáng)盛維持期的垂直風(fēng)切在高層(300～200 hPa)具有一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間維持的東北風(fēng)切變，其產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流圈使得TC西側(cè)和南側(cè)高層的對(duì)流要比東側(cè)和北側(cè)發(fā)展得更高，強(qiáng)度更強(qiáng)；在中層(650～500 hPa)則有一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間維持的偏西風(fēng)切變，其產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流圈使得TC東側(cè)中層加強(qiáng)，有利東側(cè)整層深對(duì)流發(fā)展和強(qiáng)生命史的維持.

圖8　強(qiáng)盛維持期05日18時(shí)過(guò)臺(tái)風(fēng)眼心的東西、南北向垂直剖面圖 雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)，流線(單位： m·s-1，其中垂直速度乘以50倍)，黑色上三角為臺(tái)風(fēng)中心位置. (a)東西剖面；(b)南北剖面.Fig.8　Vertical profiles at mature stage (18Z Oct 5) along east-west (a) and north-south (b) direction crossing the typhoon center Radar reflectivity image (shading, units: dBz) is overlapped with streamline (units: m·s-1, and 50 ms-1 for vertical velocity); Black upward-pointing triangle represents the typhoon position.

表1為臺(tái)風(fēng)三個(gè)不同發(fā)展階段的代表時(shí)次過(guò)眼心的東西和南北向剖面上渦度與垂直速度的最大值及散度的極值，分析表明：強(qiáng)維持期的渦度和散度比發(fā)展加強(qiáng)期有明顯的增加，其中05日18時(shí)的渦旋運(yùn)動(dòng)(4.2×10-3s-1)比03日18時(shí)增長(zhǎng)了近1.5倍，因而渦旋運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)使得對(duì)流帶水平非對(duì)稱分布變得對(duì)稱(圖9(a、b))，但在高層200 hPa還是可以看出有與VWS有一致對(duì)應(yīng)關(guān)系的不對(duì)稱性(圖9c).因此，發(fā)展加強(qiáng)期VWS在中高層具有長(zhǎng)時(shí)間維持的大值風(fēng)切變對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)發(fā)展加強(qiáng)期的對(duì)稱性、不均勻性和長(zhǎng)生命史強(qiáng)維持具有重要作用.06日06時(shí)VWS開(kāi)始變成單模態(tài)，這比進(jìn)入快速衰減期要提前6 h.

圖9　持續(xù)強(qiáng)盛期05日18時(shí)雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)、風(fēng)速大小(實(shí)線，單位： m·s-1) 和風(fēng)矢(風(fēng)向標(biāo)，單位： m·s-1)的水平分布特征 (a) 800 hPa； (b) 500 hPa； (c) 200 hPa.Fig.9　Radar reflectivity (shading, units: dBz), wind direction (wind barbs, units: m·s-1) and speed (contour, units: m·s-1) at mature stage (18Z Oct 5) at 800 hPa (a), 500 hPa (b) and 200 hPa (c)

4.1.3風(fēng)垂直切變分布對(duì)快速衰減期TC結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的影響

06日12時(shí)的VWS分布與06日06時(shí)幾乎一致，都是單模態(tài)變化，但強(qiáng)度要稍強(qiáng).因而由VWS引起的次級(jí)環(huán)流導(dǎo)致TC低層和高層的東(西)側(cè)上升運(yùn)動(dòng)減弱(加強(qiáng))的作用減小，中層的東(西)側(cè)加強(qiáng)(減弱)(圖10).另外，此時(shí)渦旋運(yùn)動(dòng)明顯減弱(表1)，VWS引起的非對(duì)稱分布又顯現(xiàn)出來(lái)(圖11).

圖10　快速衰減期06日12時(shí)過(guò)臺(tái)風(fēng)眼心的東西、南北向垂直剖面圖 雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)，流線(單位： m·s-1，其中垂直速度乘以50倍)，黑色上三角為臺(tái)風(fēng)中心位置. (a) 東西剖面； (b) 南北剖面.Fig.10　Vertical profiles at rapid weakening stage (12Z Oct 6) along east-west (a) and north-south (b) direction crossing the typhoon center Radar reflectivity image (shading, units: dBz) is overlapped with streamline (units: m·s-1, and 50 m·s-1for vertical velocity); Black upward-pointing triangle represents the typhoon position

圖11　快速衰減期06日12時(shí)雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)、風(fēng)速大小(實(shí)線，單位： m·s-1) 和風(fēng)矢(風(fēng)向標(biāo)，單位： m·s-1)的水平分布特征 (a) 800 hPa； (b) 500 hPa； (c) 200 hPa.Fig.11　Radar reflectivity (shading, units: dBz), wind direction (wind barbs, units: m·s-1) and speed (contour, units: m·s-1) at rapid weakening stage (12Z Oct 6) at 800 hPa (a), 500hPa (b) and 200 hPa (c)

從上面的分析可以看出，VWS在時(shí)空分布的不均勻?qū)C結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響.在發(fā)展加強(qiáng)期和快速衰減期VWS的動(dòng)力學(xué)次級(jí)環(huán)流使得TC東西、南北兩側(cè)不同高度的對(duì)流分別有增強(qiáng)和減弱的不均勻分布，而且使對(duì)流帶分布結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱性，這種非對(duì)稱性隨高度的變化方向與VWS隨高度的變化方向一致.在持續(xù)強(qiáng)盛期的中、高層有兩個(gè)長(zhǎng)時(shí)間維持的VWS大值區(qū)，這對(duì)“菲特”臺(tái)風(fēng)的不均勻性、不對(duì)稱性及長(zhǎng)生命史強(qiáng)維持具有重要影響.另外，由于渦旋的作用，使得“菲特”臺(tái)風(fēng)中低層的水平分布結(jié)構(gòu)在強(qiáng)盛維持期為對(duì)稱性.VWS模態(tài)的變化與“菲特”臺(tái)風(fēng)三個(gè)生命階段的變換有很好的時(shí)間相關(guān)性，都提前6 h.

表1　三個(gè)代表時(shí)次渦度和垂直速度的最大值及散度的極值

4.2波狀變化的風(fēng)垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)中尺度對(duì)流帶不穩(wěn)定性和對(duì)流發(fā)展的影響

觀測(cè)和模擬均表明，臺(tái)風(fēng)的眼墻和螺旋雨帶是中尺度對(duì)流帶，即眼墻區(qū)以及外圍的螺旋雨帶由對(duì)流單體組成，對(duì)流帶寬度約10 km作用，垂直伸展約5～7 km，完整的螺旋雨帶具有滾軸狀環(huán)流特征，即在垂直剖面上具有二維單體環(huán)流形態(tài)，對(duì)于二維單體對(duì)流的形成，F(xiàn)aller(1963)、Faller和Kaylor(1966)、Brown(1970)等曾用Ekman層的動(dòng)力不穩(wěn)定所引起的次級(jí)環(huán)流來(lái)解釋.Willoughby(1979)用平衡方程的強(qiáng)迫二級(jí)環(huán)流理論論述了臺(tái)風(fēng)中滾軸狀三維的形成和發(fā)展.

Kuettner(1971)提出一種新理論，因而VWS的動(dòng)力作用產(chǎn)生的次級(jí)環(huán)流發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注，在Kuettner的理論工作中，將渦度力(與風(fēng)速垂直廓線曲率相聯(lián)系的作用力)引入對(duì)流發(fā)生機(jī)制，在對(duì)流發(fā)生時(shí)，綜合考慮浮力、黏滯力和渦度力的不平衡問(wèn)題.Kuettner理論的基本原理如下：設(shè)在行星邊界層內(nèi)有X軸方向的平行基本氣流，有垂直風(fēng)速切變和Y軸方向的渦度.如示意圖12所示，邊界層內(nèi)有呈彎曲的雙模態(tài)垂直風(fēng)速廓線，H1高度以上的低層比頂層有較大的Y軸渦度，渦度的垂直梯度是負(fù)的，如果有一空氣元量，由最大風(fēng)速層以下的底層向上位移，由于元量的渦度守恒，在新的環(huán)境中產(chǎn)生超值渦度，構(gòu)成了一個(gè)“相對(duì)渦度”.結(jié)果，基本渦度場(chǎng)被破壞，并在“相對(duì)渦旋”的影響下環(huán)境渦度再分布，這種渦度再分布導(dǎo)致“渦旋”向下加速運(yùn)動(dòng)，迫使元量恢復(fù)到原來(lái)位置.這種使元量恢復(fù)到原來(lái)位置的作用力稱為渦度力.在渦度力作用下“渦旋”的加速度可由下式表達(dá)(Lin,1955)：

圖12　渦度力影響對(duì)流發(fā)展的示意圖 H1為風(fēng)垂直廓線的拐點(diǎn)高度；“+”，“-”分別表示VWS產(chǎn)生的正渦度和負(fù)渦度；H1以下的實(shí)心向上箭頭表示該層產(chǎn)生的渦度 力向上；H1以上的實(shí)心向下箭頭表示該層產(chǎn)生的渦度力向下.Fig.12　Schematic diagram showing the influence of VWS-induced vorticity H1 denotes the inflection height of the wind vertical profile; “+” and “-” denote positive and negative vorticity generated by VWS; solid upward-pointing arrow below H1 denotes the upward force at this layer; solid downward-pointing arrow above H1 denotes the downward force at this layer.

(1)

(1) 在發(fā)展加強(qiáng)期，u分量環(huán)境風(fēng)垂直廓線的拐點(diǎn)在450 hPa左右(圖13(a、b))，該高度以下VWS產(chǎn)生的渦度力大于零，產(chǎn)生對(duì)流加速度；該高度以上渦度力小于零，抑制對(duì)流發(fā)展.對(duì)應(yīng)的東西剖面上，東西兩側(cè)兩個(gè)垂直速度的最大值中心分別為7 m·s-1和1.4 m·s-1，并且都在450 hPa高度層上.東西兩側(cè)雷達(dá)回波強(qiáng)度也是從拐點(diǎn)所在高度層往上有逐漸減弱的趨勢(shì).v分量環(huán)境風(fēng)垂直廓線的拐點(diǎn)在300 hPa左右(圖14(a、b))，該高度以下VWS產(chǎn)生的渦度力大于零，產(chǎn)生對(duì)流加速度.在南北剖面兩側(cè)雷達(dá)回波上分別對(duì)應(yīng)的垂直速度大值中心(2.6 m·s-1和6.5 m·s-1)也在拐點(diǎn)的高度層300 hPa上.由于Kuettner理論的要點(diǎn)是判別渦度力對(duì)對(duì)流不穩(wěn)定的影響，而由VWS引起的加速度是判別對(duì)流啟動(dòng)的重要機(jī)制，因此分析發(fā)展加強(qiáng)期的不穩(wěn)定性是重要的.(2)對(duì)于強(qiáng)盛維持期，同樣的原理可以分析對(duì)流帶加速度的分布，如圖13c和13d所示，由于該階段對(duì)流帶呈對(duì)稱性分布，以東西剖面為例，環(huán)境風(fēng)廓線的拐點(diǎn)在550 hPa作用，根據(jù)渦度力原理，可以看到東西兩側(cè)的垂直速度最大值中心都是3.5 m·s-1，出現(xiàn)在拐點(diǎn)的高度層550 hPa上.在v分量的環(huán)境風(fēng)垂直廓線可以看到(圖14(c、d))，除了在400 hPa上下出現(xiàn)渦度力小于零外，整層都是渦度力大于零，促進(jìn)對(duì)流的發(fā)展，由于v分量的復(fù)雜變化，是該階段風(fēng)垂直切變出現(xiàn)雙模態(tài)特征的重要原因.(3)同樣，在快速衰減期(圖13(e、f))，以東西剖面上為例，環(huán)境風(fēng)廓線的拐點(diǎn)在550 hPa，可以看到西側(cè)的兩個(gè)垂直速度最大值中心(3.5 m·s-1)也在拐點(diǎn)的高度層上.兩個(gè)雷達(dá)回波柱狀的強(qiáng)度從拐點(diǎn)所在高度層往上有逐漸減弱的趨勢(shì).在v分量的環(huán)境風(fēng)垂直廓線(圖14(e、f))與發(fā)展加強(qiáng)期相比，在底層多了一個(gè)渦度力為負(fù)的抑制層，整層的風(fēng)速也偏大，渦度梯度為正的層次相對(duì)更高.因此，較發(fā)展加強(qiáng)期而言，該廓線不更利于對(duì)流的發(fā)展.

圖13　“菲特”臺(tái)風(fēng)三個(gè)發(fā)展階段VWS的u分量產(chǎn)生的渦度力對(duì)對(duì)流發(fā)展的影響 (a)、(c)和(e)分別為03日18時(shí)、05日18時(shí)和06日18時(shí)經(jīng)向平均風(fēng)廓線(單位： m·s-1)，“+”和“-”分別表示該層VWS產(chǎn)生的正渦度和負(fù)渦度； (b)、(d)和(f)分別為03日18時(shí)、05日18時(shí)和06日18時(shí)過(guò)眼心的東西向垂直剖面圖，雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)、 垂直 速度(實(shí)線，單位： m·s-1，間隔0.5 m·s-1)，黑色上三角為臺(tái)風(fēng)中心位置.Fig.13　Influence of vorticity generated by VWS on development of convection in typhoon Fitow at three different stages (a), (c) and (e) are north-south wind profile (units: m·s-1) at 18Z Oct 3, 18Z Oct 5 and 18Z Oct 6 respectively, “+” and “-” denote positive and negative vorticity generated from VWS. (b), (d) and (f) are east-west vertical profile crossing the typhoon center at 18Z Oct 3, 18Z Oct 5 and 18Z Oct 6 respectively. Radar reflectivity image (shading, units: dBz) is overlapped with vertical velocity (contour, units: m·s-1, interval 0.5 m·s-1); Black upward-pointing triangle represents the typhoon position.

圖14　“菲特”臺(tái)風(fēng)三個(gè)發(fā)展階段VWS的v分量產(chǎn)生的渦度力對(duì)對(duì)流發(fā)展的影響 (a)、(c)和(e)分別為03日18時(shí)、05日18時(shí)和06日18時(shí)緯向平均風(fēng)廓線(單位： m·s-1)，“+”和“-”分別表示該層VWS產(chǎn)生的正渦度和負(fù)渦度； (b)、(d)和(f)分別為03日18時(shí)、05日18時(shí)和06日18時(shí)過(guò)眼心的南北向垂直剖面圖， 雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)、垂直 速度(實(shí)線，單位： m·s-1，間隔0.5 m·s-1)，黑色上三角為臺(tái)風(fēng)中心位置.Fig.14　Influence of vorticity generated by VWS on development of convection in typhoon Fitow at three different stages (a), (c) and (e) are east-west wind profile (units: m·s-1) at 18Z Oct 3, 18Z Oct 5 and 18Z Oct 6 respectively, “+” and “-” denote positive and negative vorticity generated from VWS. (b), (d) and (f) are north-south windvertical profile crossing the typhoon center at 18Z Oct 3, 18Z Oct 5 and 18Z Oct 6 respectively. Radar reflectivity image (shading, units: dBz) is overlapped with vertical velocity (contour, units: m·s-1, interval 0.5 m·s-1); Black upward-pointing triangle represents the typhoon position.

以上分析表明，在“菲特”臺(tái)風(fēng)的三個(gè)階段，VWS在u方向分量所產(chǎn)生的垂直分布不均的渦度力在中低層都是有利于對(duì)流發(fā)生發(fā)展的，到550 hPa至450 hPa高度后變?yōu)橐种茖?duì)流發(fā)展，并且各時(shí)次垂直速度的最大值中心與環(huán)境風(fēng)垂直廓線的拐點(diǎn)都在同一高度.垂直速度在發(fā)展加強(qiáng)期最大，高達(dá)7 m·s-1；在強(qiáng)盛維持期垂直運(yùn)動(dòng)最大值保持在3.5 m·s-1，而快速衰減期的初始階段仍有相當(dāng)?shù)拇怪边\(yùn)動(dòng)維持.在v方向分量所產(chǎn)生渦度力所產(chǎn)生的影響在三個(gè)階段各不相同：在發(fā)展加強(qiáng)期，300 hPa以下整層渦度力都大于零，起促進(jìn)加強(qiáng)作用；在強(qiáng)維持期，風(fēng)廓線呈多級(jí)分布，除400 hPa上下渦度力小于零外，整層都是渦度力大于零，起促進(jìn)加強(qiáng)作用；在快速衰減期，底層為渦度力小于零的抑制對(duì)流發(fā)展層，上層為渦度力大于零的促進(jìn)對(duì)流發(fā)展層.

5結(jié)論與討論

根據(jù)觀測(cè)資料分析發(fā)現(xiàn)：臺(tái)風(fēng)“菲特”的中尺度結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)發(fā)展加強(qiáng)、持續(xù)強(qiáng)盛和快速衰減三個(gè)時(shí)期分別對(duì)應(yīng)著滾軸狀帶型強(qiáng)對(duì)流區(qū)域的非對(duì)稱—對(duì)稱—非對(duì)稱的分布特征；而臺(tái)風(fēng)在維持95h的長(zhǎng)生命史過(guò)程中，有長(zhǎng)達(dá)54h的持續(xù)強(qiáng)盛期，即最低氣壓呈U型變化.這些特征與VWS隨高度的波狀分布、水汽的持續(xù)輸送及“菲特”臺(tái)風(fēng)與多系統(tǒng)相互作用有關(guān)，本文在數(shù)值試驗(yàn)充分表達(dá)觀測(cè)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用WRF(v3.4)模式大氣資料重點(diǎn)揭示VWS隨高度的波狀分布對(duì)臺(tái)風(fēng)中尺度對(duì)流帶結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化的物理圖像.

(1) 在長(zhǎng)生命史的臺(tái)風(fēng)“菲特”移動(dòng)過(guò)程中，環(huán)境系統(tǒng)的改變使VWS具有時(shí)空分布的波狀變化，即用垂直分辨率較高的資料分析發(fā)現(xiàn)在對(duì)流層低層到高層垂直分布為順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，在這個(gè)高度層內(nèi)，VWS具有連續(xù)性變化，即在相對(duì)厚度內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定性變化；而對(duì)流層高層及以上則轉(zhuǎn)為逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，從而形成垂直方向上雙模態(tài)分布的波狀特征；這種波狀特征在臺(tái)風(fēng)不同發(fā)展時(shí)期又有不同的形態(tài)，其中持續(xù)強(qiáng)盛期為雙模態(tài)波分布.

(2) 應(yīng)用風(fēng)垂直切變影響臺(tái)風(fēng)對(duì)流分布和強(qiáng)度變化的基本原理，分析風(fēng)垂直切變時(shí)空分布的波狀特征對(duì)“菲特”的中尺度對(duì)流帶結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化影響發(fā)現(xiàn)：對(duì)流層中層風(fēng)垂直切變是整層風(fēng)垂直切變的主要部分，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化滯后風(fēng)垂直切變突變6 h左右；詳細(xì)分析了臺(tái)風(fēng)不同發(fā)展階段風(fēng)垂直切變的時(shí)空波狀分布引起次級(jí)垂直環(huán)流和臺(tái)風(fēng)環(huán)流的耦合程度，發(fā)現(xiàn)次級(jí)環(huán)流對(duì)臺(tái)風(fēng)中心兩側(cè)眼墻區(qū)的低、中、高三層的垂直上升運(yùn)動(dòng)的影響是不同的，從而造成眼墻區(qū)對(duì)流強(qiáng)度垂直分布的不均勻；此外，垂直風(fēng)切變引起的次級(jí)環(huán)流也對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)對(duì)流帶的非對(duì)稱—對(duì)稱—非對(duì)稱變化具有重要作用；本文還分析了臺(tái)風(fēng)在不同發(fā)展階段渦散度的分布與風(fēng)垂直切變的共同作用對(duì)中尺度結(jié)構(gòu)的影響，即持續(xù)強(qiáng)盛期的渦旋運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，使強(qiáng)對(duì)流帶分布趨于對(duì)稱，但在高層仍然呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱.

(3) 根據(jù)風(fēng)垂直切變隨高度波狀分布形成的垂直方向上渦度力分布不均勻，能引起臺(tái)風(fēng)內(nèi)中尺度滾軸狀對(duì)流帶不穩(wěn)定發(fā)展這一原理，分析了風(fēng)垂直切變的波狀分布形成的“菲特”臺(tái)風(fēng)垂直方向上的渦度力分布情況，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)發(fā)展的三個(gè)階段對(duì)流層中低層的渦度力有利于對(duì)流不穩(wěn)定增強(qiáng)，垂直速度的最大值與風(fēng)垂直廓線的拐點(diǎn)在同一高度上，發(fā)展加強(qiáng)期的最大垂直速度可達(dá)7 m·s-1，理論模型給出的對(duì)流加速度區(qū)域及最大垂直速度分布與模式大氣基本一致.從而分析認(rèn)為：風(fēng)垂直切變的波狀分布特征不僅影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)對(duì)流帶中尺度結(jié)構(gòu)的改變，也對(duì)臺(tái)風(fēng)中的對(duì)流帶持續(xù)強(qiáng)盛具有重要作用；同時(shí)也可能是臺(tái)風(fēng)內(nèi)滾軸狀對(duì)流帶不穩(wěn)定的啟動(dòng)機(jī)制.

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41175054,41275002)， 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41230421)資助.

作者簡(jiǎn)介李啟華， 男， 博士生， 研究方向?yàn)橹谐叨忍鞖夥治雠c數(shù)值模擬. E-mail：liqihua1052@163.com *通訊作者陸漢城， 男， 教授， 主要從事中尺度氣象學(xué)研究. E-mail：hc_lu@126.com

doi:10.6038/cjg20160705 中圖分類號(hào)P421

收稿日期2015-12-08，2016-03-31收修定稿

Influence of bimodel vertical wind shear on typhoon structure and intensity

LI Qi-Hua, LU Han-Cheng*, ZHONG Wei, TAN Wei-Cai, SUN Yuan

InstitutesofMeteorologyandOceanography,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing211101，China

AbstractModel output data from WRF (v3.4) are used in this study to analyze the influence of the vertical wind shear (VWS) on typhoon structure and intensity. A wave vertically distribution of VWS is revealed. The wave varies with different stage of typhoon development, and exhibits bimodel distribution in the mature stage. Based on the general mechanism of VWS′s influence on typhoon′s intensity and distribution of convection, we found the VWS in the middle troposphere is the major part of the total VWS. The change of the typhoon intensity occurs about 6 hours after the abrupt change of VWS′s wave. The secondary circulation induced by bimodel VWS creates an asymmetric deep convection structure and a non-homogeneous vertical distribution of convection in eye wall. With the increased intensity of cyclonic circulation, the distribution of strong convection tends to be symmetric gradually. According to the mechanism that VWS-induced uneven distribution of vorticity can initialize mesoscale convective-rolls associated with convective instability, we also found the vorticity in the lower-to-middle troposphere is favorable for development of convective instability. The maximum vertical velocity is generally at the same altitude with the inflection of the vertical wind profile, which is consistent with the results from theoretical models. Therefore, the bimodel VWS not only has influence on the change of the mesoscale structure of strong convection in typhoons, but also is crucial to the maintenance of a strong mature typhoon. Furthermore, the wave distribution of VWS might be the trigger of instability accounting for the convective-rolls in typhoon.

KeywordsVertical wind shear； Bimodel distribution； Typhoon； Mesoscale convection

李啟華， 陸漢城， 鐘瑋等. 2016. 雙模態(tài)風(fēng)垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的作用分析.地球物理學(xué)報(bào)，59(7):2377-2392,doi:10.6038/cjg20160705.

Li Q H, Lu H C, Zhong W, et al. 2016. Influence of bimodel vertical wind shear on typhoon structure and intensity. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2377-2392,doi:10.6038/cjg20160705.