李芳，李南，萬瑜

(1.濟(jì)寧市氣象局，山東 濟(jì)寧 272000； 2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830002)

引言

臺(tái)風(fēng)是產(chǎn)生暴雨的重要天氣系統(tǒng)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)常帶來極端性降水，易發(fā)生雷暴、大風(fēng)、龍卷等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-3]。由于臺(tái)風(fēng)登陸后與中緯度系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互影響，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑及強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)仍是目前預(yù)報(bào)的難點(diǎn)，也是防災(zāi)減災(zāi)迫切需要解決的問題。臺(tái)風(fēng)暴雨落區(qū)主要受臺(tái)風(fēng)內(nèi)部渦旋結(jié)構(gòu)影響，因此，對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確探測(cè)顯得尤為重要[4-6]。星載測(cè)雨雷達(dá)可以不受下墊面地表類型和太陽輻射的影響，主動(dòng)探測(cè)云和降水的三維結(jié)構(gòu)，是對(duì)地基雷達(dá)和被動(dòng)式衛(wèi)星遙感觀測(cè)的有效補(bǔ)充，更有助于了解降水內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)[7-15]。

全球降水測(cè)量計(jì)劃GPM(Global Precipitation Measurement)是繼TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)之后新一代全球衛(wèi)星降水產(chǎn)品，觀測(cè)范圍為南北緯65°之間，每3 h獲得一次全球降水分布數(shù)據(jù)資料，其所搭載的雙頻降雨雷達(dá)DPR相對(duì)于TRMM上的PR有所改進(jìn)。GPM從2014年3月開始提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品，近年來關(guān)于DPR資料的相關(guān)研究成為了降水觀測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)內(nèi)容，目前山東地區(qū)還沒有利用GPM數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析[16-21]。唐國強(qiáng)等[22]對(duì)GPM所提供的算法產(chǎn)品以及應(yīng)用前景分別進(jìn)行了介紹，利于GPM產(chǎn)品在國內(nèi)的應(yīng)用和推廣。張奡祺和傅云飛[23]選取2014年4個(gè)分別位于中國東部、西北太平洋區(qū)域、風(fēng)暴軸區(qū)域以及美國的降水個(gè)例，利用DPR的Ku、Ka波段不同探測(cè)方式反演的降水產(chǎn)品對(duì)所選個(gè)例的降水結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明Ka波段高精度探測(cè)(Ka HS)的回波頂高度最高但對(duì)強(qiáng)降水存在嚴(yán)重低估。金曉龍等[24]針對(duì)天山山區(qū)，比較三種衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)相比于TRMM和CMORPH，GPM產(chǎn)品與觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性最好。吳瓊等[25]以2015年發(fā)生在我國不同區(qū)域的4場(chǎng)降雪為例，分析了GPM雙頻測(cè)雨雷達(dá)對(duì)降雪的探測(cè)能力，發(fā)現(xiàn)Ku波段雷達(dá)由于儀器靈敏度的大幅提高，對(duì)降雪的綜合探測(cè)能力最強(qiáng)。朱梅等[26]利用GPM衛(wèi)星探測(cè)的2A-DPR和1C-GMI產(chǎn)品以及三亞市自動(dòng)氣象觀測(cè)站降雨數(shù)據(jù)對(duì)2017年19號(hào)臺(tái)風(fēng)“杜蘇芮”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出高頻對(duì)冰粒子的探測(cè)更為敏感的結(jié)論。利用GPM的星載測(cè)雨雷達(dá)DPR捕捉到的觀測(cè)資料，可為研究臺(tái)風(fēng)降水內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供豐富的數(shù)據(jù)支持，但由于衛(wèi)星過境時(shí)間不連續(xù)，衛(wèi)星捕捉到的臺(tái)風(fēng)資料仍然有限，迫切需要開展更多這方面的研究[27-29]。

2018年18 號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”由8月17日04時(shí)登陸上海浦東到20日05時(shí)在山東北部進(jìn)入渤海，在陸地維持時(shí)間長達(dá)73 h，期間經(jīng)歷了熱帶風(fēng)暴—熱帶低壓—溫帶氣旋的發(fā)展過程?！皽乇葋啞睂?duì)山東影響長達(dá)69 h(17日17時(shí)—20日14時(shí))，歷史少見，導(dǎo)致山東大部地區(qū)產(chǎn)生暴雨至大暴雨，局部特大暴雨[30]，但降水時(shí)空分布特征隨臺(tái)風(fēng)的發(fā)展變化呈現(xiàn)明顯差異。因此，本文利用GPM衛(wèi)星捕捉到的“溫比亞”臺(tái)風(fēng)影響山東期間的數(shù)據(jù)資料，從近地表降水率、雨頂高度、降水類型、降水三維結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，以期為進(jìn)一步了解臺(tái)風(fēng)降水結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究數(shù)據(jù)

文中所用GPM數(shù)據(jù)主要為其2級(jí)產(chǎn)品的2A-DPR，包含掃描時(shí)間、掃描范圍、地理信息、降水的反射率因子、回波頂高等信息[31]。“溫比亞”影響山東期間，2A-DPR產(chǎn)品共生成64個(gè)，經(jīng)過經(jīng)緯度篩選，只有兩次掃過山東，具體信息如表1所示。

表1 “溫比亞”影響山東期間衛(wèi)星過境資料(北京時(shí))

“溫比亞”移動(dòng)路徑如圖1所示：17日04時(shí)“溫比亞”以熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度自上海浦東登陸，17日17時(shí)開始影響山東，18日14時(shí)減弱為熱帶低壓，19日20時(shí)進(jìn)入山東，20日05時(shí)形成溫帶氣旋，20日07時(shí)進(jìn)入渤海。8月18日06:46—06:49衛(wèi)星捕捉到的山東境內(nèi)降水信息距臺(tái)風(fēng)中心大約450 km，主要為熱帶風(fēng)暴螺旋雨帶外圍云系產(chǎn)生的降水，降水分散且弱；8月19日20:55—20:58衛(wèi)星捕捉到的山東境內(nèi)降水信息距臺(tái)風(fēng)中心大約230 km，能看到部分螺旋雨帶，降水較強(qiáng)，本文將對(duì)這兩個(gè)時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)降水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖1 2018年第18號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”移動(dòng)路徑Fig.1 Track of Typhoon RUMBIA (2018)

文中所用2A-DPR產(chǎn)品由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)免費(fèi)提供(https://pmm.nasa.gov/GPM)；山東省國家級(jí)氣象觀測(cè)站降水?dāng)?shù)據(jù)通過全國綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)獲取，數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制。

2 天氣形勢(shì)及降水實(shí)況

由8月18日08時(shí)500 hPa高空?qǐng)D(圖2a)可以看出，中高緯西風(fēng)環(huán)流較平，海上暖性高壓的長期維持導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)登陸后移動(dòng)緩慢，此時(shí)“溫比亞”在安徽境內(nèi)，山東主要受臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶外圍云系的影響，降水較弱，由8月17日17時(shí)—8月18日08時(shí)山東降水量(圖2b)看出，魯南地區(qū)降水量大都在0～25 mm之間，半島地區(qū)基本無降水；19日20時(shí)500 hPa中低緯系統(tǒng)進(jìn)一步結(jié)合(圖2c)，臺(tái)風(fēng)環(huán)流已并入西風(fēng)帶系統(tǒng)，副熱帶高壓東撤，西風(fēng)槽東移，此時(shí)“溫比亞”已從菏澤進(jìn)入山東，山東大部地區(qū)處在槽前西南氣流中，臺(tái)風(fēng)東側(cè)再次出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流云帶發(fā)展，最強(qiáng)對(duì)流區(qū)位于東營、濰坊一帶，由8月19日08時(shí)—20日14時(shí)山東降水量(圖2d)看出，此時(shí)魯中、魯西北東部和半島地區(qū)降水量基本都超過50 mm，最大值272.9 mm出現(xiàn)在東營廣饒。

圖2 500 hPa天氣圖(黑線：等高線，單位：dagpm；紅線：等溫線，單位：℃)和降水實(shí)況(單位：mm)(a. 2018年8月18日08時(shí)500 hPa天氣圖，b. 2018年8月17日17時(shí)—18日08時(shí)山東累計(jì)降水量，c. 2018年8月19日20時(shí)500 hPa天氣圖，d. 2018年8月19日08時(shí)—20日14時(shí)山東累計(jì)降水量)Fig.2 Synoptic chart at 500 hPa (black line for contour line, units: dagpm; red line for isotherm, units: ℃) and precipitation observation (units: mm) (a. synoptic chart at 500 hPa at 08:00 BST 18, b. cumulative precipitation in Shandong from 17:00 BST 17 to 08:00 BST 18, c. synoptic chart at 500 hPa at 20:00 BST 19, d. cumulative precipitation in Shandong from 08:00 BST 19 to 14:00 BST 20 August 2018)

3 “溫比亞”衛(wèi)星資料分析

3.1 近地表降水率特征

圖3為GPM衛(wèi)星捕捉到的山東境內(nèi)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”兩個(gè)時(shí)刻的近地表降水率。8月18日06:46—06:49，GPM衛(wèi)星掃過魯中地區(qū)(圖3a)，降水率較低且分散，此時(shí)“溫比亞”外圍強(qiáng)降水云系從東側(cè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至臺(tái)風(fēng)北部，臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)云系逐漸消散，強(qiáng)降水區(qū)和強(qiáng)風(fēng)速區(qū)逐漸遠(yuǎn)離環(huán)流中心，開始出現(xiàn)“空心”結(jié)構(gòu)(圖4a)，山東處在臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶外圍云系中，此時(shí)的降水率集中在15 mm·h-1以下，部分區(qū)域?yàn)?0～25 mm·h-1，僅有個(gè)別點(diǎn)達(dá)到55 mm·h-1，這與地面較弱的降水實(shí)況吻合；8月19日20:55—20:58，GPM衛(wèi)星掃過魯西北東部和魯中(圖3b)，降水率較高，螺旋雨帶明顯，此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心已進(jìn)入山東且移速緩慢(圖4b)，螺旋雨帶顯示的近地表降水率大都在20 mm·h-1以上且存在不連續(xù)躍變現(xiàn)象，部分區(qū)域在100～150 mm·h-1，近地表降水率大值區(qū)對(duì)應(yīng)地面實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)。由此可見，此次過程臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶造成的降水遠(yuǎn)大于外圍云系產(chǎn)生的降水。

圖3 山東境內(nèi)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”的近地表降水率(填色，單位:mm·h-1；a. 2018年8月18日06:46—06:49；b. 2018年8月19日20:55—20:58)Fig.3 Near-surface precipitation rate of Typhoon RUMBIA in Shandong (colored area, units: mm·h-1; a. from 06:46 BST to 06:49 BST 18; b. from 20:55 BST to 20:58 BST 19 August 2018)

圖4 山東境內(nèi)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”紅外衛(wèi)星云圖(a. 2018年8月18日06:46—06:49；b. 2018年8月19日20:55—20:58)Fig.4 Infrared cloud imagery of Typhoon RUMBIA in Shandong (a. from 06:46 BST to 06:49 BST 18; b. from 20:55 BST to 20:58 BST 19 August 2018)

3.2 雨頂高度特征

圖5為GPM衛(wèi)星捕捉到的山東境內(nèi)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”兩個(gè)時(shí)刻的雨頂高度?？梢钥闯觯?月18日06:46—06:49(圖5a)，臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶外圍云系的雨頂高度普遍較低，基本在5～10 km；8月19日20:55—20:58(圖5b)，臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶的雨頂高度較高，基本在7 km以上，10～12 km居多，最大雨頂高度達(dá)到15 km。對(duì)比圖3可以看出，近地表降水率大的區(qū)域雨頂高度也較高。

圖5 山東境內(nèi)臺(tái)風(fēng) “溫比亞”(1818)的雨頂高度(填色，單位：km；a. 2018年8月18日06：46—06：49；b. 2018年8月19日20：55—20：58)Fig.5 Rain top height of Typhoon RUMBIA in Shandong (colored area, units: km; a. from 06:46 BST to 06:49 BST 18; b. from 20:55 BST to 20:58 BST 19 August 2018)

用地面雷達(dá)資料對(duì)GPM數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，分析8月19日的臨沂雷達(dá)資料可知：14時(shí)起魯南至魯中山區(qū)多條強(qiáng)回波帶自南向北發(fā)展，至17時(shí)回波北段到達(dá)濰坊、東營一帶，最大組合反射率因子達(dá)到58 dBZ(圖6a)；20：59，雷達(dá)測(cè)得的強(qiáng)回波區(qū)與GPM衛(wèi)星探測(cè)的雨頂高度大值區(qū)一致(圖6b)，說明GPM衛(wèi)星的2A-DPR數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)降水估測(cè)具有較好的指示意義。

圖6 2018年8月19日臨沂雷達(dá)組合反射率因子(a. 16：59， b. 20：59)Fig.6 Composite reflectivity on 19 August 2018 from Linyi CINRAD-SA radar (a. 16:59 BST, b. 20:59 BST)

3.3 降水類型分析

GPM數(shù)據(jù)中把降水類型分為三類，分別為層云、對(duì)流云和其他，對(duì)GPM探測(cè)的山東境內(nèi)觀測(cè)像素點(diǎn)的不同類型降水量及降水率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)發(fā)現(xiàn)：臺(tái)風(fēng)“溫比亞”螺旋雨帶及其外圍云系均以層云和對(duì)流云降水為主，其中螺旋雨帶中對(duì)流云降水所占比例高于外圍云系；對(duì)流云像素點(diǎn)的平均降水率是層云的3倍左右。由降水類型分布(圖7)看出，8月19日20:55—20:58山東境內(nèi)的對(duì)流云降水像素點(diǎn)個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于8月18日06：46—06：49，這也是造成8月19日山東產(chǎn)生強(qiáng)降水的原因。結(jié)合圖3和圖5可知，對(duì)流云降水對(duì)應(yīng)近地面降水率和雨頂高度的大值區(qū)。

表2 不同類型降水所占樣本比例及平均降水率

圖7 山東境內(nèi)臺(tái)風(fēng) “溫比亞”(1818)的降水類型分布(a. 2018年8月18日06：46—06：49；b. 2018年8月19日20：55—20：58)Fig.7 Distribution of precipitation types of Typhoon RUMBIA in Shandong (a. from 06:46 BST to 06:49 BST 18; b. from 20:55 BST to 20:58 BST 19 August 2018)

3.4 降水的三維結(jié)構(gòu)特征

圖8是臺(tái)風(fēng)“溫比亞”在兩個(gè)時(shí)刻的降水三維結(jié)構(gòu)輪廓圖，降水率的閾值分別取5.0、10.0和20.0 mm·h-1。可以看出，降水率閾值為5.0 mm·h-1時(shí)(圖8a和圖8b)，兩個(gè)時(shí)刻的降水柱都較為密實(shí)，臺(tái)風(fēng)外圍云系的降水柱高度低于螺旋雨帶的降水柱；降水率閾值增大到10.0 mm·h-1后(圖8c和圖8d)，臺(tái)風(fēng)外圍云系的降水柱少了許多并出現(xiàn)離散現(xiàn)象(圖8c)，螺旋雨帶的降水柱略有減少仍較為密實(shí)(圖8d)；將降水率閾值增大到20.0 mm·h-1后(圖8e和圖8f)，臺(tái)風(fēng)外圍云系的降水柱高度明顯降低并出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象(圖8e)，螺旋雨帶的降水柱數(shù)量有所減少，但是高度沒有明顯降低，這與此位置降水類型為對(duì)流云有關(guān)(圖8f)。綜上分析：臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶的降水柱與臺(tái)風(fēng)外圍云系中的降水柱相比，具有數(shù)量多、密度大、高度高的特點(diǎn)，這與臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶對(duì)流發(fā)展旺盛有關(guān)；降水柱密實(shí)的區(qū)域?qū)?yīng)地面降水率也較大，降水柱的高度也較高。

圖8 2018年8月18日06：46—06：49(a/c/e)和2018年8月19日20：55—20：58(b/d/f)山東境內(nèi)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”的三維降水率輪廓圖(a/b.降水率閾值為 5.0 mm·h-1；c/d.降水量閾值為 10.0 mm·h-1；e/f.降水量閾值為20.0 mm·h-1)Fig.8 Three-dimensional profile of precipitation rate of Typhoon RUMBIA in Shandong from 06:46 BST to 06:49 BST 18 (a/c/e) and from 20:55 BST to 20:58 BST 19 (b/d/f) August 2018 (a/b. threshold of precipitation rate is 5.0 mm·h-1; c/d. threshold of precipitation rate is 10.0 mm·h-1; e/f. threshold of precipitation rate is 20.0 mm·h-1)

4 結(jié)論

利用GPM衛(wèi)星探測(cè)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品2A-DPR、地基雷達(dá)資料和地面降水實(shí)況對(duì)2018 年第18號(hào)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”影響山東期間的降水率、雨頂高度、降水類型、降水三維結(jié)構(gòu)等特征進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1)近地表降水率大值區(qū)對(duì)應(yīng)地面強(qiáng)降水區(qū)，臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶造成的降水遠(yuǎn)大于臺(tái)風(fēng)外圍云系產(chǎn)生的降水。

2)臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶的雨頂高度大于外圍云系的雨頂高度，基本在7 km以上，其中10～12 km居多，最大雨頂高度達(dá)到15 km。8月19日20時(shí)，山東處在槽前西南氣流，對(duì)流發(fā)展旺盛，螺旋雨帶中多對(duì)流云，而對(duì)流云發(fā)展高度一般在10～15 km，與GPM衛(wèi)星探測(cè)的結(jié)果一致。

3)臺(tái)風(fēng)“溫比亞”的螺旋雨帶及其外圍云系都以層云和對(duì)流云降水為主，其中螺旋雨帶中對(duì)流云降水所占比例高于外圍云系，對(duì)流云的平均降水率是層云的3倍左右，對(duì)流云降水對(duì)應(yīng)近地面降水率和雨頂高度的大值區(qū)。

4)臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶的降水柱與外圍云系中的降水柱相比，具有數(shù)量多、密度大、高度高的特點(diǎn)。這是因?yàn)椋阂皇桥_(tái)風(fēng)外圍云系離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)，對(duì)流云和層云的數(shù)量較少；二是臺(tái)風(fēng)螺旋雨帶附近多對(duì)流發(fā)展，對(duì)流云密度大且云頂高度大于層云降水的雨頂高度(8～10 km)。