雨水蒸发冷却对热带气旋螺旋雨带外雨带生成的影响

王元豪

（民航宁波空管站，浙江 宁波315000）

1 引言

热带气旋（Tropical Cyclone，简称TC，即台风）作为中国一个极为常见的天气系统，每年都会频繁登陆于中国各个沿海海岸，而它所具有的强大破坏力，对遭受它侵略的土地形成了巨大的损害。台风天气对飞机飞行有很大影响，如颠簸、雷击、冰雹、能见度低和风向变。近些年来，超强台风年年造访，如2018 年的“山竹”，2019 年的“天鸽”以及2020 年的“利奇马”，对宁波栎社机场的飞行航班造成了巨大的影响。其中，台风带来的暴雨对飞行的影响最为主要，为了更好地防御热带气旋给机场航班带来的灾害，我们有必要不断深入了解它，熟悉它的结构，形成机制以及活动性质。

本文从热带气旋（台风）的结构入手，热带气旋通常由一个眼区伴随着具有深对流的眼墙以及眼墙外的螺旋雨带组成。根据它的特征和位置，螺旋雨带又可以分成外雨带和内雨带两个部分[1]。外围螺旋雨带影响热带气旋的结构和强度，是热带气旋有别于温带气旋的主要特征之一，它又与产生暴雨有着密不可分的关系，所以螺旋雨带的外雨带的形成、维持机理，以及它与台风强度和路径等的关系都是国际上热带气旋研究中受到广泛关注的科学问题。在国内，对于螺旋雨带的生成和活动特征的研究，同样一直是重要的研究方向之一。本文通过研究螺旋雨带的成因来探讨热带气旋暴雨的形成机制，熟悉其构成，以在抗台期间更有效的观察其行进路线以减少暴雨对航班飞行的影响。

2 数值试验设计

本研究中使用的数值模式为中尺度数值模式WRF_ARW（V3.3），采用三层嵌套方案进行模拟，三层网格的水平分辨率分别为27 km、9 km 和3 km，垂直方向为27 层。模式初始场来自一个理想的对称气旋性涡旋，其初始时刻最大风速Vm为8 m/s，最大风速半径rm为125 km。该系统切向风风速随高度呈现递减[2]：

式（1）中：r为距离台风中心的距离；σ为垂直sigma 层；A（σ）定义了垂直高度。

为简化起见，本文采用f 平面，中心纬度为15°N。下垫面是均匀的海洋（海表温度设为29 ℃），没有考虑大尺度环境气流影响（即静止大气）。环境场初始水汽和温度廓线均来自JORDAN（1958）。在设定的风场情况下，通过求解非线性平衡方程可以得到质量场和热力学场要素。

本次试验分为两组，第一组为控制试验（CTL）：考虑云辐射作用，考虑云物理过程，考虑长波、短波辐射。

第二组试验为无蒸发冷却试验（NOEVP）：考虑蒸发，但不考虑雨水蒸发冷却，具体方案设计见表1。用以探究蒸发冷却对外螺旋雨带生成和发展的影响。在本研究中，2 组试验均积分6 天，直至涡旋发展成为成熟的热带气旋。

表1 试验方案设计

3 蒸发冷却对热带气旋螺旋雨带外雨带生成的影响

本文着重探究雨水蒸发冷却对热带气旋螺外旋雨带形成的重要影响作用。为了证明这一结论，就必须做一些必要的试验。对蒸发冷却起主导作用的冷池具有三维结构，YAMASAKⅠ[3]曾做过对应的试验，但受限于当时的观测资料和技术手段，只能得出二维试验的结论。热带气旋的三维结构难以模拟研究，因而此处进行的是理想模式下的模拟热带气旋控制试验，比较在有无雨水蒸发冷却情况下的螺旋雨带的形成及其发展变化的情况。

本文通过三维数值模式进行理想试验，揭示雨水蒸发冷却过程在雨带形成中的作用，以验证蒸发冷却对外螺旋雨带的影响。

第一步，因对流可以很好地表征外雨带的形成与发展，选取雷达反照率的对称分量的结果，以对流特征来表征外雨带的生成发展的状态。为了显示出螺旋雨带的位置及其演变状态，在图1 中的两组试验均取0.5 m 高度处雷达反照率的对称分量随时间的变化。图1（a）中，即CTL 试验，在T=36 h 时，外雨带在距TC 中心约60 km 处的眼壁外逐渐成形。而根据图中反照率的分布，当螺旋雨带一旦形成，它就以约6 m/s 左右的速度迅速向外传播扩展，在T=144 h 时，外雨带已经传播到距台风中心200 km 附近。在模拟的120 h 内，螺旋雨带存在4 个活动周期，每一次约为22～24 h，说明螺旋雨带在眼墙外向外传播的具有准周期性。另一方面，在无雨水蒸发冷却作用的NOEVP 试验中，眼墙外的螺旋雨带的活动要相对弱了许多，只能在T=36～48 h 和T=60～72 h内有可以观测到的外雨带活动反映。在T=72 h 后，雨带维持在在距台风中心60 km 附近，无向外扩展迹象。

另一方面，由图1（a）可见，模拟的螺旋雨带内雨带总是活跃在眼壁外侧至60 km 半径范围内，而外雨带则主要集中出现在60 km 半径之外并可以传播到210 km 半径处。因此定义60～210 km 半径环形区域为外螺旋雨带活动区。外雨带在向外传播过程中其对流性逐渐增强，零散的对流体位于其中；在继续向外传播过程中外雨带中的对流体逐渐减弱消亡。图1（b）中的剖面有很明显的变化，没有了蒸发冷却作用，雨带无法维持。

图1 0.5 m 高度处雷达反照率的对称分量随时间的变化

图2 给出了0.5 m 高度处切向风的对称分量随时间的变化。图2（a）和图2（b）分别显示了控制试验中理想状态下的螺旋雨带在有无雨水蒸发冷却情况下0.5 m 高度处切向风随时间变化的情况。由图2（a）中CTL 的切向风分布可以看出，强风区域（大于20 m/s）大约在T=36 h 时形成，并逐渐向外扩展，到T=144 h 时，半径已经达到了240 km左右。而在NOEVP 试验中，强风区域的形成虽然较CTL试验更为迅速。但强风区域的半径却并不随时间有明显的变化，从开始直至最后的T=144 h 时刻，一直保持着距TC 中心约90 km 的范围，这表明，热带气旋的大小在NOEVP 试验中的发展中保持几乎不变。对比图1 与图2 可以发现，在有无雨水蒸发冷却条件下的强风区域的区别与图1 中螺旋雨带的雷达反照率的显示一致。

图2 CTL 和NOEVP 试验的0.5 m 高度处切向风的对称分量随时间的变化

上述分析表明，在考虑雨水蒸发冷却作用的试验（CTL）中，外雨带活动明显，TC 达到最大风速所用时间较慢，且TC 强度较小，但范围较大；在不考虑雨水蒸发冷却范围且TC 较小。这在图3 中24 h（57～80 h）的累计降水量中也有所体现。对比图3（a）和图3（b），可以清晰看出两者的降水存在较大差别。在CTL 试验中，降水量范围较大。对比图3（b），由于NOEVP 试验中缺少外雨带活动，24 h 降水量基本集中在内区。这与图1 和图2 中没有雨水蒸发冷却的作用下几乎无外雨带生成的结论相印证。

图3 CTL 和NOEVP 试验57～80 h 的24 h 累积降水量

由以上试验对比，已经可以得出结论：雨水的蒸发冷却对热带气旋螺旋雨带外雨带的生成具有重要影响。

对于雨水蒸发冷却作用的影响，也可以从其他方面来证明它的作用。FANG 和ZHANG[9]在讨论β平面上外雨带形成的原因时，得出结论：雨水蒸发带来的潜热释放和冷却作用会产生持续的正位涡增长，从而减小邻近切向风径向梯度，增加了涡丝化时间，有利于对流的增长。FANG 和ZHANG 证实层云降雨区域的蒸发冷却效应减小了低层的假相当位温，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，二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。这与前人的研究（Sawada and Ⅰwasak，2010）结果一致。

由此，再进行CTL 试验和NOEVP 试验的假相当位温对比。图4 为试验中T=63 h 的0.5 m 高度处冷池的水平结构。从图4 中可以清晰地看出，在CTL 试验图4（a）中，0.5 m高度处假相当位温负异常远比NOEVP 图4（b）显著小，也就是说CTL 试验中具有显著的地面冷池（假相当位温非对称分量小于﹣2 K 的区域），同时，CTL 试验中在冷池前端具有明显的向外的气流辐散，与TC 的入流辐合；而NOEVP中则无气流辐合。

图4 CTL 和NOEVP 试验T=63 h 的0.5 m 高度处的冷池水平结构（阴影：冷池，即假相当位温非对称分量小于-2 K 的区域；等值线：辐散；箭头：水平风速的非对称分量）

图5 为选取的CTL 试验AB 截面的相当位温分布和垂直速度垂直分布，图6 则是相对应的非绝热加热率的分布图。从图中可以清晰地看出地面冷池的存在，冷池上方对应为明显的下沉运动，证明雨水蒸发冷却作用产生了下沉作用；而在下沉运动的外侧，则对应为明显的上升运动。与冷池对应的是图5 的非绝热冷却，其外侧则为明显的上升运动凝结潜热释放带来的非绝热加热。综上，雨水蒸发冷却作用引起了下沉作用，促进和维持地面形成冷池，下沉气流在地面辐散，在冷池前端（远离TC 中心）与台风入流汇合，产生气流辐合并抬升。此处可以再次观察图5 和图6，图5中，在冷池右方，垂直速度大于0，即上升运动，图6 中则是中间及左上角区域（非绝热加热率大于0），与上升运动相印证。

图5 非绝热加热率剖面图（图中的黑色虚线为温度零线）

图6 CTL 试验63 h 的假相当位温（阴影）和垂直速度（等值线）

4 结论

本文利用中尺度数值模式WRF_ARW（V3.3）验证了雨水蒸发冷却作用对外螺旋雨带生成和发展的影响，在控制试验中，雷达反照率显示外雨带主要在离气旋中心60 km 半径位置生成并逐渐向外传播，雨水蒸发冷却作用形成的地面冷池促进了对流的产生和雨带的向外传播；而在无蒸发冷却作用的试验中无明显的外雨带形成。其原理可归结为：雨水下落蒸发冷却加上下沉气流将对流层中层冷空气带到边界层，导致边界层出现冷池；下沉气流达到地面后向四周辐散，辐散气流与台风外围的入流相遇出现辐合，在冷池外侧出现强迫抬升的上升气流；上升气流的潜热释放加热进一步促进气流抬升，促进台风外围对流发展，螺旋雨带向外扩展。

虽然得出雨水蒸发冷却对外雨带形成具有重大影响的结论，但在实际大气中，热带气旋所处环境更为复杂多变，会有更多的相互作用对形成机制产生影响，本文在此次模拟的理想状态下都没有考虑这些因素，只是得出了初步的理论结果，诸如贝塔效应、环境流场等的影响将需要更多的试验来探究，将来随着观测资料的更进一步完善，科学技术的进一步提升，一定能更全面地模拟真实的环境，并得出更全面的结论。本文旨在通过研究雨带的生成变化来熟悉台风的生成过程，对台风越了解，越有助于气象工作在台风灾害天气中对航班的保护。