论文总字数：20315字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1引言 3

2资料和方法介绍 5

2.1资料介绍 5

2.1.1 CloudSat卫星资料介绍 5

2.1.2 TRMM卫星资料 7

2.2 方法介绍 7

3 热带气旋过程中对流云特征分析 8

3.1个例介绍 8

3.2 热带气旋发展演变过程中对流云特征分析 11

3.2.1 热带气旋发展阶段云特征分析 12

3.2.2 热带气旋成熟阶段云特征分析 14

3.2.3 热带气旋消亡阶段云特征分析 17

3.3 热带气旋发展演变整个过程降水分析 20

4 结论与讨论 22

参考文献 23

致谢 25

热带气旋发展演变不同阶段对流云特征研究

王馨汐

，China

Abstract：Using datasets of CloudSat satellite observations and data from the Tropical Rainfall Measurement Mission satellite’s Precipitation Radar, analyzing meteorological factors, cloud microphysical parameter, the radar reflectivity and precipitation of the number 10 Tropical Cyclone(TC) in 2015, “LINFA”, in different developing stages, we discover the law of convective clouds structure in different stages of TCs. The conclusions statistics showed are as follows. During the developing stage of the TCs, the radar reflectivity and the temperature in low-level is small and low while a large amount of small scale particles generating in high-level and radial outward spreading in the center of tropical cyclone due to the strong updraft flow. At the same time, the spiral rainband begin forming because of the updraft flow and weak rotation of storm system. As the center of TCs is clear sky region with downdraft flow and the updraft flow in the eye wall is well-developed, the radar reflectivity is around 1000-2000 and the portrait distribute range in convective clouds is very deep, even deeper than 15 km at maturity stage of TC. Due to the process of condensation growth while water vapour from the ocean rising, the particles in the low-level are mainly liquid particles which have large particle effecive radius and low particle concentration while the particles in high-level are mainly ice particles which have small particle effective radius and high particle concentration. Plus, The rainfall in convective clouds in this stage is strong. In the declining stage of TCs, rare radar reflectivity is concentrated in the height of 10 km as ice water content, particle concentration and etc distribute in a far smaller range. There are still few convective clouds with small depth and strength.

Key words：Tropical Cyclone；Convective Clouds；CloudSat Satellite Observations；“LINFA” Cyclone

1引言

热带气旋（Tropical Cyclone，简称为TC）是在副热带或者热带洋面上生成的，具有暖心低压结构的强烈的气旋系统。虽然TC带来的降水能够缓解干旱地区旱情，但TC也常引起气象、地质灾害，如暴雨、大风、风暴潮及洪水、内涝、滑坡泥石流等，常常给沿海地区的人类造成生命和财产的严重损失。西北太平洋是TC在全球发生频数最多的区域，绝大多数TC都会在产生之后加强为台风，向西北或偏西路径移动，最终登陆消亡。我国有着临近西北太平洋绵长的海岸线，因此受TC影响严重。近50年来平均每年登陆我国的热带气旋达9.2个，1990年之后我国在沿海地区的经济发展迅速，每年平均因TC登陆产生的经济损失达到100亿人民币。其中因超强台风“威尔逊”（2014），“尤特”（2013）登陆造成的经济损失均达到215亿元，强台风“菲特”（2013）造成的损失更高达623.3亿人民币，并导致1216万人受灾，11人死亡，1人失踪等^[1,2]。产生于西半球大西洋洋面上的TC也同意给北美沿海国家和地区造成严重的影响，例如2005年发生的飓风Katrina就给美国造成了高达960亿美元的经济损失，同时还导致1330人失去他们宝贵的生命^[3]。而在北印度洋，强热带气旋Nargis 在2008年5月初袭击了缅甸致使8万左右人死亡，6万左右人失踪，2万左右人受伤^[4]。TC一直是大气科学领域研究人员们重点研究的对象。而由于对流云系的发展、演变在TC产生和发展过程中起着重要的作用，因此TC研究很重要的一个方面就是对流云在热带气旋发展演变中的结构变化。

科学家们很早就关注了这个问题，孔军等^[5]人早在1991年就进行了中尺度强对流云系互相作用与热带气旋生成的数值模拟，但由于海面上的观测资料稀少、处理小型物理过程时物理参数化过程不足和过粗的网格间距以致无法完全处理对流过程^[6]，云的作用问题成为研究TC领域最困难和最具挑战性的问题。2010年，张文龙等^[7]通过对台风“榴莲”在生成过程中对流层中层中尺度对流涡旋（MCV）作用进行了诊断分析，并总结出在台风“榴莲”生成中中层MCV作用的重要影响。TC在发展阶段，对流云系会大幅增加，逐渐发展为螺旋雨带。早在 70 年代，Kurihara^[8]（1976）和 Willoughby^[9]（1977）认为气旋发展出的眼壁对流激发的重力波可以形成向外传播的扰动（螺旋雨带），这些扰动的尺度约为 20-200 km。Willoughby^[10]（1978）同样发现惯性重力波形成的向内和向外传播的 Eliassen-Palm 类型的雨带，但是此类波动的相速度与实际观测的螺旋雨带移动速度不一致。Fung^[11]（1977）通过分析边界层过程发现 Rayleigh 不稳定可以产生向外传播的 Ekman 切变型带状结构，这类雨带尺度约为20-60 km，并且传播速度最后将趋于零。Gall 等^[12]（1998）发现边界层切变深对流能够激发向外传播的边界层滚涡雨带。Montgomery 和 Kallenbach^[13]（1997）认为涡旋 Rossby波也可能产生螺旋雨带，即后述的内雨带。Testud^[14] 等（1980）分析 Kelvin-Helmholtz 不稳定，发现非常强的切变条件下可以产生重力波模态的螺旋雨带，这种雨带尺度较小。Li 等^[15]（2010）发现边界层中流场翻转层的存在导致的边界层不稳定可能是内核区小尺度（6-20 km）雨带形成的关键因素。尽管有了上述这些螺旋雨带形成机制的研究结果，但用它们解释热带气旋螺旋雨带尤其是外雨带生成过程或多或少存在一定缺陷，例如早期的结果基于简单二维模式，不能较好地体现雨带具有强对流性的特征（Kurihara，1976；Willoughby，1977）^[8,9]，且惯性重力波理论不能解释外雨带较慢的移动速度；边界层不稳定激发的雨带似乎尺度较外螺旋雨带小得多，而且生成位置以及结构特征同外雨带有着显著差异。最近，Fang 和 Zhang^[16]（2012）讨论平面上外雨带的形成，随着切变逐渐增大，在热带气旋眼壁外围会有层云降水区域发展，这将有利于调节适合对流发生和组织的动力和热力条件。一方面，层云过程中中高层凝结潜热释放和低层冷却作用会在中层产生持续的正位涡增长，从而减小邻近切向风径向梯度，增加涡丝化时间，有利于对流的增长；另一方面，层云降雨区域的蒸发冷却效应减小了低层假相当位温的增长，可以通过两种方式有利于对流发展：一是使得层云附近的假相当位温梯度增大，从而有利于提供必要的抬升而激发对流，一是降低了低层稳定性从而有利于对流发生。最终对流在层云区域附近变得活跃，形成外雨带。而 Akter 和 Tsuboki^[17]（2012）对气旋 “Sidr” 的准静止的外雨带形成过程的分析表明气旋的移动是雨带形成的一个可能因素。由于在 “Sidr” 周围存在非均匀环境流，雨带形成于内侧弱切变梯度风和外侧强切变非梯度风边界之间。跨雨带梯度西风和非梯度南风的相互作用产生低层辐合，从而激发对流。气旋向北的移动使得上述辐合区域逐渐变长，南风饱含水汽也使得对流单体逐渐加强并维持，形成雨带。李青青^[18]在2013年分析了内雨带和外语带的生成机制和结构的异同点。端义宏等^[19]（2014）分析了2009年台风“莫拉克”登陆前对流云降水的三个过程：层状云降水、对流性降水和眼壁对流性降水。在层状云降水阶段，降水粒子少，缺少破碎机制；在对流性降水阶段，云中存在冰相融化过程，同时水滴碰并破碎机制很活跃。因此在热带气旋发展增强阶段，对流云旺盛，易有降水。

而随着卫星遥感技术的迅速发展，近年来利用气象卫星数据和资料集对热带气旋中心位置、气旋强度和云体结构等信息的研究进一步增加。严卫等^[20]利用2006—2010年CloudSat热带气旋过境资料数据集定量分析了大西洋地区热带气旋的云、热力结构和降水等气象要素在不同演变阶段内的分布特征。韩丁等^[21]则利用了CloudSat热带气旋过境资料数据集根据风速的大小对发生在东太平洋上的台风划分出了不同的发展演变阶段，同时针对各阶段的云、降水、热力结构等气象要素进行了综合分析。Yokoyama和Takayabu^[22]则利用了1997—2003年的热带降水卫星（TRMM）的资料定量分析了热带气旋三维降水结构的主要特征。刘喆等^[23]则利用TRMM卫星资料分析了西北太平洋各等级热带气旋降水的分布特征。此外，也有很多学者利用辐射计、静止卫星红外云图、可见光甚至掩星资料等来估算热带气旋的强度和热力结构特点^[24-26]。TRMM等卫星资料和数据集毫无疑问地为研究热带气旋云、降水和热力结构等奠定了坚实的基础，但无论运用的是被动型的可见光、红外或者微波探测器还是主动型的测雨雷达，有限的探测灵敏度都无法使人获得详细的热带气旋内部的云微观结构参数，如云的相态、类型、边界高度、水含量、数浓度及粒子有效半径等参量。而在CloudSat卫星上搭载的94 GHz云廓线雷达（CPR）不仅可以帮助人们探测出从薄云到浓厚云的垂直剖面特征，而且还能反演出剖面上显示的云的宏观微观物理参数，这为探究热带气旋内部云结构特征提供了丰富的可用数据。因此，本文在前人研究的基础上利用TRMM卫星数据和CloudSat卫星数据根据热带气旋发展不同阶段，详细分析热带气旋中云体结构和演变特征。

2资料和方法介绍

2015年第10号热带气旋—“莲花（LINFA）”给菲律宾及我国广东省带来人员和财产损失。本文利用TRMM和CloudSat卫星数据以及ECMWF数据等对这次热带气旋发展不同阶段的云系结构和演变特征进行分析。

2.1资料介绍

2.1.1 CloudSat卫星资料介绍

2006年4月18日，美国NASA宇航局研发的CloudSat卫星在加利福尼亚空军基地成功地发射。发射CloudSat卫星是美国国航局“地球系统科学探路者”计划中非常重要的一项任务，其主要目的就在于提供云垂直结构的直观观测数据。CloudSat卫星发射的主要科学目标是：1）能帮助定量评估气候和天气预报的质量。CloudSat卫星能够提供全球范围内所有云系的垂直结构探测，这将帮助人们认识云对大尺度大气以及云对辐射环境的影响机制；2）能帮助定量地评估所有云系垂直剖面中液态水和冰水含量与该云所产生辐射之间的关系。CloudSat卫星不仅能提供云中液水和冰水含量的宏观垂直剖面图，还能提供关于云体内的微物理特征以及热力结构等信息；3）能帮助定量地评估已有卫星资料反演出的云体特征，帮助人们进一步发展遥感观测云体的方法；4）能帮助增强人们对气溶胶与云系间相互作用的认知水平。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：20315字

相关图片展示：