2020, Vol. 40
2. 南京信息工程大学，江苏 南京 210044;
3. 新疆维吾尔自治区气象台，新疆 乌鲁木齐 830002
2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
3. Xinjiang Uygur Autonomous Region Meteorological Observatory, Urumqi 830002, China
台风是产生暴雨的重要天气系统，强台风发生时常带来极端性降水，易发生雷暴、大风、龙卷等灾害，严重威胁人民的生命财产安全[1-3]。由于台风登陆后与中纬度系统之间复杂的相互影响，台风移动路径及强度的准确预报仍是目前预报的难点，也是防灾减灾迫切需要解决的问题。台风暴雨落区主要受台风内部涡旋结构影响，因此，对台风内部结构的准确探测显得尤为重要[4-6]。星载测雨雷达可以不受下垫面地表类型和太阳辐射的影响，主动探测云和降水的三维结构，是对地基雷达和被动式卫星遥感观测的有效补充，更有助于了解降水内部垂直结构[7-15]。
全球降水测量计划GPM(Global Precipitation Measurement)是继TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)之后新一代全球卫星降水产品，观测范围为南北纬65°之间，每3 h获得一次全球降水分布数据资料，其所搭载的双频降雨雷达DPR相对于TRMM上的PR有所改进。GPM从2014年3月开始提供数据产品，近年来关于DPR资料的相关研究成为了降水观测领域的热点内容，目前山东地区还没有利用GPM数据进行相关分析[16-21]。唐国强等[22]对GPM所提供的算法产品以及应用前景分别进行了介绍，利于GPM产品在国内的应用和推广。张奡祺和傅云飞[23]选取2014年4个分别位于中国东部、西北太平洋区域、风暴轴区域以及美国的降水个例，利用DPR的Ku、Ka波段不同探测方式反演的降水产品对所选个例的降水结构特征进行对比分析，结果表明Ka波段高精度探测(Ka HS)的回波顶高度最高但对强降水存在严重低估。金晓龙等[24]针对天山山区，比较三种卫星数据与地面气象站观测数据的相关系数，发现相比于TRMM和CMORPH，GPM产品与观测数据的相关性最好。吴琼等[25]以2015年发生在我国不同区域的4场降雪为例，分析了GPM双频测雨雷达对降雪的探测能力，发现Ku波段雷达由于仪器灵敏度的大幅提高，对降雪的综合探测能力最强。朱梅等[26]利用GPM卫星探测的2A-DPR和1C-GMI产品以及三亚市自动气象观测站降雨数据对2017年19号台风“杜苏芮”的结构进行分析，得出高频对冰粒子的探测更为敏感的结论。利用GPM的星载测雨雷达DPR捕捉到的观测资料，可为研究台风降水内部结构提供丰富的数据支持，但由于卫星过境时间不连续，卫星捕捉到的台风资料仍然有限，迫切需要开展更多这方面的研究[27-29]。
2018年18号台风“温比亚”由8月17日04时登陆上海浦东到20日05时在山东北部进入渤海，在陆地维持时间长达73 h，期间经历了热带风暴-热带低压-温带气旋的发展过程。“温比亚”对山东影响长达69 h(17日17时-20日14时)，历史少见，导致山东大部地区产生暴雨至大暴雨，局部特大暴雨[30]，但降水时空分布特征随台风的发展变化呈现明显差异。因此，本文利用GPM卫星捕捉到的“温比亚”台风影响山东期间的数据资料，从近地表降水率、雨顶高度、降水类型、降水三维结构等方面进行分析，以期为进一步了解台风降水结构提供数据参考。
1 研究数据文中所用GPM数据主要为其2级产品的2A-DPR，包含扫描时间、扫描范围、地理信息、降水的反射率因子、回波顶高等信息[31]。“温比亚”影响山东期间，2A-DPR产品共生成64个，经过经纬度筛选，只有两次扫过山东，具体信息如表 1所示。
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表 1 “温比亚”影响山东期间卫星过境资料(北京时) Table 1 Satellite data of Typhoon RUMBIA as it affects Shandong (BST) |
“温比亚”移动路径如图 1所示：17日04时“温比亚”以热带风暴强度自上海浦东登陆，17日17时开始影响山东，18日14时减弱为热带低压，19日20时进入山东，20日05时形成温带气旋，20日07时进入渤海。8月18日06:46-06:49卫星捕捉到的山东境内降水信息距台风中心大约450 km，主要为热带风暴螺旋雨带外围云系产生的降水，降水分散且弱；8月19日20:55-20:58卫星捕捉到的山东境内降水信息距台风中心大约230 km，能看到部分螺旋雨带，降水较强，本文将对这两个时刻的台风降水结构进行分析。
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图 1 2018年第18号台风“温比亚”移动路径 Fig.1 Track of Typhoon RUMBIA (2018) |
文中所用2A-DPR产品由美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)免费提供(https://pmm.nasa.gov/GPM)；山东省国家级气象观测站降水数据通过全国综合气象信息共享平台(CIMISS)获取，数据均经过质量控制。
2 天气形势及降水实况由8月18日08时500 hPa高空图(图 2a)可以看出，中高纬西风环流较平，海上暖性高压的长期维持导致台风登陆后移动缓慢，此时“温比亚”在安徽境内，山东主要受台风螺旋雨带外围云系的影响，降水较弱，由8月17日17时-8月18日08时山东降水量(图 2b)看出，鲁南地区降水量大都在0~25 mm之间，半岛地区基本无降水；19日20时500 hPa中低纬系统进一步结合(图 2c)，台风环流已并入西风带系统，副热带高压东撤，西风槽东移，此时“温比亚”已从菏泽进入山东，山东大部地区处在槽前西南气流中，台风东侧再次出现强对流云带发展，最强对流区位于东营、潍坊一带，由8月19日08时-20日14时山东降水量(图 2d)看出，此时鲁中、鲁西北东部和半岛地区降水量基本都超过50 mm，最大值272.9 mm出现在东营广饶。
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图 2 500 hPa天气图(黑线：等高线，单位：dagpm；红线：等温线，单位：℃)和降水实况(单位：mm)(a. 2018年8月18日08时500 hPa天气图，b. 2018年8月17日17时-18日08时山东累计降水量，c. 2018年8月19日20时500 hPa天气图，d. 2018年8月19日08时-20日14时山东累计降水量) Fig.2 Synoptic chart at 500 hPa (black line for contour line, units: dagpm; red line for isotherm, units: ℃) and precipitation observation (units: mm) (a. synoptic chart at 500 hPa at 08:00 BST 18, b. cumulative precipitation in Shandong from 17:00 BST 17 to 08:00 BST 18, c. synoptic chart at 500 hPa at 20:00 BST 19, d. cumulative precipitation in Shandong from 08:00 BST 19 to 14:00 BST 20 August 2018) |
图 3为GPM卫星捕捉到的山东境内台风“温比亚”两个时刻的近地表降水率。8月18日06:46-06:49，GPM卫星扫过鲁中地区(图 3a)，降水率较低且分散，此时“温比亚”外围强降水云系从东侧逆时针旋转至台风北部，台风中心南侧云系逐渐消散，强降水区和强风速区逐渐远离环流中心，开始出现“空心”结构(图 4a)，山东处在台风螺旋雨带外围云系中，此时的降水率集中在15 mm·h-1以下，部分区域为20~25 mm·h-1，仅有个别点达到55 mm·h-1，这与地面较弱的降水实况吻合；8月19日20:55-20:58，GPM卫星扫过鲁西北东部和鲁中(图 3b)，降水率较高，螺旋雨带明显，此时台风中心已进入山东且移速缓慢(图 4b)，螺旋雨带显示的近地表降水率大都在20 mm·h-1以上且存在不连续跃变现象，部分区域在100~150 mm·h-1，近地表降水率大值区对应地面实况强降水区。由此可见，此次过程台风螺旋雨带造成的降水远大于外围云系产生的降水。
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图 3 山东境内台风“温比亚”的近地表降水率(填色，单位:mm·h-1；a. 2018年8月18日06:46-06:49；b. 2018年8月19日20:55-20:58) Fig.3 Near-surface precipitation rate of Typhoon RUMBIA in Shandong (colored area, units: mm·h-1; a. from 06:46 BST to 06:49 BST 18; b. from 20:55 BST to 20:58 BST 19 August 2018) |
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图 4 山东境内台风“温比亚”红外卫星云图(a. 2018年8月18日06:46-06:49；b. 2018年8月19日20:55-20:58) Fig.4 Infrared cloud imagery of Typhoon RUMBIA in Shandong (a. from 06:46 BST to 06:49 BST 18; b. from 20:55 BST to 20:58 BST 19 August 2018) |
图 5为GPM卫星捕捉到的山东境内台风“温比亚”两个时刻的雨顶高度。可以看出，8月18日06:46-06:49(图 5a)，台风螺旋雨带外围云系的雨顶高度普遍较低，基本在5~10 km；8月19日20:55-20:58(图 5b)，台风螺旋雨带的雨顶高度较高，基本在7 km以上，10~12 km居多，最大雨顶高度达到15 km。对比图 3可以看出，近地表降水率大的区域雨顶高度也较高。
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图 5 山东境内台风“温比亚”(1818)的雨顶高度(填色，单位：km；a. 2018年8月18日06：46-06：49；b. 2018年8月19日20：55-20：58) Fig.5 Rain top height of Typhoon RUMBIA in Shandong (colored area, units: km; a. from 06:46 BST to 06:49 BST 18; b. from 20:55 BST to 20:58 BST 19 August 2018) |
用地面雷达资料对GPM数据进行验证，分析8月19日的临沂雷达资料可知：14时起鲁南至鲁中山区多条强回波带自南向北发展，至17时回波北段到达潍坊、东营一带，最大组合反射率因子达到58 dBZ(图 6a)；20：59，雷达测得的强回波区与GPM卫星探测的雨顶高度大值区一致(图 6b)，说明GPM卫星的2A-DPR数据产品对降水估测具有较好的指示意义。
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图 6 2018年8月19日临沂雷达组合反射率因子(a. 16：59，b. 20：59) Fig.6 Composite reflectivity on 19 August 2018 from Linyi CINRAD-SA radar (a. 16:59 BST, b. 20:59 BST) |
GPM数据中把降水类型分为三类，分别为层云、对流云和其他，对GPM探测的山东境内观测像素点的不同类型降水量及降水率进行统计(表 2)发现：台风“温比亚”螺旋雨带及其外围云系均以层云和对流云降水为主，其中螺旋雨带中对流云降水所占比例高于外围云系；对流云像素点的平均降水率是层云的3倍左右。由降水类型分布(图 7)看出，8月19日20:55-20:58山东境内的对流云降水像素点个数远大于8月18日06：46-06：49，这也是造成8月19日山东产生强降水的原因。结合图 3和图 5可知，对流云降水对应近地面降水率和雨顶高度的大值区。
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表 2 不同类型降水所占样本比例及平均降水率 Table 2 Proportion of different types of precipitation in samples and corresponding average precipitation rate |
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图 7 山东境内台风“温比亚”(1818)的降水类型分布(a. 2018年8月18日06：46-06：49；b. 2018年8月19日20：55-20：58) Fig.7 Distribution of precipitation types of Typhoon RUMBIA in Shandong (a. from 06:46 BST to 06:49 BST 18; b. from 20:55 BST to 20:58 BST 19 August 2018) |
图 8是台风“温比亚”在两个时刻的降水三维结构轮廓图，降水率的阈值分别取5.0、10.0和20.0 mm·h-1。可以看出，降水率阈值为5.0 mm·h-1时(图 8a和图 8b)，两个时刻的降水柱都较为密实，台风外围云系的降水柱高度低于螺旋雨带的降水柱；降水率阈值增大到10.0 mm·h-1后(图 8c和图 8d)，台风外围云系的降水柱少了许多并出现离散现象(图 8c)，螺旋雨带的降水柱略有减少仍较为密实(图 8d)；将降水率阈值增大到20.0 mm·h-1后(图 8e和图 8f)，台风外围云系的降水柱高度明显降低并出现不连续现象(图 8e)，螺旋雨带的降水柱数量有所减少，但是高度没有明显降低，这与此位置降水类型为对流云有关(图 8f)。综上分析：台风螺旋雨带的降水柱与台风外围云系中的降水柱相比，具有数量多、密度大、高度高的特点，这与台风螺旋雨带对流发展旺盛有关；降水柱密实的区域对应地面降水率也较大，降水柱的高度也较高。
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图 8 2018年8月18日06：46-06：49(a/c/e)和2018年8月19日20：55-20：58(b/d/f)山东境内台风“温比亚”的三维降水率轮廓图(a/b.降水率阈值为5.0 mm·h-1；c/d.降水量阈值为10.0 mm·h-1；e/f.降水量阈值为20.0 mm·h-1) Fig.8 Three-dimensional profile of precipitation rate of Typhoon RUMBIA in Shandong from 06:46 BST to 06:49 BST 18 (a/c/e) and from 20:55 BST to 20:58 BST 19 (b/d/f) August 2018 (a/b. threshold of precipitation rate is 5.0 mm·h-1; c/d. threshold of precipitation rate is 10.0 mm·h-1; e/f. threshold of precipitation rate is 20.0 mm·h-1) |
利用GPM卫星探测的数据产品2A-DPR、地基雷达资料和地面降水实况对2018年第18号台风“温比亚”影响山东期间的降水率、雨顶高度、降水类型、降水三维结构等特征进行了分析，结论如下：
1) 近地表降水率大值区对应地面强降水区，台风螺旋雨带造成的降水远大于台风外围云系产生的降水。
2) 台风螺旋雨带的雨顶高度大于外围云系的雨顶高度，基本在7 km以上，其中10~12 km居多，最大雨顶高度达到15 km。8月19日20时，山东处在槽前西南气流，对流发展旺盛，螺旋雨带中多对流云，而对流云发展高度一般在10~15 km，与GPM卫星探测的结果一致。
3) 台风“温比亚”的螺旋雨带及其外围云系都以层云和对流云降水为主，其中螺旋雨带中对流云降水所占比例高于外围云系，对流云的平均降水率是层云的3倍左右，对流云降水对应近地面降水率和雨顶高度的大值区。
4) 台风螺旋雨带的降水柱与外围云系中的降水柱相比，具有数量多、密度大、高度高的特点。这是因为：一是台风外围云系离台风中心较远，对流云和层云的数量较少；二是台风螺旋雨带附近多对流发展，对流云密度大且云顶高度大于层云降水的雨顶高度(8~10 km)。
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