超强台风韦帕(0713)螺旋雨带中尺度结构双多普勒雷达研究

2010-09-11周海光

大气科学学报 2010年3期

关键词：雨带低层风场

周海光

(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081)

超强台风韦帕(0713)螺旋雨带中尺度结构双多普勒雷达研究

周海光

(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081)

超强台风“韦帕”(W ipha)是2007年登陆中国大陆最强的台风,在浙江省造成了特大暴雨。利用宁波和舟山双多普勒天气雷达同步观测资料,对“韦帕”的两条螺旋雨带进行了双雷达三维风场反演;并综合利用组网雷达拼图数据等资料,对螺旋雨带的三维精细结构进行了分析。研究表明:(1)两条螺旋雨带的三维结构有很多相似之处。螺旋雨带内部低层有多个强回波区,水平速度大值区主要分布在强回波带上;强回波带的低层有较强的上升气流,最强上升气流超过4 m/s。在螺旋雨带中存在多个辐合辐散对、上升下沉气流对,这对于螺旋雨带的维持和进一步发展具有重要作用。在沿着台风中心的垂直剖面内,螺旋雨带内部的强回波区向雨带外侧倾斜。雨带外侧2 km高度以下的低层有较强的内流,最大值为5 m/s;雨带内侧有较强的外流,2 km高度以上均受外流控制;内流和外流在雨带中部低层汇合抬升。切向速度的强中心出现在3 km高度,速度值随高度增加而逐渐减小。(2)两个时段的螺旋雨带也存在差异。前一个时段的螺旋雨带对流发展更旺盛,45 dBZ的回波高度为4.8 km,而后一个时段的螺旋雨带45 dBZ的回波高度仅3.2 km。垂直剖面内,前一个时刻螺旋雨带低层辐合更强,最强辐合值超过-15×10-4s-1,正是由于低层的强辐合和充足的水汽供应,才使得雨带内部中低层的回波发展旺盛。

台风;螺旋雨带;双多普勒天气雷达;风场反演;三维结构

Abstract:The super typhoonW ipha(0713)was the strongest typhoon that landed on China mainland in 2007,which caused heavy precipitation in Zhejiang Province.The three-dimensional wind fields of two outer spiral rainbands were retrieved from Ningbo and Zhoushan dual-Doppler radar data.The 3-D structure of the rainbandswas analyzed with the retrieved wind.The result clearly shows that the two rainbands have some sim ilarities.There are some strong reflectivity zones in the low level of the spiral rainbands,and the strong horizontal wind speed zones correspond with the strong reflectivity zones. There are some strong updrafts in the low and m iddle levels of the stronger reflectivity bands where some convergence centers are found.There are downdrafts in both outer sides of the rainbands.The convergence-divergence couple and the updraft-downdraft couple play important roles in the maintenance and development of the heavy rainfall.In the vertical-cross section along the radial direction of the

typhoon center,the reflectivity core in the spiral rainband tilts outward with height.There is a strong inflow toward the typhoon center below 2 km level on the outer side and outer edge of the rainband whose maxi mum value is 5 m/s.There is a strong outflow away from the typhoon centeron the inner side and the inside of the rainband.The outflow and the inflow at the low level cause the convergence above the center of the rainband.The maximum tangential speed exists at the low levelof the rainband.There are also some differences between the two spiral rainbands.The convergence at the low level of the first rainband is stronger than that of the second one.In the vertical cross-section,the maximum convergence ismore than -15×10-4s-1in magnitude at the low level of the first rainband.Due to the stronger convergence and the abundantwater vapour at the low level,the convection of the first spiral rainband ismore active than that of the second one.The reflectivity core of the first spiral rainband greater than 45 dBZ is 4.8 km high while the reflectivity core of the second spiral rainband is only 3.2 km.

Key words:typhoon;spiral rainband;dual-Dopplerweather radar;wind retrieval;3-D structure

0 引言

我国是受台风影响比较频繁的国家,台风经常引发暴雨。气象学家对其进行了深入研究,取得了重要进展,陈联寿等[1]、陈玉林等[2]对近些年台风研究做了全面综述。龚龑等[3]研究了热带气旋登陆后的统计特征,王蔚等[4]则根据热带气旋形成的环流背景进行统计研究。陆汉城等[5]提出了混合涡旋波的概念。台风预报的难点包括路径预报和降水预报等,管兆勇[6]利用台风移速方程讨论了影响移速的因素;马镜娴等[7]发现偶极子流对台风移向和移速突变有重要影响。李峰等[8]指出TCFM反演的云迹风在台风路径反演时,效果较好。余贞寿等[9]发现水平螺旋度对台风降水时效预报效果最好,垂直螺旋度对降水落区预报更具优势。数值模拟在台风强度变化、结构研究方面发挥着重要作用。周嘉陵和罗哲贤[10]分析了中尺度涡旋和台风涡旋相互作用及其对台风强度的影响。黄新晴等[11]的研究揭示了台风三维结构的演变特征。Yu等[12]的研究表明地形等高线与水汽输送路径正交是暴雨成因之一,地形使暴雨增幅明显。马玉芬等[13]指出地形抬升机制在台风登陆时最强。气象卫星已成为研究台风的一种重要手段,河惠卿等[14]讨论了不对称环流对台风强度变化的影响;钟敏等[15]发现台风降水云系的对流性降水与层状云降水的雨强廓线差异明显。

多普勒雷达探测资料具有很高的时空分辨率,是中尺度气象学研究的一种重要手段[16-17]。耿建军等[18]利用晴空回波谱宽研究强对流天气的前兆特征。雷达估测降水对于降水预报具有重要作用,杜秉玉和高志球[19]提出了估测精度高的综合雷达资料等多种数据的多因子估计降水算法;官莉等[20]的研究表明统计权重法估测雨强精度高。雷达资料在灾害天气结构研究方面具有重要作用,杜秉玉等[21-22]研究了梅雨锋暴雨中尺度回波的形态、结构及相伴随的中尺度天气系统,提出了梅雨锋内弱低层辐合下的中尺度回波增强区概念;朱君鉴等[23]研究了冰雹云的三维结构。雷达数据同化是雷达资料应用的重要方向,万齐林等[24]和杨艳蓉等[25]的研究均表明,同化雷达数据可以明显改善预报效果。雷达资料还是临近预报中不可或缺的数据,杜秉玉等[26]融合雷达探测数据等多种资料建立了强对流短时预报系统,提高了预报准确率。

近些年,在使用单雷达资料研究台风定位、螺旋雨带结构方面也取得了很多进展。李伟等[27]完善了基于径向速度的台风中心探测算法。魏应植等[28]利用雷达观测数据,验证了“艾利”台风风场遵循波数为1的非对称分布。闵爱莲等[29]指出外围雨带低层和中高层风场的叠加造成低层到高层风向变化。

多普勒雷达探测到的径向速度是气象目标物在雷达径向上的速度分量,通过风场反演技术可以得到三维风场。彭霞云等[30]提出了极值订正、时空订正等风场质量控制算法,提高了反演风场质量。陈列等[31]、石燕等[32]采用简单伴随模式反演风场,揭示了强降水系统的三维结构。

双多普勒雷达三维风场反演精度较高,国内在反演技术等方面进行了深入研究。Tao[33]详细分析了单雷达和双雷达风场反演误差分布。周海光和张沛源[34]将机载雷达风场反演算法应用于地基双雷达风场反演。刘舜和邱崇践[35]针对雷达资料非同时性的特点,改进反演算法,提高了反演精度。何宇翔等[36]对迭代反演算法进行了模拟研究。黄思训等[37]提出变分法和正则化方法相结合的反演算法,由于引入正则化项提高了反演精度。近些年,国内还利用双雷达资料研究暴雨等灾害性天气的风场结构。Shao等[38]、古金霞等[39]和盛日锋等[40]的研究均表明中低层切变线、辐合线对强降水的发生和维持有重要作用。周海光等对梅雨锋暴雨[41-42]、热带风暴引发的暴雨[43]、华南暴雨[44]风场反演的研究,也揭示了中低层的中γ尺度涡旋[41]、中β尺度辐合线[43-44]以及中γ尺度辐合线[44]对于暴雨的生成、维持和发展具有重要作用。王俊等[45]利用双雷达风场数据研究北方飑线的结构。

国外从20世纪80年代开始使用机载多普勒雷达研究台风眼壁、螺旋雨带的三维风场结构。Barnes等[46]首次使用机载雷达风场反演数据揭示了螺旋雨带的风场结构,发现雨带中的气流呈准二维特征,即气流变化主要发生在跨越雨带方向上。Barnes等[47]的研究还表明螺旋雨带附近的上升运动区,在低层多发生在回波梯度最大的地方,而在上层则发生在最强回波区;M arks等[48]指出台风内核区风场呈不对称分布,且不对称分布特征随高度变化。地基双雷达也成为研究台风结构的一种重要工具,Ishihara等[49]的研究揭示气流沿着螺旋雨带方向呈现明显的二维结构,最大辐合区随着高度由雨带内侧向外侧倾斜;蔡雅婷和陈台琦[50]的个例研究表明台风登陆时风场具有非轴对称分布特征。这些研究成果加深了对台风结构的认识。由于我国大陆地区多普勒雷达布设较晚,使用双雷达研究螺旋雨带结构的工作很少;最近,赵坤等[51]对螺旋雨带进行了双雷达风场反演研究。因此,开展上述研究对于深化台风三维精细结构的认识非常必要。

2007年第13号超强台风“韦帕”(0713)在华东地区造成了强降水,其螺旋雨带恰好穿越浙江省宁波和舟山双多普勒雷达观测区,这为研究螺旋雨带的三维动力结构提供了极好的机会。本文使用双多普勒雷达三维风场反演技术研究“韦帕”螺旋雨带的三维精细动力结构,以加深对螺旋雨带三维结构的认识水平,这对于提高台风暴雨临近预报也有一定的帮助。

1 数据和反演方案

使用的主要数据包括:2007年9月18日10:42—19日05:35(北京时,下同)的常规观测资料,建阳、长乐、温州、金华、宁波、舟山S波段新一代多普勒天气雷达基数据。

使用舟山和宁波双多普勒雷达时间同步体扫数据进行三维风场反演,这两部雷达的探测模式均为VCP21(V olum e Coverage Pattern)立体扫描模式,该模式每个体扫包含9层仰角,完成一个体扫需要6 m in左右。图1是舟山、宁波双多普勒雷达同步体扫探测示意图,双雷达基线长58.7km,满足双多普勒雷达最佳探测布局要求。风场反演区左下角为(121.18°E,29.08°N),正东为x轴正方向,正北为y轴正方向,垂直向上为z轴;水平和垂直分辨率分别取1km和0.5km,x方向范围为110km,y方向范围为100km;三维椭球C ressm an插值函数的水平和垂直半径分别取2.5km和1.2km。使用软件系统[52]首先对双多普勒雷达时间同步体扫数据进行质量控制,然后使用MUSCA T技术进行三维风场反演。该技术是在研究机载雷达风场反演时提出的,反演精度较高。周海光和张沛源[34]已经将其进行改进,用于地基双雷达风场反演,并将其用于梅雨锋暴雨、华南暴雨和强热带风暴引发暴雨的三维风场结构研究[41-44],较好地揭示了暴雨的精细三维动力结构。

2 台风韦帕概述

2007年第13号台风“韦帕”于9月16日08时在菲律宾东北部洋面上生成,图2给出了台风“韦帕”移动路径。“韦帕”9月17日02时加强为台风, 18时加强为强台风,18日05时加强为超强台风。19日02:30在浙江省苍南县霞关镇登陆,登陆时中心附近最大风力14级(45m/s),中心气压950hPa,为强台风。登陆之后,“韦帕”沿着西北路径移动,其强度迅速减弱,19日05时减弱为台风,07时减弱为强热带风暴,11时减弱为热带风暴,19时以后沿着东北路径移动,20日14时停编。

“韦帕”是2007年登陆中国大陆最强的台风,具有发展迅速、强度强、路径西折、风大雨强、影响范围大的特点。受“韦帕”及其减弱的低压环流和冷空气的共同影响,台湾、福建、浙江、上海、江苏、安徽、山东等地出现了暴雨到大暴雨,局部地区特大暴雨。福建和浙江东部沿海、上海等地还出现了8～11级、阵风13～15级的大风。9月17—21日,浙江东部、上海、江苏北部及山东东南部降水量达100～200mm,其中温岭315.2mm、临海322.8mm、永嘉326.8mm。“韦帕”造成了严重的洪涝灾害,1253.5万人受灾,转移281.1万人,直接经济损失79.7亿元[53]。浙江省的强降水主集中在18—19日,图3是18日08时—19日08时的降水量分布,余姚、奉化、宁海、新昌、三门、温岭、天台、温州和临海降水量分别为123、126、132、162、206、218、232、276和286mm。

图1 舟山、宁波双多普勒天气雷达扫描探测区示意图(彩色背景表示地形高度;色标表示海拔高度;+表示多普勒天气雷达站;圆A和B分别表示宁波、舟山雷达探测区)Fig.1 Topographic m ap and locations of the dual-D oppler radar at Zhoushan and N ingbo (The color shades denote the topographic altitude;units:m;+represent the D oppler radar stations;the circles A and B indicate the radar scan range in N ingbo and Zhoushan,respectively)

图2 “韦帕”(0713)台风路径(图上标注时间为北京时;彩色背景表示地形高度;色标表示海拔高度)Fig.2 The track of TC W ipha(0713)(The tim e is Beijing Ti m e;the color shades denote the topographic altitude)

3 螺旋雨带回波演变特征分析

使用建阳、长乐、温州、金华、宁波、舟山S波段新一代多普勒天气雷达基数据进行回波强度三维数字拼图[54],研究“韦帕”登陆前后螺旋雨带的演变特征,图4给出了“韦帕”登陆前后3km高度的回波强度时间演变。图4a是18日10:42的回波强度,此时“韦帕”为超强台风,台风中心位于(123.3°E、24.9°N),中心气压925hPa,中心最大风速55m/s。此时台风中心距离陆地较远,本文所使用的6部雷达还不能探测到台风全貌。在浙江省沿海地区有一条东北—西南走向的螺旋雨带,其上最强回波在45dB Z以上,在海面上强回波基本呈东西走向,而在陆地上强回波呈东北—西南分布。此后,台风向西北方向移动,螺旋雨带也向西北方向移动,逐渐进入双多普勒雷达反演区。11:21(图4b),螺旋雨带上的强回波(>40dB Z)呈带状分布,强回波带东段仍呈东西走向,强回波带的西段呈东北—西南走向;双多普勒雷达风场反演区南部回波发展旺盛,强回波呈东西向分布。螺旋雨带继续向西北方向移动,反演区内部的强回波带也逐渐向西北移动,但其形态基本保持不变;由于降水的持续,11:39螺旋雨带上的强回波带的强度开始减弱(图4c);此后,雨带逐渐远离双雷达探测区。19日02:30,“韦帕”登陆,此时为强台风,中心气压950hPa,中心最大风速45m/s。图4d是02:28的回波强度。此时,强台风即将登陆,在台风中心东北侧有两条雨带RA和RB,雨带RA主体位于陆地;RA东北侧的雨带RB发展迅速,雨带RB上的最强回波位于雨带的东南段,强度在50dBZ以上,强回波主要分布在海面上。随着强台风沿着西北路径移动,雨带RA和RB也向西北方向移动,雨带RA的西段开始减弱,雨带RB逐渐进入双多普勒雷达风场最佳反演区。05:35虽然雨带RB开始减弱,但其西段恰好位于双雷达反演区,其上强回波带(>40dB Z)呈东南—西北向分布,最强回波在50dBZ(图4e)。此后,随着台风向西北移动,雨带RA和RB在向西北移动过程中逐渐减弱并远离双雷达探测区。

4 螺旋雨带三维风场结构分析

对宁波和舟山时间同步的双多普勒雷达探测数据进行双雷达三维风场反演,研究“韦帕”登陆前后双雷达同步观测区内螺旋雨带的三维动力结构特征和维持机理。

图3 2007年9月18日08时—19日08时24h雨量(单位:mm;+表示雷达站)Fig.3 The observed rainfall from08:00BST18to08:00BST19Septem ber2007 (units:mm;+represent the radar stations)

图4 3km高度6部多普勒雷达回波强度拼图图像(a-c为2007年9月18日,d-e为2007年9月19日;彩色背景为回波强度,以下各图同;矩形A表示双多普勒雷达风场反演区;“+”表示雷达站) a.10:42;b.11:21; c.11:39;d.02:28;e.05:35Fig.4 Six radars m osaic reflectivity at z=3km at(a)10:42BST18,(b)11:21BST18,(c)11:39BST18,(d)02: 28BST19,(e)05:35BST19Septem ber2007(Color shades denote the radar reflectivity,the sam e below;rectangle A indicates the3-D retrieval dom ain;+represent the D oppler radar stations)

图5 2007年9月18日11:21回波强度、反演风场(单位:m/s)和散度场(单位:10-4s-1) a.z=1.5km的水平速度;b.z=3km的水平速度;c.z=1.5km的水平速度等值线;d.z=3km的水平速度等值线;e.z=3km的垂直速度等值线(实线代表上升运动,虚线代表下沉运动);f.z=1.5km的散度场;g.z=3km散度场(f和g中虚线代表辐合,实线代表辐散)Fig.5 Horizontalw ind fields at(a)z=1.5km,and(b)z=3km;horizontal velocity(m/s)contour at(c)z=1.5km,and(d) z=3km;(e)vertical velocity(m/s)contour at z=3km;divergence(10-4s-1)fields at(f)z=1.5km,and(g)z=3 km at11:21BST18Septem ber2007

图5 是9月18日11:21的回波强度、反演的风场和散度场,图5a中线段AB是图6垂直剖面所在的位置,两端点的坐标依次是(65.1,23.8)、(51.5,71.9)。此时“韦帕”为超强台风,中心最低气压925 hPa,中心最大风速55m/s。1.5km高度(图5a),螺旋雨带恰好位于反演区中部,台风的环流结构清晰,水平风场呈逆时针旋转。螺旋雨带上游(东部)位于海面上,回波发展旺盛,强回波带(>40dBZ)呈东南—西北向分布,与风场走向基本一致;雨带东段和中段各有一个强回波中心,回波强度在50dBZ以上。雨带中段呈东西向分布,宽度逐渐加大。螺旋雨带东段处于海面上,水平风速较大,由于陆面摩擦作用,雨带中段和西段风速逐渐减小;强回波带上强弱风速中心呈相间分布特征,速度值在强回波带上变化最大(图5c)。3km高度(图5b),回波强度略有减弱,但强回波带形态与低层的基本类似;水平风速增大,强弱风速中心仍呈现相间分布特征;雨带东段水平风速比雨带中段和西段的水平风速大(图5d)。

螺旋雨带中低层的对流运动活跃,3km高度(图5e),强回波带(>40dB Z)基本对应上升气流区,最大上升气流在5m/s左右,强上升气流区附近的回波较强;强上升气流区之间也交替分布着一些较弱的下沉气流区;在强回波带的南北两侧有多支下沉气流和弱的上升气流。雨带内部的上升气流和雨带内外两侧的下沉气流形成了多个上升下沉气流对,上升气流有利于加强螺旋雨带内部的对流活动,同时也是雨带中低层强回波形成的动力原因;气流在螺旋雨带内部低层辐合抬升,在高层辐散并在螺旋雨带内外两侧形成下沉气流,形成了有利于强回波发展的低层辐合、高层辐散的动力配置结构;上升下沉气流对也形成了明显的垂直环流结构,这种动力配置结构对于螺旋雨带的维持和进一步发展非常重要。

1.5 km高度(图5f),螺旋雨带上有多个辐合中心,最强辐合在-20×10-4s-1左右,辐合主要分布在强回波带(>40dBZ)上,强辐合中心基本与强回波中心相对应。强回波带的南北两侧也交替地分布着一些辐合、辐散区,但辐合强度比强回波带上的弱一些;此时,这些辐合区对应的回波并不强,这表明上述区域的对流单体可能处在发展阶段,后面相继时刻回波演变证实了上述判断。3km高度(图5g),散度场分布特征与1.5km高度的分布特征基本一致。螺旋雨带内部的辐合和雨带内外两侧的辐散区形成了明显的辐合辐散对,即雨带内部低层水汽辐合,水汽向上输送;在高层辐散流出,部分气流下沉,形成向外的辐散气流;这些辐合辐散对对于水汽的汇合、雨带的维持具有重要意义。

下面研究螺旋雨带气流的垂直结构,图6是沿图5a斜线AB的垂直剖面,线段AB的延长线过台风中心,即垂直剖面通过台风中心;使用相对于雨带的速度研究其动力结构,该速度场描述雨带垂直剖面内的气流结构更清晰,这种方法在研究台风螺旋雨带垂直剖面结构时经常使用[46-51]。

图6a是垂直剖面内的径向风场,此处的径向风场是相对于雨带的速度在垂直剖面内沿着台风中心径向上的投影分量,正速度表示内流(流入气流,即风向沿着螺旋雨带外侧指向台风中心),负速度表示外流(流出气流,即风向由台风中心指向螺旋雨带外侧)。在主雨带内部,回波随高度略向雨带外侧倾斜,对流发展非常活跃,40dBZ的回波高约6.4 km,强回波核(>45dB Z)高度达4.8km。2km高度以下,雨带外侧为内流(r>520km),气流由螺旋雨带外侧指向台风中心;内流在雨带外侧沿着台风中心方向逐渐增强,在r=530km处达到5m/s,而在雨带内部接近强回波处沿着台风中心方向则开始减弱,在强回波核中心区(r=520km)流入气流已经不存在。雨带内侧低层为外流,最大外流为11 m/s,高度在3km左右;雨带2km以上高度均受外流控制。以往的研究表明[46-50],台风螺旋雨带有明显的次级环流特征,即雨带低层为入流、高层是出流,次级环流对于螺旋雨带的维持和发展、对流运动的维持和发展具有重要作用。雨带外侧的内流和雨带内侧的外流在雨带中心区的低层辐合抬升,是雨带内部强回波区形成的原因之一;也正是由于这样的配置结构,使得雨带内部对流发展非常活跃,从而造成局地强降水。这与Ishihara等[49]使用双多普勒雷达揭示的台风外围螺旋雨带垂直剖面内径向速度场的结构特征基本一致。

图6b是垂直剖面内的垂直速度分布。在主雨带内部低层有一支较强的上升气流,在中高层则存在两个强上升运动中心,这两个上升气流中心分别向雨带两侧倾斜。上升气流区为强回波区,这表明低层的辐合和上升运动造成水汽的局地汇合和抬升。在上升气流区的外侧低层(雨带内部强回波区偏外一侧)有一支下沉气流,其速度值在1m/s左右,这支下沉气流是由于雨带内部上升运动所形成的补偿性下沉、雨滴蒸发冷却及螺旋雨带的次级环流共同作用形成的。

图6 2007年9月18日11:21垂直剖面内的回波强度、反演风场(单位:m/s)和散度场(单位:10-4s-1)(剖面位置沿图5a线段AB) a.径向速度(实线表示朝向台风中心,虚线表示远离台风中心);b.垂直速度(实线表示上升速度,虚线表示下沉速度);c.水平速度计算的散度;d.径向速度计算的散度分量(c和d的虚线代表辐合,实线代表辐散)Fig.6 Composite vertical cross-section(AB in Fig.5a)of(a)radial component of rainband-relative horizontal w ind (m/s),(b)vertical velocity(m/s)contour,(c)divergence(10-4s-1)calculated w ith u and v,and(d)divergence(10-4s-1)deduced from Vrat11:21BST18Septem ber2007

由图6c可知,在主雨带中低层是强辐合区,且辐合区在较高层分别向雨带两侧倾斜,而在高层为辐散区;这种辐合辐散对的空间配置结构,有利于强对流的形成和发展,使得高层的上升气流向雨带的两侧倾斜,从而形成两个强上升运动中心。综合图6a和6b可知,气流从雨带外侧低层进入雨带并逐渐减速,并与雨带内侧的外流辐合抬升,形成主雨带中低层的强回波区,强降水主要发生在螺旋雨带的强回波区(即r在504～544km之间的地面层);在高层部分气流转为外流,并随高度增加向雨带外侧倾斜,逐渐在雨带外侧形成下沉气流。

图7是19日05:35的回波强度、反演风场和散度场,此时台风中心位于(120.0°E,27.4°N),即反演区的西南,反演区位于台风的第一象限,台风中心最低气压965hPa,中心最大风速37m/s。2.5km高度(图7a),螺旋雨带呈东南—西北走向分布,与气流方向基本一致,雨带内部强回波(>40dBZ)也呈东南—西北向分布,最强回波超过50dB Z。风场逆时针旋转,基本为东南风。水平风速较图5明显增强,强回波带上的平均速度值超过30m/s,最强风速值39m/s,中心位于(42,63)处。水平风速值沿着螺旋雨带走向呈现强弱区相间分布特征,强回波带外侧的速度值比其内侧速度值略大一些。螺旋雨带内部的对流比较活跃,垂直运动强烈。2.5 km高度(图7b),强回波带内部有多个上升运动区,垂直速度最大值为5m/s左右;在雨带内部也有多支较弱的下沉气流区,上升气流和下沉气流区呈相间分布。螺旋雨带外侧下沉气流较强,但也有一些上升气流区。螺旋雨带内部的上升气流和雨带外侧的下沉气流形成了多个上升下沉气流对,有利于螺旋雨带中较强对流的维持。

图7 2007年9月19日05:35的z=2.5km回波强度、反演风场(单位:m/s)和散度场(单位:10-4s-1) a.水平速度;b.垂直速度等值线(实线代表上升运动,虚线代表下沉运动);c.散度场(虚线代表辐合,实线代表辐散)Fig.7 (a)Horizontal w ind fields,(b)vertical velocity(m/s)contour,and(c)divergence(10-4s-1)fields at z=2.5 km at05:35BST19Septem ber2007

图7c是2.5km高度的散度场,螺旋雨带上有多个辐合中心,最强辐合超过-15×10-4s-1,这些辐合区对应的回波均较强,且强辐合区基本与上升运动区相对应,这也验证了这些区域对流活跃;在辐合区之间也交替地分布着较强的辐散区。螺旋雨带的强回波带外侧基本为辐散气流区,而其内侧则呈现辐散区和辐合区相间分布的特征。雨带内部的辐合区和雨带外侧辐散区构成了多个辐合辐散对,这些辐合辐散对对于低层水汽的汇合抬升、高层的气流辐散流出以及螺旋雨带的进一步发展非常重要。

图8 2007年9月19日05:35垂直剖面内的回波强度、反演风场(单位:m/s)和散度场(单位:10-4s-1)(剖面位置沿图7a线段AB) a.径向速度(虚线表示朝向台风中心,实线表示远离台风中心);b.切向速度;c.垂直速度(实线表示上升速度,虚线表示下沉速度);d.水平速度计算的散度;e径向速度计算的散度分量(d和e的虚线代表辐合,实线代表辐散)Fig.8 Composite vertical cross-section(AB in Fig.7a)of(a)radial component(m/s)of rainband-relative horizontal w ind(m/s),(b)tangential component(m/s)of rainband-relative horizontal w ind,(c)vertical velocity contour (m/s),(d)divergence(10-4s-1)calculated w ith u and v,and(e)divergence(10-4s-1)deduced from Vrat 05:35BST19Septem ber2007

图8 是沿图7a斜线AB的垂直剖面内的回波强度、反演的风场和散度场,类似于图6,线段AB的延长线过台风中心,即垂直剖面通过台风中心;也使用相对于雨带的速度进行分析。图8a是径向风垂直剖面图,负速度表示内流(流入气流,即风向沿着螺旋雨带外侧指向台风中心),正速度表示外流(流出气流,即风向由台风中心指向螺旋雨带外侧)。在螺旋雨带中心区,40dB Z的回波高度约3.8km,强回波核(>45dBZ)高度为3.2km,且随高度略向雨带外侧倾斜;螺旋雨带在高层也向台风外侧倾斜。2km高度以下的低层,气流由螺旋雨带外侧吹向台风中心。螺旋雨带的次级环流特征明显,即螺旋雨带低层是内流,而雨带中层和高层为外流。沿着台风中心方向,内流在螺旋雨带外侧逐渐增强,在强回波核的外侧速度达到5m/s的极值;而在强回波核的内侧,内流沿着台风中心方向则逐渐减弱;在r= 278km附近流入气流已不存在。在雨带内侧(r< 285km),外流随高度增加而逐渐增强。螺旋雨带内部中低层的强回波区正是由于雨带内流和外流在该处辐合抬升而形成的。

图8b是垂直剖面内的切向风场,正速度表示风向为逆时针方向(气旋式分量)。最大切向速度区位于主雨带强回波区偏外一侧,高度3km左右。强回波区外侧风切变比其内侧风切变的强度要大。

图8c是垂直剖面内的垂直速度场,螺旋雨带内部的上升、下沉气流均很强。在螺旋雨带内侧有一支较强的上升气流,上升气流区与强回波区相对应;最强上升气流约为5.5m/s,位于强回波区5km高度附近;上升气流区在高层略向雨带外侧倾斜。在上升气流区的外侧是较强的下沉气流区,此下沉气流区位于雨带内部强回波区偏外一侧。综合图8a可知,螺旋雨带的次级环流特征明显,即气流从雨带外侧低层加速进入螺旋雨带强回波区后逐渐减速;在强回波区内部与螺旋雨带内侧的外流辐合抬升,而后在中层转为一致的外流,随高度增加向雨带外侧倾斜并在雨带外侧形成下沉。由此可见,次级环流是螺旋雨带中上升和下沉气流形成的主要原因之一。

在螺旋雨带内部垂直方向存在辐合辐散对,螺旋雨带内的强上升气流与边界层的气流辐合、高层辐散紧密相联,图8c中的强上升和下沉气流就是由次级环流、辐合辐散对共同作用形成的。

B arnes等[46-47]和Ishihara等[49]在研究台风螺旋雨带的三维结构时均发现,螺旋雨带附近的上升运动区,在中低层有时并不处在强回波核内部,而是分布在回波强度梯度最大区域附近,中低层的强辐合也有着类似的分布特征;图8中上升运动区、辐合中心与强回波的分布与上述文献揭示的基本一致。Barnes等[46-47]和Ishihara等[49]进一步指出,这种分布特征与雨带的内流和外流的分布、径向速度的垂直切变有关。综合图8a可知,上述特征同气流从雨带外侧低层进入雨带,至雨带强回波内侧边缘附近(回波强度梯度最大处)才与雨带内侧低层的外流辐合上升有关;因此回波强度梯度最大区域附近的低层形成强辐合中心区,而高层为较强的辐散区;这种辐合辐散对的垂直配置结构也有利于强对流的形成,从而使得该区域的上升运动最强。

本节对“韦帕”台风的两条螺旋雨带的三维动力结构进行了反演研究,二者有很多相似之处,也有一些差异。两条螺旋雨带的低层均有多个强回波区,这些区域的上升气流较强,辐合也较强;在沿着台风中心的垂直剖面内,两条螺旋雨带内流和外流的分布特征比较相似。差异主要表现在:前一个时段的螺旋雨带发展更旺盛,中低层的辐合更强;而且由于低层的上升运动比较强烈,中低层回波也更强。

5 结论

综合使用布网雷达三维数字拼图数据、双多普勒雷达三维风场反演数据,对“韦帕”台风登陆前后两条螺旋雨带的三维精细动力结构进行了研究,主要结论如下。

(1)两条螺旋雨带的三维结构有很多相似之处。两条螺旋雨带内部低层均有多个强回波区,水平速度大值区主要分布在强回波带上;强回波带的低层有较强的上升气流,最强上升气流超过4m/s,该区域同时也是强辐合区。在螺旋雨带中存在多个辐合辐散对、上升下沉气流对,这些动力配置结构对于螺旋雨带中对流的维持和进一步发展具有重要作用。在沿着台风中心的垂直剖面内,螺旋雨带内部的强回波区向雨带外侧倾斜。雨带外侧2km高度以下的低层有较强的内流,最大值5m/s;雨带内侧有较强的外流,2km高度以上均受外流控制;内流和外流在雨带中部低层汇合抬升,形成强回波区。

(2)两个时段的螺旋雨带也存在差异。前一个时段的螺旋雨带对流发展更旺盛,45dB Z的回波高度为4.8km,而后一个时段的螺旋雨带45dB Z的回波高度仅3.2km。垂直剖面内,前一个时刻螺旋雨带低层辐合更强,最强辐合值超过-15×10-4s-1,正是由于低层的强辐合和比较强烈的上升运动,才使得雨带内部中低层的回波发展旺盛。

(3)本文主要使用雷达反演技术研究了台风螺旋雨带的三维动力结构和维持机理;由于双多普勒雷达反演区域较小,本文得到的风场结构还不能反映台风的全貌,这也是本文的一个局限;今后需要综合数值模拟技术等对两条螺旋雨带结构的异同及其形成原因进行更深入的研究。

致谢:两位审稿专家对本文提出了宝贵修改建议,在此深表谢意!

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(责任编辑:张福颖)

Mesoscale Spiral Rainband Structure of Super Typhoon W ipha(0713)Observed by Dual-Doppler Radar

ZHOU Hai-guang
(State KeyLaboratory of SevereWeather,Chinese Academy ofMeteorological Sciences,Beijing 100081,China)

P412.25

1674-7097(2010)03-0271-14

周海光.超强台风韦帕(0713)螺旋雨带中尺度结构双多普勒雷达研究[J].大气科学学报,2010,33(3):271-284.

Zhou Hai-guang.Mesoscale spiral rainband structure of super typhoonW ipha(0713)observed by dual-Doppler radar[J].TransAtmos Sci,2010,33(3): 271-284.