环境垂直风切变对0509号台风“麦莎”的影响分析

李 瑞，李本亮，胡 鹏，梁永礼，刘爱梅

（济南市气象局，山东济南 250102）

环境垂直风切变对0509号台风“麦莎”的影响分析

李 瑞，李本亮，胡 鹏，梁永礼，刘爱梅

（济南市气象局，山东济南 250102）

利用多种卫星观测资料和NCEP/NCAR提供的风场资料等，分析了环境垂直风切变对0509号台风“麦莎”的强度、对流和降水结构的影响。结果表明：在台风“麦莎”整个生命史中，垂直风切变与其强度之间关系非常密切，但垂直风切变不是影响其强度变化的唯一因素；“麦莎”登陆前及登陆后在垂直风切变作用下，强对流和强降水均位于顺切变方向及其左侧，对流和降水呈1阶非对称分布。

台风“麦莎”；强度；对流和降水结构；环境垂直风切变

0 引言

大量研究［1-6］表明，一定强度的环境垂直风切变（environmental vertical wind shear）是阻碍热带气旋（TC）生成和造成热带气旋减弱的主要因素之一。GRAY［7］认为，环境垂直风切变对TC总体上的影响可解释为“通风流”效应，即由于各层水平风方向和速度不同，使TC内区高层暖湿空气及释放的潜热平流到环境中而导致TC强度减弱。GALLINA et al［8］统计研究表明，阻碍TC发展的环境垂直风切变的阈值在大西洋为7～8 m·s-1，在西北太平洋为9～10 m·s-1。另外，很多研究［9-12］表明，环境垂直风切变与TC的对流和降水结构密切相关。在观测研究方面，FRANKLIN et al［13］综合应用下投式探空仪和机载多普勒雷达资料分析在垂直风切变影响下风暴Gloria（1985）的对流分布，发现Gloria（1985）内眼壁上的对流趋于集中在顺切变方向左侧。CORBOSIERO et al［14］借助美国国家闪电探测网观测的闪电资料研究了垂直风切变对35个大西洋TC对流分布的影响，发现当垂直风切变大于5 m ·s-1时，90%多的闪电发生在顺切变方向两侧的象限内；在TC内雨带（距TC中心100 km以内）顺切变方向左侧象限内的闪电数最多，而在外雨带（距TC中心100～300 km范围内）顺切变方向右侧象限内的闪电数最多，闪电数越多表明对流越活跃。CHEN et al［15］利用TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）卫星观测反演的地面降水率研究了垂直风切变对北半球大洋上TC降水分布的影响，结果表明当垂直风切变大于7.5 m·s-1时，距TC中心300 km以内最大降水率位于顺切变方向左侧。在数值模拟研究方面，干绝热框架下垂直风切变影响TC眼壁附近的非对称垂直运动的物理机理已比较清楚［16-17］，虽然非对称次级环流的上升运动位于顺切变方向的右侧，由于TC逆时针方向环流的平流作用，使强降水出现在顺切变方向及其左侧；在考虑了湿过程以后［18-19］，强烈的上升运动和降水出现在顺切变方向的左侧。环境垂直风切变对TC强度、对流和降水结构的影响在国外已有较多研究，并将其作为TC强度和降水预测模型［20-23］的一个重要因子，然而目前在国内这方面的研究和应用还不多，加强这方面的研究具有一定意义。

2005年7月30日12时（世界时，以下时间均采用世界时）第9号热带气旋“麦莎”在雅浦岛以南约100 km的太平洋上生成。随后几天，它一直向西北方向移动，强度不断加强，于8月5日19时40分在浙江省玉环县登陆，登陆时强度为强台风。登陆以后，“麦莎”继续向西北方向移动，强度逐渐减弱。7日进入安徽东部并减弱为热带风暴。然后，它开始折向北移动，进入江苏省。8日“麦莎”进入山东省，下午变性为温带气旋。“麦莎”移动路径和所经洋面SST见图1（考虑在6 d的时间内SST不会有明显变化，因此用7月31日至8月5日平均SST代表“麦莎”所经洋面SST分布）。“麦莎”登陆后破坏力强，影响范围广，是我国2005年度受灾面积最大、经济损失最重的一个台风。本文将借助多种观测资料分析环境垂直风切变对“麦莎”强度、对流和降水结构的影响。

1 数据与方法

1.1 数据介绍

“麦莎”强度和中心经纬度资料来自中国气象局上海台风研究所出版的《热带气旋年鉴》，该资料每6 h记录一次。

环境风场取自NCEP/NCAR提供的FNL（Global Final Analyses）分析场，该资料空间分辨率为1°，时间分辨率为6 h。

海表温度采用NCEP提供的全球实时海温资料（RTG-SST），该资料为日平均SST，空间分辨率为0.5°。

利用风云2C卫星搭载的可见光红外自旋扫描辐射仪（VISSR）观测的1 h平均相当黑体亮度温度（TBB）来研究TC对流系统的发展，其空间分辨率为0.1°。对于强对流天气的发展，云顶亮温一般在-60℃以下，有时会达到-100℃以下，云顶温度越低表明云顶越高，对流越旺盛［24］。据统计，87.3%以上的暴雨发生在-63～-80℃［25］。这为我们应用TBB数据来研究“麦莎”对流的发展提供可行性。

TRMM卫星是1997年11月美日联合发射的，第一次用于量化测量热带降雨的空间卫星计划，目的是更多地了解热带降雨对全球气候系统的影响［26］。该卫星是一颗极轨卫星，其周期为91.3 min，每天运行15.77轨，覆盖范围为赤道附近南北纬50°之间的地区。卫星上搭载的微波成像仪（TMI）的观测目的是探测海上降雨强度，其扫描宽度为760 km，水平分辨率为4.4 km。吕艳彬等［27］利用1998年6月华南暴雨试验期间3个加密观测时段的逐小时雨量资料对TRMM/TMI的测雨能力进行了考察，结果表明TRMM/TMI对热带强对流降水有较好的监测能力。丁伟钰等［28］利用2002年3个热带气旋登陆广东过程中自动气象站的降水资料对TRMM降水估计资料进行了检验，研究发现2种资料有很好的相关性，TRMM降水估计资料可以反映出热带气旋降水的变化特征。因此，本文主要利用TRMM/TMI观测反演的地面降水率（单位为mm·h-1）研究台风“麦莎”的降水分布及其与环境垂直风切变的关系。

1.2 方法简介

1.2.1 环境垂直风切变的计算

为了计算影响TC的环境垂直风切变，参照PATERSON et al［29］的方法，从NCEP/NCAR再分析风场资料中剔除TC本身的环流。把剔除TC环流后的风场作为TC的环境风场。

对于环境垂直风切变的计算，目前比较普遍的求法是利用850 h Pa和200 hPa两层的区域平均风场矢量差来表示，沿切变方向称为顺切变方向，相反方向则称为逆切变方向。参照PALMER et al［30］的方法，以TC所在位置为中心，在10°×10°的正方形网格区域内，分别计算850 h Pa和200 hPa两层上经向和纬向风场的风速平均值，进而求出这两层的区域平均风场矢量差，其大小为：

式中：vws表示环境垂直风切变的大小，u200和u850分别表示200 hPa和850 hPa等压面上的纬向风速，v200和v850分别表示200 h Pa和850 hPa等压面上的经向风速。

1.2.2 对流和降水非对称性的计算

将风云2C（TRMM）卫星反演的TBB（地面降水率）沿方位Fourier展开，用以研究台风“麦莎”对流（降水）的空间分布，其公式如下：

式中：r为距TC中心的径向距离，θ表示方位角度，j表示Fourier展开的波数，R0为方位向平均的TBB（地面降水率），Rjc和Rjs为TBB（地面降水率）j阶波动Fourier系数。径向距离r处TBB（地面降水率）的j阶波动振幅可表示为：

1.2.3 趋势研究方法

趋势研究主要利用施能等［31］提出的气候趋势系数方法，即对任一时间序列｛xi｝，其气候趋势系数rxt定义为：

2 结果与分析

2.1 强度变化与环境垂直风切变的关系

图2显示的是2005年7月31日12时至8月7日12时“麦莎”中心最低气压及其环境垂直风切变随时间的演变。由图2可见，在“麦莎”登陆前（7月31日12时至8月5日18时），垂直风切变不断显著减弱（趋势系数为-0.696，通过0.001的显著性水平检验），至8月1日6时便减弱至＜10 m·s-1，当4日12时减弱至最小值1.895 m·s-1时，“麦莎”达到生命史中的最大强度台风。此后30 h内，垂直风切变依然较弱（均值为6.136 m·s-1），“麦莎”继续维持最大强度。同时，从图1可以看出“麦莎”登陆前所经洋面SST达27～29℃，为其强度的增强和维持提供了充足的能量来源。这与CHAN et al［32］的研究结论相一致，他认为TC强度对SST变化的响应几乎是同时的，当SST在27～30℃时，TC增强最快。由此可见，“麦莎”登陆前处于不断显著减弱的较弱切变环境中（切变均值为7.286 m·s-1），同时27～29℃的高海温区为其强度的增强提供了十分有利的环境条件。“麦莎”登陆后（8月6日00时至7日12时），一方面受不断显著增强的垂直风切变影响（趋势系数为0.788，通过0.05的显著性水平检验），另一方面深入内陆下垫面由海洋变为陆地，来自下垫面进入台风系统的潜热和水汽大幅减少以及地形的摩擦等都使其由台风迅速减弱为热带低压。

进一步计算得到“麦莎”整个生命史中中心最低气压和垂直风切变两组序列同时刻的相关系数为0.657，中心最低气压滞后垂直风切变6 h的相关系数为0.596，这2个相关系数均通过0.001的显著性水平检验。以上分析说明垂直风切变与“麦莎”强度之间关系非常密切，但垂直风切变不是影响其强度变化的唯一因素。“麦莎”登陆前及登陆后在影响其强度变化的多个因素中，垂直风切变的相对作用还需今后进一步深入研究。

2.2 对流与环境垂直风切变的关系

“麦莎”登陆前（7月31日12时至8月5日18时），每隔6 h共有22个TBB数据样本。首先将这些数据样本分别以“麦莎”中心为极坐标中心插值到极坐标上，然后旋转使它们的垂直风切变方向重合（均指向正北），进而对TBB数据叠加求平均，最终得到如图3a所示的合成图。由图可知，合成TBB的空间分布具有明显的非对称性。距“麦莎”中心800 km以内，在同一半径距离上，TBB低值即强对流主要位于顺切变方向及其左侧的象限上，而在逆切变方向左侧的象限上始终是TBB的高值。TBB的极低值即最强对流位于顺切变方向左侧距“麦莎”中心400 km以内。

选取“麦莎”登陆后（8月6日00时至7日12时）每隔6 h共7个TBB数据样本来分析垂直风切变对其对流分布的影响。从TBB合成图（图3b）可以看出，“麦莎”登陆后，随着强度的迅速减弱，对流强度也显著减弱；TBB的空间分布仍表现出明显的非对称性。距“麦莎”中心800 km以内，TBB低值即强对流主要位于顺切变方向及其左侧，而在逆切变方向左侧始终是TBB高值。TBB的极低值即最强对流远离“麦莎”中心，位于顺切变方向左侧距“麦莎”中心400 km附近。

将“麦莎”登陆前（图3a）及登陆后（图3b）合成的TBB沿方位Fourier展开（表1和表2），在各径向距离上1阶振幅明显大于其它高阶振幅，说明“麦莎”对流分布具有明显的1阶非对称结构。

以往理论上的研究只能说明垂直风切变影响TC眼墙附近对流呈1阶非对称分布的形成机理［12，16-19］，BLACK et al［9］、FRANKLIN et al［13］及CORBOSIERO et al［14］的观测资料统计分析也只限于距TC中心300 km以内，图3的分析结果表明，无论“麦莎”登陆前还是登陆后，距“麦莎”中心300 km以内，甚至300～800 km的强对流都偏向于落在顺切变方向及其左侧。

2.3 降水与环境垂直风切变的关系

由于卫星扫描在时间和空间上的局限性，选取TRMM/TMI观测反演的7个时次的地面降水率进行分析，如图4所示。对于每个TRMM/TMI观测时刻，选取与该时刻最相近2个时刻的“麦莎”中心位置和垂直风切变，通过线性插值得到该观测时刻“麦莎”中心位置和垂直风切变。考虑“麦莎”登陆后被TRMM/TMI观测到的次数较少，选取地面加密自动气象站观测的2005年8月7日00时—01时降水量作为研究资料的补充（图5）。8月7日00时—01时，“麦莎”中心由（31.2°N，118.4°E）略微向北移动到（31.3°N，118.4°E），垂直风切变与正东方向的夹角由32.49°略微顺时针旋转到32.24°，所以用00时与01时“麦莎”中心位置、垂直风切变的平均来定性分析垂直风切变对“麦莎”降水分布的影响是可行的。从图4和图5可以看出，在“麦莎”生命史中，眼墙及眼墙外螺旋雨带的强降水均位于顺切变方向及其左侧。将“麦莎”登陆前（图4a）及登陆后（图4f）的地面降水率沿方位Fourier展开（表3和表4），在各径向距离处1阶振幅明显大于其它高阶振幅，说明“麦莎”降水分布具有明显的1阶非对称结构。

以往观测研究集中分析海盆中TC降水分布与垂直风切变的关系［10-11，15］，对TC登陆后二者之间关系的研究甚少。TC登陆后其降水分布由垂直风切变、水汽供应改变、复杂地形、TC与中低纬度系统相互作用等共同影响所决定，降水的空间结构具有很大的不确定性。从图4e～4g及图5可以看出，“麦莎”登陆后降水分布与垂直风切变依然具有很好的对应关系，即强降水位于顺切变方向及其左侧。

3 结论

（1）“麦莎”登陆前处于不断显著减弱的较弱切变环境中和27～29℃的高海温区，为其强度的增强提供了十分有利的环境条件，使“麦莎”由热带低压不断发展增强为台风。“麦莎”登陆后，一方面受不断显著增强的垂直风切变影响，另一方面深入内陆，下垫面由海洋变为陆地，来自下垫面进入台风系统的潜热和水汽大幅减少以及地形的摩擦等都使其由台风迅速减弱为热带低压。在“麦莎”整个生命史中，垂直风切变与其强度之间关系非常密切，但垂直风切变不是影响强度变化的唯一因素。“麦莎”登陆前及登陆后在影响其强度变化的多个因素中，垂直风切变的相对作用还需今后进一步深入研究。

（2）“麦莎”登陆前，TBB的极低值即最强对流位于顺切变方向左侧距“麦莎”中心400 km以内。登陆后TBB的极低值即最强对流远离“麦莎”中心，位于顺切变方向左侧距“麦莎”中心400 km附近。“麦莎”登陆前及登陆后，距“麦莎”中心800 km以内的强对流都偏向于落在顺切变方向及其左侧，对流呈1阶非对称分布。

（3）“麦莎”登陆前，眼墙及眼墙外螺旋雨带的强降水均位于顺切变方向及其左侧。“麦莎”登陆后，降水分布由垂直风切变、水汽供应改变、复杂地形、TC与中低纬度系统相互作用等共同影响所决定，降水的空间结构具有很大的不确定性，然而垂直风切变与降水分布仍具有很好的对应关系，即强降水位于顺切变方向及其左侧。“麦莎”登陆前及登陆后降水呈1阶非对称分布。

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Effects of environmental vertical wind shear on Typhoon Matsa（0509）

LI Rui，LI Ben-liang，HU Peng，LIANG Yong-li，LIU Ai-mei
（Jinan Meteorological Bureau，Jinan 250102，China）

The effects of environmental vertical wind shear（VWS）on the intensity，convection and precipitation asymmetries in Typhoon Matsa（0509）were analyzed based on the satellite observation data from various sources and NCEP/NCAR reanalysis wind.The results show that before and after Matsa's landfall，there is very close relationship between the VWS and Matsa's intensity，but the VWS is not a sole factor for Matsa's intensity variability.The VWS has a great impact on the asymmetric distribution of Matsa's convection and precipitation before and after its landfall.Heavy convection and rainfall generally occurr downshear to downshear-left of the VWS vector，showing a strong wavenumber-1 asymmetry.

Typhoon Matsa；intensity；convection and precipitation structures；environmental vertical wind shear

P444

A

1001-909X（2014）02-0014-09

10.3969/j.issn.1001-909X.2014.02.002

李瑞，李本亮，胡鹏，等.环境垂直风切变对0509号台风“麦莎”的影响分析［J］.海洋学研究，2014，32（2）：14-22，

10.3969/j. issn.1001-909X.2014.02.002.

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2013-11-27…………

2014-04-03

国家自然科学基金项目资助（40775060）

李瑞（1977-），男，江苏宿迁市人，高级工程师，主要从事台风降水方面的研究。E-mail：lr9352@126.com