超強臺風“利奇馬”(1909)強度變化與降水結構分析

2022-02-22 06:46:42尹承美褚穎佳

應用海洋學學報 2022年1期

李瑞，高帆，尹承美，胡鵬，褚穎佳

(濟南市氣象局, 山東濟南 250102)

研究表明，海表溫度(Sea Surface Temperature, SST)、海-氣界面熱通量以及環境垂直風切變(Environmental Vertical Wind Shear)是影響熱帶氣旋(Tropical Cyclone, TC)強度變化的重要因素[1-6]。在SST與海-氣界面熱通量對TC強度影響的研究方面，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的TC與非快速增強的TC發現，快速增強的TC比非快速增強的TC所經海域的SST更高，而更高SST的海域為快速增強的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強度變化的作用更大[2-3]。在環境垂直風切變對TC強度的影響研究方面，Gray(1967、1968)認為，環境垂直風切變影響TC強度變化的最主要的物理機制可解釋為“通風流”效應，即環境垂直風切變較強時，積云對流釋放的凝結潛熱會迅速離開擾動區域上空并向四周平流，這時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的暖心結構，TC發展和加強過程將會被阻礙[4-5]。王喜等(2011)統計研究發現，西北太平洋、北大西洋以及北印度洋上TC強度變化與環境垂直風切變密切相關，并且，環境垂直風切變對各海域TC強度變化影響的閾值不同[6]。此外，很多研究表明，TC移動，特別是環境垂直風切變會造成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)應用一個大氣邊界層模式研究了TC移動對邊界層風場、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]。研究發現，TC移動造成其移動的前方大氣邊界層出現輻合，由此導致其移動的前方對流和降水加強。對于緩慢移動的TC(移動速度<5 m/s)，輻合運動在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)，輻合運動形成的位置順時針轉移，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)衛星觀測反演的降水資料對全球大洋上260個TC降水分布進行統計和合成分析發現，無論是緩慢移動還是快速移動的TC，強降水均出現在TC移動的前方象限內(距TC中心300 km半徑范圍)[8]。在環境垂直風切變對TC對流和降水分布的影響研究方面，Franklin等(1993)根據下投式探空儀和機載多普勒雷達資料研究了垂直風切變對風暴“Gloria”(1985)的對流分布, 發現“Gloria”(1985)內眼壁上的對流趨于集中在順切變方向左側[9]。Wingo等(2010)的觀測研究發現，環境垂直風切變對TC降水非對稱分布的影響幾乎是同時的，并且，TC最強降水出現在順切變方向及其左側(距TC中心400 km半徑范圍)[10]。Frank等(1999、2001)通過數值模擬發現，受到環境垂直風切變的強迫作用，TC環流內強烈的上升運動和降水出現在順切變方向及其左側(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洋面SST。由圖1可見，2019年8月4日14:00(北京時，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前后以超強臺風級在浙江省溫嶺市城南鎮登陸，登陸時中心附近最大風力16級(52 m/s)，中心最低氣壓為930 hPa。“利奇馬”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沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風力9級(23 m/s)，中心最低氣壓為980 hPa。之后“利奇馬”繼續向北移動，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。“利奇馬”登陸后破壞力強，風雨影響范圍廣，給我國多地造成了嚴重災害和經濟損失。本研究一方面研究“利奇馬”登陸前后環流形勢、SST、海(陸)-氣熱通量以及環境垂直風切變對“利奇馬”強度的影響，另一方面研究“利奇馬”移動和環境垂直風切變對“利奇馬”降水分布的影響，以期為臺風強度和降水預測提供參考。

圖1 超強臺風“利奇馬”移動路徑及所經洋面SSTFig. 1 Moving track of super typhoon Lekima and average SST from 5 to 9 August 2019圖中臺風標記表示“利奇馬”中心位置，下同。

1 數據與方法

1.1 數據來源

中央氣象臺臺風網(http://typhoon.nmc.cn)提供了“利奇馬”每6 h的中心位置和強度。美國國家環境預報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)提供了FNL(Final Operational Global Analysis)全球再分析風場及位勢高度場等資料，該資料時間分辨率為6 h，水平分辨率為1°×1°，垂直共34層等壓面。NCEP提供了全球實時海表溫度資料(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)衛星遙感反演降水數據，該資料時間分辨率為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)再分析數據，該資料時間分辨率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)提出的方法來計算任一時間序列的趨勢系數，即對任一時間序列{xi}，其趨勢系數rxt定義為[13]：

(1)

(2)

式(2)中：Ndof為有效樣本數，N為總樣本數，r1和r2為用來計算相關系數的兩個時間序列各自滯后一個時次的自相關系數。

1.2.3 環境垂直風切變的計算參照Paterson等(2005)、徐桂妹等(2014)的研究方法，從NCEP-FNL再分析風場資料中剔除TC本身的環流[15-16]。把剔除TC環流后的風場作為TC的環境風場。其研究方法簡述如下: 首先，利用改進的Barnes方案(1964)[17]和低通濾波從NCEP-FNL等壓面再分析風場中去除大尺度風場，剩余的風場則用來確定TC的渦度中心[從剩余的風場中計算相對渦度，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境場要大1～2個數量級，且與周圍環境場有比較清楚的界限，因此，利用TC渦度反演得到的風場可以看做是TC的風場。最后，從剩余的風場中減去TC的風場后所得到的風場再加上大尺度風場即為TC的環境風場。

對于環境垂直風切變的計算，參照毋浩亮等(2018)的計算方法，以TC所在位置為中心，在10°×10°的正方形網格區域內，分別計算200 hPa和850 hPa兩層上經向和緯向風場的風速平均值，進而求出這兩層的區域平均風場矢量差，其大小為[18]：

(3)

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

以TC中心為起點，沿環境垂直風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”北側為西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高，下同)控制，此時，中緯度西風槽位于內蒙古自治區西部至甘肅省南部一帶。受副高南側東南風引導，“利奇馬”沿西北方向移動。“利奇馬”中心附近風場結構完整，500 hPa高度場中心與低層(700 hPa)風場輻合中心重合。700 hPa風場結構顯示，“利奇馬”中心區風速達55 m/s，并且，其環流東南側的西南風低空急流(在日常天氣分析中，將700 hPa或850 hPa等壓面上風速超過12 m/s的強風速帶定義為低空急流)和其環流東北側的東南風低空急流十分旺盛，急流區普遍超過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中。

10日02:00，“利奇馬”剛登陸浙江省溫嶺市城南鎮后不久[圖2(b)]。此時，位于青藏地區的大陸高壓加強東進，同時，副高西進北抬，中緯度西風槽緩慢東移至內蒙古自治區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。可以看到，500 hPa高度場中心與低層(700 hPa)風場中心仍然重合，700 hPa風場顯示“利奇馬”中心區風速達40 m/s。“利奇馬”環流東北側的東南風低空急流仍然超過18 m/s，然而，其環流東南側的西南風低空急流在21°N以南減弱至18 m/s以下。在“利奇馬”本體及其東側偏南風低空急流作用下，浙江省東部地區出現強降水。

10日14:00，“利奇馬”中心進入浙江省北部地區[圖2(c)]。可以看到，隨著青藏地區大陸高壓和副高的進一步加強，中緯度西風槽東移南壓至山西省至陜西省南部一帶并有所加深，環流經向度明顯加大，并且中緯度西風槽與“利奇馬”逐漸靠近。在副高西側偏南氣流和西風槽前偏南氣流的共同引導下，“利奇馬”繼續北上，移速加快。700 hPa上，西風槽后干冷空氣從“利奇馬”環流西側侵入“利奇馬”，同時，“利奇馬”東北側和東南側的偏南風低空急流均明顯減弱。“利奇馬”眼區填塞效應加大，其中心區風速不足18 m/s，出現空心化特征。此時，“利奇馬”倒槽由臺風中心向北伸展至山東省中部地區。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、江蘇省部分地區和山東省中部地區出現強降水。

11日08:00，“利奇馬”中心北移至江蘇省鹽城市附近[圖2(d)]。可以看到，中緯度西風槽在繼續東移過程中發生斷裂，其南段并入“利奇馬”環流，冷空氣進一步侵入臺風本體。此時，500 hPa高度場中心較低層(700 hPa)風場輻合中心出現向西偏離，說明“利奇馬”中層結構受到破壞。從700 hPa風場來看, “利奇馬”東南側的西南風低空急流在25°N以南減弱消失。“利奇馬”眼區進一步填塞，臺風中心區風速不足12 m/s，臺風強度明顯減弱，空心化特征明顯。“利奇馬”倒槽由臺風中心向北伸展至遼寧省西部地區。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、山東省中西部地區、河北省東部地區和遼寧省西部地區出現強降水。

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、大陸高壓和西風槽等中低緯天氣系統相互作用為“利奇馬”北上、強度變化與結構演變以及強降雨的發生提供了有利的環境條件。

2.2 強度的變化

2.2.1 強度變化與環境垂直風切變的關系圖3顯示的是在超強臺風“利奇馬”整個生命史(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境垂直風切變隨時間的演變。可以看到，2019年8月4日14:00至9日02:00，垂直風切變呈顯著減弱的趨勢[垂直風切變的趨勢系數為-0.783(p<0.001)]，自7日14:00垂直風切變便減弱到10 m/s以下，至8日14:00甚至減弱到5 m/s以下。不斷減弱的垂直風切變有利于“利奇馬”強度的增強和維持，在此期間，“利奇馬”強度顯著增強[中心最低氣壓趨勢系數為-0.942(p<0.001)]，其由熱帶低壓逐漸增強為超強臺風，并在9日02:00達到整個生命史中最大強度[中心最低氣壓915 hPa，中心附近最大風力17級以上(62 m/s)]。8月9日08:00至13日08:00，垂直風切變呈顯著增強的趨勢[垂直風切變趨勢系數為0.825(p<0.001)]，其中，垂直風切變自11日14:00便增強到10 m/s以上。不斷增強的垂直風切變對“利奇馬”強度的發展和維持起到了抑制作用，在此期間，“利奇馬”強度顯著減弱[中心最低氣壓趨勢系數為0.810(p<0.001)]，其由超強臺風逐漸減弱到熱帶低壓。

圖3 超強臺風“利奇馬”中心最低氣壓和環境垂直風切變的時間序列Fig. 3 Time series of minimum central pressure of super typhoon Lekima and environmental vertical wind shear

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

2.2.2 強度變化與SST、海-氣界面熱通量及環境垂直風切變的關系圖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，SST平均值以及海-氣界面潛熱(感熱)通量平均值隨時間的演變。考慮到從“利奇馬”初生到其第一次登陸前，其環流內海-氣界面感熱通量平均值至少小于潛熱通量平均值1～2個數量級(圖4)，因此，為了簡化研究工作，本節將研究SST、海-氣潛熱通量和環境垂直風切變共同對“利奇馬”強度變化的影響。首先，從SST平均值的演變來看，SST平均值主要經歷了三個階段：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”處于較強的垂直風切變環境中(垂直風切變除6日20:00為8.11 m/s外，其他時次均在10 m/s以上，圖3)，但是，“利奇馬”強度并沒有減弱而是顯著增強[中心最低氣壓趨勢系數為-0.966(p<0.001)]，這主要是因為相對較高和中等SST的海域為其提供的潛熱顯著增加[海-氣界面潛熱通量平均值的趨勢系數為0.897(p<0.001)]。7日14:00至9日02:00，一方面垂直風切變由中等強度逐漸減弱至較弱，另一方面中等SST的海域為“利奇馬”提供的潛熱繼續增加并達到最大值，以上兩個方面均有利于“利奇馬”強度不斷加強。9日08:00至20:00，雖然“利奇馬”處于較弱的垂直風切變環境中(垂直風切變在3.12～6.18 m/s之間，圖3)，但是“利奇馬”強度并沒有增強而是逐漸減弱，這主要是因為相對較低SST的海域為其提供的潛熱不斷減少。由此可知，從“利奇馬”初生到其第一次登陸前，相比于環境垂直風切變，SST，特別是海-氣界面潛熱通量對“利奇馬”強度的影響更為重要。石順吉等(2009)研究了環境垂直風切變和SST對0709號超強臺風“圣帕”強度變化的影響，指出“圣帕”強度的變化和垂直風切變之間沒有直接相關性，SST是影響其強度變化的主要環境因素[19]。

圖4 距“利奇馬”中心500 km半徑范圍內海-氣界面潛熱(感熱)通量平均值和SST平均值隨時間演變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”強度變化與海(陸)-氣界面熱通量的關系首先選取2019年8月6日08:00與11日02:00這兩個時次來研究“利奇馬”位于海盆時及登陸后，距其中心500 km半徑范圍內海(陸)-氣界面熱通量的空間分布特征(圖5)。從圖5可見，“利奇馬”位于海盆時及登陸后，其環流內海(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均位于“利奇馬”環流南側，而小值區均位于其眼區和環流北側，由此表明“利奇馬”位于海盆時,在其環流南側，海洋對“利奇馬”的潛熱和感熱加熱要比眼區和北側強烈得多。值得注意的是,感熱通量在其環流北側出現負值。此外，通過計算得到“利奇馬”環流內海-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)利用浮標數據計算了南海活動的臺風海-氣界面的熱量交換，指出TC環流內海-氣界面熱量交換強烈，其主要貢獻來自于潛熱通量，并且在夏季TC環流內海-氣界面感熱通量會出現負值[20]。但是，受限于浮標數量和布設，吳迪生等的研究結果不能得到TC環流內海-氣界面熱通量的詳細的空間分布[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，“利奇馬”環流內海(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半徑范圍內海(陸)-氣界面熱通量平均值隨時間的演變。可以看出，在“利奇馬”整個生命史過程中，“利奇馬”強度變化與其環流內海(陸)-氣界面熱通量平均值之間有很好的對應關系。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，其他時次在3～15 w/m2之間，說明在絕大多數時次，“利奇馬”獲得感熱。另外，感熱通量平均值比同時次潛熱通量平均值小1～2個數量級，表明相比于潛熱通量，感熱通量對“利奇馬”強度的影響甚微。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，其強度呈顯著增強的趨勢，并且在9日02:00達到整個生命史中最大強度。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(絕大多數時次感熱通量平均值在-44～-10 w/m2之間，并且在大多數時次，感熱通量平均值大小相當于同時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”強度的影響不可忽略)，由此造成“利奇馬”強度呈顯著減小的趨勢。

圖6 距“利奇馬”中心500 km半徑范圍內海(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，顯著減弱的垂直風切變、SST為29.6～30.4 ℃的海域為“利奇馬”提供的感熱和大量潛熱、以及“利奇馬”環流東側極為強盛的偏南風低空急流向其輸送充足的水汽和能量，使“利奇馬”強度呈顯著增強的趨勢。9日08:00至13日08:00，隨著“利奇馬”逐漸靠近陸地并登陸，顯著增強的垂直風切變、“利奇馬”從海洋(陸地)獲得的潛熱顯著減小并且同時失去感熱、“利奇馬”環流東側偏南風低空急流的顯著減弱、對流層中低層干冷空氣侵入“利奇馬”環流以及“利奇馬”登陸后受到陸面摩擦，使“利奇馬”強度顯著減弱。

2.3 降水分布與移動、垂直風切變的關系

Chen等(2006)認為，當TC在大洋上時，影響其降水非對稱分布(距TC中心300 km半徑范圍)最主要的兩個因素是環境垂直風切變和TC移動[21]。他們發現，當垂直風切變為中等強度以上時(≥5 m/s)，垂直風切變對TC降水非對稱分布起決定性作用，強降水位于順垂直風切變方向及其左側，尤其是對于內雨帶(距TC中心100 km半徑范圍，下同)上的降水分布。當垂直風切變較弱時(<5 m/s)，TC移動速度和方向對降水的非對稱分布也有重要影響，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，但是內雨帶上的降水仍然是集中在順切變方向及其左側。楊璐等(2017)研究了TC移動和環境垂直風切變對西北太平洋上TC對流非對稱分布的影響，得出類似的結論[22]。基于前人的研究[7-8,21-22]，我們將研究“利奇馬”移動和環境垂直風切變對“利奇馬”內、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”整個生命史過程中，其移動速度和方位以及環境垂直風切變隨時間的演變。從圖7可以看出，在“利奇馬”整個生命史過程中，其在絕大多數時次處于中等強度和較強強度切變環境中，僅8日14:00至9日02:00以及9日14:00至20:00處于較弱的切變環境中。“利奇馬”在登陸浙江省溫嶺市城南鎮之前，一直緩慢向西北方向移動，登陸城南鎮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進入萊州灣后回旋少動，12日14:00轉向東北方向緩慢移動直至消亡。

圖7 超強臺風“利奇馬”移動速度和方位以及環境垂直風切變隨時間演變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衛星遙感反演降水數據得到的“利奇馬”各時次30 min平均降水率。從圖8可以看出， “利奇馬”第一次登陸前，當其處于中等強度以上的切變環境中，并且移動緩慢時[圖8(a)]，無論在其內雨帶還是外雨帶，其移動速度和方向對降水分布的影響微乎其微，而垂直風切變對降水分布起決定性作用，強降水位于順垂直風切變方向及其左側。當“利奇馬”處于較弱的切變環境中，移動快速[圖8(b)]或緩慢[圖8(c)]時，在內雨帶，在其移動前方、順垂直風切變方向及其左側均出現了強降水即降水分布由其移動和垂直風切變共同決定，而在外雨帶，垂直風切變對降水分布起主要作用，強降水出現在順垂直風切變方向。“利奇馬”第一次登陸后，處于中等強度以上的切變環境中，并且移動快速[圖8(d)]，這時，無論在內雨帶還是外雨帶，垂直風切變對降水分布起決定性作用，強降水位于順垂直風切變方向及其左側。值得注意的是，“利奇馬”第一次登陸后，其移動方向與垂直風切變方向的夾角除10日09時為55.8°外，其他時次均小于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現，當垂直風切變方向和TC移動方向為同一方向時，TC降水和對流分布的非對稱性達到最大[21-22]。

圖8 超強臺風“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，垂直風切變強度為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，垂直風切變強度為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，垂直風切變強度為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，垂直風切變強度為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時次“利奇馬”移動方向和順環境垂直風切變方向；箭頭起點為各整點時次“利奇馬”中心所在位置。

通過對環境垂直風切變和“利奇馬”移動對“利奇馬”內、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，環境垂直風切變對“利奇馬”內、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衛星觀測反演的降水資料，研究了環境垂直風切變和全球大洋上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，相比于TC移動速度和方向，環境垂直風切變對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得多[23]。當垂直風切變在中等強度以上時，垂直風切變和“利奇馬”移動對其內、外雨帶降水分布的影響與Chen等[21]的統計研究結果相一致，而當垂直風切變較弱時，本研究結果與Chen等的統計研究結果存在差異。這可能是因為本研究是個例研究，而Chen等的研究基于大量TC個例的合成和統計分析。

根據“利奇馬”處于較弱(中等強度以上)的切變環境中，并且同時其移動緩慢(快速)共4種情況，選取圖8中的4個時次，分別沿順(逆)垂直風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切變和“利奇馬”移動對其內、外雨帶降水的動力作用。從沿順(逆)垂直風切變方向垂直速度的垂直剖面可以看出，無論“利奇馬”處于較弱的切變環境中[圖9(b)、(c)]，還是處于中等強度以上的切變環境中[圖9(a)、(d)]，在“利奇馬”內雨帶和外雨帶上，垂直上升運動在順垂直風切變方向和逆垂直風切變方向上的分布截然不同，從900 hPa至200 hPa，強烈的上升運動主要發生在順垂直風切變方向一側，而在逆垂直風切變方向，上升運動很弱。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雨帶，并且伴隨邊界層輻合的發生，強的上升運動出現在850 hPa附近。Shapiro通過數值模擬也發現，由TC移動引起的邊界層輻合會導致TC邊界層頂部出現上升運動[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附近分別出現了較強的上升運動，這主要是因為在這兩個時刻，“利奇馬”移動方向與順垂直風切變方向的夾角較小，垂直風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，垂直風切變對“利奇馬”內、外雨帶上降水的動力作用要明顯強得多。Corbosiero 等(2003)利用美國國家閃電探測網觀測的閃電資料研究了TC移動和垂直風切變對35個大西洋TC對流分布的影響，指出相比于垂直風切變，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邊界層頂部出現上升運動，但是，如果垂直風切變對上述上升運動有抵消作用，那么TC移動根本不會引起深對流的發生。相反地，垂直風切變則不受TC移動的影響和限制，在垂直風切變的作用下，深對流出現在順垂直風切變一側。

圖9 沿順(逆)垂直風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; 圖中橫坐標軸上黑色實心圓表示距臺風中心100 km處；黑色箭頭表示順環境垂直風切變方向。

3 結論

(1)在“利奇馬”登陸溫嶺市城南鎮前后及北上過程中，副高、“利奇馬”及其倒槽、低空急流、大陸高壓和西風槽等中低緯天氣系統相互作用為“利奇馬”北上、強度變化與結構演變以及強降雨的發生提供了有利的環境條件。

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

(3)當“利奇馬”處于中等強度以上的切變環境中時，無論其緩慢移動還是快速移動，垂直風切變對其內、外雨帶的降水分布起決定性作用，“利奇馬”內、外雨帶上的強降水均位于順垂直風切變方向及其左側。當“利奇馬”處于較弱的切變環境中時，無論其緩慢移動還是快速移動，內雨帶上的降水分布由垂直風切變和“利奇馬”移動共同決定，強降水分別出現在順垂直風切變方向及其左側以及移動的前方，而外雨帶上的降水分布由垂直風切變起主導作用，強降水位于順垂直風切變方向。總的來說，與“利奇馬”移動速度和方向相比，環境垂直風切變對“利奇馬”內、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”處于較弱的切變環境中，還是處于中等強度以上的切變環境中，在“利奇馬”內雨帶和外雨帶上，從900 hPa至200 hPa，強烈的上升運動主要發生在順垂直風切變方向一側，而在逆垂直風切變方向，上升運動很弱。由“利奇馬”移動引起的邊界層輻合主要位于其內雨帶，并且伴隨邊界層輻合的發生，強的上升運動出現在850 hPa附近。總的來看，與“利奇馬”移動速度和方向相比，環境垂直風切變對“利奇馬”內、外雨帶上降水的動力作用要明顯強得多。