引言

大气运动可以看作是不同尺度波动的叠加(沈新勇等，2018b)，这些波动可分为波长> 2 000 km的大尺度及行星尺度波动、波长2~2 000 km的中尺度波动和波长 < 2 km的小尺度波动。其中中尺度波动按照波长范围还可以分为波长200~2 000 km的α中尺度波动、波长20~200 km的β中尺度波动、波长2~20 km的γ中尺度波动(Orlanski, 1975)。不同尺度的波动会携带着不同尺度的能量，当发生天气过程时，不同尺度的能量会相互转化，为天气过程的演变提供能量源或能量汇。近几年来，有多项研究从多尺度能量相互转化的角度剖析天气系统的发展与消亡。沙莎等(2018)研究了梅雨锋暴雨过程的多尺度能量的变化趋势。沈新勇等(2020)探究了东北冷涡背景下中尺度对流系统的多尺度能量相互转化。张弛等(2021)研究了一次飑线升尺度过程中的多尺度能量相互作用。

台风是影响我国东南沿海最严重的灾害性天气之一，常会造成大风、暴雨、风暴潮等海洋和气象灾害。Merrill (1984)统计了不同洋区热带气旋的尺度特征，发现西北太平洋台风平均最外围闭合等压线的半径为4.4个纬距，因此台风是一种典型的α中尺度天气系统。台风与其他尺度的天气系统关系密切，台风的移动路径、强度会受更大尺度天气系统的制约，也会从更大尺度天气系统中得到能量从而加强。Wu等(2003)提出了台风引导气流的计算方法，可用于计算更大尺度天气系统外围气流对台风移动路径的影响；任福民和杨慧(2019)指出大尺度环境背景场会对台风暴雨产生影响；武麦凤等(2015)、任丽等(2019)、姚晨等(2019)研究了台风与冷涡、西风槽等中纬度大尺度系统的相互作用案例。台风与更小尺度的天气系统和海洋之间也存在着能量交换。Charney和Eliassen(1964)提出了第二类条件不稳定理论(Conditional Instability of Second Kind，CISK)，认为中小尺度对流云团释放的潜热能能增强热带气旋环流发展，而热带气旋环流能促进中小尺度对流云团产生；Emanuel(1986)则提出了海-气相互作用理论(Wind Induced Surface Heat Exchange，WISHE)，认为热带气旋风场促使海洋中的能量向大气输送是热带气旋的生成原因。

2007号台风“海高斯”生成于2020年8月18日00时(世界时，下同)，在生成后快速增强，当日22时于广东省珠海市登陆，在广东省造成了大风、暴雨灾害(向纯怡等，2020；周冠博等，2021)。近几年南海多次发生类似“海高斯”的台风快速增强后登陆的个例，对华南沿岸地区及南海海上作业人员造成较大威胁(覃丽等，2019；周冠博等，2022)，因此本文将台风“海高斯”作为研究对象。以往的研究多是将台风的要素场分为两个尺度来诊断台风系统在不同尺度上的特征(王善华等，1994；赵华睿等，2015)，少有同时对α中尺度台风环流尺度、大于台风环流尺度、小于台风环流尺度的要素场进行诊断分析的研究。然而，比台风环流尺度更大的天气系统与台风中的中小尺度对流系统之间也会有能量传递。因此，本文将从波长200~2 000 km的α中尺度系统、波长> 2 000 km的大尺度及行星尺度系统(后文为了更方便地论述问题，简称大尺度背景场)、波长 < 200 km的β中尺度以及更小尺度系统(后文合并简称为β中小尺度系统)来定量地分析台风“海高斯”的动能、有效位能时间变化、空间分布及两种能量的相互转化特征，以期加深对台风能量循环的认识。

1.   资料与方法

1.1   台风时段与资料介绍

台风“海高斯”活跃期为2020年8月16日06时—19日12时，其中命名时段为8月18日00时—19日12时。本文能量计算所用数据来自WRF区域数值模式对台风“海高斯”的模拟结果，模拟所用的初始场和边界条件资料来自美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP) 的NCEP GFS 0.25 Degree Global Forecast Grids Historical Archive数据集，分辨率为0.25°×0.25°。与模拟结果进行对比的台风观测资料来自美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)的2020年热带气旋最佳路径资料。

1.2   WRF模式模拟方案

本文使用WRF(4.1.2版本)对台风过程进行模拟，模拟时段为2020年8月16日00时—19日12时。模式使用三层双向嵌套网格，网格区域见图 1a，基本参数及参数化方案见表 1。模式采用牛顿松弛逼近法进行同化，边界条件输入间隔为6 h。模拟所得的D02层资料用于滤波和能量计算，D03层资料用于与观测值进行对比、检验。

图  1  WRF模拟区域(实线框，两个D03区域从右至左分别为D03嵌套网格的初始位置与最终位置)和能量计算区域(虚线框)(a)以及Barnes滤波响应函数(b，其中横坐标为指数形式）

Figure  1.  (a) WRF simulation area (solid wireframe, two D03 areas are the initial and final positions of D03 nested grid from right to left) and energy calculation area (virtual wireframe), (b) barnes filter response function (the abscissa is in exponential form)

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表  1  三重嵌套网格(D01-D03)参数

Table  1.  Parameter of triple nested grid

参数	D01	D02	D03
分辨率/m	18 000	6 000	2 000
网格数	174×174	399×399	300×300
垂直层数	46	46	46
层顶高度/hPa	50	50	50
网格移动方式	固定	固定	涡旋跟随
积云对流参数化方案	Kain-Fritsch(new Eta)	无	无
微物理过程方案	Goddard GCE	Goddard GCE	Goddard GCE
长波辐射方案	RRTM	RRTM	RRTM
短波辐射方案	Dudhia	Dudhia	Dudhia
陆面过程方案	Noah-MP	Noah-MP	Noah-MP
边界层方案	YSU	YSU	YSU

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1.3   Barnes滤波方法

Barnes滤波是一种被广泛应用于中尺度研究的空间滤波方法(Barnes，1973；徐元泰和丁一汇，1988)。设F_{(x, y)}为观测值，F_{(x, y)}⁰为滤波初值，(x_k, y_k)为要素场坐标，k为要素序号，M为样本数，C₁、C₂、G为滤波参数，r_k为(x_k, y_k)到(x, y)的距离，w_k=exp(-r_k²/4C₁)为权重系数。则滤波并订正后的要素场

其中

采用Barnes滤波对风场U、V、W，气压场P，扰动位温θ，空气密度ρ进行滤波，使用观测值减去滤波参数C₁=2 630 km²、G₁=0.3的滤波结果得到波长 < 200 km的β中小尺度波动，使用两组滤波参数C₂=262 700 km²、G₂=0.3，C₁=2 630 km²、G₁=0.3的滤波结果相减得到波长200~2 000 km的α中尺度波动，使用滤波参数C₂=262 700 km²、G₂=0.3得到波长>2 000 km的大尺度背景场波动。两组滤波参数对不同波长波动的响应如图 1b。由于滤波会导致边界出现资料损失，并且台风“海高斯”主要活动范围仅限南海北部区域，因此划定图 1a虚线框内区域为能量计算区域。

1.4   能量方程介绍

本文采用沈新勇等(2018a)推导得到的六个能量方程进行诊断分析。方程如下

方程中的K表示大尺度背景场动能，$\tilde{K}$表示α中尺度动能，K' 表示β中小尺度动能；A表示大尺度背景场有效位能，$\tilde{A}$表示α中尺度有效位能，A' 表示β中小尺度有效位能；L表示大尺度背景场能量转化，α表示α中尺度能量转化，β表示β中小尺度能量转化。括号内的字符表示能量传递的方向，如(β, L)表示能量从β中小尺度向大尺度背景场转化。方程包含了惯性力做功(I)、动能和有效位能的平流及跨尺度转化(T_k, T_p)、水平气压梯度力做功(H)、垂直方向气压梯度力做功(V)、动能与有效位能之间的跨尺度转换(B)、空气的压缩效应(S)、地转偏向力做功(C)、摩擦力做功(F)、有效位能与不同尺度背景场之间的相互作用(P)、非绝热加热做功(D)。方程中各项的推导过程和具体物理含义见沈新勇等(2018a)。由于非绝热加热项(D)难以直接计算，故本文使用总变化量减去其他变化项得到非绝热加热项的估计值。

2.   结果与分析

2.1   台风过程分析与数值模拟结果

台风“海高斯”的前期扰动在2020年8月16日06时于菲律宾以东海域正式编号，随后绕过吕宋岛以北，穿过巴士海峡进入南海。8月18日00时，该低压加强为热带风暴，并被命名为“海高斯”，成为2020年第七个命名的台风。此时台风“海高斯”位于南海北部，中心经纬度为116.8°E，20.4°N。台风“海高斯”在命名后即快速加强并向西偏北方向移动，于8月18日18时达到巅峰强度，此时近中心最大风力为31 m·s^-1，海平面最低气压为988 hPa，24 h内近中心最大风速增大了15 m·s^-1，海平面气压降低了15 hPa。8月18日22时前后，“海高斯”在广东省珠海市金湾区沿海登陆，随后强度降低。8月19日12时，台风“海高斯”减弱为热带低压并停止编号。台风“海高斯”位于副热带高压西南侧，受东南向引导气流控制，因此整个生命期内移动方向为西偏北向。台风“海高斯”环流较为细小，在生成时降水弱且分散，在近巅峰期时降水集中。

对比WRF模拟结果与JTWC热带气旋最佳路径资料(图 2)，可以发现WRF模式较好地模拟了台风的近中心最大风速、海平面最低气压、移动路径参数，能够反映台风“海高斯”的实际情况。因此，采用本次模拟结果对台风能量相互作用进行分析。

图  2  2020年8月16日06时—19日06时台风“海高斯”近中心最大风速(a, 单位: m·s^-1)、海平面最低气压(b, 单位: hPa)及台风路径(c)的WRF模式模拟结果(---)与JTWC热带气旋最佳路径(—)资料对比

Figure  2.  Comparison between WRF model simulation results (---) and JTWC Best Track data (—) of (a) maximum wind speed near the center (unit: m·s^-1), (b) minimum sea level pressure (unit: hPa), and (c) typhoon track of typhoon Higos from 06∶00 UTC on 16 to 06∶00 UTC on 19 August 2022

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2.2   三种尺度动能变化及分布特征

分别计算台风生成时间(18日00时)至台风停止编号时间(19日12时)三个尺度动能，结果如图 3a。可以发现，大尺度背景场动能从台风生成时刻至18日15时迅速增长，在18日15时—19日12时变动较小。α中尺度动能在台风生成时刻至模拟的台风登陆时刻(19日02时)时间段内保持增长，在台风登陆后衰减。β中小尺度动能只在19日08时之后迅速衰减，在台风生命期内的其他时间段内变化不大。

图  3  2020年8月18日00时—19日12时能量计算区域2 000—14 000 m高度三种尺度动能时间序列(a，其中大尺度背景场动能量值×10^-1）及同区域大尺度背景场(b)、α中尺度(c)、β中小尺度(d)动能变化项

Figure  3.  Three scale kinetic energy time series at the height of 2 000-14 000 m in energy calculation area (a, where the kinetic energy quantity of large scale background field ×10^-1), and (b) Large scale background field, (c) Meso-α scale, (d) Meso-micro-β scale kinetic energy change term in the same region from 00∶00 UTC on 18 to 12∶00 UTC on 19 August 2022

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计算动能方程中影响台风动能变化的各项，发现动能之间的平流及跨尺度转化项(T_k)、水平气压梯度力做功项(H)、垂直扰动气压梯度力做功项(V)、动能与位能之间的跨尺度转化项(B)量级较大，惯性力做功项(I)、空气压缩效应项(S)、地转偏向力分量做功项(C)、摩擦耗散项(F)量级较小，因此本文只分析量级较大的四项。

大尺度背景场动能的来源主要为水平气压梯度力做功，去向主要为动能的平流及跨尺度转化(图 3b)。18日00—15时，由于平流和跨尺度转化损失的大尺度背景场动能不断增多，但仍小于水平气压梯度力做功增加的动能，因此大尺度背景场动能不断增加。18日15时之后，平流和跨尺度转化造成的大尺度背景场动能损失趋于稳定，大尺度背景场动能总量随着水平气压梯度力做功的波动而波动。α中尺度动能的源项主要为中小尺度位能转化和水平气压梯度力做功，汇项主要为垂直扰动气压梯度力做功(图 3c)。且在18日15时之后，中小尺度位能转化项和垂直扰动气压梯度力做功项都有明显增大的趋势。β中小尺度动能的源项主要为中小尺度位能转化、垂直扰动气压梯度力做功、水平气压梯度力做功，汇项主要为动能的平流及跨尺度转化(图 3d)。在台风的生命期内，由β中小尺度位能转化、垂直扰动气压梯度力做功产生β中小尺度动能的数量变化不明显，水平气压梯度力做功产生β中小尺度动能、平流及跨尺度转化消耗β中小尺度动能的数量在台风登陆后减小。

选取台风“海高斯”近巅峰时刻(18日18时)考察三种尺度动能在台风中的分布情况，此时模拟的台风中心位于112.9°E，21.2°N。结果表明，在大尺度背景场上，动能的水平分布呈现非对称结构(图 4a)。在台风的东北象限水平风速大，动能集中。而在台风的西南象限，极少有大尺度背景场动能分布。在垂直剖面图上(图 4d)，非对称结构依然存在，可见一支由东向西倾斜上升的气流，在台风东侧垂直方向上有弱的次级环流。大尺度背景场动能在2 000 m高度处和12 000 m高度处有两个大值中心，考虑到低层空气密度较大，得到台风大尺度背景场动能主要集中在对流层的低层。

图  4  2020年8月18日18时2 000—14 000 m高度大尺度背景场(a)、α中尺度(b)、β中小尺度(c)动能水平分布(等值线，单位: J·kg^-1)与垂直平均风场(箭头，单位: m·s^-1)及18日18时大尺度背景场(d)、α中尺度(e)、β中小尺度(f)动能经台风中心纬向剖面(等值线，单位: J·kg^-1·s^-1)及风场(箭头，单位: m·s^-1，图d中垂直风速量值W×10²，图e、f中垂直风速量值W×10)

Figure  4.  (a) Large scale background field, (b) Meso-α scale, (c) Meso-micro-β scale horizontal distribution of kinetic energy (contour, unit: J·kg^-1) and vertical mean wind field (arrow, unit: m·s^-1) at the height of 2 000-14 000 m of 18∶00 UTC 18 August 2020, and (d) Zonal cross section large scale background field, (e) Meso-α scale, (f) Meso-micro-β scale kinetic energy through the typhoon center (contour, unit: J·kg^-1s^-1) and wind field (arrow, unit: m·s^-1, Fig.d vertical wind speed W×10², Fig.e and Fig.f vertical wind speed W×10) of 18∶00 UTC 18 August 2020

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由图 4b可知，台风“海高斯”α中尺度动能主要分布于一个围绕台风中心、外半径约2个纬距的环形区域内，且大值中心位于台风的西侧。在对应的垂直剖面图上(图 4e)也能得出α中尺度动能大值中心位于台风西侧的结果，且α中尺度动能主要分布于对流层的低层。β中小尺度动能的水平分布较为零散(图 4c)，在靠近台风中心的区域分布较多。在垂直剖面上(图 4f)，可发现垂直上升风速较大的区域整层都有β中小尺度动能分布。由此特征可推测β中小尺度动能产生和分布于台风内部的中小尺度对流云团中。

2.3   三种尺度有效位能变化及分布特征

分别计算台风生成时间(18日00时)至台风停止编号时间(19日12时)三个尺度有效位能，结果如图 5a。由图可知，大尺度背景场有效位能在18日00—15时先增大后减小，在18日15时至台风登陆时段内再次增大，在台风登陆后缓慢减小。α中尺度有效位能在台风生命期内有缓慢增加的趋势。β中小尺度有效位能和β中小尺度动能一样在19日08时之后迅速衰减，在台风生命期内的其他时间段内先增大后减小。

图  5  同图 3，但为三个尺度有效位能(单位: J·kg^-1)变化

Figure  5.  Same as Fig. 3, but it is the change of effective potential energy (unit: J·kg^-1) of three scales

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计算位能方程中影响台风有效位能变化的各项，发现位能之间的平流及跨尺度转化项(T_p)、位能与动能之间的转化项(B)、非绝热加热做功项(D)量级较大，不同尺度背景场与位能之间相互作用项(P)量级较小，因此只分析量级较大的三项。由计算结果(图 5b、c、d)可知，三种尺度有效位能的来源都为非绝热加热。大尺度背景场和α中尺度有效位能的主要去向是转化为动能，β中小尺度有效位能的主要去向转化为动能、平流及转化为更大尺度的有效位能。18日00—15时时间段内，大尺度背景场和α中尺度的非绝热加热和有效位能向动能转化量都较小；18日15时之后，两者快速增大。β中小尺度有效位能的各变化项则在台风的整个生命期内无明显趋势。

根据图 3、图 5中的计算结果，可将台风的生命期分为18日00—15时、18日15时—19日02时、19日02—12时三个时间段。18日00—15时中，台风大尺度背景场动能快速增加，大尺度背景场有效位能先积累后释放，α中尺度动能和有效位能增加，非绝热加热和位能向动能转化较少。18日15时—19日02时中，台风大尺度背景场动能增长停滞，大尺度背景场有效位能、α中尺度动能与有效位能继续增长，非绝热加热与有效位能向动能转化量快速增加。19日02—12时中，台风登陆，大尺度背景场动能与有效位能变化不大，α中尺度动能和有效位能迅速衰减。

和2.2节类似，考察台风“海高斯”近巅峰时刻(18日18时)三种尺度有效位能在台风中的分布情况。在大尺度背景场上，有效位能在受台风影响的整个区域都有分布，大值中心与台风中心大致重合(图 6a)。从垂直剖面图(图 6d)中可知，几乎全部的大尺度背景场有效位能都分布于对流层上层。Brueske and Velden(2003)的研究得出了台风暖心位于对流层中上层的结论，这导致了台风对流层中上层位温高于同一高度层环境平均位温，因此台风有效位能主要集中于对流层上层。

图  6  同图 4，但为三个尺度有效位能(单位: J·kg^-1)分布

Figure  6.  Same as Fig. 4, but it is the effective potential energy (unit: J·kg^-1) distribution of three scales

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台风α中尺度有效位能同样分布在台风中心附近区域的对流层上层，在台风中心处尤为集中(图 6b, e)。β中小尺度有效位能分布分散，主要分布于靠近台风中心的中小尺度上升运动强烈区域(图 6c, f)，且与β中小尺度动能的分布区域大致重合。

2.4   台风多尺度能量相互转化特征

将19日00时台风“海高斯”三种尺度动能、有效位能叠加，并考虑空气密度的垂直变化，得到动能、有效位能的大值范围如图 7，此时模拟的台风中心位于112.0°E, 21.5°N。可以发现动能主要分布于台风东北象限对流层低层，有效位能则集中于台风中心附近对流层高层的一个椭球形区域内。在台风中心附近，存在动能、有效位能集中的柱状区域。因此，此时台风“海高斯”的东北侧为能量大值区，本节将重点分析台风东北方向的能量相互作用区域。

图  7  台风“海高斯”2020年8月18日18时动能大于60 J·m^-3区域(a)及有效位能大于10 J·m^-3区域(b)

Figure  7.  Area with (a) kinetic energy greater than 60 J·m^-3 and (b) effective potential energy greater than 15 J·m^-3 of typhoon Higos at 18∶00 UTC August 18, 2020

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从19日00时台风中心向东北方向作剖面，结果如图 8。图 8中各尺度能量的分布特征与2.2、2.3节结论类似。由图 8a可知，大尺度背景场能量转化的主要区域为距台风中心200 km以内的对流层高层。在此区域内，非绝热加热(D)促使有效位能增加，大尺度背景场有效位能又转化成不同尺度的动能(B(L, α, β))，动能进行水平输送和跨尺度转化(T_k)。在距台风中心400 km以内的对流层低层，主要能量变化为非绝热加热(D)释放有效位能、中尺度有效位能转化成不同尺度的动能(B(α, β))，以及水平气压梯度力做功使动能增加(H)。在距台风中心200—700 km的对流层高层，主要能量变化为水平气压梯度力做功使动能增加(H)、动能的水平输送和跨尺度转化(T_k)。由图 8b可知，α中尺度能量变化的主要区域为距台风中心100 km以内的对流层高层和距台风中心200 km以内的对流层低层。对流层高层的主要能量转化为非绝热加热(D)释放有效位能、中尺度有效位能转化为多尺度动能(B(α, β))、动能的水平输送和跨尺度转化(T_k)。对流层低层的主要能量变化为非绝热加热(D)释放有效位能、大尺度背景场有效位能转化为不同尺度的动能(B(L, α, β))、动能的水平输送和跨尺度转化(T_k)。由图 8c可知，β中小尺度能量转化在距台风中心400 km以内的很多区域都有发生，主要集中在台风中心密集云盖区域。能量变化主要有非绝热加热(D)释放有效位能、有效位能转化为中小尺度动能(B(α, β))、垂直气压梯度力做功产生动能(V)、动能和有效位能的水平输送和跨尺度转化(T_k, T_A)。

图  8  台风“海高斯”2020年8月18日18时大尺度背景场(a)、α中尺度(b)、β中小尺度(c)动能和有效位能(单位: J·m^-3)能量变化大值区域(K为动能，A为有效位能，D为非绝热加热，H为气压梯度力做功，B(L)为大尺度背景场有效位能向动能转化，B(α, β)为中小尺度有效位能向动能转化，V为垂直方向气压梯度力做功，T_k⁺为动能的水平及跨尺度输送使局地动能增加，T_k^-为动能的水平及跨尺度输送使局地动能减少，T_a为有效位能的水平及跨尺度输送使局地有效位能减少) 及径向风速V_n、垂直风速W量值×5(单位: m·s^-1)和能量变化区域示意图(d)

Figure  8.  (a) Large scale background field, (b) Meso-α scale, (c) Meso-micro-β scale kinetic energy, effective potential energy (unit: J·m^-3) and energy change large value area of typhoon Higos in 1 800 UTC August 18, 2020 (K is kinetic energy, A is potential energy, D is diabatic heating, H is work done by pressure gradient force, B(L) is conversion of effective potential energy to kinetic energy in large scale background field, B(α, β) is conversion of effective potential energy to kinetic energy in small and medium scale, V is the work done by the pressure gradient force in the vertical direction, T_k⁺ is the increase of local kinetic energy due to the horizontal and trans-scale transport of kinetic energy, T_k^- is the decrease of local kinetic energy due to the horizontal and trans-scale transport of kinetic energy, and T_a is the decrease of local effective potential energy due to the horizontal and trans-scale transport of effective potential energy, (d) Radial wind speed V_n, vertical wind speed W×5 (unit: m·s^-1), and schematic diagram of energy change area

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综上，台风“海高斯”近巅峰期的能量转化区域主要为距台风中心200 km以内台风眼壁及中心密集云盖区域的对流层上层、距台风中心200—700 km台风外围对流层上层、距台风中心400 km以内对流层低层(图 8d)。在台风眼壁及中心密集云盖区域对流层上层、台风对流层低层有非绝热加热作用制造有效位能，有效位能又在同一区域转化为动能。在台风外围对流层上层，能量变化主要为水平气压梯度力做功制造动能、动能平流及跨尺度转化。

2.5   多尺度能量变化及转化对台风风速的影响

前文分析了台风“海高斯”2 000—14 000 m高度多尺度能量的分布和转化特征。但是，衡量一个台风强度和破坏力最重要的指标之一是近地面风速。本节将讨论台风高层能量的变化及转化与近地面风速变化之间的关系。

取台风近巅峰及登陆时段(2020年8月18日15—21时)作为研究时段，将此时段台风附近区域10 m风场滤波，并与该时段2 000—14 000 m高度平均动能变化(图 9a、d、g)、有效位能变化(图 9b、e、f)、有效位能向动能的转化量B(L, α, β)(图 9c、h、i)对比。18日15时模拟的台风中心坐标为113.5°E，20.7°N，18日21时模拟的台风中心坐标为112.6°E，21.3°N。从图 9a、d、g可以看出，在大尺度背景场上，台风的移动及强度变化使15时台风中心附近风速减小，21时台风中心附近风速增大。另外，在114.0°E，19.5°N附近区域风速明显增大，117.0°E，22.0°N附近区域风速明显减小。台风的动能变化区域大致与近地面风速变化区域一致，台风有效位能、有效位能向动能的转化量B(L)变化区域位于台风中心位置附近，与近地面风速变化区域不吻合。从图 9b、e、f可以看出，因台风移动及强度变化导致的风速变化区域在112.5°E，21.0°N附近。α中尺度三项能量变化及转化量的变化区域位于近地面风速变化的大值区域附近，但大值中心并不重合。从图 9c、h、i可以看出，β中小尺度能量变化及转化量的变化区域也位于近地面风速变化的大值区域附近，其中动能变化、有效位能向动能的转化量B(β)与近地面风速变化区域的一致性较好。

图  9  台风“海高斯”附近区域2020年8月18日15—21时大尺度背景场(a、b、c)，α中尺度(d、e、f)，β中小尺度(g、h、i)地面风速变化(填色，单位: m·s^-1·h^-1)与2 000—14 000 m高度动能(a、d、g)，有效位能(b、e、h)，有效位能向动能转化量变化(c、f、i)(等值线，单位: J·kg^-1·h^-1)叠加图

Figure  9.  Overlay map Changes of surface wind speed of (a, b, c) large scale background fields, (d, e, f) meso-α scale, (g, h, i) meso-micro-β scale in the area (contour, unit: m·s^-1·h^-1) and (a, d, g) kinetic energy changes, (b, e, h) effective potential energy changes, (c, f, i) energy transformation from effective potential energy to kinetic energy at the height of 2 000—14 000 m (isoline, unit: J·kg^-1·h^-1) near typhoon Higos from 15∶00 to 21∶00 UTC 18 August 2020

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综上所述，台风“海高斯”2 000—14 000 m高度能量的变化及转化区域与近地面风速的变化区域有相关性，高空能量的加强或减弱会导致附近区域近地面风速的变化。但由于台风系统在垂直层面上的物理作用较为复杂，高空能量的变化中心不能与近地面风速的变化大值中心准确对应。

3.   结论与讨论

使用Barnes滤波方法将WRF区域数值模式对2020年台风“海高斯”的模拟结果进行滤波，从大尺度背景场、α中尺度、β中小尺度三个尺度分析了台风“海高斯”动能、有效位能的时间变化、空间分布及相互转化关系，得到以下主要结论：

(1) 台风“海高斯”活跃期内，大尺度背景场动能先增加后变化不明显，α中尺度动能先增加后减少，β中小尺度动能变化不明显。动能的主要来源是有效位能的转化及气压梯度力做功，主要去向是水平输送及跨尺度转化。三种尺度动能都主要分布于对流层低层，大尺度背景场动能主要分布于台风东北象限靠近副热带高压区域，α中尺度动能主要分布于以台风中心为圆心的环形区域内，β中小尺度动能主要分布于台风内部中小尺度对流区域。

(2) 台风“海高斯”活跃期内，大尺度背景场有效位能有两次先增加后减少过程，存在两个峰值；α中尺度和β中小尺度有效位能先增加后减少。有效位能的主要来源是非绝热加热，主要去向是转化为动能和水平输送及跨尺度转化。三种尺度有效位能都主要分布于对流层高层，大尺度背景场和α中尺度有效位能都主要分布于台风中心附近，β中小尺度有效位能主要分布于台风内部中小尺度对流区域。

(3) 台风“海高斯”近巅峰期的能量转化区域主要为距台风中心200 km以内台风眼壁及中心密集云盖区域对流层上层、距台风中心200—700 km台风外围区域对流层上层、距台风中心400 km以内对流层低层。在台风眼壁及中心密集云盖区域对流层上层、台风对流层低层非绝热加热作用制造有效位能，有效位能转化为动能。在台风外围对流层上层水平气压梯度力做功制造动能，动能进行平流及跨尺度转化。

(4) 台风“海高斯”三种尺度能量的变化及转化区域与近地面风速的变化区域大致重合，但是高空能量的变化中心不能与近地面风速的变化大值中心准确对应。

由于本文所用的能量方程未考虑湍流摩擦作用、地形作用等边界层动力过程，因此只计算了2 000—14 000 m高度垂直范围内自由大气的能量变化及相互作用。对于台风边界层内更复杂的能量相互作用，有待进一步深入研究。