海温及海浪对台风眼墙中尺度涡的影响

刘磊 费建芳 黄小刚 程小平 马占宏

解放军理工大学气象海洋学院，南京211101

1 引言

热带气旋（Tropical Cyclone，TC）的产生有两种能量来源，一种是大尺度系统的能量转移到低压系统中（Gray，1968；DeMaria et al.，2001；Bracken and Bosart，2000；McTaggart-Cowan et al.，2008；雷小途等，2009），另一种是对流尺度系统将能量转移到气旋式扰动中（McTaggart-Cowan et al.，2008），后一种机制，即中小尺度对流系统的发生、发展对TC眼墙非对称结构具有显著影响（陈联寿和丁一汇，1979；陈联寿和孟智勇，2001；张庆红和郭春蕊，2008）。

小于10 km空间尺度的中尺度涡结构主要出现在台风眼墙内沿，是眼墙内沿偶尔出现多边形结构的原因之一（Muramatsu，1986）。当眼墙内出现涡旋罗斯贝波后（Wang，2002a，2002b；李勋等，2010），波破碎引起螺旋云，4波结构形成的中尺度涡导致多边形眼区。Kossin and Eastin（2001）发现，中尺度涡的合并不但造成多边形眼墙，同时，由于眼墙内的中尺度涡可以将眼区内低层的高湿空气挟卷至眼墙，使TC强度超过其最大潜在强度，因此，是控制TC强度的关键因子（Persing and Montgomery，2003；Montgomery et al.，2006；Cram et al.，2007；冀春晓等，2012）。

目前，由涡旋罗斯贝波（Vortex Rossby Waves，VRWs）引起椭圆形眼墙的现象受到较多关注，而多边形眼墙附近的中尺度涡在包含完全物理过程的三维模式中研究较少，它们的结构也很少有人关注。Black and Marks（1991）在飓风Hugo（1989）中观测到中尺度涡，此外，Kossin and Schubert（2004）对飓风 Isabel（2003）的研究中发现了 5边形眼区外存在中尺度涡，该涡能够引起强烈的阵性降水及破坏性强风（Black and Marks，1991）。Hendricks and Montgomery（2006）利用卫星资料，观测到2002年9～10月的Gustav热带风暴中存在多个中尺度涡，这些涡由深对流引起的涡旋力管延伸而产生。在台风眼墙中尺度涡结构的研究中，大多关注于中尺度涡的产生和加强机制以及中尺度涡对台风强度和结构的影响（Schubert et al.，1999；张文龙等，2010），而对于海气相互作用，尤其是海表状况与台风眼墙内中尺度涡结构的联系，还很少有人研究。

TC眼墙内中尺度涡的形成与海气间热焓输送密切相关（McTaggart-Cowan et al.，2008；Kossin and Schubert，2004；Hendricks and Montgomery，2006；Montgomery et al.，2002；黄立文等，2005）：眼区低层海洋表面的潜热以及眼墙湿度通量的径向混合导致低层眼区及眼墙的湿位温增加。Cram et al.（2007）认为湿位温的获得过程大约持续 40～60 min，最少15 min，眼区潜热经过很短时间改变内流场，眼区的热焓作为额外的能量，加强了眼墙的上升气流，引起更强的径向内流。眼区周围的高位涡呈圆形或环状分布，支持了斜压不稳定（Montgomery and Shapiro，1995），导致中尺度涡的产生（Braun，2002；Eastin et al.，2005；Smith et al.，2005）。

在真实TC中，眼墙处摩擦辐合和湿对流聚集而形成高涡度，满足正压指数不稳定的条件。摩擦引起的垂直运动在最大风速处形成了环状的高涡度区，同时向内、外区域逐渐减小（明杰和舒守娟，2010）。非对称对流结构提供扰动源，随后，高涡度聚集受到切变的约束，最终被粘性离散为小尺度，形成中尺度涡，剩余的高涡度被平流到中心区域。

海洋作为大气的下垫面，不仅从热力方面，同时从动力方面影响TC的发生、发展。以上研究表明，海气相互作用对TC眼墙内的中尺度涡结构具有显著影响。针对目前的研究现状，本文利用耦合系统（刘磊等，2012b），分析了2006年发生的“格美”（Kaemi）台风中存在的中尺度涡结构，并通过敏感性试验，着重分析了海温和海浪对台风眼墙内中尺度涡的影响。为进一步揭示中尺度涡在台风快速加强及台风眼墙非对称结构中的重要作用提供科学依据。

2 模式框架及模拟试验介绍

基于大气模式 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统。海洋通过海表温度（Sea Surface Temperature，SST）影响大气边界层内的感热、潜热输送，相反，海洋的状态演变需要大气的热力和动力强迫。海洋表面的热力强迫包括大气的长、短波辐射，海气间温差导致的感热通量输送，海洋因水汽输送而损失的潜热通量。海洋表面的动力驱动包括，大气向海洋的风应力输送（Liu Lei et al.，2011；刘磊等，2011a）。

海浪作为海气界面重要的物理过程，不仅改变了海表粗糙度，同时，对海洋混合层具有搅拌效应。在海表粗糙度的计算中，采用经典的Charnock关系（Charnock，1955）表示：z0=/g，其中u*是摩擦速度，在单独的WRF模式中β是Charnock常数，而大量的观测和数值模拟表明，海面动力学粗糙度不仅与海面风速有关，还是海洋状况的函数。Smith et al（.1992）根据HEXOS（Humidity Exchange over the Sea）数据的分析，认为β随波龄的增加而减小，得到β=0.48(Cp/u*)-1，Cp为相速，C/u*为波龄参数。在耦合模式中引入Smithetal.（1992）建立的海表粗糙度z0与波龄的关系，WWIII模式向WRF模式提供波龄，考虑了模拟海浪对海表粗糙度的改变，进而影响大气下垫面的 热力、动力过程（刘磊等，2011b）；通过引入浪致混合系数，考虑海浪的搅拌效应，从而改变海洋 混合层的热力、动力状态（Qiaoetal.，2004；刘磊等，2012a），此外，加入风应力对海浪的驱动以及海流对海浪状态的影响（图1）。

图1 海—气—浪完全耦合系统Fig. 1 Schematic diagram of the coupled system

2006年第5号热带风暴“格美”于7月19日在菲律宾中部以东大约1600 km的西北太平洋洋面上生成后，7月20日加强成为强热带风暴，21日加强成为台风。本文选取“格美”台风在海上快速发展阶段为模拟窗口，即2006年7月20日00:00（协调世界时，下同）至7月23日00:00，具体的模式设置请参见（表1、表2）（刘磊等，2012b）。

表1 耦合系统中大气模式设置Table 1 Atmospheric model design in the coupled system

表2 耦合系统中海洋、海浪模式设置Table 2 Oceanic and wave model design in the coupled system

为了研究海温及海浪对TC眼墙内中尺度涡结构的影响，本文设计了三组试验：EXP1方案考虑海浪反馈效应对海表粗糙度的影响，引入Smith et al.（1992）建立的海表粗糙度z0与波龄的关系，WWIII模式向WRF模式提供波龄，在海温反馈中，EXP1方案忽略了POM模式中SST对大气的反馈，SST采用NCEP资料的平均海温，基本稳定在29°C左右；EXP2方案考虑 POM 模式中 SST的反馈作用，而忽略海浪反馈效应对海表粗糙度的影响，即海表粗糙度计算中β采用Charnock常数；EXP3为控制试验，采用完全耦合系统对“格美”台风进行模拟，描述“格美”台风中存在的中尺度涡结构；利用EXP1、EXP2方案的试验结果，着重研究了海温和海浪对台风眼墙内存在的中尺度涡的影响（表3）。

表3 试验方案对比Table 3 List of experiment schemes

以中国台风网（http://www.typhoon.gov.cn[2013-08-11]）“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”作为实况，利用耦合系统区域1（D1）输出的15 km分辨率资料，对模拟台风的中心最低气压、10 m最大风速及路径进行检验。图2a所示，四组模拟台风的中心最低气压（Sea Level Pressure，SLP）在第36小时之前（7月21日12:00之前）差别不大。与实况台风相比，模拟台风的SLP在前24小时（7月21日00:00之前）小于实况，与模式初始场的 spin-up有关，随着模式积分的逐渐调整，模拟台风的SLP在第24小时与实况之间的偏差达到最小。此后，模拟台风的SLP变化趋势与实况较为一致，呈快速下降趋势。第36小时后（7月21日12:00之后），海洋对台风的反馈作用开始显著影响SLP，四个方案模拟得到的 SLP差别逐渐增大。EXP3方案同时考虑了SST反馈及海浪效应，在SST反馈及海浪摩擦效应的共同作用下，SLP随时间变化趋势与实况最为接近，最低值为954 hPa。图2b为台风10 m最大风速随时间变化曲线。前24小时为模拟台风的调整阶段，10 m风速出现了40 m s-1的突变，随着模式积分的进行，风速逐渐调整到实况值附近。此后，四个试验方案基本保持了与实况值随时间变化相似的趋势。EXP3方案在海水冷涌及海浪效应的共同影响下，模拟的10 m风速强度弱于实况及其他三个方案。由三个试验的模拟风场可以分析得出，海表粗糙度的改变对10 m风速的减弱作用大于SST，主要原因是10 m风速直接受摩擦效应影响。在台风模拟的后期（第 60～72小时，22日12:00～23日00:00），SST对台风10 m风速的减弱效应较为显著。从图2c可以看出，海洋状况对台风路径影响不大。

图2 （a）台风的中心最低气压和（b）10 m最大风速随时间变化曲线；（c）台风移动路径（台风符号为实况，○为EXP1，●为EXP2，□为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 眼墙内中尺度涡的结构

由于 EXP3方案模拟的台风与实况最为接近（刘磊等，2012b），因此，本文在研究台风眼墙内中尺度涡的结构时，主要分析了2006年7月21日12:00～13:00一个小时的输出结果，该时段为“格美”台风快速加强阶段。图3为该时段台风眼墙附近的垂直速度分布。850 hPa高度处台风眼墙西南侧的垂直速度呈明显的中尺度结构特征（填充图），尤其在台风风垂直切变方向的垂直上升气流最为强烈（魏超时等，2011）。沿着方位角方向，四个垂直上升流依次为A、B、C、D（图3 a）；500 hPa高度处（黑色实线），四个垂直急流消失，合并为一个垂直速度极值区，同时，该区域相对 850 hPa的垂直速度所在位置向台风外围扩张，与眼墙由下向上逐渐扩大的趋势相一致（Jorgensen，1984；Black et al.，1996）；在200 hPa高度处（蓝色实线），垂直速度极值区进一步向外扩张，且切向方向的范围相对低层逐渐拉长。15 min后（图3b），850 hPa的垂直上升气流A向逆时针方向移动，对流强度呈减小趋势，而垂直气流B在气旋式移动过程中由21日12:00的一个单体急流逐渐分离为两个，由于逐渐远离顺切变方向，垂直上升速度呈减小趋势。随着垂直气流C、D向顺切变方向移动，强度逐渐加强，与此同时，台风眼墙西北侧出现了新的垂直上升流E。500及200 hPa高度的垂直上升气流与低层的配置基本保持不变。21日12:30（图3c），850 hPa的垂直气流A、B逐渐减弱、消散，而垂直气流C移至台风顺切变左侧，垂直上升速度达到最大。垂直气流D及E向顺切变方向移动的过程中，对流逐渐增强，台风眼墙西北侧出现新的垂直上升气流F。500及200 hPa高度的垂直速度在顺切变方向保持稳定。21日12:45（图3d），垂直气流A完全消散，B、C呈逆时针旋转远离顺切变方向后逐渐减弱，此时，气流D位于顺切变方向左侧，垂直速度达到最大，同时，位于其后部的气流E、F在顺切变旋转过程中强度逐渐增大。四个时次的眼墙演变过程中，垂直上升对流单体在顺切变右侧逐渐加强，在顺切变左侧逐渐减弱消散，说明对流单体与风垂直切变密切相关。在垂直结构上，Braun（2006）认为垂直对流单体在顺切变方向生成时即布满整个对流层，而不是先在低层生成，然后在旋转过程中逐渐发展而布满整个对流层。本文结果表明，随着高度的升高，垂直上升单体结构消失，仅在顺切变方向及其左侧出现垂直速度极值，说明对流单体在生成时没有布满整个对流层，而是在后续发展过程中，向上扩展。

图3 2006年7月21日（a）12:00、（b）12:15、（c）12:30、（d）12:45眼区附近垂直速度分布（单位：m s-1）。填充色为850 hPa；黑色等值线为500 hPa；红色等值线为200 hPa（等值线取值范围为5～13，间隔为4），绿色实线为风垂直切变方向。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）等人的研究中发现，垂直对流单体出现的时间及位置与眼墙内的中尺度对流涡具有密切关系。图4为所选时段的相对涡度（垂直分量，下同）及垂直速度的分布。四幅图中相对涡度基本呈环状分布，与眼墙结构对应，在西南侧，出现等值线闭合的中尺度涡环。在顺切变右侧，中尺度涡环与垂直上升急流有较好的对应关系，当转至顺切变左侧时，垂直上升气流消亡速度较快，而中尺度涡结构仍能保持一段时间，说明在风垂直切变的作用下，眼墙内的垂直上升急流通过涡旋力管扭曲效应（Braun，2006）加强中尺度涡，当中尺度涡结构旋转至顺切变左侧后，能够继续保持，在有利的流场条件下（旋转至顺切变右侧），中尺度涡能够触发垂直上升对流单体的发展。

图5为所选时段的垂直上升气流及散度场分布。辐合、辐散场在台风眼墙西南侧较强，与中尺度垂直上升对流单体对应。辐散场位于眼墙垂直对流带的内沿，与眼区下沉气流相对应，辐合场位于眼墙外侧，与眼区外径向内流有关。在眼墙内垂直对流单体的切向方向上，两个对流单体之间间隔分布着辐合、辐散场，说明垂直对流单体间的空隙是眼区与外部环境进行交换的区域，同时，中尺度涡结构阻止了外部气流对眼区的侵袭（McWilliams et al.，2003）。

图4 2006年7月21日（a）12:00、（b）12:15、（c）12:30、（d）12:45眼区附近850 hPa的垂直速度（填充图，单位：m s-1）和相对涡度（黑色实线为正，取值范围为3～15，间隔为6；黑色虚线为负，取值范围为-15～-3，间隔为6；单位：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

由于中尺度涡是三维结构，为了更好对其进行说明，进一步揭示垂直上升气流与相对涡度之间的关系，主要对850～500 hPa层之间的水平风场及涡度场进行了垂直方向上的平均，以台风中心为原点转化为柱坐标，并剔除了水平风场中的切向平均风场，得到非平衡风场（Braun，2006）。图6所示，经过 850～500 hPa层面平均的涡度场与垂直上升对流符合本文总结的配置规律，在顺切变一侧存在极值环，在中尺度涡结构之间，存在流入、流出的非平衡风场，进一步说明了垂直方向上，中尺度涡在眼区内外空气交换中的作用。

顺切变方向是涡旋罗斯贝波1波结构振幅最为强烈的区域，在中尺度涡的触发机制下，该区域出现中尺度垂直上升对流单体，同时，该中尺度对流单体通过涡管扭曲效应加强了中尺度涡。中尺度涡结构阻止了眼墙外径向内流对眼区的侵袭，此外，中尺度涡结构间的空隙是眼区内外气流交换的通道。

SST及海表粗糙度影响海气界面的热量、动量输送，从而对眼墙内垂直对流产生影响，但其具体对中尺度涡旋结构的影响，是下一节讨论的重点。

4 海温及海表粗糙度对中尺度涡的影响

图7为三个方案距离台风中心25 km半径处垂直速度沿切向方向随时间变化趋势。EXP3方案中，垂直速度沿着逆时针方向，随着切向旋转气流逐渐移至顺切变一侧，垂直速度增大，顺切变方向出现强烈的中尺度对流单体，同时，中尺度涡出现闭合单体结构，与垂直对流单体相对应。气流继续转至顺切变左侧后，垂直对流速度开始快速减弱，由垂直对流加强的中尺度涡结构仍然能维持一段时间。随着模式积分的进行，中尺度对流单体的集中爆发区域基本稳定在顺切变方向。当不考虑 SST的反馈作用时（图7a），EXP1方案中海气间的热通量输送显著增大，由此引起眼墙内的中尺度对流加强，集中爆发区仍然位于顺切变方向，不受热通量输送变化的影响。此外，在时间变化上，由于较强的垂直对流，中尺度涡的持续时间明显长于EXP3方案。EXP2方案（图7b）没有考虑海浪对海表粗糙度的影响，在SST冷涌反馈的作用下，海气间的热通量输送为三个试验方案中最小，中尺度对流涡相对EXP1偏弱，但海表粗糙度的减小引起低层风场加速，相对EXP3方案偏强。在较小的海表粗糙度条件下，较弱的摩擦辐合效应导致眼墙非对称性减弱，使得EXP2方案中的中尺度对流涡在切向方向上的分布相对 EXP1、EXP3方案较为均匀。

图5 与图4对应的850 hPa垂直速度（填充图，单位：m s-1）和散度（黑色实线为正，取值范围为2～10，间隔为4；黑色虚线为负，取值范围为-10～-2，间隔为4；单位：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)

在径向分布上（图8），EXP3方案中的中尺度涡主要在半径32 km附近，向外逐渐减弱，眼区内存在零散的中尺度涡结构，与眼墙外非对称风场将涡度向内混合有关。EXP1方案中的中尺度涡主要在半径26 km附近，与较强的台风强度对应。EXP2方案中的中尺度涡位于半径30 km附近，与台风中心距离介于EXP1与EXP3方案之间，和台风眼墙所在位置密切相关。

SST及海表粗糙度对眼墙内涡度结构具有显著影响，通过分析涡度变化来研究眼墙内中尺度涡结构的改变。p坐标系下相对涡度的诊断方程为

方程等号右侧第一、二项为相对涡度平流项，第三项为相对涡度的铅直输送项，第四项为散度作用项，第五项为β效应项，第六项为扭转项。其中，第一 、 二项与 第 五项可以合并为水平 平 流项-·∇h(ζp+f)，同时，由于次网格项较小，（1）式中没有列出次网格项。图9为21日12:00～22日00:00，半径26～39 km范围内，850～500 hPa层之间涡度的水平平流变化。EXP1方案中水平平流项对涡度变化的正贡献主要集中于740 hPa以下，由气旋的水平运动引起涡度的局地变化。740 hPa层面以上存在水平平流项对涡度变化的负贡献，但在21日21:00左右，水平平流项对涡度变化的正贡献显著增强，说明随着气旋强度的增强，水平平流项对中层涡度的正贡献逐渐增大。当考虑SST的响应时，EXP3方案中水平平流项对涡度变化的正贡献减弱，同时所在层面降低。中层水平平流项对涡度变化的负贡献显著增强，由以上分析可知，SST降低引起非绝热过程减弱，气旋流场速率降低，从而导致水平平流对涡度的贡献减小。当不考虑海浪效应时，EXP2与EXP3方案相比，水平平流项对涡度的正贡献所在高度较为一致，但强度明显强于EXP3方案，说明海表粗糙度的减小引起低层风场加速，是眼墙内涡度增加的主要原因。

图6 2006年7月21日（a）12:00、（b）12:15、（c）12:30、（d）12:45，850～500 hPa层面平均的垂直速度（填充图，单位：m s-1）、相对涡度（黑色实线，起始值为3，间隔为2，单位：10-3 s-1）及非平衡风场（矢量箭头）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

图10为 21日12:00～22日00:00，半径26～39 km范围内，850～500 hPa层之间垂直输送对相对涡度的贡献。EXP1方案中，垂直输送项在低层对涡度变化的贡献为负，在中层为正，说明在气旋增强阶段，眼墙内低层涡度向高层输送，引起低层涡度减小而高层增大。随着气旋不断增强，垂直输送项对低层涡度的负贡献向上扩展，但对中层的正贡献不断减小，说明随着气旋不断增强，垂直输送气流向高层扩展，涡度在中低层垂直方向的分布逐渐均匀，由低层向上输送涡度的层面不断升高。当考虑SST的反馈作用后，EXP3方案中垂直输送对低层涡度的负贡献减小，中层的正贡献向低层扩展，由于非绝热过程减弱使得涡度的铅直分布不均匀，低层涡度向上输出区域的层级降低，导致整个层面的正涡度、负涡度贡献区域都向低层下降。当不考虑海浪效应时，EXP2方案相对EXP3方案的垂直输送对中层涡度的正贡献向上收缩，说明减小的海表粗糙度由于径向辐合、垂直输送作用减弱，从而引起垂直输送的涡度负贡献的在低层减弱，正贡献向上收缩。

图8 850～500 hPa层面平均的垂直速度（填充图，单位：m s-1）及相对涡度（黑色实线，起始值为4，间隔为2，单位：10-3 s-1）在方位角225°处沿径向方向分布随时间变化：（a）EXP1；（b）EXP2；（c）EXP3Fig. 8 Radial–time Hovmöller 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

图11为21日12:00～22日00:00，半径26～39 km范围内，850～500 hPa层之间水平散度场对涡度变化的贡献。EXP1方案中，辐合辐散场对涡度的贡献主要集中于低层，在整个层面上呈正负交替，体现了眼墙内中尺度涡之间辐合辐散对涡度变化的影响。当考虑SST的反馈作用后，EXP3方案中辐合辐散场对低层涡度的贡献与EXP1方案较为一致，但在中层，正贡献明显增强，说明SST降低引起中层流场辐散减弱，增加了中层涡度。当不考虑海浪效应时，EXP2方案相对EXP3方案最大的改变是水平散度项使中层涡度正贡献增大，说明海表粗糙度减低，进一步引起中层辐散减弱，从而增加了中层涡度。

图9 半径26～39 km范围内850～500 hPa层面的相对涡度的水平平流变化诊断分析（时间：21日12:00～22日00:00；单位：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

图10 半径26～39 km范围内850～500 hPa层面的相对涡度的铅直输送变化诊断分析（时间：21日12:00～22日00:00；单位：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

图11 半径26～39 km范围内850～500 hPa层面的相对涡度的散度变化诊断分析（时间：21日12:00～22日00:00；单位：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

图12 半径26～39 km范围内850～500 hPa层面的相对涡度的扭转项变化诊断分析（时间：21日12:00～22日00:00；单位：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

图12 为21日 12:00～22日00:00，半径26～39 km范围内，850～500 hPa层之间涡度的扭转项对涡度变化的贡献。由于中尺度涡在眼墙内的存在，造成垂直速度在水平方向分布不均匀，将水平涡度扭转为垂直涡度，从而引起涡度变化。EXP1方案中，扭转项在780 hPa层附近对涡度存在正贡献，随着气旋加强，正贡献逐渐减弱，可能与气旋加强后眼墙内中尺度涡结构轴对称化有关。当考虑SST的反馈作用后，EXP3方案中由于SST分布不均匀导致眼墙内存在较强的非对称结构，从而扭转项造成眼墙内涡度变化的正贡献。由于EXP2方案没有考虑海浪效应，较小的海表粗糙度使得眼墙内垂直速度分布较为均匀，扭转项引起涡度变化的正贡献较小。

5 小结

本文利用海—气—浪完全耦合系统对 2006年“格美”（Kaemi）台风的模拟结果，着重分析了眼墙内存在的中尺度涡结构。在此基础上，通过进行敏感性试验，研究了台风条件下SST反馈及海浪效应对眼墙内中尺度涡结构的影响。

眼墙内存在的中尺度垂直气流与风垂直切变密切相关，在顺切变右侧，中尺度垂直气流逐渐增强，在顺切变左侧达到最大后逐渐减弱。眼墙内涡度呈环状分布，在顺切变右侧，随着垂直气流逐渐增强，眼墙内涡度出现闭合的涡环结构，与中尺度垂直气流相对应。在切向气流的作用下，中尺度涡移动到顺切变左侧并达到最强后，中尺度垂直气流强度逐渐减弱，但涡环结构仍然能够保持。沿着逆时针方向运动到顺切变右侧后，在合适的垂直流场作用下，涡环结构触发中尺度垂直气流。同时，眼墙内中尺度涡结构之间存在辐合辐散的非平衡风场，是眼墙内外气流的交换通道，而中尺度涡结构存在较强的涡度及垂直速度，是眼墙内外气流的阻断器。

当不考虑SST的反馈作用时，海气间的热通量输送显著增大，由此引起眼墙内的中尺度对流加强，集中爆发区仍然位于顺切变方向，不受热通量输送变化的影响。此外，在时间变化上，由于较强的垂直对流，中尺度涡的持续时间明显较长。当不考虑海浪对海表粗糙度的影响，在较小的海表粗糙度条件下，眼墙非对称性减弱，使得中尺度对流涡在切向方向上的分布较为均匀。在径向方向上，中尺度涡所在结构受 SST的反馈作用及海浪效应影响较小，其相对台风中心的位置主要与台风强度有关。

SST降低引起非绝热过程减弱，水平流场速度减慢，使得水平平流对涡度的贡献减小。由于非绝热过程减弱使得涡度的铅直分布不均匀，低层涡度向上输送受到抑制，垂直输送对低层的负贡献减弱，而对中层涡度的正贡献增大。辐合辐散场对涡度的正贡献在中层明显增强。由于SST分布不均匀导致眼墙内存在较强的非对称结构，从而扭转项造成眼墙内涡度变化的正贡献。当不考虑海浪效应时，水平平流项对涡度的正贡献明显增大，说明海表粗糙度的减小引起低层风场加速，是眼墙内涡度增加的主要原因。垂直输送对中层涡度的正贡献减弱，减小的海表粗糙度使得径向辐合作用减弱，从而引起涡度的向上输送减小。水平散度项使中层涡度出现正贡献，说明海表粗糙度减低，引起中层辐散场减弱，从而增加眼墙内涡度。较小的海表粗糙度使得眼墙内垂直速度分布较为均匀，扭转项引起涡度变化的正贡献较小。

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