劉磊 費建芳 黃小剛 程小平 馬占宏

解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京211101

1 引言

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）的產(chǎn)生有兩種能量來源，一種是大尺度系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移到低壓系統(tǒng)中（Gray，1968；DeMaria et al.，2001；Bracken and Bosart，2000；McTaggart-Cowan et al.，2008；雷小途等，2009），另一種是對流尺度系統(tǒng)將能量轉(zhuǎn)移到氣旋式擾動中（McTaggart-Cowan et al.，2008），后一種機制，即中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展對TC眼墻非對稱結(jié)構(gòu)具有顯著影響（陳聯(lián)壽和丁一匯，1979；陳聯(lián)壽和孟智勇，2001；張慶紅和郭春蕊，2008）。

小于10 km空間尺度的中尺度渦結(jié)構(gòu)主要出現(xiàn)在臺風(fēng)眼墻內(nèi)沿，是眼墻內(nèi)沿偶爾出現(xiàn)多邊形結(jié)構(gòu)的原因之一（Muramatsu，1986）。當(dāng)眼墻內(nèi)出現(xiàn)渦旋羅斯貝波后（Wang，2002a，2002b；李勛等，2010），波破碎引起螺旋云，4波結(jié)構(gòu)形成的中尺度渦導(dǎo)致多邊形眼區(qū)。Kossin and Eastin（2001）發(fā)現(xiàn)，中尺度渦的合并不但造成多邊形眼墻，同時，由于眼墻內(nèi)的中尺度渦可以將眼區(qū)內(nèi)低層的高濕空氣挾卷至眼墻，使TC強度超過其最大潛在強度，因此，是控制TC強度的關(guān)鍵因子（Persing and Montgomery，2003；Montgomery et al.，2006；Cram et al.，2007；冀春曉等，2012）。

目前，由渦旋羅斯貝波（Vortex Rossby Waves，VRWs）引起橢圓形眼墻的現(xiàn)象受到較多關(guān)注，而多邊形眼墻附近的中尺度渦在包含完全物理過程的三維模式中研究較少，它們的結(jié)構(gòu)也很少有人關(guān)注。Black and Marks（1991）在颶風(fēng)Hugo（1989）中觀測到中尺度渦，此外，Kossin and Schubert（2004）對颶風(fēng) Isabel（2003）的研究中發(fā)現(xiàn)了 5邊形眼區(qū)外存在中尺度渦，該渦能夠引起強烈的陣性降水及破壞性強風(fēng)（Black and Marks，1991）。Hendricks and Montgomery（2006）利用衛(wèi)星資料，觀測到2002年9～10月的Gustav熱帶風(fēng)暴中存在多個中尺度渦，這些渦由深對流引起的渦旋力管延伸而產(chǎn)生。在臺風(fēng)眼墻中尺度渦結(jié)構(gòu)的研究中，大多關(guān)注于中尺度渦的產(chǎn)生和加強機制以及中尺度渦對臺風(fēng)強度和結(jié)構(gòu)的影響（Schubert et al.，1999；張文龍等，2010），而對于海氣相互作用，尤其是海表狀況與臺風(fēng)眼墻內(nèi)中尺度渦結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，還很少有人研究。

TC眼墻內(nèi)中尺度渦的形成與海氣間熱焓輸送密切相關(guān)（McTaggart-Cowan et al.，2008；Kossin and Schubert，2004；Hendricks and Montgomery，2006；Montgomery et al.，2002；黃立文等，2005）：眼區(qū)低層海洋表面的潛熱以及眼墻濕度通量的徑向混合導(dǎo)致低層眼區(qū)及眼墻的濕位溫增加。Cram et al.（2007）認(rèn)為濕位溫的獲得過程大約持續(xù) 40～60 min，最少15 min，眼區(qū)潛熱經(jīng)過很短時間改變內(nèi)流場，眼區(qū)的熱焓作為額外的能量，加強了眼墻的上升氣流，引起更強的徑向內(nèi)流。眼區(qū)周圍的高位渦呈圓形或環(huán)狀分布，支持了斜壓不穩(wěn)定（Montgomery and Shapiro，1995），導(dǎo)致中尺度渦的產(chǎn)生（Braun，2002；Eastin et al.，2005；Smith et al.，2005）。

在真實TC中，眼墻處摩擦輻合和濕對流聚集而形成高渦度，滿足正壓指數(shù)不穩(wěn)定的條件。摩擦引起的垂直運動在最大風(fēng)速處形成了環(huán)狀的高渦度區(qū)，同時向內(nèi)、外區(qū)域逐漸減小（明杰和舒守娟，2010）。非對稱對流結(jié)構(gòu)提供擾動源，隨后，高渦度聚集受到切變的約束，最終被粘性離散為小尺度，形成中尺度渦，剩余的高渦度被平流到中心區(qū)域。

海洋作為大氣的下墊面，不僅從熱力方面，同時從動力方面影響TC的發(fā)生、發(fā)展。以上研究表明，海氣相互作用對TC眼墻內(nèi)的中尺度渦結(jié)構(gòu)具有顯著影響。針對目前的研究現(xiàn)狀，本文利用耦合系統(tǒng)（劉磊等，2012b），分析了2006年發(fā)生的“格美”（Kaemi）臺風(fēng)中存在的中尺度渦結(jié)構(gòu)，并通過敏感性試驗，著重分析了海溫和海浪對臺風(fēng)眼墻內(nèi)中尺度渦的影響。為進一步揭示中尺度渦在臺風(fēng)快速加強及臺風(fēng)眼墻非對稱結(jié)構(gòu)中的重要作用提供科學(xué)依據(jù)。

2 模式框架及模擬試驗介紹

基于大氣模式 WRF（Weather Research and Forecasting），海流模式 POM（Princeton Ocean Model）和海浪模式WWIII（WaveWatch III）建立起高分辨率的完全耦合系統(tǒng)。海洋通過海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）影響大氣邊界層內(nèi)的感熱、潛熱輸送，相反，海洋的狀態(tài)演變需要大氣的熱力和動力強迫。海洋表面的熱力強迫包括大氣的長、短波輻射，海氣間溫差導(dǎo)致的感熱通量輸送，海洋因水汽輸送而損失的潛熱通量。海洋表面的動力驅(qū)動包括，大氣向海洋的風(fēng)應(yīng)力輸送（Liu Lei et al.，2011；劉磊等，2011a）。

海浪作為海氣界面重要的物理過程，不僅改變了海表粗糙度，同時，對海洋混合層具有攪拌效應(yīng)。在海表粗糙度的計算中，采用經(jīng)典的Charnock關(guān)系（Charnock，1955）表示：z0=/g，其中u*是摩擦速度，在單獨的WRF模式中β是Charnock常數(shù)，而大量的觀測和數(shù)值模擬表明，海面動力學(xué)粗糙度不僅與海面風(fēng)速有關(guān)，還是海洋狀況的函數(shù)。Smith et al（.1992）根據(jù)HEXOS（Humidity Exchange over the Sea）數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為β隨波齡的增加而減小，得到β=0.48(Cp/u*)-1，Cp為相速，C/u*為波齡參數(shù)。在耦合模式中引入Smithetal.（1992）建立的海表粗糙度z0與波齡的關(guān)系，WWIII模式向WRF模式提供波齡，考慮了模擬海浪對海表粗糙度的改變，進而影響大氣下墊面的 熱力、動力過程（劉磊等，2011b）；通過引入浪致混合系數(shù)，考慮海浪的攪拌效應(yīng)，從而改變海洋 混合層的熱力、動力狀態(tài)（Qiaoetal.，2004；劉磊等，2012a），此外，加入風(fēng)應(yīng)力對海浪的驅(qū)動以及海流對海浪狀態(tài)的影響（圖1）。

圖1 ?！獨狻送耆詈舷到y(tǒng)Fig. 1 Schematic diagram of the coupled system

2006年第5號熱帶風(fēng)暴“格美”于7月19日在菲律賓中部以東大約1600 km的西北太平洋洋面上生成后，7月20日加強成為強熱帶風(fēng)暴，21日加強成為臺風(fēng)。本文選取“格美”臺風(fēng)在海上快速發(fā)展階段為模擬窗口，即2006年7月20日00:00（協(xié)調(diào)世界時，下同）至7月23日00:00，具體的模式設(shè)置請參見（表1、表2）（劉磊等，2012b）。

表1 耦合系統(tǒng)中大氣模式設(shè)置Table 1 Atmospheric model design in the coupled system

表2 耦合系統(tǒng)中海洋、海浪模式設(shè)置Table 2 Oceanic and wave model design in the coupled system

為了研究海溫及海浪對TC眼墻內(nèi)中尺度渦結(jié)構(gòu)的影響，本文設(shè)計了三組試驗：EXP1方案考慮海浪反饋效應(yīng)對海表粗糙度的影響，引入Smith et al.（1992）建立的海表粗糙度z0與波齡的關(guān)系，WWIII模式向WRF模式提供波齡，在海溫反饋中，EXP1方案忽略了POM模式中SST對大氣的反饋，SST采用NCEP資料的平均海溫，基本穩(wěn)定在29°C左右；EXP2方案考慮 POM 模式中 SST的反饋作用，而忽略海浪反饋效應(yīng)對海表粗糙度的影響，即海表粗糙度計算中β采用Charnock常數(shù)；EXP3為控制試驗，采用完全耦合系統(tǒng)對“格美”臺風(fēng)進行模擬，描述“格美”臺風(fēng)中存在的中尺度渦結(jié)構(gòu)；利用EXP1、EXP2方案的試驗結(jié)果，著重研究了海溫和海浪對臺風(fēng)眼墻內(nèi)存在的中尺度渦的影響（表3）。

表3 試驗方案對比Table 3 List of experiment schemes

以中國臺風(fēng)網(wǎng)（http://www.typhoon.gov.cn[2013-08-11]）“CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集”作為實況，利用耦合系統(tǒng)區(qū)域1（D1）輸出的15 km分辨率資料，對模擬臺風(fēng)的中心最低氣壓、10 m最大風(fēng)速及路徑進行檢驗。圖2a所示，四組模擬臺風(fēng)的中心最低氣壓（Sea Level Pressure，SLP）在第36小時之前（7月21日12:00之前）差別不大。與實況臺風(fēng)相比，模擬臺風(fēng)的SLP在前24小時（7月21日00:00之前）小于實況，與模式初始場的 spin-up有關(guān)，隨著模式積分的逐漸調(diào)整，模擬臺風(fēng)的SLP在第24小時與實況之間的偏差達到最小。此后，模擬臺風(fēng)的SLP變化趨勢與實況較為一致，呈快速下降趨勢。第36小時后（7月21日12:00之后），海洋對臺風(fēng)的反饋作用開始顯著影響SLP，四個方案模擬得到的 SLP差別逐漸增大。EXP3方案同時考慮了SST反饋及海浪效應(yīng)，在SST反饋及海浪摩擦效應(yīng)的共同作用下，SLP隨時間變化趨勢與實況最為接近，最低值為954 hPa。圖2b為臺風(fēng)10 m最大風(fēng)速隨時間變化曲線。前24小時為模擬臺風(fēng)的調(diào)整階段，10 m風(fēng)速出現(xiàn)了40 m s-1的突變，隨著模式積分的進行，風(fēng)速逐漸調(diào)整到實況值附近。此后，四個試驗方案基本保持了與實況值隨時間變化相似的趨勢。EXP3方案在海水冷涌及海浪效應(yīng)的共同影響下，模擬的10 m風(fēng)速強度弱于實況及其他三個方案。由三個試驗的模擬風(fēng)場可以分析得出，海表粗糙度的改變對10 m風(fēng)速的減弱作用大于SST，主要原因是10 m風(fēng)速直接受摩擦效應(yīng)影響。在臺風(fēng)模擬的后期（第 60～72小時，22日12:00～23日00:00），SST對臺風(fēng)10 m風(fēng)速的減弱效應(yīng)較為顯著。從圖2c可以看出，海洋狀況對臺風(fēng)路徑影響不大。

圖2 （a）臺風(fēng)的中心最低氣壓和（b）10 m最大風(fēng)速隨時間變化曲線；（c）臺風(fēng)移動路徑（臺風(fēng)符號為實況，○為EXP1，●為EXP2，□為EXP3）Fig. 2 Time series of (a) the central sea level pressures (hPa) and (b) 10-m maximum wind speed. (c) Tracks (6-h interval) of Kaemi from observation(typhoon symbol) and three model simulations (○ is for EXP1; ● is for EXP2; □ is for EXP3)

3 眼墻內(nèi)中尺度渦的結(jié)構(gòu)

由于 EXP3方案模擬的臺風(fēng)與實況最為接近（劉磊等，2012b），因此，本文在研究臺風(fēng)眼墻內(nèi)中尺度渦的結(jié)構(gòu)時，主要分析了2006年7月21日12:00～13:00一個小時的輸出結(jié)果，該時段為“格美”臺風(fēng)快速加強階段。圖3為該時段臺風(fēng)眼墻附近的垂直速度分布。850 hPa高度處臺風(fēng)眼墻西南側(cè)的垂直速度呈明顯的中尺度結(jié)構(gòu)特征（填充圖），尤其在臺風(fēng)風(fēng)垂直切變方向的垂直上升氣流最為強烈（魏超時等，2011）。沿著方位角方向，四個垂直上升流依次為A、B、C、D（圖3 a）；500 hPa高度處（黑色實線），四個垂直急流消失，合并為一個垂直速度極值區(qū)，同時，該區(qū)域相對 850 hPa的垂直速度所在位置向臺風(fēng)外圍擴張，與眼墻由下向上逐漸擴大的趨勢相一致（Jorgensen，1984；Black et al.，1996）；在200 hPa高度處（藍色實線），垂直速度極值區(qū)進一步向外擴張，且切向方向的范圍相對低層逐漸拉長。15 min后（圖3b），850 hPa的垂直上升氣流A向逆時針方向移動，對流強度呈減小趨勢，而垂直氣流B在氣旋式移動過程中由21日12:00的一個單體急流逐漸分離為兩個，由于逐漸遠離順切變方向，垂直上升速度呈減小趨勢。隨著垂直氣流C、D向順切變方向移動，強度逐漸加強，與此同時，臺風(fēng)眼墻西北側(cè)出現(xiàn)了新的垂直上升流E。500及200 hPa高度的垂直上升氣流與低層的配置基本保持不變。21日12:30（圖3c），850 hPa的垂直氣流A、B逐漸減弱、消散，而垂直氣流C移至臺風(fēng)順切變左側(cè)，垂直上升速度達到最大。垂直氣流D及E向順切變方向移動的過程中，對流逐漸增強，臺風(fēng)眼墻西北側(cè)出現(xiàn)新的垂直上升氣流F。500及200 hPa高度的垂直速度在順切變方向保持穩(wěn)定。21日12:45（圖3d），垂直氣流A完全消散，B、C呈逆時針旋轉(zhuǎn)遠離順切變方向后逐漸減弱，此時，氣流D位于順切變方向左側(cè)，垂直速度達到最大，同時，位于其后部的氣流E、F在順切變旋轉(zhuǎn)過程中強度逐漸增大。四個時次的眼墻演變過程中，垂直上升對流單體在順切變右側(cè)逐漸加強，在順切變左側(cè)逐漸減弱消散，說明對流單體與風(fēng)垂直切變密切相關(guān)。在垂直結(jié)構(gòu)上，Braun（2006）認(rèn)為垂直對流單體在順切變方向生成時即布滿整個對流層，而不是先在低層生成，然后在旋轉(zhuǎn)過程中逐漸發(fā)展而布滿整個對流層。本文結(jié)果表明，隨著高度的升高，垂直上升單體結(jié)構(gòu)消失，僅在順切變方向及其左側(cè)出現(xiàn)垂直速度極值，說明對流單體在生成時沒有布滿整個對流層，而是在后續(xù)發(fā)展過程中，向上擴展。

圖3 2006年7月21日（a）12:00、（b）12:15、（c）12:30、（d）12:45眼區(qū)附近垂直速度分布（單位：m s-1）。填充色為850 hPa；黑色等值線為500 hPa；紅色等值線為200 hPa（等值線取值范圍為5～13，間隔為4），綠色實線為風(fēng)垂直切變方向。Fig. 3 Distribution of vertical velocity at (a) 1200 UTC, (b) 1215 UTC, (c) 1230 UTC, (d) 1245 UTC on 26 July 2006. Shadings in color are on 850 hPa, black contours are on 500 hPa and red contours are on 200 hPa, (minimum is 5, maximum is 13, interval is 4 m s-1), and green solid line is the direction of vertical wind shear

在 Braun（2006）等人的研究中發(fā)現(xiàn)，垂直對流單體出現(xiàn)的時間及位置與眼墻內(nèi)的中尺度對流渦具有密切關(guān)系。圖4為所選時段的相對渦度（垂直分量，下同）及垂直速度的分布。四幅圖中相對渦度基本呈環(huán)狀分布，與眼墻結(jié)構(gòu)對應(yīng)，在西南側(cè)，出現(xiàn)等值線閉合的中尺度渦環(huán)。在順切變右側(cè)，中尺度渦環(huán)與垂直上升急流有較好的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)至順切變左側(cè)時，垂直上升氣流消亡速度較快，而中尺度渦結(jié)構(gòu)仍能保持一段時間，說明在風(fēng)垂直切變的作用下，眼墻內(nèi)的垂直上升急流通過渦旋力管扭曲效應(yīng)（Braun，2006）加強中尺度渦，當(dāng)中尺度渦結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至順切變左側(cè)后，能夠繼續(xù)保持，在有利的流場條件下（旋轉(zhuǎn)至順切變右側(cè)），中尺度渦能夠觸發(fā)垂直上升對流單體的發(fā)展。

圖5為所選時段的垂直上升氣流及散度場分布。輻合、輻散場在臺風(fēng)眼墻西南側(cè)較強，與中尺度垂直上升對流單體對應(yīng)。輻散場位于眼墻垂直對流帶的內(nèi)沿，與眼區(qū)下沉氣流相對應(yīng)，輻合場位于眼墻外側(cè)，與眼區(qū)外徑向內(nèi)流有關(guān)。在眼墻內(nèi)垂直對流單體的切向方向上，兩個對流單體之間間隔分布著輻合、輻散場，說明垂直對流單體間的空隙是眼區(qū)與外部環(huán)境進行交換的區(qū)域，同時，中尺度渦結(jié)構(gòu)阻止了外部氣流對眼區(qū)的侵襲（McWilliams et al.，2003）。

圖4 2006年7月21日（a）12:00、（b）12:15、（c）12:30、（d）12:45眼區(qū)附近850 hPa的垂直速度（填充圖，單位：m s-1）和相對渦度（黑色實線為正，取值范圍為3～15，間隔為6；黑色虛線為負(fù)，取值范圍為-15～-3，間隔為6；單位：10-3 s-1）Fig. 4 Distribution of 850 hPa vertical velocity (shading) and relative vorticity (solid black contours are positive starting from 3 to15 with an interval of 6,dashed black contours are negative starting from -15 to -3 with an interval of 6, units are 10-3 s-1) at (a) 1200 UTC, (b) 1215 UTC, (c) 1230 UTC, (d) 1245 UTC on 26 July 2006

由于中尺度渦是三維結(jié)構(gòu)，為了更好對其進行說明，進一步揭示垂直上升氣流與相對渦度之間的關(guān)系，主要對850～500 hPa層之間的水平風(fēng)場及渦度場進行了垂直方向上的平均，以臺風(fēng)中心為原點轉(zhuǎn)化為柱坐標(biāo)，并剔除了水平風(fēng)場中的切向平均風(fēng)場，得到非平衡風(fēng)場（Braun，2006）。圖6所示，經(jīng)過 850～500 hPa層面平均的渦度場與垂直上升對流符合本文總結(jié)的配置規(guī)律，在順切變一側(cè)存在極值環(huán)，在中尺度渦結(jié)構(gòu)之間，存在流入、流出的非平衡風(fēng)場，進一步說明了垂直方向上，中尺度渦在眼區(qū)內(nèi)外空氣交換中的作用。

順切變方向是渦旋羅斯貝波1波結(jié)構(gòu)振幅最為強烈的區(qū)域，在中尺度渦的觸發(fā)機制下，該區(qū)域出現(xiàn)中尺度垂直上升對流單體，同時，該中尺度對流單體通過渦管扭曲效應(yīng)加強了中尺度渦。中尺度渦結(jié)構(gòu)阻止了眼墻外徑向內(nèi)流對眼區(qū)的侵襲，此外，中尺度渦結(jié)構(gòu)間的空隙是眼區(qū)內(nèi)外氣流交換的通道。

SST及海表粗糙度影響海氣界面的熱量、動量輸送，從而對眼墻內(nèi)垂直對流產(chǎn)生影響，但其具體對中尺度渦旋結(jié)構(gòu)的影響，是下一節(jié)討論的重點。

4 海溫及海表粗糙度對中尺度渦的影響

圖7為三個方案距離臺風(fēng)中心25 km半徑處垂直速度沿切向方向隨時間變化趨勢。EXP3方案中，垂直速度沿著逆時針方向，隨著切向旋轉(zhuǎn)氣流逐漸移至順切變一側(cè)，垂直速度增大，順切變方向出現(xiàn)強烈的中尺度對流單體，同時，中尺度渦出現(xiàn)閉合單體結(jié)構(gòu)，與垂直對流單體相對應(yīng)。氣流繼續(xù)轉(zhuǎn)至順切變左側(cè)后，垂直對流速度開始快速減弱，由垂直對流加強的中尺度渦結(jié)構(gòu)仍然能維持一段時間。隨著模式積分的進行，中尺度對流單體的集中爆發(fā)區(qū)域基本穩(wěn)定在順切變方向。當(dāng)不考慮 SST的反饋作用時（圖7a），EXP1方案中海氣間的熱通量輸送顯著增大，由此引起眼墻內(nèi)的中尺度對流加強，集中爆發(fā)區(qū)仍然位于順切變方向，不受熱通量輸送變化的影響。此外，在時間變化上，由于較強的垂直對流，中尺度渦的持續(xù)時間明顯長于EXP3方案。EXP2方案（圖7b）沒有考慮海浪對海表粗糙度的影響，在SST冷涌反饋的作用下，海氣間的熱通量輸送為三個試驗方案中最小，中尺度對流渦相對EXP1偏弱，但海表粗糙度的減小引起低層風(fēng)場加速，相對EXP3方案偏強。在較小的海表粗糙度條件下，較弱的摩擦輻合效應(yīng)導(dǎo)致眼墻非對稱性減弱，使得EXP2方案中的中尺度對流渦在切向方向上的分布相對 EXP1、EXP3方案較為均勻。

圖5 與圖4對應(yīng)的850 hPa垂直速度（填充圖，單位：m s-1）和散度（黑色實線為正，取值范圍為2～10，間隔為4；黑色虛線為負(fù)，取值范圍為-10～-2，間隔為4；單位：10-3 s-1）Fig. 5 As Fig. 4, but for 850-hPa vertical velocity (shading) and divergence (solid black contours are positive starting from 2 to 10 with an interval of 4,dashed black contours are negative starting from -10 to -2 with an interval of 4, units are 10-3 s-1)

在徑向分布上（圖8），EXP3方案中的中尺度渦主要在半徑32 km附近，向外逐漸減弱，眼區(qū)內(nèi)存在零散的中尺度渦結(jié)構(gòu)，與眼墻外非對稱風(fēng)場將渦度向內(nèi)混合有關(guān)。EXP1方案中的中尺度渦主要在半徑26 km附近，與較強的臺風(fēng)強度對應(yīng)。EXP2方案中的中尺度渦位于半徑30 km附近，與臺風(fēng)中心距離介于EXP1與EXP3方案之間，和臺風(fēng)眼墻所在位置密切相關(guān)。

SST及海表粗糙度對眼墻內(nèi)渦度結(jié)構(gòu)具有顯著影響，通過分析渦度變化來研究眼墻內(nèi)中尺度渦結(jié)構(gòu)的改變。p坐標(biāo)系下相對渦度的診斷方程為

方程等號右側(cè)第一、二項為相對渦度平流項，第三項為相對渦度的鉛直輸送項，第四項為散度作用項，第五項為β效應(yīng)項，第六項為扭轉(zhuǎn)項。其中，第一 、 二項與 第 五項可以合并為水平 平 流項-·?h(ζp+f)，同時，由于次網(wǎng)格項較小，（1）式中沒有列出次網(wǎng)格項。圖9為21日12:00～22日00:00，半徑26～39 km范圍內(nèi)，850～500 hPa層之間渦度的水平平流變化。EXP1方案中水平平流項對渦度變化的正貢獻主要集中于740 hPa以下，由氣旋的水平運動引起渦度的局地變化。740 hPa層面以上存在水平平流項對渦度變化的負(fù)貢獻，但在21日21:00左右，水平平流項對渦度變化的正貢獻顯著增強，說明隨著氣旋強度的增強，水平平流項對中層渦度的正貢獻逐漸增大。當(dāng)考慮SST的響應(yīng)時，EXP3方案中水平平流項對渦度變化的正貢獻減弱，同時所在層面降低。中層水平平流項對渦度變化的負(fù)貢獻顯著增強，由以上分析可知，SST降低引起非絕熱過程減弱，氣旋流場速率降低，從而導(dǎo)致水平平流對渦度的貢獻減小。當(dāng)不考慮海浪效應(yīng)時，EXP2與EXP3方案相比，水平平流項對渦度的正貢獻所在高度較為一致，但強度明顯強于EXP3方案，說明海表粗糙度的減小引起低層風(fēng)場加速，是眼墻內(nèi)渦度增加的主要原因。

圖6 2006年7月21日（a）12:00、（b）12:15、（c）12:30、（d）12:45，850～500 hPa層面平均的垂直速度（填充圖，單位：m s-1）、相對渦度（黑色實線，起始值為3，間隔為2，單位：10-3 s-1）及非平衡風(fēng)場（矢量箭頭）Fig. 6 Distribution of vertical velocity (shading), relative vorticity (solid black contours starting from 3 with an interval of 2, units are 10-3 s-1), and asymmetric wind (vector arrow) averaged for 850-500 hPa at (a) 1200 UTC, (b) 1215 UTC, (c) 1230 UTC, (d) 1245 UTC on 26 July 2006

圖10為 21日12:00～22日00:00，半徑26～39 km范圍內(nèi)，850～500 hPa層之間垂直輸送對相對渦度的貢獻。EXP1方案中，垂直輸送項在低層對渦度變化的貢獻為負(fù)，在中層為正，說明在氣旋增強階段，眼墻內(nèi)低層渦度向高層輸送，引起低層渦度減小而高層增大。隨著氣旋不斷增強，垂直輸送項對低層渦度的負(fù)貢獻向上擴展，但對中層的正貢獻不斷減小，說明隨著氣旋不斷增強，垂直輸送氣流向高層擴展，渦度在中低層垂直方向的分布逐漸均勻，由低層向上輸送渦度的層面不斷升高。當(dāng)考慮SST的反饋作用后，EXP3方案中垂直輸送對低層渦度的負(fù)貢獻減小，中層的正貢獻向低層擴展，由于非絕熱過程減弱使得渦度的鉛直分布不均勻，低層渦度向上輸出區(qū)域的層級降低，導(dǎo)致整個層面的正渦度、負(fù)渦度貢獻區(qū)域都向低層下降。當(dāng)不考慮海浪效應(yīng)時，EXP2方案相對EXP3方案的垂直輸送對中層渦度的正貢獻向上收縮，說明減小的海表粗糙度由于徑向輻合、垂直輸送作用減弱，從而引起垂直輸送的渦度負(fù)貢獻的在低層減弱，正貢獻向上收縮。

圖8 850～500 hPa層面平均的垂直速度（填充圖，單位：m s-1）及相對渦度（黑色實線，起始值為4，間隔為2，單位：10-3 s-1）在方位角225°處沿徑向方向分布隨時間變化：（a）EXP1；（b）EXP2；（c）EXP3Fig. 8 Radial–time Hovm?ller of vertical velocity (shading) and relative vorticity (black solid contours, minimum is 4, interval is 2, units are 10-3 s-1) at azimuth of 225°, averaged for 850-500 hPa: (a) EXP1; (b) EXP2; (c) EXP3

圖11為21日12:00～22日00:00，半徑26～39 km范圍內(nèi)，850～500 hPa層之間水平散度場對渦度變化的貢獻。EXP1方案中，輻合輻散場對渦度的貢獻主要集中于低層，在整個層面上呈正負(fù)交替，體現(xiàn)了眼墻內(nèi)中尺度渦之間輻合輻散對渦度變化的影響。當(dāng)考慮SST的反饋作用后，EXP3方案中輻合輻散場對低層渦度的貢獻與EXP1方案較為一致，但在中層，正貢獻明顯增強，說明SST降低引起中層流場輻散減弱，增加了中層渦度。當(dāng)不考慮海浪效應(yīng)時，EXP2方案相對EXP3方案最大的改變是水平散度項使中層渦度正貢獻增大，說明海表粗糙度減低，進一步引起中層輻散減弱，從而增加了中層渦度。

圖9 半徑26～39 km范圍內(nèi)850～500 hPa層面的相對渦度的水平平流變化診斷分析（時間：21日12:00～22日00:00；單位：10-6 s-2）：（a）EXP1；（b）EXP2；（c）EXP3Fig. 9 Horizontal advection of relative vorticity averaged from 26 to 39 km radius between 850-500 hPa (1200 UTC 21 July-0000 UTC 22 July,units are 10-6 s-2): (a) EXP1; (b) EXP2; (c) EXP3

圖10 半徑26～39 km范圍內(nèi)850～500 hPa層面的相對渦度的鉛直輸送變化診斷分析（時間：21日12:00～22日00:00；單位：10-6 s-2）：（a）EXP1；（b）EXP2；（c）EXP3Fig. 10 Vertical advection of relative vorticity averaged from 26 to 39 km radius between 850-500 hPa (1200 UTC 21 July-0000 UTC 22 July, units are 10-6 s-2): (a) EXP1; (b) EXP2; (c) EXP3

圖11 半徑26～39 km范圍內(nèi)850～500 hPa層面的相對渦度的散度變化診斷分析（時間：21日12:00～22日00:00；單位：10-6 s-2）：（a）EXP1；（b）EXP2；（c）EXP3Fig. 11 Divergence term of relative vorticity averaged from 26 to 39 km radius between 850-500 hPa (1200 UTC 21 July-0000 UTC 22 July, units are 10-6 s-2): (a) EXP1; (b) EXP2; (c) EXP3

圖12 半徑26～39 km范圍內(nèi)850～500 hPa層面的相對渦度的扭轉(zhuǎn)項變化診斷分析（時間：21日12:00～22日00:00；單位：10-6 s-2）：（a）EXP1；（b）EXP2；（c）EXP3Fig. 12 Distortion term of relative vorticity averaged from 26 to 39 km radius between 850-500 hPa (1200 UTC 21 July–0000 UTC 22 July, units are 10-6 s-2): (a) EXP1; (b) EXP2; (c) EXP3

圖12 為21日 12:00～22日00:00，半徑26～39 km范圍內(nèi)，850～500 hPa層之間渦度的扭轉(zhuǎn)項對渦度變化的貢獻。由于中尺度渦在眼墻內(nèi)的存在，造成垂直速度在水平方向分布不均勻，將水平渦度扭轉(zhuǎn)為垂直渦度，從而引起渦度變化。EXP1方案中，扭轉(zhuǎn)項在780 hPa層附近對渦度存在正貢獻，隨著氣旋加強，正貢獻逐漸減弱，可能與氣旋加強后眼墻內(nèi)中尺度渦結(jié)構(gòu)軸對稱化有關(guān)。當(dāng)考慮SST的反饋作用后，EXP3方案中由于SST分布不均勻?qū)е卵蹓?nèi)存在較強的非對稱結(jié)構(gòu)，從而扭轉(zhuǎn)項造成眼墻內(nèi)渦度變化的正貢獻。由于EXP2方案沒有考慮海浪效應(yīng)，較小的海表粗糙度使得眼墻內(nèi)垂直速度分布較為均勻，扭轉(zhuǎn)項引起渦度變化的正貢獻較小。

5 小結(jié)

本文利用?！獨狻送耆詈舷到y(tǒng)對 2006年“格美”（Kaemi）臺風(fēng)的模擬結(jié)果，著重分析了眼墻內(nèi)存在的中尺度渦結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，通過進行敏感性試驗，研究了臺風(fēng)條件下SST反饋及海浪效應(yīng)對眼墻內(nèi)中尺度渦結(jié)構(gòu)的影響。

眼墻內(nèi)存在的中尺度垂直氣流與風(fēng)垂直切變密切相關(guān)，在順切變右側(cè)，中尺度垂直氣流逐漸增強，在順切變左側(cè)達到最大后逐漸減弱。眼墻內(nèi)渦度呈環(huán)狀分布，在順切變右側(cè)，隨著垂直氣流逐漸增強，眼墻內(nèi)渦度出現(xiàn)閉合的渦環(huán)結(jié)構(gòu)，與中尺度垂直氣流相對應(yīng)。在切向氣流的作用下，中尺度渦移動到順切變左側(cè)并達到最強后，中尺度垂直氣流強度逐漸減弱，但渦環(huán)結(jié)構(gòu)仍然能夠保持。沿著逆時針方向運動到順切變右側(cè)后，在合適的垂直流場作用下，渦環(huán)結(jié)構(gòu)觸發(fā)中尺度垂直氣流。同時，眼墻內(nèi)中尺度渦結(jié)構(gòu)之間存在輻合輻散的非平衡風(fēng)場，是眼墻內(nèi)外氣流的交換通道，而中尺度渦結(jié)構(gòu)存在較強的渦度及垂直速度，是眼墻內(nèi)外氣流的阻斷器。

當(dāng)不考慮SST的反饋作用時，海氣間的熱通量輸送顯著增大，由此引起眼墻內(nèi)的中尺度對流加強，集中爆發(fā)區(qū)仍然位于順切變方向，不受熱通量輸送變化的影響。此外，在時間變化上，由于較強的垂直對流，中尺度渦的持續(xù)時間明顯較長。當(dāng)不考慮海浪對海表粗糙度的影響，在較小的海表粗糙度條件下，眼墻非對稱性減弱，使得中尺度對流渦在切向方向上的分布較為均勻。在徑向方向上，中尺度渦所在結(jié)構(gòu)受 SST的反饋作用及海浪效應(yīng)影響較小，其相對臺風(fēng)中心的位置主要與臺風(fēng)強度有關(guān)。

SST降低引起非絕熱過程減弱，水平流場速度減慢，使得水平平流對渦度的貢獻減小。由于非絕熱過程減弱使得渦度的鉛直分布不均勻，低層渦度向上輸送受到抑制，垂直輸送對低層的負(fù)貢獻減弱，而對中層渦度的正貢獻增大。輻合輻散場對渦度的正貢獻在中層明顯增強。由于SST分布不均勻?qū)е卵蹓?nèi)存在較強的非對稱結(jié)構(gòu)，從而扭轉(zhuǎn)項造成眼墻內(nèi)渦度變化的正貢獻。當(dāng)不考慮海浪效應(yīng)時，水平平流項對渦度的正貢獻明顯增大，說明海表粗糙度的減小引起低層風(fēng)場加速，是眼墻內(nèi)渦度增加的主要原因。垂直輸送對中層渦度的正貢獻減弱，減小的海表粗糙度使得徑向輻合作用減弱，從而引起渦度的向上輸送減小。水平散度項使中層渦度出現(xiàn)正貢獻，說明海表粗糙度減低，引起中層輻散場減弱，從而增加眼墻內(nèi)渦度。較小的海表粗糙度使得眼墻內(nèi)垂直速度分布較為均勻，扭轉(zhuǎn)項引起渦度變化的正貢獻較小。

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