西北太平洋台风降雨日变化

阮甄欣

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012)



西北太平洋台风降雨日变化

阮甄欣1,2

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州310012)

摘要:利用TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)卫星15 a降雨数据，研究了西北太平洋非台风与台风降雨日变化。对于非台风降雨，其日变化信号最大值出现在上午06∶00，在下午15∶00时存在一较小的极大值。统计台风中心500 km内的平均降雨，发现其存在明显日变化信号，最大值出现在03∶00~09∶00之间，降雨量与日变化均大于非台风降雨；同时，台风增强及快速增强均在03∶00~08∶00之间发生次数较其他时间更多。从2002年台风“海神”的卫星云图上可以看出，云系内部强对流的面积在06∶00时明显大于18∶00时，这与降雨日变化的模态一致。

关键词:台风；降雨；日变化

0引言

热带降雨是全球水汽输送的重要部分，对于非台风情况下的对流系统的研究已经较为全面，这对预报降雨无疑有巨大贡献。在热带区域，尤其在夏季，台风活动频繁，就西太平洋而言，其带来的降雨量占总降雨量的7%[1]，而由于台风的活动性，其可将降雨带至高纬度地区，这对全球降雨分布都有着重要的影响，进而影响着全球水汽平衡。目前我们已经能较好地预报台风路径，但对于台风强度的预报，效果总是差强人意，这说明目前对于台风内部对流的过程研究仍然不透彻。

早期海洋环境下降雨日变化主要利用岛屿上的数据进行研究，但这在一定程度上仍然受陆地的影响[2]；另外，由于红外线无法穿过云层，故红外卫星降雨数据在海洋环境下的精确性略差。随着TRMM的发射，其通过微波测得的热带降雨，解决了海洋上降雨测量的问题，热带海洋区域的降雨日变化开始被广泛研究。大部分的研究成果显示，热带海洋降雨日变化的极大值出现在清晨(03∶00~06∶00 LST ，Local Standard Time,当地标准时间)，极小值出现在下午[2-4]。但降雨日变化模态并不绝对，在热带某些区域如热带幅合带(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)降雨日变化结果存在不同。NITTA和SEKINEZ[5]的结果显示，在ITCZ区域，降雨在夏季时存在2个极值，分别为05∶00~08∶00 LST与13∶00~15∶00 LST;WEXLER[6]的结果显示，大部分海洋内降雨日变化极大值出现在早上，而ITCZ区域降雨极大值出现在下午。

关于台风降雨日变化的研究并不多，从已有的研究结果看，台风降雨日变化同海洋环境下降雨日变化情况一致。根据不同情况(如强度、发生区域等)对台风进行进行分类，得到日变化极大值会前后偏差2 h左右，但日变化极大值的出现还是集中在当地时间02∶00~08∶00。如SHU et al[1]将台风按照台风强度、所处生命史阶段、空间位置以及季节进行分类，其结果显示，降雨日变化最大值出现在02∶00~08∶00之间。WU et al[7]统计了全球各个洋盆中的热带气旋，按照中心降雨、外围降雨带以及强弱气旋，分别统计降雨日变化，结果显示北大西洋强热带气旋不存在明显日变化信号；北印度洋由于强台风样本数据较少，日变化信号同样不显著；其余洋盆情况下，热带气旋中心降雨日变化最大值出现时间比外围降雨带早3 h左右，但都集中在03∶00~06∶00之间。

降雨的过程为潜热释放过程，该过程中释放的热量如何影响台风强度目前仍未知。本文希望通过现代的卫星数据，在前人研究的基础上寻找台风降雨日变化与台风强度增强之间的关联，在日变化尺度上对台风过程变化有较为具体的刻画，为进一步研究台风结构以及台风降雨预报提供一定数据支持。

1数据

本文采用JTWC(Joint Typhoon Warning Center)提供的台风路径数据，包括台风每6 h 1次的时间、经纬度、最大风速和最低中心气压。

文中使用的降水资料来自美国航空航天局(NASA, National Aeronautics and Space Administration)与日本的国家太空发展署(NASDA, National Association of State Development Agency)联合设计的测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measurement Mission)。该卫星主要用于测量热带以及亚热带地区的降雨和能量交换。文中使用的是3B42第六版数据，空间分辨率0.25°×0.25°，测量的纬度范围为50°S~50°N，时间精度为3 h，数据时间序列为1998—2012年。该套数据以TRMM所携带的TMI(TRMM Microwave Imager)测得的降雨数据为基础，结合SSM/I(the Special Sensor Microwave Imager)、AMSR(the Advanced Microwave Scanning Radiometer)和AMSU(the Advanced Microwave Sounding Unit)数据，空余网格点上用红外降雨(IR)填充[8]。目前已经有学者对TRMM数据进行了评估[9-10]，结果显示TRMM卫星数据与站点、浮标观测数据基本相同，说明该套数据的精确性较高。

文中云顶温度是由GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)的亮度温度数据转换求得，该套数据由NCEP(National Centers for Environmental Prediction/Climate Prediction Center)发布，集合了所有目前可用的同步卫星，包括GOES-8/10，METEOSAT-7/5以及GMS(Geostationary Meteorological Satellite)。其测量范围为50°S~50°N,时间精度为30 min。

2结果

2.1西北太平洋非台风降雨日变化

统计1998—2012年西北太平洋台风路径，台风发生通常集中在5°N~40°N之间，纬度最高可以达到50°N(图1)。考虑TRMM卫星数据的纬度范围以及台风发生的区域，选取5°N~40°N，100°E~180°E为计算西北太平洋非台风降雨日变化时的统计区域(图1中红色框区域)。

图1　1998—2012年西北太平洋台风路径Fig.1　Typhoon tracks during the period of1998~2012 in Northwest Pacific图中红色框为计算非台风状态下海洋降雨日变化时的统计区域The red box is the calculation region of non-typhoon precipitationdiurnal variation

图2统计了1998—2012年15 a间西北太平洋每月的台风发生次数，据此选取1 a中台风发生次数较多的8个月作为台风高发季节，故在西北太平洋，选择每年的5—12月为台风高发季节。

图2　1998—2012年西北太平洋台风在每个月发生次数的统计Fig.2　The statistic numbers of typhoon occurring in eachmonth in Northwest Pacific during 1998~2012

计算西北太平洋非台风降雨日变化，具体方法为，在台风高发季节，除去台风中心500 km内的降雨后，求剩下区域内降雨的平均值，按照时区转换成当地时间后，得到降雨在一日之内的变化(图3)。

从图3可以看出，非台风情况下台风降雨存在明显的日变化，最大值出现在上午06∶00左右，最小值出现在下午21∶00左右。除此之外，在下午15∶00时存在一个较小的极大值，猜测该值会出现的原因可能是，下午时海表面温度达到最大，较高的海表面温度会向海洋上层大气输送热量，从而增强海表面上方云团的上升作用，增强云团内部的对流活动。更多更强的上升气流势必会导致更多的水汽凝结，最终导致更多的降水。

图3　西北太平洋中非台风状态下降雨日变化(数据源自TRMM统计结果)Fig.3　Non-typhoon precipitation diurnal variation in NorthwestPacific(The data are from TRMM statistical result)

2.2西北太平洋台风降雨日变化

本文总共统计台风419个，所有时间点上样本总数为11 528个，其中一级强度以下的样本总数最多为8 115个，占总样本数的70.39%；一级和二级强度台风样本数为2 120个；三级和四级强度台风样本数为1 148个；五级强度台风样本个数较少，仅145个，占总样本数的1.26%左右。

定义台风中心500 km内的平均降雨为台风降雨[11-12]，统计西北太平洋1998—2012年间台风降雨日变化(图4)。结果显示，西北太平洋台风降雨同样存在日变化信号，最大值出现在03∶00～09∶00之间，平均降雨为1.29 mm/h，日变化大小为0.10 mm/h。与非台风降雨日变化相比，台风降雨的平均值以及日变化明显大于非台风情况，解释这一现象可能的原因是，GRAY 和 JACOBSON[2]在研究普通海洋环境下降雨日变化时指出的，越有组织性的系统其日变化越大。另外，台风降雨日变化在下午时并没有出现一个较小的极大值，这可能是由于台风云系与一般海洋上的对流云系相比，其日变化更受其内部系统的对流情况所控制。

图4　西北太平洋台风中心500 km内降雨日变化(数据源自TRMM统计结果)Fig.4　The diurnal variation of precipitation within 500 km oftyphoon center in Northwest Pacific(The data are fromTRMM statistical result)

降雨过程释放的潜热被认为对台风增强有着重要作用，YAROSHEVICH 和 INGEL[13]分析台风强度变化结果显示台风在02∶00~08∶00之间增强最多，台风最大风速平均可达到7 节。用台风最大风速来表示台风强度，统计一日之内各时间段上台风增强发生的次数(图5)，图中蓝色柱形为该时间段内台风强度增强的个数，红色柱形为台风快速增强的个数(即该时间段内台风最大风速增强超过10 节)。由图5可知，在清晨03∶00~08∶00，即台风降雨达到最大值时，无论是台风增强，还是台风快速增强个数均较大。这说明，尽管影响台风强度的因素有很多，但在日变化尺度上，由于降雨的增强而释放出更多的潜热有助于台风强度的增强。

图5　一日内各时间段台风强度增强的总数以及台风快速增强的个数Fig.5　The numbers of typhoon intensification and the numbers oftyphoon rapid intensification during each period in one day

3降雨日变化机制的讨论

目前陆地上降雨日变化机制基本已达成共识，普遍认为在白天，下垫面陆地温度较高从而增加对流系统的不稳定性，在中午至午后，陆地地表温度达到最大，此时云体底部温度达到一日中的最大，云体顶部与底部的温差达到最大，故对流最强。海洋环境下降雨的日变化机制尚未达成统一的观点，目前主要的观点有：(1)热力不稳定引起的降雨日变化。KRAUS[14]对9个站点数据进行分析，发现非对流降雨发生次数比对流降雨多，但无论哪种降雨均为晚上出现的次数多于白天出现次数(9组数据中8组显示)。作者对此的解释是，对于云层高度较高，云顶温度较低的云来讲，吸收的太阳辐射更多地被用来加热云的温度(云顶温度本来就较高的云吸收的太阳辐射更多地被用来蒸发云体内的水蒸气从而耗散太阳辐射能量)，在夜间则要下降相对应的温度，这可能会加强云体内部在夜间的对流活动，从而导致更强的降雨发生。(2)对流系统内部与对流系统周围大气对辐射加热冷却响应不同导致日变化。GRAY 和 JACOBSON[2]发现，在热带对流系统外围的背景场区，夜晚的净辐射比白天小，故在夜晚时，扰动系统外围的空气下沉增温过程更明显且更彻底，从而导致底层的水汽聚集在夜间更强，产生更多的降雨。(3)与海洋上方云团的产生消亡有关。CHEN 和 HOUZE[15]选取了太平洋暖池作为研究区域，使用红外卫星的资料对该地区的降雨日变化机制进行了研究。作者认为，在赤道上，大尺度的空气动力以及辐射过程对深对流系统有着重要影响。就当时观测显示，云团的生命周长、发生时间以及最后发展可达到的对流程度均与季节内尺度振荡活动的强度有关。在季节内尺度振荡(intra-seasonal oscillation,ISO)活动较为抑制的情况下，云团系统整个生命过程通常小于3 h；而在季节内尺度振荡活动较为活跃时期，云团的生命周期则要长(但一般也不超过1 d)。2种情况下，云团系统均形成于SST最为温暖的下午，若ISO处于抑制情况下，这些云团会在经历短暂的发展之后仍在午后消亡，这使得下午时云层覆盖率达到最大。而在ISO活跃期间，云团通常是较大的深对流云团(水平分布最大时可达到300 km以上)，它们在下午形成后会在夜间到日出前发展到最大，在日出后开始消亡。NESBITT 和 ZIPSER[4]对云团个数以及每个云团中对流云、平流云所占面积的日变化进行分析，发现在陆地上，降雨最大值出现在当地时间的下午，同时在该时刻中尺度对流系统的个数最多，且对流面积达到最大；但在海洋环境下，降雨日变化最大值出现在当地时间05∶00点左右，同时中尺度对流系统个数最多，但对流面积并不存在日变化，故作者认为，海洋环境下降雨存在日变化的原因主要是在早上时海洋上空出现更多的对流系统，而并非是对流强度和对流面积而导致降雨增强。

图6　2002年台风“海神”当地时间11月23日06∶00时(a)和18∶00时(b)台风云顶温度图(由GOES亮温转换得到云顶温度数据)Fig.6　The cloud top temperature of typhoon ‘HaiShen’ at local time 06∶00(a) and 18∶00(b) on Novermber23, 2002 (deducing from GOES brightness temperature)

降雨的大小主要由台风云系的对流程度决定。图6为2002年台风“海神”在当地时间11月23日上午06∶00(图6a)与18∶00(图6b)的卫星云图。从卫星云图上可以看出，台风的强对流面积在清晨06∶00时明显大于下午18∶00时，这说明台风云系的对流程度受太阳短波辐射的影响。日出后白天吸收太阳短波辐射，云系内部对流程度持续减弱，在日落前后其对流强度减至最弱；而日落后，短波辐射的消失有助于对流强度增强，在日出前后云系对流程度达到最强。然而，台风是否只有强对流云系存在日变化，是否只有强对流云系产生的降雨存在日变化，以及降雨在满足何种条件下台风会发生快速增强等问题都需要进一步的数据以及模式分析。

4结论

(1)西北太平洋非台风降雨存在日变化，最大值出现在上午06∶00左右，平均降雨为0.27 mm/h，日变化大小为0.03 mm/h。西北太平洋台风降雨同样存在明显日变化，最大值出现在03∶00~09∶00之间，平均降雨为1.29 mm/h，日变化大小为0.10 mm/h。

(2)以台风最大风速表示台风强度，最大风速在6 h内增加表示台风增强，增加超过10 节表示快速增强。结果显示在03∶00~08∶00期间，台风强度增强以及快速增强个数达到最多。

(3)以2002年台风“海神”为例，发现台风云系强对流面积在上午06∶00时较大，在下午18∶00时较小，这与降雨日变化的模态一致。

综上所述，在西北太平洋03∶00~09∶00期间，台风降雨日变化达到最大值，降雨过程中释放的潜热会促进台风进一步增强，故在该时间段内台风强度增强最大，台风增强发生次数最多。这对进一步认识台风结构，提高台风预报能力提供了很好的数据支持。

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Diurnal variation of typhoon precipitation

in Northwest Pacific

RUAN Zhen-xin1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China；

2.TheSecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

Abstract:Using 15 year’s TRMM-measured precipitation data, the diurnal variations of non-typhoon and typhoon precipitation in Northwest Pacific were studied. The diurnal signal of non-typhoon precipitation reaches its maximum at 06∶00, with a smaller maximum occurring around 15∶00. The typhoon precipitation within 500 km radius from the typhoon center shows a clear diurnal signal, and reaches its maximum around 03∶00~09∶00, and both of its mean and diurnal variation are larger than those of non-typhoon precipitation. Meanwhile, both the numbers of typhoon intensification and rapid intensification during 03∶00~08∶00 are bigger than other periods. From the satellite images of typhoon ‘HaiShen’, the area of extreme convection cloud is much larger in 06∶00 than in 18∶00, which is consistent with the diurnal variation pattern of precipitation.

Key words:typhoon; precipitation; diurnal variation

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.004

中图分类号:P732

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2015)04-0037-06