登陸臺風Matsa（麥莎）中尺度擾動特征分析

冀春曉 趙放 高守亭 劉黎平

1 浙江省氣象科學研究所，杭州 310017

2 浙江省氣象臺，杭州 310017

3 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029

4 中國氣象科學研究院，北京 100081

登陸臺風Matsa（麥莎）中尺度擾動特征分析

冀春曉1趙放2高守亭3劉黎平4

1 浙江省氣象科學研究所，杭州 310017

2 浙江省氣象臺，杭州 310017

3 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029

4 中國氣象科學研究院，北京 100081

地面中尺度自動站和多普勒雷達資料的分析都表明，臺風Matsa登陸后的低層螺旋云帶中活躍著中尺度氣旋性渦旋系統。本文使用新一代中尺度WRF模式對臺風Matsa登陸后的變化特征進行了數值模擬，使用四維變分多普勒雷達分析系統 （4D－VDRAS）對臺風Matsa多普勒雷達徑向風進行了風場反演。在此基礎上對臺風Matsa登陸后中尺度擾動特性進行了初步探討；對臺風Matsa與其螺旋云帶的中尺度系統之間動能和渦度的相互轉換進行了診斷分析。分析表明：（1）數值模擬和雷達風場反演結果表明，登陸臺風Matsa的低層螺旋云帶中活躍著中尺度氣旋式渦旋系統，與之相伴隨的為較強的中尺度上升區，而且，中尺度垂直上升運動的強弱與雷達對流回波強度成正相關，中尺度垂直上升運動越強，雷達對流回波發展越旺盛。（2）臺風Matsa與其中尺度系統動能轉換的診斷分析說明，低層中尺度系統從臺風Matsa環流中獲得動能而發展；Matsa在陸地上長久維持主要是從高層獲得動能。（3）臺風Matsa與其中尺度系統渦度轉換的診斷分析說明，低層中尺度系統向Matsa輸送正渦度主要依靠中尺度垂直運動來完成；高層正渦度的轉換通過水平輸送和垂直輸送共同來完成。所以，中尺度系統所產生的正渦度源源不斷地向Matsa輸送，使Matsa的氣旋性環流可以在陸地上長久維持。

登陸臺風 中尺度擾動 維持 動能和渦度轉換

1 引言

隨著氣候的逐漸變暖，高溫熱浪、干旱、強降水等極端氣候事件發生的頻率增加、強度增大，造成洪澇、干旱等災害更為嚴重。近幾年來，影響我國臺風的強度和頻率似乎也有增長的趨勢。例如，2007年8～10月期間，“圣帕”、“韋帕”、“羅莎”3個強臺風接連嚴重影響了浙江省，造成了大范圍的暴雨和大暴雨。登陸臺風所帶來的災害與其強度、登陸后維持的時間等有著密切的關系。臺風強度及強度變化主要受下墊面、環境場的風垂直切變、上層槽和臺風渦旋自身結構的影響 （Emanuel，1988；DeMaria，1996； Montgomery and Kallenbach，1997；Jones，2000）。環境因子通過與渦旋的相互作用影響渦旋內部結構及物理過程，進而影響臺風的強度變化。環境場、臺風及渦旋內部多尺度之間的相互作用決定了臺風強度變化的復雜性 （Wang and Wu，2004）。Chen（1998）指出，登陸臺風在以下幾種環流條件下將維持較長時間：（1）臺風環流保持一定的水汽供給；（2）臺風環流中存在活躍的中尺度對流活動；（3）弱冷空氣侵入臺風環流引起變性；（4）登陸臺風環流移入一個高空輻散區之下。陳聯壽等 （2002）的研究表明，登陸臺風因地形或環境流場輻合作用常在其外圍形成中尺度渦旋，當這種渦旋與臺風相互作用被吸入內區時，這時臺風渦量將增加，有利于登陸臺風在陸上的維持。李英等 （2005a）的診斷研究發現，長久維持的熱帶氣旋在登陸后仍保持一定強度，并從外界獲得熱量和水汽補充來支持積云對流發展，而積云對流對登陸熱帶氣旋的長久維持具有正反饋作用。陳永林等 （2008）分析麥莎臺風次天氣尺度系統的非對稱性結構時發現，臺風麥莎登陸后其外圍云系中活躍著中尺度對流系統。段麗和陳聯壽 （2005）在對熱帶風暴“菲特”的診斷研究中發現，當“菲特”穿越瓊州海峽時，其外圍流場和五指山山脈的輻合極有利于中尺度對流小渦系統 （MCS）的生成，而特大暴雨就出現在MCS所在地區。王繼志和楊元琴（1995）研究了8807號臺風突然增強的原因后指出，臺風中中尺度系統與周圍環境中大尺度系統的相互作用對臺風的增強十分重要。而熱帶氣旋的加強則可能與其從次天氣尺度運動中獲得動能補充有關。李英等 （2004）在登陸熱帶氣旋維持的次天氣尺度環流特征中指出，臺風渦旋的強對流云團或雨帶作為次天氣尺度呈現出的波狀螺旋型特征，這種螺旋波結構有利于熱帶氣旋的維持。維持和加強的登陸熱帶氣旋可以從次天氣尺度環流中獲得動能補充，所以，判斷一個熱帶氣旋登陸后能否繼續維持或再加強，除考慮大尺度環流等因素的影響外，次天氣尺度環流的作用也是一個不可忽視的因子。于玉斌等 （2008）的數值模擬試驗表明低層氣旋性渦旋并入臺風環流是“桑美”近海急劇增強的重要原因。鄧國等 （2005）對臺風數值模擬中邊界層方案進行敏感性試驗后發現，臺風邊界層通過摩擦混合和輻射等作用與地表產生水汽、熱量和動量的交換，并通過湍流效應和積云的夾卷作用將邊界層的影響擴展至整個自由大氣。勵申申等 （1992）的研究表明，登陸臺風的消亡除摩擦作用外，還可能通過支持外圍大暴雨的發展將能量傳遞出去而使本身消亡。袁金南等 （2005）發現，邊界層摩擦對登陸熱帶氣旋強度的影響非常明顯，其中摩擦是造成登陸熱帶氣旋強度迅速減弱的一個重要因素。李英等（2005b）的研究表明，外界水汽輸送有助于熱帶氣旋雨帶中的強對流活動，使雨量加強。而對流活動過程中水汽凝結潛熱釋放是熱帶氣旋獲得能量繼續維持的重要條件。于玉斌等 （2008）在超強臺風“桑美”（2006）近海急劇增強特征及機理分析中指出，“桑美”臺風急劇增強過程中，對流層高層動能的下傳是對流層低層動能補充的重要途徑之一。這些研究均表明，登陸臺風強度的變化與中尺度系統活動存在著非常密切的關系。

另外，隨著科學技術的進步，新一代多普勒天氣雷達在對臺風等災害天氣的探測中發揮了越來越重要的作用。多普勒天氣雷達不僅能夠探測臺風的螺旋云帶，而且通過風場反演技術有可能得到臺風中高時空分辨率的風場結構，這對于研究其中系統的動力結構大有益處。Sun et al.（1991）、Sun and Crook（1994，1997，1998）利用四維變分方法，結合云模式及其伴隨模式，提出了多普勒雷達4DVAR同化反演方法，試驗表明該方法能夠反演風暴云團的熱、動力場和微物理場。隨著變分技術的引入，使風場反演的可靠性和精度得到了進一步提高，深化了對臺風、颮線等災害性天氣的認識（Wu et al.，2000）。周海光和王玉彬 （2005）使用雙多普勒雷達三維風場反演技術 （MUSCAT）對6月29～30日合肥和馬鞍山多普勒雷達探測到的暴雨資料進行了三維風場反演，對暴雨系統的中尺度三維動力結構進行了研究，給出了此次暴雨的三維動力結構。王俊等 （2011）雙多普勒雷達反演的三維風場分析表明，普通多單體雷暴中低層存在水平輻合風場，且雷暴的發展與水平輻合風場的強度成正比。孫建華等 （2006）的多普勒反演風場分析表明，造成滁州強降雨的系統中存在中尺度輻合線，且中尺度輻合線只出現對流層低層，輻合線隨高度向北傾斜。但利用多普勒雷達探測資料研究臺風系統中的中尺度系統三維動力結構的國內還不多見。

2005年9號臺風Matsa登陸后在陸地上持續維持了近75小時，沿途帶來較大的災害，造成了巨大的損失。關于Matsa登陸后持續維持的機理冀春曉等 （2007）已經作過分析。本文著重分析研究臺風Matsa登陸后維持期間其螺旋云帶中的中尺度擾動特性。利用多普勒雷達探測到的Matsa臺風資料進行了四維變分風場反演，探討了臺風Matsa登陸后維持期間的中尺度結構，從而進一步深化對登陸臺風中尺度三維動力結構演變特征的認識。

2 模式、雷達同化和個例模擬

2.1 模式簡介

本文使用美國NCAR等研制開發的新一代中尺度數值模式 WRF（V2.1），網格格距為15km，模式區域中心點為 （29.3°N，120.1°E），格點數為363×363，垂直方向31層σ坐標。微物理過程選取Lin等 （1983）的方案；陸面過程選取Noah（Chen and Dudhia，2001）方案，積云對流參數化方案選取Betts－Miller－Janjic（Janji ，1994，2000）方案。初始時間選取2005年8月6日00時 （協調世界時，下同），積分時間為72小時，初猜場和邊界值選用NCEP的1°×1°再分析資料，常規資料為氣象信息綜合分析處理系統 （MICAPS）地面和高空資料，采用3DVAR技術將初始時刻的地面、高空觀測資料同化進入模式。側邊界為6小時變邊界。對臺風未經任何人工處理。

2.2 雷達4DVAR同化反演系統簡介

本文使用中國氣象局氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室提供的4DVAR同化反演系統。同化模式和變分同化方法由Sun and Crook（1997）建立，這里僅對其作一簡要介紹。同化模式為一個三維云模式，云模式建立在笛卡兒坐標系中，采用滯彈性近似，包含6個預報方程，它們是3個動量方程、熱力方程、雨水方程和總水方程。數值模式以無量綱變量形式編程，這樣可以平衡不同變量量級的差異，使得在同化過程中每個變量有相似的權重從而得到更好的收斂率。4DVAR資料同化的基本思想就是找模式變量的最優初始場，使得模式輸出結果在一定的時間域和空間域上與相應的觀測結果盡可能接近。為此，單部雷達價值函數J為

其中，求和針對空間區域σ、同化窗τ而言，ηv和ηz分別是徑向速度和反射率的權重系數，Vobr和Zob是雷達觀測的徑向速度和反射率。Vr和Z表示模式輸出的徑向速度和反射率。Jb和Jp分別為背景場、補償項函數。具體算法見Sun and Crook（1997），在此不再贅述。

2.3 個例選擇

2005年第9號臺風Matsa于8月5日19：40時在浙江省玉環縣干江鎮沿海登陸，登陸時中心氣壓950hPa，近中心最大風速12級以上 （45m／s）。登陸后先向西北方向移動，之后Matsa一路北上，強度減弱緩慢，給所經之地造成了重大的災害。所以，探討臺風Matsa在登陸后強度繼續維持的中尺度系統特征，對業務天氣預報應該具有十分重要的指導意義。

圖1 （a）臺風中心氣壓隨時間演變圖 ［豎虛線為兩個階段的分界線 （下同）］；（b）臺風路徑圖Fig.1 （a）Temporal evolution of the observed（■）and simulated（▲）sea level pressure（hPa）at the center of typhoon Matsa（The vertical dashed line denotes the dividing point between the two different periods of typhoon and tropical storm，the same below）；（b）the track of typhoon Matsa

2.4 臺風強度與路徑的數值模擬

臺風Matsa登陸后，在陸地上持續維持了近75小時，基本上可分為兩個階段，第一階段為5日18時～6日18時，臺風中心迅速被填塞，中心氣壓從950hPa快速上升到985hPa，近中心風速從45m／s快速下降到28m／s，但強度仍保持較強；第二階段為6日18時～8日21時，這一階段里臺風強度變化很小，之后Matsa減弱為溫帶氣旋。從圖1a可以看到，模式模擬的臺風中心氣壓在開始的幾個小時里與實際觀測值相差比較大，主要原因可能是由于所采用的NCEP資料水平分辨率還不夠高，對臺風的強度達不到更精確的描述，以及模式自身的spin up等問題，導致模擬的臺風中心氣壓要明顯高于實際值。隨著時間的延續，兩者很快變得一致，模式對Matsa強度緩慢變化過程進行了成功的模擬。從圖1b可以看到，模式對臺風Mat－sa登陸后路徑的模擬也是比較接近實況的，其中包括Matsa登陸后先向西北方向移動，而后轉向偏北方向移動。但是，隨著模擬時間的延長，模擬Matsa路徑與實況的誤差增大，這可能是由于模式模擬準確度與模擬時間成反比的緣故。

圖2 2005年8月 （a）6日15：00時和 （b）7日06：00時不同區域地面中尺度自動站2分鐘平均風向風速圖 （單位：m／s，數字為風速）▲：地面輻合中心 （下同）Fig.2 Observed 2－minute－mean surface winds（m／s）from AWS for different time and areas：（a）At 1500UTC 6Aug 2005；（b）at 0600 UTC 7Aug 2005.▲：the position of convergence center（the same below）

圖3 2005年8月不同時間和不同地點雷達組合反射率 （單位：dBZ）和地面中尺度自動站2分鐘平均風向風速圖 （單位：m／s）：（a）6日15：01時溫州雷達；（b）7日06：01時南京雷達Fig.3 Composite reflectivity of Doppler radar and observed 2－minute－mean surface winds from AWS for deferent time and areas：（a）Wenzhou radar at 1501UTC 6Aug 2005；（b）Nanjing radar at 0601UTC 7Aug 2005

3 中尺度擾動場特征分析

3.1 地面中尺度自動站與雷達觀測事實

我國地面中尺度自動站與多普勒雷達的布網為我們分析中尺度對流系統提供了寶貴的觀測資料。圖2給出了不同時間、不同區域的地面風向風速實測分布圖。圖2a為2005年8月6日15時地面中尺度自動站2分鐘的風向風速分布圖，圖中數字表示風速值，此時 Matsa中心位置位于 （30.5°N，119.3°E）。從圖2a可以看到Matsa的氣旋式環流很明顯，強風速區位于Matsa中心的東北方。將圖2a中黑方框區域放大后 （圖3a）可以發現，在Matsa的氣旋式環流中，即在浙江省的臺州地區存在中尺度氣旋性輻合區，輻合中心 （圖3a中▲，下同）的極小值達到了－3.0×10－4s－1左右。在6日15：01時溫州多普勒雷達組合反射率圖 （圖3a）上可以看到，中尺度氣旋性輻合區域中存在著結構密實的強對流回波，30dBZ以上的強回波呈帶狀分布，最強回波達45dBZ左右，25dBZ回波頂高達到500hPa左右 （圖5a），但輻合中心與強回波中心并不重合。2005年8月7日06時 （圖2b）臺風Matsa的中心位置已經到達了118.3°E、31.7°N，雖然仍維持著氣旋式環流，但其強度明顯減弱。與前一時刻相同的是如圖3b（圖2b中黑方框區域）所示，在Matsa的氣旋式環流中仍然存在著中尺度氣旋性輻合區，但輻合強度比6日15時要有所減弱，中心的最小值為－2.0×10－4s－1左右。相應地在7日06：01時南京的多普勒雷達組合反射率圖（圖3b）上，存在發展旺盛的對流回波與地面中尺度氣旋性輻合區域相對應，同樣輻合中心與強回波中心不重合，這些對流回波的組合反射率最大值均達到了50dBZ左右，而25dBZ回波頂高達到350hPa左右 （圖5b），與前一時刻相比，中尺度對流回波的發展更加旺盛，可見這些中尺度對流回波都是比較深厚的對流系統。以上觀測事實均說明Matsa螺旋云帶中存在著比較深厚的中尺度對流系統。

圖4 2005年8月6日15：00時 （a、b）和7日06：00時 （c、d）950hPa（a、c）和700hPa（b、d）中尺度水平流場Fig.4 Mesoscale streamline fields at（a，c）950hPa and（b，d）700hPa at（a，b）1500UTC 6Aug 2005and（c，d）0600UTC 7Aug 2005

3.2 中尺度擾動場特征的數值模擬分析

為了分析中尺度擾動場，濾波方案采用GrADS九點平滑算子，對積分流場進行尺度分離，得到中尺度擾動場。與觀測事實相一致，本文給出了6日15時和7日06時兩個時刻相應區域的模擬結果。圖4為Matsa在這兩個時刻、950hPa和700hPa經過濾波后的中尺度擾動流場。分析圖4可知，無論Matsa在第一階段還是第二階段，低層950hPa上 （圖4a、c）Matsa螺旋云帶中都活躍著中尺度氣旋式渦旋系統。處于第一階段時，低層950hPa上 （圖4a）Matsa螺旋云帶的中尺度氣旋式渦旋的位置與地面中尺度自動站 （圖3a）觀測到的中尺度輻合中心基本吻合；到第二階段時，Matsa螺旋云帶的中尺度氣旋式渦旋的位置（圖4b）與地面中尺度自動站 （圖3b）觀測到的中尺度輻合中心存在明細的偏離。隨著高度的增加，中尺度氣旋式渦旋逐漸轉變減弱，到700hPa高度（圖4b、d），中尺度氣旋式渦旋系統已經消失并轉變為輻散區，說明中尺度氣旋式渦旋系統只在低層存在。

圖5給出了沿中尺度氣旋式渦旋中心 （圖4中▲）的垂直剖面圖，陰影區為對應時刻的雷達基本反射率。圖5a為6日15時沿 （29.2°N，121.7°E）中尺度氣旋式渦旋中心的緯向垂直剖面圖，從圖5a可以看到，在中尺度氣旋式渦旋中心的上空，存在明顯的中尺度垂直上升區，中尺度垂直上升速度的極大值位于750hPa附近，量值為0.6×10－1m／s。與實際雷達回波相比較可知，低層的上升運動區對應著較強的雷達對流回波，對流回波的極大值約35dBZ，25dBZ回波頂高達到650hPa左右，但最強的雷達回波與上升運動中心不重合。在沿（29.2°N，121.7°E）中尺度氣旋式渦旋中心的經向垂直剖面圖 （圖略）上，中尺度氣旋式渦旋中心上空同樣存在上升運動，上升速度的極大值（700hPa附近）出現在渦旋中心的南側，與較強的雷達對流回波存在偏離。圖5b為7日06時沿位于 （33.3°N，119.7°E）中尺度氣旋式渦旋中心的經向垂直剖面圖，同樣，中尺度氣旋式渦旋中心的上空為明顯的中尺度垂直上升區，中尺度垂直上升速度的極大值中心位于700hPa附近，為4×10－1m／s。相應的對流回波極大值約40dBZ，25dBZ回波頂高達到400hPa左右，上升區的兩側為下沉運動區，同樣最強的雷達回波位于上升運動中心的南側。從（33.3°N，119.7°E）中尺度氣旋式渦旋中心的緯向垂直剖面圖 （圖略）上可知，中尺度氣旋式渦旋中心上空同樣存在上升運動，但上升速度的極大值（750hPa附近）出現在渦旋中心的西側，同樣與較強的雷達對流回波存在偏離。以上結果說明，最強的雷達回波與最強的中尺度上升運動中心是不重合的。對比圖5a和圖5b可以發現，7日06時中尺度擾動、對流回波極大值都比6日15時的要強很多，最強的雷達回波與中尺度上升運動中心并不完全重合，這一點在雷達風場反演結果中也得到了證實。以上分析結果說明中尺度氣旋式渦旋系統對于強的雷達對流回波的形成是至關重要的。而且，中尺度垂直上升運動的強弱與雷達對流回波強度成正相關，中尺度垂直上升運動越強，雷達對流回波發展越旺盛。

從冀春曉等 （2007）的分析可以知道，6日15時為Matsa第一階段區域平均垂直速度出現極大值和低層輻合為最強的時刻，7日06時為Matsa第二階段區域平均垂直速度出現次極大值和低層輻合為較強的時刻，這說明中尺度對流系統的產生，不僅有利于低層輻合的加強，而且也使臺風垂直運動得到加強。以上結果說明，Matsa能夠在陸地上持續維持，與其螺旋云帶中活躍著中尺度氣旋式渦旋系統有非常密切的聯系，這些中尺度對流系統產生劇烈的輻合和垂直上升運動，把低層暖濕空氣向上輸送，發生凝結并釋放潛熱，對Matsa強度的維持起到了正反饋作用。

3.3 中尺度擾動場特征的四維風場反演

多普勒雷達資料4DVAR同化反演技術在理論上是先進的，Sun and Crook（1994）進行的一些實際運用試驗也被證明是有效的。但是到目前為止，多普勒雷達資料的4DVAR同化仍然處在試驗研究階段，特別是在國內類似研究還剛剛起步。本文使用中國氣象局氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室提供的4DVAR同化反演系統，對臺風Matsa登陸后的對流云帶進行了局部（圖3b黑方塊區域）反演 （如圖6所示）。

從南京多普勒雷達組合反射率圖 （圖3b）中可以看到，臺風Matsa登陸后直到2005年8月7日06：01時，其外圍云帶依然很強，外圍云帶中鑲嵌著多個大于45dBZ的強回波單體。從相應時刻仰角為1.37°的雷達徑向風場 （圖略）可以看到，在南京雷達站北側（約25km）存在一個逆風區成逆時針環流分布，說明該處存在一個中尺度氣旋式環流；在仰角為2.34°的雷達徑向風場上，該中尺度氣旋式環流的面積比低仰角的要小，且中心位置向偏北方傾斜。當仰角大于3.5°后，該逆風區變得模糊或不存在，說明這個中尺度氣旋式環流只在低層存在。圖6給出了使用2005年8月7日06：01時南京多普勒雷達探測資料反演（圖3b黑方塊區域）的不同高度的流場與基本反射率分布圖。從圖6可以看到，此時對流回波單體發展很旺盛，大于30 dBZ的強回波頂高伸展到2.5km以上。在臺風Matsa的強回波云帶中存在明顯的中尺度氣旋式渦旋，它位于3.5km以下，且中尺度氣旋式渦旋中心位置隨著高度的升高向偏北方發生傾斜，氣旋性渦旋面積隨著高度的增加而縮小。2km以下為明顯的中尺度氣旋式渦旋中心，2.5～3km之間減弱為輻合線或輻合中心，到3.5km時輻合中心基本消失。與雷達徑向風場的分析相一致。同時，從圖6可以發現中尺度氣旋式渦旋中心位于最強回波（≥40dBZ）的一側，兩者并不完全重合，這與圖5分析的結論相一致。

圖5 2005年8月基本反射率 （彩色，單位：dBZ）、中尺度擾動垂直速度 （等值線，單位：10－1 m／s）和中尺度擾動合成流場 （矢量）的垂直剖面圖：（a）6日15：00時，矢量為 （u＊，w＊×10）；（b）7日06：00時，矢量為 （v＊，w＊×10）Fig.5 The vertical cross sections of base reflectivity（shaded），mesoscale disturbance vertical velocity（isoline，units：10－1 m／s），and composite mesoscale disturbance wind fields（a）（u＊，w＊×10）and（b）（v＊，w＊×10）at（a）1500UTC 6Aug 2005and（b）0600UTC 7Aug 2005

圖6 2005年8月7日06：01時不同高度基本反射率 （彩色，單位：dBZ）和反演的水平流場分布圖：（a）1.0km；（b）1.5km；（c）2.0km；（d）2.5km；（e）3.0km；（f）3.5km。坐標數字為格點數 （下同）Fig.6 Base reflectivity（shaded）and streamline fields retrieved at（a）1.0km，（b）1.5km，（c）2.0km，（d）2.5km，（e）3.0km，and（f）3.5km at 0601UTC on 7Aug 2005

4 Matsa臺風與其螺旋云帶的中尺度系統之間的相互作用

上述分析表明，臺風Matsa的維持與其螺旋云帶的中尺度系統活動密切相關。下面從兩種尺度間動能及渦度轉換出發，討論Matsa與其螺旋云帶的中尺度系統的相互作用。

從陳受鈞和謝安 （1981）分析可知，天氣尺度與中尺度間相互轉換項 （V＊·I＊）包括水平運動和垂直運動的貢獻，分別為：

其中，（V＊·I＊）表示中尺度系統與天氣尺度系統動能的轉換。正值表示中尺度運動向天氣尺度系統提供動能，負值表示中尺度系統從天氣尺度系統獲得動能。

垂直渦度方程中天氣尺度和中尺度系統轉換項Iζ的水平運動項和垂直運動項，分別為：

其中，Iζ＞0表示兩種尺度相互作用的結果是中尺度系統給天氣尺度系統提供正渦度；Iζ＜0表示天氣尺度系統給中尺度系統提供正渦度。

為了詳細討論臺風Matsa在陸地上持續維持期間與其環流中的中尺度系統之間的相互作用，我們選用移動坐標，取臺風為中心的 （15×15）經緯度范圍為臺風區域，對式 （1）、（2）計算區域平均動能轉換項 ［V＊·I＊］（［］表示取區域平均），帶“＊”的值由原始值減去區域平均值得到。用式（3）、（4）計算區域平均渦度轉換項 ［Iζ］，如圖7所示。對 ［V＊·I＊］和 ［Iζ］從地面至100hPa進行垂直積分，得到整層的 ［V＊·I＊］和 ［Iζ］值 （見圖8）。

4.1 臺風與其螺旋云帶的中尺度系統之間的動能轉換

圖7a為天氣尺度與中尺度之間區域平均動能的水平運動轉換項［V＊·I＊］h，圖7b為垂直運動轉換項［V＊·I＊］v，圖7c為水平運動和垂直運動轉換兩者之和 ［V＊·I＊］。對比圖7a和圖7b可以看到，［V＊·I＊］h比 ［V＊·I＊］v基本屬于同一個量級，最大的轉換都出現在高層，但兩者對動能轉換卻起著相反的作用。在第一階段 （6日00～18時），［V＊·I＊］h的作用在低層是Matsa從中尺度運動中獲得動能，極大值位于900hPa附近；高層是Matsa向中尺度系統提供動能。［V＊·I＊］v的作用與前者剛好相反。低層Matsa向中尺度系統提供動能，極大值也位于900hPa附近；高層是Matsa從中尺度系統中獲得動能。兩者共同的作用 ［V＊·I＊］（圖7c）表明，在800hPa以下為負值，Matsa向中尺度系統提供動能，極小值在900hPa附近；800 hPa以上為正值，Matsa從中尺度運動中獲得動能，極大值在650hPa附近。但 ［V＊·I＊］負值的絕對值幾乎是其正值的兩倍，說明近地層以動能的垂直轉換為主，Matsa向中尺度系統提供動能。整層積分結果 （圖8a）表明，［V＊·I＊］均為正值，說明Matsa在這一階段從中尺度系統獲得了動能。所以，雖然Matsa登陸后的強度迅速減弱，但仍然可以維持熱帶風暴的強度。

到第二階段 （6日18時～8日21時），高層動能轉換明顯增加，而低層動能轉換卻有所減弱。［V＊·I＊］h（圖7a）的作用表現為兩種情況：6日18時～8日12時期間，正負分布成雙層結構，500hPa以下、250～300hPa之間為正值區，300～500hPa、250hPa以上為負值區，而且高空負值的絕對值要明顯大于低層的正值，說明高層動能轉換明顯要大于低層轉換。而 ［V＊·I＊］v（圖7b）的正負結構分布與 ［V＊·I＊］h剛好相反，負值主要分布在600hPa以下，正值主要分布在250hPa以上，中間的垂直轉換相對較弱。8日12時～9日00時期間，［V＊·I＊］h與 ［V＊·I＊］v結構分布是一致的，即表現為正負分布單層結構。［V＊·I＊］h在300hPa以下Matsa向中尺度系統提供動能，300hPa以上Matsa從中尺度系統獲得動能。［V＊·I＊］v在700hPa以下Matsa向中尺度系統提供動能，700hPa以上Matsa從中尺度系統獲得動能。兩項的綜合作用 ［V＊·I＊］（圖7c）的結果顯示，動能的

圖7 區域平均動能轉換項 （a－c，單位：10－4 W·kg－1·m－2）和區域平均渦度轉換項 （d－f，單位：10－10 s－2／m2）時間演變圖：（a）

Fig.7 Temporal evolution of（a－c）regionally averaged kinetic energy conversion（10－4W·kg－1·m－2）and（d－f）regionally averaged vorticity conversion（10－10s－2／m2）：轉換隨高度的變化正負交替出現，主要以高層的動能轉換為主。［V＊·I＊］低層為負，說明 Matsa失去動能，中尺度系統從Matsa獲得動能，這一結論說明低層Matsa環流中的中尺度系統得到明顯發展。從整層積分的結果 （圖8a）來看，6日18時～7日21時期間，［V＊·I＊］整層積分均為正值，即中尺度系統向Matsa提供動能。從7日21時～9日00時，［V＊·I＊］整層積分均為負值，即 Matsa向中尺度系統提供動能。以上分析結果表明，［V＊·I＊］低層為負，說明中尺度系統從臺風Matsa環流中獲得動能而發展，這應該是Matsa環流中低層活躍著中尺度系統的原因之一；［V＊·I＊］的正值主要出現在高層，即高層的中尺度擾動為Matsa提供動能。所以，Matsa在陸地上長久維持主要是從高層獲得動能。

圖8 區域平均動能轉換項 （a，單位：W·kg－1·m－2·hPa－1）和區域平均渦度轉換項 （b，單位：10－6 s－2·m－2·hPa－1）從地面至200hPa垂直積分時間演變圖Fig.8 Temporal evolution of（a）regionally averaged kinetic energy conversion（W·kg－1·m－2·hPa－1）and（b）regionally averaged vorticity conversion（10－6 s－2·m－2·hPa－1）vertically integrated from surface to 100hPa

4.2 臺風與中尺度系統之間的渦度轉換

［Ihζ］是區域平均渦度水平運動轉換項（圖7d）。它的作用主要表現在中高層，而且在第二階段7日12時和8日00時，200hPa附近分別存在兩個極大值中心。說明中尺度系統向 Matsa提供正渦度。為區域平均渦度垂直運動轉換項，如圖7e所示。在低層和高層，而且低層正值要明顯大于高層正值，說明在低層中尺度系統主要通過垂直運動向Matsa提供正渦度。的負值區主要位于中高層，Matsa向中尺度系統提供正渦度。圖7f為水平運動和垂直運動轉換兩者之和 ［Iζ］。［Iζ］的結果表明 （圖7f），800hPa以下和300hPa以上，［Iζ］＞0，而在800～300hPa之間，幾乎 ［Iζ］＜0，說明Matsa所需要的正渦度主要來自于低層和高層的中尺度擾動。［Iζ］整層積分結果如圖8b所示，在第一階段，［Iζ］整層積分幾乎都為負，Matsa失去正渦度，而中尺度系統得到正渦度，實況表現為Matsa氣旋性環流強度的迅速減弱和中尺度系統的發展。在第二階段，除8月8日15時～9日00時為負值外，其他時間 ［Iζ］整層積分結果均為正，中尺度系統向Matsa提供正渦度。

上面的分析結果說明，在低層，臺風Matsa通過水平運動為其螺旋云帶中的中尺度系統提供動能，激發中尺度系統的發生發展，產生中尺度氣旋性渦旋；而中尺度系統通過其垂直運動將正渦度向臺風輸送。所以，中尺度系統所產生的正渦度以及向Matsa的轉換，對Matsa在陸地的長久維持起到了非常重要的作用。

5 小結與討論

本文使用新一代中尺度WRF模式對臺風Matsa登陸后的路徑和強度變化特征進行了較成功的數值模擬，采用4DVAR風場反演技術對臺風Matsa多普勒雷達資料進行了風場反演。在此基礎上對臺風Matsa登陸后中尺度擾動特性進行了初步探討，對臺風Matsa與其環流中的中尺度系統之間相互作用進行了診斷分析。臺風Matsa登陸后強度的持續維持與其環流中活躍的中尺度擾動有著非常密切的關系。

（1）地面中尺度自動站和多普勒雷達資料的分析都表明，臺風Matsa的螺旋云帶中活躍著中尺度氣旋式渦旋系統。

（2）數值模擬和風場反演結果也表明，臺風Matsa的螺旋云帶中在低層活躍著中尺度氣旋式渦旋系統，與之相伴隨的為較強的中尺度上升區域，而且，中尺度垂直上升運動的強弱與雷達對流回波強度呈正相關，中尺度垂直上升運動越強，雷達對流回波發展越旺盛。但最強的雷達回波中心與中尺度上升運動中心并不完全重合。

（3）臺風Matsa與中尺度系統動能轉換的診斷分析說明，低層中尺度系統從臺風Matsa環流中獲得動能而發展，Matsa在陸地上長久維持主要是從高層獲得動能。

（4）臺風Matsa與中尺度系統渦度轉換的診斷分析說明，低層中尺度系統向Matsa輸送正渦度主要依靠中尺度垂直運動來完成，高層正渦度的轉換通過水平輸送和垂直輸送共同來完成。所以，中尺度系統所產生的正渦度源源不斷地向Matsa轉換，使Matsa的氣旋性環流可以在陸地上長久維持。

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Analysis of the Characteristics of Mesoscale Disturbance for Landfalling Typhoon Matsa

JI Chunxiao1，ZHAO Fang2，GAO Shouting3，and LIU Liping4

1ZhejiangInstituteofMeteorologicalSciences，Hangzhou310017
2ZhejiangProvinceMeteorologicalObservatory，Hangzhou310017
3InstituteofAtmosphericPhysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029
4ChineseAcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081

Doppler radar reflectivity and the surface automatic weather stations（AWS）wind observations demonstrate that the mesoscale cyclonic eddies at the low level are active in the spiral－cloud bands of landfalling typhoon Matsa.Numerical simulation has been carried out to investigate the evolution characteristics of typhoon Matsa in 2005after its landfalling by using the new－generation mesoscale weather research and forecasting（WRF）model，and the four－dimensional variational Dopple radar analysis system （4D－VDRAS）is used to retrieve single－Doppler velocity.Then a preliminary study has been made on the mesoscale features of typhoon Matsa after landfalling in parallel with diagnostic analyses of the conversion of kinetic energy and vorticity between typhoon Matsa and mesoscale systems on the area mean basis.Results show that：（1）The results of numerical simulation and Doppler radial velocity retrieval indicate that the mesoscale cyclonic eddies at the low level are active in the spiral－cloud bands of landfalling typhoon Matsa，and there is severe mesoscale upward movement accompanying the mesoscale cyclonic eddies.The stronger the mesoscale upward movement is，the larger Doppler radar reflectivity is.（2）The diagnostic results of the kinetic energy conversion between Matsa and mesoscale systems demonstrate that the mesoscale cyclonic eddies at the low level obtain kinetic energy from landfalling typhoon Matsa to develop，whilst Matsa obtains kinetic energy from the mesoscale disturbances in the upper layers to be sustained after landfalling.（3）The diagnostic results of the vorticity conversion between Matsa and mesoscale systems show that Matsa obtains positive vorticity from the mesoscale cyclonic eddies at the low levels by means of the mesoscale upward movement，but in the upper layers，both the mesoscale horizontal and vertical movements play important roles.Therefore，the positive cyclonic vorticity is transported continuously to Matsa，and Matsa could be sustained for a long time after landfalling.

landfalling typhoon，mesoscale disturbance，maintenance，kinetic energy and vorticity conversion

1006－9895（2012）03－0551－13

P444

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11085

冀春曉，趙放，高守亭，等.2012.登陸臺風 Matsa（麥莎）中尺度擾動特征分析 ［J］.大氣科學，36（3）：551－563，

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.11085.Ji Chunxiao，Zhao Fang，Gao Shouting，et al.2012.Analysis of the characteristics of mesoscale disturbance for landfalling typhoon Matsa［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（3）：551－563.

2011－04－29，2011－09－16收修定稿

國家自然科學基金資助項目90815028，國家公益性行業（氣象）科研專項GYHY201106035

冀春曉，女，1963年出生，碩士，正研級高級工程師，研究方向：中尺度數值預報和雷達資料應用。E－mail：jichunxiao＠sina.com