覃 皓 鄭鳳琴 伍麗泉

1)(廣西壯族自治區(qū)氣象臺(tái)， 南寧 530022) 2)(廣西壯族自治區(qū)氣候中心， 南寧 530022) 3)(廣西壯族自治區(qū)氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心， 南寧 530022)

引 言

我國海岸線綿長，是世界上受臺(tái)風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一，臺(tái)風(fēng)常給我國沿海地區(qū)帶來狂風(fēng)暴雨，嚴(yán)重危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全。臺(tái)風(fēng)威馬遜(1409)(簡稱臺(tái)風(fēng)威馬遜)是近10年嚴(yán)重影響我國的登陸臺(tái)風(fēng)之一，同時(shí)也是1949年以來最強(qiáng)登陸臺(tái)風(fēng)，不僅造成人員傷亡，還導(dǎo)致我國華南地區(qū)大范圍農(nóng)作物受災(zāi)，破壞力極強(qiáng)。鄭艷等[1]分析臺(tái)風(fēng)威馬遜近海急劇增強(qiáng)的原因，指出副熱帶高壓加強(qiáng)西伸、低空急流建立以及西南季風(fēng)加強(qiáng)等為其提供了有利條件。陳見等[2]通過對(duì)比臺(tái)風(fēng)威馬遜與超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)達(dá)維(0518)，指出地形摩擦耗散較小是前者較后者進(jìn)入廣西北部灣后強(qiáng)度減弱幅度更小的原因。薛一迪等[3]利用軌跡追蹤模式分析臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸期間強(qiáng)降水的水汽來源并定量診斷各水汽源區(qū)的貢獻(xiàn)。這些工作揭示若干外強(qiáng)迫因子對(duì)臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度變化的影響，但目前關(guān)于臺(tái)風(fēng)威馬遜自身強(qiáng)度變化與降水相互作用的研究鮮見報(bào)道。同時(shí)，臺(tái)風(fēng)作為極為活躍的天氣系統(tǒng)，其本身的動(dòng)力學(xué)過程也不可忽視[4-5]。

早在20世紀(jì)80年代，人們利用衛(wèi)星產(chǎn)品對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)，最大降水率的半徑減小，而平均降水率和暴雨貢獻(xiàn)率均增大[6]。Lonfat等[7]利用熱帶降水測(cè)量(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究不同強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)的降水特征，發(fā)現(xiàn)平均狀況下越強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)對(duì)應(yīng)軸對(duì)稱降水極大值越大。鈕學(xué)新等[8]利用MM5V3.5模式模擬0216號(hào)臺(tái)風(fēng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在其他環(huán)境條件不變的情況下，臺(tái)風(fēng)中心氣壓降低(升高)11 hPa，降水中心雨量增加(減少)1倍。統(tǒng)計(jì)1952—2000年登陸珠江口至長江口的熱帶氣旋的降水特征發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度是影響其降水的主要因素之一[9]。隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的豐富，Jiang[10]結(jié)合衛(wèi)星、降水雷達(dá)以及可見光紅外掃描儀等觀測(cè)數(shù)據(jù)也指出，臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)對(duì)流與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化存在密切聯(lián)系，其中雷達(dá)反射率因子20 dBZ 最大伸展高度與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化相關(guān)性最佳。Alvey等[11]利用熱帶氣旋遙感數(shù)據(jù)集分析降雨性質(zhì)與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化關(guān)系，指出臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化與降水的軸對(duì)稱分布密切相關(guān)?？梢姡藗儗?duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和降水關(guān)系研究已取得一定成果。然而，相較于臺(tái)風(fēng)路徑，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度以及臺(tái)風(fēng)降水的精細(xì)化預(yù)報(bào)仍是預(yù)報(bào)的難點(diǎn)[12-13]，臺(tái)風(fēng)影響因素多且復(fù)雜[9]，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化時(shí)距離中心不同位置的降水情況也存在差異[14]，因而臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與其降水關(guān)系也值得深入研究。

此外，已有成果大多從相關(guān)性的角度出發(fā)，對(duì)因果聯(lián)系探討較少。Liang-Kleeman信息流理論可以根據(jù)時(shí)間序列間單位時(shí)間內(nèi)傳遞的信息表征兩者間的因果關(guān)系[15-17]。Stips等[18]通過該方法驗(yàn)證了溫室氣體是全球變暖的主要影響因子，并指出在古氣候尺度則是溫度變化影響二氧化碳變化。Xiao等[19]使用該方法揭示了1920—2018年北極地表溫度異常在各階段的驅(qū)動(dòng)因子。Liang等[20]通過因果試驗(yàn)尋找中部型厄爾尼諾預(yù)報(bào)因子時(shí)，發(fā)現(xiàn)22～50年前的太陽活動(dòng)與赤道太平洋海表溫度異常具有密切聯(lián)系，基于信息流的因果人工智能方法可對(duì)中部型厄爾尼諾進(jìn)行10年甚至更長時(shí)段的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。鑒于Liang-Kleeman信息流在因果關(guān)系分析中具有定性及定量的優(yōu)越性，本文采用該方法探討臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度與降水變化間的聯(lián)系，加深對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化及其對(duì)降水影響的認(rèn)識(shí)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù) 據(jù)

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、位置等信息來自中國氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ERA5逐小時(shí)再分析數(shù)據(jù)，包括風(fēng)場(chǎng)、比濕等，水平分辨率為0.25°×0.25°?？紤]到不同數(shù)據(jù)反映的臺(tái)風(fēng)中心位置可能存在差異，利用ERA5再分析數(shù)據(jù)計(jì)算海平面最低氣壓點(diǎn)得到臺(tái)風(fēng)威馬遜的定位信息，并與最佳路徑數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者并無明顯差異，對(duì)本文研究結(jié)論也無影響。采用TRMM衛(wèi)星3B42第7版的降水?dāng)?shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為3 h，水平分辨率為0.25°×0.25°。TRMM是于1997年發(fā)射的世界上第1顆搭載測(cè)雨雷達(dá)的衛(wèi)星，首次實(shí)現(xiàn)了熱帶地區(qū)(35°S～35°N)海洋及陸地上降水?dāng)?shù)據(jù)的獲取。國內(nèi)外對(duì)TRMM衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)精度評(píng)價(jià)已開展大量研究[7,21-22]，結(jié)果表明：TRMM 3B42降水?dāng)?shù)據(jù)與地面觀測(cè)具有很好的一致性，且隨著時(shí)間尺度增大，其精度逐步提高，能較好地捕捉臺(tái)風(fēng)降水的特征。該數(shù)據(jù)已在臺(tái)風(fēng)降水研究中得到廣泛應(yīng)用[7,21-23]。此外，文中時(shí)間均采用世界時(shí)，所用數(shù)據(jù)時(shí)間段均為2014年7月10日00:00—19日18:00。

1.2 方 法

本文利用的方法主要有傅里葉變換以及Liang-Kleeman信息流方法。

臺(tái)風(fēng)軸對(duì)稱(0波)降水分量為從臺(tái)風(fēng)中心向外逐50 km計(jì)算降水的環(huán)狀方位角平均。臺(tái)風(fēng)非對(duì)稱降水分量參照Lonfat等[7]和Yu等[23]的方法，利用傅里葉變換，計(jì)算1波非對(duì)稱值表征降水的非對(duì)稱程度：

(1)

式(1)中，Ri為TRMM估測(cè)降水值，θi為每個(gè)降水值相對(duì)于臺(tái)風(fēng)中心的方位角(正北方向?yàn)?°)，則1波降水的振幅為

(2)

在因果分析中使用Liang-Kleeman信息流理論。一個(gè)事件到另一個(gè)事件存在非零的信息流(信息傳遞)，表明前者與后者存在因果聯(lián)系，若無因果聯(lián)系則信息流為零。對(duì)于一個(gè)二維系統(tǒng)，當(dāng)只給出兩時(shí)間序列X1和X2，在一定的線性假設(shè)下，Liang[15,17]推導(dǎo)出從X1到X2信息流的最大似然估計(jì)為

(3)

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及降水變化的物理機(jī)制復(fù)雜，往往存在較多的影響因子，難以提取單一變量的信號(hào)。Liang-Kleeman信息流的性質(zhì)保證在未知第三方變量影響的情況下，被考慮的兩變量間因果聯(lián)系保持一致。在計(jì)算中，研究時(shí)段覆蓋最佳路徑數(shù)據(jù)中臺(tái)風(fēng)威馬遜整個(gè)生命史(2014年7月10日00:00—19日18:00)，時(shí)間間隔為6 h，共40個(gè)樣本。

2 臺(tái)風(fēng)威馬遜降水的時(shí)空分布特征

2014年7月10日臺(tái)風(fēng)威馬遜生成于西北太平洋，隨后西行，路徑穩(wěn)定(圖1)。7月14日12:00臺(tái)風(fēng)威馬遜在菲律賓以東洋面上加強(qiáng)升級(jí)為臺(tái)風(fēng)級(jí)，在穿過菲律賓前加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。隨后臺(tái)風(fēng)威馬遜向西北偏西移動(dòng)進(jìn)入南海北部，于17日18:00再次加強(qiáng)成為超級(jí)臺(tái)風(fēng)，在18日07:00登陸我國海南省文昌市。在登陸24 h后臺(tái)風(fēng)威馬遜減弱為臺(tái)風(fēng)級(jí)，并于19日21:00減弱為熱帶低壓，中央氣象臺(tái)于20日00:00對(duì)其停止編號(hào)。由整個(gè)過程中臺(tái)風(fēng)威馬遜的實(shí)況強(qiáng)度和路徑以及累積降水量分布可以看到，降水呈帶狀沿西北—東南方向分布，主要位于臺(tái)風(fēng)威馬遜移動(dòng)路徑的左側(cè)，而右側(cè)降水不明顯。利用以臺(tái)風(fēng)中心為原點(diǎn)的動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系，分析臺(tái)風(fēng)威馬遜移動(dòng)過程中的降水情況，發(fā)現(xiàn)累積降水量大值區(qū)主要位于臺(tái)風(fēng)中心偏西一側(cè)，具有明顯的非對(duì)稱性。

圖1 2014年7月10日00:00—19日18:00臺(tái)風(fēng)威馬遜實(shí)況路徑(實(shí)線)及累積降水量(填色)Fig.1 The best track(the solid line) of Typhoon Rammasun and accumulated precipitation(the shaded) from 0000 UTC 10 Jul to 1800 UTC 19 Jul in 2014

研究表明：降水的非對(duì)稱分布與環(huán)境風(fēng)垂直切變密切相關(guān)，北半球臺(tái)風(fēng)降水率大值區(qū)常出現(xiàn)在環(huán)境風(fēng)垂直切變的順切變一側(cè)[24-26]。計(jì)算臺(tái)風(fēng)中心附近10°×10°網(wǎng)格內(nèi)200 hPa和850 hPa的平均水平風(fēng)矢量差，表征環(huán)境風(fēng)垂直切變[27]。在臺(tái)風(fēng)威馬遜整個(gè)生命史中，除初生階段外,垂直切變矢量均指向臺(tái)風(fēng)中心西南側(cè)，這與累積降水量大值區(qū)的分布具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，降水主要位于順切變一側(cè)，與前人結(jié)論類似[24,28]。

將臺(tái)風(fēng)威馬遜降水分解為軸對(duì)稱(0波)降水與非對(duì)稱降水，考察兩分量隨時(shí)間的演變特征。由于1 波降水在非對(duì)稱降水分量中占主要部分[29-30]，故以1 波降水作為非對(duì)稱降水分量。對(duì)于軸對(duì)稱降水(圖2a)，大于12 mm·h-1的降水率主要分布在距離臺(tái)風(fēng)中心100 km的范圍內(nèi)。7月15日06:00臺(tái)風(fēng)威馬遜穿過菲律賓中部后，強(qiáng)度由臺(tái)風(fēng)級(jí)增強(qiáng)至超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，降水率首次出現(xiàn)明顯的大幅增強(qiáng)，距離臺(tái)風(fēng)中心小于50 km的內(nèi)核區(qū)降水率最大超過24 mm·h-1，同時(shí)外圍雨帶擴(kuò)展至400 km。17日18:00—18日12:00，臺(tái)風(fēng)威馬遜登陸海南，強(qiáng)度再次達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，外圍雨帶向內(nèi)收縮至300 km，軸對(duì)稱降水再次出現(xiàn)明顯增強(qiáng)，且強(qiáng)度和范圍增幅超過首次增幅，最大降水率出現(xiàn)在距臺(tái)風(fēng)中心50 km 附近，大于30 mm·h-1。登陸后24 h雨帶迅速縮小，降水驟減。在非對(duì)稱降水的徑向-時(shí)間剖面上，非對(duì)稱分量主要在距臺(tái)風(fēng)中心50～450 km范圍內(nèi)(圖2b)。其中，對(duì)應(yīng)于軸對(duì)稱降水的首次增強(qiáng)，非對(duì)稱降水在距臺(tái)風(fēng)中心250～450 km范圍內(nèi)的外圍雨帶明顯增強(qiáng)，最大值達(dá)到4 mm·h-1。當(dāng)?shù)?次降水增幅出現(xiàn)時(shí)，非對(duì)稱降水增強(qiáng)區(qū)域較對(duì)稱降水更向外擴(kuò)展，位于距臺(tái)風(fēng)中心80～150 km范圍內(nèi)，大值中心出現(xiàn)在距臺(tái)風(fēng)中心100 km附近，最大降水率達(dá)到10 mm·h-1。臺(tái)風(fēng)登陸后，非對(duì)稱降水大值中心向外擴(kuò)展，隨后逐漸減弱。

圖2 2014年7月11日00:00—19日18:00臺(tái)風(fēng)威馬遜環(huán)狀平均(a)和1波降水率(b)的徑向-時(shí)間剖面Fig.2 Radius-time cross-sections of azimuthally averaged precipitation rate(a) and wavenumber 1 precipitation rate(b) from 0000 UTC 11 Jul to 1800 UTC 19 Jul in 2014

考察兩次降水增幅前后降水率分布特征。在首次增幅前，7月14日12:00臺(tái)風(fēng)中心附近降水較弱，落區(qū)集中于偏南偏西一側(cè)，強(qiáng)度為4～6 mm·h-1(圖3a)。15日00:00—12:00臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)降水逐漸增強(qiáng)，雨區(qū)也有所擴(kuò)展，12:00降水強(qiáng)中心位于西南一側(cè)，最大降水強(qiáng)度達(dá)到35 mm·h-1，體現(xiàn)出明顯的非對(duì)稱性(圖3b)。在第2次增幅階段，16日18:00—18日18:00降水落區(qū)逐漸向內(nèi)收縮，但仍集中于臺(tái)風(fēng)中心偏南偏西一側(cè)，18日18:00降水強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，在臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)和西南側(cè)各存在一個(gè)強(qiáng)中心，其中西南中心更強(qiáng)，達(dá)到40 mm·h-1(圖3c)。

圖3 臺(tái)風(fēng)中心附近降水率(a)2014年7月14日12:00，(b)2014年7月15日12:00，(c)2014年7月18日18:00Fig.3 Rain rate near the typhoon center(a)1200 UTC 14 Jul 2014，(b)1200 UTC 15 Jul 2014，(c)1800 UTC 18 Jul 2014

3 臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度與降水變化的聯(lián)系

上述分析表明:隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化，臺(tái)風(fēng)威馬遜降水也存在顯著變化。對(duì)比臺(tái)風(fēng)風(fēng)力、中心最低氣壓和距臺(tái)風(fēng)中心500 km范圍內(nèi)平均降水率的時(shí)間序列，發(fā)現(xiàn)三者具有很好的相關(guān)關(guān)系，在臺(tái)風(fēng)威馬遜的兩次增強(qiáng)階段，平均降水率均明顯增長。整個(gè)過程中臺(tái)風(fēng)風(fēng)力強(qiáng)度、中心最低氣壓與平均降水率的相關(guān)系數(shù)分別為0.764和-0.757，均達(dá)到 0.01 顯著性水平，表明臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與降水相關(guān)顯著，與文獻(xiàn)[7,11,23,29]結(jié)論相符。然而相關(guān)性是存在因果聯(lián)系的必要條件，但存在相關(guān)關(guān)系未必有因果關(guān)系。因此，通過Liang-Kleeman信息流理論，探究臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度與降水變化間的因果聯(lián)系。

計(jì)算臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度到降水率的信息流以及反方向(降水率到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度)的信息流，考慮到風(fēng)壓關(guān)系在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)可能的變化[23]，分別采用臺(tái)風(fēng)風(fēng)力強(qiáng)度以及中心最低氣壓進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：無論是風(fēng)力還是中心最低氣壓表征的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，對(duì)降水率的信息流大值區(qū)均分布于臺(tái)風(fēng)的西側(cè)(達(dá)到0.05顯著性水平)，其中北偏西側(cè)、西南側(cè)存在3個(gè)極大值中心，信息流絕對(duì)值最大達(dá)到0.7(圖4a，由于中心最低氣壓到降水率的信息流絕對(duì)值更大，具有更為顯著的信號(hào)，因此僅給出中心最低氣壓到降水率的信息流結(jié)果，以下討論中均以該指標(biāo)表征臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度)。由2014年7月10日00:00—19日18:00平均的降水率分布(圖4中等值線)可見，在臺(tái)風(fēng)威馬遜的整個(gè)生命史中，降水落區(qū)主要位于臺(tái)風(fēng)中心偏西一側(cè)，最大降水出現(xiàn)在西南象限，這與信息流大值區(qū)對(duì)應(yīng)較好，表明臺(tái)風(fēng)威馬遜降水在一定程度上受其自身強(qiáng)度變化的調(diào)控。

在反向信息流上也存在因果聯(lián)系顯著的區(qū)域。降水率到臺(tái)風(fēng)風(fēng)力強(qiáng)度信息流(圖4b)的大值區(qū)同樣分布于臺(tái)風(fēng)的偏西一側(cè)，與平均降水率大值區(qū)相對(duì)應(yīng)，表明降水變化一定程度上影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，這體現(xiàn)了第2類條件不穩(wěn)定(CISK)機(jī)制在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與降水變化中的作用：更多的降水釋放更多的潛熱，導(dǎo)致對(duì)流層中、上層增暖，進(jìn)而高層增壓輻散，促進(jìn)低層臺(tái)風(fēng)中心氣壓下降[31-32]。此外，計(jì)算發(fā)現(xiàn)降水率對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)力強(qiáng)度和中心最低氣壓的信息流具有相似的分布特征，但降水率對(duì)中心最低氣壓的影響更為顯著，這可能與降水產(chǎn)生的潛熱釋放造成氣壓變化先于風(fēng)場(chǎng)有關(guān)。

圖4 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度到降水率(a)及降水率到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度(b)的信息流(填色)(打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.05顯著性水平；等值線為降水率過程平均值，單位：mm·h-1)Fig.4 Information flows(the shaded) from typhoon intensity to precipitation rate(a) and from precipitation rate to typhoon intensity(b)(dotted areas denote passing the test of 0.05 level;the contour denotes the averaged rain rate,unit:mm·h-1)

以上信息流分析表明：臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度變化受臺(tái)風(fēng)自身強(qiáng)度的影響，同時(shí)臺(tái)風(fēng)降水率變化同樣可以反作用于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，兩者相互影響的區(qū)域均位于臺(tái)風(fēng)中心偏西一側(cè)。值得注意的是，相較于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)降水的影響，反向信息流減小接近1個(gè)量級(jí)，這表明在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與降水的相互作用中，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的影響占主導(dǎo)。在以下分析中，主要關(guān)注臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化對(duì)降水的影響。

4 臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度變化影響降水可能途徑

4.1 水汽條件

充足的水汽供應(yīng)有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的維持[28,33]，而臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)后更低的中心氣壓又有利于更多水汽向臺(tái)風(fēng)中心附近輸送，進(jìn)而為降水提供條件。計(jì)算以臺(tái)風(fēng)中心為原點(diǎn)的10°×10°網(wǎng)格內(nèi)區(qū)域平均的整層水汽通量散度，得到臺(tái)風(fēng)中心附近整層水汽通量散度的時(shí)間序列。分別計(jì)算臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度與距臺(tái)風(fēng)中心500 km范圍內(nèi)平均降水率以及整層水汽通量散度的相關(guān)系數(shù)和信息流(從臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度到降水率以及水汽通量散度)。結(jié)果表明：臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度分別與臺(tái)風(fēng)中心附近整層水汽通量散度和平均降水率呈顯著的正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.679和-0.757，均達(dá)到0.01顯著性水平，即臺(tái)風(fēng)中心氣壓越低，臺(tái)風(fēng)中心附近水汽輻合越強(qiáng)，降水也越強(qiáng)。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度到降水率以及水汽通量散度的信息流分別為0.162和0.45，分別達(dá)到0.05和0.01顯著性水平，體現(xiàn)出臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化對(duì)水汽輻合輻散以及降水的顯著影響。因此相關(guān)以及因果分析表明：臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度增強(qiáng)(減弱)，可能是通過增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心附近水汽輻合(輻散)進(jìn)而增強(qiáng)(減弱)降水。

2014年7月14日06:00—12:00臺(tái)風(fēng)威馬遜為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴至臺(tái)風(fēng)級(jí)，該時(shí)段平均的整層水汽輻合中心位于臺(tái)風(fēng)西南象限(圖5a)，與圖3a中降水率分布具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此時(shí)降水率較小，水汽通量散度絕對(duì)值最大也僅為4.5 g·m-2·s-1。15日06:00—12:00臺(tái)風(fēng)威馬遜達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，平均整層水汽輻合區(qū)位于臺(tái)風(fēng)偏西一側(cè)，最大水汽通量散度絕對(duì)值增大1倍，達(dá)到8 g·m-2·s-1(圖5b)，降水率也隨之增大(圖3b)，且降水落區(qū)仍存在較好對(duì)應(yīng)。18日12:00—18:00也存在上述關(guān)系，臺(tái)風(fēng)威馬遜再次增強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，水汽通量散度絕對(duì)值維持在7 g·m-2·s-1(圖5c)，在臺(tái)風(fēng)中心西南側(cè)以及北側(cè)均有較強(qiáng)的水汽輻合，與圖3c中降水率大值區(qū)相匹配。

為驗(yàn)證臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度變化對(duì)整層水汽通量散度變化的影響，計(jì)算臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與臺(tái)風(fēng)中心附近整層水汽通量散度相關(guān)系數(shù)及信息流。結(jié)果表明：整個(gè)臺(tái)風(fēng)生命史中水汽輻合中心主要位于臺(tái)風(fēng)西南側(cè)，而該區(qū)域水汽通量散度的變化與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度具有顯著的相關(guān)(圖略)及因果聯(lián)系(圖6a)。其中，相關(guān)系數(shù)為正，最大達(dá)到0.7，其與信息流的大值中心均與水汽輻合中心相吻合，且兩者均達(dá)到0.05顯著性水平。綜上所述，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)(減弱)部分導(dǎo)致了臺(tái)風(fēng)中心西南側(cè)水汽通量輻合(輻散)的增強(qiáng)，進(jìn)而與該區(qū)域的降水建立聯(lián)系。

圖5 臺(tái)風(fēng)中心附近平均整層水汽通量散度(a)2014年7月14日06:00—12:00，(b)2014年7月15日06:00—12:00，(c)2014年7月18日12:00—18:00Fig.5 Averaged moisture flux divergence of vertical integral near the typhoon center (a)from 0600 UTC to 1200 UTC on 14 Jul 2014，(b)from 0600 UTC to 1200 UTC on 15 Jul 2014，(c)from 1200 UTC to 1800 UTC on 18 Jul 2014

潛熱能與大氣中的水汽有關(guān)，更多的水汽輻合上升凝結(jié)將釋放更大的潛熱能。整個(gè)臺(tái)風(fēng)生命史中平均整層潛熱能的大值區(qū)位于臺(tái)風(fēng)中心附近，強(qiáng)中心與水汽輻合中心對(duì)應(yīng)，且潛熱能與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度為顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.7(達(dá)到0.01顯著性水平，圖略)。同時(shí)，由信息流分布(圖6b)可見，臺(tái)風(fēng)中心偏西一側(cè)的整層潛熱能對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化有明顯響應(yīng)，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的變化是導(dǎo)致該區(qū)域潛熱能變化的原因之一。上述結(jié)果表明：臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)(減弱)一定程度上造成了臺(tái)風(fēng)中心偏西一側(cè)整層潛熱能增大(減小)，而這與更多(更少)的水汽在該區(qū)域輻合相關(guān)。因此，通過考察潛熱能與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)一步證實(shí)了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化對(duì)水汽輻合輻散的影響。

圖6 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度到整層水汽通量散度(a)和潛熱能(b)的信息流(填色)(打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.05顯著性水平，圖6a中等值線為整層水汽通量散度的過程平均值，單位：g·m-2·s-1；圖6b中等值線為整層潛熱能的過程平均值，單位：J·m-2)Fig.6 Information flows(the shaded) from typhoon intensity to moisture flux divergence of vertical integral(a) and from typhoon intensity to latent energy of vertical integral(b)(dotted areas denote passing the test of 0.05 level,the contour in Fig.6a denotes the averaged moisture flux diveragence of vertical integral,unit:g·m-2·s-1;the contour in Fig.6b denotes the averaged latent energy of vertical integral,unit:J·m-2)

在水汽輸送方面，臺(tái)風(fēng)威馬遜進(jìn)入南海前水汽主要來源于西太平洋的東路輸送,臺(tái)風(fēng)威馬遜進(jìn)入南海后，來自孟加拉灣的偏西氣流與110°E附近的越赤道氣流在南海交匯，將孟加拉灣和南海的水汽一起并入臺(tái)風(fēng)環(huán)流[3,28,33]。分析整層積分的水汽通量也得出上述結(jié)論。7月15日12:00(圖7a)臺(tái)風(fēng)威馬遜位于菲律賓東側(cè)，主要受副熱帶高壓南側(cè)西太平洋偏東水汽輸送影響，此時(shí)孟加拉灣和南海水汽通道尚未建立。18日12:00(圖7b)孟加拉灣和越赤道水汽輸送明顯，而西太平洋的水汽輸送被后續(xù)臺(tái)風(fēng)麥德姆(1410)切斷。

孟加拉灣、南海、西太平洋均為臺(tái)風(fēng)威馬遜降水的水汽源，其中南海的水汽貢獻(xiàn)在臺(tái)風(fēng)威馬遜降水中占比最大[3]。上述水汽輸送的變化必然對(duì)臺(tái)風(fēng)威馬遜降水產(chǎn)生影響。然而隨著熱帶氣旋強(qiáng)度增強(qiáng)，水汽向其環(huán)流中心附近的輸送也隨之加強(qiáng)[34]。計(jì)算臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度到整層水汽通量的信息流，可以發(fā)現(xiàn)水汽輸送環(huán)流的演變中也存在臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度變化的信號(hào)(圖7c)。由信息流分布可見，西太平洋以及南海水汽輸送均受到臺(tái)風(fēng)威馬遜的影響，兩個(gè)區(qū)域信息流均達(dá)到0.05顯著性水平，體現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)威馬遜移動(dòng)過程中不同水汽通道隨其強(qiáng)度變化的響應(yīng)。因此，臺(tái)風(fēng)威馬遜強(qiáng)度變化還通過影響水汽輸送的變化而與降水建立聯(lián)系。

圖7 2014年7月15日12:00(a)和7月18日12:00(b)整層水汽通量(矢量)、通量值(填色)及臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度到整層水汽通量值的信息流(打點(diǎn)區(qū)域表示達(dá)到0.05顯著性水平)(c) Fig.7 Moisture flux of vertical integral (the arrow) and its value(the shaded) at 1200 UTC 15 Jul 2014(a) and 1200 UTC 18 Jul 2014(b) with information flow from typhoon intensity to precipitation rate(dotted areas denote passing the test of 0.05 level)(c)

4.2 動(dòng)力條件

垂直螺旋度綜合反映大氣垂直運(yùn)動(dòng)和水平旋轉(zhuǎn)的特征，其表達(dá)式為

(4)

式(4)中，ξ為垂直渦度，ω為p坐標(biāo)系下的垂直速度。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)流層中低層垂直螺旋度正值區(qū)(采用單位為Pa·s-1的垂直速度則對(duì)應(yīng)負(fù)值區(qū))與臺(tái)風(fēng)降水落區(qū)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[35-37]，這一定程度上反映了臺(tái)風(fēng)環(huán)流中心附近垂直運(yùn)動(dòng)對(duì)降水的影響，而臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)又有利于降水中心低層輻合上升加強(qiáng)[34]。分析圖3降水時(shí)段平均700 hPa垂直螺旋度，發(fā)現(xiàn)垂直螺旋度強(qiáng)值中心均與降水落區(qū)對(duì)應(yīng)，且在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)時(shí)段，垂直螺旋度絕對(duì)值更大，最大達(dá)到3.5×10-3Pa·s-2。而在較弱的強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)時(shí)垂直螺旋度絕對(duì)值最大僅為0.6×10-3Pa·s-2(圖略)。但不同強(qiáng)度時(shí)期，垂直螺旋度強(qiáng)中心均位于臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)，這也與水汽輻合中心相對(duì)應(yīng)(圖5)，旋轉(zhuǎn)上升與水汽輻合相配合造成降水落區(qū)的非對(duì)稱分布。

通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)和信息流，可以發(fā)現(xiàn)這種非對(duì)稱的上升運(yùn)動(dòng)與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化密切相關(guān)。整個(gè)臺(tái)風(fēng)生命史中平均700 hPa垂直螺旋度中心位于臺(tái)風(fēng)偏西一側(cè)，且在西南象限存在-1×10-3Pa·s-2的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)上升中心。相關(guān)分析表明:隨著臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)，中低層垂直螺旋度也顯著增強(qiáng)(圖略)。這種中低層上升運(yùn)動(dòng)的變化受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響，在700 hPa垂直螺旋度強(qiáng)中心對(duì)應(yīng)信息流大值中心(圖8)。因此，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)(減弱)一定程度上影響臺(tái)風(fēng)中心附近的垂直運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)的垂直螺旋度絕對(duì)值加大(減小)，促進(jìn)(抑制)該區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，進(jìn)而造成更多(更少)的水汽凝結(jié)致雨。

圖8 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度到700 hPa垂直螺旋度的信息流(填色)(等值線為700 hPa垂直螺旋度的過程平均值，單位：10-3 Pa·s-2)Fig.8 Information flow from typhoon intensity to700 hPa vertical helicity(the shaded)(the contour denotes the averaged 700 hPa vertical helicity,unit:10-3 Pa·s-2)

5 小 結(jié)

研究表明：

1) 臺(tái)風(fēng)威馬遜降水具有明顯的非對(duì)稱性，降水主要位于臺(tái)風(fēng)中心偏西一側(cè)。在整個(gè)生命史中降水出現(xiàn)兩次明顯增強(qiáng)，與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)段相對(duì)應(yīng)。

2) 信息流分析表明：臺(tái)風(fēng)威馬遜降水強(qiáng)度變化受到臺(tái)風(fēng)自身強(qiáng)度影響，同時(shí)臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度變化可以反作用于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，兩者相互影響的區(qū)域均位于臺(tái)風(fēng)中心偏西一側(cè)。相較于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)降水的影響，由降水到臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的信息流減小接近1個(gè)量級(jí)，表明在兩者的相互作用中，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化影響占主導(dǎo)。

3) 整層水汽通量的輻合區(qū)與降水落區(qū)具有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)(減弱)，可能通過增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心附近水汽輻合(輻散)增強(qiáng)(減弱)降水。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)(減弱)部分導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)中心西南側(cè)水汽通量輻合(輻散)增強(qiáng)，進(jìn)而與該區(qū)域的降水建立聯(lián)系。除此之外，臺(tái)風(fēng)威馬遜移動(dòng)過程中隨著其強(qiáng)度變化，南海以及西太平洋水汽通道均存在明顯響應(yīng)。

4) 在動(dòng)力條件上，中低層垂直螺旋度強(qiáng)中心主要位于臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)(減弱)，導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)中心西側(cè)垂直螺旋度絕對(duì)值加大(減小)，一定程度促進(jìn)(抑制)該區(qū)域上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，造成更多(更少)水汽凝結(jié)致雨。

影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度以及降水因子眾多，機(jī)制復(fù)雜，本文僅以臺(tái)風(fēng)威馬遜為例，從因果聯(lián)系角度討論兩者相互作用，具體影響機(jī)制還需要在模擬試驗(yàn)中驗(yàn)證。此外，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與降水相互作用可能存在個(gè)體差異，不同登陸點(diǎn)以及不同源地臺(tái)風(fēng)反映的物理聯(lián)系可能有所不同[38-39]，因此今后需要對(duì)多種類型臺(tái)風(fēng)進(jìn)行分類對(duì)比。