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台风所:首次完整呈现台风内核区降水的雨滴谱特征

发布时间:2020-12-23   作者: 台风室

近期我所鲍旭炜研究员和复旦大学大气与海洋科学系吴立广教授等,利用浙江温州和台州境内的17个Thies雨滴谱仪获取的台风"利奇马"的降水雨滴谱数据,首次完整呈现并对比了台风眼墙区与外部螺旋雨带中的雨滴谱特征

降雨发生时的降水率(雨强)大小不仅跟雨滴大小有关,还跟雨滴浓度紧密相关一般而言,自然界中小雨滴(直径小)浓度远高于大雨滴浓度,但小雨滴粒子直径过小,尽管其浓度很高,但它们对雨强的贡献却很小(正如1000粒芝麻无论体积还是重量都不如一个西瓜大)。反之,从空中降落的雨滴虽大,但若浓度又过小,则同样不会产生大的降雨。台风是严重影响我国沿海发达经济区的一种灾害性天气系统,其所到之处,到底哪里容易出现强降水?哪里降水相对较小?这对于受其影响区域的防灾减灾、趋利避害至关重要。

由里到外,台风的不同雨带(眼墙、内外雨带)是由不同的热动力学机制产生,同时具备不同的云结构、降水微物理和雨强特征。遗憾的是台风的强风强雨特征严重制约了台风内核区(靠近台风眼)的雨滴谱(Raindrop Size Distribution)特征观测,至今所获观测资料非常稀缺,已严重影响台风降水微物理特征的全面认识和台风降雨预报的提升。

最新研究显示,在"利奇马"台风眼墙降水中普遍存在大雨滴样本,导致台风眼墙降水的雨滴平均直径远大于螺旋雨带的平均值,该结果完全不同于以往大家熟知的台风气候态或综合分析结果(即台风降水中大雨滴样本稀少,雨滴平均值远小于其他天气系统)。这是因为越靠近台风中心(随半径减小),垂直上升运动越强,强的上升运动可阻碍小雨滴下落到地面,而这些悬浮于空中的小雨滴也易被其他较大雨滴收集合并,导致降落到地面的大雨滴数量增多,小雨滴数量却明显减少。这也表明台风不同雨带中(眼墙、内外螺旋雨带)的雨滴谱分布可能完全不同,先前台风气候态分析结果可能会抹平或忽略各降水区内独有的雨滴谱特征

另外,还首次发现尽管靠近"利奇马"台风眼壁的平均雨滴直径较大,但因为雨滴浓度太低,很难产生较大的雨强在台风"利奇马"降雨中,>50 mm h-1强降水率更易发生在距离台风中心一定位置(大概1.5倍到2.5倍最大风速半径位置),因为那里有更易产生强降水率的适当大小的雨滴直径和浓度。

相应地,本研究也获取了在先前台风气候态雨滴谱研究中从未发现过的台风眼墙内的“形状-斜率(μ-Λ)关系”(应用于偏振雷达反演),这也预示着未来眼墙降水的偏振雷达反演需要某一特定的眼墙区μ-Λ关系而非气候态的关系

 

Bao, X., Wu, L., Zhang, S., Yuan, H., &Wang,H. (2020).A comparison of convective raindrop size distributions in the eyewalland spiral rainbands of Typhoon Lekima (2019).Geophysical Research Letters, 47,e2020GL090729.
https://doi.org/10.1029/2020GL090729

 
1.(a)降水率(R,mm h-1)、(b)质量加权直径(Dm,mm),(c)雨滴浓度(log10Nw,mm-1m-3)和(d)雨滴谱(RSD)距离台风中心的径向分布。黑点(TR)、蓝点(SR)和红点(CR)分别表示总、层云和对流降水样本;蓝色粗体实心(虚线)表示对流(地层)雨量样本与总样本的百分比,垂直蓝色虚线分别表示 1、3 和 5倍最大风速半径(RMW)。

 

图2.(a)从TC中心每20公里间距(以1到25的数字表示)中,平均标准化截距参数Log10Nw(mm-1m-3)与总(黑点)和对流(红点)降水的平均质量加权直径Dm(mm)的散点分布图。蓝星、点和加号分别表示眼墙、内雨带和外雨带的平均值。(b)眼墙(黑线)、内雨带(红线)和外雨带(蓝线)对流降水的RSD分布。(c) 眼墙(黑线)、内雨带(红线)和外雨带(蓝线)雷达反射率Z(mm-6 m-3)与降水率R(mmh-1)的散点图与最佳拟合线,以及Wen et al.(2018,橙色)和Baoet al.(2019)(绿色)的最佳拟合线。(d)形状参数μ与斜率参数Λ的散点图和最佳拟合线。