1 引言

过去30多年，西北太平洋热带气旋（TC, Tropical Cyclone）的路径预报水平有了很大提高，根据日本气象厅的统计（Japan Meteorological Agency, 2016），对2015年TC的24和48小时短期路径预报误差分别减小到72 km和119 km，达到了历史最低记录，但对TC异常路径（北翘、急转、回旋）的预报仍然没有重大的改进，是亟待解决的重要科学问题。

TC运动受到诸多因素的影响，包括大尺度环境引导气流、β漂移、非对称结构和地形等。其中，由副热带高压、中纬度槽和气旋、季风槽等不同尺度天气系统共同构成的大尺度环境引导气流是控制TC移动的重要因素（Chan and Gray, 1982; Carr Ⅲ and Elsberry, 1990; Harr and Elsberry, 1995; 王斌等，1998）。Harr and Elsberry（1991）发现强副热带高压南侧的异常东风有利于TC直行，强季风槽和弱副热带高压条件下异常的西风有利于TC转向。Lander（1996）指出，TC路径突然北翘可能是低纬度季风槽线反转的结果。Shi et al.（2014）发现中纬度大陆高压和太平洋副热带高压断裂以及低纬度的小尺度反气旋系统是造成TC路径突变的原因。田华等（2010）发现，大气季节内振荡能影响季风槽和副热带高压的位置和强度，从而影响TC的运动。β漂移是指TC运动与引导气流之间的偏差，Holland（1983）指出，由于β效应产生了行星涡度梯度，使得TC向西北运动，这一结果已经得到观测分析和数值模拟的证实（Fiorino and Elsberry, 1989a, 1989b; Smith et al., 1990; Willoughby, 1992）。地形的动力及摩擦效应也会影响TC的移动路径，Lin and Chen（2002）数值研究了岛屿地形强迫与环境流相互作用对TC运动的影响，Wang et al.（2013）做了台湾岛地形引发非对称潜热释放导致台风路径改变的敏感性试验。

除了以上外部因素之外，TC内部的结构及眼区对流过程也会对其路径有显著影响。环境场的垂直风切变和TC内部非绝热加热引起的斜压效应是造成TC转向的原因（Shapiro, 1992; Wu and Emanuel, 1993）。Wang and Holland（1996）证实了非对称辐散流能使TC中心向最强对流区域倾斜的事实。Holland and Lander（1993）指出，非对称对流的轴向振荡是导致TC路径蜿蜒的原因。Wang et al.（2012）等用云分辨率风暴模拟器做了具有非对称对流结构TC的移速对水汽增减的敏感性实验，并提出了非对称潜热释放和环境引导气流共同决定了“莫拉克”台风的移动方向。陈联寿等（1997）揭示了TC热力不稳定非对称结构对其异常路径的影响。

上述研究分别从TC的外部及内部的不同物理过程诊断及数值研究了影响TC路径的机制，得到了许多重要的结果，但影响TC运动的机制十分复杂，值得开展进一步的研究和探讨。因此，本文选取2011年第9号TC“梅花”为例，首先用多种资料诊断分析其两次路径转折过程中的多尺度特征，特别是眼区和螺旋云带的结构特征，再利用高分辨率WRF模式进行精细化数值模拟，再现路径转折过程中眼区对流及螺旋云带宏微结构的演变，揭示两次路径转折的可能机制。

2 路径转折过程的多尺度特征分析 2.1 路径实况

2011年第9号TC“梅花”于2011年7月28日06时（协调世界时，下同）在菲律宾以东附近（11.5°N，135°E）的西北太平洋洋面上生成后向偏北方向移动（图 1a），在8月2日00时至3日00时间发生第一次路径转折，移动方向由偏北方向转为偏西方向，并在8月4日12时之后发生第二次路径转折，移动方向由向西逐渐转为向北，此后“梅花”一路北上，于8月8日18时在朝鲜西北部沿海登陆，8月9日02时在辽宁减弱为热带低压，并停止编报。

2.2 环流演变

“梅花”活动期间，500 hPa位势高度场上（图 2），中高纬度大气环流一直维持两槽一脊的分布形式，两个槽区分别位于中亚和白令海峡，两槽之间的西西伯利亚和鄂霍次克海区域为高压脊。第一次路径转折前后（图 2a, b），副热带高压脊线从西南—东北向演变成东西向，“梅花”的位置从位于副热带高压的西侧变成了位于副热带高压的南侧，台风受到北侧副热带高压阻挡并向西转折。第二次路径转折期间（图 2c，d），位于160°E的“苗柏”台风逐渐发展增强并向北移动越过副热带高压，断裂的副热带高压脊线从东西向转变成南北向，“苗柏”和“梅花”分别位于其两侧，“梅花”在副热带高压西侧偏南气流的引导下向北运动，完成了第二次路径转折。850 hPa风场显示，第一次路径转折之前后（图 2a，b），菲律宾上空的越赤道气流明显减弱，造成台风环流的南风分量减小，这可能是导致其向西转折的因素。第二次路径转折之前（图 2c），南海季风的偏西气流最为强盛，和越赤道气流汇合后进入“梅花”台风环流，使其南风分量增强（图 2d），导致其向北转向。

由上述的分析可知，中高纬大气环流维持稳定、副热带高压脊线的变化、越赤道气流和南海季风的增强与减弱对“梅花”的移动及转折都有重要的影响。

2.3 眼区和螺旋云带演变

热带气旋眼区的对流活动以及内部结构的变化可能对其移动和转向有重要的影响。为了描述“梅花”路径转向期间其内部结构的演变，图 3给出了SSMI（Special Sensor Microwave Imager）微波探测器85 GHz（weak）频道红外亮温云图和TRMM卫星雨水含量垂直积分分布图，85 GHz（weak）通道增强了较暖粒子的信息，能有效地探测水汽、云水和雨水物质的分布。第一次路径转折过程中，2日08时24分（图 3a），台风眼收缩得很小，眼区水物质含量较大，结构十分密实，眼墙外的对流主要位于其南侧，台风环流的东北象限的螺旋云带上有较强的对流单体。随后，台风出现了双眼墙结构，外眼墙对流较强，内眼墙对流较弱（朱雪松等，2014）。2日20时55分（图 3b），内眼墙对流减弱，外眼墙和南侧的螺旋云带对流增强，之后“梅花”完成了第一次路径转折。3日13时07分（图 3c），雨水含量的垂直积分的分布显示眼区范围进一步扩大，结构分布较稀疏，北眼墙出现了不连续和断裂，螺旋云带位于眼墙东侧。4日12时10分（图 3d），“梅花”出现了明显的双眼墙结构，眼墙上雨水含量分布不均匀，内眼墙上雨水含量较小，外眼墙雨水含量较大，对流主要分布在外眼墙的南侧和东侧，随后“梅花”开始第二次偏转。4日18时43分（图 3e），内眼墙的强度明显减弱，东侧和南侧的外眼墙有和螺旋云带合并的趋势，造成东侧和南侧眼墙的雨水含量较大，台风环流呈现出明显的非对称结构。5日12时53分（图 3f），内眼墙完全消失，外眼墙出现断裂，西侧外眼墙消失，东侧外眼墙已经和螺旋云带合并，对流活动主要集中在台风环流的东侧，这种非对称的结构在第二次路径转折期间一直维持，在此期间“梅花”移动方向从向西变为向北。

在第二次路径转折期间，“梅花”内部对流出现了明显的非对称结构，为了细致描述其对流活动的情况，图 4给出了85 GHz（Polarization Correction Temperature，PCT）频道红外亮温云图，该频道增强了冻结层以上的冰水物质的信号，能有效探测出深对流活动。由图可看出，对流活动集中的区域从路径转折前期的东南眼墙（图 4a，b），逐渐演变到后期的东眼墙和北眼墙（图 4c，d）。这种眼墙对流的非对称结构伴随着“梅花”向北转折的整个过程。

2.4 垂直结构分析

为了解“梅花”路径转折期间眼区和螺旋云带的垂直结构，利用TRMM卫星2A12资料中的雨水含量资料，选择图 3中TRMM卫星轨道经过的几个时刻（图 3c–f），沿卫星轨道方向做穿过台风眼的垂直剖面图（图 5）。图 3c中，眼区范围扩大，北眼墙出现不连续和断裂，对流集中在南眼墙上，对应雨水含量的垂直分布可看出（图 5a），在132°E附近，北眼墙的雨水含量较少，130°~131°E之间的南眼墙的雨水含量较高，最大值位于4 km的高度。133°E附近有螺旋云带。图 3d中，“梅花”出现明显的双眼墙结构，雨水含量的垂直分布也显示出台风的双眼墙结构（图 5b），127.5°E附近的外眼墙的对流最强，雨水含量最大值从地面延伸到5 km高度，外眼墙的雨水含量大于内眼墙，130.5°E附近有螺旋云带。图 3e中，“梅花”出现的明显的非对称结构，雨水的垂直分布看出（图 5c），127°E附近，西侧外眼墙云水含量很少，127.5°E附近的西侧内眼墙已经消失，128.8°E附近的东侧内眼墙与129.2°E附近的外眼墙距离逐渐靠近，在129°E附近发生了眼墙置换和合并过程，合并后眼区直径扩大，129.5°E附近的螺旋云带的对流最强，最大雨水含量值超过2 g m^-3，高度到达6 km附近，螺旋云带与东侧外眼墙距离较近，即将并入外眼墙之中。图 3f中，内眼墙已经消失，东侧内、外眼墙和螺旋云带在128°E附近合并，使得眼墙厚度增加（图 5d）。

综上所述，“梅花”第一次路径转折期间，眼墙和螺旋云带分布表征的台风内部结构变化不大；第二次路径转折前后，台风眼墙从双眼墙结构演变成明显的非对称结构，对流集中到东半眼墙，台风眼区发生了眼墙置换、眼墙合并，以及螺旋云带与眼墙合并的过程，台风的这些内部过程必然会对台风路径的转折有重要影响，下文将对此展开研究。

3 数值模拟及验证 3.1 模拟方案设计

上文对“梅花”路径转折过程中眼区对流活动和螺旋云带的演变进行了诊断分析，为了再现“梅花”内部对流活动演变过程，利用WRF模式对其两次路径转折过程的路径、强度及云微物理结构进行数值模拟，模拟时段为2011年8月1日06时至6日18时，将其分成每6小时一次的26个阶段，将前一阶段得到结果作为下一阶段三维同化系统中的背景场，并在下一阶段初始时刻加入NOAA-16（AMSUA/B）卫星资料进行同化。初始条件和边界条件由1°×1°的FNL资料生成，采用两层嵌套方案，水平分辨率分别为9 km、3 km，垂直方向为28个σ层，采用Kain-Fritsch积云对流参数化方案和Morrison云微物理方案。

3.2 路径及强度对比

从图 1可看出，模拟的路径和中心最低气压与日本气象厅（JMA）发布的实况资料基本一致。模式较好地模拟出第一次路径转折过程（图 1a），“梅花”的移动速度和方向与实况十分接近。3日06时至5日06时，模拟路径比实况偏北，5日12时之后，模拟路径比实际路径偏西。虽然模拟的第二次路径转折的开始时间比实况偏晚，路径也有偏差，但能模拟出路径转折的总体趋势。强度方面（图 1b），模拟的中心最低气压在2日06时到达最低的945 hPa，之后开始逐渐升高，在5日6时后又开始降低，6日18时后开始回升。实况方面，从1日12时至5日06时中心最低气压都维持945 hPa，之后开始逐渐回升。对比发现5日18时之前，模拟的中心最低气压高于实况，之后模拟的低于实况。总体而言，模式较好的模拟出了“梅花”的两次路径转折以及强度的维持过程，但对其强度减弱的模拟较差。

3.3 眼区和螺旋云带对比

眼区和螺旋云带是反映热带气旋强度及内部结构的主要因素，眼区和螺旋云带上对流活动的演变能触发眼墙合并及眼墙置换过程，引起内部结构的变化，造成强度及路径的改变，因此是数值模拟的关键。图 6为与图 3对应时刻的雨水物质垂直积分的时间序列。比较图 3和图 6可发现，数值模拟能够较好地再现螺旋云带及眼区结构的时间演变。8月2日09时（图 6a），台风眼收缩得很小，从模拟的中心最低气压可知此时台风强度最强。眼墙南侧雨水含量垂直积分值较高（与图 3a类似）。2日21时（图 6b），由图 3b可知，此时台风内眼墙对流较弱，外眼墙对流较强。数值模拟未能模拟出内眼墙结构，但较好的模拟出外眼墙结构和南侧螺旋云带。3日12时（图 6c），眼区范围扩大，模拟的中心最低气压明显上升，强度有所减弱。南眼墙上云水含量积分值比之前增大，但北眼墙出现了不连续和断裂，螺旋云带的对流主要位于眼墙的东南侧（与图 3c类似）。4日12时（图 6d），眼墙南侧的螺旋云带上，零星对流通过组织化过程初步形成台风的外眼墙，呈现出双眼墙结构（与图 3d类似），内外眼墙上雨水含量垂直积分值分布不均匀。4日18时（图 6e），内外眼墙基本合并，内眼墙趋于消失，强对流集中在东南侧的外眼墙上，台风环流出现了显著的非对称结构（与图 3e类似）。5日12时（图 6f），非对称结构继续维持，强对流主要集中在东眼墙，雨水含量积分在东眼墙出现了最大值。

为反映第二次路径转折期间内部非对称结构的演变，图 7给出了图 4对应时刻模拟的云中冰物质（冰、雪、霰）垂直积分的时间序列。比较图 7和图 4发现，数值模式较好的模拟出第二次路径转折期间“梅花”的非对称结构特征，以及深对流活动集中区从东南眼墙演变到东半侧眼墙的过程。

3.4 垂直结构对比

为了再现“梅花”内部对流的动力、热力及水物质的三维结构，图 8给出了眼区雷达回波、总降水物质及风场沿眼墙轴线（图 6中的黄线）的垂直剖面。3日12时（图 8a），此时台风强度较强，眼区范围较小，雷达回波显示，南北眼墙相距大约一个纬度，南眼墙对流高度接近300 hPa，最大对流中心在500~400 hPa之间，北眼墙的对流高度和最大对流中心都比南眼墙低，对流强度也较弱。垂直速度分布显示，南眼墙的上升速度比北眼墙大。南眼墙总降水物质的高度和范围与雷达回波基本一致，北眼墙总降水物质的高度比南侧低，范围小，这与相近时刻的TRMM卫星的雨水剖面分布较为相似（图 5a）。4日12时（图 8b），此时台风出现了双眼墙结构（图 5b），雷达回波和总降水物质的分布显示外眼墙对流高度和范围都比内眼墙高和广，最大垂直速度出现在东外眼墙。4日18时（图 8c），与图 5c类似，“梅花”出现明显的非对称结构，西侧内外眼墙对流明显减弱，两者在127.2°E附近正在发生眼墙的合并与置换过程，东侧内外眼墙已经在129°E附近完成了置换与合并，129°~130°E附近之间出现了对流较强的螺旋云带。5日12时（图 8d），台风的非对称结构继续维持，雷达回波和总降水物质显示西眼墙对流进一步减弱，东眼墙外的螺旋云带和东眼墙逐渐合并，使得东眼墙的对流范围扩大。

3.5 螺旋云带演变及眼墙置换

第二次转向期间，眼区的内部结构出现了非对称结构，眼区对流活动及其他内部过程引发了台风眼墙合并与置换等关键物理过程，这些过程可能对台风路径的转折有及其重要的影响，以下对这些过程进行详细描述。图 9给出了台风第二次路径转折期间关键时刻对流活动相关物理量场的分布。6日00时（图 9a），垂直速度分布显示，强上升气流出现在眼墙和南侧的螺旋云带上，下沉气流则出现在北眼墙外侧以及不同螺旋云带之间的区域。湿位涡分布显示，台风眼区为弱的正值区，螺旋云带上有正负相间涡块中心。比较垂直速度和涡位涡分布发现，螺旋云带间的下沉气流区对应正湿位涡区，螺旋云带间的上升气流区对应负湿位涡区。垂直速度和湿位涡分布都显示台风内部结构出现了非对称特征，西眼墙对流较弱，上升气流较弱，湿位涡分布稀疏，东眼墙和南眼墙对流较强，上升气流较强，湿位涡分布密集。沿其中一条螺旋云带方向（图 9a中红线）的剖面图显示（图 10a），螺旋云带方向上排列着多个对流单体，垂直速度在对流层中低层呈正负相间分布，在对流层上层以正的上升气流为主，在图中左侧靠近眼墙处的对流较强，上升速度快，右侧远离眼墙处的对流较弱，上升速度慢。500 hPa以下，正湿位涡区与下沉气流区对应关系较好，相邻的正湿位涡区之间为负位涡区，500 hPa以上，正湿位涡区大致与上升气流区相对应，相当位温高值区对应上升气流区，说明有潜热释放过程。6日03时（图 9b），西眼墙趋于消失，上升气流明显减弱，东侧螺旋云带上的对流涡块有组织地与东眼墙合并，使得东眼墙上的对流加强，造成台风环流的非对称对流结构进一步发展。从台风眼区往东穿过眼墙和螺旋云带（图 9b中红线）的剖面图能更清楚看出这一过程（图 10b），图中从左向右分别为台风眼区、眼墙和螺旋云带，眼区的垂直速度和湿位涡都较弱，126.4°E附近台风眼墙处为强的上升气流和相当位温高值，右侧的若干上升气流区为螺旋云带。126.5°E附近眼墙和螺旋云带之间的下沉气流区范围较窄，螺旋云带之间的下沉气流区较宽，说明存在螺旋云带逐渐与眼墙合并的过程。

综上所述，数值模式不仅模拟出“梅花”两次路径转折及强度变化、眼区及螺旋云带对流活动的内部结构，还模拟出了第二次路径转折过程中台风环流的非对称结构，螺旋云带上的对流通过组织化方式与眼墙合并，以及台风内外眼墙的置换过程。

4 路径转折机制分析 4.1 方法简介

按照Fang and Zhang（2010）的研究成果，运用二维快速傅里叶变换的方法，将影响台风路径变化的不同尺度系统分为大尺度环流尺度和台风风暴尺度，以此来表征影响台风路径的外部因素及内部过程。为了定量表述内部对流和外部环境流场对路径转向的影响，借鉴Chen et al.（2017）的最新研究成果，将影响台风运动的引导气流风场（V）分解为环境分量（V_e，台风中心500 km以外）和风暴尺度分量（V_c，台风中心500 km以内），两者满足以下关系：

$ \mathit{\boldsymbol{V}} = {\mathit{\boldsymbol{V}}_{\rm{e}}} + {\mathit{\boldsymbol{V}}_{\rm{c}}} $

(1)

将500 km以外区域的风场做傅里叶分解得到环境分量，将滤波后的环境分量插值到500 km以内再分离出风暴尺度分量，于是得到了引导气流、环境分量、风暴尺度分量随时间的演变序列（图 11），在此基础上，对第一次路径转折和第二次路径转折进行了定量分析，以此确定大尺度环流和内部结构变化对台风路径的影响，具体分析结果如下。

4.2 第一次路径转折

从图 11看出，2日00时至3日00时的第一次路径转向期间，环境风场的纬向东风分量（负值）迅速上升，经向南风分量（正值）迅速下降，而风暴尺度的纬向和经向分量数值较小，且变化不大，引导气流的纬向和经向分量都和环境分量的变化趋势一致。表 1为各分量的具体数值及分量占总量的百分比，环境风场的纬向东风分量从0.33 m s^-1上升到1.5 m s^-1，经向分量从3.87 m s^-1下降到1.74 m s^-1，风暴尺度风场的纬向东风分量一直低于0.1 m s^-1，经向分量一直低于0.36 m s^-1。第一次转向期间，环境风场的纬向和经向分量占引导气流的百分比都在83%以上，有的时刻高于90%，表明台风内部的风暴尺度风场对其路径转折的影响程度较小，外部环境风场的影响较大。

4.3 第二次路径转折

分析引导气流、环境分量、风暴尺度分量随时间的演变可知（图 11），5日12时之前，环境风场的纬向东风分量（负值）持续上升，随后开始下降，经向南风分量（正值）从4日06时之后开始逐渐上升。风暴尺度的纬向分量从5日00时之后出现了西风分量（正值），经向南风分量的变化趋势和环境风场相似。引导气流的纬向分量变化趋势和环境风场的相似，但与风暴尺度的西风分量（正值）抵消后，数值比环境风场的低。分析表 1可看出，5日12时至7日00时之间，风暴尺度场的纬向西风分量从1.41 m sm s^-1上升到2.01 m sm s^-1，对引导引流贡献的百分比从23%上升到36%，经向南风分量从1.03 m sm s^-1上升到2.01 m sm s^-1，对引导引流贡献的百分比介于35%~47%之间。

5 结论和讨论

对台风“梅花”两次路径转折过程进行了诊断分析和模拟研究，对路径转折的机制做了探讨，得到以下主要结论：

（1）外部大尺度环流分析表明，第一次路径转折前后，副热带高压脊线从西南—东北向演变成东西向，台风的位置位于副热带高压南侧，受到北侧副热带高压的阻挡并向西移动，低层越赤道气流明显减弱引起台风环流的南风分量减小。第二次路径转折期间，断裂的副热带高压脊线从东西向转变成南北向，台风在副热带高压西侧偏南气流的引导下向北转向，南海季风增强使得台风环流的南风分量增加也是向北转向的因素。卫星资料分析表明，第一次路径转折期间，眼墙和螺旋云带分布表征的台风环流内部结构变化不大。第二次路径转折前后，台风眼墙从双眼墙结构演变成明显的非对称结构，台风眼区发生了眼墙置换与合并，螺旋云带与眼墙合并的过程。

（2）数值模拟不仅较好的模拟出“梅花”的两次路径转折和强度变化，还模拟出路径转折过程中台风眼区及螺旋云带对流的宏微观结构特点及时空演变状况，同时较好的再现了螺旋云带上中小尺度对流体的发展，以及眼墙的置换与合并过程。

（3）对两次路径转折的原因和机制做出定量分析，第一次转向期间，环境风场的纬向和经向分量对引导气流的贡献在83%以上，有的时刻高于90%，表明外部环境风场对其路径转向的影响较大，内部的风暴尺度风场对其路径转折的影响程度较小。第二次转向期间，风暴尺度场的纬向分量对引导引流贡献的百分比从23%上升到36%，经向分量对引导引流贡献的百分比介于35%~47%之间，表明内部非对称结构与外部大尺度环境流场对第二次路径转折都有影响。

（4）本文对“梅花”路径转折过程的机制研究是初步的，需要展开更多的工作进行深入研究，如台风内部非对称结构是台风的外部强迫与内部过程相互作用的结果，但路径的转折究竟是外部强迫还是内部过程起着主导作用还尚未了解清楚。事实上，台风路径转折体现了多尺度框架下台风内外部过程的非线性相互作用，需要从尺度传递及非线性触发等方面进行深入的研究。