热带气旋云微物理过程的研究进展

李江南，庞思敏

（中山大学大气科学学院／广东省气候变化与自然灾害研究重点试验室，广东 珠海 519082）

引言

云微物理过程影响热带气旋（TC）的每个阶段［1］，能够直接或间接的调节包括TC 大小、最大风速半径和其他因子在内的涡旋特性［2］，也可以显著的影响粒子下落速度，从而影响TC 风场［3］。云微物理过程的潜热释放对TC 强度、结构和降水的影响较大，潜热与对流的反馈作用影响TC 的强度［4］。近几十年来，尽管在TC 路径预报上有较大提高，但对TC强度和降水的预报能力还是非常的有限［5－7］。云微物理过程是影响TC 强度、结构和降水变化的重要因子［8－10］。受观测资料限制，相对于TC 动力学过程，目前对TC 云微物理过程的研究十分有限。随着卫星、雷达等遥感观测资料的日益增多和数值模式的不断发展，TC 云微物理过程的研究有了一定的进展。这些进展主要表现在两个方面：一是观测资料分析，二是数值模拟研究。从这两个方面对近几十年来TC 云微物理过程研究现状作简单的回顾与评述。

1 观测资料分析

近几十年，基于卫星雷达等观测资料的诊断分析较多，如基于TRMM 卫星资料对TC 云和降水结构进行的研究［11－13］，基于CloudSat卫星资料对不同强度的TC 云宏微观结构和降水特征进行的诊断分析［14］，以及垂直风切变大小对台风结构和强度的影响［15］等方面。此外的研究还包括，利用GPM／DPR 卫星资料揭示TC 个例两侧眼壁粒子谱的不均匀性［16］，利用COSMIC／RO 卫星资料对多个台风的热力结构进行合成分析［17］，使用AMUS 卫星资料深入分析台风对流层中上层热力异常结构［18］，以及基于我国风云气象卫星资料探究台风云系内部演变［19］等方面。在对偏振雷达的观测分析表明，暖云过程在内雨带（云墙）是主要的，冰云过程在外雨带（离TC 中心150km 以上）则更重要［20］。还有研究基于多种观测数据，结合网格再分析资料，分析台风登陆过程中的动、热力结构特征［21-22］。

这些结果表明，利用新的卫星、雷达等探测手段，可以揭示TC 降水和云微物理的一些结构特征［23，24］，也可以对数值模拟结果进行验证或评估［1，25－29］。但静止卫星难以探测云下的资料，极轨卫星又不能时空上连续探测［17］，雷达也很难探测海上TC 的连续变化过程。因此，还需要更多更好的探测技术方法对TC 云微物理过程进行连续的加密观测。但目前TC的直接观测仍然是TC 研究和业务的短板［30］，大力推进TC 飞机观测系统建设是有必要的。如：无人机和平流层飞艇等新型观测平台［31］。中国气象局于2018年启动的“海燕计划”就是基于无人机下投探空系统对TC 外围云系进行了CT 式立体“扫描”。这些探测结果有望揭示TC 云微物理精细结构的演变规律，据此改进数值模式的微物理参数化方案，提升预报能力［31］。

2 数值模拟研究

2.1 云微物理过程对TC 路径的影响

很多研究表明了云微物理方案对TC 路径影响不大［4，28，32－37］。也有些研究表明了云微物理过程可以影响TC 路径。如：程锐等［38］的研究表明云微物理过程可以通过对台风强度的改变从而对路径产生影响。花丛和刘奇俊［39］在对2007 年秋季台风“罗莎”的模拟研究中表明，云微物理过程及潜热的改变对TC路径有明显的影响。周昊等［26］模拟结果表明，微物理方案对台风路径的影响较大，并认为是不同微物理方案在模拟副热带高压和东亚长波槽的演变特征上不同，导致了对TC 路径模拟的差异。

2.2 云微物理过程对TC 强度的影响

Ming 等［40］对TC“桑美”（2006）进行不同云微物理参数化的对比研究，发现模式中不同的云微物理方案对TC 路径影响较小，对TC 强度和内核结构影响较大，潜热的释放决定了TC 的强度和内核结构，对TC 的强度有正反馈作用。TC 强度的预报很依赖于云微物理方案的选择［41］。但Wang［42］通过理想试验研究指出，TC 的增强速率和最终强度对云微物理参数化方案并不敏感。早期用二维模式研究［43-44］表明冰相过程比没有冰相过程可以产生更低的海平面气压，使得TC 加强。Zhu and Zhang［35］对台风个例模拟研究表明，微物理过程对台风强度和结构有明显的影响。不考虑冰或霰，水平平流增强，云水分布广泛，台风减弱。Zhao 等［45］模拟研究表明，台风内核区霰和雪的显著增加与TC 快速增强（RI）阶段相吻合。

很多的研究表明眼壁内核区的潜热加热更有利于TC 加强［33，46－47］。Li 等［48］发现单参数和双参数云微物理方案主要是影响TC 结构，从而影响TC 强度。单参数方案模拟的TC 眼区更小，最大风速半径更小，云墙区的潜热加热离TC 中心更近，TC 的暖心正偏差更大，使得TC 更强。使TC 加强的主要加热过程是水汽凝结成云水、雪的凝华增长和云冰的凝华增长；使TC 减弱的主要冷却过程是雨水的蒸发、雪的升华和霰的融化［4］。凝结和凝华潜热分别在对流层中低层和高层对TC 快速加强起主要作用［49］。

外围雨带的微物理过程对TC 强度也有很大影响。Wang［50］指出外围螺旋雨带中凝结加热的分布和变化影响了TC 强度和结构。非绝热加热（冷却）通过影响外围雨带和内核结构，导致TC 增强（减弱）［51］；眼壁内核区的蒸发冷却对TC 强度影响有限，主要是外围雨带的蒸发冷却抑制了TC 加强［52］。Chan and Chan［34］也认为眼壁外雨带中的潜热释放可以使TC 增强增大，霰过程对TC 没有明显的影响。但Mukhopadhyay 等［53］的研究表明，内核区的潜热加热主要是霰过程控制。

2.3 云微物理过程对TC 降水的影响

云微物理过程对于成云致雨是非常重要的。TC暴雨增幅主要是通过雨水对云水的碰并收集和霰粒子融化为雨水［54］，冰相过程对地面降水的贡献明显加大。霰粒子融化为雨水在弱降水中更为重要［55］。对流降水和层云降水的云微物理特征和过程有明显差异［56］。冰相过程对不同阶段台风暴雨形成起关键作用，霰粒子融化是台风暴雨的主要雨水源项［57］。霰和雪的融化是台风螺旋雨带中雨滴增长的主要机制之一［58］。冰相粒子的减少以及霰粒子的转化，是台风登陆后降水维持和增幅的直接原因［59］。霰在台风对流性和层云降水区都是最重要的凝结水物质［60］。云冰和雪对降水的辐射效应明显强于云水和雨滴［61］。有些研究表明暖云过程在TC 降水中更重要。如：冰相过程对台风“莫拉克”（2009）降水的影响并不是主要的，暖雨更重要［62］。暖云微物理参数化产生更强的降水率，但是降水面积较小［42］。如果不考虑云冰、雪和霰的融化，降水量增加显著［63］。液相水凝物辐合对TC 降水云系快速发展贡献明显，固相水凝物辐合贡献不显著［64］。对流降水区以暖云微物理为主，层状降水区以冰云微物理为主［65］。

3 小结和讨论

综上所述，近几十年对于TC 云微物理过程的研究有了一些进展，特别是对TC 的云微物理结构有了较深的认识，但云微物理过程如何对TC 路径、强度和降水产生影响还有很多不同观点，这些不确定性影响了业务数值预报模式如何选择云微物理方案。要提高TC 预报的水平还有些基础问题是值得研究的，如：TC 云、降水和潜热收支的三维结构特征是什么？影响TC 强度和降水变化的主要云微物理过程是哪些？热力和动力过程相互作用影响TC 强度和降水变化的物理机制是什么？秋季TC 云微物理过程和夏季TC 有什么主要不同？

已有的研究工作主要是基于夏季TC 个例，对秋季TC 的研究还不多。实际上夏季和秋季的TC 云微物理过程可能有很大差异。比如在秋季南海，夏季风已慢慢撤退，副高减弱东移，冷空气开始活跃，季风槽多变。与夏季相比，南海秋季TC 的“运行”环境发生了很大变化，云和降水的形成机制也发生改变。秋季TC 的平均强度更强［66－68］，生命史更长，路径略向西北方向发展［67］。夏季TC 暴雨受西南季风影响较大，秋季TC 暴雨中冷空气作用更明显。冷空气的作用是造成秋季TC 登陆加强的重要原因［69］，而林良勋等［70］认为，冷空气可以使TC 减弱，也可以使TC 加强。因此，云微物理过程对秋季TC 强度和降水的影响机制还不清楚，夏季TC 和秋季TC 的云微物理过程有何不同还缺少对比研究。

当前的中小尺度数值模式正向云解析尺度发展，但由于云微物理过程发生在云滴和雨滴的尺度上，再细的网格也需要对云微物理过程进行参数化处理。根据表征粒子类型尺度分布的方式不同，参数化方法分为两类，一种是分档法（bin 方案），另一种是整体参数化（bulk 方案）。bulk 方案又可分为单参数方案和双参数方案。如果增加雷达反射率的预报方程，允许gamma 分布的形状参数独立变化，则有三参数方案［71］。根据云的相态可分为暖云方案和混合相云方案。根据粒子类型的多少又可分为简单方案和复杂方案。还有考虑（或不考虑）气溶胶对云微物理过程影响的方案。这些不同类型的方案所包含的云微物理过程是不同的，因而对TC 的影响也是有区别［72－75］的。在不同季节、不同区域，采用哪一种云微物理方案都是值得研究的问题。模式的分辨率或其它物理方案的配置也可能影响预报结果。总之，如何选择云微物理参数化方案，以期在TC 路径、强度和风雨分布三个方面都得到最佳的预报效果还需要很多的研究。

当然，影响TC 路径、强度和风雨分布的物理因子很多，云微物理过程只是其中一个方面。各种物理因子之间也有很复杂的非线性相互作用。本文总结了很多方面的不确定性，也是反映了TC 云微物理基础理论研究薄弱，突破性的研究成果较少，制约了TC 数值预报水平的提高，特别是TC 强度的预报。因此，大力推进TC 观测系统建设，大力提升TC 理论研究水平是非常有必要的［30］。