羅昌榮 池艷珍 周海光

1 福建省氣象局，福州 350001

2 福建省氣候中心，福州 350001

3 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

雙雷達(dá)反演臺(tái)風(fēng)外圍強(qiáng)帶狀回波風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征研究

羅昌榮1池艷珍2周海光3

1 福建省氣象局，福州 350001

2 福建省氣候中心，福州 350001

3 中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

利用移動(dòng)新一代天氣雷達(dá) （CINRAD／CCJ）和長(zhǎng)樂(lè)新一代天氣雷達(dá) （CINRAD／SA）基數(shù)據(jù)，采用地球坐標(biāo)系下的雙雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)，重點(diǎn)分析了2007年8月18日凌晨超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) “圣帕”外圍強(qiáng)帶狀回波的風(fēng)場(chǎng)特征。結(jié)果表明，帶狀回波具有以下特征：（1）強(qiáng)盛階段，每個(gè)強(qiáng)回波中心在前進(jìn)方向的右側(cè)或右后側(cè)對(duì)應(yīng)于強(qiáng)東偏北風(fēng)速中心 （強(qiáng)風(fēng)核），其中最強(qiáng)回波中心前側(cè)還存在弱風(fēng)速中心。這樣的水平風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)從低層一直保持到中層，使得強(qiáng)回波區(qū)對(duì)應(yīng)于水平輻合和正渦度區(qū)，產(chǎn)生明顯的上升運(yùn)動(dòng)，有助于對(duì)流的發(fā)展和維持。強(qiáng)盛階段云體快速移動(dòng)。相對(duì)于移動(dòng)的云體來(lái)說(shuō)，前側(cè)及后側(cè)中低層氣流均指向強(qiáng)回波，在強(qiáng)回波區(qū)及后側(cè)水平輻合形成上升氣流，最大上升速度出現(xiàn)在強(qiáng)回波中心與北側(cè)強(qiáng)風(fēng)核之間。同時(shí)在強(qiáng)回波上空高層出現(xiàn)輻散，氣流主要向后流出。（2）減弱階段，較強(qiáng)回波中心或其北側(cè)對(duì)應(yīng)于弱風(fēng)速中心，回波中心出現(xiàn)負(fù)渦度區(qū)。云體移速變慢。相對(duì)于移動(dòng)的云體來(lái)說(shuō)，偏東氣流穿過(guò)云體?；夭▍^(qū)氣流輻合較弱，明顯的上升區(qū)出現(xiàn)在中層較強(qiáng)回波近臺(tái)風(fēng)中心一側(cè)。（3）強(qiáng)風(fēng)核可以將位于帶狀回波前進(jìn)方向后側(cè)的處于減弱階段螺旋云帶的動(dòng)量和水汽向帶狀回波發(fā)展區(qū)輸送，因此，強(qiáng)風(fēng)核結(jié)構(gòu)很可能是帶狀回波快速發(fā)展的主要原因。

臺(tái)風(fēng) 帶狀回波 雙雷達(dá)反演 三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

1 引言

臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)在雷達(dá)回波圖上通常體現(xiàn)為：雷達(dá)眼、眼壁 （或稱眼墻）、螺旋雨帶。有的臺(tái)風(fēng)風(fēng)雨區(qū)外圍有時(shí)還有一條臺(tái)前颮線，臺(tái)前颮線與螺旋雨帶之間還可能有一條甚至幾條雷雨帶 （張培昌等，2001）。隨著新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)的建設(shè)和雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)的發(fā)展，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)分析研究和監(jiān)測(cè)預(yù)警手段大大豐富。Ray et al.（1980）提出了ODD（Over Determined Dual－Doppler）技術(shù)，用歐拉方程反演大氣風(fēng)場(chǎng)。2001年開(kāi)始的973項(xiàng)目“中國(guó)暴雨試驗(yàn)研究”在長(zhǎng)江中游和下游地區(qū)開(kāi)展雙雷達(dá)外場(chǎng)試驗(yàn)，促進(jìn)了我國(guó)雙多普勒探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)及反演技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。周海光和張沛源 （2002）研究了笛卡爾坐標(biāo)下雙多普勒天氣雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演技術(shù)并使用模擬的雙多普勒天氣雷達(dá)資料進(jìn)行了反演試驗(yàn)，反演結(jié)果良好。劉黎平 （2003）、劉黎平等（2004，2005）利用外場(chǎng)試驗(yàn)資料，采用雙多普勒雷達(dá)技術(shù)和徑向速度場(chǎng)分析方法，分析了長(zhǎng)江流域暴雨過(guò)程的回波和風(fēng)場(chǎng)中尺度結(jié)構(gòu)及其演變過(guò)程，在研究雙多基地多普勒雷達(dá)資料的配對(duì)方法、風(fēng)場(chǎng)反演的區(qū)域和精度的基礎(chǔ)上，研制了基于三維變分方法的雙多基地多普勒雷達(dá)系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)反演系統(tǒng)。周海光和張沛源 （2005）使用地基雙多普勒天氣雷達(dá)綜合和連續(xù)調(diào)整技術(shù) （MUSCAT），對(duì)2001年7月13日安徽省合肥、馬鞍山雙多普勒雷達(dá)同步探測(cè)到的暴雨系統(tǒng)進(jìn)行三維風(fēng)場(chǎng)反演。王俊等 （2007）利用雙多普勒雷達(dá)研究了強(qiáng)颮線過(guò)程的三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，分析獲得了成熟階段和減弱階段的不同結(jié)構(gòu)特征。周海光 （2010）應(yīng)用雙多普勒雷達(dá)研究了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) “韋帕”（0713）螺旋雨帶中尺度結(jié)構(gòu)，研究表明：螺旋雨帶內(nèi)部低層有多個(gè)強(qiáng)回波區(qū)，水平速度大值區(qū)主要分布在強(qiáng)回波帶上；強(qiáng)回波帶的低層有較強(qiáng)的上升氣流，最強(qiáng)上升氣流超過(guò)4m／s。在螺旋雨帶中存在多個(gè)輻合輻散對(duì)、上升下沉氣流對(duì)，這對(duì)于螺旋雨帶的維持和進(jìn)一步發(fā)展具有重要作用。羅昌榮等 （2011）提出一種VAP擴(kuò)展應(yīng)用方法，由單多普勒雷達(dá)徑向速度場(chǎng)反演臺(tái)風(fēng)近中心風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，得到了較好的結(jié)果。

近年來(lái)，臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬分析研究和雷達(dá)資料同化技術(shù)也得到了發(fā)展。岳彩軍 （2009）利用 WRF模式對(duì)“海棠”臺(tái)風(fēng)降水非對(duì)稱分布特征進(jìn)行了模擬分析，認(rèn)為垂直上升運(yùn)動(dòng)條件可能是造成降水非對(duì)稱分布特征的主要因素，同時(shí)對(duì)地形因子強(qiáng)迫和地表摩擦作用強(qiáng)迫對(duì)降水分布的作用進(jìn)行了分析。周玲麗等 （2009）利用數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合雷達(dá)回波等資料，對(duì)“海棠”臺(tái)風(fēng)造成的特大暴雨進(jìn)行分析。分析表明，暴雨屬于螺旋云帶降水，它是由邊界層強(qiáng)中尺度輻合帶直接影響造成的，降水伴隨著輻合帶發(fā)展。王改利等 （2010）采用三維和四維變分同化方法對(duì)多普勒激光雷達(dá)資料進(jìn)行海面10m高度處的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行反演分析，結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)近海面風(fēng)場(chǎng)的精細(xì)化反演，且反演風(fēng)場(chǎng)與浮標(biāo)數(shù)據(jù)基本一致。蘭偉仁等 （2010a，2010b）在假定模式無(wú)誤差和有誤差兩種情況下，利用模擬雷達(dá)資料進(jìn)行一系列的集合卡爾曼濾波敏感性試驗(yàn)，驗(yàn)證了該濾波方法在風(fēng)暴尺度天氣資料同化中的作用，并進(jìn)行了相關(guān)誤差來(lái)源及控制方法分析。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)臺(tái)風(fēng)外圍強(qiáng)帶狀回波的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征個(gè)例研究較少。本文分析的帶狀回波是 “圣帕”臺(tái)風(fēng)螺旋云帶減弱并脫離主體云系后再度發(fā)展而成的，研究其三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化對(duì)今后研究臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而提高臺(tái)風(fēng)風(fēng)雨預(yù)報(bào)水平具有一定意義。

圖2 雙雷達(dá)反演示意圖Fig.2 The geometry sketch of dual－Doppler radar retrieval

2 個(gè)例和資料

本研究選取的個(gè)例為2007年8月18日超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“圣帕”臺(tái)風(fēng)螺旋云帶減弱后在臺(tái)風(fēng)外圍再次發(fā)展成為強(qiáng)帶狀回波?！笆ヅ痢庇?3日02時(shí) （北京時(shí)，下同）在菲律賓以東的洋面上生成后向西偏南方向移動(dòng)，15日08時(shí)加強(qiáng)成為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，之后路徑轉(zhuǎn)向西北；于15日20時(shí)加強(qiáng)成為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，最強(qiáng)時(shí)中心氣壓達(dá)910hPa，近中心最大風(fēng)力17級(jí)以上，風(fēng)速65m／s。“圣帕”于18日04時(shí)減弱成為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，并于18日05：40在臺(tái)灣花蓮登陸，登陸后沿偏西方向移動(dòng)，18日17時(shí)減弱成為臺(tái)風(fēng)，于19日02時(shí)在福建惠安登陸 ［圖1（見(jiàn)文后彩圖）］。

“圣帕”臺(tái)風(fēng)具有強(qiáng)度變化大、移速多變、范圍廣和影響持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)福建產(chǎn)生了嚴(yán)重的風(fēng)雨影響。臺(tái)站過(guò)程極大風(fēng)速36m／s出現(xiàn)在長(zhǎng)樂(lè)，沿海區(qū)域自動(dòng)站極大風(fēng)速40m／s出現(xiàn)在惠安斗尾。過(guò)程降水量以寧德市450.9mm為最大。

從衛(wèi)星云圖可以看出，臺(tái)風(fēng)中心云系北側(cè)的帶狀回波是在減弱并脫離臺(tái)風(fēng)主體云系的螺旋云帶上強(qiáng)烈發(fā)展而成，強(qiáng)盛階段回波強(qiáng)度達(dá)到50dBZ以上并出現(xiàn)閃電 （圖略）。根據(jù)臺(tái)風(fēng)定位資料，8月18日02時(shí)臺(tái)風(fēng)中心位于 （22.60°N，122.10°E），與帶狀回波中心相距約380km。此時(shí)，帶狀回波與臺(tái)風(fēng)中心云系已經(jīng)脫離，云帶向臺(tái)風(fēng)中心的動(dòng)量和水汽輸送也已經(jīng)切斷，所以螺旋云帶的分析方法不再適用。

本文主要分析數(shù)據(jù)來(lái)自長(zhǎng)樂(lè)S波段新一代天氣雷達(dá) （CINRAD／SA）和寧德C波段移動(dòng)新一代天氣雷達(dá) （CINRAD／CCJ）所觀測(cè)到的回波強(qiáng)度場(chǎng)和徑向速度場(chǎng)，兩部雷達(dá)相距66.2km。在進(jìn)行雙多普勒雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演之前，對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了雜波濾除、徑向速度退模糊等質(zhì)量控制處理。

將長(zhǎng)樂(lè)SA雷達(dá)和寧德CCJ雷達(dá)體掃回波強(qiáng)度場(chǎng)分別插值到反演網(wǎng)格點(diǎn)上，并對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可知，強(qiáng)盛階段和減弱階段兩個(gè)時(shí)次，CCJ雷達(dá)回波強(qiáng)度平均比SA雷達(dá)分別低4.5dBZ和3.6 dBZ。考慮到回波強(qiáng)度影響降水粒子下落末速度的估算進(jìn)而影響風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果，為使兩部雷達(dá)在風(fēng)場(chǎng)反演區(qū)域內(nèi)回波強(qiáng)度值取得一致，在后面的計(jì)算中，將CCJ雷達(dá)回波強(qiáng)度分別增大相應(yīng)的分貝數(shù)。

此外，在反演結(jié)果檢驗(yàn)中，應(yīng)用了NCEP再分析場(chǎng)資料，即1°×1°（緯度×經(jīng)度）等高面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3 雙雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演分析方法

3.1 反演方程及計(jì)算

本文用兩部雷達(dá)的基數(shù)據(jù)進(jìn)行雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演，反演的基本方法與Ray et al.（1980）和劉黎平（2003）所采用的方法基本相同。為了使相關(guān)空間位置關(guān)系更為接近實(shí)際，采用地球坐標(biāo)系而不是笛卡爾坐標(biāo)系 （圖2）。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在地球球心，z軸通過(guò)目標(biāo)點(diǎn)P指向天頂，x軸指向P點(diǎn)的正東方向，y軸指向P點(diǎn)的正北方向。這樣的坐標(biāo)系不是固定的，它隨著目標(biāo)點(diǎn)的變化而變化。反演網(wǎng)格選用等經(jīng)緯度網(wǎng)格，水平格距為0.01°×0.01°。z是目標(biāo)點(diǎn)與地球球心的距離，取地球表面為反演起始層，垂直格距取500m。

在將雷達(dá)體掃數(shù)據(jù)插值到反演網(wǎng)格時(shí)，考慮到水平方向插值點(diǎn)周邊庫(kù)點(diǎn)較多，為了抑制雜波，水平方向采用Cressman距離權(quán)重插值方法。垂直方向由于掃描層次較少，采用線性插值。

雙多普勒雷達(dá)反演原理如圖2所示，P點(diǎn)的坐標(biāo)為P（0，0，z）。設(shè)P點(diǎn)得三維風(fēng)速分量分別為u、v和w，則風(fēng)場(chǎng)迭代方程組為：

式中，（x01，y01，z01）、（x02，y02，z02）分別為兩部多普勒雷達(dá)天線的坐標(biāo)位置。vr1、vr2為兩部雷達(dá)探測(cè)的該點(diǎn)的兩個(gè)方向的徑向速度。wt為降水粒子在靜止大氣中的下落末速度，可以利用回波強(qiáng)度A進(jìn)行估測(cè)：

由于長(zhǎng)樂(lè)SA雷達(dá)回波強(qiáng)度采用460km觀測(cè)模式，空間分辨率較低，因此采用經(jīng)過(guò)訂正的寧德CCJ雷達(dá)回波強(qiáng)度對(duì)降水粒子下落末速度進(jìn)行估算。

設(shè)定u、v初值后，可以利用質(zhì)量連續(xù)方程計(jì)算垂直速度的第一估算值：

表1 不同高度的反演平均絕對(duì)誤差Table 1 Mean absolute error at different heights

本文個(gè)例中，由于寧德雷達(dá)和長(zhǎng)樂(lè)雷達(dá)海拔均比較高 （分別為941m和650.6m），因此低層網(wǎng)格點(diǎn)沒(méi)有雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)。在計(jì)算垂直速度時(shí)，定義開(kāi)始有觀測(cè)數(shù)據(jù)的層次的下一層的垂直速度及散度為0，往上進(jìn)行積分計(jì)算。當(dāng)4km高度層上仍沒(méi)有有效垂直速度時(shí)，不再向上進(jìn)行垂直速度計(jì)算。當(dāng)觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)斷層時(shí)，停止向上的積分計(jì)算。

通過(guò)采用迭代方法進(jìn)行三維風(fēng)場(chǎng)計(jì)算。給定u、v初值后，可得到w的第一估算值。再將w的值代入方程組重新計(jì)算u、v、w。通過(guò)若干次迭代，當(dāng)前后兩次反演的數(shù)據(jù)之差小于給定的極小值，就得到了滿足精度的三維風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果。獲得u、v、w后，本文對(duì)回波區(qū)風(fēng)場(chǎng)渦度和散度直接應(yīng)用反演風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算和分析。

3.2 算法檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)上述反演方法的正確性，將WRF模式輸出場(chǎng)作為理想風(fēng)場(chǎng)。選取時(shí)次為2010年6月19日08時(shí)，處于 “6.18閩北大暴雨”過(guò)程。采用三層嵌套的最內(nèi)層模式網(wǎng)格輸出場(chǎng)，水平方向?yàn)?km×2km的Lambert投影網(wǎng)格，垂直方向?yàn)?7層等σ面。驗(yàn)算方法與周海光等 （2002）的方法基本相同。設(shè)兩部雷達(dá)高度均為0m，呈南北分布，緯度相差0.8°。首先對(duì)輸出場(chǎng)進(jìn)行水平和垂直方向插值，插值到水平方向約0.01°×0.01°的等經(jīng)緯度網(wǎng)格、垂直方向500m間隔的等高面上然后將三維模式數(shù)據(jù)u、v、w和dBZ插值到雷達(dá)體掃面上反演區(qū)域內(nèi)的所有庫(kù)點(diǎn)上。按照中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)規(guī)范，立體掃描共16層，仰角依次為0、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°、2.5°、3.0°、4.0°、5.0°、6.0°、8.0°、10.0°、12.0°、15.0°、18.0°和21.0°，庫(kù)長(zhǎng)300m。按照公式 （1）、（2）、（5）分別計(jì)算2部雷達(dá)體掃面上的徑向速度vr1和vr2。最后，按照上節(jié)所述的方法進(jìn)行雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演，5km高度層模式場(chǎng)及反演結(jié)果如圖3所示。其中圖3a中的垂直速度是由模式水平風(fēng)場(chǎng)經(jīng)連續(xù)方程計(jì)算得到的。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，從不同高度層的三維風(fēng)分量反演誤差 （表1）可知，總體來(lái)說(shuō)反演誤差較小，能夠滿足業(yè)務(wù)及科研分析的需要。在高層誤差相對(duì)較大，這與高仰角時(shí)相鄰體掃層仰角間距加大導(dǎo)致垂直間距急劇加大有關(guān)。

4 帶狀回波發(fā)展演變過(guò)程

圖3 2010年6月19日08時(shí)5km高度層回波強(qiáng)度 （陰影，單位dBZ）、水平風(fēng)場(chǎng) （矢量）、水平風(fēng)速 （白線）和垂直速度 （黑線）（單位：m／s）：（a）WRF模式場(chǎng)；（b）雙雷達(dá)反演場(chǎng)Fig.3 Echo intensity（shaded），horizontal wind（vector），horizontal and vertical velocity（white and black lines respectively，units：m／s）at 5－km height on 0800BT （Beijing time）19Jun 2010：（a）WRF model；（b）dual－Doppler radar retrieval

圖4 2007年8月18日長(zhǎng)樂(lè)雷達(dá)回波強(qiáng)度圖 （0.5°仰角）：（a）02：20；（b）03：44。等距離線間距均為50km（下同）Fig.4 Echo intensity of Changle CINRAD／SA with 0.5elevation on 18Aug 2007：（a）0220BT；（b）0344BT.The interval of equidistance line is 50km，the same below

圖5 同圖4，但為寧德CCJ雷達(dá)回波強(qiáng)度圖Fig.5 Same as Fig.4，but for Ningde CCJ

圖4、圖5是長(zhǎng)樂(lè)雷達(dá)和寧德移動(dòng)雷達(dá)2007年8月18日02：20前后和03：44前后所觀測(cè)的強(qiáng)度場(chǎng)回波圖。02：20前后，臺(tái)風(fēng)中心位于臺(tái)灣以東洋面，向西北方向移動(dòng)。帶狀回波處于強(qiáng)盛階段，呈現(xiàn)以臺(tái)風(fēng)中心為圓心的弧形，其長(zhǎng)度達(dá)到350km以上。從回波分布來(lái)看，帶狀回波由三部分回波區(qū)組成，圖中分別以H、M、T標(biāo)出，暫且稱其為頭部、中部和尾部。此時(shí)，回波區(qū)頭部H和中部M處于強(qiáng)盛階段，回波中心強(qiáng)度大于50dBZ，強(qiáng)回波位于背向臺(tái)風(fēng)中心一側(cè) （北側(cè)）邊緣。02：34，閃電定位儀觀測(cè)到在帶狀回波頭部出現(xiàn)閃電 （圖略）。03：44前后，帶狀回波處于減弱階段，回波區(qū)頭部H已經(jīng)與主體脫離并減弱消失；中部M回波區(qū)強(qiáng)度減弱，橫向（南北）尺度明顯變小，在其與T交界處存在局部強(qiáng)回波，較強(qiáng)回波位于近臺(tái)風(fēng)中心一側(cè)；尾部T回波區(qū)橫向 （南北）尺度明顯變大，維持一定的對(duì)流。

本文選擇18日02：20作為帶狀回波強(qiáng)盛階段，選擇18日03：44作為帶狀回波減弱階段 （這是寧德CCJ雷達(dá)因帶狀回波即將影響而關(guān)機(jī)前的最后一次觀測(cè)），分別進(jìn)行雙雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演計(jì)算和分析，反演區(qū)域如圖5所示。在強(qiáng)盛階段，帶狀回波頭部共有A、B、C、D共4個(gè)強(qiáng)回波區(qū)，本文重點(diǎn)分析2.5km和6km兩個(gè)等高面。在強(qiáng)盛階段，A、B與兩部雷達(dá)形成的張角分別為46.8°和42.3°，基本符合雙雷達(dá)反演區(qū)域的要求。C與兩部雷達(dá)形成的張角為38.6°，勉強(qiáng)符合雙雷達(dá)反演區(qū)域的要求。東北側(cè)云體D由于距離較遠(yuǎn)，與兩部雷達(dá)形成的夾角太小，未納入反演區(qū)域。在減弱階段，反演區(qū)內(nèi)包括E、F、G三個(gè)回波區(qū)，其中G相對(duì)較強(qiáng)。E、F、G與兩部雷達(dá)形成的張角分別為61.2°、50.0°和40.1°，基本符合雙雷達(dá)反演區(qū)域的要求。由于長(zhǎng)樂(lè)SA雷達(dá)該時(shí)次0.5°仰角體掃層徑向速度場(chǎng)上，在E、F回波南側(cè)出現(xiàn)距離模糊，因此本文重點(diǎn)分析回波G的結(jié)構(gòu)特征。

經(jīng)過(guò)對(duì)比強(qiáng)回波中心的位置變化，獲得強(qiáng)盛階段回波中心移動(dòng)速度和方向分別約為22m／s和255°，可見(jiàn)回波快速移動(dòng)。減弱間斷回波中心移動(dòng)速度和方向分別約為14.9m／s和274.6°，云體移速大大變慢。由于帶狀回波發(fā)展變化迅速，上述移速僅是估算結(jié)果。

圖6 強(qiáng)盛階段圖5a中回波中心B（實(shí)線）和減弱階段圖5b中回波中心G（虛線）最大回波強(qiáng)度隨高度的變化Fig.6 Maximum echo intensity for echo centers B （in Fig.5a）and G （in Fig.5b）at different heights

5 帶狀回波結(jié)構(gòu)分析

5.1 回波強(qiáng)度變化特征

從長(zhǎng)樂(lè)雷達(dá)和寧德移動(dòng)雷達(dá)2007年8月18日02：20前后觀測(cè)的回波圖 （圖4a、5a）可以看出，海上帶狀回波處于強(qiáng)盛階段。0.5°仰角強(qiáng)度場(chǎng)上，回波中心強(qiáng)度大于50dBZ，強(qiáng)回波區(qū)位于帶狀回波背向臺(tái)風(fēng)中心一側(cè) （北側(cè)）。從長(zhǎng)樂(lè)雷達(dá)和寧德移動(dòng)雷達(dá)2007年8月18日03：44前后觀測(cè)的回波強(qiáng)度圖 （圖4b、5b）可以看出，海上帶狀回波處于減弱階段。在0.5°仰角強(qiáng)度場(chǎng)上，回波中心強(qiáng)度小于35dBZ。

圖6是圖5a中強(qiáng)回波B和圖5b中較強(qiáng)回波中心G中心最大回波強(qiáng)度隨高度的變化圖。可以看出，強(qiáng)盛期帶狀回波最大回波強(qiáng)度出現(xiàn)在低層，7000m以下維持高dBZ值，隨高度緩慢變小，而7000m以上迅速減弱。帶狀回波減弱期，最大回波強(qiáng)度在低層總體上隨高度增加而增大，于5000m時(shí)達(dá)到最大值，然后隨高度迅速減小。這與強(qiáng)盛期的情形現(xiàn)成明顯對(duì)比。

5.2 三維風(fēng)場(chǎng)特征分析

5.2.1 強(qiáng)盛階段風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

帶狀回波強(qiáng)盛階段，在中低層為系統(tǒng)性的強(qiáng)東偏北氣流，整個(gè)帶狀回波風(fēng)速?gòu)?qiáng)勁，且有強(qiáng)風(fēng)核與強(qiáng)回波相對(duì)應(yīng)。

圖7 2007年8月18日02：20雷達(dá)回波強(qiáng)度 （陰影，單位：dBZ）、水平風(fēng)場(chǎng) （矢量）、水平風(fēng)速 （白線，單位：m／s）及渦度 （黑線，單位：s－1）：（a）2.5km高度；（b）6km高度Fig.7 Echo intensity（shaded），horizontal wind field（vector），horizontal wind velocity（white lines，units：m／s），and vorticity（black lines，units：s－1）at 0220BT 18Aug 2007：（a）z＝2.5km；（b）z＝6km

圖8 2007年8月18日02：20雷達(dá)回波強(qiáng)度 （陰影，單位：dBZ）、垂直速度 （白線，單位：m／s）及水平散度 （黑線，單位：s－1）：（a）4km高度；（b）7km高度Fig.8 Distribution of echo intensity（shaded），divergence（white lines），and vertical velocity（black lines）at 0220BT 18Aug 2007：（a）z＝4km；（b）z＝7km

圖9 2007年8月18日02：20沿圖5a中的強(qiáng)回波B前進(jìn)方向并通過(guò)強(qiáng)回波B中心北側(cè)的垂直剖面回波強(qiáng)度 （陰影）、二維風(fēng)矢量 （水平風(fēng)已減去回波中心平均移動(dòng)速度）Fig.9 Vertical section of echo intensity and wind field cross the north of center B in Fig.5aat 0220BT 18Aug 2007（the mean has been subtracted from horizontal wind velocity）

2.5km高度上 （圖7a），呈一致性的東偏北氣流，水平風(fēng)速大于21m／s。流場(chǎng)中最顯著的特征是存在著與強(qiáng)回波向?qū)?yīng)的強(qiáng)風(fēng)速中心 （風(fēng)核）。風(fēng)核出現(xiàn)在強(qiáng)回波中心北側(cè)或東北側(cè)，其中A、B兩處強(qiáng)回波有26m／s的強(qiáng)風(fēng)核相對(duì)應(yīng)。更為突出的是，在強(qiáng)回波B中心西南側(cè)或南側(cè)存在弱風(fēng)速中心，強(qiáng)弱風(fēng)速中心之間的風(fēng)速梯度，產(chǎn)生明顯的水平幅合。另外，強(qiáng)風(fēng)核所處的位置實(shí)際上是強(qiáng)回波移動(dòng)方向 （255°）的右側(cè)，在強(qiáng)風(fēng)核的南側(cè)由于強(qiáng)烈的風(fēng)速梯度形成正渦度中心。輻合和正渦度有利于強(qiáng)回波的維持。從風(fēng)向的分析結(jié)果還可以看出，平直氣流在靠近強(qiáng)回波時(shí)，存在反氣旋性變化，而進(jìn)入強(qiáng)回波區(qū)后呈現(xiàn)氣旋性變化。

強(qiáng)回波北側(cè)的強(qiáng)風(fēng)核一直延續(xù)到6km高度層（圖7b），尤其是B回波中心偏北一側(cè)有24m／s的強(qiáng)風(fēng)核，強(qiáng)風(fēng)核的存在有利于B回波中心維持強(qiáng)盛狀態(tài)。B、C兩處強(qiáng)回波中心對(duì)應(yīng)于正渦度中心。與2.5km相比，6km高度層上環(huán)境風(fēng)朝向臺(tái)風(fēng)中心的法向分量比例減小，偏東風(fēng)分量比例增大。這可能時(shí)由于邊界層摩擦作用，使得低層氣流存在向臺(tái)風(fēng)中心的輻合分量。

從雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演方程組可知，垂直速度的大小由水平散度和降水粒子下落末速度 （與回波強(qiáng)度相關(guān)）決定。圖8a是強(qiáng)盛階段4km高度的回波強(qiáng)度、水平散度場(chǎng)和垂直速度，從中可以看出，強(qiáng)回波中心B對(duì)應(yīng)于輻合中心和垂直上升區(qū)，上升速度中心在強(qiáng)回波中心略偏北一側(cè)。同時(shí)，在回波中心B的前端存在輻散下沉氣流。由于兩部雷達(dá)海拔較高，目標(biāo)云體距離較遠(yuǎn)，計(jì)算垂直速度時(shí)僅能從2km高度開(kāi)始對(duì)散度進(jìn)行積分。因此，圖中顯示的垂直速度與實(shí)際值相比很可能偏小。7km高度上 （圖8b），強(qiáng)回波B中心仍對(duì)應(yīng)于上升氣流中心。值得注意的是，強(qiáng)回波中心開(kāi)始出現(xiàn)弱輻散，高層存在輻散是強(qiáng)回波維持的必要條件。

為了分析帶狀回波沿前進(jìn)方向的垂直剖面流場(chǎng)，將反演區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使原先的x軸與回波移向 （255°）平行 （圖略），然后進(jìn)行反演計(jì)算。圖9顯示的是經(jīng)過(guò)強(qiáng)盛階段回波B中心北側(cè)的沿回波前進(jìn)方向的垂直剖面，向左為云體前進(jìn)方向，其中的水平風(fēng)速已經(jīng)減去了帶狀回波強(qiáng)中心平均移速22m／s，因此可以認(rèn)為是相對(duì)流場(chǎng)。從圖9可以看出，在中低層存在回波強(qiáng)度高值區(qū)，說(shuō)明低層輻合和對(duì)流強(qiáng)烈，支持著強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展和維持?？偟膩?lái)說(shuō)，強(qiáng)回波區(qū)B從低層到中層均存在明顯的水平輻合，強(qiáng)回波中心及后側(cè) （東側(cè)）為系統(tǒng)性上升氣流，強(qiáng)回波中心前側(cè) （西側(cè)）為下沉氣流。這與強(qiáng)回波中心右后側(cè) （東北側(cè)）存在強(qiáng)風(fēng)核、前側(cè)存在弱風(fēng)速區(qū)有關(guān)。通過(guò)比較不同位置的垂直剖面圖可以看出，相對(duì)于回波中心來(lái)說(shuō)，回波中心北側(cè)的氣流水平輻合及上升運(yùn)動(dòng)更為顯著，因此回波中心北側(cè)更利于對(duì)流發(fā)展。這與回波中心東北側(cè)強(qiáng)風(fēng)核與該剖面更近有關(guān)，同時(shí)也可以解釋強(qiáng)盛階段強(qiáng)回波位于云帶內(nèi)偏北側(cè)?？紤]到強(qiáng)風(fēng)核可以將位于帶狀回波后側(cè)的減弱階段螺旋云帶上的動(dòng)量和水汽向帶狀回波發(fā)展區(qū)輸送，因此，強(qiáng)風(fēng)核結(jié)構(gòu)很可能是帶狀回波快速發(fā)展的主要原因。

強(qiáng)盛階段B回波中心附近中低層所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)風(fēng)速隨高度變化情況如圖10所示。在2500～6000m之間，風(fēng)速維持高值，隨高度變化緩慢。最大風(fēng)速先隨高度先增大后減小，在3500m時(shí)達(dá)到最大值。

強(qiáng)盛階段B回波附近最大垂直速度隨高度分布如圖11所示。B回波附近最大上升速度出現(xiàn)在5500～8000m高度，且在該層內(nèi)垂直速度變化很小，最大值為出現(xiàn)在6500m高度上。

圖10 強(qiáng)盛階段 （02：20）回波中心B附近強(qiáng)風(fēng)速 （實(shí)線）和減弱階段 （03：44）回波中心G附近風(fēng)速 （虛線）隨高度變化圖Fig.10 Horizontal wind velocity for echo centers B（in Fig.5a）and G （in Fig.5b）at different heights

5.2.2 減弱階段風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

帶狀回波減弱階段，較強(qiáng)回波G在中低層對(duì)應(yīng)于弱風(fēng)速中心或弱風(fēng)速區(qū)。3km高度水平風(fēng)場(chǎng)及渦度場(chǎng)分布如圖12所示。較強(qiáng)回波區(qū)G中心對(duì)應(yīng)于弱風(fēng)速中心，中心風(fēng)速小于24m／s。等高面風(fēng)速等值線稀疏，水平風(fēng)速變得更為均勻。G回波中心對(duì)應(yīng)于弱負(fù)渦度區(qū)，回波中心前部 （西側(cè)）存在弱負(fù)渦度中心。

圖13是減弱階段3km高度的回波強(qiáng)度及水平散度場(chǎng)，G回波中心區(qū)對(duì)應(yīng)于輻合上升區(qū)，北側(cè)對(duì)應(yīng)于輻散下沉區(qū)。與強(qiáng)盛階段有所不同，上升氣流中心位于回波G中心偏南側(cè)。隨著高度的增加，南側(cè)的弱輻合區(qū)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿踺椛^(qū)。

圖11 B回波中心附近 （實(shí)線）及G回波中心附近 （虛線）最大垂直速度隨高度分布圖Fig.11 Maximum vertical velocity for echo centers B （in Fig.5a）and G （in Fig.5b）at different heights

圖12 8月18日03：44 3km高度雷達(dá)回波強(qiáng)度 （陰影）、水平風(fēng)場(chǎng) （矢量）、水平風(fēng)速 （白線，單位：m／s）及渦度 （黑線，單位：s－1）Fig.12 Same as Fig.7，except for z＝3km at 0344BT 18Aug 2007

圖13 2007年8月18日03：44 3km高度雷達(dá)回波強(qiáng)度 （陰影）、垂直速度 （白線，單位：m／s）及水平散度 （黑線，單位：s－1）Fig.13 Same as Fig.8，except for z＝3km at 0344BT 18Aug 2007

減弱階段G回波中心附近中低層對(duì)應(yīng)的弱風(fēng)速隨高度變化情況如圖10所示。總體風(fēng)速明顯小于強(qiáng)盛階段風(fēng)速。2000～3500m間風(fēng)速相對(duì)較大，3500m以上風(fēng)速隨高度增加而減小。

減弱階段G回波附近最大垂直速度隨高度分布如圖11所示。G回波附近上升速度基本上呈隨高度平穩(wěn)增大的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在8500m高度層上。與強(qiáng)盛階段相比顯著較小，說(shuō)明系統(tǒng)已處于減弱階段。

圖14（見(jiàn)文后彩圖）是減弱階段回波G中心的東西向垂直剖面，其中的風(fēng)速u(mài)已經(jīng)減去了回波中心平均移速的東西分量。由于此時(shí)回波移向?yàn)?75°，近似呈東西方向，因此該圖顯示的可以近似認(rèn)為是沿回波前進(jìn)方向的相對(duì)流場(chǎng)。從圖14可以看出，回波強(qiáng)度及垂直速度明顯弱于強(qiáng)盛階段?；夭◤?qiáng)度相對(duì)高值區(qū)主要集中在中層，說(shuō)明低層輻合和對(duì)流減弱。偏東氣流穿過(guò)云體，在中層仍存在弱的上升運(yùn)動(dòng)，但從中高層流向后方 （東側(cè)）的氣流在不遠(yuǎn)的地方又下沉并回流進(jìn)入云體。此時(shí)對(duì)流已難以維持。

圖15 2007年8月18日02：00的NCEP再分析資料2743m等高面上的水平風(fēng)場(chǎng)Fig.15 Horizontal wind field from NCEP reanalysis at 2743m height at 0200BT 18Aug 2007

5.3 反演結(jié)果檢驗(yàn)

由于帶狀回波云體位于海上，沒(méi)有實(shí)測(cè)資料可以進(jìn)行反演風(fēng)場(chǎng)檢驗(yàn)?，F(xiàn)選擇NCEP再分析場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)單檢驗(yàn)比較。圖15是18日02：00的NCEP格距1°×1°的2743m等高面上的水平風(fēng)場(chǎng)。經(jīng)水平及垂直插值，計(jì)算得到強(qiáng)盛階段強(qiáng)回波中心B（26°N，120.37°E）的水平風(fēng)速為17.1m／s，風(fēng)向?yàn)?7°。與18日02：20 2.5km等高面雙雷達(dá)風(fēng)場(chǎng) （圖7a）相比，風(fēng)向與雙雷達(dá)反演風(fēng)向基本一致，但風(fēng)速比反演風(fēng)偏小。這可能是由于NCEP網(wǎng)格比較粗，反映的是大尺度環(huán)境風(fēng)。而中尺度對(duì)流系統(tǒng)中的風(fēng)分布與環(huán)境風(fēng)有一定的差別。同時(shí)，雷達(dá)反演時(shí)間落后20min，風(fēng)核區(qū)移近也引起風(fēng)速增大。另外，該時(shí)次長(zhǎng)樂(lè)SA雷達(dá)徑向速度場(chǎng)上出現(xiàn)數(shù)處速度模糊，也說(shuō)明局地風(fēng)速大于27m／s。

6 結(jié)論及討論

（1）應(yīng)用基于地球坐標(biāo)系的雙雷達(dá)三維風(fēng)場(chǎng)反演方法，對(duì)長(zhǎng)樂(lè)新一代天氣雷達(dá) （CINRAD／SA）和寧德移動(dòng)新一代天氣雷達(dá) （CINRAD／CCJ）所觀測(cè)到的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“圣帕”外圍帶狀回波進(jìn)行了分析研究，反演結(jié)果揭示了帶狀回波三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征。

（2）在強(qiáng)盛階段，帶狀回波呈較為標(biāo)準(zhǔn)的弧形，強(qiáng)回波集中在弧形外側(cè)。在減弱階段，弧形橫向變細(xì)并逐漸扭曲破碎，較強(qiáng)回波集中在近臺(tái)風(fēng)中心一側(cè)。強(qiáng)盛階段，強(qiáng)回波位于中低層；而在減弱階段，相對(duì)較強(qiáng)的回波存在于中層。

（3）強(qiáng)盛階段帶狀回波的三維結(jié)構(gòu)上具有以下主要特征：在中低層，每個(gè)強(qiáng)回波中心在其前進(jìn)方向的右側(cè)或右后側(cè)對(duì)應(yīng)于強(qiáng)風(fēng)核區(qū)。其中，在最強(qiáng)回波中心前進(jìn)方向的前側(cè)還存在弱風(fēng)速中心。強(qiáng)風(fēng)核的存在強(qiáng)回波區(qū)產(chǎn)生明顯的水平輻合和正渦度。在低層環(huán)境風(fēng)存在朝向臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)分量，且隨著高度的增加，這種朝向臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)分量逐漸減小；總體上呈現(xiàn)平直的水平氣流，其風(fēng)向在強(qiáng)回波區(qū)存在氣旋性變化；強(qiáng)回波快速移動(dòng)，相對(duì)與移動(dòng)的云體來(lái)說(shuō)，前側(cè)及后側(cè)中低層氣流均指向強(qiáng)回波，并在強(qiáng)回波中心區(qū)及后側(cè)輻合形成上升氣流，在強(qiáng)回波上方出現(xiàn)輻散，氣流主要向后流出，并下沉補(bǔ)充強(qiáng)風(fēng)核的質(zhì)量輸出。由于強(qiáng)風(fēng)核位于強(qiáng)回波中心前進(jìn)方向右側(cè)或右后側(cè)，因此在強(qiáng)回波中心北側(cè)上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)，這與帶狀回波強(qiáng)盛階段強(qiáng)回波位于云帶內(nèi)偏北側(cè)相一致。

強(qiáng)風(fēng)核結(jié)構(gòu)很可能是帶狀回波快速發(fā)展的主要原因，強(qiáng)風(fēng)核可以將位于帶狀回波后側(cè)的減弱階段螺旋云帶的動(dòng)量和水汽向帶狀回波發(fā)展區(qū)輸送。但強(qiáng)風(fēng)核的產(chǎn)生及其與強(qiáng)回波發(fā)展的相互關(guān)系和維持機(jī)制，以及帶狀回波不同尺度結(jié)構(gòu)間的相互作用還有待進(jìn)一步研究和探討。

（4）減弱階段帶狀回波的三維風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)上具有以下主要特征：較強(qiáng)回波中心對(duì)應(yīng)于弱風(fēng)速中心，弱上升區(qū)在回波中心近臺(tái)風(fēng)中心一側(cè)，背向臺(tái)風(fēng)中心一側(cè)為下沉氣流?；夭ㄖ行某霈F(xiàn)負(fù)渦度。相對(duì)于移動(dòng)的云體來(lái)說(shuō)，偏東氣流穿過(guò)云體，僅在中層較強(qiáng)回波高度上存在上升運(yùn)動(dòng)。

（5）由于帶狀回波移動(dòng)很快，兩部雷達(dá)觀測(cè)時(shí)間不完全同步，反演結(jié)果會(huì)存在一定的誤差，但就目前的業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況來(lái)看，這種可能的誤差是可以接受的。隨著雷達(dá)同步觀測(cè)的實(shí)現(xiàn)，今后的個(gè)例分析會(huì)獲得更好的結(jié)果。另外，由于體掃層次有限，導(dǎo)致對(duì)相關(guān)變量的垂直分布也不夠精細(xì)。由于垂直方向采用線性插值，導(dǎo)致極值都出現(xiàn)的掃描面上，這與實(shí)際情況存在一定的誤差。

致謝本文算法檢驗(yàn)工作中WRF模式輸出場(chǎng)由福州市氣象局賴紹鈞提供，并得到福建省氣象臺(tái)劉銘、潘寧和張長(zhǎng)安的幫助，在此深表謝意！

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圖1 熱帶氣旋 “圣帕”路徑圖 （a）及強(qiáng)盛階段 （18日02：30）衛(wèi)星云圖 （b）Fig.1 （a）Track of tropical cyclone Sepat and（b）Infrared（IR）satellite image during the puissant phase

圖14 2007年8月18日03：44通過(guò)強(qiáng)回波G中心的東西向垂直剖面回波強(qiáng)度 （陰影）、二維風(fēng)矢量 （矢量）（u減去了回波中心平均移動(dòng)速度的u分量）Fig.14 Height－longitude section of echo intensity and wind field cross echo center G in Fig.5bat 0344BT 18Aug 2007（the mean has been subtracted fromu）

Characteristics of 3－D Wind Structure of Typhoon Outer Intensive Banded Echo Using Dual－Doppler Weather Radar Data

LUO Changrong1，CHI Yanzhen2，and ZHOU Haiguang3

1FujianMeteorologicalBureau，F(xiàn)uzhou350001
2FujianClimateCenter，F(xiàn)uzhou350001
3StateKeyLaboratoryofSevereWeather，ChineseAcademyofMeteorologicalSciences，Beijing100081

Based on the dual－Doppler radar data of the mobile weather radar（CINRAD／CCJ）and Changle weather radar（CINRAD／SA），the characteristics of three－dimensional wind structure in the puissant and weakening phases of the strong banded echo of super typhoon Sepat（0709）on 18August 2007are examined by means of dual－Doppler radar retrieval in the Earth coordinate.The results reveal that：1）During the puissant phase，there were strong east by north wind centers（strong wind core）along the right or the back of the right side of strong echoes in their course，even weak wind center existed in the front of the strongest echo.The structure maintained from the lower layer to the mid－layer，thus the strong echoes corresponded to the horizontal convergence and positive vorticity，resulting in significantly upward movement which helped the development and maintenance of convection.And the clouds migrated quickly.Relative to the moving clouds，the anterior and posterior air in the mid－lower layer flowed to the strong echoes，and then converged and ascended with maximum vertical velocity between strong echo center and the wind core on its northern side.In the meanwhile，divergence appeared in the higher layer over the strong echo area，and the air mainly flowed out backward.2）During the weakening period，the weak wind center was located at the strong echo center or its north side with negative vorticity.The clouds moved slowly and the easterlies went through the clouds.The convergence over the echo area weakened and the obvious updraft appeared in the midlayer strong echo near the typhoon center.Thus the banded echo has been difficult to maintain.3）Strong wind core could transport the momentum and water vapor of weakening spiral cloud bands on the posterior side to the developing area of the banded echo；therefore the strong wind core structure was likely to be the main cause for the rapid development of banded echo.

typhoon，banded echoes，dual－Doppler radar retrieval，three－dimensional wind structure

1006－9895（2012）02－0247－12

P406

A

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.10222

羅昌榮，池艷珍，周海光.2012.雙雷達(dá)反演臺(tái)風(fēng)外圍強(qiáng)帶狀回波風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征研究 ［J］.大氣科學(xué)，36（2）：247－258.

10.3878／j.issn.1006－9895.2011.10222. Luo Changrong，Chi Yanzhen，Zhou Haiguang.2012.Characteristics of 3－D wind structure of typhoon outer intensive banded echo using dual－Doppler weather radar data［J］.Chinese Journal of Atmospheric Sciences（in Chinese），36（2）：247－258.

2010－12－27，2011－10－13收修定稿

中國(guó)氣象局氣象關(guān)鍵技術(shù)集成與應(yīng)用項(xiàng)目：臺(tái)風(fēng)多普勒雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)反演方法研究與應(yīng)用 （CAMGJ2012M25）

羅昌榮，男，1964年出生，高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星、雷達(dá)等氣象信息分析應(yīng)用研究。E－mail：luo323＠sina.com