[科普中国]-螺旋雨带

概念

螺旋雨带是指绕着热带气旋中心运动的雨云和雷暴热带气旋的结构。成熟的热带气旋都具有螺旋雨带，螺旋雨带会带来强降水。螺旋雨带在低空的涡度场上表现为螺旋式强正涡度带。

内容螺旋雨带是热带气旋最基本的特征之一， 因此它也是从卫星云图上估计热带气旋强度的主要依据。1

研究历史在早期的研究中，人们倾向于用重力波理论来解释螺旋雨带的形成和传播，但两者在移速上存在明显的差别。也有其他的研究者认为是边界层气流的结构特征激发了螺旋雨带。2

1968 年MacDonald首次提出了台风螺旋雨带和行星Rossby 波有很多的相似之处，并把它称为类似Rossby 波。 近年来他的观点被许多研究所认同，成为目前被普遍接受的概念——涡旋Rossby 波。3

涡旋Rossby 波的形成和传播机理和行星Rossby 波很类似，都是基于涡度守恒原理。产生行星Rossby 波的原因是在自转涡度存在经向梯度的地球上要保持绝对涡度守恒。 产生台风涡旋Rossby 波的机理是由于台风中存在相对涡度的径向梯度。 台风中的径向涡度梯度起了与行星Rossby 波中地球自转涡度经向梯度相类似的作用。 余志豪对涡旋Rossby 波的动力学机理进行了全面的介绍，这里不再重复。4

虽然理论上对台风螺旋雨带的机理已有了新的认识，但是对它的实际发展过程及其动力学和热力学结构还了解得很少，因为已有的研究大多是基于理想物理模型的理论研究和少量的雷达观测研究。 高度概括的理论模型虽然可以揭示产生螺旋雨带最本质的物理机制，但无法详细地具体揭示螺旋雨带中发生的各种动力学和热力学过程和结构，如实际的台风中存在的大、中、小多种尺度运动之间的相互作用和云物理过程、边界层过程等等，而这些过程在台风中都非常强烈。 Gall 等人从3 个强飓风的雷达回波图上发现，在飓风中存在一些尺度为10km 的小螺旋带； Reasor 等人通过Doppler 雷达观测反演的三维风场则发现，飓风中沿方位角的波动具有涡旋Rossby 波的特征。 但是，正如Reasor 所说的，虽然这些研究揭示了很多涡旋Rossby 等人波的特征，但是要研究涡旋Rossby 波详细的过程，必须用高时空分辨率的包含各种物理参数的数据集，而它只能由包含全物理过程的接近真实大气的数值模式才能产生。

近两年国外对螺旋雨带的数值模拟研究已在进行，如Wang用一个静力原始方程的热带气旋模式对理想气旋进行了数值模拟，分析了热带气旋内区的不对称结构，发现对流层中下层气旋内区的不对称结构是由一波和二波的涡旋Rossby 波造成的。5 Chen 等人通过PSU-NCAR 的非静力中尺度模式MM5 对修正的初始轴对称的Andrew(1992)飓风进行了模拟，发现螺旋的位涡带的移速和涡旋Rossby 波的理论值一致。6

气候特征螺旋雨带是台风有别于温带气旋的主要特征之一。同时又与台风的主要灾害之一——暴雨紧密关联。所以螺旋雨带的形成和维持的机理以及它与台风强度和路径等的关系都是台风研究中受到关注的科学问题。因为螺旋雨带存在一些类似于重力惯性波的特征。

螺旋雨带的水汽主要来自1 km 以下，而且来自外侧的空气具有明显的对流性不稳定， 它为螺旋雨带的发展提供了不稳定能量；而螺旋雨带内侧的空气属于中性层结，说明不稳定能量已经释放。 螺旋雨带外侧辐合气流中气压梯度力使气流加速在螺旋雨带的外侧形成中尺度强风带。7

在9～13 km高空范围内，冰晶的非均质核化非常活跃，冰晶转化率高于台风眼壁暴雨数倍，但是冰晶通过贝吉龙过程生长为雪、雪通过凝华增长生长为霰的过程相对台风眼壁很弱，螺旋雨带雨水形成微物理机制以霰粒子融化成雨水(pgmlt)为主，冰相粒子转化率大值区位于垂直上升气流大值区，8 km高度霰收集雪(dgacs)干增长是最主要的冰相粒子生长过程，与北方层状云比较，螺旋雨带暴雨冷云中的凝华过程和撞冻过程非常活跃。螺旋雨带云水凝结过程呈双峰型，位于7～8 km高度冷云区的云水凝结峰值较大，暖云区0.5～1.5 km高度云水凝结峰值次之。8

螺旋雨带内部强回波区的低层有强辐合区，最大辐合超过-15×10-4 s-1；雨带的高层以辐散气流为主。雨带内部上升和下沉气流共存，最大上升气流为4 m/s，最大下沉气流超过-1 m/s。在沿着风暴中心的垂直剖面内，螺旋雨带外侧低层有较强的内流，气流从雨带外侧低层进入，最强内流位于1 km高度以下;雨带内侧有明显的外流。两支气流在雨带强回波区辐合，水汽在此处辐合抬升；这种动力结构对于强降水的维持具有重要作用。切向速度呈逆时针旋转，最大速度在3 km高度层，速度值随高度的增加逐渐减小。9

形成原因台风中的螺旋云雨带（台风螺旋雨带）是由多种探测手段被观测到的现象，是为大家所共识的不争事实。但是，对它的形成、维持的理论解释，虽有多种学说，但一直以来人们都倾向于重力惯性波说。而重力惯性波说有一个致命的弱点，即波的相速理论值为101 m/s量级，它要比螺旋云雨带实测移速只有100 m/s几乎大一个量级。于是从前几年开始，人们又回到30多年前提出的涡旋-Rossby波说那里去寻找合适的解释。经典的Rossby波是β=(df/dy)作用的大尺度波动，，而适用于台风中螺旋云雨带的涡旋--Rossby波乃是f平面(β=0)上的中尺度波动。

从动力学等价原理上，对此作统一联系的说明：台风基本气流的涡度随径向(r)变化的梯度(d)/(dr)=(1)/(r)(?)/(?r)(rλ)，在动力学上等价于科氏参数f随纬度变化的梯度即β=df/dy；或者说它们在绝对涡度守恒的前提下，作为波扰动的成波机理是等价的。4

严格来说，螺旋雨带分为内外雨带，且内外雨带的结构特征、形成机制都不尽相同。内雨带通常活跃在眼壁外的快速涡丝化带中，而外雨带则活跃在3倍最大风半径外区域。内雨带具有对流耦合涡旋Rossby波特征。外雨带的移动与低层风矢量有关，即沿着轴平均低层风和下沉运动导致的边界层冷池产生的径向向外跨雨带非对称风矢量移动。外雨带中的对流单体呈现典型的对流系统特征，在较大（小）半径处切向方向气旋式运动，径向上向外（里）移动。向上的净垂直质量输送在内雨带区域贯穿整个对流层，而在外雨带区域向下的净质量输送出现在4km高度以下。在内雨带区域仅只有非常浅薄的净水平辐合层位于2-km以下，外雨带区域则在7.5km高度以下为净辐合，以上为净辐散。内雨带中存在两个切向风大值区，一个位于入流边界层顶，另一个位于出流层底。在外雨带内侧边缘4km高度存在次级水平风大值。外雨带上游、中游和下游部分的结构也存在明显差异。控制试验中模拟的外螺旋雨带通常在60km半径（约为3倍最大风半径）附近生成，生成后它们通常以约5m s-1的速度径向向外传播。外雨带的生成呈显准周期性，周期约为22-26小时。内雨带与对流耦合的涡旋Rossby波有关，因此其生成主要是涡旋Rossby波的激发，但外雨带的形成则更为复杂。外雨带生成位置主要由快速涡丝化过程对深对流的抑制作用同触发深对流所需动力和热力条件之间的平衡所决定。外雨带的准周期活动与边界层从对流消耗CAPE以及对流下沉的影响中恢复过程有着紧密关系。一旦外雨带生成，雨带中的对流会产生强烈的干冷下沉运动并消耗CAPE，这将减弱外雨带生成位置附近的对流。随着外雨带向外传播以及对流消亡，外雨带生成附近的边界层通过从洋面吸收能量历经大约10小时逐渐恢复，此后新的对流和外雨带将生成。然后上述物理过程重复发生，形成外雨带的准周期活动。随着外雨带的准周期活动，模拟的热带气旋强度也经历类似的准周期振荡，其强度或增强率在外雨带生成后约4小时开始减小。10

模拟研究螺旋雨带是台风的基本特征之一。 近年来螺旋雨带发生机理的涡旋 Rossby 波理论已得到普遍的认同，但对螺旋雨带的内部结构还没有详细的研究。

利用 MM5(V3)对2002 年 8 月给厦门带来特大暴雨的强热带风暴 Kammuri 的螺旋雨带作了数值模拟。结果表明，模拟螺旋雨带沿方位角的移速与涡旋Rossby 波的理论波速一致，并伴随着能量在径向的频散。从模式输出的高分辨率的多种物理参数数据集中分析出的螺旋雨带结构表明， 台风中的气旋式涡度、垂直运动、水平动量等都高度集中在螺旋雨带中。并进一步指出，螺旋雨带的水汽主要来自 1 km 以下，而且来自外侧的空气具有明显的对流性不稳定，它为螺旋雨带中对流的发展提供了不稳定能量。螺旋雨带内侧空气的层结是中性的，说明不稳定能量已经释。 螺旋雨带的外侧存在风速高达 30 m/s 以上的中尺度强风带，它的产生和外侧的空气向螺旋雨带流入时气压梯度力所起的加速作用有关。

研究还表明，台风中的螺旋雨带和强正涡度带或位涡带有很好的对应关系，螺旋雨带和强正涡度带无论在移动上还是空间分布上都比较一致。7

应用1、分析台风螺旋雨带的维持和移动等特点，阐述台风螺旋雨带在台风各个象限的移动特征，指出台风移动和螺旋雨带自身沿切线方向向外扩张的反向运动相互制约而导致台风螺旋雨带相对静止是该地区出现大暴雨的主要原因之一。11

2、利用双多普勒雷达三维风场反演技术对双雷达时间同步探测资料进行风场反演，可研究螺旋雨带的三维风场结构，并获得相关的科研资料，对天气预报具有一定的帮助。12

3、利用1°×1°的NCEP/NCAR再分析资料，应用非静力中尺度模式WRF对0601号台风"珍珠"进行数值模拟，研究暴雨的成因以及螺旋雨带内部结构特征。数值模拟结果表明，台风中的气旋式涡度、垂直运动、动量和热量都集中在螺旋雨带中。进一步研究指出，螺旋雨带上空高层的强辐散与中低层的强辐合相配合产生的强烈"抽吸作用"、螺旋雨带两侧的干中心挤压螺旋雨带产生的"毛细效应"都导致了低层高湿空气加速向上输送，有利于对流的发展，这也是台风螺旋雨带得以维持的主要原因。13