阮甄欣

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州310012；2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012)

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西北太平洋臺風降雨日變化

阮甄欣1,2

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州310012；2.國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012)

摘要:利用TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)衛(wèi)星15 a降雨數(shù)據(jù)，研究了西北太平洋非臺風與臺風降雨日變化。對于非臺風降雨，其日變化信號最大值出現(xiàn)在上午06∶00，在下午15∶00時存在一較小的極大值。統(tǒng)計臺風中心500 km內(nèi)的平均降雨，發(fā)現(xiàn)其存在明顯日變化信號，最大值出現(xiàn)在03∶00~09∶00之間，降雨量與日變化均大于非臺風降雨；同時，臺風增強及快速增強均在03∶00~08∶00之間發(fā)生次數(shù)較其他時間更多。從2002年臺風“海神”的衛(wèi)星云圖上可以看出，云系內(nèi)部強對流的面積在06∶00時明顯大于18∶00時，這與降雨日變化的模態(tài)一致。

關鍵詞:臺風；降雨；日變化

0引言

熱帶降雨是全球水汽輸送的重要部分，對于非臺風情況下的對流系統(tǒng)的研究已經(jīng)較為全面，這對預報降雨無疑有巨大貢獻。在熱帶區(qū)域，尤其在夏季，臺風活動頻繁，就西太平洋而言，其帶來的降雨量占總降雨量的7%[1]，而由于臺風的活動性，其可將降雨帶至高緯度地區(qū)，這對全球降雨分布都有著重要的影響，進而影響著全球水汽平衡。目前我們已經(jīng)能較好地預報臺風路徑，但對于臺風強度的預報，效果總是差強人意，這說明目前對于臺風內(nèi)部對流的過程研究仍然不透徹。

早期海洋環(huán)境下降雨日變化主要利用島嶼上的數(shù)據(jù)進行研究，但這在一定程度上仍然受陸地的影響[2]；另外，由于紅外線無法穿過云層，故紅外衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)在海洋環(huán)境下的精確性略差。隨著TRMM的發(fā)射，其通過微波測得的熱帶降雨，解決了海洋上降雨測量的問題，熱帶海洋區(qū)域的降雨日變化開始被廣泛研究。大部分的研究成果顯示，熱帶海洋降雨日變化的極大值出現(xiàn)在清晨(03∶00~06∶00 LST ，Local Standard Time,當?shù)貥藴蕰r間)，極小值出現(xiàn)在下午[2-4]。但降雨日變化模態(tài)并不絕對，在熱帶某些區(qū)域如熱帶幅合帶(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)降雨日變化結(jié)果存在不同。NITTA和SEKINEZ[5]的結(jié)果顯示，在ITCZ區(qū)域，降雨在夏季時存在2個極值，分別為05∶00~08∶00 LST與13∶00~15∶00 LST;WEXLER[6]的結(jié)果顯示，大部分海洋內(nèi)降雨日變化極大值出現(xiàn)在早上，而ITCZ區(qū)域降雨極大值出現(xiàn)在下午。

關于臺風降雨日變化的研究并不多，從已有的研究結(jié)果看，臺風降雨日變化同海洋環(huán)境下降雨日變化情況一致。根據(jù)不同情況(如強度、發(fā)生區(qū)域等)對臺風進行進行分類，得到日變化極大值會前后偏差2 h左右，但日變化極大值的出現(xiàn)還是集中在當?shù)貢r間02∶00~08∶00。如SHU et al[1]將臺風按照臺風強度、所處生命史階段、空間位置以及季節(jié)進行分類，其結(jié)果顯示，降雨日變化最大值出現(xiàn)在02∶00~08∶00之間。WU et al[7]統(tǒng)計了全球各個洋盆中的熱帶氣旋，按照中心降雨、外圍降雨帶以及強弱氣旋，分別統(tǒng)計降雨日變化，結(jié)果顯示北大西洋強熱帶氣旋不存在明顯日變化信號；北印度洋由于強臺風樣本數(shù)據(jù)較少，日變化信號同樣不顯著；其余洋盆情況下，熱帶氣旋中心降雨日變化最大值出現(xiàn)時間比外圍降雨帶早3 h左右，但都集中在03∶00~06∶00之間。

降雨的過程為潛熱釋放過程，該過程中釋放的熱量如何影響臺風強度目前仍未知。本文希望通過現(xiàn)代的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在前人研究的基礎上尋找臺風降雨日變化與臺風強度增強之間的關聯(lián)，在日變化尺度上對臺風過程變化有較為具體的刻畫，為進一步研究臺風結(jié)構(gòu)以及臺風降雨預報提供一定數(shù)據(jù)支持。

1數(shù)據(jù)

本文采用JTWC(Joint Typhoon Warning Center)提供的臺風路徑數(shù)據(jù)，包括臺風每6 h 1次的時間、經(jīng)緯度、最大風速和最低中心氣壓。

文中使用的降水資料來自美國航空航天局(NASA, National Aeronautics and Space Administration)與日本的國家太空發(fā)展署(NASDA, National Association of State Development Agency)聯(lián)合設計的測雨衛(wèi)星TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)。該衛(wèi)星主要用于測量熱帶以及亞熱帶地區(qū)的降雨和能量交換。文中使用的是3B42第六版數(shù)據(jù)，空間分辨率0.25°×0.25°，測量的緯度范圍為50°S~50°N，時間精度為3 h，數(shù)據(jù)時間序列為1998—2012年。該套數(shù)據(jù)以TRMM所攜帶的TMI(TRMM Microwave Imager)測得的降雨數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合SSM/I(the Special Sensor Microwave Imager)、AMSR(the Advanced Microwave Scanning Radiometer)和AMSU(the Advanced Microwave Sounding Unit)數(shù)據(jù)，空余網(wǎng)格點上用紅外降雨(IR)填充[8]。目前已經(jīng)有學者對TRMM數(shù)據(jù)進行了評估[9-10]，結(jié)果顯示TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)與站點、浮標觀測數(shù)據(jù)基本相同，說明該套數(shù)據(jù)的精確性較高。

文中云頂溫度是由GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)的亮度溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換求得，該套數(shù)據(jù)由NCEP(National Centers for Environmental Prediction/Climate Prediction Center)發(fā)布，集合了所有目前可用的同步衛(wèi)星，包括GOES-8/10，METEOSAT-7/5以及GMS(Geostationary Meteorological Satellite)。其測量范圍為50°S~50°N,時間精度為30 min。

2結(jié)果

2.1西北太平洋非臺風降雨日變化

統(tǒng)計1998—2012年西北太平洋臺風路徑，臺風發(fā)生通常集中在5°N~40°N之間，緯度最高可以達到50°N(圖1)?？紤]TRMM衛(wèi)星數(shù)據(jù)的緯度范圍以及臺風發(fā)生的區(qū)域，選取5°N~40°N，100°E~180°E為計算西北太平洋非臺風降雨日變化時的統(tǒng)計區(qū)域(圖1中紅色框區(qū)域)。

圖1　1998—2012年西北太平洋臺風路徑Fig.1　Typhoon tracks during the period of1998~2012 in Northwest Pacific圖中紅色框為計算非臺風狀態(tài)下海洋降雨日變化時的統(tǒng)計區(qū)域The red box is the calculation region of non-typhoon precipitationdiurnal variation

圖2統(tǒng)計了1998—2012年15 a間西北太平洋每月的臺風發(fā)生次數(shù)，據(jù)此選取1 a中臺風發(fā)生次數(shù)較多的8個月作為臺風高發(fā)季節(jié)，故在西北太平洋，選擇每年的5—12月為臺風高發(fā)季節(jié)。

圖2　1998—2012年西北太平洋臺風在每個月發(fā)生次數(shù)的統(tǒng)計Fig.2　The statistic numbers of typhoon occurring in eachmonth in Northwest Pacific during 1998~2012

計算西北太平洋非臺風降雨日變化，具體方法為，在臺風高發(fā)季節(jié)，除去臺風中心500 km內(nèi)的降雨后，求剩下區(qū)域內(nèi)降雨的平均值，按照時區(qū)轉(zhuǎn)換成當?shù)貢r間后，得到降雨在一日之內(nèi)的變化(圖3)。

從圖3可以看出，非臺風情況下臺風降雨存在明顯的日變化，最大值出現(xiàn)在上午06∶00左右，最小值出現(xiàn)在下午21∶00左右。除此之外，在下午15∶00時存在一個較小的極大值，猜測該值會出現(xiàn)的原因可能是，下午時海表面溫度達到最大，較高的海表面溫度會向海洋上層大氣輸送熱量，從而增強海表面上方云團的上升作用，增強云團內(nèi)部的對流活動。更多更強的上升氣流勢必會導致更多的水汽凝結(jié)，最終導致更多的降水。

圖3　西北太平洋中非臺風狀態(tài)下降雨日變化(數(shù)據(jù)源自TRMM統(tǒng)計結(jié)果)Fig.3　Non-typhoon precipitation diurnal variation in NorthwestPacific(The data are from TRMM statistical result)

2.2西北太平洋臺風降雨日變化

本文總共統(tǒng)計臺風419個，所有時間點上樣本總數(shù)為11 528個，其中一級強度以下的樣本總數(shù)最多為8 115個，占總樣本數(shù)的70.39%；一級和二級強度臺風樣本數(shù)為2 120個；三級和四級強度臺風樣本數(shù)為1 148個；五級強度臺風樣本個數(shù)較少，僅145個，占總樣本數(shù)的1.26%左右。

定義臺風中心500 km內(nèi)的平均降雨為臺風降雨[11-12]，統(tǒng)計西北太平洋1998—2012年間臺風降雨日變化(圖4)。結(jié)果顯示，西北太平洋臺風降雨同樣存在日變化信號，最大值出現(xiàn)在03∶00～09∶00之間，平均降雨為1.29 mm/h，日變化大小為0.10 mm/h。與非臺風降雨日變化相比，臺風降雨的平均值以及日變化明顯大于非臺風情況，解釋這一現(xiàn)象可能的原因是，GRAY 和 JACOBSON[2]在研究普通海洋環(huán)境下降雨日變化時指出的，越有組織性的系統(tǒng)其日變化越大。另外，臺風降雨日變化在下午時并沒有出現(xiàn)一個較小的極大值，這可能是由于臺風云系與一般海洋上的對流云系相比，其日變化更受其內(nèi)部系統(tǒng)的對流情況所控制。

圖4　西北太平洋臺風中心500 km內(nèi)降雨日變化(數(shù)據(jù)源自TRMM統(tǒng)計結(jié)果)Fig.4　The diurnal variation of precipitation within 500 km oftyphoon center in Northwest Pacific(The data are fromTRMM statistical result)

降雨過程釋放的潛熱被認為對臺風增強有著重要作用，YAROSHEVICH 和 INGEL[13]分析臺風強度變化結(jié)果顯示臺風在02∶00~08∶00之間增強最多，臺風最大風速平均可達到7 節(jié)。用臺風最大風速來表示臺風強度，統(tǒng)計一日之內(nèi)各時間段上臺風增強發(fā)生的次數(shù)(圖5)，圖中藍色柱形為該時間段內(nèi)臺風強度增強的個數(shù)，紅色柱形為臺風快速增強的個數(shù)(即該時間段內(nèi)臺風最大風速增強超過10 節(jié))。由圖5可知，在清晨03∶00~08∶00，即臺風降雨達到最大值時，無論是臺風增強，還是臺風快速增強個數(shù)均較大。這說明，盡管影響臺風強度的因素有很多，但在日變化尺度上，由于降雨的增強而釋放出更多的潛熱有助于臺風強度的增強。

圖5　一日內(nèi)各時間段臺風強度增強的總數(shù)以及臺風快速增強的個數(shù)Fig.5　The numbers of typhoon intensification and the numbers oftyphoon rapid intensification during each period in one day

3降雨日變化機制的討論

目前陸地上降雨日變化機制基本已達成共識，普遍認為在白天，下墊面陸地溫度較高從而增加對流系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，在中午至午后，陸地地表溫度達到最大，此時云體底部溫度達到一日中的最大，云體頂部與底部的溫差達到最大，故對流最強。海洋環(huán)境下降雨的日變化機制尚未達成統(tǒng)一的觀點，目前主要的觀點有：(1)熱力不穩(wěn)定引起的降雨日變化。KRAUS[14]對9個站點數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)非對流降雨發(fā)生次數(shù)比對流降雨多，但無論哪種降雨均為晚上出現(xiàn)的次數(shù)多于白天出現(xiàn)次數(shù)(9組數(shù)據(jù)中8組顯示)。作者對此的解釋是，對于云層高度較高，云頂溫度較低的云來講，吸收的太陽輻射更多地被用來加熱云的溫度(云頂溫度本來就較高的云吸收的太陽輻射更多地被用來蒸發(fā)云體內(nèi)的水蒸氣從而耗散太陽輻射能量)，在夜間則要下降相對應的溫度，這可能會加強云體內(nèi)部在夜間的對流活動，從而導致更強的降雨發(fā)生。(2)對流系統(tǒng)內(nèi)部與對流系統(tǒng)周圍大氣對輻射加熱冷卻響應不同導致日變化。GRAY 和 JACOBSON[2]發(fā)現(xiàn)，在熱帶對流系統(tǒng)外圍的背景場區(qū)，夜晚的凈輻射比白天小，故在夜晚時，擾動系統(tǒng)外圍的空氣下沉增溫過程更明顯且更徹底，從而導致底層的水汽聚集在夜間更強，產(chǎn)生更多的降雨。(3)與海洋上方云團的產(chǎn)生消亡有關。CHEN 和 HOUZE[15]選取了太平洋暖池作為研究區(qū)域，使用紅外衛(wèi)星的資料對該地區(qū)的降雨日變化機制進行了研究。作者認為，在赤道上，大尺度的空氣動力以及輻射過程對深對流系統(tǒng)有著重要影響。就當時觀測顯示，云團的生命周長、發(fā)生時間以及最后發(fā)展可達到的對流程度均與季節(jié)內(nèi)尺度振蕩活動的強度有關。在季節(jié)內(nèi)尺度振蕩(intra-seasonal oscillation,ISO)活動較為抑制的情況下，云團系統(tǒng)整個生命過程通常小于3 h；而在季節(jié)內(nèi)尺度振蕩活動較為活躍時期，云團的生命周期則要長(但一般也不超過1 d)。2種情況下，云團系統(tǒng)均形成于SST最為溫暖的下午，若ISO處于抑制情況下，這些云團會在經(jīng)歷短暫的發(fā)展之后仍在午后消亡，這使得下午時云層覆蓋率達到最大。而在ISO活躍期間，云團通常是較大的深對流云團(水平分布最大時可達到300 km以上)，它們在下午形成后會在夜間到日出前發(fā)展到最大，在日出后開始消亡。NESBITT 和 ZIPSER[4]對云團個數(shù)以及每個云團中對流云、平流云所占面積的日變化進行分析，發(fā)現(xiàn)在陸地上，降雨最大值出現(xiàn)在當?shù)貢r間的下午，同時在該時刻中尺度對流系統(tǒng)的個數(shù)最多，且對流面積達到最大；但在海洋環(huán)境下，降雨日變化最大值出現(xiàn)在當?shù)貢r間05∶00點左右，同時中尺度對流系統(tǒng)個數(shù)最多，但對流面積并不存在日變化，故作者認為，海洋環(huán)境下降雨存在日變化的原因主要是在早上時海洋上空出現(xiàn)更多的對流系統(tǒng)，而并非是對流強度和對流面積而導致降雨增強。

圖6　2002年臺風“海神”當?shù)貢r間11月23日06∶00時(a)和18∶00時(b)臺風云頂溫度圖(由GOES亮溫轉(zhuǎn)換得到云頂溫度數(shù)據(jù))Fig.6　The cloud top temperature of typhoon ‘HaiShen’ at local time 06∶00(a) and 18∶00(b) on Novermber23, 2002 (deducing from GOES brightness temperature)

降雨的大小主要由臺風云系的對流程度決定。圖6為2002年臺風“海神”在當?shù)貢r間11月23日上午06∶00(圖6a)與18∶00(圖6b)的衛(wèi)星云圖。從衛(wèi)星云圖上可以看出，臺風的強對流面積在清晨06∶00時明顯大于下午18∶00時，這說明臺風云系的對流程度受太陽短波輻射的影響。日出后白天吸收太陽短波輻射，云系內(nèi)部對流程度持續(xù)減弱，在日落前后其對流強度減至最弱；而日落后，短波輻射的消失有助于對流強度增強，在日出前后云系對流程度達到最強。然而，臺風是否只有強對流云系存在日變化，是否只有強對流云系產(chǎn)生的降雨存在日變化，以及降雨在滿足何種條件下臺風會發(fā)生快速增強等問題都需要進一步的數(shù)據(jù)以及模式分析。

4結(jié)論

(1)西北太平洋非臺風降雨存在日變化，最大值出現(xiàn)在上午06∶00左右，平均降雨為0.27 mm/h，日變化大小為0.03 mm/h。西北太平洋臺風降雨同樣存在明顯日變化，最大值出現(xiàn)在03∶00~09∶00之間，平均降雨為1.29 mm/h，日變化大小為0.10 mm/h。

(2)以臺風最大風速表示臺風強度，最大風速在6 h內(nèi)增加表示臺風增強，增加超過10 節(jié)表示快速增強。結(jié)果顯示在03∶00~08∶00期間，臺風強度增強以及快速增強個數(shù)達到最多。

(3)以2002年臺風“海神”為例，發(fā)現(xiàn)臺風云系強對流面積在上午06∶00時較大，在下午18∶00時較小，這與降雨日變化的模態(tài)一致。

綜上所述，在西北太平洋03∶00~09∶00期間，臺風降雨日變化達到最大值，降雨過程中釋放的潛熱會促進臺風進一步增強，故在該時間段內(nèi)臺風強度增強最大，臺風增強發(fā)生次數(shù)最多。這對進一步認識臺風結(jié)構(gòu)，提高臺風預報能力提供了很好的數(shù)據(jù)支持。

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Diurnal variation of typhoon precipitation

in Northwest Pacific

RUAN Zhen-xin1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China；

2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

Abstract:Using 15 year’s TRMM-measured precipitation data, the diurnal variations of non-typhoon and typhoon precipitation in Northwest Pacific were studied. The diurnal signal of non-typhoon precipitation reaches its maximum at 06∶00, with a smaller maximum occurring around 15∶00. The typhoon precipitation within 500 km radius from the typhoon center shows a clear diurnal signal, and reaches its maximum around 03∶00~09∶00, and both of its mean and diurnal variation are larger than those of non-typhoon precipitation. Meanwhile, both the numbers of typhoon intensification and rapid intensification during 03∶00~08∶00 are bigger than other periods. From the satellite images of typhoon ‘HaiShen’, the area of extreme convection cloud is much larger in 06∶00 than in 18∶00, which is consistent with the diurnal variation pattern of precipitation.

Key words:typhoon; precipitation; diurnal variation

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.004

中圖分類號:P732

文獻標識碼:A

文章編號:1001-909X(2015)04-0037-06