1822号台风“山竹”的涡旋Rossby波特征分析

周冠博，焦亚音，钱奇峰，高拴柱

(1.国家气象中心，北京 100081；2.河北省环境气象中心，河北 石家庄 050021)

引言

台风是发生在热带洋面上的最严重的灾害性天气系统，我国受台风危害严重，平均每年有7～8个台风在我国南部和东部沿海各省登陆，并可能深入内陆而给当地带来巨大的灾害损失。台风所造成的灾害绝大多数发生在台风接近陆地和登陆期间，因此本文重点探讨台风在登陆前后其内部的动力结构及演变特征，及其与台风降水之间的关系。

涡旋罗斯贝(Rossby)波是台风内部的重要波动之一，影响着台风降水的强度和落区[1-12]，研究台风内部涡旋Rossby波的结构和演变对理解台风降水具有重要意义。早期研究中，MacDONALD[13]在研究台风的螺旋雨带时，首次提出了涡旋Rossby波的存在。MONTGOMERY and KALLENBACHER[14]、MONTGOMERY and ENAGONIO[15]提出了对流强迫涡旋Rossby波传播是台风非对称性产生并影响台风环流的一种可能物理机制。余志豪[16]全面论述了台风螺旋雨带中涡旋Rossby波的成因。张瑛等[17]对2004年14号台风“云娜”中的涡旋Rossby波进行了研究，发现台风中的涡旋Rossby波可以沿径向激发出局地涡旋Rossby波，该机制可以用来解释台风螺旋云雨带在外围的顺时针伸展，以及某些外围螺线的形成。明杰和舒守娟[18]对台风“云娜”进行了敏感性数值试验并分析了地形对台风环流内涡旋Rossby波传播的影响。沈新勇等[19]对台风“云娜”的分析发现台风涡旋系统中的涡旋Rossby波可分为两种类型，即第一类涡旋Rossby波和第二类涡旋Rossby波。王勇和丁治英[20]对2005年第5号台风“海棠”进行了数值模拟和分析，结果指出“海棠”主雨带是涡旋Rossby波激发出来的螺旋雨带，与850 hPa正涡度带有很好的对应关系。焦亚音等[21]模拟了2015年第22号台风“彩虹”，分析发现涡旋Rossby波的1波、2波扰动的动力配置能够影响对流系统的发展及台风降水的强度和分布。徐祥德等[22]给出了台风涡旋螺旋波结构模型。余锦华[23]进行了涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的数值模拟，指出初始扰动中心位置对涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的影响明显。

然而人们对于影响我国的台风中的涡旋Rossby波的动力和热力特征及台风暴雨形成机理的认识和理解还不是很充分，为此，本文采用包含各种物理过程的高时空分辨率的WRF中尺度模式，对2018年第22号台风“山竹”个例进行了数值模拟，并在此基础上，分析台风“山竹”眼墙、螺旋雨带以及其中的涡旋Rossby波的结构特征，研究台风登陆前后涡旋Rossby波对眼墙、螺旋雨带及地面降水的影响。

1 台风“山竹”简介

2018年第22号台风“山竹”是2018年登陆我国最强的台风，它于9月7日在西太平洋生成，之后不断加强(图1a-b)，15日凌晨在菲律宾吕宋岛东北部沿海登陆，16日17时前后(北京时)在广东省江门市台山沿海登陆，17日20时(北京时)在广西停止编号(图1a)。受“山竹”和冷空气的影响，广东中南部和沿海大部地区、广西中东部、福建东部和南部最大阵风有8～11级，惠州沱泞列岛达17级以上，最大风速约62.8 m·s-1(图1c)。广东多地降水达到300～478 mm，台湾屏东局地降水超过1 500 mm(图1d)。另外，珠江口附近增水达2～3.4 m[24]。

图1 台风“山竹”路径图(a)，9月14日17时FY-4A卫星云图(b)，9月16日00时—17日06时过程最大阵风(c)和9月16日00时—18日08时降水量实况图(d)

2 高分辨率数值模拟

本文采用WRF模式对台风“山竹”过程进行高分辨率的数值模拟。背景场和侧边界由NCEP GFS(Global Forecast System)提供。模式采用双层单向嵌套，水平分辨率分别为3 km和1 km，网格格点数为700×700，垂直分层为51层，模式层顶气压为50 hPa。模式起始时间为2018年9月16日00时(世界时，下文同)。模式采用物理过程参数化方案如表1所示。

表1 模式物理参数化方案配置

由模拟和实际的台风“山竹”路径(图2a)对比可见，本次模拟对台风“山竹”的路径模拟得比较成功，从模拟的初始时刻到9月17日12时，路径及台风中心位置都比较一致，在模拟初期台风的移速较实况略偏快，而模拟后期较实况略偏慢，总体而言，模拟路径与实况路径的偏差较小，在可接受的范围内，本次模拟较为成功。

由模拟与实况的台风“山竹”中心海平面气压(图2b)和最大风速(图2c)的对比可见，模拟与实况的台风中心海平面气压和最大风速变化趋势比较吻合，模式很好地再现了台风“山竹”在登陆之后的减弱过程。模拟的台风中心海平面气压在9月16日12时之前比实况略偏弱，之后偏强，总体来看，模式还是比较好地再现了台风“山竹”整个发展演变过程中路径和强度变化特征[25]。

图2 2018年9月16日00时—17日12时(间隔3 h)台风“山竹”实况路径(黑线)和模拟路径(红线)(a)，台风“山竹”实况中心海平面气压(黑线)和模拟中心海平面气压(红线)(b)，实况海平面最大风速(黑线)和模拟海平面最大风速(红线)(c)

3 台风结构

3.1 台风精细动力结构分析

利用模式输出资料来进一步分析台风“山竹”内部精细的动力垂直结构。图3给出了台风登陆前、登陆期间和台风登陆后的切向风、径向风以及垂直速度的径向垂直分布。如图3a所示，台风登陆前最大风速半径为100～150 km，最大切向风速位于2 km高度以下的边界层中，约为45 m·s-1，切向风速的垂直切变显著，大值区随高度向台风外侧倾斜。在最大风速半径处及其外侧，径向风在边界层表现为入流，高层表现为出流，形成了低层辐合、高层辐散的配置。与之相对应，在最大风速半径附近出现了明显的垂直上升运动，垂直速度大值区随高度逐渐向外倾斜，最大垂直速度出现在高层，上升区的内侧则为垂直下沉区。

图3 台风登陆前9月16日01时、登陆时9月16日09时、登陆后9月16日17时台风方位角平均高度-径向剖面图(a、b、c为切向风，d、e、f为径向风，g、h、i为垂直速度；单位：m·s-1，流入为正)

在台风登陆过程中，台风的强度逐渐减小。低层切向风速的最大值减弱到40 m·s-1，低层径向入流减弱，而高层径向出流增强，表明高层辐散增强，同时高层的最大垂直上升速度中心也有所增大，台风眼墙处中层出现了上升运动的次级中心，强垂直上升区伸展到眼墙低层。

在台风登陆以后，台风的强度明显减小。低层切向风速的最大值减弱到35 m·s-1，中低层径向风和垂直上升速度都显著减小，说明台风的垂直径向环流明显变弱。

3.2 台风“山竹”的雨带特征

由雷达反射率因子以及垂直速度的垂直剖面图(图4)可知，台风中心东侧眼墙的雷达回波最强，垂直雷达回波呈陡立的柱状结构，代表旺盛发展的深对流，而台风中心西侧眼墙的雷达回波相对较弱，代表趋于减弱的对流系统，台风东侧眼墙以东的三条螺旋雨带的深对流主要位于对流层的中低层。强垂直上升运动主要出现在眼墙处，尤其是西侧眼墙的垂直速度最大，而眼墙外的螺旋雨带的垂直速度明显小于眼墙处的垂直速度。

图4 9月16日12时模拟雷达组合反射率分布(a；色标，单位：dBZ)，沿图a的AB线所做的垂直速度的剖面图(b；色标，单位：m·s-1)和眼墙及雨带的垂直环流结构(c；阴影为雷达反射率因子，单位：dBZ)

从环流结构上来看，台风东侧眼墙的环流结构与西侧眼墙明显不同，台风的非对称结构明显。西侧眼墙的低层辐合主要是来自眼区西侧的西风入流，并随着高度倾斜，在4 km的高度垂直上升延伸至西侧眼墙的高层，在14.5 km的高度形成大范围的东风出流，使得西侧眼墙的高层辐散增强，其下沉支在4 km以下高度形成弱的下沉气流，而后流入眼区并加速，形成低层的西风入流，与东侧眼墙东侧的东风入流一起，形成了低层辐合的气流，这两支气流汇合后随高度倾斜上升，在12.4 km的高度附近转为大范围的高层西风出流，增加了东侧眼墙的高层辐散。台风螺旋雨带低层为一致的东风入流，经过较弱的垂直上升后在8.3 km的高度附近形成西风出流流出。

3.3 涡旋Rossby波的识别与特征分析

垂直涡度扰动或位涡扰动可以作为涡旋Rossby波的代表物理量，常被用来分析研究涡旋Rossby波的结构和演变特征。本文用尺度分离的方法，利用上述高分辨率数值模拟输出资料来诊断分析台风“山竹”内部涡旋Rossby波的结构特点。

由9月16日00时至17日12时2 km高度上1波、2波的垂直涡度的切向方向上(距离台风中心100 km)时间演变图(图5)可知，台风发展的不同阶段，1波和2波的传播特点也不同。台风登陆前(16日00时至06时)，1波先顺时针传播，后转为逆时针传播，且传播速度较快；2波主要表现为顺时针传播。台风登陆时(16日06时至12时)，1波和2波均主要表现为逆时针传播，切向移动速度逐渐减慢。在台风登陆之后(16日12时之后)，1波切向移动基本停止，切向移动速度几乎为0，2波的切向移动速度比1波明显较快。

图5 9月16日00时至17日12时2 km高度垂直涡度(单位：10-4 s-1)的切向(距离台风中心100 km)随时间演变(a. 1波，b. 2波；横坐标表示距离台风中心方位，自东向西逆时针旋转360°)

有研究表明，涡旋Rossby波与台风眼墙和台风螺旋雨带有较好的对应关系，涡旋Rossby波可以被用来判断分析台风强降水的位置和移动。因而本文将进一步分析涡旋Rossby波与台风眼墙和台风螺旋雨带中对流系统发生发展的关系。

图6为台风登陆前、登陆时和登陆后2 km处的1波垂直涡度和2 km处的雷达反射率因子对比图。如图所示，在台风登陆之前，1波的扰动结构较为松散，扰动异常值区主要集中在中心环流附近。随着台风靠近陆地，强雷达回波有1波负涡度扰动，其内侧存在较强的1波正涡度扰动，回波结构逐渐整齐，强度逐渐减弱。在台风登陆时，1波的结构紧凑，环流中心进一步收缩，强雷达回波区通常伴随有1波的正涡度扰动，二者具有明显的相关性，对流活动明显。在台风登陆之后，1波的影响范围扩大，台风中心环流结构变得松散，非对称结构特征显著，1波的切向移动明显变得很缓慢，1波正涡度扰动对应强雷达回波，存在强对流活动。

图6 9月16日台风登陆前(a. 01：30 UTC，b. 02:00 UTC，c. 02：30 UTC)、台风登陆时(d. 08：00 UTC，e. 08：30 UTC，f. 09：00 UTC)、台风登陆后(g. 18：00 UTC，h. 18：30 UTC，i. 19：00 UTC)2 km高度1波垂直涡度和2 km高度雷达反射率因子对比图(阴影为雷达反射率因子，单位：dBZ；等值线为扰动垂直涡度，单位：10-4 s-1)

图7为台风登陆前、台风登陆时和台风登陆后2 km处的2波垂直涡度和2 km处的雷达反射率因子对比图。由图6和图7的对比可以看出，1波和2波涡度扰动和对流系统具有一定的对应关系。在台风登陆之前，强雷达回波区存在1波和2波的正负涡度扰动，结构比较松散，总的来说正涡度扰动抑制对流系统的发展，负涡度扰动促进对流系统的发展。在台风登陆期间和台风登陆之后，强雷达回波区与1波和2波正的涡度扰动具有更好的对应关系，由于台风登陆后受到下垫面的摩擦作用而强度有所减弱，同时正的涡度扰动会引起正的散度变大，中低层辐散加强，致使台风眼墙和眼墙周围呈现中低层辐合，垂直的上升速度加快，促使对流系统加强；而负的涡度扰动大值区外缘的对流不强，这是因为1波和2波正的涡度扰动致使台风眼墙的中低层辐散变大，导致垂直上升运动变小，对于对流系统的发展很不利。

图7 9月16日台风登陆前(a. 01：30 UTC，b. 02:00 UTC，c. 02：30 UTC)、台风登陆时(d. 08：00 UTC，e. 08：30 UTC，f. 09：00 UTC)、台风登陆后(g. 18：00 UTC，h. 18：30 UTC，i. 19：00 UTC)2 km高度2波垂直涡度和2 km高度雷达反射率对比图(阴影为雷达反射率因子，单位：dBZ；等值线为扰动垂直涡度，单位：10-4 s-1))

图8为模拟的台风登陆前、台风登陆时和台风登陆后的30 min累计降水量。与雷达强回波的水平分布相似，在台风登陆前，降水量大值区主要出现在台风西侧的眼墙区，且稳定少动；在登陆期间，强降水区主要出现在台风偏北侧的眼墙和西南侧的螺旋雨带内，并且强降水区沿切向逆时针旋转移动，这与1波和2波涡度扰动的切向移动方向一致；在台风登陆之后，强降水区的范围进一步缩小，强降水区和强雷达回波区都位于台风东侧的螺旋雨带处。

图8 模拟的9月16日台风登陆前(a. 01：30 UTC，b. 02:00 UTC，c. 02：30 UTC)、台风登陆时(d. 08：00 UTC，e. 08：30 UTC，f. 09：00 UTC)、台风登陆后(g. 18：00 UTC，h. 18：30 UTC，i. 19：00 UTC)的30 min累计降水量(色标，单位：mm；图8d中的AB线是在台风东北象限强降水区画的一条线段，图9和图10为沿AB的垂直剖面图)

图9是过图8的AB线模拟的台风登陆前(9月16日01时)，台风登陆期间(9月16日10时)和台风登陆后(9月16日20时)扰动1波垂直涡度、水平散度、垂直速度的垂直剖面图。由图可知，台风登陆前，强降水区上空8～10 km的高度为正的散度扰动大值区，其下层为负的散度扰动大值区，表明高层大气是辐散的，而中低层大气辐合明显，台风眼墙处有剧烈的上升运动。强降水区西部的低层是正涡度扰动的大值区，并且随着高度向外倾斜，一直延伸到中高层，其下方是由低层倾斜向上伸展的负涡度扰动，这两条正负相间的涡度扰动带几乎与正负相间的散度扰动带同位相叠加，上层正的涡度扰动会促使正的散度增加，从而使得高层辐散增强；而下层负的涡度扰动会促使负的散度增加，从而使得低层辐合增强，综合结果会使上升运动加强，对流系统得到发展，降水量也有可能在短时间内增大。台风登陆时，强降水区上空是正的散度扰动大值区，其下方负的散度扰动大值区随高度向外倾斜，并且明显增强，依然维持中低层大气辐合，高层大气辐散的动力配置，眼墙处有强烈的垂直上升运动，而眼墙外围出现了明显的下沉运动。强降水区上空主要是正涡度扰动大值区，并且随高度向外倾斜，延伸至中高层，其下为较弱的负涡度扰动，此时高层辐散很强，而低层辐合相对较弱，登陆时间段的对流发展主要是取决于高层强辐散的抽吸作用。台风登陆之后，由于受到下垫面的影响，30 min累计降水量不足5 mm，降水量大大减弱了。此时高层大气主要是正的涡度扰动和负的垂直速度，代表高空主要是辐合气流为主，垂直运动主要是下沉气流为主，因此对流活动被明显抑制，台风降水将逐渐减弱消失。

图9 台风登陆前(9月16日01时)、登陆期间(9月16日10时)、登陆后(9月16日20时)扰动1波垂直涡度(色标，单位：10-5 s-1；a、d、g)、水平散度(色标，单位： s-1；b、e、h)和垂直速度(色标，单位：Pa·s-1；c、f、i)沿图8d中AB线的垂直剖面图(横纵坐标单位：km，蓝色实线为该径向位置的30 min降水量)

由2波扰动的垂直分布(图10)可知，在台风登陆以前，台风眼区上空为明显的正的涡度扰动，代表高层辐散，其下方为负的涡度扰动，代表低层辐合，这种动力配置有利于对流的系统性发展。强降水区上空10 km和4 km的高度上的散度扰动同时为正，其下方的散度扰动同时为负，并且伴有明显的垂直上升运动，同时强降水区的涡度扰动主要是正的高值区，其下的负高值区随高度向外倾斜，依然是中低层大气辐合，高层大气辐散的动力配置，也有利于对流的维持和发展。在台风登陆时，散度扰动自上而下呈现出正负、正负、正负相间的三条倾斜的散度扰动带，同时伴有较强的垂直上升运动，涡度扰动基本上是正的高值区，代表辐散作用明显，散度得到增加，从而促进了对流系统的发展。台风登陆后，台风眼墙在对流层低层有较弱的下沉运动存在，降水区上空为负的涡度扰动区，代表高层主要是辐合区，眼区开始出现填塞减弱，不利于对流系统的发展。

图10 台风登陆前(9月16日01时)、登陆期间(9月16日10时)、登陆后(9月16日20时)扰动2波垂直涡度(色标，单位：10-5 s-1；a、d、g)、水平散度(色标，单位： s-1；b、e、h)和垂直速度(色标，单位：Pa·s-1；c、f、i)沿图8d中AB线的垂直剖面图(横纵坐标单位：km，蓝色实线为该径向位置的30 min降水量)

6 结论

采用WRF中尺度模式对2018年22号台风“山竹”进行高分辨率的数值模拟，成功地模拟出台风“山竹”的移动路径、强度和降水分布。以此为基础，通过模式输出资料，分析台风的动力精细结构和台风雨带的宏观特征。再利用尺度分离方法，得到涡旋Rossby波的扰动场资料，进一步分析涡旋Rossby波的特征。研究台风登陆前后涡旋Rossby波与台风降水的相关关系，得到以下主要结论：

1)由WRF模式输出的高分辨率的资料，分析台风“山竹”精细的动力结构和雨带的演变特征。分析得到台风眼墙处具有低层径向入流、高层径向出流的动力配置。在台风眼墙的附近，同时存在切向风速高值区、垂直上升区、正温度距平区，并随高度向外侧倾斜，雷达回波较强，对流系统比较深厚。

2)利用尺度分离后得到的涡旋Rossby波扰动场资料，分析台风登陆前后涡旋Rossby波的演变特征。分析得到1波和2波同时具有朝切向传播和径向传播的特征，但是2波的振幅明显小于1波，在切向方向上1波的传播速度比2波要慢很多。

3)涡旋Rossby波与台风眼墙和台风雨带的关系。1波和2波扰动影响的范围与台风眼墙和螺旋雨带的范围较为一致，1波和2波的正涡度扰动大值区基本覆盖强的雷达回波区域，同时伴有较强的对流活动。另外1波和2波的涡度扰动、散度扰动、垂直速度扰动的发展存在一定的相关关系。如果降水区的涡度扰动呈现出上层为正、下层为负的动力配置时，而散度扰动的垂直配置也有类似配置时，则会加强对流系统的发展，有利于降水的增强；如果降水区的涡度扰动呈现出上层为负、下层为正的动力配置时，而散度扰动的垂直配置也有类似配置时，或者降水区的涡度扰动的垂直分布与散度扰动的垂直分布相反时，则会抑制对流系统的发展，不利于降水的增强。因此，1波和2波扰动的上层辐散下层辐合的动力配置会促使对流系统的加强，同时也会对台风降水的强度和分布有一定的作用。