中国是世界上受热带气旋影响最为严重的国家之一, 热带气旋的登陆十分频繁。平均每年登陆我国的台风有7~8个, 是世界上台风登陆最多、灾害最重的国家(陈联寿等, 2001)。在全球范围内, 比地震、海啸、火山爆发、洪水泛滥杀伤力更强、更为频繁的灾害类型为热带气旋(台风、飓风、气旋性风暴)(陈联寿, 2010)。台风的灾害主要由台风大风、台风暴雨和风暴潮造成(陈联寿等, 2017; 王承伟等, 2017)。台风云系和降水的分布形式非常复杂, 而其结构特征对台风发展变化和台风降水形成有至关重要的作用。然而, 台风活动于洋面, 受制于海上台站稀缺或无台站, 故对它的了解因探测不够而有限。

随着卫星观测技术的日益进步, 利用其获得的高分辨率资料正在逐步加深对台风详细结构的认识。静止卫星的可见光与红外通道探测能力有限, 而极轨卫星上的微波遥感探测和测云雨雷达探测可以弥补静止卫星在这方面的不足。美国和日本共同开发的热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)首次提供了全球热带和亚热带地区高质量的降水和潜热时空结构观测资料(Simpson et al, 1996), 自1997年成功发射以来, 开创了卫星量化测量热带地区降雨的新阶段, 积累了大量有关热带气旋的资料, 它使准确预报热带气旋的路径和强度成为可能(何会中等, 2004)。学者们利用TRMM卫星资料对台风降水结构特征开展了很多研究, 包括利用TRMM微波成像仪对热带气旋的水汽凝结物结构特征进行分析(姚小娟等, 2014), 使用TRMM卫星测雨雷达、微波成像仪和红外辐射计研究台风降水云和非降水云特征(傅云飞等, 2007), 运用TRMM星载仪器分析台风降水和云系结构特征(何会中等, 2006; 王新利等, 2007; 游然等, 2011; 曹爱琴等, 2016), 同时结合TRMM卫星和CloudSat卫星分析台风降水云系宏微观结构特征(赵姝慧等, 2010)。针对TRMM卫星观测到的台风降水非对称结构, 利用NCEP再分析资料指出水汽通量和垂直运动的非均匀分布导致台风降水非对称分布(吕梅等, 2009)。通过结合TRMM降水雷达和云模式, 利用TRMM降水雷达探测到的地表降水强度、降水类型、降水顶高、融化层降水强度和高度等信息, Shige et al (2004)开发了谱潜热(SLH)降水潜热算法。SLH潜热产品有自己的独特优势, 在研究潜热分布和三维结构方面, 具有不可替代性。

2016年14号台风“莫兰蒂”造成248万人受灾, 29人死亡, 15人失踪, 直接经济损失高达117.1亿元。台风“莫兰蒂”是2016年全球最强台风, 也是1949年以来登陆闽南的最强台风。由于海洋上观测台站稀缺, 目前对超强台风“莫兰蒂”海上降水和云结构的研究较少。本文利用多源高分辨率卫星资料, 重点研究台风“莫兰蒂”在海面上的降水和降水云系三维结构特征, 既可以提供台风内部精细结构的观测事实, 同时也将提高对台风形成与发展机理的认识。

日本新一代地球同步气象卫星Himawari-8(向日葵-8)于2014年10月发射, 2015年7月2日02:00(世界时, 下同)正式开始广播发送卫星观测数据, 卫星上主载荷为国际上先进的高级葵花成像仪(AHI)。向日葵-8气象卫星共16个通道, 包括3个可见光、3个近红外和10个红外通道构成。其中可见光通道云图分辨率达到0.5 km, 近红外和红外通道云图分辨率达到1~2 km, 全圆盘图观测频率达到每10 min一次, 针对日本和特定目标(台风)可实现2.5 min一次, 这些特性使其空前强大(Bessho et al, 2016)。

2006年4月28日发射成功的云探测卫星CloudSat装载了94 GHz(3 mm波段)云雷达(Cloud Profiling Radar, CPR), 该雷达探测灵敏度较强(-30~50 dBZ)。沿着轨道和穿过轨道的水平分辨率分别为2.5 km和1.4 km, 垂直分辨率为240 m, 垂直探测高度大约为30 km。CPR使CloudSat具有同时探测云粒子和降水粒子、提供云垂直结构的独一无二的能力(Stephens et al, 2002)。CloudSat卫星不仅可以开展陆地上不同云系结构特征的统计分析研究(刘建军等, 2017; 杨冰韵等, 2017), 而且特别对在洋面上缺少观测的台风降水和云系而言, CloudSat卫星对研究热带气旋降水和云的垂直结构起到重要作用(Tourville et al, 2015)。

全球降水观测(Global Precipitation Measurement, GPM)计划是一个包含全球多个国家不同卫星的卫星群, 该计划提供下一代全球降水和雪的观测, GPM能够提供全球范围内0.1度的半小时多源卫星融合降水产品(IMERG)。GPM计划是TRMM计划的延续和升级, 将更大程度提高卫星观测的时空分辨率、观测精度和准确性。GPM核心观测平台(GPM Core Observatory)是GPM计划的核心部分, 它于2014年2月28日成功发射。GPM核心观测平台搭载了全球首个星载双频卫星雷达(Dual-frequency Precipitation Radar, DPR), DPR工作频段分别为Ku和Ka波段(分别为13.6 GHz和35.5 GHz)。Ka波段雷达扫描幅宽为125 km, Ku波段雷达扫描幅宽为245 km, 星下点水平分辨率为5 km, 垂直分辨率为250 m, 最小可探测回波强度为18 dBZ。当Ka波段雷达使用高灵敏度模式时, 最小可探测回波强度为12 dBZ, 此时垂直分辨率为500 m。Ku波段雷达最小可探测雨强为0.5 mm·h^-1, 当Ka波段雷达使用高灵敏度模式时, 最小可探测雨强进一步降低, 达到0.2 mm·h^-1。同时GPM还搭载了拥有13个波段(10~183 GHz)的微波成像仪(GPM Microwave Imager, GMI), GMI扫描幅宽为885 km, 能够观测全球各种强度降水, 包括微量降水以及降雪(Hou et al, 2014; 唐国强等, 2015)。

使用的卫星数据包括Himawari-8卫星11.2 μm红外辐射亮温TBB资料, CloudSat卫星V4版本2B-GEOPROF雷达反射率因子产品、2B-CLDCLASS云分类产品, GPM卫星V5版本1C-GMI微波辐射亮温产品、2A-DPR双波段雷达联合反演降水产品、2A-GPROF-GMI微波辐射计反演廓线产品、GPM-SLH潜热二级产品、IMERG多源卫星融合0.1度半小时降水产品。文中所涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1554号的标准地图制作, 底图无修改。

根据中国气象局热带气旋最佳路径数据集(Ying et al, 2014), 图 1给出了2016年第14号台风“莫兰蒂”间隔6 h的路径和强度演变。“莫兰蒂”于9月10日06:00在西北太平洋上生成, 其强度为热带风暴级。9月11日06:00加强为台风, 9月11日18:00进一步加强为强台风, 9月12日00:00更加强为超强台风, 属于快速增强台风。“莫兰蒂”最强阶段的9月13日12:00中心最低气压为890 hPa, 最大风速为75 m·s^-1。“莫兰蒂”维持超强台风级别直到9月14日18:00, 共计66 h。9月14日19:05前后“莫兰蒂”在福建省厦门市翔安区沿海登陆, 登陆时中心附近最大风力15级(48 m·s^-1), 登陆后于9月15日12:00在江西省境内减弱为热带低压。此后“莫兰蒂”继续向北偏东方向移动, 最后消亡于海上。台风“莫兰蒂”登陆所带来的强风和暴雨造成巨大灾害, 厦门市90%树木连根拔起, 整个城市遭受巨大破坏, 损失惨重(Fang, 2016)。

图 1(Fig. 1)

图 1 2016年9月10—16日1614号台风“莫兰蒂”最佳路径数据的路径(a)及中心最低气压和近中心最大风速(b) Fig. 1 Observed track (a) and minimum surface pressure and maximum wind speed (b) of typhoon Meranti (1614) form the best track dataset from 10 to 16 September 2016

图 2中9月11—14日间隔12 h的Himawari-8卫星红外云图显示台风“莫兰蒂”登陆前的发展演变过程, 可见台风云系紧密厚实, 覆盖范围不断扩大, 螺旋云带明显。从强热带风暴的11日00:00开始存在椭圆形的深对流密蔽云区, 处于台风阶段的11日12:00深对流密蔽云区范围增大并且接近圆形, 达到超强台风阶段的12日00:00台风眼初现, “莫兰蒂”台风的快速增强与这些云图特征紧密相连。12日12:00以后台风眼清晰可见并且小而圆, 是台风强烈发展的一个重要标志, 台风眼四周是白亮的圆形密蔽云区。14日00:00台风眼开始填塞消失, 此后台风云系逐渐减弱。

图 2(Fig. 2)

图 2 2016年9月11—14日间隔12 h Himawari-8卫星11.2 μm的TBB云图(单位: K) Fig. 2 Himawari-8 TBB imagery at channel 11.2 μm every 12 hours from 11 to 14 September 2016.Unit: K

图 3给出了利用GPM IMERG半小时降水产品生成的9月11—14日“莫兰蒂”台风在海面上的24 h累积降水量分布和24 h内台风移动路径。可见台风降水空间分布非常不均匀, 呈不对称结构, 结合台风移动路径可见台风中心附近降水量最大。随着台风的逐步增强, 降水量逐渐增大, 24 h最大降水量达330 mm。台风最强降水中心范围随着台风的发展而逐渐增大, 最强降水中心分布由点状扩大为带状直到近乎圆环状。台风外围呈现明显的多条螺旋雨带, 螺旋雨带内存在强降水区, 但其降水量数值明显小于台风中心附近的最强降水区。

图 3(Fig. 3)

图 3 GPM IMERG半小时降水产品生成的24 h降水量空间分布(彩色区, 单位: mm)和最佳路径数据的台风路径(黑色实线) Fig. 3 The 24 hour precipitation accumulation (color area, unit: mm) derived from GPM IMERG half-hourly data and observed track form the best track dataset (black solid line)

在“莫兰蒂”台风整个生命史中, CloudSat卫星9月13日04:17开始的扫描轨道(轨道号为55209)距离“莫兰蒂”中心最近, 最近距离为102.5 km, 为此选择该轨道号资料进行分析。图 4中Himawari-8卫星红外云图显示超强台风“莫兰蒂”存在清晰的圆形台风眼, 台风眼区云顶温度相对较高, 围绕台风眼的台风云墙云顶温度低于200 K。台风外围有大范围螺旋云带围绕, 外流卷云羽清晰可见。CloudSat卫星轨迹显示, 卫星扫过“莫兰蒂”台风的螺旋云带和台风云墙。

图 4(Fig. 4)

图 4 Himawari-8卫星11.2 μm的TBB云图(阴影区, 单位: K)和CloudSat卫星轨迹(黑色实线, 标注轨迹开始和结束时间)叠加图 Fig. 4 Himawari-8 TBB (the shaded, unit: K) imagery at channel 11.2 μm overlaid with portion of CloudSat track (black line) and UTC time of start and end

图 5给出了CloudSat卫星在该轨道观测的雷达反射率因子和云分类垂直结构。由图 5可见台风云墙和螺旋云带由深厚对流云系统组成, 云顶附近是卷云和高层云。台风云墙内的对流最旺盛, 由多个孤立对流“热塔”组成。图 5(a)显示最大云顶高度接近17 km, 位于台风云墙内。雷达反射率因子大于10 dBZ的高度最大达14 km且厚度最大达到10 km, 位于云墙区, 对流系统体现为深厚、柱状特征。以靠近台风中心的20°N为分界线, 台风中心南侧螺旋云带内对流系统范围大于北侧螺旋云带, 但是雷达反射率因子大于10 dBZ的高度北侧螺旋云带比南侧螺旋云带高2 km左右。4 km高度上存在明显的不连续亮带, 而以上则存在明显的高空对流柱, 高空对流柱出现连成片状, 说明台风云系处于发展成熟阶段。

图 5(Fig. 5)

图 5 2016年9月13日04:17:49 CloudSat卫星观测的雷达反射率因子(a, 单位: dBZ)及云分类垂直剖面(b) Fig. 5 Vertical cross section of radar reflectivity factor (a, unit: dBZ), cloud classification profile (b) from CloudSat at 04:17:49 on 13 September 2016

在“莫兰蒂”海上生命史中, 由于GPM卫星轨道数和轨道覆盖范围的限制, 只有9月12日轨道号为14429的资料完整覆盖“莫兰蒂”台风, 此时台风处于超强阶段, 下面对GPM卫星该轨道号资料进行分析。

图 6中GPM GMI观测的微波辐射亮温分布可以较好的反映台风眼区位置, 并且89.0 GHz反映的眼区比18.7 GHz更清晰。根据微波遥感原理, 18.7 GHz亮温主要体现云中液态水粒子的发射辐射, 水粒子越多, 则该通道亮温越高; 而89.0 GHz亮温取决于云中冰相粒子的散射信号强弱, 冰相粒子越多, 则该通道亮温越低(Petty, 1994; 傅云飞等, 2007)。因此, 18.7 GHz高微波亮温区对应降水区域, 微波亮温值越高对应的降水越强; 而89.0 GHz低微波亮温区对应降水区域, 微波亮温值越低对应的降水越强。从18.7 GHz和89.0 GHz微波亮温分布(图 6)中可以看到, 冰、水粒子非均匀、非对称的分布在台风云墙中, 且云墙中的冰、水粒子大体成正比, 即18.7 GHz亮温高于250 K区域对应89.0 GHz亮温低于230 K区域, 这反映了台风云墙内对流活动旺盛的特点。台风螺旋雨带中也存在上述特征, 表明台风螺旋雨带中也有强烈的对流活动。图 6中GMI微波反演的降水强度分布显示“莫兰蒂”台风降水呈非均匀、非对称分布, 大范围的降水区内包含几条明显的强雨带, 分别为云墙强降水、螺旋雨带强降水。

图 6(Fig. 6)

图 6 2016年9月12日GPM GMI 18.7 GHz(a), 89.0 GHz(b)垂直通道探测的微波辐射亮温(单位: K), 微波反演的降水强度(c, 单位: mm·h-1)分布 Fig. 6 GPM GMI observed 18.7 GHz (a), 89.0 GHz (b) vertical polarization microwave brightness temperature (unit: K), retrieved precipitation rate (c, unit: mm·h-1) on 12 September 2016

GPM DPR有三种扫描模式, 分别是Ku普通模式KuNS(normal scans)、Ka匹配模式KaMS(matched scans)和Ka高灵敏度模式KaHS(high sensitivity scans)。由于Ku波段雷达扫描幅宽比Ka大, 衰减比Ka波段雷达小, 所以更适合研究台风强降水云系。采用GPM DPR KuNS模式分析台风“莫兰蒂”结构特征, 该模式下的扫描幅宽为245 km, 因此图 7中DPR的轨道宽度明显比图 6中GMI窄。图 7(a)中AB两点连线穿过台风眼, DPR观测到围绕台风眼存在多条螺旋雨带, 最大降水强度达295 mm·h^-1, 位于“莫兰蒂”台风眼壁的东北侧。图 7(b)显示台风降水主要是层云性降水, 少量存在孤立和带状的对流性降水。台风眼区无降水, 云墙内的对流性降水环绕眼区。图 7(c)沿AB两点连线的雷达回波强度垂直剖面显示台风眼区(箭头位置)无回波, 在台风云墙内多个高耸的对流“热塔”回波最强。位于台风眼右侧云墙的“热塔”最大回波强度达57 dBZ, 最大回波顶高为17 km, 穿透对流层顶。台风眼两侧回波垂直结构呈不对称分布, 右侧回波强度大于左侧。台风螺旋雨带内强回波呈孤立柱状, 存在对流柱, 回波顶高低于云墙内对流“热塔”。

图 7(Fig. 7)

图 7 2016年9月12日GPM DPR KuNS模式观测的地面降水强度(a, 单位: mm·h-1), 降水类型(b), 沿AB两点连线的雷达回波强度(c, 单位: dBZ, 箭头为台风眼)和SLH潜热垂直剖面(d, 单位: K·h-1) Fig. 7 GPM DPR NS mode observed surface precipitation rate (a, unit: mm·h-1), precipitation type (b), vertical cross section along line AB of radar reflectivity (c, unit: dBZ, arrow stands for typhoon eye) and SLH latent heat profile (d, unit: K·h-1) on 12 September 2016

图 7(d)显示台风眼的两侧从近地层开始均是潜热加热区, 反映水汽凝结过程、云滴和雨水冻结过程、水汽凝华过程释放大量潜热。强加热区呈窄柱状并且位于低层, 88 K·h^-1的最强加热率位于台风眼右侧云墙的对流“热塔”内, 和回波强度最大值对应, 位于5.5 km以下, 说明低层水汽凝结过程释放的潜热大于高层冰相过程, 暖云降水过程占主导地位。台风眼左侧云墙内潜热加热率5.5 km以上高度明显大于其下高度, 说明高层冰相过程潜热释放强于低层水汽凝结过程, 冷云过程起主要作用。可见, 台风眼两侧潜热垂直结构呈不对称分布, 右侧潜热加热高于左侧, 暖云和冷云过程分别起主要作用。台风眼外侧云墙内5.5 km以下为冷却区, 反映低层冰相粒子融化过程和降水蒸发过程吸收热量; 5.5 km以上为加热区, 反映高层云滴和雨水冻结、水汽凝华过程释放潜热。可见, 台风眼外侧云墙内冷云过程占主导地位。台风螺旋雨带内对流柱从近地层开始为潜热加热区, 加热率明显低于对流“热塔”。整个台风云系16 km以上为冷却区, 反映高空冰相粒子升华过程吸热。对流“热塔”内水汽凝结和冰相过程所释放的潜热能量将使台风强度进一步增加, 说明“莫兰蒂”台风处于不断发展、加强过程中。

利用Himawari-8卫星、CloudSat卫星和GPM卫星对2016年14号台风“莫兰蒂”在洋面上的降水和卫星扫描过的台风眼区、外围雨带降水云系的三维结构特征进行了综合分析, 得出如下结论:

(1) 台风在海面上的24 h累积降水量分布具有非均匀、非对称结构, 最强降水区集中于台风中心附近, 台风外围降水区呈现明显的螺旋带状结构。

(2) Himawari-8卫星红外云图上“莫兰蒂”存在清晰的圆形台风眼, 外围有大范围螺旋云带围绕。CloudSat卫星观测显示云顶高度接近17 km, 云墙和螺旋云带由深厚对流云系统组成, 云顶附近是卷云和高层云。台风云墙内的对流最旺盛, 由多个孤立对流“热塔”组成。4 km高度上存在明显的不连续亮带, 而以上则存在明显的高空对流柱。

(3) 利用GPM卫星观测的微波辐射亮温可以定位台风眼区, 微波亮温和降水有很好的对应关系, 微波信号分析表明台风云墙内对流活动旺盛。GPM DPR观测的最大降水强度达295 mm·h^-1, 位于“莫兰蒂”台风眼壁的东北侧。台风降水主要是层云性降水, 少量为对流性降水。台风眼两侧的回波强度和潜热加热率垂直结构具有不对称结构, 57 dBZ的最大回波强度出现在台风眼右侧云墙高耸对流“热塔”内, 该处存在穿透对流层顶达到17 km的最大回波顶高和88 K·h^-1的最大潜热加热率, 暖云降水过程占据主导地位。台风螺旋雨带的雷达回波呈孤立柱状, 从近地层开始为潜热加热区, 反映这里对流旺盛。

多源新一代高分辨率卫星的联合观测在台站稀缺或无台站的洋面上可以为细致研究台风内部结构、发展演变和降水特征提供重要的观测事实, 同时能弥补单颗卫星覆盖范围、时空分辨率的不足, 将会进一步加深对台风结构特征和形成机理的认识。