1 引言

近年来，热带气旋(TC)的风雨预报水平进展缓慢，主要体现在降水落区和强度预报偏差大，空报、漏报严重，经常导致过度防御。研究认为，在下垫面摩擦、环境风垂直切变、涡旋罗斯贝波、海洋状况等多种影响因子的共同作用下，TC内的对流分布呈现非常复杂的非对称特征(费建芳等，2013)，使得TC引发的强降水落区集中于一个或者特定的几个区域内，从而大大增加了TC风雨预报和强度预报的难度(Yu, et al，2012)。

部分研究发现了TC内对流非对称分布与TC移向的关系，但却得出了不一样的结论。陈联寿等(2004)基于多年的观测资料研究指出，大部分TC在登录时右侧降水要明显强于左侧。而Willoughby等(1984)、Reasor等(2000)和安成等(2013)分别对飓风David(1979)、Olivia(1994)和台风Koppu(2009)眼墙区的雷达反射率资料分析发现，强对流主要出现在TC移动方向的左前象限。朱佩君等(2010)、覃丽等(2015)通过研究两个影响广西的TC个例发现TC云系集中在南侧。Yang等(2016)利用风云气象卫星TBB资料统计了8 a西北太平洋热带气旋内的对流非对称分布特征，发现对流更易出现于TC移动方向的左后象限及后侧。这种对流分布与TC移向的多种配置关系说明，TC内对流的非对称分布并非仅归因于TC移动引起的非对称摩擦效应造成的右前象限强入流(Shapiro，1983)，也与不同的环境场风垂直切变和地形(Chan, 2004)有关。

环境风垂直切变是影响热带气旋结构和强度的一个重要动力学因子。在风垂直切变的作用下，TC内部的非对称对流与热带气旋强度变化有着十分密切的关系。对于台风内核区，在干绝热条件下，风垂直切变容易使对流出现在顺切变方向(即顺风垂直切变方向)及其右侧(Jones，1995；Demaria，1996；Frank, et al，1999)；然而在湿绝热条件下以及实际观测研究中发现，风垂直切变首先会使得TC在顺风切变方向及右侧有上升运动，随着TC发展，环流增强，涡度大值区和强的上升运动区逆时针旋转，强对流容易出现在顺切变方向及其左侧(Franklin, et al，1993；陈国民等，2010；许向春等，2012)，Gu(2016)指出，TC眼墙区内的对流在顺切变右方生成，左前方发展，左后方产生降水，右后方消亡。目前针对这一现象的解释主要存在两种观点：一种是风暴相对流理论(Bender，1997)，该理论认为TC内核区的相对入流处，负涡度平流与辐合引起的涡旋伸展相平衡，低层入流和上层出流以及深层的垂直上升运动发生在顺切变一侧。另一种理论为涡旋倾斜理论(Jones，1995；Frank et al，1999, 2001)，Jones(1995)认为环境风垂直切变破坏了TC原来轴对称的垂直结构，高低层切向风存在差异，为达到热成风平衡，顺风切右侧自西向东为上升运动，在顺风切左侧自西向东为下沉运动，从而使得对流在顺切变方向及其右侧生成。

然而，上述结论主要都是针对TC内核区(3倍最大风速半径以内)的对流分布特征得到的，外螺旋雨带区的对流形成与内雨带完全不同(Li, et al，2012)，关于外螺旋雨带区(>100 km)对流非对称分布是否满足同样的结论则尚无定论。Corbosiero等(2003)统计了1985—1999年大西洋飓风内闪电分布特点，结果表明，闪电在外螺旋雨带区(100—300 km)呈现出与内核区完全不同的分布特征，其更容易出现在顺切变方向的右侧，且风垂直切变强度越强，偏离程度越大，Abarca(2011)也得到了相似的结论。

以前的大部分研究都是利用TRMM降水探测资料、近岸天气雷达探测资料或者闪电观测资料进行统计分析，但是其空间覆盖率均十分有限，不能完全跟踪TC发生、发展过程中的对流变化，常常无法捕捉一个完整的TC系统，目前仍然缺乏对西北太平洋上热带气旋系统内对流非对称分布的统计研究。因此，本研究利用时、空覆盖率均较高的FY-2C/2E卫星黑体亮温资料，选取2005—2012年136个TC个例为样本，研究TC外雨带区对流空间分布与环境风垂直切变以及TC移动的关系，为进一步加深TC范围内对流非对称分布特征的认识提供一定的参考。

2 资料和分析方法 2.1 FY-2C/2E卫星观测资料

使用空间分辨率为0.1°×0.1°的FY-2C/2E地球静止气象卫星高分辨率逐时黑体亮温(TBB)资料来描述对流的强度，数据的总体完整率为94%。TBB与强对流及对流引起的降水有很好的对应关系(Kidder, et al, 1978)，TBB值越低表示云顶伸展高度越高，对流越旺盛。其中“阈值法”也称“粗云检测”(通过经验方法选定适当的阈值以识别对流云)，是识别强对流云团普遍采用的方法之一，也被广泛地应用到TC内对流识别中(Lee et al, 2008, 2012)。Lee等(2008)在研究台风生成前的中尺度扰动时，将低于-32℃的TBB区域定义为普通对流区，文中在非对称分析中仅考虑低于-32℃的TBB格点数据，其他未满足阈值的格点被视为此处无对流，将其值设置为0。

2.2 西北太平洋最佳路径集台风资料

中国气象局上海台风研究所(CMA-STI)热带气旋最佳路径数据集(www.typhoon.gov.cn)，提供了西北太平洋(含中国南海，赤道以北，180°以西)海域热带气旋每6 h的中心位置和强度。文中假设在两次记录时间内TC是匀速运动的，通过插值得到逐时的TC位置和强度数据。根据《热带气旋等级》中国国家标准(GB/T 19201—2006)，将TC分为热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风及超强台风6类。在剔除超出卫星观测资料范围或者未被命名的TC以及双台风后，文中共统计了2005—2012年西北太平洋136个TC个例。

2.3 一波非对称的计算

在Yang等(2016)的工作中发现西北太平洋TC内对流发生频率的概率密度曲线沿方位角近似为正弦函数，具有明显的一波特征，因此，文中将TBB场沿方位角进行傅里叶展开，通过计算一波非对称值来表征对流的非对称程度。一波非对称值的最大振幅越大，表示对流的分布越不均匀，一波非对称值的正值区表示非对称分布的对流更容易出现的位置。以TC中心为原点构建极坐标系，半径r方向间隔为25 km，方位角θ方向间隔1°，卫星探测资料被插值到1°×25 km格点上。沿半径方向第r(r=1, …, 20)个环形域，方位角θ(θ=1°, …, 360°)处的TBB(r, θ)值展开的三角级数形式(Boyd，2001)为

(1)

式中，T(r)为第r个环形域上关于方位角平均的TBB值，n为级数，a_n(r)和b_n(r)是第r个环形域上的n级傅里叶系数。可用傅里叶的一级级数展开形式表示对流的非对称程度，一级傅里叶系数的计算式为

(2)

(3)

此时，第r个环形域、方位角θ处的TBB一波空间非对称值M(r, θ)为

(4)

第r个环形域的TBB一波非对称值的最大振幅F(r)为

(5)

2.4 风垂直切变的计算

环境场水平风的垂直切变是指在一定范围内高低层平均风的矢量差，通常情况下高层指200 hPa等压面，低层为850 hPa等压面。利用2005—2012年1°×1°的逐6 h的NCEP/NCAR分析风场资料，分别计算整层(200—850 hPa)、中高层(200—500 hPa)和中低层(500—850 hPa)的环境风垂直切变(Chen, et al, 2012)

(6)

(7)

(8)

计算区域采用以TC为中心、500 km为半径的圆形域(Hanley, et al, 2001)。

3 风垂直切变对TC个例对流分布的影响 3.1 风垂直切变的统计特征

从2005—2012年8 a TC生命史阶段的整层、高层和低层风垂直切变的大小的统计结果(图 1)可以看出，风垂直切变值多集中于10 m/s以下，中等切变(5—10 m/s)出现次数较多，这也印证了在一般情况下，强的风垂直切变不利于TC的发生、发展。

将TC方位角顺时针分为16等分，分别计算各层风垂直切变关于方位角分布的概率密度函数。图 2给出了各层风垂直切变的方向(图 2a，N表示正北方)及风垂直切变与台风移动方向夹角的概率密度分布玫瑰图(图 2b，0表示TC移动方向)，半径越大表示出现在该方向上的风垂直切变频率越高。可以看出，整层风垂直切变与中高层风垂直切变的方向分布较为一致，均以东北风切变为主，西南风切变次之，西北风切变发生的频率最低，而中低层风垂直切变则以东风切变和西南风切变为主，这是因为热带气旋大多发生、发展于热带地区，该地区以东风切变为主。整层风垂直切变的方向与TC移动方向的夹角约为60°，方向主要指向移动方向的左侧，而中低层风垂直切变的方向与台风移动方向较为一致。

3.2 风垂直切变与一波非对称值的关系

首先选取缓慢移动(＜5 m/s)，在其生命史中风垂直切变方向和强度均有较大改变且未登陆(或登陆前)的热带气旋Banyan(2005)和Saola(2005)作为个例，研究不同层次的风垂直切变与TBB一波非对称值的关系。

图 3为两个TC个例在0—500 km范围内关于半径平均的TBB一波非对称值的时间演变，一波非对称值越大，表示该位置对流越强。图中黑色实线表示风垂直切变的方向随时间的变化，其中图 3a、b中的实线分别表示热带气旋Banyan和Saola的整层风垂直切变，图 3c、d中实线分别表示热带气旋Banyan中高层风垂直切变和中低层风垂直切变(Saola高低层风垂直切变与一波非对称的关系与Banyan类似，故未给出)。可见Banyan的整层和中高层风垂直切变的方向与一波非对称值大值区的走势高度吻合，相反，中低层风垂直切变与对流分布没有明显的对应关系。同样，热带气旋Saola的整层风垂直切变的方向与一波非对称大值区较为一致。从图 3a还可以看出，在Banyan成熟前(7月20日12时—23日12时；世界时，下同)，一波非对称的值较小，且一波非对称的大值区与风垂直切变的方位角分布较为一致，而在其减弱阶段(7月23日12时—26日08时)，由于风垂直切变值增大，一波非对称的振幅也大幅度增大，对流分布变得更加不均匀，一波非对称的大值区主要位于顺切变方向。

Wingo等(2010)在研究不同风垂直切变条件下TC降水空间分布时指出，风垂直切变对降水的作用时间是瞬时的。但是风垂直切变对于对流的影响应该有一定的作用时间，因此，文中计算了136个TC个例各层风垂直切变与滞后了n h径向平均的一波非对称极大值的相关系数(表 1)。不仅考虑了风垂直切变的方向变化对于一波值分布的影响，还考虑了风切变的强度对于一波非对称最大振幅的影响。结果表明，整层风垂直切变无论是方向变化还是强度变化均与1 h后的一波非对称值的变化有相对较强的相关，而中高层风切变虽然方向与对流分布方位角有一定的对应关系，但强度变化与一波非对称最大振幅分布基本无关，相比之下，中低层风垂直切变的方向和强度变化与对流的非对称的相关较弱。

4 风垂直切变与对流非对称分布的统计特征 4.1 风垂直切变对不同生命阶段TC影响的统计

为了仅考虑风垂直切变对TC非对称分布的影响，首先筛选出移动缓慢(＜5 m/s)的时次作为统计样本(134个TC的12536个时次)。近海台风登陆前，当TC中心位置与海岸线的距离小于其平均半径时，即TC雨带前沿登陆时，TC便受到下垫面变化的影响，强度显著减弱。大部分情况下，在登陆前TC强度开始减弱，平均为5 h，因此，在讨论风垂直切变和移动对对流非对称分布的影响时，将只讨论未登陆的TC和TC第1次登陆前5 h的时次。

图 4为移动缓慢的TC在不同的风垂直切变环境中(后文若无特殊说明，风垂直切变均指整层风垂直切变)，TBB一波非对称值的平均空间分布。图 4a—c为TC发展阶段(TC形成至TC强度最强的阶段)，图 4d—f为TC消亡阶段(TC强度最强至TC变性或消亡前的阶段)。当TC处于发展阶段时，弱风垂直切变环境下的一波非对称值较小(图 4a)，对流分布较为对称，在200 km半径范围内一波非对称值近似为0，在200 km之外，对流略向顺切变方向左侧偏移；在中等风垂直切变的环境下(图 4b)，任何距离半径处的对流均集中于顺切变一侧，向顺切变左侧偏离，一波非对称振幅明显大于弱切变情况下的振幅；而在强风垂直切变的环境下(图 4c)，无论是内核区还是外围，对流更偏向于顺切变方向及其左侧，且外围更易受风垂直切变的影响，一波非对称值增强，对流偏离TC中心程度较大。

当TC处于减弱阶段时(图 4d—4f)，一波非对称平均分布与发展阶段较为相似，均集中在顺切变方向及其左侧，随着半径的增大，一波非对称值越大，对流非对称程度越高。但减弱阶段的TC一波非对称的平均振幅要比发展阶段的TC一波值的振幅小，且一波值大值区的范围也相对较小，这说明风垂直切变在TC减弱阶段对TC内对流非对称分布的影响没有发展阶段显著。

由上述分析可知，风垂直切变对发展阶段中的TC非对称分布影响较大，为研究风垂直切变对不同强度TC的对流非对称分布的影响，统计了中等和强的整层风垂直切变条件下(图 5、6)，处于不同发展阶段的TC一波非对称平均值。当TC强度增强时，一波非对称振幅逐渐减小，说明强TC抵御风垂直切变的能力变强。

Jones(1995)利用数值模拟研究了线性变化的风垂直切变对TC分布的影响，认为TC内核区的上升运动首先会在顺风切及其右侧有上升运动发展，随着TC的发展对流发展旺盛区会逆时针旋转至顺风切的左侧。图 6也证明了实际过程中在外螺旋雨带区这一结论的正确性，当TC为热带低压时，TC自身的环流较弱，外螺旋雨带区的对流主要集中在顺切变方向，随着TC的发展，虽然环流本身抵御风垂直切变影响的能力增强，但由于强台风涡旋性增加，对流活动逆时针旋转更显著，对流旺盛区向顺切变左侧的偏离程度更大。但是在对比图 5和6时发现，当TC强度相同时，强的风垂直切变也会使对流更向左偏离，对流向顺切变左侧的偏离并不仅仅是由TC自身环流增强造成的，也与风垂直切变强度增加有关。

4.2 移动与对流非对称分布的关系

当综合考虑风垂直切变和移动两种因子的共同作用时，Chen等(2006)认为在风垂直切变较弱(＜5 m/s)的情况下，TC的移动在影响降水的非对称结构的过程中起主要作用，并且与内核区相比，外雨带对于TC移动方向的变化更加敏感；当风垂直切变较强时(>7.5 m/s)，移动对于降水非对称结构的影响变得微乎其微。文中在讨论实际快速移动的TC在风垂直切变的环境下的对流分布特征时，也得到了相似的结论。

图 7为发展过程中快速移动(>5 m/s)的TC在弱风垂直切变(VWS＜5 m/s)环境下的平均一波非对称值的分布情况(47个TC的447个时次)，正北表示风垂直切变的方向，黑色箭头表示TC移动的方向。在弱切变环境下，无论切变方向和移动方向怎样配置，一波非对称大值区始终位于快速移动TC的前侧及右前侧，由于雨带是螺旋向外传播，所以距离越远对流偏离程度越大。

4.3 移动和风垂直切变共同作用下对流非对称分布的变化

在实际过程中，当风垂直切变和TC移动作用同时不可忽略时，风垂直切变的影响作用更加显著。快速移动(>5 m/s)的发展阶段的TC，在中等风垂直切变(5 m/s＜VWS＜10 m/s)条件下(51个TC的487个时次，图 8)，TBB一波非对称大值区全部集中在顺切变一侧，即TC环流内的对流主要集中于顺切变方向。虽然TC的移动没有影响对流关于方位角分布的特征，但也在一定程度上影响了非对称程度，当切变方向在移动方向的右侧时，顺切变的左侧即为TC移动的右前方最易对流的发生发展，所以最大一波非对称振幅接近2.5，而当切变方向在移动方向的左侧时，两种因子最易产生对流的位置刚好相反，此时一波非对称振幅不超过1。

5 总结与讨论

风垂直切变是影响热带气旋非对称分布的一个重要因子，利用FY-2C/2E静止气象卫星TBB观测资料和NCEP再分析资料，统计研究了2005年—2012年西北太平洋TC的外雨带区对流非对称分布特征与环境风垂直切变以及TC移动的关系，得到了以下结论：

(1) 整层风垂直切变多集中于10 m/s以下，以东北风切变为主，方向主要指向TC移动方向的左侧，中高层风垂直切变与整层风垂直切变方向较为一致，中低层风垂直切变则以东风切变和西风切变为主，与TC的移动方向较为一致。对于风垂直切变与对流非对称分布的关系研究，大多数认为风垂直切变影响TC非对称是瞬时的，但本研究发现一波非对称值的变化滞后风垂直切变的变化约1 h，需考虑时间延迟这一因素。

(2) 根据TC不同的发展阶段和强度讨论了TC的对流非对称分布特征。对于发展阶段的TC，弱风垂直切变(＜5 m/s)使TC顺切变一侧更易出现对流，影响半径有限，对流偏离TC中心程度较小；当风垂直切变增强时，一波非对称分布特征更加显著，与Corbosiero等(2003)利用闪电资料的统计结论不同的是，外螺旋雨带区内的对流更偏向于顺切变左侧，且切变强度越强，对流偏离TC中心程度越大。消亡阶段的TC，一波非对称平均分布与发展阶段的较为相似，但风垂直切变在TC减弱阶段时对TC内对流非对称分布的影响没有发展阶段时显著。

(3) 以往的大部分研究认为，对流的偏离程度与风切变的强度有关。本研究发现对流易于出现在顺切变方向的左侧，一方面受到风垂直切变的强度的影响，另一方面与TC内逆时针环流有关。发展阶段中强度越强的TC，抵御风垂直切变的能力越强，但对流旺盛区向顺切变左侧的偏离程度更大。

(4) 当风垂直切变较弱时，TC的移动影响对流非对称分布的作用显著，对流容易出现在移动方向的右前象限。当风垂直切变与TC移动速度均为大值时，风垂直切变为主要影响因子，对流始终集中于顺风切及其左侧；此时，移动也有一定的影响作用，当风垂直切变指向移动方向的右侧时，TC内对流一波非对称性越大，指向左侧时，非对称性越小。

本研究利用TBB资料统计了TC内对流的非对称分布特征，虽然时间和空间覆盖范围广，但限于资料的单一，TC对流非对称分布尤其是其与环境场的关系，尚有许多待解决的问题。在今后的工作中仍需要通过数值模拟等手段获得高分辨率的三维资料，具体分析导致外螺旋雨带区的对流非对称分布的物理过程和动力机制，并综合考虑风垂直切变、移动、下垫面变化和海温等综合影响因子对其的影响。