鄭 倩 毛程燕 丁麗華 廖君鈺 潘 欣 劉 佩 雷奕文 黃 億

1)(浙江省衢州市氣象局， 衢州 324000) 2)(陜西省楊凌氣象局， 楊凌 712100) 3)(浙江省常山縣氣象局， 衢州 324400)

引 言

我國是世界上受熱帶氣旋影響最多的國家之一，登陸臺風大多集中在夏秋兩季的東南沿海[1]。臺風引起的大風、暴雨和誘發(fā)的巨浪、風暴潮會給沿海居民的生產生活造成巨大損失[2]。臺風登陸前后結構特征演變及強降水分布是臺風研究和業(yè)務預報的關注點和難點。與臺風路徑預報相比，臺風發(fā)展強度的業(yè)務預報進展緩慢[3]。臺風云系和降水的分布異常復雜，其結構對臺風發(fā)展變化及臺風降水形成至關重要[4]。此外，臺風生成于溫暖洋面，但海上臺站稀缺導致海洋觀測資料有限，阻礙了對臺風內部結構的了解和臺風發(fā)展強度的分析[5]。

隨著衛(wèi)星探測技術的不斷進步，具有高時空分辨率、覆蓋范圍廣等優(yōu)點的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)已被廣泛用于臺風的云系特征、降水分布以及臺風強度的研究[6-7]。2014年GPM(Global Precipitation Measurement)衛(wèi)星成功發(fā)射，肖柳斯等[8]評估了GPM衛(wèi)星對臺風強降水事件的估測能力，并指出極端天氣下GPM衛(wèi)星反演降水能力已有所提升。劉曉陽等[9]評估了GPM/DPR的應用潛力，認為GPM/DPR探測的反射率因子整體一致性較好。近年GPM衛(wèi)星數(shù)據(jù)已用于臺風個例研究[10-11]。另外，2006年發(fā)射的CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)衛(wèi)星實現(xiàn)了在垂直方向探測臺風云系的宏觀和微觀特性。CloudSat衛(wèi)星產品在研究臺風系統(tǒng)中的云系具有重要價值[12-13]，高洋等[14]利用CloudSat衛(wèi)星產品分析了西太平洋臺風云系的垂直結構及其微物理特征。

相似預報法是臺風預報業(yè)務中最常用的方法之一。然而登陸點相近、運行路徑相似的兩個臺風引起的降水強度和分布卻可能存在明顯差異。這是由于影響登陸臺風暴雨的關鍵因子存在個體差異，導致對登陸臺風降水的落區(qū)和強度預報非常困難。因此，對路徑相似臺風云系的宏觀及微觀特征和降水分布開展對比分析，有助于提高對臺風強度的預報能力[15]。2019年登陸我國東南沿海的超級臺風利奇馬(1909)(簡稱臺風利奇馬)具有在陸上滯留時間長、風雨強度大、北上影響范圍廣、暴雨極端性顯著、災害損失嚴重等特點，影響我國中東部大部分省份，造成人員財產嚴重損失[16-17]。2018年臺風摩羯(1814)(簡稱臺風摩羯)在浙江溫嶺沿海登陸，造成受災人口達8萬人，直接經濟損失達4.6億元人民幣。臺風利奇馬和臺風摩羯登陸前路徑類似，但持續(xù)時間和降水強度明顯不同，對二者進行對比分析可為預報登陸臺風的風雨分布提供參考。本文利用FY-2H，Aqua,CALIPSO和GPM衛(wèi)星資料，對臺風利奇馬和臺風摩羯發(fā)展過程中云系在水平和垂直方向上的結構特征以及登陸前臺風三維結構特征進行對比分析，以期為登陸我國東南沿海臺風的分析和預報提供參考。

1 產品選取

本文所用產品包括2018年8月8—14日和2019年8月4—13日FY-2H衛(wèi)星的亮溫產品、Aqua衛(wèi)星的MYD06產品、CALIPSO衛(wèi)星的05kmClay和VFM(333 m)產品、GPM衛(wèi)星的3IMERGHH 06和1CGPMGMI 05及2BCMB 06產品(表1)。

表1 本文所用衛(wèi)星產品Table 1 Satellite products

2 臺風過程概況

圖1是2019年臺風利奇馬和2018年臺風摩羯間隔6 h的臺風等級和路徑。由圖1可見，臺風利奇馬和臺風摩羯的路徑相似，均在西太平洋生成，向西移動，在浙江溫嶺沿海登陸，但登陸后臺風利奇馬先向西北而后向北方移動，而臺風摩羯則向西北方向移動。2019年8月4日06:00(世界時，下同)第9號臺風利奇馬生成，8月9日17:00登陸，13日06:00停止編號；2018年8月8日06:00第14號臺風摩羯生成，8月12日15:35登陸，13日24:00停止編號。強度上，臺風利奇馬登陸時中心附近最大風力為16級(52 m·s-1，為超強臺風)，臺風摩羯登陸時中心附近最大風力為10級(28 m·s-1，為強熱帶風暴)。以上可知，雖然臺風利奇馬和臺風摩羯的移動路徑相似，但臺風利奇馬持續(xù)時間更長，無論是臺風強度，還是降水強度及影響程度，臺風利奇馬均遠超過臺風摩羯。

圖1 臺風利奇馬和臺風摩羯路徑Fig.1 Paths of Typhoon Lekima and Typhoon Yagi

圖2和圖3分別是臺風利奇馬和臺風摩羯發(fā)展過程中的亮溫圖像。由圖2可見，臺風利奇馬登陸前云系呈螺旋狀，并發(fā)展壯大，登陸前近乎圓形，2019年8月8日05：00小且圓的臺風眼區(qū)清晰可見，這是臺風強烈發(fā)展的一個重要標志。由圖3可見，臺風摩羯登陸前云系也呈螺旋狀，但臺風眼區(qū)位置不明顯。隨著進一步發(fā)展，兩個臺風云系的螺旋分布更為明顯，這與臺風中心氣壓降低導致風速增大、輻合增強有密切關系。余茁夫等[18]指出，按照第二類條件不穩(wěn)定機制，潛熱釋放，低層輻合，對流增強的正反饋發(fā)展方式使低層輻合加劇，風暴渦旋結構增強，云系表現(xiàn)為螺旋狀分布。

圖2 臺風利奇馬亮溫圖像Fig.2 TBB images of Typhoon Lekima

圖3 臺風摩羯的亮溫圖像Fig.3 TBB images of Typhoon Yagi

續(xù)圖3

利用GPM 3IMERGHH 06 30 min降水產品分析臺風利奇馬和臺風摩羯。圖4是臺風利奇馬和臺風摩羯發(fā)展過程中逐24 h累積降水量的對比。由圖4可見，兩個臺風中心附近降水量均為最大，且臺風降水空間分布均呈不對稱結構。但隨著進一步發(fā)展，臺風利奇馬和臺風摩羯在2019年8月9日和2018年8月12日的24 h最大降水量分別為2227 mm和891 mm。臺風利奇馬最強降水中心先增強再減弱，形狀則表現(xiàn)為圓型—心型—“扁豆”型—圓型—帶型。臺風摩羯的最強降水中心經歷了減弱—增強—再減弱的過程，形狀也表現(xiàn)為圓型—點型—帶型—多個帶型中心。臺風利奇馬和臺風摩羯的影響范圍均逐漸增大，在臺風發(fā)展的中后期，可以看到二者均存在多條強降水區(qū)的螺旋雨帶，但其降水量明顯小于臺風中心附近的最強降水區(qū)，這與臺風莫蘭蒂(1614)[4]一致。由此可見，相似路徑的強、弱兩個臺風，其最強降水中心發(fā)展為近乎圓形時，臺風發(fā)展較強；而最強降水中心發(fā)展為帶型時，臺風發(fā)展較弱。

圖4 臺風利奇馬和臺風摩羯發(fā)展過程降水量Fig.4 Precipitation of Typhoon Lekima and Typhoon Yagi

續(xù)圖4

3 臺風水平結構

云的結構特征和特性對降水系統(tǒng)形成和發(fā)展至關重要[19]。云頂高度是臺風云系最重要的宏觀特征之一。圖5是Aqua衛(wèi)星觀測的臺風利奇馬和臺風摩羯云頂高度。2019年8月9日04:40—04:55臺風利奇馬的云頂高度達到最大，為16.95 km，位于臺風眼附近，高值區(qū)呈明顯螺旋狀分布，螺旋結構范圍為15個經度和15個緯度范圍。同時，臺風利奇馬北側的螺旋雨帶區(qū)云頂高度低于南側。2018年8月11日05:00—05:15臺風摩羯的云頂高度達到最大，為14.25 km，螺旋結構范圍為10個經度和13個緯度范圍。臺風摩羯南側的螺旋雨帶區(qū)云頂高度低于北側。結合圖2可以看到，臺風云墻區(qū)的云頂高度和亮溫均高于外圍螺旋雨帶區(qū)，這是由于云墻區(qū)的對流活動比外圍螺旋雨帶區(qū)更旺盛。自云墻向外，臺風利奇馬和臺風摩羯的亮溫均降低。對于云頂高度，臺風利奇馬為先降低后升高，臺風摩羯的這一特征則體現(xiàn)在南側，北側不明顯，可能由臺風南北兩側對流強度不同所致。由此可見，路徑相似但強度不同的兩個臺風，當螺旋雨帶北側的云頂高度低于南側時，臺風發(fā)展較強；當螺旋雨帶南側的云頂高度低于北側時，臺風發(fā)展相對較弱。

圖5 臺風利奇馬和臺風摩羯的云頂高度Fig.5 Cloud top height of Typhoon Lekima and Typhoon Yagi

4 臺風垂直結構

4.1 云層數(shù)

臺風云系的垂直結構同臺風降水的物理過程、降水機制與效率密切相關。CALIPSO衛(wèi)星提供臺風云系內部結構的信息，對研究臺風強度變化有非常重要的意義[20]。CALIPSO衛(wèi)星軌道號70657和65354分別在2019年8月9日04:24—05:17和2018年8月11日04:39—05:31經過臺風利奇馬和臺風摩羯上空，所經區(qū)域均為臺風的螺旋雨帶區(qū)。圖6是臺風利奇馬和臺風摩羯的云層數(shù)，黑色方框為CALIPSO衛(wèi)星掃描經過的區(qū)域。由圖6可見，臺風利奇馬的螺旋雨帶主要由單層云、雙層云及三層云組成；臺風摩羯的螺旋雨帶由單層云、雙層云及大量多層云組成，且多層云的云層數(shù)多超過4層。結合圖5可知，距離臺風中心較近一端的云層數(shù)較多。此外，臺風云系中單層云均占比最高、其次為雙層云和三層云，二者區(qū)別是三層以上多層云的占比。這說明不論臺風強弱，臺風云系中單層云仍是主導。但不同強度臺風在云層數(shù)上表現(xiàn)出差異，即臺風越強，單層云占比越高，多層云占比越少。這是由于隨著臺風強度的增強，對流發(fā)展越旺盛，深對流越占據(jù)主導位置[14]。

圖6 臺風利奇馬和臺風摩羯云層數(shù)Fig.6 Cloud layer number of Typhoon Lekima and Typhoon Yagi

4.2 光學厚度

圖7分別是登陸前臺風利奇馬和臺風摩羯螺旋雨帶區(qū)的光學厚度，黑色方框為CALIPSO衛(wèi)星掃描經過的區(qū)域。由圖7可見，臺風利奇馬螺旋雨帶的光學厚度平均值為2.09，最大值為11.81，臺風摩羯螺旋雨帶的光學厚度平均值為1.60，最大值為5.66，即臺風利奇馬螺旋雨帶的光學厚度遠超臺風摩羯。結合圖1可知，該時刻臺風利奇馬為強臺風狀態(tài)，臺風摩羯為熱帶風暴狀態(tài)。這進一步說明臺風螺旋雨帶云系中的光學厚度越大，降水強度越大，臺風等級越強。光學厚度與降水強度的關系與京津冀夏季強降水中冰云宏微觀特征[21]的分析結論一致。其原因是影響云光學厚度的主要因子為云量，云量大，整層云的消光作用強[22]，而降水強度大的地區(qū)，蒸發(fā)加大，冰云云量增多，光學厚度大。這兩個臺風中距離臺風中心較近一端光學厚度較大的部分集中在底部。高洋等[14]對臺風浣熊(1408)的研究表明在深對流云內，較小的冰粒子被強對流抬升到高處，而大的冰粒子集中在低處。這與臺風利奇馬和臺風摩羯的表現(xiàn)較為一致。陳紋鋒等[23]指出有效粒子半徑隨高度增高而明顯減小，且隨光學厚度增大，冰粒有效粒子半徑也呈一定程度增大。因此不同強度臺風在光學厚度上也表現(xiàn)出差異，即臺風越強，光學厚度越大。

圖7 臺風利奇馬和臺風摩羯螺旋雨帶區(qū)的光學厚度Fig.7 Optical thickness of Typhoon Lekima and Typhoon Yagi

4.3 云分類及云相

圖8是臺風利奇馬和臺風摩羯的云分類及云相信息，黑色方框為CALIPSO衛(wèi)星掃描經過的區(qū)域。由圖8a可見，臺風利奇馬螺旋雨帶8～15 km高度主要由深對流云和卷云組成，云頂處有少量層積云，在約5 km高度存在少量高積云，0～2 km高度存在少量高層云、積云和層積云。由圖8b可見，臺風摩羯螺旋雨帶在7～17 km高度主要由深對流云和卷云組成，云頂處有少量層積云和積云，底部有少量層積云，在5～7 km高度有少量高層云和高積云，2 km處有少量積云。即該時刻臺風摩羯云底高度及整層云體厚度比臺風利奇馬偏高1～2 km。結合圖1和圖4可知，該時刻臺風利奇馬為超強臺風，臺風摩羯為熱帶風暴。高洋等[14]指出超強臺風時深對流云的發(fā)展較強臺風時略有減弱，即臺風達到最大強度時，未來會逐漸走向衰減，所以深對流云的發(fā)展略有減弱。圖8c和圖8d顯示兩個臺風的云系均主要由非定向冰和少量水組成，未見定向冰。Noel等[24]表明云中冰粒的方向主要由溫度決定，其次為天氣效應影響，水平向冰在低于-30℃的冰云中基本不存在，常見于較暖的冰云中。這說明臺風利奇馬和臺風摩羯螺旋雨帶均以冷云為主?？傊_風螺旋雨帶云系均以冷云為主，主要成分為非定向冰，深對流云和卷云占主導，臺風增強，螺旋雨帶云系的云底高度及厚度有所減小。

圖8 臺風利奇馬和臺風摩羯的云分類及云相信息(a)臺風利奇馬的云分類，(b)臺風摩羯的云分類，(c)臺風利奇馬的云相，(d)臺風摩羯的云相Fig.8 Cloud classification and cloud phase of Typhoon Lekima and Typhoon Yagi(a)cloud classification of Typhoon Lekima,(b)cloud classification of Typhoon Yagi,(c)cloud phase of Typhoon Lekima,(d)cloud phase of Typhoon Yagi

5 登陸前臺風三維結構

GPM衛(wèi)星分別于2019年8月9日13:50—15:20和2018年8月12日13:54—15:26掃描到處于強臺風等級的利奇馬和熱帶風暴等級的摩羯，且二者均處于臺風登陸前。受GPM衛(wèi)星工作方式以及軌道覆蓋范圍的限制，雖然掃描寬度未能完全覆蓋臺風的全部范圍，但獲取的信息仍值得分析。

選取GPM 1CGPMGMI 05產品18.7 GHz和181.31±3 GHz兩種垂直極化通道考察臺風利奇馬和臺風摩羯云系亮溫分布。根據(jù)微波遙感原理[25-26]，18.7 GHz和181.31±3 GHz通道亮溫分別取決于云中液態(tài)水粒子和冰相粒子的輻射信號強弱。水粒子越多，18.7 GHz通道亮溫越高，冰相粒子越多，181.31±3 GHz通道亮溫越低，即18.7 GHz通道下高亮溫區(qū)對應實際降水區(qū)域，亮溫越高降水越強，而181.31±3 GHz 通道下低亮溫區(qū)對應實際降水區(qū)域，亮溫越低降水越強。由圖9可以看到，臺風利奇馬移動方向右側出現(xiàn)的冰粒子較多，臺風摩羯移動方向中心軸線上出現(xiàn)的冰粒子較多。臺風利奇馬和臺風摩羯均表現(xiàn)出冰粒子和水粒子的非均勻及非對稱分布，且冰粒子和水粒子的總量大體相當，即18.7 GHz通道大于等于240 K的高亮溫區(qū)面積與181.31±3 GHz 通道小于240 K的低亮溫區(qū)面積大體相當。兩個臺風的等級差異體現(xiàn)在同一通道二者的高亮溫區(qū)和低亮溫區(qū)面積，即18.7 GHz通道臺風利奇馬的高亮溫區(qū)明顯大于臺風摩羯，181.31±3 GHz 通道臺風利奇馬低亮溫區(qū)明顯大于臺風摩羯。

圖9 2019年8月9日13:50—15:20臺風利奇馬和2018年8月12日13：54—15:26臺風摩羯亮溫圖像Fig.9 TBB images of Typhoon Lekima from 1350 UTC to 1520 UTC on 9 Aug 2019 and Typhoon Yagi from 1354 UTC to 1526 UTC on 12 Aug 2018

GPM 2BCMB 06產品提供降水類型信息，利用垂直廓線方法將降水劃分為層云降水、對流降水和其他類型降水。垂直廓線方法是測雨雷達探測到的回波中出現(xiàn)亮帶，則為層云降水；若回波中無亮帶，但雷達反射率因子超過40 dBZ或風暴頂高度超過15 km, 則為對流降水；若回波中無亮帶，但雷達反射率因子不超過40 dBZ且風暴頂高度不超過15 km，則為其他類型降水[27]。由于Ku波段雷達掃描寬度比Ka波段寬度大，更適合研究臺風降水云系，因此本文采用Ku波段分析，該模式下掃描寬度為245 km。由圖10可見，臺風利奇馬以層云降水為主，臺風摩羯以對流降水為主。臺風利奇馬的臺風眼區(qū)無降水，云墻區(qū)由層云降水和對流降水同時環(huán)繞眼區(qū)，外圍的螺旋雨帶以層云降水為主，其次為對流降水，同時還有少量其他降水。由于掃描寬度的限制，圖10雖未能明顯展示臺風摩羯眼區(qū)，但可見部分臺風云墻及外圍螺旋雨帶，該部分云墻區(qū)降水為對流降水、層云降水及少量其他類型降水，螺旋雨帶區(qū)則以對流降水為主。

續(xù)圖9

利用GPM 2BCMB 06產品的降水率信息可知，最大降水強度均出現(xiàn)在臺風云墻處(圖略)。 結合圖10可以看到，臺風利奇馬對流降水的降水率顯然大于層云降水，且自云墻向外，對流降水的降水率逐漸降低。臺風摩羯自云墻向外，最內一層對流降水的降水率仍大于層云降水。

圖10 臺風利奇馬和摩羯降水類型Fig.10 Precipitation types of Typhoon Lekima and Typhoon Yagi

6 結論與討論

臺風利奇馬和臺風摩羯均在西太平洋洋面生成，在浙江溫嶺一帶登陸，且登陸前路徑較為相似，發(fā)生時間均在8月上中旬，但登陸后二者路徑存在差異，且在持續(xù)時間、臺風強度、降水強度及影響程度方面，臺風利奇馬均超過臺風摩羯。本文對比分析二者登陸前后臺風云系特征和降水分布特征的異同，得到以下結論：

1) 亮溫圖像中，小且圓的臺風眼區(qū)是否可見和臺風云系的螺旋明顯程度是臺風發(fā)展強度的重要標志。若臺風眼區(qū)清晰可見，則臺風發(fā)展較強；若未見臺風眼區(qū)，則臺風發(fā)展較弱；最強降水中心發(fā)展為近乎圓形時，臺風發(fā)展較強，而最強降水中心發(fā)展為帶型時，臺風發(fā)展較弱。臺風強度升級，云系螺旋程度愈加明顯。

2) 臺風發(fā)展成熟階段，云頂高度最大值位于臺風眼附近。當螺旋雨帶北側云頂高度低于南側時，臺風發(fā)展較強；當螺旋雨帶南側云頂高度低于北側時，臺風發(fā)展相對較弱。

3) 登陸前，臺風云系中單層云占主導，臺風強度在云層數(shù)上表現(xiàn)出差異，臺風越強，單層云占比越高，多層云占比越少。臺風強度在光學厚度上表現(xiàn)出差異，臺風越強，光學厚度越大。臺風云系均以冷云為主，主要成分為非定向冰，深對流云和卷云占主導。較強臺風螺旋雨帶區(qū)的云系厚度，與較弱臺風相比偏小約1～2 km。

4) 登陸前，強弱臺風的冰水粒子總量大體相當，臺風強度差異體現(xiàn)在同一通道高亮溫和低亮溫的區(qū)域面積不同，強臺風18.7 GHz通道高亮溫區(qū)大，181.31±3 GHz通道低亮溫區(qū)小。強臺風螺旋雨帶以層云降水為主，弱臺風以對流降水為主。

本文從云頂高度、云層數(shù)、光學厚度、云相、云類別等云特征和降水特征方面討論臺風利奇馬和臺風摩羯的異同點，以期為臺風強度和降水預報提供參考。本文僅選取兩個臺風個例，其他臺風是否具有類似特征，需開展更多工作。