基于雙偏振雷達(dá)資料對(duì)南海弱臺(tái)風(fēng)降水微物理結(jié)構(gòu)的分析

王睿，黃燕燕，伍志方，林青，周浪，陳超，吳林

(1. 廣東省氣象臺(tái)(南海海洋氣象預(yù)報(bào)中心)，廣東 廣州 510641；2. 中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641；3. 廣東省氣象公共服務(wù)中心，廣東 廣州 510641)

1 引 言

臺(tái)風(fēng)是影響我國(guó)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，華南沿海是受臺(tái)風(fēng)影響最頻繁的區(qū)域。熱帶氣旋對(duì)我國(guó)南部沿海地區(qū)的夏季降水有重要影響[1-2]，每年熱帶氣旋帶來(lái)的災(zāi)害天氣，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、人民生命和財(cái)產(chǎn)造成重大損失。這些影響或登陸廣東的熱帶氣旋基本上都屬于南海臺(tái)風(fēng)。近年來(lái)臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值預(yù)報(bào)水平已有很大改進(jìn)[3-5]，但每年仍有一些南海臺(tái)風(fēng)，預(yù)報(bào)路徑誤差很大。這些臺(tái)風(fēng)相對(duì)較弱，路徑不穩(wěn)定，移動(dòng)速度也相對(duì)較慢，但是對(duì)華南沿海造成的降雨卻很強(qiáng)，據(jù)前人的研究，臺(tái)風(fēng)較弱時(shí)(臺(tái)風(fēng)和臺(tái)風(fēng)級(jí)以下)大暴雨發(fā)生的概率要比臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)(大于等于臺(tái)風(fēng)級(jí))高許多[6]。我們將這些進(jìn)入南海區(qū)域，中心風(fēng)速達(dá)到17.2 m/s、不高于36.9 m/s 的熱帶氣旋(即包括熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和風(fēng)速小于等于12 級(jí)的臺(tái)風(fēng))定義為“南海弱臺(tái)風(fēng)”[7]。

雖然南海弱臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度不大，中心風(fēng)力也沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的級(jí)別，但是由于弱臺(tái)風(fēng)的路徑相對(duì)不穩(wěn)定，移動(dòng)速度較慢，其登陸前后臺(tái)風(fēng)雨帶對(duì)華南沿海地區(qū)的影響時(shí)間更長(zhǎng)，風(fēng)雨的持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流激發(fā)的強(qiáng)對(duì)流天氣同樣對(duì)沿海城市造成嚴(yán)重災(zāi)害。如2018年4 號(hào)熱帶氣旋“艾云尼”和2019年的7 號(hào)熱帶氣旋“韋帕”，雖然都未達(dá)到臺(tái)風(fēng)級(jí)別，但由于移動(dòng)緩慢、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、路徑復(fù)雜、生命史長(zhǎng)，造成廣東沿海地區(qū)暴雨范圍廣，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，累計(jì)雨量較大，給廣東沿海地區(qū)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

臺(tái)風(fēng)造成的風(fēng)雨影響與臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度有密切關(guān)系[8-9]。大部分臺(tái)風(fēng)有顯著臺(tái)風(fēng)眼和螺旋雨帶特征，其中許多發(fā)展較充分的臺(tái)風(fēng)還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)同心雙眼墻的結(jié)構(gòu)特征[10-11]，且臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度越強(qiáng)，出現(xiàn)雙眼墻特征的概率也越大[12]。在西太(西太平洋)有80%左右的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)至少會(huì)出現(xiàn)一次雙眼墻的替換過(guò)程[13-14]。由于臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的變化使得臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)有較大不確定性，從而影響對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)雨的預(yù)報(bào)[15]。

國(guó)內(nèi)對(duì)南海臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的研究較早，主要是采用天氣學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)，臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的方法、結(jié)構(gòu)特征[16-17]，或基于觀測(cè)和分析資料對(duì)南海臺(tái)風(fēng)個(gè)例的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析[18-19]，主要基于大尺度分析資料，利用的觀測(cè)多是探空等常規(guī)資料，所反映的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)較“粗糙”。而且更多的是針對(duì)一些有顯著特點(diǎn)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)或超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。而對(duì)于弱臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和微物理過(guò)程的研究還相對(duì)較少，其內(nèi)部微物理過(guò)程和臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)降水落區(qū)和風(fēng)雨的影響也了解較少。

通過(guò)前人的研究，弱臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的大暴雨的概率要明顯大于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的大暴雨概率[6]。因此研究南海弱臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和降水微物理特征對(duì)分析和預(yù)報(bào)廣東和華南沿海的臺(tái)風(fēng)降水有重要意義。

隨著雷達(dá)、衛(wèi)星等遙感探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)臺(tái)風(fēng)的觀測(cè)手段更豐富，雷達(dá)、衛(wèi)星資料也更多地被應(yīng)用到臺(tái)風(fēng)研究領(lǐng)域。Simpson 等[20]通過(guò)雷達(dá)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)環(huán)流雨帶的回波并不是均勻的，而是由一條條很明顯的螺旋雨帶組成，就是所謂的中尺度螺旋雨帶。前人的研究[21-22]發(fā)現(xiàn)在螺旋雨帶中還存在著許多更小尺度的對(duì)流系統(tǒng)。伴隨多普勒雷達(dá)的發(fā)展，天氣雷達(dá)探測(cè)強(qiáng)對(duì)流天氣的能力有了很大提高[23]。劉黎平等[24]分析指出，新的雷達(dá)遙感技術(shù)和方法的發(fā)展，為我們對(duì)中尺度天氣過(guò)程的探測(cè)和研究提供更高時(shí)空分辨率、更多觀測(cè)參量的資料。特別是雙偏振天氣雷達(dá)的發(fā)展和應(yīng)用，雷達(dá)回波的后向散射信息能夠提供降水粒子在水平和垂直方向上的形狀、大小、相態(tài)和數(shù)量等信息[25]，為臺(tái)風(fēng)降水的微物理結(jié)構(gòu)的分析提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。截止于2018年，廣東沿海的雷達(dá)基本完成了雙偏振雷達(dá)的升級(jí)改造，使得廣東對(duì)登陸廣東沿海的南海臺(tái)風(fēng)的觀測(cè)能力得到大幅提升，湛江、陽(yáng)江和深圳等雙偏振雷達(dá)多次觀測(cè)到南海臺(tái)風(fēng)的眼墻和螺旋雨帶區(qū)域的降水過(guò)程。

本文利用雙偏振雷達(dá)觀測(cè)研究南海弱臺(tái)風(fēng)眼墻和雨區(qū)降水的分布和演變，以及其降水粒子滴譜的微物理變化過(guò)程。本文的研究，有利于充分發(fā)揮廣東雙偏振雷達(dá)探測(cè)的效益，獲取南海弱臺(tái)風(fēng)較細(xì)致的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加深對(duì)南海弱臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和降水微物理特征的認(rèn)識(shí)，為提高南海弱臺(tái)風(fēng)發(fā)展演變及降水預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。

2 資料方法

本文選取了湛江和深圳的雷達(dá)資料，均為CINRAD/SAD 型氣象業(yè)務(wù)多普勒雷達(dá)，并都于2018年前完成了雙偏振雷達(dá)改造。S 波段雙偏振雷達(dá)，波長(zhǎng)為10 cm，完成一次體掃時(shí)間為6 min。

對(duì)流累計(jì)頻次：本文參照Steiner 等[26]的降水分類算法，依據(jù)低層的雷達(dá)反射率因子數(shù)據(jù)將降水分為層云性降水和對(duì)流性降水兩類：(1) 由于對(duì)流性降水產(chǎn)生的回波較強(qiáng)的反射率因子，因此大于40 dBZ 的像素點(diǎn)被識(shí)別為對(duì)流性降水；(2) 按Steiner 等[26]提出的廓線，識(shí)別出對(duì)流回波與環(huán)境背景場(chǎng)的回波之間的差值，如果大于峰值標(biāo)準(zhǔn)，則判斷為對(duì)流性降水，剩下的區(qū)域?yàn)閷釉平邓Ｒ虼吮疚倪x取大于40 dBZ 的像素點(diǎn)作為一個(gè)對(duì)流發(fā)生點(diǎn)，選取一定時(shí)間段對(duì)對(duì)流發(fā)生點(diǎn)的合成作為對(duì)流累計(jì)頻次，來(lái)分析對(duì)流發(fā)展的活躍區(qū)域。

弱臺(tái)風(fēng)定義：本研究以熱帶氣旋中心最大風(fēng)速是否超過(guò)12 級(jí)作為弱臺(tái)風(fēng)的分界，熱帶氣旋中心最大風(fēng)速小于等于12 級(jí)(36.9 m/s)的定義為弱臺(tái)風(fēng)，即包括熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和中心最大風(fēng)速小于等于12級(jí)的臺(tái)風(fēng)。

根據(jù)弱臺(tái)風(fēng)的定義，本文選取了2018—2020年的4個(gè)南海弱臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行分析，分析中用到的雙偏振雷達(dá)資料為反射率因子強(qiáng)度ZH，差分反射率ZDR和比差分相移KDP三個(gè)變量。雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的方法與文獻(xiàn)[27]一致。

3 結(jié)果與分析

3.1 南海弱臺(tái)風(fēng)個(gè)例選取

為研究不同級(jí)別的南海弱臺(tái)風(fēng)的微物理結(jié)構(gòu)，選取了4個(gè)在廣東登陸的南海弱臺(tái)風(fēng)(圖1)進(jìn)行分析，分別是2018年第4 號(hào)熱帶氣旋“艾云尼”，2018年第 23 號(hào)熱帶氣旋“百里嘉”，2019年第 7 號(hào)熱帶氣旋“韋帕”和2020年第7 號(hào)熱帶氣旋“海高斯”，其中 2018年的“艾云尼”和 2019年的“韋帕”最強(qiáng)是熱帶風(fēng)暴級(jí)，2018年的“百里嘉”最強(qiáng)是強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)，2020年的“海高斯”是臺(tái)風(fēng)級(jí)登陸的。

圖1 熱帶氣旋“艾云尼”(a)、“韋帕”(b)、“百里嘉”(c)、“海高斯”(d)路徑圖

在近幾年登陸的南海弱臺(tái)風(fēng)中，造成最大風(fēng)雨影響的不是以臺(tái)風(fēng)級(jí)登陸的“海高斯”和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“百里嘉”，而是只有熱帶風(fēng)暴級(jí)別的“艾云尼”和“韋帕”(圖2)。熱帶氣旋“艾云尼”在登陸前后對(duì)廣東及沿海都造成了嚴(yán)重的風(fēng)雨影響。受“艾云尼”影響，廣東大部分地區(qū)6月6—8日連續(xù)出現(xiàn)了大暴雨，局部特大暴雨的降水(圖2a)。廣東全省有400 多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)超過(guò)250 mm 的過(guò)程累計(jì)降水，最大累計(jì)降雨量超過(guò)500 mm。“艾云尼”作為強(qiáng)度僅為熱帶風(fēng)暴級(jí)別的南海弱臺(tái)風(fēng)卻給廣東帶來(lái)如此強(qiáng)的風(fēng)雨影響，其累計(jì)降水甚至超過(guò)了許多臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。

同為熱帶氣旋“韋帕”在2019年7月 31日—8月2日登陸前后，給廣東省南部和中部偏南帶來(lái)了暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，廣東全省有300 多個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)250 mm 以上的過(guò)程累計(jì)降水，江門(mén)市新會(huì)出現(xiàn)超過(guò)500 mm的過(guò)程累計(jì)雨量(圖2b)。

熱帶氣旋“艾云尼”和“韋帕”對(duì)廣東省造成的風(fēng)雨影響均有“暴雨范圍廣、累積雨量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)”的特點(diǎn)，造成這兩個(gè)熱帶氣旋如此長(zhǎng)時(shí)間大范圍的降水原因除了海上充足的水汽供應(yīng)外，還和兩個(gè)南海弱臺(tái)風(fēng)本身“路徑復(fù)雜、移動(dòng)緩慢、結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、維持時(shí)間長(zhǎng)”等特點(diǎn)有關(guān)，兩個(gè)熱帶氣旋都在南海西北部停留打轉(zhuǎn)，且在廣東和海南島多次登陸(圖1a、1b)，這種多次登陸和路徑的復(fù)雜不穩(wěn)定使得廣東的降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，降水的范圍也較大。

2018年的第23 號(hào)熱帶氣旋“百里嘉”和2020年第7號(hào)熱帶氣旋“海高斯”的路徑相對(duì)穩(wěn)定，移動(dòng)速度也相對(duì)前兩個(gè)南海弱臺(tái)風(fēng)較快，其路徑分別是沿偏西方向和西偏北方向移動(dòng)(圖1c、1d)。造成的強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間、范圍和量級(jí)都相對(duì)較小，尤其是“百里嘉”，由于水汽供應(yīng)受到“山竹”的影響，且近海生成路徑穩(wěn)定，能量的積蓄時(shí)間較短，僅使得粵東和粵西沿海市縣出現(xiàn)中到大雨局部暴雨(圖2c)。而“海高斯”由于近海急劇加強(qiáng)：12 h 內(nèi)從熱帶風(fēng)暴級(jí)別快速加強(qiáng)到臺(tái)風(fēng)級(jí)別，對(duì)廣東的南部沿海市縣造成了大到暴雨，局部大暴雨(圖2d)。雖然“海高斯”的強(qiáng)度更強(qiáng)，但由于其移動(dòng)速度較快，生命史非常短，所以造成的風(fēng)雨持續(xù)時(shí)間較短，累計(jì)雨量相較于強(qiáng)度更弱的“艾云尼”和“韋帕”也小了許多。

圖2 4個(gè)南海弱臺(tái)風(fēng)個(gè)例造成廣東降水分布

由于熱帶氣旋“艾云尼”長(zhǎng)時(shí)間在廣東沿海附近打轉(zhuǎn)，并前后三次在廣東和海南沿岸登陸，對(duì)廣東造成的暴雨災(zāi)害影響時(shí)間最長(zhǎng)，雨量最大。而且其路徑最復(fù)雜，每次登陸的方向均不一樣，因此本文主要選取“艾云尼”作為研究對(duì)象，分析其從不同方向登陸時(shí)降水精細(xì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

3.2 基于雙偏振雷達(dá)資料的南海弱臺(tái)風(fēng)精細(xì)結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 熱帶氣旋“艾云尼”

從圖1 熱帶氣旋“艾云尼”的路徑圖上可看到，“艾云尼”在北上的過(guò)程中，曾在廣東湛江和海南附近長(zhǎng)時(shí)間打轉(zhuǎn)，并在廣東和海南附近多次登陸，在 6日 06 時(shí) 25 分(北京時(shí)間，下同)在湛江徐聞新寮鎮(zhèn)沿海地區(qū)登陸后，開(kāi)始向南移動(dòng)，6日08 時(shí)被正式命名為“艾云尼”，11 時(shí)移入瓊州海峽，并在14 時(shí)50 分在海口市沿海再次登陸，隨后東移出海，22 時(shí)前后移入海南島東北部海面，7日00時(shí)轉(zhuǎn)向偏北方向移動(dòng)，并在7日20 時(shí)在陽(yáng)江海陵島第三次登陸。

從“艾云尼”第一次登陸湛江后的路徑可分為三段：6日 08 時(shí)—6日 15 時(shí)向偏南方向移動(dòng)；6日15 時(shí)—7日 00 時(shí)向偏東方向移動(dòng)；7日 00—20 時(shí)向偏北方向移動(dòng)(表1)。

表1 熱帶氣旋“艾云尼”第一次登陸后路徑分類

我們從雷達(dá)回波圖上可看出，“艾云尼”呈現(xiàn)出明顯的偏心結(jié)構(gòu)，由于臺(tái)風(fēng)“艾云尼”的強(qiáng)度并不是很強(qiáng)，只達(dá)到熱帶風(fēng)暴級(jí)別，所以整體回波強(qiáng)度并不強(qiáng)，大部分為35 dBZ 以下的綠色回波。但是依然可清晰看到臺(tái)風(fēng)的眼墻，在距臺(tái)風(fēng)中心50～70 km 處的位置出現(xiàn)近似一圈回波強(qiáng)度大于40 dBZ 的強(qiáng)回波帶，而且并沒(méi)有看到清晰的雙眼墻結(jié)構(gòu)。

圖3a 是6日08 時(shí)前后雷達(dá)回波，此時(shí)熱帶氣旋第一次登陸廣東湛江，被正式命名為“艾云尼”，并向南移動(dòng)。從此時(shí)的雷達(dá)回波可看到，由于“艾云尼”已經(jīng)登陸，臺(tái)風(fēng)中心主要在陸地，所以臺(tái)風(fēng)眼并不明顯，臺(tái)風(fēng)中心還是有弱的降水回波。熱帶氣旋的降水回波成非對(duì)稱性，反射率最強(qiáng)的區(qū)域主要集中在熱帶氣旋移動(dòng)方向的右前方，氣旋環(huán)流吹向海南島西北側(cè)沿岸前，即熱帶氣旋移動(dòng)方向的第一象限，另外在珠江口西側(cè)，江門(mén)、佛山地區(qū)也由于臺(tái)風(fēng)的外圍環(huán)流上岸引起了一些降水回波。

圖3b 顯示 6日 19 時(shí)的雷達(dá)回波，此時(shí)“艾云尼”已經(jīng)登陸海南島并逐漸東移出海，此時(shí)回波較強(qiáng)的區(qū)域主要有兩個(gè)，一個(gè)是臺(tái)風(fēng)中心的北側(cè)，即熱帶氣旋前進(jìn)方向的左側(cè)，以及茂名沿海地區(qū)，熱帶氣旋外圍環(huán)流上岸引起的對(duì)流回波，且眼墻所在的大回波區(qū)和外圍環(huán)流上岸的對(duì)流雨帶中間有一段無(wú)明顯回波的晴空區(qū)，回波呈現(xiàn)了一個(gè)“6”字型，借鑒Kossin 等[28]利用微波和雷達(dá)資料定義的方法，將原眼墻外側(cè)準(zhǔn)圓形的環(huán)流圈與原眼墻徹底分離，這個(gè)新的環(huán)流圈中連續(xù)對(duì)流云系的弧長(zhǎng)至少為圓周的75%，新的環(huán)流云系的對(duì)流分布可為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)；另外，內(nèi)層眼墻外的下沉區(qū)必須是無(wú)云的晴空區(qū)。根據(jù)這個(gè)定義，雖然“艾云尼”的回波并不滿足雙眼墻結(jié)構(gòu)，但可明顯看出茂名沿岸的回波帶主要是熱帶氣旋的外層環(huán)流上岸激發(fā)的對(duì)流回波。

從7日00 時(shí)“艾云尼”開(kāi)始北上，臺(tái)風(fēng)中心主要在海上，圖3c是7日06時(shí)的雷達(dá)回波，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心幾乎沒(méi)有回波，有明顯的晴空區(qū)，眼墻的環(huán)流也較清晰，其中回波強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域有兩個(gè)，北邊的眼墻環(huán)流區(qū)上岸接觸陸地，激發(fā)了一條環(huán)流帶，主要在熱帶氣旋移動(dòng)方向的第一象限；同時(shí)在臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)，也有一塊回波較強(qiáng)的區(qū)域。另外在珠三角的西側(cè)，熱帶氣旋的外層環(huán)流也激起了一條降水回波。

圖3 熱帶氣旋“艾云尼”的雷達(dá)反射率

為了分析弱臺(tái)風(fēng)的降水的微物理結(jié)構(gòu)，我們通過(guò)雙偏振雷達(dá)，分析熱帶氣旋回波的雙偏振參量，從圖4a、4d 可看到，在“艾云尼”南移的過(guò)程中，在氣旋移動(dòng)方向的右前方的ZH大值區(qū)，KDP也有明顯的大值區(qū)，同時(shí)在珠江口西側(cè)，江門(mén)、佛山地區(qū)也出現(xiàn)了KDP較大的區(qū)域，說(shuō)明在此區(qū)域降水粒子的密度較大，但是在ZDR圖上，對(duì)應(yīng)區(qū)域的ZDR并沒(méi)有偏大，反而在海上的雷達(dá)回波強(qiáng)度比在海南島陸地的ZDR要大，說(shuō)明在回波較強(qiáng)的區(qū)域降水粒子并不是很大，但是粒子密度較大，說(shuō)明對(duì)流強(qiáng)度并不是很強(qiáng)。在臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)向東移出海的過(guò)程中(圖4b)，在外層環(huán)流上岸的過(guò)程在茂名沿海地區(qū)同樣出現(xiàn)了KDP大值區(qū)，與ZH大值區(qū)相對(duì)應(yīng)，ZDR在該區(qū)域只有微弱偏大，說(shuō)明粒子半徑的增大并不明顯，回波較強(qiáng)的區(qū)域主要是因?yàn)榻邓Ｗ拥拿芏容^大引起的。但是隨著“艾云尼”的北上，內(nèi)層眼墻的環(huán)流登陸，在湛江茂名沿海臺(tái)風(fēng)眼墻處的回波帶KDP和ZDR都出現(xiàn)了較大值(圖 4c、4f)，降水粒子的密度和直徑都較大，說(shuō)明熱帶氣旋環(huán)流對(duì)流活動(dòng)較旺盛。

圖4 熱帶氣旋“艾云尼”的雙偏振量

按圖3 中的3個(gè)時(shí)次、沿圖3 黑線所示的區(qū)域做垂直剖面(圖5)，在臺(tái)風(fēng)環(huán)流登陸時(shí)，海南島沿岸激起了較大回波，對(duì)流活動(dòng)也發(fā)展到6 km 左右的高度，而海上的回波相對(duì)較弱，KDP也與反射率有相似形態(tài)，在沿岸較大，粒子密度較大，但是ZDR的值相對(duì)比較平均，海上的ZDR還相對(duì)更大些，而在登陸前的4～6 km高度處，ZDR出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明在此處有冰晶粒子存在。到6日19 時(shí)，從剖面圖上可看出在南側(cè)和北側(cè)分別有明顯的回波大值區(qū)，而中間是較空的無(wú)回波區(qū)，這片無(wú)回波區(qū)就是內(nèi)層眼墻和外層眼墻之間的晴空區(qū)。北側(cè)的熱帶氣旋外層環(huán)流登陸激起的對(duì)流回波高度在5 km 左右，回波強(qiáng)度也達(dá)到40 dBZ 以上，對(duì)應(yīng)區(qū)域的KDP也有較大值，但是ZDR值卻比較平均，無(wú)明顯增大。而在7日凌晨，“艾云尼”北上，可看到在熱帶氣旋內(nèi)層眼墻環(huán)流登陸激起對(duì)流回波帶，回波強(qiáng)度達(dá)到50 dBZ 以上，對(duì)流高度也達(dá)到5～6 km。由圖5f、5i可看到，相同區(qū)域的KDP和ZDR都相對(duì)較大，說(shuō)明在此處的降水粒子的大小和密度都相對(duì)較大，對(duì)流活動(dòng)發(fā)展較旺盛。

圖5 熱帶氣旋“艾云尼”的不同時(shí)次沿黑色實(shí)線的雙偏振量剖面

為了研究“艾云尼”在不同移動(dòng)方向上時(shí)的微物理結(jié)構(gòu)和對(duì)流發(fā)展情況，我們依據(jù)表1的時(shí)間分段將臺(tái)風(fēng)路徑分為三段，并對(duì)每段路徑大于40 dBZ的回波進(jìn)行了合成分析(圖6)。我們把雷達(dá)反射率強(qiáng)度大于40 dBZ 作為對(duì)流發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，臺(tái)風(fēng)在某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)大于40 dBZ 的頻次越多表示對(duì)流發(fā)展越頻繁。

同圖3 的分析類似，在圖6a 中“艾云尼”在南下的過(guò)程中，對(duì)流活動(dòng)最強(qiáng)的區(qū)域主要集中在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的右前方，氣旋環(huán)流吹向海南島西北側(cè)沿岸前，即熱帶氣旋移動(dòng)方向的第一象限；在圖6b 氣旋東移的過(guò)程中，對(duì)流活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域分別是臺(tái)風(fēng)中心的西北側(cè)，即氣旋前進(jìn)方向的第一和第二象限，以及茂名沿海地區(qū)。臺(tái)風(fēng)環(huán)流雨帶上岸引起的對(duì)流回波，熱帶氣旋移動(dòng)對(duì)降水非對(duì)稱的貢獻(xiàn)是通過(guò)邊界層輻合實(shí)現(xiàn)的[29]，當(dāng)熱帶氣旋移動(dòng)時(shí)，熱帶氣旋本體的移動(dòng)速度疊加在氣旋環(huán)流使得右側(cè)的上岸風(fēng)速速度增加，導(dǎo)致熱帶氣旋右側(cè)環(huán)流的邊界層摩擦增強(qiáng)，從而在右側(cè)環(huán)流上岸時(shí)產(chǎn)生更強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在環(huán)流下風(fēng)方向形成較強(qiáng)降水。在f平面上的研究也發(fā)現(xiàn)向岸流在移動(dòng)右前側(cè)會(huì)產(chǎn)生切向風(fēng)的輻合[30]。

從圖6的對(duì)流累計(jì)頻次圖可看出，對(duì)流累計(jì)頻次發(fā)生最大的區(qū)域幾乎都發(fā)生在熱帶氣旋登陸點(diǎn)右側(cè)，氣旋環(huán)流雨帶上岸處的陸地和上岸前的海面，說(shuō)明陸地對(duì)臺(tái)風(fēng)降水產(chǎn)生也有著重要作用。陸地對(duì)臺(tái)風(fēng)降水分布的影響主要有三個(gè)方面：第一，在地形區(qū)域迎風(fēng)坡引起環(huán)流的輻合上升產(chǎn)生非對(duì)稱的降水[31]；第二，由于陸面的摩擦力要大于海面，在熱帶氣旋右側(cè)的盛行向岸風(fēng)區(qū)域輻合加強(qiáng)，從而使得移動(dòng)右前象限的降水增強(qiáng)；第三，Chen等[32]在f平面上利用理想實(shí)驗(yàn)?zāi)M發(fā)現(xiàn)，由于海陸之間的相對(duì)濕度差異，陸地的干空氣卷入，上升至西側(cè)洋面疊加在海面暖濕空氣上方，使得大氣的不穩(wěn)定加強(qiáng)，在海岸線前的對(duì)流活動(dòng)增強(qiáng)。

在圖6b 中熱帶氣旋內(nèi)層眼墻所在的大回波區(qū)和外圍環(huán)流上岸的對(duì)流雨帶中間有一段無(wú)明顯回波的晴空區(qū)，回波呈現(xiàn)了一個(gè)“6”字型，而這兩處回波較強(qiáng)的區(qū)域都是熱帶氣旋的內(nèi)外側(cè)環(huán)流螺旋雨帶上岸由于陸面摩擦和地形引起的對(duì)流；在圖6c 臺(tái)風(fēng)移入海上并再次北上時(shí)，熱帶氣旋的內(nèi)層螺旋雨帶上岸，在茂名、陽(yáng)江沿海引起對(duì)流活動(dòng)較大區(qū)，同時(shí)，在臺(tái)風(fēng)中心的南側(cè)的海面也有對(duì)流活動(dòng)旺盛區(qū)，且貌似對(duì)流活動(dòng)比熱帶氣旋前進(jìn)方向的東南側(cè)，螺旋雨帶上岸所激起的對(duì)流活動(dòng)更頻繁，這種情況前人也有所研究，強(qiáng)降水在盛行向岸風(fēng)的陸地上以及離岸風(fēng)的海洋上會(huì)加強(qiáng)[33]，加上南側(cè)越赤道氣流和西南季風(fēng)的水汽輸送，使得南側(cè)眼墻的對(duì)流發(fā)展旺盛。

圖6 熱帶氣旋“艾云尼”不同時(shí)間段回波強(qiáng)度大于40 dBZ對(duì)流累計(jì)頻次

前人研究熱帶氣旋的眼墻結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于氣旋的北側(cè)受到副高的下沉氣流抑制對(duì)流不明顯，眼墻的對(duì)流發(fā)展極不對(duì)稱，在眼墻形成的初期，南側(cè)對(duì)流發(fā)展旺盛，外圍環(huán)流不斷卷入眼區(qū)發(fā)展[33-34]。而在熱帶氣旋的移動(dòng)過(guò)程中，熱帶氣旋的眼墻對(duì)流也出現(xiàn)了偏移的現(xiàn)象。隨著氣旋逐漸北上，西南側(cè)水汽輸送被切斷，熱帶氣旋南側(cè)的環(huán)流的對(duì)流活動(dòng)逐漸消散，北側(cè)環(huán)流的對(duì)流活動(dòng)開(kāi)始發(fā)展，隨著臺(tái)風(fēng)氣旋逐漸向陸地移動(dòng)，北側(cè)的環(huán)流逐漸吹向陸地，在地形抬升和地面摩擦等作用下，北側(cè)的環(huán)流進(jìn)一步發(fā)展，南側(cè)的對(duì)流逐漸減弱。可看到在“艾云尼”第三次在廣東西部沿海登陸前的3 h，對(duì)流活躍區(qū)域主要在西南沿海，臺(tái)風(fēng)環(huán)流上岸的區(qū)域。而在此之前，對(duì)流活躍區(qū)主要在臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)海面上。

分別對(duì)三個(gè)時(shí)間段沿圖3上黑色實(shí)線做剖面，并算出各偏振量在6日08—15 時(shí)、6日15 時(shí)—7日 00 時(shí)、7日 00—18 時(shí)的平均，看到 6日 00—15時(shí)，熱帶氣旋南移的過(guò)程中，南側(cè)靠近海南島陸地時(shí)，ZH回波加大，且回波高度較高，而遠(yuǎn)離海岸，回波逐漸減小，對(duì)應(yīng)的KDP也是在陸地相對(duì)較大，但是ZDR的大值區(qū)卻是在20.2～20.5 °N 的海上，也就是熱帶氣旋移動(dòng)方向的右方，說(shuō)明海上的降水回波雖然粒子密度不是很大，但是粒子半徑較大，這種偏振量的位相差表明眼墻的降水由不同的微物理過(guò)程主導(dǎo)。上升氣流使得水汽凝結(jié)，通過(guò)碰并增長(zhǎng)使得粒子尺寸增大，因此，ZDR在右側(cè)海上始終大于右前側(cè)，表明粒子是在該區(qū)域開(kāi)始激發(fā)增長(zhǎng)。在圖8b、8e、8h北側(cè)熱帶氣旋外層螺旋雨帶登陸時(shí)，在氣旋東移時(shí)，外層螺旋雨帶登陸同樣在沿岸陸地的ZH值和KDP值較大，但ZDR值在此處增大并不明顯，說(shuō)明在熱帶氣旋氣旋環(huán)流陸地上的降水主要以高密度的小雨滴為主。ZDR的大值區(qū)是在后側(cè)海上的中層6 km 左右的高度，說(shuō)明雨帶中融化層特征明顯，由于粒子的Sorting效應(yīng)，大粒子首先落下，造成此處的ZDR值較大。在熱帶氣旋北上過(guò)程中，內(nèi)層螺旋雨帶長(zhǎng)時(shí)間在海岸線前的海面維持，所以對(duì)流活動(dòng)的大值區(qū)主要在靠近陽(yáng)江的海面上，此處ZDR值和ZH值均較大，KDP的值也相對(duì)偏大。所以熱帶氣旋環(huán)流雨帶在海面上激起的降水主要是雨滴直徑較大的降水，但是降水粒子濃度卻沒(méi)有陸地上的大。

圖7 熱帶氣旋“艾云尼”不同時(shí)間段回波強(qiáng)度大于40 dBZ對(duì)流累計(jì)頻次

圖8 熱帶氣旋“艾云尼”的不同時(shí)間段沿圖3黑色實(shí)線的雙偏振量剖面平均

3.2.2 熱帶氣旋“百里嘉”、“韋帕”、“海高斯”

為了研究其他南海弱臺(tái)風(fēng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)是否具有相同特性，我們同樣對(duì)2018年第23 號(hào)熱帶氣旋“百里嘉”，2019年第7 號(hào)熱帶氣旋“韋帕”和2020年第7 號(hào)熱帶氣旋“海高斯”通過(guò)雙偏振多普勒雷達(dá)進(jìn)行分析。

圖9顯示3個(gè)南海弱臺(tái)風(fēng)在登陸前的2～3 h的雷達(dá)回波，熱帶氣旋“百里嘉”和“海高斯”因?yàn)閺?qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，達(dá)到了強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)別以上，在登陸前的雷達(dá)回波圖上可清晰看出臺(tái)風(fēng)的環(huán)流結(jié)構(gòu)，主要的對(duì)流回波帶分為兩條，一條是臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)眼墻的回波帶，另一條是在臺(tái)風(fēng)中心東北側(cè)臺(tái)風(fēng)內(nèi)層螺旋雨帶接觸陸地時(shí)在沿海激起對(duì)流回波。而“韋帕”因?yàn)閺?qiáng)度較弱，只是熱帶風(fēng)暴級(jí)別，所以在登陸前回波范圍較大但是整體回波強(qiáng)度不強(qiáng)，氣旋結(jié)構(gòu)相對(duì)較散。

圖9 熱帶氣旋“百里嘉”、“韋帕”和“海高斯”的登陸前的雷達(dá)反射率

對(duì)3個(gè)南海弱臺(tái)風(fēng)登陸前的一段時(shí)間，回波強(qiáng)度大于40 dBZ 的點(diǎn)進(jìn)行合成分析，可看到3個(gè)熱帶氣旋在臺(tái)風(fēng)中心的東北側(cè)，內(nèi)層螺旋雨帶上岸時(shí)均有較頻繁的對(duì)流活動(dòng)發(fā)展，而且對(duì)流活躍區(qū)域主要在熱帶氣旋移動(dòng)方向的右側(cè)或右前側(cè)靠近海岸的區(qū)域；而且“百里嘉”和“海高斯”均在臺(tái)風(fēng)中心的南側(cè)海面上有較強(qiáng)的對(duì)流活動(dòng)，這也和“艾云尼”北上登陸時(shí)的對(duì)流活躍區(qū)分布類似(圖10)。

圖10 熱帶氣旋“百里嘉”、“韋帕”和“海高斯”的登陸前一段時(shí)間段回波強(qiáng)度大于40 dBZ頻次

沿圖9上過(guò)臺(tái)風(fēng)中心的黑色實(shí)線作垂直剖面，可看到在臺(tái)風(fēng)中心的南側(cè)和北側(cè)分別有強(qiáng)的對(duì)流活躍區(qū)，分別對(duì)應(yīng)南側(cè)眼墻的對(duì)流發(fā)展區(qū)，和熱帶氣旋東北側(cè)內(nèi)層和外層環(huán)流雨帶上岸激起的對(duì)流發(fā)展區(qū)。而且通常南側(cè)的對(duì)流發(fā)展區(qū)對(duì)流活動(dòng)更加旺盛。這也與前人研究的熱帶氣旋眼墻的發(fā)展結(jié)論類似。我們主要關(guān)注臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)熱帶氣旋雨帶登陸的區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)發(fā)展的情況。可看到在海岸線附近的海面和陸地出現(xiàn)回波大值區(qū)，而且“百里嘉”和“海高斯”均出現(xiàn)了兩個(gè)反射率的大值區(qū)，且兩個(gè)回波大值區(qū)之間有明顯的弱回波區(qū)，這種北側(cè)的大值區(qū)分別是氣旋在西行過(guò)程中，內(nèi)層眼墻和外層眼墻環(huán)流在接觸陸地時(shí)，由于地面的摩擦和抬升，以及海陸的濕度條件差異激發(fā)的對(duì)流。而偏振量的大值區(qū)和回波強(qiáng)度的大值區(qū)并不是完全對(duì)應(yīng)，可看到在陸地上，ZH較大的區(qū)域KDP也相對(duì)較大，但是在海上回波強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域，KDP值增加卻并不明顯，而ZDR大值區(qū)主要在ZH大值區(qū)的后側(cè)，靠近海面的4～6 km 的空中，這也和前邊研究“艾云尼”時(shí)得到的雨帶中融化層特征明顯的結(jié)論一致，并且粒子在海岸附近的海面由于水汽充足，粒子在此處碰并增長(zhǎng)，使得粒子直徑較大(圖 11)。

圖11 沿圖9所示垂直海岸線的紅色實(shí)線所做的反射率剖面平均(單位：dBZ，a、b、c)，差分相移率剖面平均(單位：°/km，d、e、f)，差分反射率剖面平均(單位：dB，g、h、i)

為了更清楚地觀察弱臺(tái)風(fēng)雨帶在海上和陸地上降水粒子差異，沿圖9所示垂直海岸線的紅色實(shí)線做了熱帶氣旋登陸前一段時(shí)間的垂直剖面平均，在陸地上的回波大值區(qū)，對(duì)應(yīng)的KDP值也相對(duì)較大，而陸地上對(duì)應(yīng)區(qū)域的ZDR值并不是最大，ZDR的大值區(qū)出現(xiàn)在ZH大值區(qū)的后側(cè)靠近海面6 km左右的空中，或者海面上，說(shuō)明在螺旋雨帶上岸后，由于摩擦和地形抬升激發(fā)起對(duì)流，但由于陸地的水汽供應(yīng)不足，對(duì)流發(fā)展并不高，粒子的碰并增長(zhǎng)也不充分，加上蒸發(fā)的作用，粒子的直徑并不大，只在4～6 km 的空中融化層附近粒子較大，且有明顯的后向傳播特性，說(shuō)明在陸地的降水主要是以密度較大的小雨滴為主，這也和前人觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)降水為高濃度小粒子組成[35-38]的結(jié)論一致；而在海面的強(qiáng)回波區(qū)，回波強(qiáng)度相對(duì)更強(qiáng)，對(duì)流發(fā)展的高度也較高，對(duì)應(yīng)的ZDR值較大，但是對(duì)應(yīng)區(qū)域的KDP值卻不是很大，說(shuō)明在海上由于水汽供應(yīng)充足，對(duì)流活動(dòng)發(fā)展較旺盛，粒子的碰并增長(zhǎng)更加充分，大量的小雨滴碰并增長(zhǎng)為大雨滴，并由于粒子Sorting效應(yīng)，大粒子在該區(qū)域首先落下，所以在螺旋雨帶上岸前的海面上的降水主要是雨滴直徑較大但是粒子濃度并不是很大的降水為主。

圖12 同圖11，對(duì)3個(gè)熱帶氣旋沿紅色實(shí)線所作各雙偏振量剖面平均

4 結(jié)論和討論

有些南海弱臺(tái)風(fēng)雖然強(qiáng)度并不是很強(qiáng)，但由于其移動(dòng)速度緩慢、路徑不穩(wěn)定，在華南沿海維持時(shí)間較長(zhǎng)，所以有可能對(duì)廣東沿海地區(qū)造成大范圍持續(xù)性的大暴雨，對(duì)廣東造成較嚴(yán)重的風(fēng)雨災(zāi)害。

南海弱臺(tái)風(fēng)的內(nèi)核區(qū)降水分布主要受熱帶氣旋移動(dòng)和熱帶氣旋結(jié)構(gòu)影響。

(1) 熱帶氣旋的強(qiáng)降水區(qū)主要有兩個(gè)，一個(gè)是位于海上的臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)的眼墻降水區(qū)，另外一個(gè)是在氣旋移動(dòng)方向的右前方，熱帶氣旋螺旋雨帶上岸的區(qū)域。

(2) 熱帶氣旋的眼墻結(jié)構(gòu)受臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)和發(fā)展影響。在開(kāi)始時(shí)，由于南側(cè)的水汽輸送入流，以及北側(cè)受副高影響的對(duì)流抑制，南側(cè)眼墻的對(duì)流發(fā)展旺盛；隨著臺(tái)風(fēng)逐漸北上靠近陸地，西南側(cè)的暖濕氣流能量來(lái)源被切斷[33]，東北側(cè)的眼墻環(huán)流吹向陸地，受到陸地的摩擦和地形抬升等作用，在臺(tái)風(fēng)中心東北側(cè)激起對(duì)流活動(dòng)，降水雨帶也由臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)逐漸移至東北側(cè)螺旋雨帶上岸處。

(3) 南海弱臺(tái)風(fēng)在雷達(dá)回波圖和對(duì)流頻次圖上可看到在沿岸有兩條明顯的雨帶，分別是內(nèi)層眼墻和外層螺旋雨帶環(huán)流在上岸時(shí)激起對(duì)流雨帶，內(nèi)層對(duì)流雨帶通常對(duì)流發(fā)展較強(qiáng)，且對(duì)流中心較靠近海面；而外層環(huán)流雨帶對(duì)流發(fā)展相對(duì)較弱，且主要對(duì)流中心在陸地。

(4) 眼墻中，ZH和KDP的大值區(qū)在低層同位相，ZDR大值區(qū)偏上風(fēng)方向。變量的垂直分布表明，降水粒子在移動(dòng)的右后象限開(kāi)始激發(fā)，移動(dòng)的右側(cè)至右前側(cè)為濃度較大的小粒子降水，而右側(cè)和右后側(cè)為大粒子降水。

(5) 海陸差異造成雨帶的降水粒子的差異。在陸地，由于地形的抬升和陸面摩擦，主要為高濃度降水，但由于陸地水汽和能量供應(yīng)不足，降水粒子較小；海面由于水汽和能量供應(yīng)充足，對(duì)流發(fā)展較高，粒子主要在海面碰并增長(zhǎng)，海面降水主要為大雨滴的對(duì)流降水，但降水粒子濃度不及陸地。

本文通過(guò)雙偏振雷達(dá)對(duì)南海弱臺(tái)風(fēng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的研究，發(fā)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)眼墻移動(dòng)，熱帶氣旋降水落區(qū)以及不同降水區(qū)域降水粒子的微物理差異。但是還有很多問(wèn)題沒(méi)有深入研究，比如在臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)海上的對(duì)流活躍區(qū)發(fā)展的物理機(jī)制，以及臺(tái)風(fēng)眼墻移動(dòng)的物理機(jī)制，另外還有內(nèi)外層螺旋雨帶上岸時(shí)激發(fā)降水的區(qū)域的差異，是否和風(fēng)速大小有關(guān)等問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。