臺風(fēng)“溫比亞”影響山東期間GPM資料的降水分析

李芳，李南，萬瑜

(1.濟(jì)寧市氣象局，山東 濟(jì)寧 272000； 2.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044； 3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺，新疆 烏魯木齊 830002)

引言

臺風(fēng)是產(chǎn)生暴雨的重要天氣系統(tǒng)，強(qiáng)臺風(fēng)發(fā)生時常帶來極端性降水，易發(fā)生雷暴、大風(fēng)、龍卷等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民的生命財產(chǎn)安全[1-3]。由于臺風(fēng)登陸后與中緯度系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互影響，臺風(fēng)移動路徑及強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)報仍是目前預(yù)報的難點，也是防災(zāi)減災(zāi)迫切需要解決的問題。臺風(fēng)暴雨落區(qū)主要受臺風(fēng)內(nèi)部渦旋結(jié)構(gòu)影響，因此，對臺風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確探測顯得尤為重要[4-6]。星載測雨雷達(dá)可以不受下墊面地表類型和太陽輻射的影響，主動探測云和降水的三維結(jié)構(gòu)，是對地基雷達(dá)和被動式衛(wèi)星遙感觀測的有效補(bǔ)充，更有助于了解降水內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)[7-15]。

全球降水測量計劃GPM(Global Precipitation Measurement)是繼TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)之后新一代全球衛(wèi)星降水產(chǎn)品，觀測范圍為南北緯65°之間，每3 h獲得一次全球降水分布數(shù)據(jù)資料，其所搭載的雙頻降雨雷達(dá)DPR相對于TRMM上的PR有所改進(jìn)。GPM從2014年3月開始提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品，近年來關(guān)于DPR資料的相關(guān)研究成為了降水觀測領(lǐng)域的熱點內(nèi)容，目前山東地區(qū)還沒有利用GPM數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析[16-21]。唐國強(qiáng)等[22]對GPM所提供的算法產(chǎn)品以及應(yīng)用前景分別進(jìn)行了介紹，利于GPM產(chǎn)品在國內(nèi)的應(yīng)用和推廣。張奡祺和傅云飛[23]選取2014年4個分別位于中國東部、西北太平洋區(qū)域、風(fēng)暴軸區(qū)域以及美國的降水個例，利用DPR的Ku、Ka波段不同探測方式反演的降水產(chǎn)品對所選個例的降水結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明Ka波段高精度探測(Ka HS)的回波頂高度最高但對強(qiáng)降水存在嚴(yán)重低估。金曉龍等[24]針對天山山區(qū)，比較三種衛(wèi)星數(shù)據(jù)與地面氣象站觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)相比于TRMM和CMORPH，GPM產(chǎn)品與觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性最好。吳瓊等[25]以2015年發(fā)生在我國不同區(qū)域的4場降雪為例，分析了GPM雙頻測雨雷達(dá)對降雪的探測能力，發(fā)現(xiàn)Ku波段雷達(dá)由于儀器靈敏度的大幅提高，對降雪的綜合探測能力最強(qiáng)。朱梅等[26]利用GPM衛(wèi)星探測的2A-DPR和1C-GMI產(chǎn)品以及三亞市自動氣象觀測站降雨數(shù)據(jù)對2017年19號臺風(fēng)“杜蘇芮”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出高頻對冰粒子的探測更為敏感的結(jié)論。利用GPM的星載測雨雷達(dá)DPR捕捉到的觀測資料，可為研究臺風(fēng)降水內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供豐富的數(shù)據(jù)支持，但由于衛(wèi)星過境時間不連續(xù)，衛(wèi)星捕捉到的臺風(fēng)資料仍然有限，迫切需要開展更多這方面的研究[27-29]。

2018年18 號臺風(fēng)“溫比亞”由8月17日04時登陸上海浦東到20日05時在山東北部進(jìn)入渤海，在陸地維持時間長達(dá)73 h，期間經(jīng)歷了熱帶風(fēng)暴—熱帶低壓—溫帶氣旋的發(fā)展過程?！皽乇葋啞睂ι綎|影響長達(dá)69 h(17日17時—20日14時)，歷史少見，導(dǎo)致山東大部地區(qū)產(chǎn)生暴雨至大暴雨，局部特大暴雨[30]，但降水時空分布特征隨臺風(fēng)的發(fā)展變化呈現(xiàn)明顯差異。因此，本文利用GPM衛(wèi)星捕捉到的“溫比亞”臺風(fēng)影響山東期間的數(shù)據(jù)資料，從近地表降水率、雨頂高度、降水類型、降水三維結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析，以期為進(jìn)一步了解臺風(fēng)降水結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究數(shù)據(jù)

文中所用GPM數(shù)據(jù)主要為其2級產(chǎn)品的2A-DPR，包含掃描時間、掃描范圍、地理信息、降水的反射率因子、回波頂高等信息[31]?！皽乇葋啞庇绊懮綎|期間，2A-DPR產(chǎn)品共生成64個，經(jīng)過經(jīng)緯度篩選，只有兩次掃過山東，具體信息如表1所示。

表1 “溫比亞”影響山東期間衛(wèi)星過境資料(北京時)

“溫比亞”移動路徑如圖1所示：17日04時“溫比亞”以熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度自上海浦東登陸，17日17時開始影響山東，18日14時減弱為熱帶低壓，19日20時進(jìn)入山東，20日05時形成溫帶氣旋，20日07時進(jìn)入渤海。8月18日06:46—06:49衛(wèi)星捕捉到的山東境內(nèi)降水信息距臺風(fēng)中心大約450 km，主要為熱帶風(fēng)暴螺旋雨帶外圍云系產(chǎn)生的降水，降水分散且弱；8月19日20:55—20:58衛(wèi)星捕捉到的山東境內(nèi)降水信息距臺風(fēng)中心大約230 km，能看到部分螺旋雨帶，降水較強(qiáng)，本文將對這兩個時刻的臺風(fēng)降水結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖1 2018年第18號臺風(fēng)“溫比亞”移動路徑Fig.1 Track of Typhoon RUMBIA (2018)

文中所用2A-DPR產(chǎn)品由美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)免費提供(https://pmm.nasa.gov/GPM)；山東省國家級氣象觀測站降水?dāng)?shù)據(jù)通過全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)獲取，數(shù)據(jù)均經(jīng)過質(zhì)量控制。

2 天氣形勢及降水實況

由8月18日08時500 hPa高空圖(圖2a)可以看出，中高緯西風(fēng)環(huán)流較平，海上暖性高壓的長期維持導(dǎo)致臺風(fēng)登陸后移動緩慢，此時“溫比亞”在安徽境內(nèi)，山東主要受臺風(fēng)螺旋雨帶外圍云系的影響，降水較弱，由8月17日17時—8月18日08時山東降水量(圖2b)看出，魯南地區(qū)降水量大都在0～25 mm之間，半島地區(qū)基本無降水；19日20時500 hPa中低緯系統(tǒng)進(jìn)一步結(jié)合(圖2c)，臺風(fēng)環(huán)流已并入西風(fēng)帶系統(tǒng)，副熱帶高壓東撤，西風(fēng)槽東移，此時“溫比亞”已從菏澤進(jìn)入山東，山東大部地區(qū)處在槽前西南氣流中，臺風(fēng)東側(cè)再次出現(xiàn)強(qiáng)對流云帶發(fā)展，最強(qiáng)對流區(qū)位于東營、濰坊一帶，由8月19日08時—20日14時山東降水量(圖2d)看出，此時魯中、魯西北東部和半島地區(qū)降水量基本都超過50 mm，最大值272.9 mm出現(xiàn)在東營廣饒。

圖2 500 hPa天氣圖(黑線：等高線，單位：dagpm；紅線：等溫線，單位：℃)和降水實況(單位：mm)(a. 2018年8月18日08時500 hPa天氣圖，b. 2018年8月17日17時—18日08時山東累計降水量，c. 2018年8月19日20時500 hPa天氣圖，d. 2018年8月19日08時—20日14時山東累計降水量)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)

3 “溫比亞”衛(wèi)星資料分析

3.1 近地表降水率特征

圖3為GPM衛(wèi)星捕捉到的山東境內(nèi)臺風(fēng)“溫比亞”兩個時刻的近地表降水率。8月18日06:46—06:49，GPM衛(wèi)星掃過魯中地區(qū)(圖3a)，降水率較低且分散，此時“溫比亞”外圍強(qiáng)降水云系從東側(cè)逆時針旋轉(zhuǎn)至臺風(fēng)北部，臺風(fēng)中心南側(cè)云系逐漸消散，強(qiáng)降水區(qū)和強(qiáng)風(fēng)速區(qū)逐漸遠(yuǎn)離環(huán)流中心，開始出現(xiàn)“空心”結(jié)構(gòu)(圖4a)，山東處在臺風(fēng)螺旋雨帶外圍云系中，此時的降水率集中在15 mm·h-1以下，部分區(qū)域為20～25 mm·h-1，僅有個別點達(dá)到55 mm·h-1，這與地面較弱的降水實況吻合；8月19日20:55—20:58，GPM衛(wèi)星掃過魯西北東部和魯中(圖3b)，降水率較高，螺旋雨帶明顯，此時臺風(fēng)中心已進(jìn)入山東且移速緩慢(圖4b)，螺旋雨帶顯示的近地表降水率大都在20 mm·h-1以上且存在不連續(xù)躍變現(xiàn)象，部分區(qū)域在100～150 mm·h-1，近地表降水率大值區(qū)對應(yīng)地面實況強(qiáng)降水區(qū)。由此可見，此次過程臺風(fēng)螺旋雨帶造成的降水遠(yuǎn)大于外圍云系產(chǎn)生的降水。

圖3 山東境內(nèi)臺風(fēng)“溫比亞”的近地表降水率(填色，單位: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)

圖4 山東境內(nèi)臺風(fēng)“溫比亞”紅外衛(wèi)星云圖(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)

3.2 雨頂高度特征

圖5為GPM衛(wèi)星捕捉到的山東境內(nèi)臺風(fēng)“溫比亞”兩個時刻的雨頂高度?？梢钥闯?，8月18日06:46—06:49(圖5a)，臺風(fēng)螺旋雨帶外圍云系的雨頂高度普遍較低，基本在5～10 km；8月19日20:55—20:58(圖5b)，臺風(fēng)螺旋雨帶的雨頂高度較高，基本在7 km以上，10～12 km居多，最大雨頂高度達(dá)到15 km。對比圖3可以看出，近地表降水率大的區(qū)域雨頂高度也較高。

圖5 山東境內(nèi)臺風(fēng) “溫比亞”(1818)的雨頂高度(填色，單位：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)

用地面雷達(dá)資料對GPM數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，分析8月19日的臨沂雷達(dá)資料可知：14時起魯南至魯中山區(qū)多條強(qiáng)回波帶自南向北發(fā)展，至17時回波北段到達(dá)濰坊、東營一帶，最大組合反射率因子達(dá)到58 dBZ(圖6a)；20：59，雷達(dá)測得的強(qiáng)回波區(qū)與GPM衛(wèi)星探測的雨頂高度大值區(qū)一致(圖6b)，說明GPM衛(wèi)星的2A-DPR數(shù)據(jù)產(chǎn)品對降水估測具有較好的指示意義。

圖6 2018年8月19日臨沂雷達(dá)組合反射率因子(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)

3.3 降水類型分析

GPM數(shù)據(jù)中把降水類型分為三類，分別為層云、對流云和其他，對GPM探測的山東境內(nèi)觀測像素點的不同類型降水量及降水率進(jìn)行統(tǒng)計(表2)發(fā)現(xiàn)：臺風(fēng)“溫比亞”螺旋雨帶及其外圍云系均以層云和對流云降水為主，其中螺旋雨帶中對流云降水所占比例高于外圍云系；對流云像素點的平均降水率是層云的3倍左右。由降水類型分布(圖7)看出，8月19日20:55—20:58山東境內(nèi)的對流云降水像素點個數(shù)遠(yuǎn)大于8月18日06：46—06：49，這也是造成8月19日山東產(chǎn)生強(qiáng)降水的原因。結(jié)合圖3和圖5可知，對流云降水對應(yīng)近地面降水率和雨頂高度的大值區(qū)。

表2 不同類型降水所占樣本比例及平均降水率

圖7 山東境內(nèi)臺風(fēng) “溫比亞”(1818)的降水類型分布(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)

3.4 降水的三維結(jié)構(gòu)特征

圖8是臺風(fēng)“溫比亞”在兩個時刻的降水三維結(jié)構(gòu)輪廓圖，降水率的閾值分別取5.0、10.0和20.0 mm·h-1?？梢钥闯觯邓书撝禐?.0 mm·h-1時(圖8a和圖8b)，兩個時刻的降水柱都較為密實，臺風(fēng)外圍云系的降水柱高度低于螺旋雨帶的降水柱；降水率閾值增大到10.0 mm·h-1后(圖8c和圖8d)，臺風(fēng)外圍云系的降水柱少了許多并出現(xiàn)離散現(xiàn)象(圖8c)，螺旋雨帶的降水柱略有減少仍較為密實(圖8d)；將降水率閾值增大到20.0 mm·h-1后(圖8e和圖8f)，臺風(fēng)外圍云系的降水柱高度明顯降低并出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象(圖8e)，螺旋雨帶的降水柱數(shù)量有所減少，但是高度沒有明顯降低，這與此位置降水類型為對流云有關(guān)(圖8f)。綜上分析：臺風(fēng)螺旋雨帶的降水柱與臺風(fēng)外圍云系中的降水柱相比，具有數(shù)量多、密度大、高度高的特點，這與臺風(fēng)螺旋雨帶對流發(fā)展旺盛有關(guān)；降水柱密實的區(qū)域?qū)?yīng)地面降水率也較大，降水柱的高度也較高。

圖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)山東境內(nèi)臺風(fēng)“溫比亞”的三維降水率輪廓圖(a/b.降水率閾值為 5.0 mm·h-1；c/d.降水量閾值為 10.0 mm·h-1；e/f.降水量閾值為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)

4 結(jié)論

利用GPM衛(wèi)星探測的數(shù)據(jù)產(chǎn)品2A-DPR、地基雷達(dá)資料和地面降水實況對2018 年第18號臺風(fēng)“溫比亞”影響山東期間的降水率、雨頂高度、降水類型、降水三維結(jié)構(gòu)等特征進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

1)近地表降水率大值區(qū)對應(yīng)地面強(qiáng)降水區(qū)，臺風(fēng)螺旋雨帶造成的降水遠(yuǎn)大于臺風(fēng)外圍云系產(chǎn)生的降水。

2)臺風(fēng)螺旋雨帶的雨頂高度大于外圍云系的雨頂高度，基本在7 km以上，其中10～12 km居多，最大雨頂高度達(dá)到15 km。8月19日20時，山東處在槽前西南氣流，對流發(fā)展旺盛，螺旋雨帶中多對流云，而對流云發(fā)展高度一般在10～15 km，與GPM衛(wèi)星探測的結(jié)果一致。

3)臺風(fēng)“溫比亞”的螺旋雨帶及其外圍云系都以層云和對流云降水為主，其中螺旋雨帶中對流云降水所占比例高于外圍云系，對流云的平均降水率是層云的3倍左右，對流云降水對應(yīng)近地面降水率和雨頂高度的大值區(qū)。

4)臺風(fēng)螺旋雨帶的降水柱與外圍云系中的降水柱相比，具有數(shù)量多、密度大、高度高的特點。這是因為：一是臺風(fēng)外圍云系離臺風(fēng)中心較遠(yuǎn)，對流云和層云的數(shù)量較少；二是臺風(fēng)螺旋雨帶附近多對流發(fā)展，對流云密度大且云頂高度大于層云降水的雨頂高度(8～10 km)。