[科普中国]-台风眼壁

台风眼壁是台风结构最重要的部分，台风形成12级以上的最强狂风、暴雨和高达10m以上的怒涛主要发生在眼壁区内。

概念在台风眼壁区内还会出现龙卷风、闪电、雷暴，有时还伴有冰雹。台风眼壁外围是台风螺旋云带，即外围的大风区和降水区，因其范围很广、形式多样，是台风结构的一个非常重要特征，其降雨强度和时间随云带发展范围和强度不同而不同，也是判断热带气旋强度能否发展加大的重要标志。

台风眼壁及周围螺旋云带云属性垂直分布研究台风是一种破坏力较强的灾害性天气系统，常伴有强大的风力和降水，能够造成巨大的生命和财产损失。国内外许多学者对台风成因、天气动力学结构特征、移动路径、登陆过程等方面进行了很多研究。然而，由于以往洋面观测资料稀少，加之传统卫星仪器设备的局限，难以获得台风云系的垂直结构。2006年CloudSat卫星发射成功，弥补了常规布网雷达和卫星对云内部垂直信息观测的不足。在2008年对云探测卫星CloudSat及其搭载的探测仪器做了介绍，并着重介绍了CloudSat卫星的主要产品及可能应用情况，肯定了其产品的重要应用价值。利用CloudSat卫星资料并结合地面雨量站资料验证了雷达反射率因子阈值法识别降水云方法的合理性和可行性。用CloudSat2B-CWC-RO产品分析台风“艾云尼”云结构发现，台风云系零度层所在高度约为5.0km，冰粒子数浓度呈现由高层向低层不断减小的趋势。CloudSat同Aqua、CalipSO等A-Train卫星群成员一起，以微波、红外波、可见光对大气环境进行主动和被动测量，从而获得更多以往无法取得的云微观粒子的信息在研究云属性方面起关键作用。

通过模型模拟试验发现，如果飓风云上部无冰相存在，那么飓风结构将会不同，且液相转化成冰相的高度也是决定飓风动力学特征的主要因素。台风云中冰相粒子对热带气旋动力学特性影响显著，通过分析台风“罗莎”冰云对其降雨机制的响应发现，即使不考虑冰云的微物理特性，如果台风云中没有冰相粒子存在，那么平均近地表降水率将减小。采用SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)等观测数据进行研究发现，热带气旋中的液态水和冰水的总量与台风的未来强度有正相关的关系。可见云水粒子活动是影响台风活动的重要内因之一。然而由于卫星恰好监测到台风中心的案例很少，已有的研究多是针对很少的几次台风进行的，如采用飞机采样数据所做的研究，或者花丛等，利用CloudSat和其它A-Train卫星群数据产品分析发现，在近台风眼壁云系中冰粒子尺度和冰水含量随高度增大逐渐减少等重要信息。

研究针对7个CloudSat监测到的发生在太平洋上的热带气旋案例，针对台风眼壁及周围螺旋云带，着重分析了云中冰水液态水微物理属性，归纳揭示其垂直分布规律，并对热带气旋中心区域/台风眼壁及周围螺旋云带的云高、降雨高度和降雨率等进行分析，以期深人了解热带气旋云的内部结构及其发展演变过程，为数值模拟和检验热带气旋云物理过程及台风预报提供参考依据。

数据和方法（1）CloudSat热带气旋卫星数据产品

CloudSat热带气旋卫星数据集包含距热带气旋中心1000.0km以内的所有Cloudsat过境轨道信息，依据年份和所发生的海洋区域编号存储。数据集包含2006年6月—2010年12月4日所有热带气旋过境轨道，共有6349条CloudSat过境轨道，其中最佳的过境轨道数据被用来计算相应热带气旋的经纬度、最大风速、气压、风切变和气旋中心的海表温度，当热带气旋季结束后这些信息将会被添加到每一个过境轨道信息中变为可用信息。

CloudSat热带气旋卫星数据产品结合了CloudSat、MODIS、AMSR-E、NoGAPS、ECMWF观测信息和距气旋中心1000km以内最佳过境轨道的热带气旋信息。美国海军研究实验室(Naval research Laboratory，NPL)和CloudSat DPC(Data Processing Center)联合反演该数据产品。当CloudSat扫描到一个热带气旋时(距热带气旋中心1000km以内)，海军研究实验室会使CloudSat的扫描轨道覆盖到MODIS、AMSR-E及其它卫星图像观测仪上，进行3-D截厩分析并制作被扫描热带气旋的2-D卫星影像产品。一般CloudSat过境热带气旋十天后，经海军研究实验室制作的数据文件就能通过自动化系统对用户释放，一个数据文件包括CloudSat过境时间、雷达反射率和AMSR-E、NoGAPS及其它CloudSat数据产品。

CloudSat热带气旋卫星数据产品中每个TC(Tropical Cyclone)hdf文件具体包含以下数据信息：Best Track data；2B-GEOPROF；MOD06-5KM-AUX：2C-RAIN-PROFILE(2C-PRECIP-COLMMN)；2B-CWC；2B--CLD-CLASS；ECMWF-AUX；2B-GEOPROF-LIDAR。

（2）方法

本研究基于CloudSat CPR(Cloud Profiling Radar，云廓线雷达)观测到的热带气旋，以CPR扫描到热带气旋中心或接近热带气旋中心为基准，从2006--2010年CPR过境太平洋的热带气旋中挑选出7个案例。表1列出了所选热带气旋及所选过境轨道的轨道号、日期、过境轨道距离气旋中心最小距离、风速、过境处气压。过境轨道距离气旋中心最小距离指的是气旋中心与CPR光束的最近距离。

CloudSat热带气旋卫星数据产品的每个热带气旋过境轨道都包含一个hdf文件，本文所用的其中的数据产品、相应数据来源及产品描述见表2。CloudSat卫星轨迹有升、降轨之分，这一区别在7个轨道雷达反射率、云分类和云微物理量垂直剖面图上表现为经度、纬度对应方式的不同。

需要说明的是，云水数据集包含两种：2B—CWC-RO产品(The CloudSat Radar-Only Cloud Water Content Product和2B-CWC—ROVD产品(The CloudSat Radar+Visible Optical Depth Cloud Water Content Product。两种产品反演算法的区别在于有没有利用可见光学厚度。云粒子尺度、粒子数浓度等微观属性的不同，使毫米波和激光雷达测量的后向散射强度不同。由于CPR工作波长为3mm，使得其对云滴等液相粒子的探测能力较差，所以2B-CWC-RO产品中液相粒子数据缺失较多。在反演2B-CWC-ROVD产品时引进了来自其它卫星获得的可见光学厚度数据，因此可以较好地推算出云中液态水含量。研究采用2B-CWC-ROVD数据产品。

云分类(2B-CLDCLASS)产品的CloudSat算法把空间主动(CPR和CALIPSO雷达1和被动远程遥感(MODIS)数据结合起来将云分成8类：层云(St、层积云(Sc)、积云(Cu)、积雨云(Ns)、高积云(Ac)、高层云(As)、深对流云(Deep)和高云(High)。

结果分析与讨论Cloudsat是极轨卫星，无法持续观测同一热带气旋同一部位的发展情况，虽然如此，研究针对Cloudsat卫星恰好监测到热带气旋中心的7个案例进行分析，通过研究多个不同发展时期的热带气旋，归纳并揭示台风眼壁及周围螺旋云带的云微物理属性的垂直分布规律。本研究所选的7个热带气旋案例中，CloudSatCPR扫描到每个热带气旋时，它们所处的发展阶段并不相同，“桃芝”、“浪卡”和‘‘灿都”分别处于热带低压形成期、热带风暴时期和强热带风暴(由台风减弱为强热带风暴)时期，“派比安”、“蔷薇”和“卢碧”处于台风时期，“彩云”处于超级台风时期(表3)。这里的发展时期是指国际气象组织按照风速将热带气旋划分的6个等级：热带低压(TD)、热带风暴(Ts)、强热带风暴(STS)、台风(TY)、强台风(STY)、超强台风(SuperTY)。

对“桃芝”、“浪卡”和“灿都”的分析“桃芝”、“浪卡”和“灿都”(图1)都是Cloudsat CPR扫过气旋中心的热带气旋。由于CloudSat扫描过境时这三个热带气旋所处的发展时期分别为热带低压形成期、热带风暴时期和强热带风暴时期，这时的气旋未形成螺旋云带或螺旋云带不完整，但仍能从中得到类似“台风眼”的“风暴中心”云系信息。

CloudSat在2007年7月2日扫过‘‘桃芝”的风暴中心，此时‘‘桃芝”尚处于发展最初期，强度甚至还未达到热带低压级别。可见光云图(图1a)、雷达反射率剖面图和云分类产品图(图2)显示气旋发展云团主要集中在风暴中心以南。“桃芝”风暴中心的周边区域反射率并不是很高，风暴中心的近表层云被归类为层积云和积云，中层的云块为高层云，风暴中心上部存在卷积云，左边云团为深对流云。

CloudSat在2009年6月25日扫过“浪卡”的风暴中心，过境时“浪卡”正处于热带风暴时期，可见光云图(图1b)显示其螺旋云带正在形成，其风暴中心附近最高风速估计达23.1m/s。“浪卡”于23日上午增强为热带风暴，25日凌晨强度达到顶峰。与“桃芝”类似，过境时“浪卡”云系主要集中在风暴中心以南(图1b)。“浪卡”风暴中心的周边区域反射率明显较高，风暴中心的近表层云为层积云，中层云块为高层云，上部存在卷积云覆盖，左侧云团为深对流云，低层云为深对流云。

CloudSat在2010年7月22El扫过“灿都”的风暴中心，此时“灿都”已由台风减弱为强热带风暴，其螺旋云带正逐渐消失(图1c)，但扫描轨道的右下方仍存在正在消失的螺旋云墙。CloudSat观测到风暴中心上方存在卷积云覆盖，风暴中心周边云系为深对流云(图2)。

从“桃芝”、“浪卡”和“灿都”的云微物理属性来看，云系中冰水分布高度为5km以上，液态水分布高度为0.5~9.0km；冰粒子等效半径(IER)随高度的增加呈减小趋势，冰粒子数浓度(ONC)随高度的增加呈增大趋势。正处于热带低压形成期的“桃芝”，其冰粒子等效半径、冰粒子数浓度和冰水含量的大值区分别分布在风暴中心以南(图1a)主云团5～10km、13km以上和9~15km的高度；液态水分布规律不是很明显；但“桃芝”的液态水含量最大值达2029.0mg/m3，是研究案例监测到该参量的最大值。“浪卡”正处于其整个发展过程的鼎盛时期，虽然其南北云团(图1b)发展不均匀，但冰/液态水粒子等效半径(LER)、冰/液态水粒子数浓度(LNC)、冰/液态水含量(1WC/LWC)的大值区均分布在风暴中心左边附近区域，且冰水参量值随距风暴中心距离的加大而减小；其中冰粒子等效半径、冰粒子数浓度、冰水含量大值区分别分布在云体的5～10km、12km以上和8～12km的高度。降为强热带风暴的“灿都”，风暴中心区域存在冰粒子等效半径的大值区，但中心区域冰粒子数浓度和冰水含量值很小，三个冰粒子参量大值区分别分布在云体的5～10km、风暴中心左边大块云系的上部13km以上、10~13km左右的区域；液态水粒子等效半径、液态水粒子数浓度和液态水含量在风暴中心区域存在明显的大值区，分别分布在4-9、3-6和5-6km的高度上；其中冰粒子数浓度小于695个/1，冰水含量小于1912.0mg/m3。

由‘铫芝”、“浪卡”和“灿都”沿轨的各种参数（来自AMSR、CPR和MODIS)图显示，三个热带气旋风暴中心区域的云高并不是云体的最大高度，其降雨高度分别于8km、7km、11km。近地表降水率最高峰值估计分别达19.9、15.0、21.1mm/h，垂直降水率小于5.5、11.3、6.1mm/h。冰水柱含量分别小于8.3、4.4、7.6kg/m2；液态水柱含量(IWP)分别小于2.6、2.7、2.2kg/m2，其中“灿都”液态水柱含量(LWP)在风暴中心区域存在高峰值。

Cloudsat扫描过境上述三个热带气旋时，虽然扫描到了热带气旋中心，但当时热带气旋并不具备明显的螺旋形特征。但Cloudsat扫描过境“派比安”、“蔷薇”、“卢碧”和“彩云”时，这些热带气旋正处于台风或强台风时期，Cloudsat观测到了明显的台风眼。下面将详细分析这四个案例的台风眼及周围螺旋云带的云属性。图3为四个热带气旋在太平洋上的卫星云图，图4为垂直反射率(左边)及云类型(右边)剖面图。

云微物理属性垂直分布概念模型及结论通过对CloudSat卫星监测到的7个热带气旋进行研究，得到热带气旋中心及周围区域的云微物理属性垂直分布概念模型。

(1)云中冰水分布在5km以上高度。冰粒子等效半径随云高度增加呈减小趋势，大值区分布在云体5～10km高度，7个热带气旋的最大值为171.7～226.6μm；冰粒子数浓度随云高度增加呈增大趋势，大值区分布在云体13km以上高度，7个热带气旋的最大值为550--2148个/1；冰水含量随云高度增加呈先增后减的趋势，大值区分布在云体8～15km高度，7个热带气旋的最大值为986.0~4009.0mg/m3，其中处于台风阶段的“蔷薇”和“卢碧”眼壁区域的冰水含量随高度增加呈明显增大趋势，其大值区分布在云体约13km以上高度。

(2)云中液态水分布在0.5～9.0km高度。液态水粒子等效半径大值区分布在云体3~9km高度，7个热带气旋的最大值为19.1～29.4μm；液态水粒子数浓度大值区分布在云体6km以下高度，7个热带气旋的最大值为93-117个/1；液态水含量大值区分布在约5km高度，7个热带气旋的最大值为659.0~2029.0mg/m3。

结合CloudSat和其它A-Train卫星监测到的7个热带气旋进行研究可知，在台风或超强台风阶段，云体最大高度存在于台风眼壁区域，眼壁云高高达16.8～17.8km；近地表降水率、冰水柱含量的高峰值大多存在于台风眼壁区域，其中眼壁区域的近地表降水率可超过20.0mm/h，冰水柱含量可超过9.1kg/m2。热带低压形成期、热带风暴和强热带风暴时期，热带气旋云中冰水柱含量在8.3kg/m2以下。7个热带气旋的垂直降水率和液态水柱含量值分别在11.3mm/h以下、2.7kg/m2以下。1

台风眼壁的云结构与降水形成机制分析风是具有暖心结构的强烈涡旋，台风眼壁对流发展旺盛，常常形成耸立的云壁，并出现强降水中心。对飓风Humberto云微物理特征进行了观测研究，研究结果表明，由于强烈的上升运动，在高空低于－35℃的温度下冰晶的均质核化过程很活跃。使用MM5模式研究了Nari（2001）台风的微物理过程，发现台风登陆前凝结及凝固潜热释放主要发生在台风眼壁的中至高层大气，冰相粒子（雪花和软雹）和雨水转化率大值区集中在台风眼壁及螺旋雨带；台风登陆后，凝结及凝固潜热释放主要发生在台风眼壁的低至中层大气，冰相粒子和雨水转化率大值区集中在台风眼壁。

在其他有关台风微物理过程和动力过程的研究中，台风眼壁也常常被做为研究的重点区域，但是关于台风眼壁云结构和降水形成机制的研究还不是很多。研究云结构和降水形成机制，对于了解台风强降水的形成，提高降水定点、定量预报具有重要意义。

研究使用带有详细微物理过程的ARPS（Advanced Regional Prediction System）模式，对台风韦帕进行三重嵌套细网格模拟，利用模式结果，对台风眼壁强降水中心的云结构和降水形成机制进行分析。

“韦帕”登陆活动简介0713号热带风暴韦帕于2007年9月16日00UTC在西北太平洋洋面上生成，生成后向西北方向移动，16日18UTC加强为台风，17日10UTC加强为强台风。17日18UTC在台湾以东洋面加强为超强台风，中心附近最大风力16级（55m·s－1），并逐渐向浙江沿海靠近。18日12UTC减弱为强台风并于18日18：30UTC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－1）。登陆后，强度迅速减弱。18日21UTC进入福建减弱为台风，23UTC减弱为强热带风暴。19日00UTC进入浙江并于03UTC减弱为热带风暴，“韦帕”在浙江滞留约15小时30分钟之后，先后经过安徽、江苏，于19日23UTC时前进入黄海。“韦帕”北上穿过山东半岛东部后，在黄海北部变性为温带气旋。

模式、模拟方案（1）模式、模拟方案简介

使用ARPS模式进行三重嵌套模拟，模拟区域和模拟的台风移动路径如图5所示。三层网格格距分别为27km×9km×5km，第三层区域关闭了积云参数化方案，仅采用了Lin-Tao冰相微物理显式方案，并输出云微物理过程产生量；网格区域中心为（31°N、120°E），垂直31层，垂直格距500m。边界层参数化方案采用Blackadar方案；侧边界采用时间可变结合Radiation侧边界方案。

模拟利用NCEP逐6h全球最终分析资料（FNL）与MICAPS系统下全球地面资料和探空资料进行四维同化作为初始场和侧边界，每6小时利用实测雨带反插调整模式初始水汽场。

（2）利用实测雨带反插调整模式初始水汽场方法简介

对台风过程进行数值模拟，一般采用两种方案，一种没有人工干预，即采用Bogus技术，将模式起报时台风中心位置、中心气压订正到初始场，Bo-gus技术在一定程度上弥补了台风内部资料的缺乏。另一种方法是采用人工干预，每隔一定时间对模式初始场进行调整，以确保模拟结果与观测结果尽可能一致。

（3）数值模拟结果检验

经与国家气象中心客观定位路径比较，模拟的台风中心登陆地点稍偏南，但台风中心移动情况与客观定位非常接近，ARPS模式成功地模拟出0713号台风的登陆与登陆后的北移。模式海平面台风中心强度和实况对比显示，模式海平面台风中心强度比实况稍偏弱，最大相差11．6hPa。模式6小时累积降水量与实况对比显示，ARPS模式成功地模拟出6小时累积雨带的范围、强度及结构，模拟的台风6小时强降水中心的强度和位置与实况比较一致，说明采用实测雨带反插调整模式初始水汽场方法提高了模拟结果的准确性，模式结果能够反映大气的基本状况和规律，可以用模式结果分析台风云微物理过程及动力、热力过程。图6为2007年9月19日00UTC模式6小时累积降水量与实况对比，围绕台风眼有两个强降水中心，东北方向50mm强降水中心位于（29．5°N、121．8°E），西南方向70mm强降水中心位于（28．3°N、120．4°E）。

台风眼水物质垂直平均值水平分布ARPS模式Lin-Tao冰相微物理方案包括6种水物质，即水汽（qv）、云水（qc）、雨（qr）、冰晶（qi）、雪（qs）、霰/雹（qh），将6种水物质的格点比含量进行垂直平均（简称水物质垂直平均值），得到2007年9月19日00：00UTC台风眼水物质垂直平均值水平分布情况（图7）。图中可见，台风眼结构清晰，台风中心位于（27．5°N、120．5°E）。

台风眼周围水物质比含量都比较大，与50mm强降水中心（29．5°N、121．8°E）对应的冰晶、雪和霰比含量均较大，云水和雨水比含量也较大，水汽含量丰富。与70mm强降水中心（28．3°N、120．4°E）对应的霰和雪比含量较大，但是云水和冰晶比含量较低，云水转化率几乎为零。雨水（qr）垂直平均值水平分布显示，（29．5°N、121．8°E）点雨水比含量较大，而（28．3°N、120．4°E）点则较小。

台风眼热力和动力场垂直结构沿27．5°N做纬向剖面，给出台风眼热力、动力场垂直结构。台风眼右侧为上升气流，垂直上升速度最大达到3m·s－1，左侧为下沉气流，最大达到2m·s－1，台风眼中为下沉气流，位温曲线显示台风眼为暖心结构。

研究结论对上述分析总结如下：冰相微物理过程是启动和形成台风眼壁暴雨的主要机制。在9000～14000m高空，云水在很低的温度下均质核化产生冰晶，或经非均质核化形成云冰；冰晶通过凝华增长（psfi贝吉龙过程），雨水收集云冰产生雪（praci）和冰晶粘附雨水成雪（piacr）过程生长为雪；霰产生主要包括4个过程：冰晶接触雨水使其成霰（piacr），雪撞冻云水使其成霰（psacr）和雨水收集云冰转化成霰（praci）或雨水冻结为霰（pgfr）；霰粒子通过收集云冰干增长（dgaci），霰撞冻云滴增长（dgacw）等过程生长；霰融化（pgmlt）和雪融化（psmlt）成雨水后再通过碰并云水等暖云生长过程，最后形成雨水。

霰过程的强弱在雨水形成机制中很重要。（29．5°N、121．8°E）和（28．3°N、120．4°E）强降水中心冰晶转化率没有太大差别，但是（29．5°N、121．8°E）强降水中心上空冰晶通过贝吉龙过程快速成长为雪和霰，霰粒子增长过程远远强于（28．3°N、120．4°E）强降水中心，低空又有较高的云水转化率，使降水粒子在暖云中继续快速生长，冷暖云过程的有利配置使位于（29．5°N、121．8°E）中心出现较强雨水转化率。2

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学