熱帶氣旋云微物理過程的研究進展

李江南，龐思敏

（中山大學大氣科學學院／廣東省氣候變化與自然災害研究重點試驗室，廣東 珠海 519082）

引言

云微物理過程影響熱帶氣旋（TC）的每個階段［1］，能夠直接或間接的調節(jié)包括TC 大小、最大風速半徑和其他因子在內的渦旋特性［2］，也可以顯著的影響粒子下落速度，從而影響TC 風場［3］。云微物理過程的潛熱釋放對TC 強度、結構和降水的影響較大，潛熱與對流的反饋作用影響TC 的強度［4］。近幾十年來，盡管在TC 路徑預報上有較大提高，但對TC強度和降水的預報能力還是非常的有限［5－7］。云微物理過程是影響TC 強度、結構和降水變化的重要因子［8－10］。受觀測資料限制，相對于TC 動力學過程，目前對TC 云微物理過程的研究十分有限。隨著衛(wèi)星、雷達等遙感觀測資料的日益增多和數(shù)值模式的不斷發(fā)展，TC 云微物理過程的研究有了一定的進展。這些進展主要表現(xiàn)在兩個方面：一是觀測資料分析，二是數(shù)值模擬研究。從這兩個方面對近幾十年來TC 云微物理過程研究現(xiàn)狀作簡單的回顧與評述。

1 觀測資料分析

近幾十年，基于衛(wèi)星雷達等觀測資料的診斷分析較多，如基于TRMM 衛(wèi)星資料對TC 云和降水結構進行的研究［11－13］，基于CloudSat衛(wèi)星資料對不同強度的TC 云宏微觀結構和降水特征進行的診斷分析［14］，以及垂直風切變大小對臺風結構和強度的影響［15］等方面。此外的研究還包括，利用GPM／DPR 衛(wèi)星資料揭示TC 個例兩側眼壁粒子譜的不均勻性［16］，利用COSMIC／RO 衛(wèi)星資料對多個臺風的熱力結構進行合成分析［17］，使用AMUS 衛(wèi)星資料深入分析臺風對流層中上層熱力異常結構［18］，以及基于我國風云氣象衛(wèi)星資料探究臺風云系內部演變［19］等方面。在對偏振雷達的觀測分析表明，暖云過程在內雨帶（云墻）是主要的，冰云過程在外雨帶（離TC 中心150km 以上）則更重要［20］。還有研究基于多種觀測數(shù)據(jù)，結合網(wǎng)格再分析資料，分析臺風登陸過程中的動、熱力結構特征［21-22］。

這些結果表明，利用新的衛(wèi)星、雷達等探測手段，可以揭示TC 降水和云微物理的一些結構特征［23，24］，也可以對數(shù)值模擬結果進行驗證或評估［1，25－29］。但靜止衛(wèi)星難以探測云下的資料，極軌衛(wèi)星又不能時空上連續(xù)探測［17］，雷達也很難探測海上TC 的連續(xù)變化過程。因此，還需要更多更好的探測技術方法對TC 云微物理過程進行連續(xù)的加密觀測。但目前TC的直接觀測仍然是TC 研究和業(yè)務的短板［30］，大力推進TC 飛機觀測系統(tǒng)建設是有必要的。如：無人機和平流層飛艇等新型觀測平臺［31］。中國氣象局于2018年啟動的“海燕計劃”就是基于無人機下投探空系統(tǒng)對TC 外圍云系進行了CT 式立體“掃描”。這些探測結果有望揭示TC 云微物理精細結構的演變規(guī)律，據(jù)此改進數(shù)值模式的微物理參數(shù)化方案，提升預報能力［31］。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 云微物理過程對TC 路徑的影響

很多研究表明了云微物理方案對TC 路徑影響不大［4，28，32－37］。也有些研究表明了云微物理過程可以影響TC 路徑。如：程銳等［38］的研究表明云微物理過程可以通過對臺風強度的改變從而對路徑產(chǎn)生影響。花叢和劉奇?。?9］在對2007 年秋季臺風“羅莎”的模擬研究中表明，云微物理過程及潛熱的改變對TC路徑有明顯的影響。周昊等［26］模擬結果表明，微物理方案對臺風路徑的影響較大，并認為是不同微物理方案在模擬副熱帶高壓和東亞長波槽的演變特征上不同，導致了對TC 路徑模擬的差異。

2.2 云微物理過程對TC 強度的影響

Ming 等［40］對TC“桑美”（2006）進行不同云微物理參數(shù)化的對比研究，發(fā)現(xiàn)模式中不同的云微物理方案對TC 路徑影響較小，對TC 強度和內核結構影響較大，潛熱的釋放決定了TC 的強度和內核結構，對TC 的強度有正反饋作用。TC 強度的預報很依賴于云微物理方案的選擇［41］。但Wang［42］通過理想試驗研究指出，TC 的增強速率和最終強度對云微物理參數(shù)化方案并不敏感。早期用二維模式研究［43-44］表明冰相過程比沒有冰相過程可以產(chǎn)生更低的海平面氣壓，使得TC 加強。Zhu and Zhang［35］對臺風個例模擬研究表明，微物理過程對臺風強度和結構有明顯的影響。不考慮冰或霰，水平平流增強，云水分布廣泛，臺風減弱。Zhao 等［45］模擬研究表明，臺風內核區(qū)霰和雪的顯著增加與TC 快速增強（RI）階段相吻合。

很多的研究表明眼壁內核區(qū)的潛熱加熱更有利于TC 加強［33，46－47］。Li 等［48］發(fā)現(xiàn)單參數(shù)和雙參數(shù)云微物理方案主要是影響TC 結構，從而影響TC 強度。單參數(shù)方案模擬的TC 眼區(qū)更小，最大風速半徑更小，云墻區(qū)的潛熱加熱離TC 中心更近，TC 的暖心正偏差更大，使得TC 更強。使TC 加強的主要加熱過程是水汽凝結成云水、雪的凝華增長和云冰的凝華增長；使TC 減弱的主要冷卻過程是雨水的蒸發(fā)、雪的升華和霰的融化［4］。凝結和凝華潛熱分別在對流層中低層和高層對TC 快速加強起主要作用［49］。

外圍雨帶的微物理過程對TC 強度也有很大影響。Wang［50］指出外圍螺旋雨帶中凝結加熱的分布和變化影響了TC 強度和結構。非絕熱加熱（冷卻）通過影響外圍雨帶和內核結構，導致TC 增強（減弱）［51］；眼壁內核區(qū)的蒸發(fā)冷卻對TC 強度影響有限，主要是外圍雨帶的蒸發(fā)冷卻抑制了TC 加強［52］。Chan and Chan［34］也認為眼壁外雨帶中的潛熱釋放可以使TC 增強增大，霰過程對TC 沒有明顯的影響。但Mukhopadhyay 等［53］的研究表明，內核區(qū)的潛熱加熱主要是霰過程控制。

2.3 云微物理過程對TC 降水的影響

云微物理過程對于成云致雨是非常重要的。TC暴雨增幅主要是通過雨水對云水的碰并收集和霰粒子融化為雨水［54］，冰相過程對地面降水的貢獻明顯加大。霰粒子融化為雨水在弱降水中更為重要［55］。對流降水和層云降水的云微物理特征和過程有明顯差異［56］。冰相過程對不同階段臺風暴雨形成起關鍵作用，霰粒子融化是臺風暴雨的主要雨水源項［57］。霰和雪的融化是臺風螺旋雨帶中雨滴增長的主要機制之一［58］。冰相粒子的減少以及霰粒子的轉化，是臺風登陸后降水維持和增幅的直接原因［59］。霰在臺風對流性和層云降水區(qū)都是最重要的凝結水物質［60］。云冰和雪對降水的輻射效應明顯強于云水和雨滴［61］。有些研究表明暖云過程在TC 降水中更重要。如：冰相過程對臺風“莫拉克”（2009）降水的影響并不是主要的，暖雨更重要［62］。暖云微物理參數(shù)化產(chǎn)生更強的降水率，但是降水面積較?。?2］。如果不考慮云冰、雪和霰的融化，降水量增加顯著［63］。液相水凝物輻合對TC 降水云系快速發(fā)展貢獻明顯，固相水凝物輻合貢獻不顯著［64］。對流降水區(qū)以暖云微物理為主，層狀降水區(qū)以冰云微物理為主［65］。

3 小結和討論

綜上所述，近幾十年對于TC 云微物理過程的研究有了一些進展，特別是對TC 的云微物理結構有了較深的認識，但云微物理過程如何對TC 路徑、強度和降水產(chǎn)生影響還有很多不同觀點，這些不確定性影響了業(yè)務數(shù)值預報模式如何選擇云微物理方案。要提高TC 預報的水平還有些基礎問題是值得研究的，如：TC 云、降水和潛熱收支的三維結構特征是什么？影響TC 強度和降水變化的主要云微物理過程是哪些？熱力和動力過程相互作用影響TC 強度和降水變化的物理機制是什么？秋季TC 云微物理過程和夏季TC 有什么主要不同？

已有的研究工作主要是基于夏季TC 個例，對秋季TC 的研究還不多。實際上夏季和秋季的TC 云微物理過程可能有很大差異。比如在秋季南海，夏季風已慢慢撤退，副高減弱東移，冷空氣開始活躍，季風槽多變。與夏季相比，南海秋季TC 的“運行”環(huán)境發(fā)生了很大變化，云和降水的形成機制也發(fā)生改變。秋季TC 的平均強度更強［66－68］，生命史更長，路徑略向西北方向發(fā)展［67］。夏季TC 暴雨受西南季風影響較大，秋季TC 暴雨中冷空氣作用更明顯。冷空氣的作用是造成秋季TC 登陸加強的重要原因［69］，而林良勛等［70］認為，冷空氣可以使TC 減弱，也可以使TC 加強。因此，云微物理過程對秋季TC 強度和降水的影響機制還不清楚，夏季TC 和秋季TC 的云微物理過程有何不同還缺少對比研究。

當前的中小尺度數(shù)值模式正向云解析尺度發(fā)展，但由于云微物理過程發(fā)生在云滴和雨滴的尺度上，再細的網(wǎng)格也需要對云微物理過程進行參數(shù)化處理。根據(jù)表征粒子類型尺度分布的方式不同，參數(shù)化方法分為兩類，一種是分檔法（bin 方案），另一種是整體參數(shù)化（bulk 方案）。bulk 方案又可分為單參數(shù)方案和雙參數(shù)方案。如果增加雷達反射率的預報方程，允許gamma 分布的形狀參數(shù)獨立變化，則有三參數(shù)方案［71］。根據(jù)云的相態(tài)可分為暖云方案和混合相云方案。根據(jù)粒子類型的多少又可分為簡單方案和復雜方案。還有考慮（或不考慮）氣溶膠對云微物理過程影響的方案。這些不同類型的方案所包含的云微物理過程是不同的，因而對TC 的影響也是有區(qū)別［72－75］的。在不同季節(jié)、不同區(qū)域，采用哪一種云微物理方案都是值得研究的問題。模式的分辨率或其它物理方案的配置也可能影響預報結果?？傊?，如何選擇云微物理參數(shù)化方案，以期在TC 路徑、強度和風雨分布三個方面都得到最佳的預報效果還需要很多的研究。

當然，影響TC 路徑、強度和風雨分布的物理因子很多，云微物理過程只是其中一個方面。各種物理因子之間也有很復雜的非線性相互作用。本文總結了很多方面的不確定性，也是反映了TC 云微物理基礎理論研究薄弱，突破性的研究成果較少，制約了TC 數(shù)值預報水平的提高，特別是TC 強度的預報。因此，大力推進TC 觀測系統(tǒng)建設，大力提升TC 理論研究水平是非常有必要的［30］。