王睿，黃燕燕，伍志方，林青，周浪，陳超，吳林

(1. 廣東省氣象臺(南海海洋氣象預(yù)報中心)，廣東 廣州 510641；2. 中國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)報重點實驗室，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

臺風(fēng)是影響我國的主要氣象災(zāi)害之一，華南沿海是受臺風(fēng)影響最頻繁的區(qū)域。熱帶氣旋對我國南部沿海地區(qū)的夏季降水有重要影響[1-2]，每年熱帶氣旋帶來的災(zāi)害天氣，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟、人民生命和財產(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風(fēng)。近年來臺風(fēng)路徑數(shù)值預(yù)報水平已有很大改進[3-5]，但每年仍有一些南海臺風(fēng)，預(yù)報路徑誤差很大。這些臺風(fēng)相對較弱，路徑不穩(wěn)定，移動速度也相對較慢，但是對華南沿海造成的降雨卻很強，據(jù)前人的研究，臺風(fēng)較弱時(臺風(fēng)和臺風(fēng)級以下)大暴雨發(fā)生的概率要比臺風(fēng)強度較強時(大于等于臺風(fēng)級)高許多[6]。我們將這些進入南海區(qū)域，中心風(fēng)速達到17.2 m/s、不高于36.9 m/s 的熱帶氣旋(即包括熱帶風(fēng)暴、強熱帶風(fēng)暴和風(fēng)速小于等于12 級的臺風(fēng))定義為“南海弱臺風(fēng)”[7]。

雖然南海弱臺風(fēng)強度不大，中心風(fēng)力也沒有達到強臺風(fēng)的級別，但是由于弱臺風(fēng)的路徑相對不穩(wěn)定，移動速度較慢，其登陸前后臺風(fēng)雨帶對華南沿海地區(qū)的影響時間更長，風(fēng)雨的持續(xù)時間也較長，臺風(fēng)外圍環(huán)流激發(fā)的強對流天氣同樣對沿海城市造成嚴(yán)重災(zāi)害。如2018年4 號熱帶氣旋“艾云尼”和2019年的7 號熱帶氣旋“韋帕”，雖然都未達到臺風(fēng)級別，但由于移動緩慢、結(jié)構(gòu)不對稱、路徑復(fù)雜、生命史長，造成廣東沿海地區(qū)暴雨范圍廣，持續(xù)時間較長，累計雨量較大，給廣東沿海地區(qū)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

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

國內(nèi)對南海臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的研究較早，主要是采用天氣學(xué)和統(tǒng)計方法進行總結(jié)，臺風(fēng)預(yù)報的方法、結(jié)構(gòu)特征[16-17]，或基于觀測和分析資料對南海臺風(fēng)個例的結(jié)構(gòu)特征進行分析[18-19]，主要基于大尺度分析資料，利用的觀測多是探空等常規(guī)資料，所反映的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特點較“粗糙”。而且更多的是針對一些有顯著特點的強臺風(fēng)或超強臺風(fēng)。而對于弱臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和微物理過程的研究還相對較少，其內(nèi)部微物理過程和臺風(fēng)結(jié)構(gòu)對降水落區(qū)和風(fēng)雨的影響也了解較少。

通過前人的研究，弱臺風(fēng)帶來的大暴雨的概率要明顯大于強臺風(fēng)帶來的大暴雨概率[6]。因此研究南海弱臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)特點和降水微物理特征對分析和預(yù)報廣東和華南沿海的臺風(fēng)降水有重要意義。

隨著雷達、衛(wèi)星等遙感探測技術(shù)的發(fā)展，對臺風(fēng)的觀測手段更豐富，雷達、衛(wèi)星資料也更多地被應(yīng)用到臺風(fēng)研究領(lǐng)域。Simpson 等[20]通過雷達觀測發(fā)現(xiàn)臺風(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流系統(tǒng)。伴隨多普勒雷達的發(fā)展，天氣雷達探測強對流天氣的能力有了很大提高[23]。劉黎平等[24]分析指出，新的雷達遙感技術(shù)和方法的發(fā)展，為我們對中尺度天氣過程的探測和研究提供更高時空分辨率、更多觀測參量的資料。特別是雙偏振天氣雷達的發(fā)展和應(yīng)用，雷達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，廣東沿海的雷達基本完成了雙偏振雷達的升級改造，使得廣東對登陸廣東沿海的南海臺風(fēng)的觀測能力得到大幅提升，湛江、陽江和深圳等雙偏振雷達多次觀測到南海臺風(fēng)的眼墻和螺旋雨帶區(qū)域的降水過程。

本文利用雙偏振雷達觀測研究南海弱臺風(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程。本文的研究，有利于充分發(fā)揮廣東雙偏振雷達探測的效益，獲取南海弱臺風(fēng)較細(xì)致的結(jié)構(gòu)特點，加深對南海弱臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和降水微物理特征的認(rèn)識，為提高南海弱臺風(fēng)發(fā)展演變及降水預(yù)報奠定基礎(chǔ)。

2 資料方法

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

對流累計頻次：本文參照Steiner 等[26]的降水分類算法，依據(jù)低層的雷達反射率因子數(shù)據(jù)將降水分為層云性降水和對流性降水兩類：(1) 由于對流性降水產(chǎn)生的回波較強的反射率因子，因此大于40 dBZ 的像素點被識別為對流性降水；(2) 按Steiner 等[26]提出的廓線，識別出對流回波與環(huán)境背景場的回波之間的差值，如果大于峰值標(biāo)準(zhǔn)，則判斷為對流性降水，剩下的區(qū)域為層云降水。因此本文選取大于40 dBZ 的像素點作為一個對流發(fā)生點，選取一定時間段對對流發(fā)生點的合成作為對流累計頻次，來分析對流發(fā)展的活躍區(qū)域。

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

根據(jù)弱臺風(fēng)的定義，本文選取了2018—2020年的4個南海弱臺風(fēng)過程進行分析，分析中用到的雙偏振雷達資料為反射率因子強度ZH，差分反射率ZDR和比差分相移KDP三個變量。雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的方法與文獻[27]一致。

3 結(jié)果與分析

3.1 南海弱臺風(fēng)個例選取

為研究不同級別的南海弱臺風(fēng)的微物理結(jié)構(gòu)，選取了4個在廣東登陸的南海弱臺風(fēng)(圖1)進行分析，分別是2018年第4 號熱帶氣旋“艾云尼”，2018年第 23 號熱帶氣旋“百里嘉”，2019年第 7 號熱帶氣旋“韋帕”和2020年第7 號熱帶氣旋“海高斯”，其中 2018年的“艾云尼”和 2019年的“韋帕”最強是熱帶風(fēng)暴級，2018年的“百里嘉”最強是強熱帶風(fēng)暴級，2020年的“海高斯”是臺風(fēng)級登陸的。

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風(fēng)中，造成最大風(fēng)雨影響的不是以臺風(fēng)級登陸的“海高斯”和強熱帶風(fēng)暴“百里嘉”，而是只有熱帶風(fēng)暴級別的“艾云尼”和“韋帕”(圖2)。熱帶氣旋“艾云尼”在登陸前后對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 多個站點出現(xiàn)超過250 mm 的過程累計降水，最大累計降雨量超過500 mm?！鞍颇帷弊鳛閺姸葍H為熱帶風(fēng)暴級別的南海弱臺風(fēng)卻給廣東帶來如此強的風(fēng)雨影響，其累計降水甚至超過了許多臺風(fēng)和強臺風(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了暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，廣東全省有300 多個站點出現(xiàn)250 mm 以上的過程累計降水，江門市新會出現(xiàn)超過500 mm的過程累計雨量(圖2b)。

熱帶氣旋“艾云尼”和“韋帕”對廣東省造成的風(fēng)雨影響均有“暴雨范圍廣、累積雨量大、持續(xù)時間長”的特點，造成這兩個熱帶氣旋如此長時間大范圍的降水原因除了海上充足的水汽供應(yīng)外，還和兩個南海弱臺風(fēng)本身“路徑復(fù)雜、移動緩慢、結(jié)構(gòu)不對稱、維持時間長”等特點有關(guān)，兩個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)時間較長，降水的范圍也較大。

2018年的第23 號熱帶氣旋“百里嘉”和2020年第7號熱帶氣旋“海高斯”的路徑相對穩(wěn)定，移動速度也相對前兩個南海弱臺風(fēng)較快，其路徑分別是沿偏西方向和西偏北方向移動(圖1c、1d)。造成的強降水持續(xù)時間、范圍和量級都相對較小，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：12 h 內(nèi)從熱帶風(fēng)暴級別快速加強到臺風(fēng)級別，對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”的強度更強，但由于其移動速度較快，生命史非常短，所以造成的風(fēng)雨持續(xù)時間較短，累計雨量相較于強度更弱的“艾云尼”和“韋帕”也小了許多。

圖2 4個南海弱臺風(fēng)個例造成廣東降水分布

由于熱帶氣旋“艾云尼”長時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，對廣東造成的暴雨災(zāi)害影響時間最長，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”作為研究對象，分析其從不同方向登陸時降水精細(xì)結(jié)構(gòu)的特點。

3.2 基于雙偏振雷達資料的南海弱臺風(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”在北上的過程中，曾在廣東湛江和海南附近長時間打轉(zhuǎn)，并在廣東和海南附近多次登陸，在 6日 06 時 25 分(北京時間，下同)在湛江徐聞新寮鎮(zhèn)沿海地區(qū)登陸后，開始向南移動，6日08 時被正式命名為“艾云尼”，11 時移入瓊州海峽，并在14 時50 分在海口市沿海再次登陸，隨后東移出海，22 時前后移入海南島東北部海面，7日00時轉(zhuǎn)向偏北方向移動，并在7日20 時在陽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—6日 15 時向偏南方向移動；6日15 時—7日 00 時向偏東方向移動；7日 00—20 時向偏北方向移動(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)，由于臺風(fēng)“艾云尼”的強度并不是很強，只達到熱帶風(fēng)暴級別，所以整體回波強度并不強，大部分為35 dBZ 以下的綠色回波。但是依然可清晰看到臺風(fēng)的眼墻，在距臺風(fēng)中心50～70 km 處的位置出現(xiàn)近似一圈回波強度大于40 dBZ 的強回波帶，而且并沒有看到清晰的雙眼墻結(jié)構(gòu)。

圖3a 是6日08 時前后雷達回波，此時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。從此時的雷達回波可看到，由于“艾云尼”已經(jīng)登陸，臺風(fēng)中心主要在陸地，所以臺風(fēng)眼并不明顯，臺風(fēng)中心還是有弱的降水回波。熱帶氣旋的降水回波成非對稱性，反射率最強的區(qū)域主要集中在熱帶氣旋移動方向的右前方，氣旋環(huán)流吹向海南島西北側(cè)沿岸前，即熱帶氣旋移動方向的第一象限，另外在珠江口西側(cè)，江門、佛山地區(qū)也由于臺風(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 時的雷達回波，此時“艾云尼”已經(jīng)登陸海南島并逐漸東移出海，此時回波較強的區(qū)域主要有兩個，一個是臺風(fēng)中心的北側(cè)，即熱帶氣旋前進方向的左側(cè)，以及茂名沿海地區(qū)，熱帶氣旋外圍環(huán)流上岸引起的對流回波，且眼墻所在的大回波區(qū)和外圍環(huán)流上岸的對流雨帶中間有一段無明顯回波的晴空區(qū)，回波呈現(xiàn)了一個“6”字型，借鑒Kossin 等[28]利用微波和雷達資料定義的方法，將原眼墻外側(cè)準(zhǔn)圓形的環(huán)流圈與原眼墻徹底分離，這個新的環(huán)流圈中連續(xù)對流云系的弧長至少為圓周的75%，新的環(huán)流云系的對流分布可為非對稱結(jié)構(gòu)；另外，內(nèi)層眼墻外的下沉區(qū)必須是無云的晴空區(qū)。根據(jù)這個定義，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)的對流回波。

從7日00 時“艾云尼”開始北上，臺風(fēng)中心主要在海上，圖3c是7日06時的雷達回波，此時臺風(fēng)中心幾乎沒有回波，有明顯的晴空區(qū)，眼墻的環(huán)流也較清晰，其中回波強度較強的區(qū)域有兩個，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方向的第一象限；同時在臺風(fēng)中心南側(cè)，也有一塊回波較強的區(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”的雷達反射率

為了分析弱臺風(fēng)的降水的微物理結(jié)構(gòu)，我們通過雙偏振雷達，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”南移的過程中，在氣旋移動方向的右前方的ZH大值區(qū)，KDP也有明顯的大值區(qū)，同時在珠江口西側(cè)，江門、佛山地區(qū)也出現(xiàn)了KDP較大的區(qū)域，說明在此區(qū)域降水粒子的密度較大，但是在ZDR圖上，對應(yīng)區(qū)域的ZDR并沒有偏大，反而在海上的雷達回波強度比在海南島陸地的ZDR要大，說明在回波較強的區(qū)域降水粒子并不是很大，但是粒子密度較大，說明對流強度并不是很強。在臺風(fēng)轉(zhuǎn)向東移出海的過程中(圖4b)，在外層環(huán)流上岸的過程在茂名沿海地區(qū)同樣出現(xiàn)了KDP大值區(qū)，與ZH大值區(qū)相對應(yīng)，ZDR在該區(qū)域只有微弱偏大，說明粒子半徑的增大并不明顯，回波較強的區(qū)域主要是因為降水粒子的密度較大引起的。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，說明熱帶氣旋環(huán)流對流活動較旺盛。

圖4 熱帶氣旋“艾云尼”的雙偏振量

按圖3 中的3個時次、沿圖3 黑線所示的區(qū)域做垂直剖面(圖5)，在臺風(fēng)環(huán)流登陸時，海南島沿岸激起了較大回波，對流活動也發(fā)展到6 km 左右的高度，而海上的回波相對較弱，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的值相對比較平均，海上的ZDR還相對更大些，而在登陸前的4～6 km高度處，ZDR出現(xiàn)負(fù)值，說明在此處有冰晶粒子存在。到6日19 時，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)，而中間是較空的無回波區(qū)，這片無回波區(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)流登陸激起的對流回波高度在5 km 左右，回波強度也達到40 dBZ 以上，對應(yīng)區(qū)域的KDP也有較大值，但是ZDR值卻比較平均，無明顯增大。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)流登陸激起對流回波帶，回波強度達到50 dBZ 以上，對流高度也達到5～6 km。由圖5f、5i可看到，相同區(qū)域的KDP和ZDR都相對較大，說明在此處的降水粒子的大小和密度都相對較大，對流活動發(fā)展較旺盛。

圖5 熱帶氣旋“艾云尼”的不同時次沿黑色實線的雙偏振量剖面

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

同圖3 的分析類似，在圖6a 中“艾云尼”在南下的過程中，對流活動最強的區(qū)域主要集中在臺風(fēng)移動方向的右前方，氣旋環(huán)流吹向海南島西北側(cè)沿岸前，即熱帶氣旋移動方向的第一象限；在圖6b 氣旋東移的過程中，對流活動較強的區(qū)域分別是臺風(fēng)中心的西北側(cè)，即氣旋前進方向的第一和第二象限，以及茂名沿海地區(qū)。臺風(fēng)環(huán)流雨帶上岸引起的對流回波，熱帶氣旋移動對降水非對稱的貢獻是通過邊界層輻合實現(xiàn)的[29]，當(dāng)熱帶氣旋移動時，熱帶氣旋本體的移動速度疊加在氣旋環(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，從而在右側(cè)環(huán)流上岸時產(chǎn)生更強的輻合上升運動，進而在環(huán)流下風(fēng)方向形成較強降水。在f平面上的研究也發(fā)現(xiàn)向岸流在移動右前側(cè)會產(chǎn)生切向風(fēng)的輻合[30]。

從圖6的對流累計頻次圖可看出，對流累計頻次發(fā)生最大的區(qū)域幾乎都發(fā)生在熱帶氣旋登陸點右側(cè)，氣旋環(huán)流雨帶上岸處的陸地和上岸前的海面，說明陸地對臺風(fēng)降水產(chǎn)生也有著重要作用。陸地對臺風(fēng)降水分布的影響主要有三個方面：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，從而使得移動右前象限的降水增強；第三，Chen等[32]在f平面上利用理想實驗?zāi)M發(fā)現(xiàn)，由于海陸之間的相對濕度差異，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，在海岸線前的對流活動增強。

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)流上岸的對流雨帶中間有一段無明顯回波的晴空區(qū)，回波呈現(xiàn)了一個“6”字型，而這兩處回波較強的區(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流；在圖6c 臺風(fēng)移入海上并再次北上時，熱帶氣旋的內(nèi)層螺旋雨帶上岸，在茂名、陽江沿海引起對流活動較大區(qū)，同時，在臺風(fēng)中心的南側(cè)的海面也有對流活動旺盛區(qū)，且貌似對流活動比熱帶氣旋前進方向的東南側(cè)，螺旋雨帶上岸所激起的對流活動更頻繁，這種情況前人也有所研究，強降水在盛行向岸風(fēng)的陸地上以及離岸風(fēng)的海洋上會加強[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)眼墻的對流發(fā)展旺盛。

圖6 熱帶氣旋“艾云尼”不同時間段回波強度大于40 dBZ對流累計頻次

前人研究熱帶氣旋的眼墻結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，由于氣旋的北側(cè)受到副高的下沉氣流抑制對流不明顯，眼墻的對流發(fā)展極不對稱，在眼墻形成的初期，南側(cè)對流發(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過程中，熱帶氣旋的眼墻對流也出現(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)流的對流活動逐漸消散，北側(cè)環(huán)流的對流活動開始發(fā)展，隨著臺風(fēng)氣旋逐漸向陸地移動，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)流進一步發(fā)展，南側(cè)的對流逐漸減弱?？煽吹皆凇鞍颇帷钡谌卧趶V東西部沿海登陸前的3 h，對流活躍區(qū)域主要在西南沿海，臺風(fēng)環(huán)流上岸的區(qū)域。而在此之前，對流活躍區(qū)主要在臺風(fēng)中心南側(cè)海面上。

分別對三個時間段沿圖3上黑色實線做剖面，并算出各偏振量在6日08—15 時、6日15 時—7日 00 時、7日 00—18 時的平均，看到 6日 00—15時，熱帶氣旋南移的過程中，南側(cè)靠近海南島陸地時，ZH回波加大，且回波高度較高，而遠(yuǎn)離海岸，回波逐漸減小，對應(yīng)的KDP也是在陸地相對較大，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方向的右方，說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程主導(dǎo)。上升氣流使得水汽凝結(jié)，通過碰并增長使得粒子尺寸增大，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)域開始激發(fā)增長。在圖8b、8e、8h北側(cè)熱帶氣旋外層螺旋雨帶登陸時，在氣旋東移時，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。在熱帶氣旋北上過程中，內(nèi)層螺旋雨帶長時間在海岸線前的海面維持，所以對流活動的大值區(qū)主要在靠近陽江的海面上，此處ZDR值和ZH值均較大，KDP的值也相對偏大。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有陸地上的大。

圖7 熱帶氣旋“艾云尼”不同時間段回波強度大于40 dBZ對流累計頻次

圖8 熱帶氣旋“艾云尼”的不同時間段沿圖3黑色實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風(fēng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)是否具有相同特性，我們同樣對2018年第23 號熱帶氣旋“百里嘉”，2019年第7 號熱帶氣旋“韋帕”和2020年第7 號熱帶氣旋“海高斯”通過雙偏振多普勒雷達進行分析。

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

圖9 熱帶氣旋“百里嘉”、“韋帕”和“海高斯”的登陸前的雷達反射率

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

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

沿圖9上過臺風(fēng)中心的黑色實線作垂直剖面，可看到在臺風(fēng)中心的南側(cè)和北側(cè)分別有強的對流活躍區(qū)，分別對應(yīng)南側(cè)眼墻的對流發(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流發(fā)展區(qū)。而且通常南側(cè)的對流發(fā)展區(qū)對流活動更加旺盛。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)注臺風(fēng)中心北側(cè)熱帶氣旋雨帶登陸的區(qū)域?qū)α骰顒影l(fā)展的情況?？煽吹皆诤０毒€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)了兩個反射率的大值區(qū)，且兩個回波大值區(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程中，內(nèi)層眼墻和外層眼墻環(huán)流在接觸陸地時，由于地面的摩擦和抬升，以及海陸的濕度條件差異激發(fā)的對流。而偏振量的大值區(qū)和回波強度的大值區(qū)并不是完全對應(yīng)，可看到在陸地上，ZH較大的區(qū)域KDP也相對較大，但是在海上回波強度較強的區(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，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線做了熱帶氣旋登陸前一段時間的垂直剖面平均，在陸地上的回波大值區(qū)，對應(yīng)的KDP值也相對較大，而陸地上對應(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，說明在螺旋雨帶上岸后，由于摩擦和地形抬升激發(fā)起對流，但由于陸地的水汽供應(yīng)不足，對流發(fā)展并不高，粒子的碰并增長也不充分，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，這也和前人觀測的臺風(fēng)降水為高濃度小粒子組成[35-38]的結(jié)論一致；而在海面的強回波區(qū)，回波強度相對更強，對流發(fā)展的高度也較高，對應(yīng)的ZDR值較大，但是對應(yīng)區(qū)域的KDP值卻不是很大，說明在海上由于水汽供應(yīng)充足，對流活動發(fā)展較旺盛，粒子的碰并增長更加充分，大量的小雨滴碰并增長為大雨滴，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3個熱帶氣旋沿紅色實線所作各雙偏振量剖面平均

4 結(jié)論和討論

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

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

(1) 熱帶氣旋的強降水區(qū)主要有兩個，一個是位于海上的臺風(fēng)中心南側(cè)的眼墻降水區(qū)，另外一個是在氣旋移動方向的右前方，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)受臺風(fēng)的移動和發(fā)展影響。在開始時，由于南側(cè)的水汽輸送入流，以及北側(cè)受副高影響的對流抑制，南側(cè)眼墻的對流發(fā)展旺盛；隨著臺風(fēng)逐漸北上靠近陸地，西南側(cè)的暖濕氣流能量來源被切斷[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，在臺風(fēng)中心東北側(cè)激起對流活動，降水雨帶也由臺風(fēng)中心南側(cè)逐漸移至東北側(cè)螺旋雨帶上岸處。

(3) 南海弱臺風(fēng)在雷達回波圖和對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)流在上岸時激起對流雨帶，內(nèi)層對流雨帶通常對流發(fā)展較強，且對流中心較靠近海面；而外層環(huán)流雨帶對流發(fā)展相對較弱，且主要對流中心在陸地。

(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，降水粒子在移動的右后象限開始激發(fā)，移動的右側(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，對流發(fā)展較高，粒子主要在海面碰并增長，海面降水主要為大雨滴的對流降水，但降水粒子濃度不及陸地。

本文通過雙偏振雷達對南海弱臺風(fēng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)進行了初步的研究，發(fā)現(xiàn)了臺風(fēng)眼墻移動，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。但是還有很多問題沒有深入研究，比如在臺風(fēng)中心南側(cè)海上的對流活躍區(qū)發(fā)展的物理機制，以及臺風(fēng)眼墻移動的物理機制，另外還有內(nèi)外層螺旋雨帶上岸時激發(fā)降水的區(qū)域的差異，是否和風(fēng)速大小有關(guān)等問題需要進一步研究。