雨水蒸發冷卻對熱帶氣旋螺旋雨帶外雨帶生成的影響

王元豪

（民航寧波空管站，浙江 寧波315000）

1 引言

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，簡稱TC，即臺風）作為中國一個極為常見的天氣系統，每年都會頻繁登陸于中國各個沿海海岸，而它所具有的強大破壞力，對遭受它侵略的土地形成了巨大的損害。臺風天氣對飛機飛行有很大影響，如顛簸、雷擊、冰雹、能見度低和風向變。近些年來，超強臺風年年造訪，如2018 年的“山竹”，2019 年的“天鴿”以及2020 年的“利奇馬”，對寧波櫟社機場的飛行航班造成了巨大的影響。其中，臺風帶來的暴雨對飛行的影響最為主要，為了更好地防御熱帶氣旋給機場航班帶來的災害，我們有必要不斷深入了解它，熟悉它的結構，形成機制以及活動性質。

本文從熱帶氣旋（臺風）的結構入手，熱帶氣旋通常由一個眼區伴隨著具有深對流的眼墻以及眼墻外的螺旋雨帶組成。根據它的特征和位置，螺旋雨帶又可以分成外雨帶和內雨帶兩個部分[1]。外圍螺旋雨帶影響熱帶氣旋的結構和強度，是熱帶氣旋有別于溫帶氣旋的主要特征之一，它又與產生暴雨有著密不可分的關系，所以螺旋雨帶的外雨帶的形成、維持機理，以及它與臺風強度和路徑等的關系都是國際上熱帶氣旋研究中受到廣泛關注的科學問題。在國內，對于螺旋雨帶的生成和活動特征的研究，同樣一直是重要的研究方向之一。本文通過研究螺旋雨帶的成因來探討熱帶氣旋暴雨的形成機制，熟悉其構成，以在抗臺期間更有效的觀察其行進路線以減少暴雨對航班飛行的影響。

2 數值試驗設計

本研究中使用的數值模式為中尺度數值模式WRF_ARW（V3.3），采用三層嵌套方案進行模擬，三層網格的水平分辨率分別為27 km、9 km 和3 km，垂直方向為27 層。模式初始場來自一個理想的對稱氣旋性渦旋，其初始時刻最大風速Vm為8 m/s，最大風速半徑rm為125 km。該系統切向風風速隨高度呈現遞減[2]：

式（1）中：r為距離臺風中心的距離；σ為垂直sigma 層；A（σ）定義了垂直高度。

為簡化起見，本文采用f 平面，中心緯度為15°N。下墊面是均勻的海洋（海表溫度設為29 ℃），沒有考慮大尺度環境氣流影響（即靜止大氣）。環境場初始水汽和溫度廓線均來自JORDAN（1958）。在設定的風場情況下，通過求解非線性平衡方程可以得到質量場和熱力學場要素。

本次試驗分為兩組，第一組為控制試驗（CTL）：考慮云輻射作用，考慮云物理過程，考慮長波、短波輻射。

第二組試驗為無蒸發冷卻試驗（NOEVP）：考慮蒸發，但不考慮雨水蒸發冷卻，具體方案設計見表1。用以探究蒸發冷卻對外螺旋雨帶生成和發展的影響。在本研究中，2 組試驗均積分6 天，直至渦旋發展成為成熟的熱帶氣旋。

表1 試驗方案設計

3 蒸發冷卻對熱帶氣旋螺旋雨帶外雨帶生成的影響

本文著重探究雨水蒸發冷卻對熱帶氣旋螺外旋雨帶形成的重要影響作用。為了證明這一結論，就必須做一些必要的試驗。對蒸發冷卻起主導作用的冷池具有三維結構，YAMASAKⅠ[3]曾做過對應的試驗，但受限于當時的觀測資料和技術手段，只能得出二維試驗的結論。熱帶氣旋的三維結構難以模擬研究，因而此處進行的是理想模式下的模擬熱帶氣旋控制試驗，比較在有無雨水蒸發冷卻情況下的螺旋雨帶的形成及其發展變化的情況。

本文通過三維數值模式進行理想試驗，揭示雨水蒸發冷卻過程在雨帶形成中的作用，以驗證蒸發冷卻對外螺旋雨帶的影響。

第一步，因對流可以很好地表征外雨帶的形成與發展，選取雷達反照率的對稱分量的結果，以對流特征來表征外雨帶的生成發展的狀態。為了顯示出螺旋雨帶的位置及其演變狀態，在圖1 中的兩組試驗均取0.5 m 高度處雷達反照率的對稱分量隨時間的變化。圖1（a）中，即CTL 試驗，在T=36 h 時，外雨帶在距TC 中心約60 km 處的眼壁外逐漸成形。而根據圖中反照率的分布，當螺旋雨帶一旦形成，它就以約6 m/s 左右的速度迅速向外傳播擴展，在T=144 h 時，外雨帶已經傳播到距臺風中心200 km 附近。在模擬的120 h 內，螺旋雨帶存在4 個活動周期，每一次約為22～24 h，說明螺旋雨帶在眼墻外向外傳播的具有準周期性。另一方面，在無雨水蒸發冷卻作用的NOEVP 試驗中，眼墻外的螺旋雨帶的活動要相對弱了許多，只能在T=36～48 h 和T=60～72 h內有可以觀測到的外雨帶活動反映。在T=72 h 后，雨帶維持在在距臺風中心60 km 附近，無向外擴展跡象。

另一方面，由圖1（a）可見，模擬的螺旋雨帶內雨帶總是活躍在眼壁外側至60 km 半徑范圍內，而外雨帶則主要集中出現在60 km 半徑之外并可以傳播到210 km 半徑處。因此定義60～210 km 半徑環形區域為外螺旋雨帶活動區。外雨帶在向外傳播過程中其對流性逐漸增強，零散的對流體位于其中；在繼續向外傳播過程中外雨帶中的對流體逐漸減弱消亡。圖1（b）中的剖面有很明顯的變化，沒有了蒸發冷卻作用，雨帶無法維持。

圖1 0.5 m 高度處雷達反照率的對稱分量隨時間的變化

圖2 給出了0.5 m 高度處切向風的對稱分量隨時間的變化。圖2（a）和圖2（b）分別顯示了控制試驗中理想狀態下的螺旋雨帶在有無雨水蒸發冷卻情況下0.5 m 高度處切向風隨時間變化的情況。由圖2（a）中CTL 的切向風分布可以看出，強風區域（大于20 m/s）大約在T=36 h 時形成，并逐漸向外擴展，到T=144 h 時，半徑已經達到了240 km左右。而在NOEVP 試驗中，強風區域的形成雖然較CTL試驗更為迅速。但強風區域的半徑卻并不隨時間有明顯的變化，從開始直至最后的T=144 h 時刻，一直保持著距TC 中心約90 km 的范圍，這表明，熱帶氣旋的大小在NOEVP 試驗中的發展中保持幾乎不變。對比圖1 與圖2 可以發現，在有無雨水蒸發冷卻條件下的強風區域的區別與圖1 中螺旋雨帶的雷達反照率的顯示一致。

圖2 CTL 和NOEVP 試驗的0.5 m 高度處切向風的對稱分量隨時間的變化

上述分析表明，在考慮雨水蒸發冷卻作用的試驗（CTL）中，外雨帶活動明顯，TC 達到最大風速所用時間較慢，且TC 強度較小，但范圍較大；在不考慮雨水蒸發冷卻范圍且TC 較小。這在圖3 中24 h（57～80 h）的累計降水量中也有所體現。對比圖3（a）和圖3（b），可以清晰看出兩者的降水存在較大差別。在CTL 試驗中，降水量范圍較大。對比圖3（b），由于NOEVP 試驗中缺少外雨帶活動，24 h 降水量基本集中在內區。這與圖1 和圖2 中沒有雨水蒸發冷卻的作用下幾乎無外雨帶生成的結論相印證。

圖3 CTL 和NOEVP 試驗57～80 h 的24 h 累積降水量

由以上試驗對比，已經可以得出結論：雨水的蒸發冷卻對熱帶氣旋螺旋雨帶外雨帶的生成具有重要影響。

對于雨水蒸發冷卻作用的影響，也可以從其他方面來證明它的作用。FANG 和ZHANG[9]在討論β平面上外雨帶形成的原因時，得出結論：雨水蒸發帶來的潛熱釋放和冷卻作用會產生持續的正位渦增長，從而減小鄰近切向風徑向梯度，增加了渦絲化時間，有利于對流的增長。FANG 和ZHANG 證實層云降雨區域的蒸發冷卻效應減小了低層的假相當位溫，可以通過兩種方式有利于對流發展：一是使得層云附近的假相當位溫梯度增大，從而有利于提供必要的抬升而激發對流，二是降低了低層穩定性從而有利于對流發生。最終對流在層云區域附近變得活躍，形成外雨帶。這與前人的研究（Sawada and Ⅰwasak，2010）結果一致。

由此，再進行CTL 試驗和NOEVP 試驗的假相當位溫對比。圖4 為試驗中T=63 h 的0.5 m 高度處冷池的水平結構。從圖4 中可以清晰地看出，在CTL 試驗圖4（a）中，0.5 m高度處假相當位溫負異常遠比NOEVP 圖4（b）顯著小，也就是說CTL 試驗中具有顯著的地面冷池（假相當位溫非對稱分量小于﹣2 K 的區域），同時，CTL 試驗中在冷池前端具有明顯的向外的氣流輻散，與TC 的入流輻合；而NOEVP中則無氣流輻合。

圖4 CTL 和NOEVP 試驗T=63 h 的0.5 m 高度處的冷池水平結構（陰影：冷池，即假相當位溫非對稱分量小于-2 K 的區域；等值線：輻散；箭頭：水平風速的非對稱分量）

圖5 為選取的CTL 試驗AB 截面的相當位溫分布和垂直速度垂直分布，圖6 則是相對應的非絕熱加熱率的分布圖。從圖中可以清晰地看出地面冷池的存在，冷池上方對應為明顯的下沉運動，證明雨水蒸發冷卻作用產生了下沉作用；而在下沉運動的外側，則對應為明顯的上升運動。與冷池對應的是圖5 的非絕熱冷卻，其外側則為明顯的上升運動凝結潛熱釋放帶來的非絕熱加熱。綜上，雨水蒸發冷卻作用引起了下沉作用，促進和維持地面形成冷池，下沉氣流在地面輻散，在冷池前端（遠離TC 中心）與臺風入流匯合，產生氣流輻合并抬升。此處可以再次觀察圖5 和圖6，圖5中，在冷池右方，垂直速度大于0，即上升運動，圖6 中則是中間及左上角區域（非絕熱加熱率大于0），與上升運動相印證。

圖5 非絕熱加熱率剖面圖（圖中的黑色虛線為溫度零線）

圖6 CTL 試驗63 h 的假相當位溫（陰影）和垂直速度（等值線）

4 結論

本文利用中尺度數值模式WRF_ARW（V3.3）驗證了雨水蒸發冷卻作用對外螺旋雨帶生成和發展的影響，在控制試驗中，雷達反照率顯示外雨帶主要在離氣旋中心60 km 半徑位置生成并逐漸向外傳播，雨水蒸發冷卻作用形成的地面冷池促進了對流的產生和雨帶的向外傳播；而在無蒸發冷卻作用的試驗中無明顯的外雨帶形成。其原理可歸結為：雨水下落蒸發冷卻加上下沉氣流將對流層中層冷空氣帶到邊界層，導致邊界層出現冷池；下沉氣流達到地面后向四周輻散，輻散氣流與臺風外圍的入流相遇出現輻合，在冷池外側出現強迫抬升的上升氣流；上升氣流的潛熱釋放加熱進一步促進氣流抬升，促進臺風外圍對流發展，螺旋雨帶向外擴展。

雖然得出雨水蒸發冷卻對外雨帶形成具有重大影響的結論，但在實際大氣中，熱帶氣旋所處環境更為復雜多變，會有更多的相互作用對形成機制產生影響，本文在此次模擬的理想狀態下都沒有考慮這些因素，只是得出了初步的理論結果，諸如貝塔效應、環境流場等的影響將需要更多的試驗來探究，將來隨著觀測資料的更進一步完善，科學技術的進一步提升，一定能更全面地模擬真實的環境，并得出更全面的結論。本文旨在通過研究雨帶的生成變化來熟悉臺風的生成過程，對臺風越了解，越有助于氣象工作在臺風災害天氣中對航班的保護。