吳丹黃泓王春明馬申佳

1國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京211100

2解放軍31631部隊(duì)，廣東惠州516000

3解放軍78127部隊(duì)，成都610000

1 引言

中國(guó)近海所處的西北太平洋，是世界上發(fā)生TC（tropical cyclone）變性最多的地區(qū)，每年大約有24個(gè)TC在此區(qū)域生成，其中幾乎半數(shù)TC 會(huì)向北或東北方向轉(zhuǎn)向并發(fā)生變性（Extratropical Transition，ET）（Kitabatake, 2008; Deng and Ritchie,2018）。TC變性過(guò)程中，其暖心結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，趨于向半冷半暖的溫帶氣旋轉(zhuǎn)變，同時(shí)TC常常會(huì)產(chǎn)生顯著的非對(duì)稱降水。這種非對(duì)稱性會(huì)增加數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的不確定性，預(yù)報(bào)難度更大，有時(shí)其引發(fā)的風(fēng)雨災(zāi)害甚至?xí)^(guò)變性前（陳聯(lián)壽和丁一匯，1979;Jones et al.,2003;韓玨靖等,2007;Anwender et al.,2008），因此，相關(guān)的診斷和分析工作對(duì)于理解TC的發(fā)展和提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性有著重要的意義（Chen et al.,2005;DeMaria et al.,2005）。

有很多因素可能導(dǎo)致TC降水分布出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。一些學(xué)者利用多年的TRMM衛(wèi)星微波反演降水資料指出非對(duì)稱的分布主要受到垂直環(huán)境風(fēng)切變和TC移動(dòng)影響（Lonfat et al.,2004;Hence and Houze.,2011）。在北半球，降水大值區(qū)位于相對(duì)TC移動(dòng)方向的前象限和順風(fēng)切左側(cè)，而非對(duì)稱的程度則隨TC移動(dòng)速度增強(qiáng)、與TC中心相距變遠(yuǎn)而變大。表面摩擦引起的邊界流入也有可能引起非對(duì)稱的低層輻合和對(duì)流活動(dòng)，降水易于產(chǎn)生在TC的右前方（北半球）象限內(nèi)（Shapiro, 1983; Corbosiero and Molinari,2003）。岳彩軍（2009）指出垂直上升運(yùn)動(dòng)條件可能是造成“海棠”臺(tái)風(fēng)降水非對(duì)稱分布特征的主要因素。Atallah et al.（2007）通過(guò)研究西北大西洋TC發(fā)現(xiàn)，TC變性過(guò)程中，降水多集中于熱帶氣旋中心左側(cè)，并將該類TC 簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)OC（Left of Center）型；降水集中于中心右側(cè)的ROC（Right of Center）型TC則主要與下游脊相互作用。

前人對(duì)TC降水的研究多集中在其登陸階段，但無(wú)論是否登陸，TC本身的巨大能量與中高緯斜壓能量的結(jié)合過(guò)程對(duì)周邊地區(qū)都會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的風(fēng)雨災(zāi)害。研究（王科程，2006;Chen,2011;顏玲等,2019）表明，TC上下游的槽脊引起的溫度平流、位渦分配等因素對(duì)降水的分布起著重要的作用，但不同降水分型的主導(dǎo)系統(tǒng)是什么，環(huán)流調(diào)整會(huì)產(chǎn)生什么影響的研究極為少見(jiàn)。同時(shí)，與其他中小尺度要素相比，大尺度背景環(huán)流的調(diào)整與變化相對(duì)穩(wěn)定，且預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率相對(duì)較高。因此本文將采用天氣學(xué)分析與數(shù)值試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究0705號(hào)臺(tái)風(fēng)“天兔”（Usagi）變性過(guò)程中環(huán)流背景場(chǎng)與非對(duì)稱降水分布的關(guān)系。

2 資料及個(gè)例介紹

臺(tái)風(fēng)“天兔”（Usagi）中心位置、強(qiáng)度等數(shù)據(jù)來(lái)自于日本氣象廳提供的Best_Track 資料，時(shí)間分辨率為6 h，實(shí)況降水采用的是TRMM衛(wèi)星反演的逐3 h 降水?dāng)?shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°×0.25°，實(shí)況背景場(chǎng)及WRF模式初始場(chǎng)資料均為NCEP/NCAR 提供的FNL 逐6 h 再分析資料，空間分辨率為1°×1°。

2.1 “天兔”的降水非對(duì)稱性

圖1為“天兔”的移動(dòng)路徑以及強(qiáng)度變化。如圖所示，2007 年7月27日12時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）“天兔”在南鳥(niǎo)島附近海域生成，先向西移動(dòng)3日后強(qiáng)度達(dá)到臺(tái)風(fēng)級(jí)別，同時(shí)轉(zhuǎn)向西北移動(dòng)；8月1日00時(shí)至2日00時(shí)維持其最低中心氣壓945 hPa；2日06時(shí)臺(tái)風(fēng)在日本九州東南部登陸后轉(zhuǎn)為北行，強(qiáng)度開(kāi)始減弱；3日降為熱帶風(fēng)暴，從北海道南段離開(kāi)日本海，同時(shí)轉(zhuǎn)向東北方向移動(dòng)。隨后在8月4日12時(shí)變性為溫帶氣旋，中心氣壓增至1000 hPa，這個(gè)時(shí)刻我們稱其為變性完成時(shí)刻，記為ETtime。如圖1所示，在天兔變性完成之前的24 h 內(nèi)，主要降水呈帶狀沿東西方向分布在臺(tái)風(fēng)路徑的左側(cè)，伸展方向近似平行于移動(dòng)路徑，兩個(gè)強(qiáng)降水（24 h 累計(jì)降水量>60 mm）中心均位于TC北側(cè)，移動(dòng)路徑的右側(cè)存在小范圍的零散降水（24 h 累計(jì)降水量<40 mm），降水分布呈現(xiàn)顯著的非對(duì)稱特征。

圖1 臺(tái)風(fēng)“天兔”移動(dòng)路徑及2007 年8月3日12時(shí)至4日12時(shí)的累積降水量（彩色陰影，單位：mm d-1）分布。黑色方框?yàn)榻邓謪^(qū)示意圖。臺(tái)風(fēng)路徑上標(biāo)注的四位數(shù)字前兩位表示日期，后兩位表示時(shí)刻，如2712表示27日12時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同），下同F(xiàn)ig.1 Typhoon Usagi movement path and distribution of accumulated precipitation(colorful shadings, units:mm d-1)from 1200 UTC 3 August to 1200 UTC 4 August 2007.Black box shows schematic of the calculation of the precipitation partitions.The four numbers marked on TC(tropical cyclone)movement path, the first two numbers represent date,the last two numbers represent time,for example,2712 represents 1200 UTC 27 July,thesame below

為研究TC降水的非對(duì)稱性隨時(shí)間演變情況，并與該段時(shí)間內(nèi)TC背景場(chǎng)的環(huán)流形勢(shì)作對(duì)比，本文利用TRMM衛(wèi)星降水資料，以TC所在位置為中心，當(dāng)前時(shí)刻的移動(dòng)方向?yàn)檩S，在邊長(zhǎng)為10個(gè)經(jīng)距的正方形范圍（如圖1黑色方框所示）內(nèi)，將左區(qū)與右區(qū)的24 h 格點(diǎn)累積降水量之差定義為Brain；如果Brain>0，則定義該時(shí)刻為L(zhǎng)OT 型降水，反之則定義為ROT 型。利用NCEP再分析資料，參考國(guó)家氣候中心的計(jì)算方法，選取35°N與55°N 兩條緯線上東經(jīng)60°～150°E 區(qū)域內(nèi)500 hPa等壓面上位勢(shì)高度平均值之差計(jì)算亞洲環(huán)流指數(shù)。再以TC所在位置為中心，分別向兩側(cè)擴(kuò)展45個(gè)經(jīng)度，計(jì)算TC兩側(cè)的環(huán)流指數(shù)，定義為其上下游的西風(fēng)指數(shù)。以上各參數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

Brain 與環(huán)流指數(shù)的變化趨勢(shì)是相似的，說(shuō)明TC降水的非對(duì)稱性與背景場(chǎng)的環(huán)流調(diào)整有密切關(guān)系?！疤焱谩毙纬沙跗诰统尸F(xiàn)出典型的LOT型降水特征，7月30日Brain 達(dá)到最大值18032.5 mm，當(dāng)日12時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)別后，降水不對(duì)稱性開(kāi)始減弱，甚至逐漸向右側(cè)集中，8月2日12時(shí)“天兔”強(qiáng)度降為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴以后，LOT 型分布重新出現(xiàn)，并持續(xù)加強(qiáng)，至變性完成時(shí)刻（ETtime）Brain 增至7960 mm。亞洲環(huán)流指數(shù)和上下游西風(fēng)指數(shù)的變化均呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性波動(dòng)趨勢(shì)，下游西風(fēng)指數(shù)遠(yuǎn)大于上游西風(fēng)指數(shù)，TC 變性前，亞洲環(huán)流指數(shù)有一次明顯的減弱，說(shuō)明TC變性前背景環(huán)流由緯向型調(diào)整為經(jīng)向型，其中上游槽脊的發(fā)展是主要的貢獻(xiàn)項(xiàng)。

圖2 24 h 累積的Brain（左側(cè)縱坐標(biāo)，藍(lán)色實(shí)線，單位：mm d-1）、亞洲環(huán)流指數(shù)（右側(cè)縱坐標(biāo)，紅色實(shí)線，單位：gpm）及TC 上下游西風(fēng)指數(shù)（右側(cè)縱坐標(biāo)，上游：黑色實(shí)線，下游：黑色點(diǎn)線，單位：gpm）隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Evolutions of 24-h accumulated Brain(left y-axis, blue solid line,units:mm d-1),Asian circulation index(right y-axis,red solid line,units:gpm),and west wind index(right y-axis,upstream: black solid line;downstream: black dotted line,units:gpm)of TC.Taking the TC location as the center,the current moving direction as the axis,and within a square with a side length of 10 longitudes, differences of the 24-h accumulated precipitation between the left area and the right area are defined as Brain.The differences of the 500-hPa geopotential height averaged over 60°-150°E between 35°N and 55°N are defined as the Asian circulation index.Taking the TC location asthecenter and extend 45 longitudesto both sides to calculate the circulation index on the both sides of the TC,which is defined as the western wind index of the upstream and downstream.ETtime(the ending time of extratropical transition )is 1200 UTC 4 August 2007

2.2 “天兔”的熱力非對(duì)稱性

其中，Z 是位勢(shì)高度；R 和L（即Right 與Left）分別表示當(dāng)前臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右側(cè)和左側(cè)；上方橫線表示以臺(tái)風(fēng)中心為圓心，半徑500 km 范圍內(nèi)的半圓面積平均；h在北半球取+1，南半球取-1，所以在本文中h取+1；ΔZ 表示臺(tái)風(fēng)中心半徑500 km范圍內(nèi)位勢(shì)高度最大值和最小值之差；p表示氣壓。

計(jì)算“天兔”2007年8月1日00時(shí)至4日18時(shí)的相空間參數(shù)（圖3）：2日06時(shí)至18時(shí)，高層與低層暖心相繼達(dá)到最大值，2日18 時(shí)B值最?。?.699），這段時(shí)間內(nèi)，熱帶風(fēng)暴“天兔”處于不斷增強(qiáng)過(guò)程中，逐漸形成對(duì)稱的熱力結(jié)構(gòu)和成熟的高低層暖心；3日起B(yǎng) 值不斷增大的同時(shí)高低層暖心逐漸減弱，3日12時(shí)至18時(shí)TC首先失去熱力對(duì)稱結(jié)構(gòu)，緊接著高低層熱力異常參數(shù)降為負(fù)值，3日18時(shí)“天兔”強(qiáng)度降為熱帶低壓，逐漸變?yōu)橐粋€(gè)右側(cè)暖左側(cè)冷（B>0）的溫帶氣旋。

綜上所述，Brain 于ETtime 前48 h 開(kāi)始變?yōu)檎?，即表現(xiàn)出顯著的LOT 型降水，并且非對(duì)稱性逐漸加強(qiáng)；熱力非對(duì)稱出現(xiàn)較晚（ETtime前24 h），但熱力學(xué)特征向溫帶氣旋轉(zhuǎn)變過(guò)程非常迅速（<6 h），變性前背景場(chǎng)由緯向型調(diào)整為經(jīng)向型，變性過(guò)程中經(jīng)向型緩慢減弱。

3 大尺度環(huán)流分析

圖3 臺(tái)風(fēng)“天兔”的相空間分布：（a）- VTL 和B；（b）- VTL 和- VTU。黑色圓點(diǎn)表示TC中心位置Fig.3 CPS(Cyclone Phase Space)distribution of typhoon Usagi:(a) -VTL(900-600-hPa thermal wind)and B (storm-relative thickness symmetry);(b)- VTL and - VTU(600-300-hPa thermal wind).The black dotsindicate the centersof TC

圖4 2007年8月3日18時(shí)（a）345 K 等熵位渦（陰影，單位：PVU，1 PVU=10-6 K kg-1 m2 s-1）、500 hPa 位勢(shì)高度（黑色實(shí)線，單位：gpm）、200 hPa 急流（藍(lán)色虛線，>30 m s-1），（b）850 hPa 水汽通量（陰影，單位：10-4 g s-1 cm-2 hPa-1）、水平流場(chǎng)（黑色實(shí)線）、急流（紅色虛線，>12 m s-1）。圖a（b）中黑（白）色圓點(diǎn)表示臺(tái)風(fēng)中心所在位置Fig.4(a)345-K isentropic potential vorticity(shadings,units:PVU,1 PVU=10-6 K kg-1 m2 s-1),500-hPa geopotential height(black solid lines,units:gpm),200-hPa high-level-jet(blue dashed lines,>30 m s-1),(b)water vapor fluxes(shadings,units:10-4 g s-1 cm-2 hPa-1),horizontal flow(black solid lines),low-level jet (red dashed lines,>12 m s-1)at 850 hPa at 1800 UTC 3 August 2007.Theblack (white)dotsin Fig.a (Fig. b)indicate the TCcenters

分析2007年8月3日18時(shí)高空天氣形勢(shì)（圖4a）可知：“天兔”位于副熱帶高壓（簡(jiǎn)稱副高）的西北側(cè)，40°N 以北的高緯地區(qū)為一系列低壓系統(tǒng)形成的橫槽，對(duì)應(yīng)一條東西方向分布的高位渦帶，110°E附近存在引導(dǎo)冷空氣南下的經(jīng)向淺槽，低緯的等壓線十分稀疏，以均壓場(chǎng)控制為主?！疤焱谩蔽挥诟呖占绷魅肟趨^(qū)的右側(cè)和低空急流軸附近，因此TC東北側(cè)具有高層輻散低層輻合的配置，更有利于降水。850 hPa 高度上（圖4b）可以看到，來(lái)自于副高南側(cè)和西南季風(fēng)匯合形成的偏南氣流，以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)匯入TC環(huán)流，水汽通量大值區(qū)與低空急流重合，位于TC路徑右側(cè)，與降水區(qū)不重合。

結(jié)合環(huán)流指數(shù)的演變可知，“天兔”變性前背景環(huán)流由緯向型調(diào)整為經(jīng)向型，其上游有強(qiáng)烈的冷空氣隨槽南下，隨著副高減弱南退，低緯兩路暖濕空氣以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)匯入TC南側(cè)，但該緯度暖空氣勢(shì)力相對(duì)較弱，因此受冷空氣主導(dǎo)，降水集中產(chǎn)生在TC北側(cè)的高空輻散場(chǎng)中。

4 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果

本文采用WRF模式V3.6版本來(lái)模擬“天兔”變性過(guò)程的降水分布，模式的初始條件和側(cè)邊界條件均采用NCAR/NCEP提供的逐6 h 全球再分析資料，空間分辨率為1°×1°。在模式中采用單重水平網(wǎng)格，模擬方案設(shè)置如表1所示。

從逐6 h 的Brain 曲線（圖5a）可以看出，與實(shí)況相比，2日00 時(shí)至12時(shí)模擬的降水異常地向TC左側(cè)集中，之后又重新變?yōu)橛倚徒邓?，直?日12時(shí)，Brain 開(kāi)始變?yōu)檎担?日18時(shí)TC的左型降水特征達(dá)到最強(qiáng)，同時(shí)，與實(shí)況相似，3日12時(shí)之前亞洲環(huán)流指數(shù)有顯著的減弱過(guò)程，42 h（1日12時(shí)至3日06時(shí)）內(nèi)指數(shù)下降約50 gpm。圖5b中模擬的路徑與實(shí)況基本重合，3日以后模擬路徑略向北偏，誤差范圍不超過(guò)2個(gè)緯距；TC的移動(dòng)速度與實(shí)況基本一致；再結(jié)合24 h 格點(diǎn)累積降水量的分布可以發(fā)現(xiàn)，模式很好地模擬出了“天兔”變性過(guò)程中左型降水的非對(duì)稱特征，降水帶中大于40 mm d-1的緯向范圍略大于實(shí)況，但仍重現(xiàn)了兩個(gè)大于60 mm d-1的極大值中心。同時(shí)，3日12時(shí)至4日12時(shí)內(nèi)TC的活動(dòng)主要受西北側(cè)的槽脊和副高的影響，以上三個(gè)系統(tǒng)呈西北—東南向排列在TC的兩側(cè)。綜上所述，以上模擬方案較好地再現(xiàn)了“天兔”在經(jīng)向型向緯向型轉(zhuǎn)換的環(huán)流背景場(chǎng)中發(fā)生變性并產(chǎn)生顯著左型降水的過(guò)程，可以作為本文控制試驗(yàn)（CTL 試驗(yàn)）。

表1 WRF 模式運(yùn)行的參數(shù)化方案Table 1 Parameterization schemesused in WRFmodel

圖5 （a）2007年8月1日12時(shí)至4 日12時(shí)CTL 試驗(yàn)中Brain [黑色線，單位：mm(6 h)-1]和亞洲環(huán)流指數(shù)（紅色線，單位：gpm）隨時(shí)間演變；（b）實(shí)況（紫色線）和CTL 試驗(yàn)（紅色線）中TC 的移動(dòng)路徑，CTL 試驗(yàn)3日12時(shí)至4 日12時(shí)500 hPa 平均位勢(shì)高度場(chǎng)（黑色線，單位：gpm）及24 h 累計(jì)降水（陰影，單位：mm）；（c）初始場(chǎng)（8月1日06時(shí)）的擾動(dòng)位勢(shì)高度（黑色實(shí)虛線表示正負(fù)值，單位：gpm）、擾動(dòng)位勢(shì)渦度（陰影，單位：PVU）的反演結(jié)果，黑色方框代表修改初始場(chǎng)區(qū)域，臺(tái)風(fēng)符號(hào)代表臺(tái)風(fēng)中心位置Fig.5(a)Evolutions of Brain[black line,units:mm(6 h)-1]and Asian circulation index(red line,units:gpm)in CTL test from 1200 UTC 1 August to 1200 UTC 4 August 2007;(b) Usagi movement path obtained from observed (purple line)and CTL test (red line),500-hPa mean geopotential height(black lines,units:gpm)and 24-h accumulated precipitation(shadings,units:mm)obtained from CTL test from 1200 UTC 3 August to 1200 UTC 4 August 2007;(c)disturbed potential height(black solid and dashed lines represent positive and negative values, units:gpm),disturbed geopotential vorticity(shadings,units:PVU)at initial time(0600 UTC 1 August 2007), black box indicates the initial field modification range,the typhoon symbol indicates TC center location

本文采用片段位渦反演的方法修改初始場(chǎng)（8月1日06時(shí)），即保持其他系統(tǒng)不變的前提下，從環(huán)境位渦場(chǎng)中提取出槽脊對(duì)應(yīng)的位渦擾動(dòng)，給定合適的邊界條件可以反演出滿足平衡關(guān)系的風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)和溫度場(chǎng)。圖5c 給出的是片段位渦反演結(jié)果，黑色方框代表初始場(chǎng)修改區(qū)域（41°～55°N，100°～142°E），該區(qū)域包括了具有正的位渦擾動(dòng)低壓槽和負(fù)的高度擾動(dòng)，及其西側(cè)的脊區(qū)。以初始場(chǎng)修改前后亞洲環(huán)流指數(shù)變化趨勢(shì)的相似程度作為標(biāo)準(zhǔn)，多次試驗(yàn)后確定初始場(chǎng)修改系數(shù)為0.2，即在初始場(chǎng)的基礎(chǔ)上加上或扣除0.2倍的擾動(dòng)場(chǎng)，分別記為加強(qiáng)試驗(yàn)（Usa_TR+0.2）和減弱試驗(yàn)（Usa_TR-0.2）。

5 結(jié)果分析

圖6 2007年8月1日12時(shí)至4日12 時(shí)CTL 試驗(yàn)（黑色實(shí)線）、加強(qiáng)試驗(yàn)（紅色實(shí)線）和減弱試驗(yàn)（藍(lán)色實(shí)線）中（a）亞洲環(huán)流指數(shù)和（b）Brain 隨時(shí)間演變Fig.6 Evolutions of (a)Asian circulation index and(b)Brain in CTL test(black lines), Usa_TR+0.2(Trough enhanced experiment)test(red lines),and Usa_TR-0.2(Trough weaken experiment)test (blue lines)from 1200 UTC 1 August to 1200 UTC 4 August 2007

圖7 2007年3日12時(shí)至4 日12時(shí)CTL 試驗(yàn)與敏感性試驗(yàn)（（a）加強(qiáng)試驗(yàn)、（b）減弱試驗(yàn)）的累計(jì)降水量差值（陰影，單位：mm d-1），黑色等值線表示敏感性試驗(yàn)降水量（單位：mm d-1），實(shí)線表示降水累計(jì)時(shí)段內(nèi)的臺(tái)風(fēng)路徑Fig.7 Differences of accumulated precipitation(shadings,units:mm d-1) between CTL test and sensitivity tests[(a) Usa_TR+0.2 test,(b)Usa_TR-0.2 test]from 1200 UTC 3 August to 1200 UTC 4 August 2007.The black contours represent precipitation(units:mm d-1)obtained from sensitivity tests,solid curvesrepresent the Usagi movement path during the precipitation accumulated period

敏感性試驗(yàn)的亞洲環(huán)流指數(shù)如圖6a 所示，加強(qiáng)初始槽脊，初始時(shí)刻的環(huán)流指數(shù)減小約20 gpm，積分24 h 后，指數(shù)減小的趨勢(shì)變慢，即“天兔”變性前背景場(chǎng)由緯向型向經(jīng)向型轉(zhuǎn)換的趨勢(shì)減弱。在這種環(huán)流背景中，“天兔”從2日06時(shí)起移速逐漸加快（圖7a），移動(dòng)方向變化不大，積分結(jié)束時(shí)刻TC位置與CTL試驗(yàn)相距近10個(gè)緯距，3日12時(shí)至4日12時(shí)的累積降水顯示，路徑左側(cè)降水減少，右側(cè)降水加強(qiáng)，總降水的帶狀特征顯著減弱，降水落區(qū)比較均勻地分布在TC路徑的左右兩側(cè)。相反地，減弱初始槽脊后（圖6a），亞洲環(huán)流指數(shù)增加約24 gpm 后迅速減弱，說(shuō)明環(huán)流調(diào)整的趨勢(shì)變強(qiáng)。圖7b中TC移速不變，但自3日起移動(dòng)方向向南偏轉(zhuǎn)，降水區(qū)域隨之向南平移，仍然以帶狀特征集中在路徑的左側(cè)，且強(qiáng)度加強(qiáng)。對(duì)比敏感性試驗(yàn)和控制試驗(yàn)的降水分布演變（圖6b），4日之前，除加強(qiáng)試驗(yàn)中3日06時(shí)Brain 的值異常地由負(fù)轉(zhuǎn)正以外，三條曲線的變化趨勢(shì)基本一致：2日與3日內(nèi)各有一個(gè)極小值和極大值點(diǎn)，曲線總體為上升趨勢(shì)。但是4日00時(shí)開(kāi)始，CTL 試驗(yàn)中降水左型特征越來(lái)越顯著，加強(qiáng)試驗(yàn)中左型變?yōu)橛倚?，減弱試驗(yàn)中Brain 再次減弱，6 h 后重新加強(qiáng)，形成較弱的左型降水。因此本文接下來(lái)將選擇降水分布出現(xiàn)顯著差異的時(shí)刻（4日06時(shí)），進(jìn)行對(duì)比分析。

為了研究出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因，本文將從大尺度環(huán)流形勢(shì)和物理量分布特征兩個(gè)方面，對(duì)比分析變性TC的降水分布與高緯度槽脊之間的關(guān)系。4日06時(shí)500 hPa 高度場(chǎng)分布顯示，加強(qiáng)試驗(yàn)（圖8b）中，TC以北的低壓中心顯著加強(qiáng)，槽前有大范圍的偏北風(fēng)，槽前加強(qiáng)的暖平流導(dǎo)致副高顯著加強(qiáng)，因此副高與低壓槽之間的等高線十分密集，引導(dǎo)氣流的加強(qiáng)直接導(dǎo)致TC移速加快，路徑左側(cè)的降水區(qū)位于槽前偏南風(fēng)中，右側(cè)降水區(qū)則位于副高北側(cè)的西風(fēng)區(qū)中。減弱試驗(yàn)（圖8c）中，高壓脊顯著加強(qiáng)并向東推進(jìn)，低壓中心消失，退化為脊前東西分布的橫槽，來(lái)自中高緯的西北風(fēng)繞過(guò)高壓脊后風(fēng)向基本不變，少部分轉(zhuǎn)為東北風(fēng)經(jīng)過(guò)橫槽匯入TC環(huán)流。副高北部等高線變平，略有南退，TC的移動(dòng)方向也隨之更傾向于向東，路徑偏南。較強(qiáng)的降水區(qū)位于脊前偏北風(fēng)中，較弱的降水區(qū)位于槽前偏西風(fēng)內(nèi)。由此可見(jiàn)，4日06時(shí)TC均位于高緯槽前，但槽脊發(fā)展的不同影響了TC兩側(cè)的風(fēng)壓場(chǎng)，導(dǎo)致TC移動(dòng)方向和速度產(chǎn)生顯著差異。

低層溫濕場(chǎng)可以反映TC兩側(cè)的熱力學(xué)條件，鋒生（F）則是TC在中緯度環(huán)境場(chǎng)中TC變性常伴隨的過(guò)程，計(jì)算公式（Harr and Elsberry,2000）

圖8 2007年8月4 日06時(shí)（a）CTL 試驗(yàn)、（b）加強(qiáng)試驗(yàn)、（c）減弱試驗(yàn)500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（陰影，單位：gpm）和4日00時(shí)至06時(shí)累積降水量（紅色實(shí)線，單位：mm）以及TC 移動(dòng)路徑（白色實(shí)線）Fig.8 500-hPa geopotential height(shadings,units:gpm)at 0600 UTC 4 August 2007,accumulated precipitation(red lines,units:mm)from 0000 UTC to 0600 UTC 4 August 2007,and TC movement path(white lines)in(a)CTL test,(b)Usa_TR+0.2 test,and(c) Usa_TR-0.2 test

如下：

在前人研究基礎(chǔ)上（李英等，2006），本文采用339 K 的假相當(dāng)位溫等值線代表冷空氣的前沿。在控制試驗(yàn)中（圖9a），4日06時(shí)TC位于暖區(qū)中，暖空氣向北凸出，來(lái)自東北方向的冷空氣以逆時(shí)針?lè)较蚯秩隩C環(huán)流，冷鋒追上暖鋒形成錮囚鋒（圖10a），兩個(gè)降水區(qū)呈南北分布，較強(qiáng)的南側(cè)降水區(qū)位于冷鋒一側(cè)，而北側(cè)降水區(qū)位于暖鋒側(cè)，西路和南路兩個(gè)水汽通道在暖鋒附近匯合，呈西南風(fēng)匯入TC環(huán)流。加強(qiáng)試驗(yàn)中（圖9b），4日06時(shí)TC和降水均位于冷區(qū)內(nèi)，冷暖空氣分別位于TC的西北和東南側(cè)，西北側(cè)大量偏北風(fēng)與暖區(qū)西南風(fēng)形成冷鋒（圖10b），同時(shí)低壓中心前東南風(fēng)與暖區(qū)西南風(fēng)之間形成暖鋒風(fēng)切，路徑兩側(cè)降水區(qū)呈西南—東北向分布，兩個(gè)降水區(qū)分別位于冷鋒與暖鋒附近，西路和南路水汽均略有加強(qiáng)，在低緯匯合形成西南急流向高緯輸送，與CTL試驗(yàn)相比，TC附近溫度場(chǎng)偏冷但水汽加強(qiáng)，暖鋒減弱，南側(cè)降水減弱但北側(cè)降水加強(qiáng)。減弱試驗(yàn)（圖9c、10c）中，冷暖空氣分別分布在TC 的北、南兩側(cè)，TC位于大于349 K 的暖區(qū)內(nèi)，高緯橫槽槽前的大范圍偏東風(fēng)與暖區(qū)內(nèi)的偏南風(fēng)之間形成東西向分布的暖鋒，部分冷空氣向西旋轉(zhuǎn)進(jìn)入TC環(huán)流形成弱的冷鋒，這樣的低層形勢(shì)與CTL 試驗(yàn)相似，但是冷鋒偏弱，無(wú)法追上暖鋒形成錮囚，西路水汽略有減弱而南路加強(qiáng)，因此兩個(gè)降水區(qū)由CTL 試驗(yàn)中的南北分布變?yōu)闁|西分布，TC 附近溫度場(chǎng)更暖但水汽中心偏弱。最終冷區(qū)內(nèi)的降水強(qiáng)度減弱，暖區(qū)內(nèi)加強(qiáng)。綜上所述，熱力場(chǎng)中水汽輸送與冷暖空氣的強(qiáng)弱直接影響著鋒生過(guò)程，導(dǎo)致TC降水強(qiáng)度和分布發(fā)生明顯差異。

圖9 2007年8月4 日06時(shí)（a）CTL 試驗(yàn)、（b）加強(qiáng)試驗(yàn)和（c）減弱試驗(yàn)850 hPa 假相當(dāng)位溫（陰影，單位：K）、水汽通量（黑色實(shí)線，單位：g s-1 cm-1 hPa-1）和4日00時(shí)至06時(shí)累積降水量（黑色粗實(shí)線，單位：mm）以及TC移動(dòng)路徑（白色實(shí)線）Fig.9 850-hPa pseudo-equivalent potential temperature(shadings,units:K),water vapor fluxes(black lines,units:g s-1 cm-1 hPa-1)at 0600 UTC 4 August 2007,accumulated precipitation(black thick lines,units: mm)from 0000 UTC to 0600 UTC on 4 August 2007,and TC movement path(white lines)in(a)CTL test,(b)Usa_TR+0.2 test,and(c) Usa_TR-0.2 test

圖10 2007年8月4 日06時(shí)（a）CTL 試驗(yàn)、（b）加強(qiáng)試驗(yàn)和（c）減弱試驗(yàn)950 hPa 鋒生函數(shù)（陰影，單位：K）、水平風(fēng)場(chǎng)（單位：m s-1）和4 日00時(shí)至06時(shí)累積降水量（黑色實(shí)線，單位：mm）以及TC 移動(dòng)路徑（紅色實(shí)線）Fig.10 950-hPa function of frontogenesis(shadings, units:K),horizontal wind (units:m s-1)at 0600 UTC 4 August 2007,accumulated precipitation(black lines,units:mm)from 0000 UTC to 0600 UTC 4 August 2007,and TC movement path(red line)in(a)CTL test,(b)Usa_TR+0.2 test,and (c)Usa_TR-0.2 test

為了研究TC引發(fā)降水的動(dòng)力學(xué)條件，將兩個(gè)降水中心的連線作為剖線，計(jì)算每個(gè)剖線點(diǎn)在垂直于剖線方向上的累積降水量，對(duì)比分析三個(gè)試驗(yàn)中降水發(fā)生的垂直環(huán)境特征。本文使用MPV（moisture potential vorticity）來(lái)表征氣層穩(wěn)定度，具體計(jì)算方法如下（吳國(guó)雄等，1995）：

其中，MPV1是濕位渦的正壓項(xiàng)，表示慣性穩(wěn)定性和對(duì)流穩(wěn)定性的作用，當(dāng)大氣對(duì)流不穩(wěn)定時(shí)，MPV1<0，有利于暴雨的發(fā)生發(fā)展，MPV2是濕位渦的斜壓項(xiàng)，該項(xiàng)負(fù)值越大，表示大氣斜壓性越強(qiáng)。控制試驗(yàn)中，由于冷暖鋒發(fā)生錮囚，兩個(gè)降水中心附近均有傾斜分布的鋒面（圖11b），對(duì)應(yīng)MPV1正值和MPV2負(fù)值中心，暖空氣被南北兩側(cè)冷空氣擠壓至45°N附近的中空，形成弱的不穩(wěn)定層結(jié)。高層冷空氣由北至南逐漸下傳（圖11c），集中在南側(cè)降水中心附近，隨著TC環(huán)流進(jìn)一步向北卷入另一個(gè)降水中心，形成一強(qiáng)一弱兩個(gè)位渦柱，加強(qiáng)了低層擾動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)集中在500 hPa 以下，有利于剖線以南的大量暖濕空氣沿鋒面爬升，大于10 g s-1cm-1hPa-1的水汽通量大值區(qū)在南側(cè)降水區(qū)中爬升至250 hPa，北側(cè)降水中爬升至400 hPa 附近（圖11b）。

加強(qiáng)試驗(yàn)中，由于TC北側(cè)低壓略有東退但強(qiáng)度加強(qiáng)，剖線北端高層的冷空氣下傳位置偏北但強(qiáng)度加強(qiáng)（45°N 附近）（圖12c），北側(cè)降水區(qū)附近的低層擾動(dòng)也隨之加強(qiáng)，45°N 及其以北上升運(yùn)動(dòng)可伸展至200 hPa，并在47°N 附近出現(xiàn)寬度窄但強(qiáng)度強(qiáng)的位渦柱，但南側(cè)降水區(qū)沒(méi)有位渦柱和強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。由于低層水汽輸送加強(qiáng)，使得兩個(gè)強(qiáng)降水中心上空均出現(xiàn)15 g s-1cm-1hPa-1的濕中心（圖12b），尤其位于暖鋒附近的北側(cè)降水中心，大于10 g s-1cm-1hPa-1濕區(qū)范圍也爬升至250 hPa，濕區(qū)的外緣對(duì)應(yīng)著不穩(wěn)定層結(jié)，低層均為鋒區(qū)中的穩(wěn)定層結(jié)，因此與CTL 試驗(yàn)相比，北側(cè)降水區(qū)內(nèi)高層冷空氣下傳加強(qiáng)，低層水汽輸送加強(qiáng)，共同作用下使得降水顯著加強(qiáng)，而南側(cè)降水區(qū)內(nèi)暖空氣加強(qiáng)，在冷鋒抬升作用下暖濕空氣向上爬升，進(jìn)入不穩(wěn)定氣層進(jìn)一步促使降水產(chǎn)生。

圖11 （a）2007年8月4 日00時(shí)至06時(shí)CTL 試驗(yàn)累積降水量（黑色實(shí)線，單位：mm）分布，藍(lán)色實(shí)線為圖b、c的剖線，紅色實(shí)線為臺(tái)風(fēng)路徑，臺(tái)風(fēng)符號(hào)為4日06時(shí)臺(tái)風(fēng)中心位置；（b）2007年8月4日06時(shí)濕位渦[MPV1（陰影）、MPV2（紅色虛線），單位：PVU]和水汽通量（黑色實(shí)線，單位：g s-1 cm-1 hPa-1）的剖面分布；（c）2007年8月4 日06時(shí)位勢(shì)高度距平（陰影，單位：gpm）、位渦（黑色實(shí)線，單位：PVU）、垂直速度（箭頭，單位：m s-1）的剖面分布以及每個(gè)剖點(diǎn)的6 h 降水量累積值（白色實(shí)線，單位：mm）Fig.11(a)Accumulated precipitation(black lines,units:mm)from 0000 UTC 4 August to 0600 UTC 4 August 2007,blue line indicates cross section line of Figs. b and c,red line is TC track,and the typhoon symbol indicates the TCcenter at 0600 UTC 4 August 2007;(b)vertical distribution of humidity potential vorticity [MPV1(shadings),MPV2(red dashed lines),units:PVU],and water fluxes(black lines, units:g s-1 cm-1 hPa-1)at 0600 UTC 4 August 2007;(c)vertical distribution of geopotential height anomalies(shadings,units:gpm), potential vorticity(black lines, units:PVU),vertical velocity(arrows,units:m s-1),and 6-h accumulated precipitation(white lines, units:mm)at cross section points obtained from CTL test at 0600 UTC 4 August 2007

減弱試驗(yàn)中，高緯低壓中心退化為橫槽，利于更多的冷空氣向西傳播，在垂直剖面圖中高空冷空氣下傳的落區(qū)也隨之西移，位于偏東的降水中心西側(cè)，顯著地加強(qiáng)了冷區(qū)西側(cè)的上升運(yùn)動(dòng)（圖13c）。低層除了從西向東凸起的水汽輸送帶明顯減弱外，由于南路水汽輸送加強(qiáng)，有部分水汽由東向西回流，西側(cè)降水中心的水汽通量大值中心為15 g s-1cm-1hPa-1，大于10 g s-1cm-1hPa-1的濕區(qū)范圍接近300 hPa（圖13b）。因此與CTL 試驗(yàn)相比，高空冷空氣向西下傳加強(qiáng)，低層南路暖濕空氣也加強(qiáng)向西輸送，二者一同有利于西側(cè)的強(qiáng)降水產(chǎn)生，東側(cè)降水區(qū)內(nèi)溫度更高但水汽略弱，而暖鋒鋒后的暖濕空氣主動(dòng)抬升，產(chǎn)生了強(qiáng)度弱但范圍大的暖鋒降水。

6 結(jié)論

圖12 同圖11 ，但為加強(qiáng)試驗(yàn)Fig.12 As in Fig.11, but for Usa_TR+0.2 test

圖13 同圖11 ，但為減弱試驗(yàn)Fig.13 Asin Fig.11, but for Usa_TR-0.2 test

本文利用Brain、環(huán)流指數(shù)和副高指數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)“天兔”變性過(guò)程中降水分布以及背景環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行了定量分析，并結(jié)合一系列的數(shù)值試驗(yàn)，研究了環(huán)流調(diào)整對(duì)“天兔”變性過(guò)程降水非對(duì)稱分布的影響，得到的主要結(jié)論如下：（1）“天兔”變性完成前約48 h 出現(xiàn)降水向移動(dòng)路徑左側(cè)集中的現(xiàn)象，且非對(duì)稱性逐漸加強(qiáng)；變性前大尺度背景場(chǎng)經(jīng)歷了由緯向型向經(jīng)向型轉(zhuǎn)換的過(guò)程，副高南退的同時(shí)減弱西進(jìn)，TC降水受冷空氣主導(dǎo)更易發(fā)生在左側(cè)。（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明“天兔”變性過(guò)程中，低層冷暖氣團(tuán)之間形成錮囚鋒，6 h 降水呈南北向分別分布在冷暖鋒附近，高層冷平流下傳至南側(cè)降水中心附近，與錮囚鋒一起加強(qiáng)低層擾動(dòng)，促使暖濕空氣抬升，在TC路徑左側(cè)產(chǎn)生降水。（3）敏感性試驗(yàn)表明“天兔”變性過(guò)程中背景環(huán)流的調(diào)整對(duì)其降水分布形態(tài)的改變有明顯影響。初始時(shí)刻加強(qiáng)槽脊會(huì)阻礙高緯背景環(huán)流的經(jīng)向發(fā)展，槽脊發(fā)展減慢，環(huán)流調(diào)整減弱（即加強(qiáng)試驗(yàn)）后，變性完成前約12 h 轉(zhuǎn)變?yōu)镽OT 型降水。500 hPa引導(dǎo)氣流加強(qiáng)，TC移動(dòng)加快，低層TC 附近變冷但水汽加強(qiáng)，暖鋒減弱，高層冷空氣下傳至兩側(cè)降水連線的中心附近，6 h 降水分布呈東北—西南分布在路徑的左右兩側(cè)；反之，初始時(shí)刻減弱槽脊會(huì)有利于高緯背景環(huán)流的經(jīng)向發(fā)展，槽脊發(fā)展加快，環(huán)流調(diào)整加強(qiáng)后（即減弱試驗(yàn)），變性完成前約48 h 轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮徒邓?00 hPa 系統(tǒng)南壓，TC路徑偏南，低層TC附近變暖且水汽減弱，冷鋒減弱，高層冷空氣下傳至降水區(qū)西端，6 h 降水分布呈東西向分布在路徑的左側(cè)。

本文討論了高緯度槽脊對(duì)“天兔”變性前大尺度降水非對(duì)稱性的影響，實(shí)際上，此時(shí)天兔的降水分布在更小的空間尺度還可能受到地形、風(fēng)切變等的影響（Tang et al., 2012, 2019），也就是說(shuō)，“天兔”降水的各種尺度非對(duì)稱特征受到多種因子的影響，各種因子的相對(duì)貢獻(xiàn)如何，值得我們繼續(xù)研究。