台风造成最大的危害是在临近陆地和登陆期间产生的暴雨、大风以及由此导致的洪涝、山体滑坡等自然灾害。在这些灾害中，尤以登陆台风引发的暴雨危害最大。台风降水的分布，尤其是强降水中心的分布通常表现出非对称性，台风的非对称性是台风降水预报的关键，因此深入分析台风非对称降水的成因具有重要意义。

对不同地区台风周围降水的分布研究成果已有很多，有的台风降水分布在路径的左侧和左前侧^[1-4]，有的台风降水分布在路径的右侧和右前侧^[5-8]，还有的台风降水分布在路径前侧^[9-10]，而台风在其他侧的降水较少。可见，虽然台风降水分布各有不同，但大多数研究显示台风降水主要分布在其路径的前半侧。研究还发现，影响台风非对称降水的主要因素有：（1）大尺度环流背景，如西南季风^[11]、冷空气^[12]；（2）台风结构，如垂直运动^[13]、水汽通量^[9]；（3）地形因子^[14]；（4）多种因素共同作用造成^[15-16]。这些研究显示台风结构是造成台风降水非对称分布的主要原因。

2011年第17号强台风“纳沙”于9月29日14时30分（北京时，下同）在海南文昌登陆，登陆时中心附近最大风速为42 m/s，中心气压为960 hPa。“纳沙”受其北侧的副热带高压影响路径稳定，为典型的西北走向（图 1）。其强度大、持续时间长、破坏力强，致使昌江、白沙、屯昌和儋州四个测站48小时降水量超过300 mm（图 2），造成海南省18个市县377.2万人受灾，因灾死亡2人，直接经济损失58.14亿元^[17]。“纳沙”的强降水落区集中在海南岛西部，降水分布呈显著非对称。

图 1

图 1 “纳沙”23日00时-30日08时每6小时中心位置（台风符号）和中心气压（括号内，单位：hPa）分布字符串前4个数字为时间，如2300表示23日00时。

图 2

图 2 海南省的地形（阴影，单位：m）和测站名称及28日08时-30日08时的降水量 （测站名下方数字，单位：mm）分布

“纳沙”是2011年登陆海南的最强台风，是一次典型的在海南岛北部登陆的台风。许多学者^[18-22]对其进行了分析，但是目前对于“纳沙”非对称结构及其降水的研究较少，所以本文着重从台风结构的非对称分布方面来研究“纳沙”，以期对预报台风降水产生指导意义。

利用中国台风网每6小时间隔的CMA-STI热带气旋最佳路径数据集，分析“纳沙”的中心气压、强度和移动路径，利用常规观测资料分析“纳沙”登陆海南岛引发的降水分布，利用TRMM卫星3B42降水率资料分析“纳沙”登陆海南岛前后的降水分布，同时利用中国FY-2E卫星TBB资料研究“纳沙”云系的发展演变，利用美国国家环境预报中心NCEP 1 °×1 °再分析资料研究“纳沙”的空间结构特征和垂直风切变对台风非对称降水的影响。

垂直风切变大小，参照Palmer等^[23]方法，考虑台风“纳沙”的区域大小，以台风中心所在位置为中心，在6 °×6 °的正方形网格区域，分别计算850 hPa和200 hPa经向风和纬向风的平均风速，再求出这两层的区域平均风场矢量差，沿切变方向为顺切变，反之，称之为逆切变。将平均后的切变矢量放置于台风中心，其周围的垂直风切变作为零处理。垂直风切变风速的计算公式为：$vws = \sqrt {{{\left( {{u_{200}}-{u_{850}}} \right)}^2} + {{\left( {{v_{200}}-{v_{850}}} \right)}^2}} $。其中vws表示垂直风切变风速，u₂₀₀、u₈₅₀分别表示200 hPa和850 hPa上平均纬向风速，v₂₀₀、v₈₅₀分别表示200 hPa和850 hPa上平均经向风速。

28日20时台风位于海上，作为台风在海上的时次。29日08时台风中心与陆地之间的距离小于其半径，作为台风登陆前的时次。29日14时是靠近台风登陆时间最近的时次，作为台风登陆时的时次。30日02时台风离开海南省，作为台风登陆后的时次。

图 3为TRMM卫星3B42资料显示的“纳沙”近地表降水率分布。台风位于海上（图 3a）时，降水率分布均匀，2个大值区位于路径的左前侧和右前侧，最大值均为10 mm/h。登陆前（图 3b）台风增强为强台风，降水非对称性分布明显，位于路径左侧最大降水率强度增强为22 mm/h，与Rodgers等^[24]研究所得：当台风强度增大时其降水强度也随之增大的结论一致。登陆时（图 3c）2个降水率大值区位于路径的左前侧和左后侧，强度分别为14、20 mm/h。登陆期间台风移速由6.8 m/s减弱为5.4 m/s（表 1），海南西部成为强降水区，与Kuo等^[25]研究所得：台风移速缓慢有利于降水的累积的结论一致。登陆后（图 3d）降水率大值区位于路径左前侧，最大值为24 mm/h。

图 3

图 3 TRMM卫星3B42资料显示的不同时次的“纳沙”近地表降水率分布（等值线，单位: mm/h）与“纳沙”中心位置、中心气压（单位：hPa）及垂直风切变（箭头方向表示顺切变方向，箭头长度表征数值大小） a. 2820中心位置：114.8 °E，18.2 °N；b. 2908中心位置：112.4 °E，19.5 °N；c. 2914中心位置：111.1 °E，19.7 °N；d. 3002中心位置：109.0 °E，20.7 °N。

表 1

表 1 “纳沙”28日20时—30日14时每6小时的强度等级和移速的分布 时间/(日时) 2820 2902 2908 2914 2920 3002 3008 3014 台风强度 TY TY STY STY TY TY STS TS 速度/(m/s) 7.1 6.3 6.9 6.8 5.4 6.7 5.4 6.7

表 1 “纳沙”28日20时—30日14时每6小时的强度等级和移速的分布

“纳沙”登陆海南岛前后的降水分布呈明显的非对称性，降水强度随着台风强度的增强而增强。最大降水中心在路径左前侧和左后侧之间变化，但降水大值区始终位于路径左侧，这与文献[1-2, 12, 26]在华东、香港、海南地区研究的台风降水大值区位于路径左侧的结果一致。

TBB资料可以揭示云及其演变过程的显著特征，Maddox^[27]用TBB小于-52 ℃来表示强对流的存在，在此采用该方法确定台风发展过程的强对流云系。统计显示，87.3%以上的暴雨发生在TBB温度为-63~-80 ℃的区域^[28]。台风位于海上时（图 4a），眼壁区和外围螺旋雨带最旺盛的强对流云系位于路径左前侧，最低TBB小于-80 ℃。台风登陆前（图 4b）路径左侧强对流云系范围扩大，达到6经距；随着其强度的增强，TBB小于-80 ℃的区域随之增大；而路径右侧仅有少量强对流云系，对流分布显著不对称。登陆时（图 4c）强对流云系范围缩小，主要分布在路径左侧。登陆后（图 4d）强对流云系主要分布在路径左前侧。

图 4

图 4 同图 3，但为TBB显示的“纳沙”云系（单位：℃）演变与“纳沙”路径 虚线为过台风中心邻近整数格点且与路径相垂直的剖面基线。

以上分析发现，“纳沙”登陆海南岛前后路径左侧的强对流云系的范围和强度均比右侧大，而且强对流云系的范围和强度与相应时次的3B42降水率资料所显示的强降水区的范围和强度分布相一致，但两种资料显示的强降水中心有差异，如登陆时TBB资料显示强对流云系主要分布于海南西部，TRMM资料显示最大降水中心位于海南东部沿海，据赵付竹等^[29]研究认为登陆时海南东部降水是由层积云系而非对流云系造成。

初步分析表明，“纳沙”结构上的非对称是造成台风降水非对称的主要原因，下文将对“纳沙”的温度距平、湿度、水平风速和垂直速度的空间结构做进一步研究，以探求是哪种物理量的非对称分布可能导致台风非对称降水。

图 3显示“纳沙”登陆海南岛前后4个具有代表性时刻的台风中心位置，但在画剖面图时，考虑到资料的分辨率是1 °×1 °，故选取最接近台风中心的整数经纬度来表示台风中心位置，分别为28日20时为115 °E，18 °N；29日08时为112 °E，19 °N；29日14时为111 °E，20 °N；30日02时为109 °E，21 °N。

图 5显示了“纳沙”登陆海南岛前后的温度距平演变。在台风位于海上时(图 5a），台风中心1 000~100 hPa为暖心结构，700~500 hPa暖中心比外围大气高4 ℃，路径左右两侧暖心结构分布较对称。登陆前（图 5b）1 000~130 hPa为暖心结构，路径的右侧300 hPa高度处暖心强度最强，比周围大气高5 ℃。登陆时（图 5c）台风中心附近整层对流层为暖心结构，台风中心360~300 hPa高度的暖中心比周围大气高4 ℃，暖心结构在路径两侧分布较对称。登陆后（图 5d）台风中心附近1 000~130 hPa为暖心结构，380~150 hPa的暖中心比周围大气高2 ℃，路径左侧1 000~750 hPa有暖心结构生成，其中925 hPa处的暖中心比周围大气高3 ℃。

图 5

图 5 与图 4中基线对应的温度距平（等值线与阴影，单位：℃）的垂直剖面 说明同图 3。

可见，在“纳沙”登陆海南岛前后，暖中心一般出现在300 hPa上下，暖心结构在路径左右两侧分布较对称。登陆前暖心结构最清楚，暖中心比周围大气高5 ℃，而登陆后的暖中心减弱，仅比周围大气高2 ℃。

根据钟敏等^[30]在研究湖北省中尺度暴雨中定义的干区为相对湿度 < 70%，故本文把相对湿度为70%~90%定义为较湿区，相对湿度>90%定义为湿区。当台风位于海上时(图 6a)，台风中心1 000~ 925 hPa、850~300 hPa为较湿区，其中650~550 hPa相对湿度为75%；路径右侧的较湿区范围比左侧广，且右侧360~330 hPa有一干区存在，路径左侧湿区范围比右侧大。登陆前(图 6b)台风中心除1 000~925 hPa为较湿区，其余高度均为湿区；路径左侧1 000~450 hPa有较湿区存在，路径右侧1 000~600 hPa有一较湿区，并且350~300 hPa有干区存在，比前一时次的干区范围有所扩大。登陆时（图 6c）台风中心360~300 hPa为干区，比登陆前的干区边界有所下延；路径左侧除1 000~550 hPa处有一小范围的较湿区外，其余范围均为湿区，路径右侧整层对流层均为较湿区。可见，登陆时路径左右两侧的湿度呈现出明显的非对称，路径左侧湿区范围远大于右侧。登陆后（图 6d）台风中心除近地层为较湿区外，其他层次均为湿区；路径左侧1 000~550 hPa有较湿区存在，右侧950~300 hPa有较湿区，但500~300 hPa范围内有干区存在，此时的干区范围最大，下延的高度也最低，延伸至500 hPa。路径左右两侧湿度非对称分布明显。可以看出，在“纳沙”登陆前后，其路径右侧湿区范围比左侧大，尤其是登陆时路径两侧湿区的非对称最显著。

图 6

图 6 与图 4中基线相对应的相对湿度（单位：%）垂直剖面 说明同图 3。

图 7为台风路径左右两侧的水平风速剖面。台风位于海上时（图 7a），路径左侧1 000~600 hPa处存在25 m/s的最大水平风速，路径右侧925~710 hPa、500~400 hPa处存在40 m/s的最大水平风速，左右两侧风速相差15 m/s。登陆前（图 7b）路径左侧最大风速增强至35 m/s，最大风速位于900~700 hPa处，路径右侧最大风速减小至35 m/s，最大风速位于925~330 hPa；虽然路径左右两侧此时的最大风速强度相同，但路径右侧最大风速范围远大于左侧。登陆时（图 7c）路径左侧最大风速再减弱为30 m/s，最大风速位于850 hPa处，范围较前一时次有所减小；路径右侧最大风速加大至50 m/s，最大风速位于500~400 hPa；左右两侧最大风速相差20 m/s。登陆时路径两侧最大风速的非对称分布明显，右侧水平风速不论强度还是范围均大于左侧。登陆后（图 7d）路径左侧风速强度和位置基本不变，路径右侧最大风速由50 m/s减为30 m/s，最大风速位于925~300 hPa；路径右侧水平风速大值区比左侧大。

图 7

图 7 与图 4中基线相对应的水平风速（单位：m/s）的垂直剖面 说明同图 3。

可见，“纳沙”登陆海南岛前后，路径右侧的最大水平风速强度大于左侧，尤其台风登陆时，路径左右两侧最大风速相差20 m/s，而且路径右侧的水平风速大值区范围比左侧大，尤其登陆后这种现象最明显。

图 8为“纳沙”登陆海南岛前后垂直速度的演变。台风位于海上时（图 8a），路径左右两侧1 000~120 hPa处均为深厚的上升运动，并且两侧最大上升速度均位于1 000~300 hPa处的-2.1 Pa/s，可见该时次路径两侧垂直速度分布对称。登陆前（图 8b）路径左侧上升区和最大上升速度不变，但最大上升速度范围缩小，高度下降到600~500 hPa；路径右侧1 000~400 hPa为上升运动区，最大上升速度位于650~550 hPa处的-0.9 Pa/s。路径左侧的垂直上升运动不论是强度还是范围均大于右侧，路径左右两侧垂直速度分布非对称。登陆时（图 8c）路径左侧1 000~150 hPa为深厚上升运动区，最大上升速度是位于850~600 hPa处的-2.1 Pa/s；而路径右侧为整层的弱下沉运动区；路径左右两侧的垂直速度呈明显的非对称分布。登陆后（图 8d）上升速度分布在台风中心附近，最大上升速度为925~600 hPa处的-2.1 Pa/s，但路径左侧上升运动范围大于路径右侧。

图 8

图 8 与图 4中基线相对应的垂直速度（单位：Pa/s）的垂直剖面 说明同图 3。

由分析可知，“纳沙”登陆海南岛前后，路径左侧的上升运动强于路径右侧，尤其台风登陆时，路径左右两侧的垂直上升速度相差-2.4 Pa/s。

以上分析表明，在“纳沙”登陆海南岛前后，各种物理量在其路径左右的分布特点是：（1）其暖心结构较均匀地分布在路径左右两侧；（2）路径右侧的最大水平风速的强度和大值区范围均大于左侧；（3）其路径右侧的湿区范围比左侧大；（4）路径左侧的上升运动强于右侧，左侧为强盛的上升运动，右侧为弱上升运动和下沉运动。而降水资料显示，“纳沙”登陆前后的强降水均位于台风路径的左侧。所以暖心结构可能不是造成台风非对称降水的原因；而水平风速的大小也可能不是造成台风非对称降水的直接原因，但是水平风在其切变最大的地区形成水汽和能量的汇集，造成台风路径左侧明显的垂直运动，因此水平风速与其它要素相互作用可导致降水的非对称性；湿度的非对称分布可能是造成台风非对称降水的原因之一；而垂直速度的非对称性可能是造成“纳沙”非对称降水的主要原因。

早期研究^[31-33]表明垂直风切变会改变台风的结构、强度，甚至是移动路径。对大西洋地区的研究^[34-36]显示，在垂直风切变作用下台风眼墙区的对流呈现出非对称性，台风强降水均位于垂直风切变方向及其左侧，对西北太平洋地区垂直风切变与降水的关系研究^[37-39]也得出同样结论。

Jones^[31]的干绝热模拟中发现垂直风切变影响台风结构的机制为等熵抬升机制，即当垂直风切变作用于涡旋时，随着高度增加，位涡平流增大，涡旋上下层位涡异常，中层位涡也随之异常，涡旋倾斜于顺切变方向。当涡旋发生倾斜，风场和质量场不平衡，建立起在低层顺切变区产生弱上升运动，在逆切变区弱下沉运动，以得涡旋恢复平衡的次级环流。次级环流的产生使近地层上升区产生冷的等熵面，下沉区产生暖的等熵面。最后，随着这个次级环流的发展，主要涡旋环流沿倾斜的等熵面运动，在顺切变右侧有最大的上升速度，在逆切变左侧有下沉运动，从而主要涡旋环流使得涡旋的速度场呈现出一阶非对称分布。Frank等^[40]的湿绝热模拟得出了不一致的结论：由切变引起的最大上升速度位于顺切变的左侧，他认为在湿模式中眼墙区潜热释放抵消了绝热冷却，并且抑制次级上升机制的发展，与位涡异常相联系的次级环流直接受近似平衡态的涡旋上不同涡旋平流的影响，最大的上升运动由顺切变的右侧转到顺切变的左侧，并且最强降水也位于顺切变左侧。

Wingo等^[41]将垂直风切变划分为三个等级：弱（ < 5 m/s）、中等（5~10 m/s）、强（> 10 m/s）。本文选取的4个时次所对应的垂直风切变大小分别为4.2、6.6、3.4和3.2 m/s, 其方向如图 3、4所示。由图 3可以看出，登陆前后“纳沙”的强降水均位于顺切变方向及其左侧；台风位于海上时，路径两侧降水强度相等，但顺切变左侧降水大值区范围大于右侧；台风登陆前，随着垂直风切变增大到中等强度，台风降水的不对称振幅随之变大，绝大多数强降水集中在顺切变方向及其左侧；台风登陆和登陆后，强降水也集中在顺切变方向及其左侧。同时由图 4中对流与垂直风切变的关系中看出，除了登陆时强对流位于顺切变右侧，其余时次的强对流均位于顺切变方向及其左侧。根据垂直风切变引发台风不对称的机制可知，在顺切变左侧有强的上升运动。由图 3、4可知强降水、强对流与垂直风切变配合较好。

以往的分析研究集中在台风位于海上时的降水与垂直风切变的关系，对台风登陆时两者之间的关系研究较少。台风登陆后降水分布由多重因素，如水汽条件、地形、垂直风切变等因素共同决定，降水的空间分布具有不确定性。虽然台风登陆时的垂直风切变强度较弱，但强降水的非对称分布明显，这可能是上述提到的因素有利于垂直风切变产生的结果。

登陆前后，“纳沙”的强降水一直分布在路径左侧，路径与降水的关系较好。但Corbosiero等^[42]研究指出，在路径与垂直风切变方向相反时，垂直风切变是关键因素，路径为次要因素。相似地，文献[43-44]发现，即使垂直风切变与路径方向相反或在路径左侧，最大降水率更多分布在顺切变左侧。

摩擦效应也会造成台风垂直速度和降水的非对称分布，如Shapiro^[45]研究显示在边界层摩擦辐合方案摩擦使得移动的涡旋非对称发展，相应地导致涡旋垂直运动和降水分布的非对称分布。Frank等^[40]发现在干绝热和湿绝热方案中切变和摩擦辐合都可以产生非对称，但在他们验证的范围内，切变效应远大于摩擦效应。

地形的摩擦辐合及抬升作用，往往使台风暴雨增幅。杨仁勇等^[46]通过对比控制试验和地形敏感性试验模拟的24~48小时降水量发现，有地形时，海南岛西部地区24小时降水量普遍有50 mm以上的增幅，西部山区有150 mm以上增幅，西部山区主峰北侧有350 mm增幅。地形抬升引起降水增幅取决于两个方面：低层风速与气流暖湿程度^[47]。从图 9可知，低层风速在海南岛中西部山区最大，向两侧递减，呈抛物线状，水汽通量由海南省的北部到中西部增加到90 g/(cm·hPa·s)，向南部逐渐减少，所以在海南中西部山区低层风速和水汽通量较大，此处的低层风向与山脉地形垂直，有利于水汽在迎风坡抬升从而形成降水。

图 9

图 9 9月29日14时850 hPa的水平风场（风向杆，单位：m/s）和水汽通量（等值线，单位：g/(cm·hPa·s））和地面降水量（阴影，单位：mm）分布 说明同图 2。

由图 10可以看出，9月29日14时低层的西风急流受山脉阻挡，气流爬升，山脉迎风坡整层对流层为深厚上升运动，最大上升速度是位于925~550 hPa处的-2.1 Pa/s，而在背风坡1 000~400 hPa为下沉运动区，最大下沉速度是位于550 hPa处的2.1 Pa /s。这种形势下山脉迎风坡降水量多于背风坡降水量。

图 10

图 10 9月29日14时沿19 °N水平风速（风向杆，单位：m/s）和垂直速度（等值线，单位：Pa/s）的纬向-高度剖面垂直剖面以及地形高度（阴影）

同时从累计降水量（图 9）可以看出，降水量从海南岛周边向中部山区逐渐增加，安定地势高度为100~200 m，作为海南岛平原高度，其降水量为175.7 mm，而位于山区附近的昌江、白沙、儋州和屯昌4站的降水量分别为323.7、356.3、337.8和384.1 mm。可见海南岛的地形条件对台风“纳沙”在海南西部降水有明显增幅作用。

本文利用NCEP 1 °×1 °再分析资料和卫星等多种资料，分析了2011年9月第17号台风“纳沙”沿西北路径登陆海南岛前后的降水特征及其空间结构特征，讨论了台风非对称降水的成因。

（1）台风自生成到登陆海南文昌，强降水落区呈现出显著的非对称，而从海上到登陆，强降水区始终分布在路径左侧。由于台风降水的非对称性，导致在“纳沙”登陆过程中，海南西部的降水比其它地区明显偏强。

（2）“纳沙”登陆海南岛前后的空间结构呈现出显著的非对称性。① TBB，台风路径左侧的强对流云系的强度及其范围比右侧大。② 湿度，台风路径左侧的湿区范围比路径右侧大。③ 水平风速，台风位于海上和登陆时，路径右侧的最大风速比路径左侧强，尤其在台风登陆时，左右两侧最大风速相差20 m/s，且在登陆前后路径右侧的大风速区范围比左侧大。④ 垂直速度，台风路径左侧的上升运动比右侧强，尤其在台风登陆时左侧的垂直上升速度比右侧偏强-2.4 Pa/s。

（3）通过对比上述物理量的非对称分布与降水分布可知，湿度可能是台风降水非对称分布的原因之一，而垂直速度可能是造成“纳沙”非对称降水的主要原因。

（4）“纳沙”登陆海南岛前后强降水始终分布在顺切变方向及其左侧。同时除登陆时，其余时次强对流均分布在顺切变方向及其左侧。台风登陆时其降水分布由多种因素造成，比较复杂。垂直风切变可以较好地解释路径左侧的强垂直上升运动和强降水区。

台风非对称降水的分布是由多种因素造成的，原因非常复杂。本文研究个例少，得到的结论对于其他台风或许不相同。在研究登陆或影响海南岛的论文中，如郑艳等^[48]研究台风“威马逊”以西北路径登陆海南岛期间造成的强降水分布在海南岛西部，与本文的结论较一致；祝芳^[49]研究发现台风“山神”以西北路径影响海南岛期间造成的强降水分布在海南岛南部，同时认为上辐散下辐合和水汽辐合是造成暴雨的主要原因。有鉴于此，今后会进一步对其他台风进行详尽分析，以期总结出台风非对称结构与非对称降水之间的模式，以期提高预报登陆台风非对称降水分布的水平。