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)力達到12 級的熱帶氣旋被稱為臺風(fēng)[1]。登陸臺風(fēng)常伴隨強風(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產(chǎn)安全[2]。西北太平洋是臺風(fēng)生成頻數(shù)最多、分布范圍最廣，且各月均能觀測到熱帶氣旋活動的海域[3]。我國平均每年受到該海域超過20 個臺風(fēng)的影響且約有8 個臺風(fēng)登陸[4]，是世界上受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一。

現(xiàn)有研究表明環(huán)境風(fēng)場垂直切變是影響熱帶氣旋降水非對稱的重要因素之一[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)切變引起非對稱降水的等位溫面抬升機制。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)的對流明顯加強。Black等[8]通過傅里葉分析方法發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋的流出層存在顯著的非對稱。Lonfat 等[9]發(fā)現(xiàn)，位于北半球洋面上的熱帶氣旋內(nèi)核非對稱降水大值區(qū)域通常位于環(huán)境順風(fēng)切變的左側(cè)，同時隨著環(huán)境風(fēng)切變的增強，非對稱性也會增強。Hence等[10]的研究表明在熱帶海洋上，眼墻和內(nèi)雨帶中的對流傾向生成于順風(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]。林愛蘭等[12]的研究則表明熱帶氣旋登陸后的強降水區(qū)一般位于中心南側(cè)或東南側(cè)。Chen 等[13]的統(tǒng)計表明，對于北半球的熱帶氣旋，較強的垂直風(fēng)切變對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)切變和移動的配置決定了非對稱的大小。

另外，熱帶氣旋強度和結(jié)構(gòu)也與環(huán)境流場息息相關(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；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。McBride等[15]對此進一步研究，發(fā)現(xiàn)強烈的垂直風(fēng)切變(＞14 m/s)對熱帶氣旋的發(fā)展和增強具有很強的負(fù)相關(guān)。Merrill[16]的觀測研究表明垂直風(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)值試驗結(jié)果提出了“二級環(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響應(yīng)此傾斜，同時增溫導(dǎo)致垂直穩(wěn)定度的增加從而減弱對流活動，使熱帶氣旋強度變?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]通過組合37 個熱帶氣旋的上層環(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)計研究也表明熱帶氣旋的強度變化與垂直風(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 最大降水非對稱在順風(fēng)切變左(右)側(cè)，降水非對稱性隨風(fēng)暴強度的增大而減小。Lonfat 等[9]也發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)切變大于7.5 m/s 時非對稱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)切變也是影響臺風(fēng)強度的重要因子之一[26]，例如楊詩琪等[27]的研究表明在西北太平洋較弱的垂直風(fēng)切變(＜12 m/s)有利于臺風(fēng)的發(fā)展。上述研究主要關(guān)注環(huán)境流場對熱帶氣旋的影響，而最近的研究表明熱帶氣旋也會反作用于環(huán)境流場[18,28]。Bender[18]通過數(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)域的非對稱結(jié)構(gòu)形成對應(yīng)。Ryglicki 等[28]在對熱帶氣旋和背景場的研究中發(fā)現(xiàn)由渦旋傾斜所形成的對流產(chǎn)生的輻散出流有助于改變熱帶氣旋周圍背景氣流的方向，從而減少局地垂直風(fēng)切變，出流與環(huán)境風(fēng)相遇時的阻塞效應(yīng)形成了一個動態(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，過去的大部分研究主要集中于環(huán)境流場對熱帶氣旋的影響，而對于環(huán)境流場與熱帶氣旋內(nèi)部動力過程的相互作用，特別是臺風(fēng)內(nèi)部動力過程(如非對稱降水)對環(huán)境流場反饋作用的研究較少。因此，本文基于臺風(fēng)“山竹”主要研究熱帶氣旋非對稱降水特征及其與環(huán)境流場的相互作用，從而完善對熱帶氣旋動力過程的理解，為臺風(fēng)強度和降水預(yù)報提供更準(zhǔn)確的理論基礎(chǔ)[26]。

2 資料與方法

2.1 臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)

本文選擇2018年臺風(fēng)“山竹”的增強過程進行分析。臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)使用了中國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 年以來西北太平洋海域臺風(fēng)每6 h 的強度和位置，臺風(fēng)中心經(jīng)緯度精確到0.1 °，中心最低氣壓值精確到1 hPa，同時有最大風(fēng)速和平均風(fēng)速等參量。

2.2 環(huán)境場數(shù)據(jù)

環(huán)境場使用的是歐洲中期天氣預(yù)報中心(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)動模式和對比分析。

2.3 降水?dāng)?shù)據(jù)

降水?dāng)?shù)據(jù)使用的是全球降水測量(Global Precipitation Measurement，GPM)數(shù)據(jù)。在熱帶降雨測量任務(wù)(TRMM)取得成功后，GPM 接替其提供新一代全球雨雪衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。使用的數(shù)據(jù)子集為IMERG Final Run，其時間分辨率為30 分鐘，數(shù)據(jù)時間延遲為3.5 個月，即時間覆蓋范圍：2000年6 月1 日到當(dāng)前時間往前3.5 個月，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風(fēng)中心。首先根據(jù)CMA最佳路徑數(shù)據(jù)集獲取每個時次的臺風(fēng)中心位置，再將其代入ERA5 數(shù)據(jù)或WRF 輸出數(shù)據(jù)中，并在此格點半徑200 km 范圍內(nèi)搜索海平面氣壓最低點，海平面氣壓最低點即為臺風(fēng)中心。

2.5 垂直風(fēng)切變計算方法

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，計算上表達為高層風(fēng)矢量與低層風(fēng)矢量之差，因為對臺風(fēng)發(fā)展和維持的抑制特性使其成為統(tǒng)計臺風(fēng)強度模型的重要組成部分[30]，廣泛應(yīng)用于各種模式或預(yù)測系統(tǒng)，如統(tǒng)計颶風(fēng)強度預(yù)測系統(tǒng)(Statistical Hurricane Intensity Prediction System，SHIPS)計算垂直風(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)使用的是兩個層平均(150～300 hPa 和700～925 hPa)[32]。本文中根據(jù)臺風(fēng)“山竹”個例的具體情況(即上層流出層主要位于400 hPa 附近，可見于第3 節(jié))，選擇信號較強的400 hPa和800 hPa計算垂直風(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。計算垂直風(fēng)切變的水平范圍為距臺風(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)域是因為該處為臺風(fēng)環(huán)流和環(huán)境流場的相接區(qū)域，分析該區(qū)域可更好地認(rèn)識熱帶氣旋內(nèi)部動力過程對環(huán)境流場的反饋作用。

2.6 波數(shù)1非對稱計算方法

基于最低海平面氣壓得到臺風(fēng)中心位置后，可得到任意格點對應(yīng)臺風(fēng)中心的方位角，然后基于臺風(fēng)中心進行切向風(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為每個格點對應(yīng)中心的方位角。再對所需變量進行傅里葉變換，如徑向風(fēng)、切向風(fēng)、高度場等。

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)的長度，將ω帶入F(t)即可得到一波非對稱的表達式。

2.7 WRF模式設(shè)計

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)報應(yīng)用而設(shè)計的新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)，可根據(jù)實際大氣條件或理想條件進行模擬。目前隨著WRF 模式的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用于我國中尺度天氣業(yè)務(wù)預(yù)報試驗中，同時在區(qū)域氣候模擬研究領(lǐng)域不斷擴大應(yīng)用范圍，提高了各類天氣系統(tǒng)的預(yù)報效果[33]。本文的模擬區(qū)域為90 °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 格點數(shù)為472×302；d02 格點數(shù)為1 270×787；d03 格點數(shù)為979×1 027。垂直分33層。使用的主要方案為：微物理過程方案為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)域采用無積云參數(shù)化。長波輻射方案為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]。

本文對臺風(fēng)“山竹”使用WRF 進行兩組模擬試驗，有臺風(fēng)的模擬( 下文稱TCE，即TC experiment)，和去除臺風(fēng)的模擬(下文稱NTCE，即non-TC experiment)。模擬時段都為2018 年9 月8日18 時—14 日12 時(北京時間，下同)。有臺風(fēng)的模擬TCE 中單純使用ERA5 作為背景場進行驅(qū)動，其中可發(fā)展出的臺風(fēng)與最佳路徑數(shù)據(jù)較接近；而去除臺風(fēng)的模擬則在ERA5 背景場的基礎(chǔ)上使用WRF 中的TC bogus 模塊在臺風(fēng)生成的早期時刻(2018 年9 月8 日18 時)去除臺風(fēng)渦旋，所以該模擬試驗中沒有臺風(fēng)生成，代表了無臺風(fēng)狀況下的流場。通過TCE 和NTCE 試驗的對比，可得到臺風(fēng)對環(huán)境流場的影響。

2.7.2 TC bogus方案

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

3 結(jié)果與分析

3.1 臺風(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 試驗中臺風(fēng)模擬的路徑強度對比圖，臺風(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，TCE 在13 日之前的路徑與最佳路徑數(shù)據(jù)集基本重合，之后的時間有一定偏差。在9—13日的時間內(nèi)，臺風(fēng)主要向西移動，由158 °E向西移動至133 °E左右，大約西移了25個經(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，到14日12時，臺風(fēng)西移了8個經(jīng)度，北移了3 個緯度，來到125 °E，18 °N 附近。在強度上，TCE 與最佳路徑數(shù)據(jù)集的強度變化趨勢基本一致，區(qū)別在于最佳路徑數(shù)據(jù)集的快速增強階段發(fā)生在10 日00 時—11 日12 時，氣壓由965 hPa 下降到910 hPa，并在12—14 日保持在910 hPa。TCE 的快速增強階段出現(xiàn)在10 日18 時—12日18 時，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相反，最佳路徑數(shù)據(jù)集的風(fēng)速在11 日12時之前逐漸上升，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來說，臺風(fēng)“山竹”模擬除了快速增強階段滯后18 h 左右，其他方面都與最佳路徑數(shù)據(jù)較接近。

3.2 降水非對稱特征及其與垂直風(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試驗的降水和風(fēng)切變，降水的半徑范圍均為對應(yīng)時刻臺風(fēng)中心半徑500 km 以內(nèi)。從圖2a 中可看出ERA5 數(shù)據(jù)中的平均風(fēng)切變在11日12時之前主要指向西南側(cè)，其后至13日00時由于風(fēng)切變變小，方向已不具備代表性(圖3)，13 日00 時之后風(fēng)切變指向又回到西南偏西方向。GPM 降水在9 日06 時之前在各個方向均有分布，之后到10 日18 時，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，降水都集中在臺風(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稱特征。對于TCE 試驗，其風(fēng)切變由9 日00 時的指向西側(cè)逐漸轉(zhuǎn)為12日00時的指向南側(cè)，之后風(fēng)切變變小，方向已不具備代表性(圖3)，13日00時之后風(fēng)切變又回到西南偏西方向。TCE 試驗中在10 日06 時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—12 日00 時降水基本集中于臺風(fēng)中心東南側(cè)，其他方向降水很少，具有明顯的降水非對稱特征，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 的降水強度較弱，但降水分布在11 日12 時之前與GPM 一樣，表現(xiàn)出明顯的非對稱性，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時之前的動力過程分析。

圖2 臺風(fēng)“山竹”降水方位分布與風(fēng)切變指向的時間序列 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，灰色短橫線為風(fēng)切的方向，黑色豎線之間的時間為分析臺風(fēng)降水與環(huán)境場的相互作用關(guān)系的時間段。

圖3 距離臺風(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)域為臺風(fēng)動力引起非對稱風(fēng)變化的主要區(qū)域。

3.3 熱帶氣旋內(nèi)部動力過程對環(huán)境流場的反饋作用研究

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)域的非對稱風(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，這是由于臺風(fēng)“山竹”200 hPa 處由臺風(fēng)動力引起的非對稱風(fēng)變化較弱，但在400 hPa處較強(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)最深厚的時刻在10 日12 時650 hPa 附近。中層(500 hPa左右)的平均風(fēng)大部分時間保持為東風(fēng)且風(fēng)速變化不大，11 日12 時后轉(zhuǎn)為東南風(fēng)且風(fēng)速減小。在高層，能明顯看出平均風(fēng)總的趨勢是由偏東風(fēng)轉(zhuǎn)為東北風(fēng)同時風(fēng)速增大，再轉(zhuǎn)回偏東風(fēng)同時風(fēng)速減小，同時越高層的平均風(fēng)維持東北風(fēng)的時間越長，其中在10 日06 時左右由高層延伸到450 hPa左右。平均風(fēng)切變在10日00時—11日00時較大，指向西南側(cè)。TCE 的變化趨勢基本與ERA5 相同，其中12 日之前高層為東北風(fēng)，且最深厚時刻在11 日00 時左右延伸至500 hPa，低層?xùn)|南風(fēng)最深厚時刻在11 日03 時左右，比ERA5 數(shù)據(jù)對應(yīng)時間偏后。在10 日12 時—11 日12 時，垂直風(fēng)切變較大且指向偏南側(cè)。NTCE去除臺風(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，臺風(fēng)前期對于環(huán)境風(fēng)的影響體現(xiàn)在使600 hPa 以上的北風(fēng)加強，在400 hPa 最明顯，700 hPa 以下的南風(fēng)加強，在800 hPa最明顯，這在10 日12 時—11 日12 時較顯著，同時對應(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，此時臺風(fēng)降水主要集中在臺風(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)有著對應(yīng)關(guān)系，在11 日00 時之前，在臺風(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 時左右達到最大，之后逐漸減小并偏向東南側(cè)，與降水的位置相對應(yīng)。

圖4和圖5顯示了臺風(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 的非對稱風(fēng)場、一波高度場、一波溫度場以及原始風(fēng)場在TCE 和NTCE 之間的差異。圖4～圖7可看出，10日18時，臺風(fēng)“山竹”東部降水較大，由第二類條件不穩(wěn)定機制，降水釋放潛熱，使氣溫升高，低層氣壓下降，指向臺風(fēng)中心的流入氣流增大，又由于絕對角動量守恒原則，使得低層的切向風(fēng)速也將隨之增大，低層環(huán)流加強，這造成周圍的暖濕空氣流入并抬升，抬升途中膨脹冷卻形成降水，又由于臺風(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，并具有較大位勢高度(壓強)。并且，降水釋放的潛熱上升也使得東側(cè)的溫度較高，在高空溫度場和高度場是互相匹配的(深厚系統(tǒng))。臺風(fēng)的高層與低層之間通過上升運動聯(lián)系，400 hPa 垂直速度的情況與降水分布一致，正的垂直速度(上升運動)主要位于東側(cè)。800 hPa 的東部高位勢高度區(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了較遠處的低溫空氣導(dǎo)致。此時非對稱風(fēng)場和氣壓場尚未滿足地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系(這里已去除了軸對稱的風(fēng)壓關(guān)系，即去除了梯度風(fēng)平衡的旋轉(zhuǎn)風(fēng)場和離心力分量)，主要由臺風(fēng)非絕熱加熱引起非對稱風(fēng)場，然后由非對稱風(fēng)場驅(qū)動氣壓場，此時由于高空出流的非對稱風(fēng)為北風(fēng)，空氣流入南側(cè)使氣壓升高，同時也形成了一個南高北低的氣壓場，進而由白貝羅定律形成一個西風(fēng)的分量，推動降水進一步向東側(cè)集中。同時降水通過凝結(jié)釋放潛熱，大氣升溫同時高層質(zhì)量流出輻散，使得低層氣壓下降，低層氣旋性環(huán)流加強，正垂直速度區(qū)域與降水區(qū)域?qū)?yīng)。11 日00 時，整體相對于上個時次加強，因為低層中心氣壓下降，風(fēng)速增強，使得向內(nèi)輻合和向上輸送的水汽增加，通過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，非對稱風(fēng)為北風(fēng)，使得南側(cè)高度場增高，形成南高北低的氣壓場并產(chǎn)生西風(fēng)，非對稱風(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。11 日06 時，降水大值區(qū)域和正垂直速度區(qū)域集中于臺風(fēng)中心東側(cè)，對應(yīng)東側(cè)的高溫高位勢高度區(qū)域，平均風(fēng)南風(fēng)分量增大，非對稱風(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，由白貝羅定律產(chǎn)生了西南風(fēng)，帶動降水由東側(cè)偏南向正東移動，低層輻合加強使低層風(fēng)速繼續(xù)增大，最大風(fēng)速出現(xiàn)在臺風(fēng)中心東部。總的來看，在臺風(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。由于臺風(fēng)降水方位和非對稱風(fēng)使得高溫高壓區(qū)域集中于東部，進而帶動了高層非對稱風(fēng)的方向發(fā)生變化，由最開始的北風(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)逆時針旋轉(zhuǎn)。

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

圖5 臺風(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；b.11日00時；c.11日06時。

綜上所述，由于TCE 和NTCE 試驗控制了除有無臺風(fēng)外的其他變量的一致性，可認(rèn)為兩者的差別是由臺風(fēng)的存在對環(huán)境流場的作用導(dǎo)致的，非對稱降水與非對稱風(fēng)具有緊密聯(lián)系，因此可簡單歸納出臺風(fēng)內(nèi)部動力過程對環(huán)境流場的反饋作用機理：環(huán)境垂直風(fēng)切變首先影響強降水的發(fā)生位置(順風(fēng)切變左側(cè))，而非對稱降水相伴的非絕熱加熱進而帶動高壓和低壓區(qū)域移動，同時高低壓位置的變化又帶動非對稱風(fēng)和平均風(fēng)的方向發(fā)生改變，所以臺風(fēng)環(huán)流與環(huán)境流場相互影響，并呈現(xiàn)正反饋的關(guān)系。

4 結(jié) 論

本文針對2018 年臺風(fēng)“山竹”，通過使用ERA5 再分析資料、GPM 降水?dāng)?shù)據(jù)和WRF 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，對臺風(fēng)非對稱降水的分布和臺風(fēng)與環(huán)境流場的相互作用進行了研究。

(1) 降水分布表現(xiàn)出明顯的非對稱性，主要集中在南側(cè)，而北側(cè)幾乎無降水。同時與平均風(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)生了一定的逆時針旋轉(zhuǎn)。

(2) 臺風(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)。臺風(fēng)早期對環(huán)境風(fēng)場的影響體現(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) 在臺風(fēng)前期(氣壓由980 hPa 降到955 hPa)，由非對稱風(fēng)帶動降水位置變化，進而帶動高壓和低壓區(qū)域移動，同時高低壓位置的變化又帶動非對稱風(fēng)和平均風(fēng)的方向發(fā)生改變，臺風(fēng)對環(huán)境的影響與環(huán)境對臺風(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)值計算得到了南京信息工程大學(xué)高性能計算中心的計算支持和幫助，特此致謝！