劉珍圓，王詠青，張秀年，周玉淑

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044；2.南京大氣科學(xué)聯(lián)合研究中心，江蘇南京210009；3.云南省氣象臺(tái)，云南昆明650034；4.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引 言

熱帶氣旋(TC)的溫帶變性(ET)是指TC在北上過(guò)程中與中緯度斜壓帶相互作用，逐漸失去熱帶氣旋的特征從而轉(zhuǎn)變?yōu)闇貛庑倪^(guò)程[1]。變性的熱帶氣旋會(huì)給中緯度地區(qū)帶來(lái)強(qiáng)風(fēng)，降水以及潮涌等一系列的災(zāi)害性天氣，從而造成生命財(cái)產(chǎn)的損失[2]。在ET期間，與TC有關(guān)的特征表現(xiàn)為T(mén)C的非對(duì)稱(chēng)性的增加，最大風(fēng)速半徑增加，海平面氣壓上升，暖核減弱并不斷被冷核所取代，同時(shí)垂直風(fēng)切變?cè)龃笠约靶眽簬тh面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)[3-4]。由于變性臺(tái)風(fēng)所帶來(lái)的損失嚴(yán)重，近年來(lái)對(duì)其變性過(guò)程的研究也越來(lái)越多。陳聯(lián)壽等[5]認(rèn)為冷空氣的入侵會(huì)導(dǎo)致斜壓不穩(wěn)定，位能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)換是引起臺(tái)風(fēng)變性的主要原因。相對(duì)來(lái)說(shuō)，強(qiáng)的熱帶氣旋更易發(fā)生變性，變性開(kāi)始時(shí)非對(duì)稱(chēng)性會(huì)不斷增加。Klein[3]將ET分為兩個(gè)階段，第一階段為與中緯度斜壓區(qū)相互作用從而導(dǎo)致了TC的變性，第二階段則取決于中緯度環(huán)流結(jié)構(gòu)以及TC與中緯度相互作用的方式。影響ET的主要機(jī)制包括冷空氣、鋒生和中緯度環(huán)流[6]，其中臺(tái)風(fēng)北移過(guò)程中與上游西風(fēng)槽和中緯度急流等相互作用會(huì)產(chǎn)生一系列的影響。朱佩君等[7]對(duì)我國(guó)發(fā)生的變性過(guò)程分析，認(rèn)為低層明顯的暖平流及與高空急流相對(duì)應(yīng)的大的輻散區(qū)會(huì)導(dǎo)致熱帶氣旋的重新加強(qiáng)。大多數(shù)臺(tái)風(fēng)變性都和高空槽與臺(tái)風(fēng)的相互作用有關(guān)，同時(shí)與高空槽所產(chǎn)生的強(qiáng)垂直切變會(huì)使熱帶氣旋減弱[8]。但當(dāng)垂直風(fēng)切變很強(qiáng)，TC內(nèi)部對(duì)流發(fā)展旺盛的情況下也可能出現(xiàn)強(qiáng)度維持甚至快速發(fā)展的情況[9]。沈陽(yáng)等[10]研究了強(qiáng)垂直風(fēng)切變下的颶風(fēng)歐尼(1998)的非對(duì)稱(chēng)特征，說(shuō)明垂直風(fēng)切變對(duì)臺(tái)風(fēng)的發(fā)展過(guò)程確實(shí)有很大影響。通過(guò)濕位渦的分析，李英等[11]表明高層的位渦擾動(dòng)下傳以及臺(tái)風(fēng)與低層鋒生相互作用有利于臺(tái)風(fēng)變性再加強(qiáng)，說(shuō)明鋒生作用也是臺(tái)風(fēng)變性過(guò)程中的一個(gè)重要因素。另外，中緯度的斜壓鋒區(qū)以及垂直風(fēng)切變是導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)變性的基本環(huán)境條件。同時(shí)，強(qiáng)垂直風(fēng)切變所引起的內(nèi)區(qū)非對(duì)稱(chēng)是制約熱帶氣旋最大強(qiáng)度的重要因子[12]。

Klein[3]從冷暖平流、斜壓帶的影響、暖心結(jié)構(gòu)的傾斜以及非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展等方面進(jìn)行研究后，提出了有關(guān)臺(tái)風(fēng)變性的三維模型。臺(tái)風(fēng)眼區(qū)溫度高于周?chē)h(huán)境溫度是熱帶氣旋的主要特征之一，早期對(duì)臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)的分析集中在低層，隨著數(shù)值模式的發(fā)展，一些學(xué)者利用模擬資料發(fā)現(xiàn)了高層也有暖心存在[13-14]。Chen等[13]研究證明，由于平流層空氣的下降，在大約14 km處也可形成一個(gè)深層暖核，這個(gè)上層暖核對(duì)臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的作用大于低層增溫。他們還指出，臺(tái)風(fēng)眼中的暖核是由于在具有較高等相當(dāng)位溫的最大風(fēng)速半徑 (Radius MaximumWinds，RMW)附近對(duì)流爆發(fā)(Convective Bursts，CBs)的減少導(dǎo)致的，同時(shí)對(duì)流的減少會(huì)增加上層流出層相關(guān)的徑向流入。在臺(tái)風(fēng)Megi的模擬研究中，發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋存在兩個(gè)溫度大值區(qū)，分別位于中層(5～6 km)和高層(15～16 km)，當(dāng)熱帶氣旋加強(qiáng)時(shí)，高層溫度大值區(qū)開(kāi)始形成[14]。垂直風(fēng)切變會(huì)對(duì)臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生“通風(fēng)作用”[15]，將上層釋放的潛熱能量平流到環(huán)境中去，破壞臺(tái)風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致TC減弱。

此外，慣性穩(wěn)定度是衡量渦旋對(duì)外部強(qiáng)迫抵抗能力的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)切向風(fēng)隨半徑減小很慢，則慣性穩(wěn)定度的增加會(huì)使得低層徑向流入降低[16]，說(shuō)明慣性穩(wěn)定度同時(shí)也可反映對(duì)徑向氣流的抵抗能力。李杭玥等[17]對(duì)不同階段慣性穩(wěn)定度的研究表明，高慣性穩(wěn)定度可提供抗徑向運(yùn)動(dòng)，主要出現(xiàn)在眼墻和臺(tái)風(fēng)內(nèi)部區(qū)域。TC低層的穩(wěn)定性較強(qiáng)，足夠抵抗外部環(huán)境的干擾，但高層的流出氣流具有弱的慣性穩(wěn)定度，因此在與中緯度系統(tǒng)相互作用時(shí)容易受到環(huán)境氣流的影響。Chen等[13]的研究表明，高層強(qiáng)烈的輻散氣流有助于保護(hù)暖心結(jié)構(gòu)不受環(huán)境氣流的影響。Heymsfield等[18]通過(guò)分析臺(tái)風(fēng)Dennis快速增強(qiáng)前的對(duì)流變化，發(fā)現(xiàn)垂直上升運(yùn)動(dòng)所引起的下沉有利于暖心的增強(qiáng)，并且根據(jù)靜力平衡可知，暖心越強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心氣壓下降越低。

影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的主要因素為內(nèi)部因子、下墊面的特征和與環(huán)境流場(chǎng)的相互作用等。有關(guān)環(huán)境場(chǎng)作用方面，已有研究揭示出大的垂直風(fēng)切變會(huì)通過(guò)影響臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)從而影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度[19]。就目前而言，國(guó)內(nèi)對(duì)臺(tái)風(fēng)變性特別是變性減弱的臺(tái)風(fēng)高層暖心研究相對(duì)較少。因此，本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步對(duì)臺(tái)風(fēng)變性過(guò)程中的強(qiáng)度變化包括高層暖心變化進(jìn)行分析，從而加深對(duì)TC強(qiáng)度變化的物理機(jī)制的理解。

2 資料與方法

本文采用的是中尺度模式ARW-WRF對(duì)臺(tái)風(fēng)Chanchu的模擬，四重嵌套下網(wǎng)格分辨率從內(nèi)到外分別為2 km、6 km、18 km、54 km，相對(duì)應(yīng)的水平格點(diǎn)數(shù)依次為 243×243、342×237、171×144、99×133。這次模擬結(jié)果較好地再現(xiàn)了Chanchu的路徑、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)等演變過(guò)程[20]，也已用于Chanchu臺(tái)風(fēng)高層流出層的低理查森數(shù)特征的分析[21]，因此可用來(lái)研究Chanchu的變性。本文使用的是54 km和18 km網(wǎng)格距的資料，分別用于分析變性過(guò)程中背景場(chǎng)及結(jié)構(gòu)變化。通過(guò)等熵位渦法計(jì)算確認(rèn)Chanchu在模式模擬中的變性時(shí)間為2006年5月17日09時(shí)(世界時(shí)，下同)，并表明其為變性減弱[22]。為研究Chanchu從減弱到發(fā)生變性過(guò)程中的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度變化，分別取16日00時(shí)、16日12時(shí)、17日00時(shí)以及17日12時(shí)4個(gè)時(shí)次進(jìn)行分析。

垂直風(fēng)切變是影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的一個(gè)重要環(huán)境場(chǎng)要素。目前普遍采用的垂直風(fēng)切變公式為850 hPa和200 hPa兩層的區(qū)域平均風(fēng)場(chǎng)矢量差，其中沿著切變方向?yàn)轫樓凶儯粗畡t為逆切變[23]。其計(jì)算方法如下：在臺(tái)風(fēng)所在位置為中心的10°×10°的正方形網(wǎng)格區(qū)域范圍內(nèi)，分別計(jì)算200 hPa和850 hPa上的平均風(fēng)場(chǎng)，從而求得兩層間的垂直風(fēng)切變：

u200、u850分別為200 hPa和850 hPa等壓面上平均的緯向風(fēng)速，同樣v200、v850為相應(yīng)的平均經(jīng)向風(fēng)速。為了比較高低層垂直風(fēng)切變的區(qū)別，本次研究同樣計(jì)算了200～500 hPa以及 500～850 hPa上的垂直風(fēng)切變，計(jì)算公式和上述相同。

慣性穩(wěn)定度表達(dá)了臺(tái)風(fēng)抵抗外部強(qiáng)迫而產(chǎn)生變化的能力。臺(tái)風(fēng)低層的慣性穩(wěn)定度較高，不易受環(huán)境氣流影響，而臺(tái)風(fēng)高層流出層為弱慣性穩(wěn)定度，容易與環(huán)境相互作用。慣性穩(wěn)定度使臺(tái)風(fēng)低層的傾斜對(duì)流更偏向于臺(tái)風(fēng)垂直方向，從而有利于對(duì)流發(fā)展，同時(shí)使高層的傾斜對(duì)流偏向于水平方向增強(qiáng)高層輻散[24]。慣性穩(wěn)定度的表達(dá)式為[16]：

其中f是科里奧參數(shù)，r是距臺(tái)風(fēng)中心的距離，v是方位角平均的切向風(fēng)，是軸對(duì)稱(chēng)的渦度矢量的垂直分量。從慣性穩(wěn)定度的公式來(lái)看，其體現(xiàn)了切向風(fēng)速的變化并且可反映對(duì)徑向氣流的阻力。當(dāng)慣性穩(wěn)定時(shí)，意味著科里奧力和氣壓梯度力的平衡，輻散氣流減小有利于維持旋轉(zhuǎn)。在主眼壁附近和內(nèi)部的區(qū)域通常具有較高的渦旋性，具有相對(duì)強(qiáng)的慣性穩(wěn)定度[25]。

3 臺(tái)風(fēng)Chanchu變性過(guò)程中的強(qiáng)度變化

3.1 海平面氣壓

可根據(jù)最低海平面氣壓及TC中心最大地面風(fēng)速值來(lái)描述Chanchu的強(qiáng)度變化。由模擬的Chanchu強(qiáng)度變化(圖1)可知，最小海平面氣壓及地面最大風(fēng)速具有較好的匹配關(guān)系。整個(gè)過(guò)程臺(tái)風(fēng)經(jīng)歷了由發(fā)展-突然加強(qiáng)-減弱變性的過(guò)程，15日09時(shí)海平面氣壓及最大地面風(fēng)速達(dá)到最大強(qiáng)度，然后逐漸減弱并發(fā)生變性，同時(shí)可看到在17日以后臺(tái)風(fēng)有一個(gè)短暫增強(qiáng)過(guò)程。在快速增強(qiáng)過(guò)程(Rapid Intensification，RI)中，臺(tái)風(fēng)的對(duì)稱(chēng)性增加，并且在臺(tái)風(fēng)最強(qiáng)時(shí)刻對(duì)稱(chēng)性最強(qiáng)，之后隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱其不對(duì)稱(chēng)性也增加[26-27]。

圖1 18 km分辨率下的最低海平面氣壓(黑色實(shí)線，單位：hPa)及地面最大風(fēng)速(紅色實(shí)線，單位：m/s)的變化曲線

3.2 暖心結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步分析Chanchu的強(qiáng)度變化，給出了方位角平均的溫度偏差、徑向風(fēng)及垂直環(huán)流的半徑-高度剖面(圖2)。在16日00時(shí)臺(tái)風(fēng)高層大約12 km高度處存在一個(gè)大的溫度偏差值(圖2a)。除了典型的低層流入高層流出的次級(jí)環(huán)流外，可發(fā)現(xiàn)暖中心所處的高度與高層流出層相吻合，此時(shí)的高層流出相對(duì)明顯，同時(shí)低層位于徑向100 km左右較強(qiáng)的對(duì)稱(chēng)渦旋的切向風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到了48 m/s。高層流出的強(qiáng)烈輻散有利于保護(hù)暖心結(jié)構(gòu)不受環(huán)境氣流的影響，且高層增暖比下層對(duì)臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)作用更明顯[28]。在16日12時(shí)可看出暖心最大強(qiáng)度變化不大，但是切向風(fēng)強(qiáng)度降到了44 m/s(圖2b)。到下一個(gè)時(shí)刻，高層有一微弱的暖心存在，6～8 km高度處為一個(gè)中層擾動(dòng)溫度大值區(qū)，表現(xiàn)為中層暖心的加強(qiáng)，中層增溫可能與低層鋒生次級(jí)環(huán)流對(duì)應(yīng)的下沉有關(guān)(圖2c)。低層有微弱的徑向流入，高層流出基本消失，對(duì)稱(chēng)的次級(jí)環(huán)流也消失，高層暖心結(jié)構(gòu)更易受環(huán)境氣流影響頻散出去從而難以維持其強(qiáng)度。同時(shí)，隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的減弱，最大切向風(fēng)強(qiáng)度向外擴(kuò)張到了200 km左右。在臺(tái)風(fēng)變性增強(qiáng)的案例中，強(qiáng)的暖心結(jié)構(gòu)是由于高層下沉增溫引起的，并且伴隨著高層徑向流入。從剖面圖的四個(gè)時(shí)刻來(lái)看，幾乎沒(méi)有徑向流入的存在。對(duì)于臺(tái)風(fēng)Chanchu而言，可能由于補(bǔ)償性下沉增溫的減少而無(wú)法維持其上層暖核結(jié)構(gòu)，并且對(duì)流活動(dòng)的降低以及大的垂直風(fēng)切變影響下從而導(dǎo)致最終的臺(tái)風(fēng)減弱。

3.3 結(jié)構(gòu)演變

通過(guò)臺(tái)風(fēng)中心做東西方向剖面，分析臺(tái)風(fēng)減弱變性過(guò)程中的熱力結(jié)構(gòu)及對(duì)流特征(圖3)。16日00時(shí)，大的相當(dāng)位溫下傳，在臺(tái)風(fēng)上層維持著一個(gè)對(duì)稱(chēng)的暖心結(jié)構(gòu)(圖3a)。相當(dāng)位溫和對(duì)流基本為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，并且有明顯的次級(jí)環(huán)流存在。根據(jù)垂直環(huán)流特征，臺(tái)風(fēng)中心高層下沉氣流，這和高層暖心結(jié)構(gòu)是吻合的，此時(shí)暖心比較強(qiáng)，并達(dá)到16 km左右。從對(duì)流來(lái)看，整體為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且東部對(duì)流活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)于西部。16日12時(shí)，高層暖心依然存在，并且中層有閉合的高相當(dāng)位溫等值線。隨著臺(tái)風(fēng)不斷減弱，17日00時(shí)高層暖心在強(qiáng)的垂直風(fēng)切變作用下被破壞，但中層暖心結(jié)構(gòu)依然維持，強(qiáng)度稍有降低(圖3c)。在環(huán)境的垂直風(fēng)切變影響下整體臺(tái)風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)傾斜度增大，眼壁對(duì)流高度降低并且由對(duì)稱(chēng)演變?yōu)榉菍?duì)稱(chēng)。等相當(dāng)位溫出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)并發(fā)生傾斜，垂直環(huán)流的風(fēng)場(chǎng)變得不對(duì)稱(chēng)，低層的等相當(dāng)位溫線變得密集。臺(tái)風(fēng)中心及西部為較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，和中層暖心高度一致。同時(shí)繪制了沿臺(tái)風(fēng)中心南北向的剖面(圖略)，鋒生伴隨的次級(jí)環(huán)流重新增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)北側(cè)外部對(duì)流，有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。從東西向?qū)?yīng)的17日00時(shí)來(lái)看，此時(shí)在臺(tái)風(fēng)西部有較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，因此中層暖心變化可能與鋒生作用相聯(lián)系。到了17日12時(shí)，此時(shí)已經(jīng)發(fā)生了變性，下沉氣流減小并主要發(fā)生在臺(tái)風(fēng)西部，高層暖心及次級(jí)環(huán)流消失，對(duì)應(yīng)低層的相當(dāng)位溫梯度進(jìn)一步加大(圖3d)。

圖3 18 km分辨率下的沿臺(tái)風(fēng)中心東西向的溫度偏差(紅色實(shí)線，單位：℃)、雷達(dá)反射率(陰影，單位：dBz)、等相當(dāng)位溫(黑色實(shí)線，單位：K)以及垂直環(huán)流(徑向風(fēng) sr，w×100，單位：m/s)的垂直剖面

4 臺(tái)風(fēng)Chanchu變性過(guò)程中的環(huán)境場(chǎng)分析

4.1 慣性穩(wěn)定度

慣性穩(wěn)定度可體現(xiàn)出對(duì)徑向流入氣流的阻力，是一個(gè)很重要的動(dòng)力參數(shù)。對(duì)流層高層相對(duì)弱的慣性穩(wěn)定度意味著TC流出層是與環(huán)境相互作用最顯著的區(qū)域。當(dāng)流出氣流增強(qiáng)高空輻散后，為滿足質(zhì)量連續(xù)，次級(jí)環(huán)流必定加強(qiáng)。圖4為Chanchu的慣性穩(wěn)定度I2與雷達(dá)反射率的徑向-高度軸對(duì)稱(chēng)分布演變情況。慣性穩(wěn)定度在1 km以內(nèi)達(dá)到了峰值強(qiáng)度，隨高度的增加穩(wěn)定度逐漸降低(圖4a)。到了14 km以上，穩(wěn)定度降低至2.0×10-7s-1左右，此時(shí)的低層慣性穩(wěn)定度梯度最大，說(shuō)明在低層的臺(tái)風(fēng)渦旋更穩(wěn)定，強(qiáng)的慣性穩(wěn)定性能夠抵御徑向運(yùn)動(dòng)，有利于臺(tái)風(fēng)內(nèi)核發(fā)展。到了17日12時(shí)，慣性穩(wěn)定度有明顯減小，最大強(qiáng)度與16日00時(shí)相差了一個(gè)量級(jí)。隨著臺(tái)風(fēng)減弱，慣性穩(wěn)定度極值也隨著向外移動(dòng)，這與前面3.2節(jié)討論的切向風(fēng)變化是一致的，說(shuō)明此時(shí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度雖然減弱，但伴隨著切向風(fēng)速的外擴(kuò)，臺(tái)風(fēng)環(huán)流的范圍擴(kuò)大(圖4d)。相應(yīng)地，對(duì)流活動(dòng)的變化與慣性穩(wěn)定度的變化基本一致，強(qiáng)度不斷減小并徑向向外擴(kuò)張。從Rossby變形半徑(表達(dá)式為L(zhǎng)R=NH/(ζ+f)，其中ζ為系統(tǒng)的相對(duì)渦度，而f是科里奧參數(shù))來(lái)看，當(dāng)Rossby變形半徑減小，有利于潛熱釋放的集中，從而使臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)。當(dāng)慣性穩(wěn)定度減小，意味著Rossby變形半徑增大，使?jié)摕後尫挪患袕亩鵁o(wú)法維持臺(tái)風(fēng)繼續(xù)發(fā)展的能量。慣性穩(wěn)定度與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度發(fā)展基本一致，可很好表示臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的演變。

圖4 18 km分辨率下的方位角平均的雷達(dá)反射率(陰影區(qū)，單位：dBz)、慣性穩(wěn)定度(紅色等值線，單位：10-7s-1，a、b等值線間隔為 1×10-7s-1，c、d 等值線間隔為 0.2×10-7s-1)和次級(jí)環(huán)流(徑向風(fēng) sr、w，單位：m/s)

4.2 垂直風(fēng)切變

目前常用數(shù)值模擬和簡(jiǎn)化理論來(lái)研究環(huán)境流場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的作用，重點(diǎn)在高空流出氣流和環(huán)境垂直切變兩個(gè)方面，但對(duì)于垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響曾存在爭(zhēng)議[29]。早期認(rèn)為環(huán)境垂直風(fēng)切變對(duì)TC的影響為“通風(fēng)流”作用[30]，后來(lái)有人開(kāi)始關(guān)注TC內(nèi)部位渦與熱力場(chǎng)對(duì)環(huán)境垂直風(fēng)切變的響應(yīng)[30]，提出了“傾斜與穩(wěn)定”機(jī)制。過(guò)去的研究證明，強(qiáng)垂直風(fēng)切變會(huì)降低TC強(qiáng)度。Wang等[31]發(fā)現(xiàn)對(duì)流層低層的垂直風(fēng)切變與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度關(guān)系最密切，整層垂直風(fēng)切變小于7 m/s并且低層風(fēng)小于2.5 m/s時(shí)臺(tái)風(fēng)會(huì)增強(qiáng)。在抑制熱帶氣旋強(qiáng)度的垂直風(fēng)切變臨界值上國(guó)外學(xué)者有不一樣的見(jiàn)解，觀測(cè)研究表明導(dǎo)致TC減弱的垂直風(fēng)切變臨界值可能在8～10 m/s之間[32]。為了得出臺(tái)風(fēng)Chanchu和環(huán)境風(fēng)場(chǎng)之間的關(guān)系，繪制了三個(gè)不同層次平均的垂直風(fēng)切變(圖5)。從垂直風(fēng)切變隨時(shí)間的變化來(lái)看，整層的垂直風(fēng)切變波動(dòng)幅度較大，整體呈現(xiàn)先增大-后減小-再次迅速增大的趨勢(shì)，和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化一致。垂直風(fēng)切變較小時(shí)臺(tái)風(fēng)較強(qiáng)，垂直風(fēng)切變逐漸增強(qiáng)后臺(tái)風(fēng)逐漸減弱。減弱初期的垂直風(fēng)切變變化幅度不大，然后從16日06時(shí)的5.25 m/s迅速增大，對(duì)應(yīng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度迅速減弱。相對(duì)來(lái)說(shuō)，中低層(500～850 hPa)和中高層(200～500 hPa)的垂直風(fēng)切變相對(duì)較小，但變化趨勢(shì)與整層垂直風(fēng)切變一致，同樣抑制了臺(tái)風(fēng)的發(fā)展。結(jié)合圖2來(lái)看，前面兩個(gè)時(shí)刻可見(jiàn)高層較明顯的高空出流，這有利于維持上層暖心不受垂直風(fēng)切變的影響。而到了17日00時(shí)以及17日12時(shí)，高空出流逐漸消失，上層結(jié)構(gòu)在強(qiáng)垂直風(fēng)切變的影響下，水平平流將上層中心暖空氣頻散出去從而破壞高層暖心結(jié)構(gòu)最終使得臺(tái)風(fēng)減弱，可見(jiàn)垂直風(fēng)切變與變性過(guò)程中的強(qiáng)度變化緊密聯(lián)系。綜合圖3進(jìn)行分析，在整個(gè)變性過(guò)程中，在強(qiáng)垂直切變下熱帶氣旋結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，對(duì)流強(qiáng)度發(fā)展高度降低并變得越來(lái)越不對(duì)稱(chēng)，臺(tái)風(fēng)整體強(qiáng)度減弱。

圖5 18 km分辨率下臺(tái)風(fēng)周?chē)?0°×10°范圍內(nèi)的垂直風(fēng)切變

4.3 低層鋒生

環(huán)境場(chǎng)的鋒面特征也是影響臺(tái)風(fēng)變性的因子之一，當(dāng)臺(tái)風(fēng)北上與副熱帶西風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)垂直切變作用時(shí)，干冷空氣會(huì)侵入臺(tái)風(fēng)環(huán)流中從而引起低層風(fēng)場(chǎng)變形，這種變形風(fēng)場(chǎng)與鋒面的產(chǎn)生發(fā)展和維持有著重要的作用[33]，使臺(tái)風(fēng)殘余環(huán)流轉(zhuǎn)變成溫帶系統(tǒng)。圖6為臺(tái)風(fēng)減弱過(guò)程中對(duì)應(yīng)的低層等相當(dāng)位溫場(chǎng)與中高層溫度平流特征。在變性初期(圖6a)，可看到臺(tái)風(fēng)中心基本維持了一個(gè)暖心結(jié)構(gòu)，此時(shí)的溫度平流及北部垂直運(yùn)動(dòng)較弱，在臺(tái)風(fēng)西北側(cè)可明顯看到冷空氣的侵入，這將會(huì)使得臺(tái)風(fēng)中心趨于填塞從而有利于臺(tái)風(fēng)減弱，同時(shí)也可能會(huì)造成低層鋒生，強(qiáng)迫抬升加劇不穩(wěn)定能量的釋放。隨著臺(tái)風(fēng)與槽不斷接近，在其引導(dǎo)下冷空氣作用進(jìn)一步加強(qiáng)，低層暖心結(jié)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始被破壞，呈現(xiàn)半冷半暖的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)(圖6b)。高空溫度場(chǎng)加強(qiáng)，在臺(tái)風(fēng)西側(cè)為一冷平流，在東北側(cè)為暖平流。到17日00時(shí)，臺(tái)風(fēng)登陸后低層冷空氣氣旋性卷入臺(tái)風(fēng)中，臺(tái)風(fēng)中心的暖心強(qiáng)度不斷減弱，在北移過(guò)程中與北方冷空氣間的等相當(dāng)位溫線變密，配合增強(qiáng)的冷暖平流形成了冷暖鋒的結(jié)構(gòu)，這使得臺(tái)風(fēng)在與鋒面系統(tǒng)相互作用過(guò)程中傾斜，冷暖平流作用區(qū)域有傾斜上升運(yùn)動(dòng)，重新加強(qiáng)了臺(tái)風(fēng)北側(cè)對(duì)流(圖6c)。在變性開(kāi)始后，臺(tái)風(fēng)低層受冷空氣的影響暖核被冷核所取代，高空溫度槽脊進(jìn)一步加深(圖略)，此時(shí)冷暖鋒結(jié)構(gòu)最強(qiáng)烈，臺(tái)風(fēng)外部對(duì)流重新發(fā)展起來(lái)，鋒生對(duì)應(yīng)的下沉運(yùn)動(dòng)將會(huì)影響中層增溫(圖6d)。鋒生導(dǎo)致的斜壓能量釋放使得臺(tái)風(fēng)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，暖平流區(qū)對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)。

圖6 54 km分辨率下500 hPa的溫度場(chǎng)(紅色實(shí)線，單位：℃)和垂直速度場(chǎng)(虛線，小于-0.5 Pa/s，等值線間隔為0.2 Pa/s)以及溫度平流(陰影，單位：1×10-4K/s)、900 hPa 等相當(dāng)位溫(黑色實(shí)線，單位：K)

圖7 為圖6線段所示對(duì)應(yīng)的剖面，位于強(qiáng)烈的上升以及高空暖平流區(qū)。在這個(gè)區(qū)域，與中緯度系統(tǒng)的相互作用較強(qiáng)烈，西北為干冷氣流，而東南側(cè)為暖濕氣流，冷空氣從低層侵入將會(huì)導(dǎo)致等相當(dāng)位溫的不斷傾斜及鋒面的生成。16日00時(shí)的上升運(yùn)動(dòng)達(dá)到200 hPa，說(shuō)明此時(shí)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng)，對(duì)流發(fā)展比較高，相應(yīng)的等相當(dāng)位溫大值區(qū)對(duì)應(yīng)臺(tái)風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)(圖7a)。隨著臺(tái)風(fēng)減弱，對(duì)流強(qiáng)度不斷降低，此時(shí)的垂直上升運(yùn)動(dòng)傾斜不大(圖7b)。臺(tái)風(fēng)減弱北移過(guò)程中西風(fēng)槽不斷加深并接近臺(tái)風(fēng)有利于強(qiáng)冷空氣的入侵，暖濕空氣與北方冷空氣相遇將生成鋒面，從而影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)。17日00時(shí)低層等相當(dāng)位溫梯度加大，鋒生作用下暖空氣沿著等相當(dāng)位溫產(chǎn)生了明顯的上升運(yùn)動(dòng)，臺(tái)風(fēng)北側(cè)對(duì)流重新增強(qiáng)，并在西北側(cè)及東南側(cè)為相應(yīng)的下沉運(yùn)動(dòng)，高層等相當(dāng)位溫逐漸傾斜(圖7c)。17日12時(shí)，隨著冷空氣的不斷侵入進(jìn)一步增強(qiáng)鋒生，對(duì)流強(qiáng)度增大，同時(shí)下沉氣流也增強(qiáng)。臺(tái)風(fēng)等相當(dāng)位溫及上升運(yùn)動(dòng)變得更加傾斜，與次級(jí)環(huán)流相對(duì)應(yīng)的下沉運(yùn)動(dòng)將影響臺(tái)風(fēng)中層暖心結(jié)構(gòu)從而影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度(圖7d)。結(jié)合圖1，在17日后的臺(tái)風(fēng)短暫性增強(qiáng)可能與此鋒生作用有關(guān)。

圖7 54 km分辨率下沿圖4所示切線的相當(dāng)位溫(實(shí)線，單位：K)、垂直速度(陰影，單位：Pa/s)以及垂直環(huán)流(u、v水平合成風(fēng)，w×100，單位：m/s)的垂直剖面 橫坐標(biāo)為西北向東南方向的格點(diǎn)數(shù)。

5 結(jié)論與討論

本文利用0601號(hào)臺(tái)風(fēng)Chanchu的模擬資料，對(duì)其變性過(guò)程中的強(qiáng)度及環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行了分析，并計(jì)算了變性過(guò)程中臺(tái)風(fēng)不同時(shí)刻的慣性穩(wěn)定度。

(1)臺(tái)風(fēng)Chanchu的強(qiáng)度變化與暖心結(jié)構(gòu)的發(fā)展一致，由于垂直風(fēng)切變的增大，Chanchu的上層暖心結(jié)構(gòu)被破壞從而難以維持臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，中層的增溫可能與鋒生對(duì)應(yīng)的下沉氣流有關(guān)。同時(shí)在強(qiáng)垂直風(fēng)切變的影響下，臺(tái)風(fēng)Chanchu的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)不斷變得非對(duì)稱(chēng)。

(2)在臺(tái)風(fēng)減弱變性過(guò)程中，隨著慣性穩(wěn)定度迅速降低，Rossby變形半徑的增大使得潛熱釋放不集中從而導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)的減弱。由于垂直風(fēng)切變的急劇增加，對(duì)流降低減少了潛熱釋放，從而降低了維持臺(tái)風(fēng)Chanchu發(fā)展的能量。

(3)臺(tái)風(fēng)北移過(guò)程中，冷空氣的侵入導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)趨于填塞從而有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱，對(duì)流不斷傾斜，發(fā)展高度降低。雖然臺(tái)風(fēng)減弱，但冷暖空氣的不斷交匯在臺(tái)風(fēng)Chanchu北側(cè)形成鋒區(qū)，鋒生導(dǎo)致的次級(jí)環(huán)流在臺(tái)風(fēng)Chanchu低層北側(cè)重新加強(qiáng)對(duì)流，這種臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)的對(duì)流增強(qiáng)可能是導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度短暫增強(qiáng)的原因，并會(huì)帶來(lái)局地暴雨災(zāi)害。

致 謝：感謝美國(guó)馬里蘭大學(xué) (University of Maryland)Wallace Hogsett博士提供Chanchu臺(tái)風(fēng)的模擬資料。