李 瑞，高 帆，尹承美，胡 鵬，褚穎佳

(濟(jì)南市氣象局, 山東 濟(jì)南 250102)

研究表明，海表溫度(Sea Surface Temperature, SST)、海-氣界面熱通量以及環(huán)境垂直風(fēng)切變(Environmental Vertical Wind Shear)是影響熱帶氣旋(Tropical Cyclone, TC)強(qiáng)度變化的重要因素[1-6]。在SST與海-氣界面熱通量對TC強(qiáng)度影響的研究方面，Emanuel(1988)指出SST足夠高且混合均勻的暖洋面為TC的生成以及加強(qiáng)提供所需的熱通量[1]。Gao等(2016、2019)通過對比分析西北太平洋上快速增強(qiáng)的TC與非快速增強(qiáng)的TC發(fā)現(xiàn)，快速增強(qiáng)的TC比非快速增強(qiáng)的TC所經(jīng)海域的SST更高，而更高SST的海域?yàn)榭焖僭鰪?qiáng)的TC提供了更多的潛熱和感熱，相比于感熱通量，潛熱通量對TC強(qiáng)度變化的作用更大[2-3]。在環(huán)境垂直風(fēng)切變對TC強(qiáng)度的影響研究方面，Gray(1967、1968)認(rèn)為，環(huán)境垂直風(fēng)切變影響TC強(qiáng)度變化的最主要的物理機(jī)制可解釋為“通風(fēng)流”效應(yīng)，即環(huán)境垂直風(fēng)切變較強(qiáng)時(shí)，積云對流釋放的凝結(jié)潛熱會迅速離開擾動區(qū)域上空并向四周平流，這時(shí)熱量和水汽會被吹散，使得熱量無法在TC上層集中，從而破壞了TC的暖心結(jié)構(gòu)，TC發(fā)展和加強(qiáng)過程將會被阻礙[4-5]。王喜等(2011)統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，西北太平洋、北大西洋以及北印度洋上TC強(qiáng)度變化與環(huán)境垂直風(fēng)切變密切相關(guān)，并且，環(huán)境垂直風(fēng)切變對各海域TC強(qiáng)度變化影響的閾值不同[6]。此外，很多研究表明，TC移動，特別是環(huán)境垂直風(fēng)切變會造成TC對流和降水的非對稱分布[7-12]。在TC移動對其對流和降水分布影響的研究方面，Shapiro(1983)應(yīng)用一個(gè)大氣邊界層模式研究了TC移動對邊界層風(fēng)場、摩擦和輻合在方位向上的非對稱分布(距TC中心50 km半徑范圍)[7]。研究發(fā)現(xiàn)，TC移動造成其移動的前方大氣邊界層出現(xiàn)輻合，由此導(dǎo)致其移動的前方對流和降水加強(qiáng)。對于緩慢移動的TC(移動速度<5 m/s)，輻合運(yùn)動在TC移動前方最為劇烈，而對于快速移動的TC(移動速度≥5 m/s)，輻合運(yùn)動形成的位置順時(shí)針轉(zhuǎn)移，集中位于移動的右前方象限。Lonfat等(2004)基于1998—2000年TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星觀測反演的降水資料對全球大洋上260個(gè)TC降水分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和合成分析發(fā)現(xiàn)，無論是緩慢移動還是快速移動的TC，強(qiáng)降水均出現(xiàn)在TC移動的前方象限內(nèi)(距TC中心300 km半徑范圍)[8]。在環(huán)境垂直風(fēng)切變對TC對流和降水分布的影響研究方面，F(xiàn)ranklin等(1993)根據(jù)下投式探空儀和機(jī)載多普勒雷達(dá)資料研究了垂直風(fēng)切變對風(fēng)暴“Gloria”(1985)的對流分布, 發(fā)現(xiàn)“Gloria”(1985)內(nèi)眼壁上的對流趨于集中在順切變方向左側(cè)[9]。Wingo等(2010)的觀測研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境垂直風(fēng)切變對TC降水非對稱分布的影響幾乎是同時(shí)的，并且，TC最強(qiáng)降水出現(xiàn)在順切變方向及其左側(cè)(距TC中心400 km半徑范圍)[10]。Frank等(1999、2001)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，受到環(huán)境垂直風(fēng)切變的強(qiáng)迫作用，TC環(huán)流內(nèi)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動和降水出現(xiàn)在順切變方向及其左側(cè)(距TC中心100 km半徑范圍)[11-12]。

圖1顯示的是2019年第9號熱帶氣旋“利奇馬”的移動路徑及其所經(jīng)洋面SST。由圖1可見，2019年8月4日14:00(北京時(shí)，下同)“利奇馬”在菲律賓以東的洋面上生成，此后它向北偏西方向移動，于10日01:45前后以超強(qiáng)臺風(fēng)級在浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力16級(52 m/s)，中心最低氣壓為930 hPa?！袄骜R”登陸后縱穿浙江、江蘇兩省并移入黃海，于11日20:50前后在山東省青島市黃島區(qū)沿海再次登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力9級(23 m/s)，中心最低氣壓為980 hPa。之后“利奇馬”繼續(xù)向北移動，12日05:00前后移入萊州灣并在萊州灣回旋少動，13日08:00在萊州灣減弱為熱帶低壓，13日14:00中央氣象臺對其停止編號?！袄骜R”登陸后破壞力強(qiáng)，風(fēng)雨影響范圍廣，給我國多地造成了嚴(yán)重災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失。本研究一方面研究“利奇馬”登陸前后環(huán)流形勢、SST、海(陸)-氣熱通量以及環(huán)境垂直風(fēng)切變對“利奇馬”強(qiáng)度的影響，另一方面研究“利奇馬”移動和環(huán)境垂直風(fēng)切變對“利奇馬”降水分布的影響，以期為臺風(fēng)強(qiáng)度和降水預(yù)測提供參考。

圖1 超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”移動路徑及所經(jīng)洋面SSTFig. 1 Moving track of super typhoon Lekima and average SST from 5 to 9 August 2019圖中臺風(fēng)標(biāo)記表示“利奇馬”中心位置，下同。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)(http://typhoon.nmc.cn)提供了“利奇馬”每6 h的中心位置和強(qiáng)度。美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)提供了FNL(Final Operational Global Analysis)全球再分析風(fēng)場及位勢高度場等資料，該資料時(shí)間分辨率為6 h，水平分辨率為1°×1°，垂直共34層等壓面。NCEP提供了全球?qū)崟r(shí)海表溫度資料(RTG_SST),該資料為日平均SST，水平分辨率為0.083°×0.083°。地面降水率來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)提供的新一代GPM(Global Precipitation Measurement)IMERG (Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM)衛(wèi)星遙感反演降水?dāng)?shù)據(jù)，該資料時(shí)間分辨率為30 min，水平分辨率為0.1°×0.1°。

海(陸)-氣界面潛熱和感熱通量取自NCEP提供的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析數(shù)據(jù)，該資料時(shí)間分辨率1 h，水平分辨率0.5°×0.5°。海(陸)-氣界面熱通量為負(fù)值，表明大氣給海洋(陸地)提供熱量，即大氣加熱海洋(陸地)，反之，則表明海洋(陸地)加熱大氣。

1.2 研究方法

1.2.1 趨勢研究方法 利用施能等(1995)提出的方法來計(jì)算任一時(shí)間序列的趨勢系數(shù)，即對任一時(shí)間序列{xi}，其趨勢系數(shù)rxt定義為[13]：

(1)

(2)

式(2)中：Ndof為有效樣本數(shù)，N為總樣本數(shù)，r1和r2為用來計(jì)算相關(guān)系數(shù)的兩個(gè)時(shí)間序列各自滯后一個(gè)時(shí)次的自相關(guān)系數(shù)。

1.2.3 環(huán)境垂直風(fēng)切變的計(jì)算 參照Paterson等(2005)、徐桂妹等(2014)的研究方法，從NCEP-FNL再分析風(fēng)場資料中剔除TC本身的環(huán)流[15-16]。把剔除TC環(huán)流后的風(fēng)場作為TC的環(huán)境風(fēng)場。其研究方法簡述如下: 首先，利用改進(jìn)的Barnes方案(1964)[17]和低通濾波從NCEP-FNL等壓面再分析風(fēng)場中去除大尺度風(fēng)場，剩余的風(fēng)場則用來確定TC的渦度中心[從剩余的風(fēng)場中計(jì)算相對渦度，北(南)半球最大(小)相對渦度所在位置即為TC的渦度中心]。其次，因TC的渦度場通常比外界環(huán)境場要大1～2個(gè)數(shù)量級，且與周圍環(huán)境場有比較清楚的界限，因此，利用TC渦度反演得到的風(fēng)場可以看做是TC的風(fēng)場。最后，從剩余的風(fēng)場中減去TC的風(fēng)場后所得到的風(fēng)場再加上大尺度風(fēng)場即為TC的環(huán)境風(fēng)場。

對于環(huán)境垂直風(fēng)切變的計(jì)算，參照毋浩亮等(2018)的計(jì)算方法，以TC所在位置為中心，在10°×10°的正方形網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，分別計(jì)算200 hPa和850 hPa兩層上經(jīng)向和緯向風(fēng)場的風(fēng)速平均值，進(jìn)而求出這兩層的區(qū)域平均風(fēng)場矢量差，其大小為[18]：

(3)

式(3)中：Vvws表示環(huán)境垂直風(fēng)切變的強(qiáng)度，u850和u200分別表示850 hPa和200 hPa等壓面上的緯向風(fēng)速平均值，v850和v200分別表示850 hPa和200 hPa等壓面上的經(jīng)向風(fēng)速平均值。本研究采用Wingo等(2010)對環(huán)境垂直風(fēng)切變強(qiáng)度等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將環(huán)境垂直風(fēng)切變強(qiáng)度劃分為三個(gè)等級：較弱(環(huán)境垂直風(fēng)切變<5 m/s)、中等(環(huán)境垂直風(fēng)切變在5～10 m/s之間)、較強(qiáng)(環(huán)境垂直風(fēng)切變>10 m/s)[10]。

以TC中心為起點(diǎn)，沿環(huán)境垂直風(fēng)切變方向稱為順切變方向，相反方向則稱為逆切變方向。那么，順切變方向與過TC中心的緯線的夾角為：

(4)

式(4)中：AS表示順切變方向與過TC中心的緯線的夾角。

2 結(jié)果與討論

2.1 天氣形勢分析

2019年8月8日20:00，“利奇馬”中心位于臺灣省以東的洋面上[圖2(a)]。500 hPa 等壓面上，“利奇馬”北側(cè)為西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)控制，此時(shí)，中緯度西風(fēng)槽位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部至甘肅省南部一帶。受副高南側(cè)東南風(fēng)引導(dǎo)，“利奇馬”沿西北方向移動?！袄骜R”中心附近風(fēng)場結(jié)構(gòu)完整，500 hPa高度場中心與低層(700 hPa)風(fēng)場輻合中心重合。700 hPa風(fēng)場結(jié)構(gòu)顯示，“利奇馬”中心區(qū)風(fēng)速達(dá)55 m/s，并且，其環(huán)流東南側(cè)的西南風(fēng)低空急流(在日常天氣分析中，將700 hPa或850 hPa等壓面上風(fēng)速超過12 m/s的強(qiáng)風(fēng)速帶定義為低空急流)和其環(huán)流東北側(cè)的東南風(fēng)低空急流十分旺盛，急流區(qū)普遍超過18 m/s，有利于將來自低緯度暖洋面上的水汽和熱量輸送到臺風(fēng)中。

10日02:00，“利奇馬”剛登陸浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)后不久[圖2(b)]。此時(shí)，位于青藏地區(qū)的大陸高壓加強(qiáng)東進(jìn)，同時(shí)，副高西進(jìn)北抬，中緯度西風(fēng)槽緩慢東移至內(nèi)蒙古自治區(qū)中部至陜西省北部一帶。“利奇馬”處于大陸高壓和副高之間，只能向偏北方向移動?？梢钥吹剑?00 hPa高度場中心與低層(700 hPa)風(fēng)場中心仍然重合，700 hPa風(fēng)場顯示“利奇馬”中心區(qū)風(fēng)速達(dá)40 m/s。“利奇馬”環(huán)流東北側(cè)的東南風(fēng)低空急流仍然超過18 m/s，然而，其環(huán)流東南側(cè)的西南風(fēng)低空急流在21°N以南減弱至18 m/s以下。在“利奇馬”本體及其東側(cè)偏南風(fēng)低空急流作用下，浙江省東部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水。

圖2 500 hPa位勢高度和700 hPa風(fēng)場Fig. 2 500 hPa geopotential height and 700 hPa wind (a)2019年8月8日20:00；(b)2019年8月10日02:00；(c)2019年8月10日14:00；(d) 2019年8月11日08:00; 等值線為位勢高度線，填色表示風(fēng)速大于12 m/s區(qū)域，棕色曲線為槽線。

10日14:00，“利奇馬”中心進(jìn)入浙江省北部地區(qū)[圖2(c)]?？梢钥吹?，隨著青藏地區(qū)大陸高壓和副高的進(jìn)一步加強(qiáng)，中緯度西風(fēng)槽東移南壓至山西省至陜西省南部一帶并有所加深，環(huán)流經(jīng)向度明顯加大，并且中緯度西風(fēng)槽與“利奇馬”逐漸靠近。在副高西側(cè)偏南氣流和西風(fēng)槽前偏南氣流的共同引導(dǎo)下，“利奇馬”繼續(xù)北上，移速加快。700 hPa上，西風(fēng)槽后干冷空氣從“利奇馬”環(huán)流西側(cè)侵入“利奇馬”，同時(shí)，“利奇馬”東北側(cè)和東南側(cè)的偏南風(fēng)低空急流均明顯減弱?！袄骜R”眼區(qū)填塞效應(yīng)加大，其中心區(qū)風(fēng)速不足18 m/s，出現(xiàn)空心化特征。此時(shí)，“利奇馬”倒槽由臺風(fēng)中心向北伸展至山東省中部地區(qū)。在“利奇馬”本體及其倒槽以及低空急流作用下，浙江省北部地區(qū)、江蘇省部分地區(qū)和山東省中部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水。

11日08:00，“利奇馬”中心北移至江蘇省鹽城市附近[圖2(d)]?？梢钥吹剑芯暥任黠L(fēng)槽在繼續(xù)東移過程中發(fā)生斷裂，其南段并入“利奇馬”環(huán)流，冷空氣進(jìn)一步侵入臺風(fēng)本體。此時(shí)，500 hPa高度場中心較低層(700 hPa)風(fēng)場輻合中心出現(xiàn)向西偏離，說明“利奇馬”中層結(jié)構(gòu)受到破壞。從700 hPa風(fēng)場來看, “利奇馬”東南側(cè)的西南風(fēng)低空急流在25°N以南減弱消失?！袄骜R”眼區(qū)進(jìn)一步填塞，臺風(fēng)中心區(qū)風(fēng)速不足12 m/s，臺風(fēng)強(qiáng)度明顯減弱，空心化特征明顯?！袄骜R”倒槽由臺風(fēng)中心向北伸展至遼寧省西部地區(qū)。在干冷空氣、低空急流、“利奇馬”本體及其倒槽作用下，江蘇省北部地區(qū)、山東省中西部地區(qū)、河北省東部地區(qū)和遼寧省西部地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降水。

由上述天氣形勢分析可知，在“利奇馬”登陸溫嶺市城南鎮(zhèn)前后及北上過程中，副高、“利奇馬”及其倒槽、低空急流、大陸高壓和西風(fēng)槽等中低緯天氣系統(tǒng)相互作用為“利奇馬”北上、強(qiáng)度變化與結(jié)構(gòu)演變以及強(qiáng)降雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。

2.2 強(qiáng)度的變化

2.2.1 強(qiáng)度變化與環(huán)境垂直風(fēng)切變的關(guān)系 圖3顯示的是在超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”整個(gè)生命史(2019年8月4日14:00至13日08:00，下同)過程中，其中心最低氣壓和環(huán)境垂直風(fēng)切變隨時(shí)間的演變?？梢钥吹?，2019年8月4日14:00至9日02:00，垂直風(fēng)切變呈顯著減弱的趨勢[垂直風(fēng)切變的趨勢系數(shù)為-0.783(p<0.001)]，自7日14:00垂直風(fēng)切變便減弱到10 m/s以下，至8日14:00甚至減弱到5 m/s以下。不斷減弱的垂直風(fēng)切變有利于“利奇馬”強(qiáng)度的增強(qiáng)和維持，在此期間，“利奇馬”強(qiáng)度顯著增強(qiáng)[中心最低氣壓趨勢系數(shù)為-0.942(p<0.001)]，其由熱帶低壓逐漸增強(qiáng)為超強(qiáng)臺風(fēng)，并在9日02:00達(dá)到整個(gè)生命史中最大強(qiáng)度[中心最低氣壓915 hPa，中心附近最大風(fēng)力17級以上(62 m/s)]。8月9日08:00至13日08:00，垂直風(fēng)切變呈顯著增強(qiáng)的趨勢[垂直風(fēng)切變趨勢系數(shù)為0.825(p<0.001)]，其中，垂直風(fēng)切變自11日14:00便增強(qiáng)到10 m/s以上。不斷增強(qiáng)的垂直風(fēng)切變對“利奇馬”強(qiáng)度的發(fā)展和維持起到了抑制作用，在此期間，“利奇馬”強(qiáng)度顯著減弱[中心最低氣壓趨勢系數(shù)為0.810(p<0.001)]，其由超強(qiáng)臺風(fēng)逐漸減弱到熱帶低壓。

圖3 超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”中心最低氣壓和環(huán)境垂直風(fēng)切變的時(shí)間序列Fig. 3 Time series of minimum central pressure of super typhoon Lekima and environmental vertical wind shear

通過計(jì)算得到，在“利奇馬”整個(gè)生命史過程中，其中心最低氣壓和垂直風(fēng)切變兩組時(shí)間序列同時(shí)刻的相關(guān)系數(shù)為0.794(時(shí)間序列總樣本數(shù)N為36，有效樣本數(shù)Ndof為4.782，t為2.178，未通過0.10的顯著性水平檢驗(yàn))，中心最低氣壓滯后垂直風(fēng)切變6 h的相關(guān)系數(shù)為0.721(時(shí)間序列總樣本數(shù)N為35，有效樣本數(shù)Ndof為4.677，t為1.702，未通過0.10的顯著性水平檢驗(yàn))。說明在“利奇馬”整個(gè)生命史過程中，雖然垂直風(fēng)切變對其強(qiáng)度變化表現(xiàn)出一定的抑制作用，但是，垂直風(fēng)切變對其強(qiáng)度變化的影響不顯著。

2.2.2 強(qiáng)度變化與SST、海-氣界面熱通量及環(huán)境垂直風(fēng)切變的關(guān)系 圖4顯示的是從“利奇馬”初生到其第一次登陸前即2019年8月4日14:00至9日20:00，距“利奇馬”中心500 km半徑范圍內(nèi)，SST平均值以及海-氣界面潛熱(感熱)通量平均值隨時(shí)間的演變。考慮到從“利奇馬”初生到其第一次登陸前，其環(huán)流內(nèi)海-氣界面感熱通量平均值至少小于潛熱通量平均值1～2個(gè)數(shù)量級(圖4)，因此，為了簡化研究工作，本節(jié)將研究SST、海-氣潛熱通量和環(huán)境垂直風(fēng)切變共同對“利奇馬”強(qiáng)度變化的影響。首先，從SST平均值的演變來看，SST平均值主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：4日14:00至6日02:00，SST平均值在30.1～30.4 ℃之間，即處于研究時(shí)段相對較高階段；6日08:00至9日02:00，SST平均值在29.6～29.7 ℃之間，即處于研究時(shí)段相對中等階段；9日08:00至20:00，SST平均值在29.1～29.3 ℃之間，即處于研究時(shí)段相對較低階段。從圖4可以看到，4日14:00至7日08:00，雖然“利奇馬”處于較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變環(huán)境中(垂直風(fēng)切變除6日20:00為8.11 m/s外，其他時(shí)次均在10 m/s以上，圖3)，但是，“利奇馬”強(qiáng)度并沒有減弱而是顯著增強(qiáng)[中心最低氣壓趨勢系數(shù)為-0.966(p<0.001)]，這主要是因?yàn)橄鄬^高和中等SST的海域?yàn)槠涮峁┑臐摕犸@著增加[海-氣界面潛熱通量平均值的趨勢系數(shù)為0.897(p<0.001)]。7日14:00至9日02:00，一方面垂直風(fēng)切變由中等強(qiáng)度逐漸減弱至較弱，另一方面中等SST的海域?yàn)椤袄骜R”提供的潛熱繼續(xù)增加并達(dá)到最大值，以上兩個(gè)方面均有利于“利奇馬”強(qiáng)度不斷加強(qiáng)。9日08:00至20:00，雖然“利奇馬”處于較弱的垂直風(fēng)切變環(huán)境中(垂直風(fēng)切變在3.12～6.18 m/s之間，圖3)，但是“利奇馬”強(qiáng)度并沒有增強(qiáng)而是逐漸減弱，這主要是因?yàn)橄鄬^低SST的海域?yàn)槠涮峁┑臐摕岵粩鄿p少。由此可知，從“利奇馬”初生到其第一次登陸前，相比于環(huán)境垂直風(fēng)切變，SST，特別是海-氣界面潛熱通量對“利奇馬”強(qiáng)度的影響更為重要。石順吉等(2009)研究了環(huán)境垂直風(fēng)切變和SST對0709號超強(qiáng)臺風(fēng)“圣帕”強(qiáng)度變化的影響，指出“圣帕”強(qiáng)度的變化和垂直風(fēng)切變之間沒有直接相關(guān)性，SST是影響其強(qiáng)度變化的主要環(huán)境因素[19]。

圖4 距“利奇馬”中心500 km半徑范圍內(nèi)海-氣界面潛熱(感熱)通量平均值和SST平均值隨時(shí)間演變Fig. 4 Time series of mean SST and mean air-sea latent (sensible) heat flux within a 500-km radius of the Lekima’s circulation

2.2.3 “利奇馬”強(qiáng)度變化與海(陸)-氣界面熱通量的關(guān)系 首先選取2019年8月6日08:00與11日02:00這兩個(gè)時(shí)次來研究“利奇馬”位于海盆時(shí)及登陸后，距其中心500 km半徑范圍內(nèi)海(陸)-氣界面熱通量的空間分布特征(圖5)。從圖5可見，“利奇馬”位于海盆時(shí)及登陸后，其環(huán)流內(nèi)海(陸)-氣界面潛熱和感熱通量分布不均。2019年8月6日08:00[圖5(a)、(b)]，潛熱和感熱通量的大值區(qū)均位于“利奇馬”環(huán)流南側(cè)，而小值區(qū)均位于其眼區(qū)和環(huán)流北側(cè)，由此表明“利奇馬”位于海盆時(shí),在其環(huán)流南側(cè)，海洋對“利奇馬”的潛熱和感熱加熱要比眼區(qū)和北側(cè)強(qiáng)烈得多。值得注意的是,感熱通量在其環(huán)流北側(cè)出現(xiàn)負(fù)值。此外，通過計(jì)算得到“利奇馬”環(huán)流內(nèi)海-氣界面潛熱通量和感熱通量平均值分別為304 w/m2與15 w/m2。吳迪生等(2009)利用浮標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算了南?；顒拥呐_風(fēng)海-氣界面的熱量交換，指出TC環(huán)流內(nèi)海-氣界面熱量交換強(qiáng)烈，其主要貢獻(xiàn)來自于潛熱通量，并且在夏季TC環(huán)流內(nèi)海-氣界面感熱通量會出現(xiàn)負(fù)值[20]。但是，受限于浮標(biāo)數(shù)量和布設(shè)，吳迪生等的研究結(jié)果不能得到TC環(huán)流內(nèi)海-氣界面熱通量的詳細(xì)的空間分布[20]。8月11日02:00，“利奇馬”中心位于江蘇省無錫市附近，此時(shí)對于潛熱通量而言[圖5(c)]，雖然陸地和海洋均對“利奇馬”有潛熱加熱作用，但是海洋對“利奇馬”的潛熱加熱比陸地強(qiáng)烈得多；對于感熱通量而言[圖5(d)]，總的來看，雖然陸地和海洋均從“利奇馬”獲得感熱，但是相比較于海洋，陸地從“利奇馬”獲得的感熱要多得多。此時(shí)，“利奇馬”環(huán)流內(nèi)海(陸)-氣界面潛熱通量平均值為100 w/m2；感熱通量平均值為-33 w/m2。

圖5 距“利奇馬”中心500 km半徑范圍內(nèi)海(陸)-氣界面潛熱和感熱通量的空間分布Fig. 5 Distribution of air-sea (land surface-atmosphere) latent heat flux and sensible heat flux within a 500-km radius of the Lekima’s circulation(a)、(b) 2019年8月6日08:00；(c)、(d) 2019年8月11日02:00。

圖6顯示的是在“利奇馬”整個(gè)生命史過程中，“利奇馬”中心最低氣壓以及距其中心500 km半徑范圍內(nèi)海(陸)-氣界面熱通量平均值隨時(shí)間的演變?？梢钥闯?，在“利奇馬”整個(gè)生命史過程中，“利奇馬”強(qiáng)度變化與其環(huán)流內(nèi)海(陸)-氣界面熱通量平均值之間有很好的對應(yīng)關(guān)系。2019年8月4日14:00至9日02:00，從潛熱通量來看，“利奇馬”所經(jīng)海域不僅給其提供了大量潛熱(潛熱通量平均值在254～338 w/m2之間)，而且所提供的潛熱呈顯著增加的趨勢[潛熱通量平均值的趨勢系數(shù)為0.518(p<0.05)]；從感熱通量來看，感熱通量平均值除8日14:00與9日02:00分別為0 w/m2與-4 w/m2外，其他時(shí)次在3～15 w/m2之間，說明在絕大多數(shù)時(shí)次，“利奇馬”獲得感熱。另外，感熱通量平均值比同時(shí)次潛熱通量平均值小1～2個(gè)數(shù)量級，表明相比于潛熱通量，感熱通量對“利奇馬”強(qiáng)度的影響甚微。在此期間，“利奇馬”從SST為29.6～30.4 ℃(圖4)的海域獲得感熱和大量潛熱，其強(qiáng)度呈顯著增強(qiáng)的趨勢，并且在9日02:00達(dá)到整個(gè)生命史中最大強(qiáng)度。9日08:00至13日08:00，隨著“利奇馬”逐漸靠近陸地并登陸，一方面海洋(陸地)向“利奇馬”提供的潛熱呈顯著減小的趨勢[潛熱通量平均值的趨勢系數(shù)為-0.640(p<0.01)，潛熱通量平均值在57～241 w/m2之間]，另一方面“利奇馬”失去感熱(絕大多數(shù)時(shí)次感熱通量平均值在-44～-10 w/m2之間，并且在大多數(shù)時(shí)次，感熱通量平均值大小相當(dāng)于同時(shí)次潛熱通量平均值大小的20.5%～46.5%，說明與潛熱通量相比，感熱通量對“利奇馬”強(qiáng)度的影響不可忽略)，由此造成“利奇馬”強(qiáng)度呈顯著減小的趨勢。

圖6 距“利奇馬”中心500 km半徑范圍內(nèi)海(陸)-氣界面潛熱(感熱)通量平均值以及“利奇馬”中心最低氣壓隨時(shí)間演變Fig. 6 Time series of super typhoon Lekima’s minimum central pressure and mean air-sea (land surface-atmosphere) latent (sensible) heat flux within a 500-km radius of the Lekima’s circulation

綜合上述分析，2019年8月4日14:00至9日02:00，顯著減弱的垂直風(fēng)切變、SST為29.6～30.4 ℃的海域?yàn)椤袄骜R”提供的感熱和大量潛熱、以及“利奇馬”環(huán)流東側(cè)極為強(qiáng)盛的偏南風(fēng)低空急流向其輸送充足的水汽和能量，使“利奇馬”強(qiáng)度呈顯著增強(qiáng)的趨勢。9日08:00至13日08:00，隨著“利奇馬”逐漸靠近陸地并登陸，顯著增強(qiáng)的垂直風(fēng)切變、“利奇馬”從海洋(陸地)獲得的潛熱顯著減小并且同時(shí)失去感熱、“利奇馬”環(huán)流東側(cè)偏南風(fēng)低空急流的顯著減弱、對流層中低層干冷空氣侵入“利奇馬”環(huán)流以及“利奇馬”登陸后受到陸面摩擦，使“利奇馬”強(qiáng)度顯著減弱。

2.3 降水分布與移動、垂直風(fēng)切變的關(guān)系

Chen等(2006)認(rèn)為，當(dāng)TC在大洋上時(shí)，影響其降水非對稱分布(距TC中心300 km半徑范圍)最主要的兩個(gè)因素是環(huán)境垂直風(fēng)切變和TC移動[21]。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直風(fēng)切變?yōu)橹械葟?qiáng)度以上時(shí)(≥5 m/s)，垂直風(fēng)切變對TC降水非對稱分布起決定性作用，強(qiáng)降水位于順垂直風(fēng)切變方向及其左側(cè)，尤其是對于內(nèi)雨帶(距TC中心100 km半徑范圍，下同)上的降水分布。當(dāng)垂直風(fēng)切變較弱時(shí)(<5 m/s)，TC移動速度和方向?qū)邓姆菍ΨQ分布也有重要影響，外雨帶(距TC中心100～300 km半徑范圍，下同)上的降水主要集中在TC移動的前部，但是內(nèi)雨帶上的降水仍然是集中在順切變方向及其左側(cè)。楊璐等(2017)研究了TC移動和環(huán)境垂直風(fēng)切變對西北太平洋上TC對流非對稱分布的影響，得出類似的結(jié)論[22]?；谇叭说难芯縖7-8,21-22]，我們將研究“利奇馬”移動和環(huán)境垂直風(fēng)切變對“利奇馬”內(nèi)、外雨帶上降水分布的影響。采用Lonfat等(2004)以及楊璐等(2017)對TC移動速度的劃分方法，將TC移動劃分為緩慢移動(移動速度<5 m/s，下同)與快速移動(移動速度≥5 m/s，下同)[8,22]。圖7為在“利奇馬”整個(gè)生命史過程中，其移動速度和方位以及環(huán)境垂直風(fēng)切變隨時(shí)間的演變。從圖7可以看出，在“利奇馬”整個(gè)生命史過程中，其在絕大多數(shù)時(shí)次處于中等強(qiáng)度和較強(qiáng)強(qiáng)度切變環(huán)境中，僅8日14:00至9日02:00以及9日14:00至20:00處于較弱的切變環(huán)境中。“利奇馬”在登陸浙江省溫嶺市城南鎮(zhèn)之前，一直緩慢向西北方向移動，登陸城南鎮(zhèn)后向偏北方向移動并且移速加快 (10日14:00至11日14:00移速>5 m/s)，12日05:00進(jìn)入萊州灣后回旋少動，12日14:00轉(zhuǎn)向東北方向緩慢移動直至消亡。

圖7 超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”移動速度和方位以及環(huán)境垂直風(fēng)切變隨時(shí)間演變Fig. 7 Time series of motion speed, and direction of super typhoon Lekima and environmental vertical wind shear

圖8為由新一代GPM IMERG衛(wèi)星遙感反演降水?dāng)?shù)據(jù)得到的“利奇馬”各時(shí)次30 min平均降水率。從圖8可以看出， “利奇馬”第一次登陸前，當(dāng)其處于中等強(qiáng)度以上的切變環(huán)境中，并且移動緩慢時(shí)[圖8(a)]，無論在其內(nèi)雨帶還是外雨帶，其移動速度和方向?qū)邓植嫉挠绊懳⒑跗湮?，而垂直風(fēng)切變對降水分布起決定性作用，強(qiáng)降水位于順垂直風(fēng)切變方向及其左側(cè)。當(dāng)“利奇馬”處于較弱的切變環(huán)境中，移動快速[圖8(b)]或緩慢[圖8(c)]時(shí)，在內(nèi)雨帶，在其移動前方、順垂直風(fēng)切變方向及其左側(cè)均出現(xiàn)了強(qiáng)降水即降水分布由其移動和垂直風(fēng)切變共同決定，而在外雨帶，垂直風(fēng)切變對降水分布起主要作用，強(qiáng)降水出現(xiàn)在順垂直風(fēng)切變方向?！袄骜R”第一次登陸后，處于中等強(qiáng)度以上的切變環(huán)境中，并且移動快速[圖8(d)]，這時(shí)，無論在內(nèi)雨帶還是外雨帶，垂直風(fēng)切變對降水分布起決定性作用，強(qiáng)降水位于順垂直風(fēng)切變方向及其左側(cè)。值得注意的是，“利奇馬”第一次登陸后，其移動方向與垂直風(fēng)切變方向的夾角除10日09時(shí)為55.8°外，其他時(shí)次均小于45°，雖然“利奇馬”移動速度和方向決定不了降水分布，但其快速移動增加了降水的非對稱分布。Chen等和楊璐等通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)垂直風(fēng)切變方向和TC移動方向?yàn)橥环较驎r(shí)，TC降水和對流分布的非對稱性達(dá)到最大[21-22]。

圖8 超強(qiáng)臺風(fēng)“利奇馬”30 min平均降水率Fig. 8 Means of 30-min rainfall rate of super typhoon Lekima(a)2019年8月6日08:00，垂直風(fēng)切變強(qiáng)度為15.45 m/s，“利奇馬”移動速度為2.22 m/s；(b)2019年8月9日02:00，垂直風(fēng)切變強(qiáng)度為4.65 m/s，“利奇馬”移動速度為6.11 m/s；(c)2019年8月9日14:00，垂直風(fēng)切變強(qiáng)度為3.27 m/s，“利奇馬”移動速度為4.17 m/s；(d)2019年8月11日08:00，垂直風(fēng)切變強(qiáng)度為9.77 m/s，“利奇馬”移動速度為8.33 m/s； 圖中紅色箭頭和黑色箭頭分別表示各整點(diǎn)時(shí)次“利奇馬”移動方向和順環(huán)境垂直風(fēng)切變方向；箭頭起點(diǎn)為各整點(diǎn)時(shí)次“利奇馬”中心所在位置。

通過對環(huán)境垂直風(fēng)切變和“利奇馬”移動對“利奇馬”內(nèi)、外雨帶降水分布影響的觀測研究可以得出，總的來看，與“利奇馬”移動速度和方向相比，環(huán)境垂直風(fēng)切變對“利奇馬”內(nèi)、外雨帶上降水非對稱分布的影響要重要得多。Pei等(2018)利用1998—2013年TRMM衛(wèi)星觀測反演的降水資料，研究了環(huán)境垂直風(fēng)切變和全球大洋上TC移動對TC降水非對稱分布的影響，指出距TC中心200 km半徑范圍內(nèi)，相比于TC移動速度和方向，環(huán)境垂直風(fēng)切變對TC降水非對稱分布的影響尤其是一波非對稱分布的影響要強(qiáng)得多[23]。當(dāng)垂直風(fēng)切變在中等強(qiáng)度以上時(shí)，垂直風(fēng)切變和“利奇馬”移動對其內(nèi)、外雨帶降水分布的影響與Chen等[21]的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果相一致，而當(dāng)垂直風(fēng)切變較弱時(shí)，本研究結(jié)果與Chen等的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果存在差異。這可能是因?yàn)楸狙芯渴莻€(gè)例研究，而Chen等的研究基于大量TC個(gè)例的合成和統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)“利奇馬”處于較弱(中等強(qiáng)度以上)的切變環(huán)境中，并且同時(shí)其移動緩慢(快速)共4種情況，選取圖8中的4個(gè)時(shí)次，分別沿順(逆)垂直風(fēng)切變方向做垂直速度以及沿“利奇馬”移動方向做散度和垂直速度的垂直剖面，以此診斷分析垂直風(fēng)切變和“利奇馬”移動對其內(nèi)、外雨帶降水的動力作用。從沿順(逆)垂直風(fēng)切變方向垂直速度的垂直剖面可以看出，無論“利奇馬”處于較弱的切變環(huán)境中[圖9(b)、(c)]，還是處于中等強(qiáng)度以上的切變環(huán)境中[圖9(a)、(d)]，在“利奇馬”內(nèi)雨帶和外雨帶上，垂直上升運(yùn)動在順垂直風(fēng)切變方向和逆垂直風(fēng)切變方向上的分布截然不同，從900 hPa至200 hPa，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動主要發(fā)生在順垂直風(fēng)切變方向一側(cè)，而在逆垂直風(fēng)切變方向，上升運(yùn)動很弱。從沿“利奇馬”移動方向散度和垂直速度的垂直剖面(圖略)可以看出，無論“利奇馬”緩慢移動，還是快速移動，由其移動引起的邊界層輻合主要位于其內(nèi)雨帶，并且伴隨邊界層輻合的發(fā)生，強(qiáng)的上升運(yùn)動出現(xiàn)在850 hPa附近。Shapiro通過數(shù)值模擬也發(fā)現(xiàn)，由TC移動引起的邊界層輻合會導(dǎo)致TC邊界層頂部出現(xiàn)上升運(yùn)動[7]。值得注意的是，2019年8月9日14:00與8月11日08:00，在沿“利奇馬”移動方向的外雨帶上，在700 hPa與300 hPa附近分別出現(xiàn)了較強(qiáng)的上升運(yùn)動，這主要是因?yàn)樵谶@兩個(gè)時(shí)刻，“利奇馬”移動方向與順垂直風(fēng)切變方向的夾角較小，垂直風(fēng)切變的動力作用所致。總的來看，與“利奇馬”移動速度和方向相比，垂直風(fēng)切變對“利奇馬”內(nèi)、外雨帶上降水的動力作用要明顯強(qiáng)得多。Corbosiero 等(2003)利用美國國家閃電探測網(wǎng)觀測的閃電資料研究了TC移動和垂直風(fēng)切變對35個(gè)大西洋TC對流分布的影響，指出相比于垂直風(fēng)切變，TC移動對TC對流非對稱分布的影響甚微[24]。雖然TC移動可以造成TC邊界層頂部出現(xiàn)上升運(yùn)動，但是，如果垂直風(fēng)切變對上述上升運(yùn)動有抵消作用，那么TC移動根本不會引起深對流的發(fā)生。相反地，垂直風(fēng)切變則不受TC移動的影響和限制，在垂直風(fēng)切變的作用下，深對流出現(xiàn)在順垂直風(fēng)切變一側(cè)。

圖9 沿順(逆)垂直風(fēng)切變方向垂直速度的垂直剖面Fig. 9 Vertical cross sections of vertical velocity along downshear direction(a)2019年8月6日08:00；(b)2019年8月9日02:00；(c)2019年8月9日14:00；(d)2019年8月11日08:00; 圖中橫坐標(biāo)軸上黑色實(shí)心圓表示距臺風(fēng)中心100 km處；黑色箭頭表示順環(huán)境垂直風(fēng)切變方向。

3 結(jié)論

(1)在“利奇馬”登陸溫嶺市城南鎮(zhèn)前后及北上過程中，副高、“利奇馬”及其倒槽、低空急流、大陸高壓和西風(fēng)槽等中低緯天氣系統(tǒng)相互作用為“利奇馬”北上、強(qiáng)度變化與結(jié)構(gòu)演變以及強(qiáng)降雨的發(fā)生提供了有利的環(huán)境條件。

(2)2019年8月4日14:00至9日02:00，顯著減弱的垂直風(fēng)切變、SST為29.6～30.4℃的海域?yàn)椤袄骜R”提供的感熱和大量潛熱以及“利奇馬”環(huán)流東側(cè)極為強(qiáng)盛的偏南風(fēng)低空急流向其輸送充足的水汽和能量，使“利奇馬”強(qiáng)度呈顯著增強(qiáng)的趨勢。9日08:00至13日08:00，隨著“利奇馬”逐漸靠近陸地并登陸，顯著增強(qiáng)的垂直風(fēng)切變、“利奇馬”從海洋(陸地)獲得的潛熱顯著減小并且同時(shí)失去感熱、“利奇馬”環(huán)流東側(cè)偏南風(fēng)低空急流的顯著減弱、對流層中低層干冷空氣侵入“利奇馬”環(huán)流以及“利奇馬”登陸后受到陸面摩擦，使“利奇馬”強(qiáng)度顯著減弱。在“利奇馬”整個(gè)生命史過程中，垂直風(fēng)切變對其強(qiáng)度變化表現(xiàn)出一定的抑制作用，但是，垂直風(fēng)切變對其強(qiáng)度變化的影響不顯著。從“利奇馬”初生到其第一次登陸前(2019年8月4日14:00至9日20:00)，相比于環(huán)境垂直風(fēng)切變，SST特別是海-氣界面潛熱通量對“利奇馬”強(qiáng)度的影響更為重要。

(3)當(dāng)“利奇馬”處于中等強(qiáng)度以上的切變環(huán)境中時(shí)，無論其緩慢移動還是快速移動，垂直風(fēng)切變對其內(nèi)、外雨帶的降水分布起決定性作用，“利奇馬”內(nèi)、外雨帶上的強(qiáng)降水均位于順垂直風(fēng)切變方向及其左側(cè)。當(dāng)“利奇馬”處于較弱的切變環(huán)境中時(shí)，無論其緩慢移動還是快速移動，內(nèi)雨帶上的降水分布由垂直風(fēng)切變和“利奇馬”移動共同決定，強(qiáng)降水分別出現(xiàn)在順垂直風(fēng)切變方向及其左側(cè)以及移動的前方，而外雨帶上的降水分布由垂直風(fēng)切變起主導(dǎo)作用，強(qiáng)降水位于順垂直風(fēng)切變方向?？偟膩碚f，與“利奇馬”移動速度和方向相比，環(huán)境垂直風(fēng)切變對“利奇馬”內(nèi)、外雨帶上降水非對稱分布的影響要重要得多。

(4)無論“利奇馬”處于較弱的切變環(huán)境中，還是處于中等強(qiáng)度以上的切變環(huán)境中，在“利奇馬”內(nèi)雨帶和外雨帶上，從900 hPa至200 hPa，強(qiáng)烈的上升運(yùn)動主要發(fā)生在順垂直風(fēng)切變方向一側(cè)，而在逆垂直風(fēng)切變方向，上升運(yùn)動很弱。由“利奇馬”移動引起的邊界層輻合主要位于其內(nèi)雨帶，并且伴隨邊界層輻合的發(fā)生，強(qiáng)的上升運(yùn)動出現(xiàn)在850 hPa附近。總的來看，與“利奇馬”移動速度和方向相比，環(huán)境垂直風(fēng)切變對“利奇馬”內(nèi)、外雨帶上降水的動力作用要明顯強(qiáng)得多。