利用组网雷达资料分析台风“黑格比”结构

利用组网雷达资料分析台风“黑格比”结构
张勇;刘黎平;张志强
【摘要】基于组网雷达的组网产品组合反射率因子(CR)与回波顶高(ET)资料分析2008年第14号台风“黑格比”登陆期间的结构特征,并比较了CR与ET特征的异同,分析了造成异同的原因.分析结果显示:在登陆过程中,眼区逐渐被填塞,核心区内的对流活动有所增强,之后迅速减弱；各距离圈眩的平均CR与平均ET随距“黑格比”中心的距离呈单峰分布的特点,但平均CR与平均ET的单峰分布并不是一一对应,前者峰值较后者更靠近台风眼中心.%The structure characteristics during the landing of Typhoon Hagupit occurred in 2008 are analyzed based on the composite reflectivity (CR) and echo top (ET) data from the products of three-dimensional mosaic system (CINRAD Mosaic). The characteristics of CR and ET are discussed, and the possible causes of differences between the two network products are pointed out. The results show that the convective activities in the core area of Typhoon Hagupit declined rapidly after short enhancing when its eye areas became filled from convection during the landing period. The curves of CR and ET along with the distance away from the center of Typhoon Hagupit exhibits a single-peak distribution, but the former is closer to the typhoon center, with an average peak distance of 64 km and 76 km, respectively.
【期刊名称】《气象科技》
【年(卷),期】2012(040)003
【总页数】5页(P445-449)
【关键词】组网雷达资料;台风"黑格比";结构特征
【作者】张勇;刘黎平;张志强
【作者单位】重庆市气象台,重庆401147;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081
【正文语种】中文
台风的结构对其移动路径和强度产生明显的影响，应当把热带气旋运动看成是中低纬度大气环流和不同尺度系统以及台风内部不同结构相互作用的产物［1－2］。

台风结构是台风研究方面的一个重要内容，伍荣生［3］指出要进一步提高台风路径及强度变化预报的准确率，不仅需要大尺度背景场的信息，还依赖于对热带气旋内部结构的认识。

多普勒天气雷达能获取高时空分辨率的资料，是研究台风结构的主要工具之一［4－8］。

由于单多普勒天气雷达对台风这类尺度的天气系统观测存在诸多的不足，如静锥区、有效观测距离以及地球曲率的影响等，而组网雷达系统在一定程度上可以减少或弥补这些不足［9］。

而目前组网雷达资料还主要应用于一般暴雨天气过程［10－11］，很少应用在台风结构分析上，本文基于组网雷达的组网产品组合反射率因子（CR:Composite Reflectivity）与回波顶高（ET:Echo Top）分析2008年第14号台风“黑格比”的结构特征，充分利用了组网优势，从不同的角度揭示其在登陆过程中的结构特征及其结构变化特征。

CR 与ET都可以在一定程度上反映对流回波的强弱，因此利用它们来分析台风结构特征，可以在一定程度上认识台风内部对流活动的变化特征，这对于判断强降水的落区有重要意义。

本文的资料来自中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室开发的天气雷达基数
据三维拼图系统（Cinrad Mosaic）的组网产品:组合反射率因子（CR）与回波顶
高（ET），它们分辨率均是0.01°×0.01°。

CR是单位柱体内的最大反射率因子，
一般情况，较大的CR与较强的降水相联系，CR在一定程度上也指示着对流的强弱；ET定义为在单位柱体内，三维组网反射率因子大于等于18.5 dBz的最高回波高度，该产品在一定程度上描述了对流的垂直特征，表征对流发展的强弱程度，因此利用CR与ET分析台风登陆过程中的变化特征在一定程度上可以反映其内部对
流活动或者其结构特征在登陆过程的变化。

在分析方法上，典型的台风结构在雷达回波上主要表现为台风眼的无回波区或弱回波区、眼墙的强回波及眼墙外围的螺旋回波带，整个台风呈现出准圆准对称的结构特征，本文中所要分析的“黑格比”台风基本上表现出了这样的结构特征，因此考虑分析以台风中心为圆心，分辨率为1 km的各半径上平均CR和ET，这样就可以得到台风登陆期间各时刻距台风中心不同距离上的平均CR和平均ET的变化特征，CR与ET的特征在一定程度上能反映出台风内部的结构特征。

2008年第14号台风“黑格比”于9月19日12:00（世界时，下同）在菲律宾以东洋面生成，并于23日22:45在广东省茂名市电白县沿海地区登陆，登陆时中心气压950 hPa，中心附近最大风速48 m/s。

图1是台风“黑格比”在21日
12:00至24日12:00时间隔6 h的中心海平面气压及中心附近最大风速变化图（数据取自:“CMA－STI热带气旋最佳路径数据集”），中心气压与中心附近最
大风速匹配很好，在主体靠近陆地之前（23日18:00），其强度逐步增强，表现
为中心气压降低，中心附近风速增大，之后强度逐渐减弱。

其移动路径及组网天气雷达覆盖区域如图2（数据取自:“CMA－STI热带气旋最佳路径数据集”），考
虑台风“黑格比”登陆时间和地点，选择了广州、阳江和深圳3部CINRAD/SA
天气雷达作为组网雷达，分析了23日16:00—23:00之间的间隔1 h的8个时刻
的CR及ET特征及其特征变化。

由图2可见，在台风“黑格比”登陆过程时段内，
其主体都在3部组网雷达的覆盖范围内。

因为需要计算各距离上的平均CR与ET，首先需要计算各距离圈上的资料覆盖率（台风中心取自中国天气网，资料覆盖率定义为:各距离圈上有效资料占整个距离圈上资料的百分比，考虑到CR与ET相匹配，距离圈上的CR大于等于18.5 dBz才算有效资料）。

各时刻的覆盖率见图3a（文后彩图），在眼区附近的资料覆盖率都比较低，并且随时间覆盖率增加，这是“黑格比”在登陆过程中眼区逐渐被填塞的结果。

在眼区之外的一定距离内，各时刻的平均覆盖率在95%以上，有的达100%，之外覆盖率又逐渐下降，在覆盖率较高（大于80%）的区域对应的是台风眼区之外的核心区，在该区域内，雷达回波强
度较强，对流也发展较强，风速较大，一般也是导致强降水的区域。

为保证各距离圈上平均CR与ET具有较好代表性，选距离台风中心30～130 km的环状区域作为分析区域。

“黑格比”台风在登陆期间各时刻距离台风中心30～130 km区域内各距离圈上
的平均组合反射率因子（CR）的变化见图3b（文后彩图），各时刻的平均CR都呈现出单峰分布，峰值及峰值距台风中心的距离如表1，其总的特征是:峰值先增
大后减小，峰值距离是先减小再增大，平均CR的平均峰值34 d Bz，平均CR的
平均峰值距离是64 km。

这说明“黑格比”在登陆过程中，眼区被填塞，眼区缩小，核心区内的对流活动向中心收缩，并且有所加强，之后对流活动有所减弱，并且远离台风中心，登陆过程中台风核心区的对流活动在距离台风中心64 km左右
最为活跃。

造成“黑格比”这种变化特征在不考虑环流背景及与其他天气系统相互作用等的情况下，下垫面是一个重要的影响因子，台风在登陆过程中，下垫面由洋面过渡到陆面，洋面上相对于陆面比较光滑，有充足的水汽，陆面上的地形因子很复杂，一方面由于摩擦作用消耗台风的能量，导致台风减弱，另一方面由于地形作用可能导致台风核心区内的对流增强，造成更强的降水。

组网产品回波顶高（ET）的特征见图3c（文后彩图），总体特征与CR类似，各
个时刻都呈单峰分布（除23:00），峰值及峰值距离见表2，峰值先增大再减小后再增大再减小，峰值距离表现出与峰值类似的特点。

但除21:00与23:00两时刻
外其余时刻的峰值距离均大于CR对应时刻的峰值距离。

平均ET的平均峰值7.4 km，平均ET的平均峰值距离76 km。

23:00的平均ET随距台风中心的距离变化曲线存在两个明显的峰值，第1峰值在距台风中心32 km处，峰值为7.0 km，第2峰值为6.6 km，峰值距台风中心55 km，因为在“黑格比”眼区被填塞时，眼
区收缩变小，在眼区附近有对流发展，考虑与前几个时刻的连续性，表2中23:00时刻给出的是第2峰值与峰值距离。

尽管平均ET特征与平均CR特征类似，但还是存在一些差别，他们的差别及联系将在下面讨论。

从ET的峰值来看，仍可以发现在登陆的初期所分析区域内的对流活动有一个增强的过程。

上面分别讨论了台风“黑格比”在登陆过程中CR与ET的主要特征，尽管CR与ET都可以在一定程度上反映对流性降水回波的发展强度，但二者是从不同的方面
来反映对流活动的强弱，它们既存在区别又有着一定的联系，一般来说，CR越大反映的是越强的对流活动，ET亦然，但从上面的分析可以看出CR与ET所表现出来的特征并非一一对应，这里将二者的特征做一个简单的对比并讨论它们之间的关系。

对比图3b与图3c及表1与表2，从整体上看，它们都呈单峰分布（除ET在23:00时表现为双峰分布），在距离中心30 km至平均峰值距离区间内，CR与
ET都逐渐增大，这很好地反映了眼区逐渐被填塞或眼区附近有新的对流性回波生
成导致眼区缩小。

在“黑格比”登陆过程中（16:00—23:00），CR与ET的峰值
变化存在差别，对于CR，其峰值先增大后减小，峰值距离是先减小再增大，而ET 峰值先增大再减小后再增大再减小，峰值距离的变化特点与之类似。

为进一步说明CR与ET所表现出的区别，对比表1与表2，在19:00平均CR为35 d Bz，其峰值距离为49 km，平均ET为7.2 km，其峰值距离为75 km，二者差别比较明显，因此选取此时刻的CR与ET来分析，图4（见文后彩图）是“黑格比”登陆期间
在19:00时的CR与ET及过台风中心的垂直剖面图，因为CR滤去了小于18.5 d Bz的值，而回波顶高ET是大于等于18.5 dBz的最高回波高度，从图中可以看出CR（图4a）与ET（图4b）有效值覆盖的范围对应较好，但高的CR并不一定对
应高ET，这也说明CR与ET表现出的特征有一定差异。

图4c、d分别是图4a沿直线AB、CD的垂直剖面，从剖面图中可以看出在靠近台风眼中心处的回波较强，但回波顶高较低，而距离眼区较远处的回波顶高较高，但其下方的回波强度并不是很强。

还注意到由于地球曲率原因，在相对于陆地的另一侧没有天气雷达参与组网，低层无法被探测到。

此外，本文在分析CR与ET的特征时首先确定台风中心，再
计算距台风中心一定距离的距离圈上的平均CR与ET，这样计算的结果必然与台
风中心有关，为此，对台风中心做一定的改动，得到的结果与上面的分析很类似（图略）。

本文基于组网产品组合反射率因子CR与回波顶高ET分析了2008年第14号台风“黑格比”在登陆期间（16:00—23:00）的结构特征，首先将 CR与ET资料转为以台风中心为原点按极坐标方式储存，通过计算沿中心等距离圈上的资料覆盖率，选取平均资料覆盖率在80%以上的距离中心30～130 km的环状区域来分析，计
算了该分析区域内不同距离圈上的平均CR与平均ET，再利用平均CR与平均ET
来分析“黑格比”台风的结构特征。

（1）平均CR与平均ET随距台风眼中心距离的变化曲线都能反映出台风“黑格比”登陆过程中其眼区逐渐被填塞的过程，并一定程度上指示了对流活动的强弱，在登陆的初期核心区内的对流活动有一个增强的过程，之后就迅速减弱。

（2）距离台风眼中心等距离上的平均CR与平均ET随距离台风眼中心的距离呈
单峰分布的特点，但峰值及峰值对应的距离变化特点不同。

对于CR，其峰值是先增大后减小，峰值距离是先减小后增大；而对于ET，其峰值与峰值距离都是先增
大再减小后再增大再减小，并且CR的峰值距离较ET更靠近台风眼中心。

（3）对于CR与ET表现出的不同特点的两个主要原因是:CR与ET本身不是一一对应，即:最大的CR不一定对应着最大的ET；在靠近陆地的另一侧由于没有天气雷达参与组网，地球曲率的影响较大，低层的强回波无法被观测到。

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