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(fēng)）作為中國一個(gè)極為常見的天氣系統(tǒng)，每年都會(huì)頻繁登陸于中國各個(gè)沿海海岸，而它所具有的強(qiáng)大破壞力，對遭受它侵略的土地形成了巨大的損害。臺風(fēng)天氣對飛機(jī)飛行有很大影響，如顛簸、雷擊、冰雹、能見度低和風(fēng)向變。近些年來，超強(qiáng)臺風(fēng)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(jī)場的飛行航班造成了巨大的影響。其中，臺風(fēng)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(jī)場航班帶來的災(zāi)害，我們有必要不斷深入了解它，熟悉它的結(jié)構(gòu)，形成機(jī)制以及活動(dòng)性質(zhì)。

本文從熱帶氣旋（臺風(fēng)）的結(jié)構(gòu)入手，熱帶氣旋通常由一個(gè)眼區(qū)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(jù)它的特征和位置，螺旋雨帶又可以分成外雨帶和內(nèi)雨帶兩個(gè)部分[1]。外圍螺旋雨帶影響熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，是熱帶氣旋有別于溫帶氣旋的主要特征之一，它又與產(chǎn)生暴雨有著密不可分的關(guān)系，所以螺旋雨帶的外雨帶的形成、維持機(jī)理，以及它與臺風(fēng)強(qiáng)度和路徑等的關(guān)系都是國際上熱帶氣旋研究中受到廣泛關(guān)注的科學(xué)問題。在國內(nèi)，對于螺旋雨帶的生成和活動(dòng)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(jī)制，熟悉其構(gòu)成，以在抗臺期間更有效的觀察其行進(jìn)路線以減少暴雨對航班飛行的影響。

2 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究中使用的數(shù)值模式為中尺度數(shù)值模式WRF_ARW（V3.3），采用三層嵌套方案進(jìn)行模擬，三層網(wǎng)格的水平分辨率分別為27 km、9 km 和3 km，垂直方向?yàn)?7 層。模式初始場來自一個(gè)理想的對稱氣旋性渦旋，其初始時(shí)刻最大風(fēng)速Vm為8 m/s，最大風(fēng)速半徑rm為125 km。該系統(tǒng)切向風(fēng)風(fēng)速隨高度呈現(xiàn)遞減[2]：

式（1）中：r為距離臺風(fēng)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(shè)為29 ℃），沒有考慮大尺度環(huán)境氣流影響（即靜止大氣）。環(huán)境場初始水汽和溫度廓線均來自JORDAN（1958）。在設(shè)定的風(fēng)場情況下，通過求解非線性平衡方程可以得到質(zhì)量場和熱力學(xué)場要素。

本次試驗(yàn)分為兩組，第一組為控制試驗(yàn)（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(yàn)為無蒸發(fā)冷卻試驗(yàn)（NOEVP）：考慮蒸發(fā)，但不考慮雨水蒸發(fā)冷卻，具體方案設(shè)計(jì)見表1。用以探究蒸發(fā)冷卻對外螺旋雨帶生成和發(fā)展的影響。在本研究中，2 組試驗(yàn)均積分6 天，直至渦旋發(fā)展成為成熟的熱帶氣旋。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3 蒸發(fā)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(fā)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(jié)論，就必須做一些必要的試驗(yàn)。對蒸發(fā)冷卻起主導(dǎo)作用的冷池具有三維結(jié)構(gòu)，YAMASAKⅠ[3]曾做過對應(yīng)的試驗(yàn)，但受限于當(dāng)時(shí)的觀測資料和技術(shù)手段，只能得出二維試驗(yàn)的結(jié)論。熱帶氣旋的三維結(jié)構(gòu)難以模擬研究，因而此處進(jìn)行的是理想模式下的模擬熱帶氣旋控制試驗(yàn)，比較在有無雨水蒸發(fā)冷卻情況下的螺旋雨帶的形成及其發(fā)展變化的情況。

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

第一步，因?qū)α骺梢院芎玫乇碚魍庥陰У男纬膳c發(fā)展，選取雷達(dá)反照率的對稱分量的結(jié)果，以對流特征來表征外雨帶的生成發(fā)展的狀態(tài)。為了顯示出螺旋雨帶的位置及其演變狀態(tài)，在圖1 中的兩組試驗(yàn)均取0.5 m 高度處雷達(dá)反照率的對稱分量隨時(shí)間的變化。圖1（a）中，即CTL 試驗(yàn)，在T=36 h 時(shí)，外雨帶在距TC 中心約60 km 處的眼壁外逐漸成形。而根據(jù)圖中反照率的分布，當(dāng)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(kuò)展，在T=144 h 時(shí)，外雨帶已經(jīng)傳播到距臺風(fēng)中心200 km 附近。在模擬的120 h 內(nèi)，螺旋雨帶存在4 個(gè)活動(dòng)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(zhǔn)周期性。另一方面，在無雨水蒸發(fā)冷卻作用的NOEVP 試驗(yàn)中，眼墻外的螺旋雨帶的活動(dòng)要相對弱了許多，只能在T=36～48 h 和T=60～72 h內(nèi)有可以觀測到的外雨帶活動(dòng)反映。在T=72 h 后，雨帶維持在在距臺風(fēng)中心60 km 附近，無向外擴(kuò)展跡象。

另一方面，由圖1（a）可見，模擬的螺旋雨帶內(nèi)雨帶總是活躍在眼壁外側(cè)至60 km 半徑范圍內(nèi)，而外雨帶則主要集中出現(xiàn)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(huán)形區(qū)域?yàn)橥饴菪陰Щ顒?dòng)區(qū)。外雨帶在向外傳播過程中其對流性逐漸增強(qiáng)，零散的對流體位于其中；在繼續(xù)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(fā)冷卻作用，雨帶無法維持。

圖1 0.5 m 高度處雷達(dá)反照率的對稱分量隨時(shí)間的變化

圖2 給出了0.5 m 高度處切向風(fēng)的對稱分量隨時(shí)間的變化。圖2（a）和圖2（b）分別顯示了控制試驗(yàn)中理想狀態(tài)下的螺旋雨帶在有無雨水蒸發(fā)冷卻情況下0.5 m 高度處切向風(fēng)隨時(shí)間變化的情況。由圖2（a）中CTL 的切向風(fēng)分布可以看出，強(qiáng)風(fēng)區(qū)域（大于20 m/s）大約在T=36 h 時(shí)形成，并逐漸向外擴(kuò)展，到T=144 h 時(shí)，半徑已經(jīng)達(dá)到了240 km左右。而在NOEVP 試驗(yàn)中，強(qiáng)風(fēng)區(qū)域的形成雖然較CTL試驗(yàn)更為迅速。但強(qiáng)風(fēng)區(qū)域的半徑卻并不隨時(shí)間有明顯的變化，從開始直至最后的T=144 h 時(shí)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(yàn)中的發(fā)展中保持幾乎不變。對比圖1 與圖2 可以發(fā)現(xiàn)，在有無雨水蒸發(fā)冷卻條件下的強(qiáng)風(fēng)區(qū)域的區(qū)別與圖1 中螺旋雨帶的雷達(dá)反照率的顯示一致。

圖2 CTL 和NOEVP 試驗(yàn)的0.5 m 高度處切向風(fēng)的對稱分量隨時(shí)間的變化

上述分析表明，在考慮雨水蒸發(fā)冷卻作用的試驗(yàn)（CTL）中，外雨帶活動(dòng)明顯，TC 達(dá)到最大風(fēng)速所用時(shí)間較慢，且TC 強(qiáng)度較小，但范圍較大；在不考慮雨水蒸發(fā)冷卻范圍且TC 較小。這在圖3 中24 h（57～80 h）的累計(jì)降水量中也有所體現(xiàn)。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(yàn)中，降水量范圍較大。對比圖3（b），由于NOEVP 試驗(yàn)中缺少外雨帶活動(dòng)，24 h 降水量基本集中在內(nèi)區(qū)。這與圖1 和圖2 中沒有雨水蒸發(fā)冷卻的作用下幾乎無外雨帶生成的結(jié)論相印證。

圖3 CTL 和NOEVP 試驗(yàn)57～80 h 的24 h 累積降水量

由以上試驗(yàn)對比，已經(jīng)可以得出結(jié)論：雨水的蒸發(fā)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(fā)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(shí)，得出結(jié)論：雨水蒸發(fā)帶來的潛熱釋放和冷卻作用會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的正位渦增長，從而減小鄰近切向風(fēng)徑向梯度，增加了渦絲化時(shí)間，有利于對流的增長。FANG 和ZHANG 證實(shí)層云降雨區(qū)域的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)減小了低層的假相當(dāng)位溫，可以通過兩種方式有利于對流發(fā)展：一是使得層云附近的假相當(dāng)位溫梯度增大，從而有利于提供必要的抬升而激發(fā)對流，二是降低了低層穩(wěn)定性從而有利于對流發(fā)生。最終對流在層云區(qū)域附近變得活躍，形成外雨帶。這與前人的研究（Sawada and Ⅰwasak，2010）結(jié)果一致。

由此，再進(jìn)行CTL 試驗(yàn)和NOEVP 試驗(yàn)的假相當(dāng)位溫對比。圖4 為試驗(yàn)中T=63 h 的0.5 m 高度處冷池的水平結(jié)構(gòu)。從圖4 中可以清晰地看出，在CTL 試驗(yàn)圖4（a）中，0.5 m高度處假相當(dāng)位溫負(fù)異常遠(yuǎn)比NOEVP 圖4（b）顯著小，也就是說CTL 試驗(yàn)中具有顯著的地面冷池（假相當(dāng)位溫非對稱分量小于﹣2 K 的區(qū)域），同時(shí)，CTL 試驗(yàn)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(yàn)T=63 h 的0.5 m 高度處的冷池水平結(jié)構(gòu)（陰影：冷池，即假相當(dāng)位溫非對稱分量小于-2 K 的區(qū)域；等值線：輻散；箭頭：水平風(fēng)速的非對稱分量）

圖5 為選取的CTL 試驗(yàn)AB 截面的相當(dāng)位溫分布和垂直速度垂直分布，圖6 則是相對應(yīng)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(yīng)為明顯的下沉運(yùn)動(dòng)，證明雨水蒸發(fā)冷卻作用產(chǎn)生了下沉作用；而在下沉運(yùn)動(dòng)的外側(cè)，則對應(yīng)為明顯的上升運(yùn)動(dòng)。與冷池對應(yīng)的是圖5 的非絕熱冷卻，其外側(cè)則為明顯的上升運(yùn)動(dòng)凝結(jié)潛熱釋放帶來的非絕熱加熱。綜上，雨水蒸發(fā)冷卻作用引起了下沉作用，促進(jìn)和維持地面形成冷池，下沉氣流在地面輻散，在冷池前端（遠(yuǎn)離TC 中心）與臺風(fēng)入流匯合，產(chǎn)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(yùn)動(dòng)，圖6 中則是中間及左上角區(qū)域（非絕熱加熱率大于0），與上升運(yùn)動(dòng)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(yàn)63 h 的假相當(dāng)位溫（陰影）和垂直速度（等值線）

4 結(jié)論

本文利用中尺度數(shù)值模式WRF_ARW（V3.3）驗(yàn)證了雨水蒸發(fā)冷卻作用對外螺旋雨帶生成和發(fā)展的影響，在控制試驗(yàn)中，雷達(dá)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(fā)冷卻作用形成的地面冷池促進(jìn)了對流的產(chǎn)生和雨帶的向外傳播；而在無蒸發(fā)冷卻作用的試驗(yàn)中無明顯的外雨帶形成。其原理可歸結(jié)為：雨水下落蒸發(fā)冷卻加上下沉氣流將對流層中層冷空氣帶到邊界層，導(dǎo)致邊界層出現(xiàn)冷池；下沉氣流達(dá)到地面后向四周輻散，輻散氣流與臺風(fēng)外圍的入流相遇出現(xiàn)輻合，在冷池外側(cè)出現(xiàn)強(qiáng)迫抬升的上升氣流；上升氣流的潛熱釋放加熱進(jìn)一步促進(jìn)氣流抬升，促進(jìn)臺風(fēng)外圍對流發(fā)展，螺旋雨帶向外擴(kuò)展。

雖然得出雨水蒸發(fā)冷卻對外雨帶形成具有重大影響的結(jié)論，但在實(shí)際大氣中，熱帶氣旋所處環(huán)境更為復(fù)雜多變，會(huì)有更多的相互作用對形成機(jī)制產(chǎn)生影響，本文在此次模擬的理想狀態(tài)下都沒有考慮這些因素，只是得出了初步的理論結(jié)果，諸如貝塔效應(yīng)、環(huán)境流場等的影響將需要更多的試驗(yàn)來探究，將來隨著觀測資料的更進(jìn)一步完善，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步提升，一定能更全面地模擬真實(shí)的環(huán)境，并得出更全面的結(jié)論。本文旨在通過研究雨帶的生成變化來熟悉臺風(fēng)的生成過程，對臺風(fēng)越了解，越有助于氣象工作在臺風(fēng)災(zāi)害天氣中對航班的保護(hù)。