引言

热带气旋(简称TC)运动理论研究是气象界共同关注的重要课题之一^[1]。统计分析结果表明，环境引导气流是影响TC运动的主要因素^[2-3]。数值试验的结果显示，非对称对流活动对于TC移动有一定的影响，即TC外围积云对流云团或上升运动区的吸引作用^{[1, 4]}。研究^[5]指出，非均匀环境引导气流和β效应的相互作用也可对TC移动产生影响。该相互作用可产生非对称环流系统，即β涡对，β涡对之间的气流即“通风流”，代表了TC运动方向^[6]。徐祥德等^[7]验证了“通风流”对TC运动的引导作用。Wu等^[8]提出TC可被认为是环流背景中的位涡(以下简称PV)异常，TC的移动方向与PV倾向(以下简称PVT)1波分量正异常有关。Chan等^[9]的研究结果验证了PVT理论的有效性。Yu等^[10]应用PVT理论诊断分析了台风海棠(0505)靠近我国台湾岛时的近海打转路径。

TC移向突然发生变化，往往会导致预报失误^[11]。研究^[12-14]分析了路径预报的难点，表明预报成功率受大气的可预报性问题影响。副高减弱断裂东退有利于TC西行北翘路径的出现^{[11, 15-16]}。另外，张胜军等^[17]的数值结果表明，当水平最大风速位于TC环流的西南侧，台风Helen(9505)表现为显著的西行北翘路径。

0601号强台风珍珠(Chanchu)进入南海后移向突然发生变化，为典型急翘路径^[18]。李天然等^[19]根据CIMSS微波卫星探测亮温产品，发现“珍珠”转向过程以及转向后，内核螺旋雨带在其偏北象限减弱，偏南象限维持甚至加强，内核呈现非对称结构特征。西行北抬路径的0606号台风派比安也存在类似现象^[16]。雷达观测分析^[20]和高分辨率数值模拟研究^[21-23]发现在环境垂直风切变增大的情况下，内核结构趋于1波非对称。

本文使用TC定位资料(取自中国台风网“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”)、FY-2卫星TBB资料、NCEP最终分析资料(1°×1°)对0601号强台风珍珠异常转向路径进行诊断分析和数值模拟研究，分析环境引导气流及PVT的演变，以及内核结构变化与环境垂直风切变的关系。

1 “珍珠”概况及转向前后内核结构演变

0601号强台风珍珠于2006年5月9日(世界时，UTC，下同)加强为热带风暴，12日穿越菲律宾群岛进入南海，稳定西行，并不断加强。14日，控制华南和南海北部的副高减弱断裂^[19]。15日00时，“珍珠”发生急翘，向偏北方向移动(图 1)。

转向前后24小时(14日00时至16日00时)TBB方位角分布时间剖面(图 2)表明，转向后(15日00时至16日00时)内核非对称结构特征十分明显，“珍珠”中心以北温度高于-30 ℃，对流减弱明显，该现象与“珍珠”CIMSS观测^[19]一致。

什么因素影响了“珍珠”的转向运动？转向后内核非对称特征明显的原因是什么？本文将就这些问题展开分析。

2 异常路径诊断分析 2.1 环境引导气流

在环境引导气流与TC环流不发生相互作用^[2]的前提下，本文定义各等压面上围绕眼心5~7°纬度半径圆环域内的环境引导气流为：

$ {V_s}\left( p \right) = \frac{{\int_0^{2\pi } {\int_{5^\circ }^{7^\circ } {Vr} } {\rm{d}}r{\rm{d}}\theta {\rm{ }}}}{{\int_0^{2\pi } {\int_{5^\circ }^{7^\circ } r } {\rm{d}}r{\rm{d}}\theta {\rm{ }}}} $

(1)

深层平均(850~300 hPa)环境引导气流为：

$ {V_{sf}} = \frac{{\int_{850\;{\rm{hPa}}}^{300\;{\rm{hPa}}} {{V_s}\left( p \right)} {\rm{d}}p{\rm{ }}}}{{\int_{850\;{\rm{hPa}}}^{300\;{\rm{hPa}}} {{\rm{d}}p} {\rm{ }}}} $

(2)

图 3a是“珍珠”转向前后30小时各等压面的环境引导气流时间剖面(“珍珠”转向前后30小时)，图 3b是深层平均引导气流(steering flow)和实况路径(best track)。

由图 3a可见，13日18时—14日12时，各等压面的环境引导气流较弱，与该阶段华南到南海北部的副高断裂为两环(图略)，引导作用较弱^[19]相对应。14日12时以后，副高南落西伸，700~400 hPa高度的引导气流逐渐加强，为偏南气流，风随高度顺时针偏转。高拴柱^[3]研究发现，当环境地转基本气流从低到高呈顺时针偏转时，TC多偏东或偏北方向运动。本文结果表明环境引导气流随高度顺时针偏转时，“珍珠”为偏北方向运动。

各时次的深层平均环境引导气流(图 3b)基本上体现了对应时次的各等压面引导气流特征。总的来说，“珍珠”转向前12小时，深层平均环境引导气流即向北偏转，“珍珠”转向后环境引导气流均指向偏北方向，但是与“珍珠”实际移向存在着一定的偏差。产生该偏差的主要因素可能是热带洋面上资料误差导致的环境引导气流计算偏差^[3]，以及非均匀环境引导气流和β效应的相互作用，产生的“通风流”引导作用^[6-7、24]。下文分析“通风流”如何影响“珍珠”运动。

2.2 位涡倾向

文献[6]指出，TC涡旋与行星涡度的相互作用可诱生非对称环流，其主要由围绕气旋中心的切向1波组成，气旋性的涡旋位于气旋中心的西南方向，而反气旋则在东北方向，表现为一对反向旋转的涡旋，称为β涡对(β-gyres)，β涡对之间的气流被称为“通风”流。已有研究^[19]表明，“珍珠”南海活动期间，副高断裂为东西两环，华南地区以及南海北部存在冷空气活动，大气斜压性增强。此外，环境垂直风切变或者潜热释放也可改变大气温度层结，进而影响PV的分布^[9]。Wu等^[8]认为，将“通风流”理论应用于斜压TC运动，TC可被认为是环流背景场中的正PV异常，TC运动趋向于PVT的1波分量分布最大区域，即：

$ - C\cdot\nabla {P_s} = \frac{{\partial {P_1}}}{{\partial t}} $

(3)

其中C表示TC运动方向，P_s和P₁分别是位涡的轴对称和1波分量。该式表明，根据$\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial t}}$计算得到PVT的1波分量，即可判断TC运动方向。另外，文献[9]指出$\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial t}}$可分为四项，即：

$ \frac{{\partial {P_1}}}{{\partial t}} = {\mathit{\Lambda} _1}\left[ {\left( {\rm{水平平流}} \right) + \left( {\rm{垂直平流}} \right) + \left( {\rm{非绝热加热}} \right) + \left( {\rm{摩擦}} \right)} \right] $

(4)

Λ₁符号表示提取1波分量。

Chan等^[9]认为，$\frac{{\partial {P_1}}}{{\partial t}}$的主要贡献来自于水平平流项(表示为HA)和非绝热加热项(表示为DH)，即：

$ HA = - \boldsymbol{V}\cdot\nabla P $

(5)

其中V为风矢量，提取1波分量后，体现了β涡对之间的“通风”流对PV的输送作用以及：

$ DH = g\left( { - \frac{{\partial u}}{{\partial p}}\frac{{\partial Q}}{{\partial y}} + \frac{{\partial v}}{{\partial p}}\frac{{\partial Q}}{{\partial x}}} \right) $

(6)

其中u，v分别为纬向和经向风，p为气压，g为重力加速度，Q为对流加热率，根据文献[9]，Q可由下式得出：

$ Q = {q_{\max }}\frac{{TBB - {T_b}}}{{{T_t} - {T_b}}} $

(7)

其中绝对加热率q_max=25 ℃/d，TBB为云顶黑体辐射温度，T_b=273 K，T_t=193 K。该式表明DH项与非绝热加热以及风垂直切变有关^[9]。

图 4给出了PVT的计算结果，PVT、HA项和DH项的1波分量正异常分布较好地对应着“珍珠”路径移动方向。

“急翘”前(14日00时—18时)，正PVT和HA大值中心位于“珍珠”中心的偏西象限(图 4a、b)，正DH大值中心位于“珍珠”中心的西南象限(图 4c)。该时段“珍珠”为稳定西行路径，移动方向指向正PVT、HA和DH分布。

“急翘”时(15日00时)，正PVT、HA和DH大值中心均出现向“珍珠”中心西北象限转移的趋势，此时“珍珠”移动方向指向西北象限(图 4d、e、f)。

“急翘”后(15日06时—16日00时)，正PVT、HA和DH大值中心均位于“珍珠”中心的偏北象限(图 4g、h、i)，该时段“珍珠”路径指向北。

通过对比HA项和DH项量值大小，发现HA项量值较大(图 4b、e、h)，说明水平平流作用对于“珍珠”的移动起主要作用。文献[9]指出，对于移向稳定的TC，一般是HA项起主要作用；DH项一般是对移动相对缓慢、移向曲折多变的TC起主导作用。“珍珠”虽然发生了“急翘”转向，但是“急翘”前后其移向相对稳定，HA项对“珍珠”移向起主要作用基本上验证了文献[9]的观点。

以上分析说明“珍珠”移动方向改变与PVT变化有关，其中水平平流作用(HA项)起主要作用。

“珍珠”转向后，TBB图像显示，“珍珠”中心的偏南象限对流活动旺盛，非对称结构特征明显(图 2)，而正DH分布于其中心的偏北象限(图 4i)，该现象与此阶段副高主体减弱断裂后导致环境场发生改变，进而引起风垂直切变的变化有关。正如Chan等^[9]所指出的，DH作用不仅要考虑非绝热加热，还要考虑风垂直切变的影响。下文分析表明，“珍珠”转向后垂直切变明显增大导致“珍珠”内核呈现非对称结构特征。

3 内核非对称结构分析

上文分析了环境引导气流以及“通风流”的引导作用。值得注意的是，“珍珠”转向后TBB非对称特征明显(图 2)，已有的研究^{[16, 19]}也发现类似现象，即TC向北转向后，内核出现明显的非对称结构特征。由于洋面观测资料不足以揭示“珍珠”内核对流活动，因此本文通过数值模拟研究考察“珍珠”转向后内核非对称结构明显的原因。

3.1 数值试验设计和结果处理

使用新一代中尺度数值模式WRF(ARW2.2)，6 h间隔的1°分辨率NCEP最终分析资料作为初始场。中心点为(21°N, 119°E)，三重双向嵌套，垂直方向线性Sigma坐标34层，模式层顶50 hPa，其他模拟配置请见表 1。经检验，数值结果较好地再现“珍珠”转向前后路径(图 1)、强度变化，以及内核非对称结构演变^①，因此数值结果可用于下文分析。采用Braun等^[21]的方法确定TC中心：根据气压场水平分布，以最低气压位置作为初猜值，在15 km半径范围内计算初猜值至眼壁外侧90 km半径的方位角偏差，直到中心至眼壁外侧的气压方位角偏差(the azimuthal variance，气压非对称分量)之和最小为止，该点即为所求地理中心。由于涡旋倾斜使得各垂直层中心位置有所差异，因此该方法应用于各垂直层模式结果。

^①李勋，李泽椿，赵声蓉，等，强台风Chanchu(0601)的数值研究：转向前后内核结构和强度变化。《气象学报》接收待刊

3.2 环境风垂直切变和内核非对称结构演变

环境风垂直切变是影响TC强度的重要因子^[25]，也是影响垂直运动分布的重要原因^[26]。

本文以网格B数据，取495 km半径绘制垂直风切变时间剖面(图 5)，考察风场垂直切变与Chanchu内核结构演变的关系。具体算法依据Hanley等^[27]的方法，对于u，v分量，有:

$ \left\langle U \right\rangle = \frac{1}{A}\sum\limits_{i = 1}^{55} {\left\{ {\frac{{{\bar U_{i - 1}} + {\bar U_i}}}{2}} \right\}{A_i}} $

(8)

$ \left\langle V \right\rangle = \frac{1}{A}\sum\limits_{i = 1}^{55} {\left\{ {\frac{{{{\overline V }_{i - 1}} + {{\overline V }_i}}}{2}} \right\}{A_i}} $

(9)

其中符号〈〉表示495 km半径面积平均，i表示半径索引，A_i表示9 km圆环面积，U和V表示轴对称处理，最后根据〈〉_{200 hPa}-〈〉_{850 hPa}得到切变大小和下风方向(DSD)。

环境风垂直切变在“珍珠”转向前后区别明显，当垂直切变增大，“珍珠”内核非对称分布与DSD有关。转向前(14日)，副高减弱断裂^[19]，切变较小，维持在3 m·s^-1左右(图 5)，模拟的雷达回波分布较为对称(图 6a)，距中心100 km半径内35 dBz的回波带围绕眼心一周，垂直上升运动也为准对称结构(图 7a)。15日00时“珍珠”发生“急翘”，副高南落西伸^[19]，切变大小迅速增加至9 m·s^-1左右，DSD指向西南(图 5)，DSD左侧的上升运动加强(图 7b)，即“珍珠”偏南象限的上升运动加强，与此同时，“珍珠”偏北象限的回波减弱为35 dBz以下，偏南象限的螺旋雨带明显增强(图 6b)，结构趋于1波非对称。与Braun等^[26]结果相似，强回波略微位于上升运动的下游。与文献[23]研究结果一致，切变增大至5 m·s^-1以上时，内核结构趋于1波非对称，强上升运动和回波主要位于“珍珠”的偏南象限。

总之，“珍珠”转向前后内核结构变化与环境风垂直切变演变紧密相关。转向前切变较小，内核为准对称结构；转向后切变明显增大对应内核1波非对称结构的出现，上升运动增强并位于DSD的左侧。

3.3 涡旋倾斜

环境风垂直切变如何影响内核非对称结构分布呢？已有的研究^{[21-22, 26]}指出在绝热涡旋情况下，涡旋倾斜可影响内核非对称结构。成熟的TC具有深厚的气旋性环流和强对流，可以抵抗一定的垂直切变，并使涡旋倾斜^[24]。切变的强弱与下风方向是涡旋倾斜变化的重要原因^[22]。研究^{[21-22, 24]}还指出，涡旋倾斜引起涡旋倾斜方向(vortex downtilt directions，简称VTD)一侧或右侧(反向一侧)出现上升(下沉)气流，导致冷(热)异常，涡旋气流与热力异常的相互作用使得较强的上升运动出现在VTD的一侧或右侧。为了考察涡旋倾斜对强上升运动分布的影响，根据文献[21-22]的方法，分别确定8 km高度与海平面TC中心的相对位置(经过9点平滑处理，由于某些时刻涡旋倾斜不明显，使得某些时段倾斜不连续，为绘图方便绘制连续倾斜时段)表示VTD。

图 8给出VTD以及6 km高度30~60 km径向平均1波非对称分量的位温和垂直运动时间剖面，可以看到VTD随时间变化为：14日，07时至09时，VTD指向东南，12时至15时，VTD由东南方向反气旋式旋转至西南方向，14日17时至16日00时，出现连续的VTD，主要指向“珍珠”偏南象限。

对照DSD(图 5)，可以发现VTD基本上位于DSD的左侧，VTD基本上与DSD方向变化一致，说明下风方向与涡旋倾斜变化有关。另外，1波非对称分量位温冷异常主要位于VTD一侧或右侧(图 8a)，“珍珠”转向后位温冷异常比转向前的略为明显。1波非对称分量上升运动主要位于VTD右侧(图 8b)，“珍珠”转向后(15日00时)出现连续、明显的上升运动正异常，量值达到0.4 m·s^-1以上，对应着“珍珠”转向后明显的内核非对称结构(图 2)，与文献[19]中的CIMSS观测也是一致的。

以上分析表明，“珍珠”转向后环境风垂直切变增加，引起“珍珠”自身涡旋变化可能是偏南象限非对称结构形成的原因之一。

4 小结

通过对0601号强台风珍珠南海西行急翘异常路径的诊断分析和数值模拟，初步探讨其移向变化和急翘转向前后内核结构变化的原因，小结如下：

(1) “珍珠”移向变化与环境引导气流和位涡倾向1波分量异常有关。环境引导气流提前12小时指示了“珍珠”的急翘，以及对应了随后的偏北移向，但是与“珍珠”实际移向存在着一定的偏差。位涡倾向1波分量正异常对应着“珍珠”移动方向，其中“通风流”对PV的水平平流作用起主要作用。

(2) 内核结构变化以及非对称对流活动分布与环境风垂直切变演变密切相关。转向前，风垂直切变较弱，FY-2卫星TBB观测以及模拟的上升运动和回波表现为内核准对称特征；转向后，风垂直切变增加至5 m·s^-1以上，内核呈现1波非对称结构，1波非对称的上升运动和强回波均位于风垂直切变下风方向的左侧。环境风垂直切变影响内核非对称对流分布的可能机制是涡旋倾斜，涡旋倾斜方向出现冷的热力异常以及较强的上升运动，“珍珠”内核非对称结构加强。

致谢：感谢南京信息工程大学吴立广教授和审稿专家的宝贵意见。