海溫及海浪對(duì)臺(tái)風(fēng)眼墻中尺度渦的影響

劉磊 費(fèi)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(lái)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(duì)流尺度系統(tǒng)將能量轉(zhuǎn)移到氣旋式擾動(dòng)中（McTaggart-Cowan et al.，2008），后一種機(jī)制，即中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展對(duì)TC眼墻非對(duì)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(tái)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(shí)，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(qiáng)度超過(guò)其最大潛在強(qiáng)度，因此，是控制TC強(qiáng)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(guò)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(cè)到中尺度渦，此外，Kossin and Schubert（2004）對(duì)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(qiáng)烈的陣性降水及破壞性強(qiáng)風(fēng)（Black and Marks，1991）。Hendricks and Montgomery（2006）利用衛(wèi)星資料，觀測(cè)到2002年9～10月的Gustav熱帶風(fēng)暴中存在多個(gè)中尺度渦，這些渦由深對(duì)流引起的渦旋力管延伸而產(chǎn)生。在臺(tái)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(qiáng)機(jī)制以及中尺度渦對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響（Schubert et al.，1999；張文龍等，2010），而對(duì)于海氣相互作用，尤其是海表狀況與臺(tái)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(guò)程大約持續(xù) 40～60 min，最少15 min，眼區(qū)潛熱經(jīng)過(guò)很短時(shí)間改變內(nèi)流場(chǎng)，眼區(qū)的熱焓作為額外的能量，加強(qiáng)了眼墻的上升氣流，引起更強(qiáng)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(shí)TC中，眼墻處摩擦輻合和濕對(duì)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(yùn)動(dòng)在最大風(fēng)速處形成了環(huán)狀的高渦度區(qū)，同時(shí)向內(nèi)、外區(qū)域逐漸減?。鹘芎褪媸鼐?，2010）。非對(duì)稱對(duì)流結(jié)構(gòu)提供擾動(dòng)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(shí)從動(dòng)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(duì)TC眼墻內(nèi)的中尺度渦結(jié)構(gòu)具有顯著影響。針對(duì)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(tái)風(fēng)中存在的中尺度渦結(jié)構(gòu)，并通過(guò)敏感性試驗(yàn)，著重分析了海溫和海浪對(duì)臺(tái)風(fēng)眼墻內(nèi)中尺度渦的影響。為進(jìn)一步揭示中尺度渦在臺(tái)風(fēng)快速加強(qiáng)及臺(tái)風(fēng)眼墻非對(duì)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(yàn)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(guò)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(dòng)力強(qiáng)迫。海洋表面的熱力強(qiáng)迫包括大氣的長(zhǎng)、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(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(guò)程，不僅改變了海表粗糙度，同時(shí)，對(duì)海洋混合層具有攪拌效應(yīng)。在海表粗糙度的計(jì)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(dú)的WRF模式中β是Charnock常數(shù)，而大量的觀測(cè)和數(shù)值模擬表明，海面動(dòng)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(duì)海表粗糙度的改變，進(jìn)而影響大氣下墊面的 熱力、動(dòng)力過(guò)程（劉磊等，2011b）；通過(guò)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(dòng)力狀態(tài)（Qiaoetal.，2004；劉磊等，2012a），此外，加入風(fēng)應(yīng)力對(duì)海浪的驅(qū)動(dòng)以及海流對(duì)海浪狀態(tài)的影響（圖1）。

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

2006年第5號(hào)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(qiáng)成為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，21日加強(qiáng)成為臺(tái)風(fēng)。本文選取“格美”臺(tái)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(shí)，下同）至7月23日00:00，具體的模式設(shè)置請(qǐng)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(duì)TC眼墻內(nèi)中尺度渦結(jié)構(gòu)的影響，本文設(shè)計(jì)了三組試驗(yàn)：EXP1方案考慮海浪反饋效應(yīng)對(duì)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(duì)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?zhàn)饔茫雎院＠朔答佇?yīng)對(duì)海表粗糙度的影響，即海表粗糙度計(jì)算中β采用Charnock常數(shù)；EXP3為控制試驗(yàn)，采用完全耦合系統(tǒng)對(duì)“格美”臺(tái)風(fēng)進(jìn)行模擬，描述“格美”臺(tái)風(fēng)中存在的中尺度渦結(jié)構(gòu)；利用EXP1、EXP2方案的試驗(yàn)結(jié)果，著重研究了海溫和海浪對(duì)臺(tái)風(fēng)眼墻內(nèi)存在的中尺度渦的影響（表3）。

表3 試驗(yàn)方案對(duì)比Table 3 List of experiment schemes

以中國(guó)臺(tái)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(shí)況，利用耦合系統(tǒng)區(qū)域1（D1）輸出的15 km分辨率資料，對(duì)模擬臺(tái)風(fēng)的中心最低氣壓、10 m最大風(fēng)速及路徑進(jìn)行檢驗(yàn)。圖2a所示，四組模擬臺(tái)風(fēng)的中心最低氣壓（Sea Level Pressure，SLP）在第36小時(shí)之前（7月21日12:00之前）差別不大。與實(shí)況臺(tái)風(fēng)相比，模擬臺(tái)風(fēng)的SLP在前24小時(shí)（7月21日00:00之前）小于實(shí)況，與模式初始場(chǎng)的 spin-up有關(guān)，隨著模式積分的逐漸調(diào)整，模擬臺(tái)風(fēng)的SLP在第24小時(shí)與實(shí)況之間的偏差達(dá)到最小。此后，模擬臺(tái)風(fēng)的SLP變化趨勢(shì)與實(shí)況較為一致，呈快速下降趨勢(shì)。第36小時(shí)后（7月21日12:00之后），海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的反饋?zhàn)饔瞄_始顯著影響SLP，四個(gè)方案模擬得到的 SLP差別逐漸增大。EXP3方案同時(shí)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(shí)間變化趨勢(shì)與實(shí)況最為接近，最低值為954 hPa。圖2b為臺(tái)風(fēng)10 m最大風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線。前24小時(shí)為模擬臺(tái)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(jìn)行，風(fēng)速逐漸調(diào)整到實(shí)況值附近。此后，四個(gè)試驗(yàn)方案基本保持了與實(shí)況值隨時(shí)間變化相似的趨勢(shì)。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?gòu)?qiáng)度弱于實(shí)況及其他三個(gè)方案。由三個(gè)試驗(yàn)的模擬風(fēng)場(chǎng)可以分析得出，海表粗糙度的改變對(duì)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(tái)風(fēng)模擬的后期（第 60～72小時(shí)，22日12:00～23日00:00），SST對(duì)臺(tái)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(duì)臺(tái)風(fēng)路徑影響不大。

圖2 （a）臺(tái)風(fēng)的中心最低氣壓和（b）10 m最大風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線；（c）臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑（臺(tái)風(fēng)符號(hào)為實(shí)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(tái)風(fēng)與實(shí)況最為接近（劉磊等，2012b），因此，本文在研究臺(tái)風(fēng)眼墻內(nèi)中尺度渦的結(jié)構(gòu)時(shí)，主要分析了2006年7月21日12:00～13:00一個(gè)小時(shí)的輸出結(jié)果，該時(shí)段為“格美”臺(tái)風(fēng)快速加強(qiáng)階段。圖3為該時(shí)段臺(tái)風(fēng)眼墻附近的垂直速度分布。850 hPa高度處臺(tái)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(tái)風(fēng)風(fēng)垂直切變方向的垂直上升氣流最為強(qiáng)烈（魏超時(shí)等，2011）。沿著方位角方向，四個(gè)垂直上升流依次為A、B、C、D（圖3 a）；500 hPa高度處（黑色實(shí)線），四個(gè)垂直急流消失，合并為一個(gè)垂直速度極值區(qū)，同時(shí)，該區(qū)域相對(duì) 850 hPa的垂直速度所在位置向臺(tái)風(fēng)外圍擴(kuò)張，與眼墻由下向上逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)相一致（Jorgensen，1984；Black et al.，1996）；在200 hPa高度處（藍(lán)色實(shí)線），垂直速度極值區(qū)進(jìn)一步向外擴(kuò)張，且切向方向的范圍相對(duì)低層逐漸拉長(zhǎng)。15 min后（圖3b），850 hPa的垂直上升氣流A向逆時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，對(duì)流強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，而垂直氣流B在氣旋式移動(dòng)過(guò)程中由21日12:00的一個(gè)單體急流逐漸分離為兩個(gè)，由于逐漸遠(yuǎn)離順切變方向，垂直上升速度呈減小趨勢(shì)。隨著垂直氣流C、D向順切變方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，與此同時(shí)，臺(tái)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(tái)風(fēng)順切變左側(cè)，垂直上升速度達(dá)到最大。垂直氣流D及E向順切變方向移動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)流逐漸增強(qiáng)，臺(tái)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(shí)針旋轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離順切變方向后逐漸減弱，此時(shí)，氣流D位于順切變方向左側(cè)，垂直速度達(dá)到最大，同時(shí)，位于其后部的氣流E、F在順切變旋轉(zhuǎn)過(guò)程中強(qiáng)度逐漸增大。四個(gè)時(shí)次的眼墻演變過(guò)程中，垂直上升對(duì)流單體在順切變右側(cè)逐漸加強(qiáng)，在順切變左側(cè)逐漸減弱消散，說(shuō)明對(duì)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(duì)流單體在順切變方向生成時(shí)即布滿整個(gè)對(duì)流層，而不是先在低層生成，然后在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中逐漸發(fā)展而布滿整個(gè)對(duì)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(shuō)明對(duì)流單體在生成時(shí)沒(méi)有布滿整個(gè)對(duì)流層，而是在后續(xù)發(fā)展過(guò)程中，向上擴(kuò)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(shí)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(duì)流單體出現(xiàn)的時(shí)間及位置與眼墻內(nèi)的中尺度對(duì)流渦具有密切關(guān)系。圖4為所選時(shí)段的相對(duì)渦度（垂直分量，下同）及垂直速度的分布。四幅圖中相對(duì)渦度基本呈環(huán)狀分布，與眼墻結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)至順切變左側(cè)時(shí)，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(shí)間，說(shuō)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(guò)渦旋力管扭曲效應(yīng)（Braun，2006）加強(qiáng)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(chǎng)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(duì)流單體的發(fā)展。

圖5為所選時(shí)段的垂直上升氣流及散度場(chǎng)分布。輻合、輻散場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)眼墻西南側(cè)較強(qiáng)，與中尺度垂直上升對(duì)流單體對(duì)應(yīng)。輻散場(chǎng)位于眼墻垂直對(duì)流帶的內(nèi)沿，與眼區(qū)下沉氣流相對(duì)應(yīng)，輻合場(chǎng)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(duì)流單體的切向方向上，兩個(gè)對(duì)流單體之間間隔分布著輻合、輻散場(chǎng)，說(shuō)明垂直對(duì)流單體間的空隙是眼區(qū)與外部環(huán)境進(jìn)行交換的區(qū)域，同時(shí)，中尺度渦結(jié)構(gòu)阻止了外部氣流對(duì)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(duì)渦度（黑色實(shí)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(duì)其進(jìn)行說(shuō)明，進(jìn)一步揭示垂直上升氣流與相對(duì)渦度之間的關(guān)系，主要對(duì)850～500 hPa層之間的水平風(fēng)場(chǎng)及渦度場(chǎng)進(jìn)行了垂直方向上的平均，以臺(tái)風(fēng)中心為原點(diǎn)轉(zhuǎn)化為柱坐標(biāo)，并剔除了水平風(fēng)場(chǎng)中的切向平均風(fēng)場(chǎng)，得到非平衡風(fēng)場(chǎng)（Braun，2006）。圖6所示，經(jīng)過(guò) 850～500 hPa層面平均的渦度場(chǎng)與垂直上升對(duì)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(chǎng)，進(jìn)一步說(shuō)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(qiáng)烈的區(qū)域，在中尺度渦的觸發(fā)機(jī)制下，該區(qū)域出現(xiàn)中尺度垂直上升對(duì)流單體，同時(shí)，該中尺度對(duì)流單體通過(guò)渦管扭曲效應(yīng)加強(qiáng)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(duì)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(dòng)量輸送，從而對(duì)眼墻內(nèi)垂直對(duì)流產(chǎn)生影響，但其具體對(duì)中尺度渦旋結(jié)構(gòu)的影響，是下一節(jié)討論的重點(diǎn)。

4 海溫及海表粗糙度對(duì)中尺度渦的影響

圖7為三個(gè)方案距離臺(tái)風(fēng)中心25 km半徑處垂直速度沿切向方向隨時(shí)間變化趨勢(shì)。EXP3方案中，垂直速度沿著逆時(shí)針?lè)较?，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(qiáng)烈的中尺度對(duì)流單體，同時(shí)，中尺度渦出現(xiàn)閉合單體結(jié)構(gòu)，與垂直對(duì)流單體相對(duì)應(yīng)。氣流繼續(xù)轉(zhuǎn)至順切變左側(cè)后，垂直對(duì)流速度開始快速減弱，由垂直對(duì)流加強(qiáng)的中尺度渦結(jié)構(gòu)仍然能維持一段時(shí)間。隨著模式積分的進(jìn)行，中尺度對(duì)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?zhàn)饔脮r(shí)（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(duì)流加強(qiáng)，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(shí)間變化上，由于較強(qiáng)的垂直對(duì)流，中尺度渦的持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于EXP3方案。EXP2方案（圖7b）沒(méi)有考慮海浪對(duì)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(gè)試驗(yàn)方案中最小，中尺度對(duì)流渦相對(duì)EXP1偏弱，但海表粗糙度的減小引起低層風(fēng)場(chǎng)加速，相對(duì)EXP3方案偏強(qiáng)。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(duì)稱性減弱，使得EXP2方案中的中尺度對(duì)流渦在切向方向上的分布相對(duì) EXP1、EXP3方案較為均勻。

圖5 與圖4對(duì)應(yīng)的850 hPa垂直速度（填充圖，單位：m s-1）和散度（黑色實(shí)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(duì)稱風(fēng)場(chǎng)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(qiáng)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。EXP2方案中的中尺度渦位于半徑30 km附近，與臺(tái)風(fēng)中心距離介于EXP1與EXP3方案之間，和臺(tái)風(fēng)眼墻所在位置密切相關(guān)。

SST及海表粗糙度對(duì)眼墻內(nèi)渦度結(jié)構(gòu)具有顯著影響，通過(guò)分析渦度變化來(lái)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(duì)渦度的診斷方程為

方程等號(hào)右側(cè)第一、二項(xiàng)為相對(duì)渦度平流項(xiàng)，第三項(xiàng)為相對(duì)渦度的鉛直輸送項(xiàng)，第四項(xiàng)為散度作用項(xiàng)，第五項(xiàng)為β效應(yīng)項(xiàng)，第六項(xiàng)為扭轉(zhuǎn)項(xiàng)。其中，第一 、 二項(xiàng)與 第 五項(xiàng)可以合并為水平 平 流項(xiàng)-·?h(ζp+f)，同時(shí)，由于次網(wǎng)格項(xiàng)較小，（1）式中沒(méi)有列出次網(wǎng)格項(xiàng)。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(xiàng)對(duì)渦度變化的正貢獻(xiàn)主要集中于740 hPa以下，由氣旋的水平運(yùn)動(dòng)引起渦度的局地變化。740 hPa層面以上存在水平平流項(xiàng)對(duì)渦度變化的負(fù)貢獻(xiàn)，但在21日21:00左右，水平平流項(xiàng)對(duì)渦度變化的正貢獻(xiàn)顯著增強(qiáng)，說(shuō)明隨著氣旋強(qiáng)度的增強(qiáng)，水平平流項(xiàng)對(duì)中層渦度的正貢獻(xiàn)逐漸增大。當(dāng)考慮SST的響應(yīng)時(shí)，EXP3方案中水平平流項(xiàng)對(duì)渦度變化的正貢獻(xiàn)減弱，同時(shí)所在層面降低。中層水平平流項(xiàng)對(duì)渦度變化的負(fù)貢獻(xiàn)顯著增強(qiáng)，由以上分析可知，SST降低引起非絕熱過(guò)程減弱，氣旋流場(chǎng)速率降低，從而導(dǎo)致水平平流對(duì)渦度的貢獻(xiàn)減小。當(dāng)不考慮海浪效應(yīng)時(shí)，EXP2與EXP3方案相比，水平平流項(xiàng)對(duì)渦度的正貢獻(xiàn)所在高度較為一致，但強(qiáng)度明顯強(qiáng)于EXP3方案，說(shuō)明海表粗糙度的減小引起低層風(fēng)場(chǎng)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(duì)渦度（黑色實(shí)線，起始值為3，間隔為2，單位：10-3 s-1）及非平衡風(fēng)場(chǎng)（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(duì)相對(duì)渦度的貢獻(xiàn)。EXP1方案中，垂直輸送項(xiàng)在低層對(duì)渦度變化的貢獻(xiàn)為負(fù)，在中層為正，說(shuō)明在氣旋增強(qiáng)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(qiáng)，垂直輸送項(xiàng)對(duì)低層渦度的負(fù)貢獻(xiàn)向上擴(kuò)展，但對(duì)中層的正貢獻(xiàn)不斷減小，說(shuō)明隨著氣旋不斷增強(qiáng)，垂直輸送氣流向高層擴(kuò)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?zhàn)饔煤?，EXP3方案中垂直輸送對(duì)低層渦度的負(fù)貢獻(xiàn)減小，中層的正貢獻(xiàn)向低層擴(kuò)展，由于非絕熱過(guò)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(jí)降低，導(dǎo)致整個(gè)層面的正渦度、負(fù)渦度貢獻(xiàn)區(qū)域都向低層下降。當(dāng)不考慮海浪效應(yīng)時(shí)，EXP2方案相對(duì)EXP3方案的垂直輸送對(duì)中層渦度的正貢獻(xiàn)向上收縮，說(shuō)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(xiàn)的在低層減弱，正貢獻(xiàn)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(duì)渦度（黑色實(shí)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(shí)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(chǎng)對(duì)渦度變化的貢獻(xiàn)。EXP1方案中，輻合輻散場(chǎng)對(duì)渦度的貢獻(xiàn)主要集中于低層，在整個(gè)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(duì)渦度變化的影響。當(dāng)考慮SST的反饋?zhàn)饔煤?，EXP3方案中輻合輻散場(chǎng)對(duì)低層渦度的貢獻(xiàn)與EXP1方案較為一致，但在中層，正貢獻(xiàn)明顯增強(qiáng)，說(shuō)明SST降低引起中層流場(chǎng)輻散減弱，增加了中層渦度。當(dāng)不考慮海浪效應(yīng)時(shí)，EXP2方案相對(duì)EXP3方案最大的改變是水平散度項(xiàng)使中層渦度正貢獻(xiàn)增大，說(shuō)明海表粗糙度減低，進(jìn)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(duì)渦度的水平平流變化診斷分析（時(shí)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(duì)渦度的鉛直輸送變化診斷分析（時(shí)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(duì)渦度的散度變化診斷分析（時(shí)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(duì)渦度的扭轉(zhuǎn)項(xiàng)變化診斷分析（時(shí)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(xiàng)對(duì)渦度變化的貢獻(xiàn)。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(xiàng)在780 hPa層附近對(duì)渦度存在正貢獻(xiàn)，隨著氣旋加強(qiáng)，正貢獻(xiàn)逐漸減弱，可能與氣旋加強(qiáng)后眼墻內(nèi)中尺度渦結(jié)構(gòu)軸對(duì)稱化有關(guān)。當(dāng)考慮SST的反饋?zhàn)饔煤螅珽XP3方案中由于SST分布不均勻?qū)е卵蹓?nèi)存在較強(qiáng)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而扭轉(zhuǎn)項(xiàng)造成眼墻內(nèi)渦度變化的正貢獻(xiàn)。由于EXP2方案沒(méi)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(xiàng)引起渦度變化的正貢獻(xiàn)較小。

5 小結(jié)

本文利用?！?dú)狻送耆詈舷到y(tǒng)對(duì) 2006年“格美”（Kaemi）臺(tái)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(guò)進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，研究了臺(tái)風(fēng)條件下SST反饋及海浪效應(yīng)對(duì)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(qiáng)，在順切變左側(cè)達(dá)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(qiáng)，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(duì)應(yīng)。在切向氣流的作用下，中尺度渦移動(dòng)到順切變左側(cè)并達(dá)到最強(qiáng)后，中尺度垂直氣流強(qiáng)度逐漸減弱，但渦環(huán)結(jié)構(gòu)仍然能夠保持。沿著逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)到順切變右側(cè)后，在合適的垂直流場(chǎng)作用下，渦環(huán)結(jié)構(gòu)觸發(fā)中尺度垂直氣流。同時(shí)，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(chǎng)，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(qiáng)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?zhàn)饔脮r(shí)，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(duì)流加強(qiáng)，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(shí)間變化上，由于較強(qiáng)的垂直對(duì)流，中尺度渦的持續(xù)時(shí)間明顯較長(zhǎng)。當(dāng)不考慮海浪對(duì)海表粗糙度的影響，在較小的海表粗糙度條件下，眼墻非對(duì)稱性減弱，使得中尺度對(duì)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?zhàn)饔眉昂＠诵?yīng)影響較小，其相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心的位置主要與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)。

SST降低引起非絕熱過(guò)程減弱，水平流場(chǎng)速度減慢，使得水平平流對(duì)渦度的貢獻(xiàn)減小。由于非絕熱過(guò)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(duì)低層的負(fù)貢獻(xiàn)減弱，而對(duì)中層渦度的正貢獻(xiàn)增大。輻合輻散場(chǎng)對(duì)渦度的正貢獻(xiàn)在中層明顯增強(qiáng)。由于SST分布不均勻?qū)е卵蹓?nèi)存在較強(qiáng)的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從而扭轉(zhuǎn)項(xiàng)造成眼墻內(nèi)渦度變化的正貢獻(xiàn)。當(dāng)不考慮海浪效應(yīng)時(shí)，水平平流項(xiàng)對(duì)渦度的正貢獻(xiàn)明顯增大，說(shuō)明海表粗糙度的減小引起低層風(fēng)場(chǎng)加速，是眼墻內(nèi)渦度增加的主要原因。垂直輸送對(duì)中層渦度的正貢獻(xiàn)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(xiàng)使中層渦度出現(xiàn)正貢獻(xiàn)，說(shuō)明海表粗糙度減低，引起中層輻散場(chǎng)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(xiàng)引起渦度變化的正貢獻(xiàn)較小。

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