引言

我国地处太平洋西岸，台风活动频繁，台风暴雨经常造成严重的洪涝灾害，气象学家对台风结构、台风暴雨的形成机理和结构特征等进行了极其广泛的研究，取得了很多重要研究成果^[1-19]。

多普勒天气雷达探测资料时空分辨率很高，目前已经成为研究台风、暴雨等灾害性天气系统三维中尺度结构的重要工具之一^[20-28]。近些年，在使用多普勒雷达资料研究灾害性天气中尺度结构^[29-39]、资料同化^[40-42]等方面均取得了重要进展^[43]。在使用雷达资料研究台风定位、台风结构等方面也成果颇丰^[44-46]。

多普勒雷达探测的径向速度场为研究灾害性天气的动力结构提供了便利条件，通过风场反演技术反演二维和三维风场，可以提高对灾害性天气动力结构的认识水平；国内在单多普勒雷达风场反演技术及应用方面进行了大量研究^[47-52]。由于双多普勒雷达风场反演技术精度较高，国内也开展了相关研究^[53-54]，并将其应用到暴雨中尺度动力结构的研究^[55-56]。

目前对于台风外围螺旋雨带风场研究最关注的问题之一是其精细的三维空间结构，精细三维风场结构是研究外围螺旋雨带中尺度结构特征和维持机理的重要途径之一；由于双多普勒雷达风场反演技术反演精度高、分辨率高，为研究外围雨带的精细三维结构和维持机理提供了很好的机会。国外学者使用地基双多普勒雷达^[57-58]、机载多普勒雷达^[59]对台风眼壁及螺旋雨带三维风场演变特征进行了研究，我国台湾学者也使用双多普勒雷达研究台风登陆前后三维结构演变特征^[60]。由于客观条件所限，大陆地区在这方面的研究很少。

2007年第16号超强台风罗莎在第三次登陆期间其外围螺旋雨带在成熟阶段恰好穿越宁波和舟山双多普勒雷达观测区，宁波和舟山两部雷达相距58.7 km，满足双多普勒雷达反演的最佳距离区间要求，这为研究螺旋雨带的精细三维结构提供了极好的机会。本文对宁波和舟山双多普勒雷达观测资料进行三维风场反演，在此基础上，对台风外围螺旋雨带的回波结构和三维风场结构进行研究，以期揭示螺旋雨带的三维动力结构特征。

1 台风罗莎(0716) 概述

超强台风罗莎于2007年10月2日08时(北京时, 以下同)在菲律宾以东洋面上生成, 4日02时加强为强台风, 5日凌晨加强为超强台风。10月6日15:30在我国台湾省宜兰登陆, 登陆时减弱为强台风, 其移动路径复杂, 又于22:30在宜兰第二次登陆。此后, “罗莎”进入台湾海峡, 又出现了先向正西、后向正北急转弯的过程。7日02时减弱为台风, 15:30在福建省福鼎和浙江省苍南交界处第三次登陆, 登陆之后向偏东北方向移动, 17时减弱为强热带风暴, 8日02时减弱为热带风暴，20时停止编号，这是自1949年以来每年登陆浙江省时间最晚的台风。“罗莎”给福建省北部和浙江省带来暴雨到特大暴雨, 浙江省沿海地区还出现大风天气。“罗莎”在宁波、舟山及其南部地区造成强降水，部分地区特大暴雨，强降水主要集中在7日07时至8日20时。

NCEP再分析资料显示，7日02时，500 hPa的西风带主要位于35°N以北，在蒙古高原和华北地区有一低压槽。台风中心位于副热带高压的西侧，台风中心的暖心一直伸展至200 hPa。此后，副高西移，台风中心也向西移动。14时，在台风登陆之前，台风中心在200 hPa仍然维持着暖心结构。

2 雷达回波演变分析

为了研究台风登陆前后的雷达回波特征，使用长乐、建阳、温州、金华、宁波、舟山六部多普勒雷达基数据进行三维数字拼图^[61]，这六部雷达均为业务布网的S波段多普勒天气雷达。图 1给出了台风第三次登陆前后4 km高度的回波强度时间演变图。7日14:27(图 1a)，台风中心位于27.0°N、120.55°E，台风云系呈现明显的不对称结构特征。在台风中心的北侧有一条外围螺旋雨带(Outer Rainband，简称OR)，雨带主要位于第一象限，螺旋雨带在海面上呈东南—西北向分布，位于陆地上的雨带中段也呈东南—西北走向，而后逐渐转为第四象限的东北—西南向分布。由于海面上水汽充沛，雨带上游(位于海洋上)回波较强，而雨带下游(位于陆地上)回波比较零散。在双多普勒雷达南部反演区已经有强对流单体生成，回波强度在40 dBz以上。此后，OR继续向西北方向移动，雨带中游部分进入双多普勒雷达观测区，观测区内对流得到进一步发展，并形成一条东南—西北走向的雨带(RA)，其上最强回波超过45 dBz(图 1b)。与此同时，雨带上游的强对流单体持续不断地向雨带中游移动，雨带发展迅速。15:30台风第三次登陆时(图 1c)，2~3 km高度上的最强回波均超过50 dBz，雨带上有多个强度大于45 dBz的强对流单体，RA处于成熟阶段。此后，外围螺旋雨带继续向略偏西北方向移动，雨带RA也向西北方向移动，由于降水的持续，RA上的较强回波开始减弱(图 1d)，雨带在逐渐移出双雷达探测区的过程中消散。

3 螺旋雨带三维风场结构分析

使用宁波和舟山双多普勒雷达时间同步体扫资料进行三维风场反演，在此基础上，研究“罗莎”外围螺旋雨带的三维结构。宁波和舟山多普勒天气雷达在此次暴雨过程中使用VCP 21立体扫描工作模式，每个体扫包括9层仰角, 完成一个体扫需要5分钟左右。图 2是宁波、舟山双多普勒雷达同步体扫探测覆盖区示意图, 圆A和B分别表示两部雷达各自的探测区。三维风场反演区左下角为29.27°N、121.20°E，正东为x轴正方向，正北为y轴正方向，垂直向上为z轴。水平和垂直分辨率分别取1 km和0.5 km，这样的空间分辨率能够满足中尺度分析的需求；三维椭球Cressman插值函数的水平和垂直半径分别取2.5 km和1.2 km。首先使用软件系统^[62]对时间同步体扫资料进行质量控制，由于径向速度退模糊比较复杂，采用人机交互方式处理，以保证退模糊的正确性；然后再进行三维风场反演。本文使用MUSCAT技术进行双雷达风场反演, 该技术是在研究机载雷达风场反演时提出的, 反演精度较高。周海光等已经将其进行改进，用于地基双雷达风场反演^[54]，并将其用于暴雨三维风场结构研究^[56]，较好地揭示了暴雨的精细三维结构。

15:30台风登陆时，其中心位于27.20°N、120.45°E，距离宁波雷达站335 km，台风最大风速33 m·s^-1。此时，“罗莎”外围螺旋雨带恰好穿越双多普勒雷达南部观测区，观测区内雨带最强回波超过50 dBz，对流发展旺盛，雨带处在成熟阶段，本节使用相对雨带的移动速度研究其三维动力结构。首先由双多普勒雷达时间同步探测资料反演三维风场，而后扣除雨带的移动速度(302.3°, 13.6 m·s^-1)，将差值定义为相对移动速度，使用该速度场比较容易刻画外围雨带的气流结构特征，这种方法在Tabata等^[58]和蔡雅婷等^[60]的研究中均得到应用。

图 3给出了15:30不同高度层水平相对速度图，图 3a的斜线AB表示图 4的垂直剖面所在位置。2 km高度(图 3a)，在雨带内部，气流方向基本与雨带走向一致，且风速出现强弱区相间分布特征。雨带外侧的气流方向为东南向，也即水平风向从螺旋雨带的上游指向雨带的下游，水平风场呈现气旋性旋转；在上游(x>40 km)，雨带外侧风向与雨带走向的夹角较小，这表明相对于雨带的内流(风向由螺旋雨带外侧吹向螺旋雨带内侧)较弱；在雨带下游气旋性切变进一步加大，雨带外侧风向与雨带夹角增大, 表明内流逐渐加强。雨带内侧水平风为西南风，其上游风向与雨带夹角较大，这表明有较强的相对雨带的外流(风向由螺旋雨带内侧吹向螺旋雨带外侧)。而雨带下游内侧风向与雨带夹角逐渐减小，这说明下游内侧出流逐渐减弱；当靠近雨带时，东风分量逐渐加大，风向与雨带的交角逐渐减小；在主雨带内部则转为东南风，与雨带走向一致，而且在接近主雨带过程中，其风速逐渐增大。雨带上游主要盛行东南气流，将洋面上丰富的水汽源源不断地输送至降水区。沿着雨带方向，从上游至下游，风速逐渐减小，这就在螺旋雨带上形成风速辐合，对于水汽集中、雨带的发展非常有利。在雨带上游(45, 15)(相对于左下角的坐标，单位：km, 下同)附近时有一水平速度大值区，其中心区速度大于15 m·s^-1。雨带内部回波较强，强回波带呈东南—西北走向，与水平风场方向基本一致，其上最强回波大于50 dBz；强回波区对应着强辐合区和正涡度大值区，最强辐合中心在-20×10^-4 s^-1，最大涡度值在25×10^-4 s^-1以上。强回波带略偏外一侧是水平速度大值区，而且对应着上升速度区。数值模拟也表明^[63]，热带风暴的动量主要集中在螺旋雨带中，螺旋雨带和强风速区的这种配置，和暴雨研究中发现的对流雨团附近存在中尺度低空急流类似；这种配置结构对于螺旋雨带的发展和强降水的维持极为有利。

2.5 km和3 km高度(图 3b、3c)，雨带内侧气流也指向雨带外侧，出流较强；内侧气流在接近雨带过程中逐渐增强。雨带上游外侧气流与雨带夹角较小，在下游交角则逐渐增大。相对低层而言，较高层雨带外侧气流与雨带夹角逐渐变小，这说明内流逐渐减弱。雨带内部风速比低层略有减弱，但上游的强风速中心依然维持在13 m·s^-1左右；沿着雨带方向，下游风速比上游风速弱，这就在主雨带上形成了风速辐合区。在雨带内部，强回波区附近辐合较强，且对应着上升气流区，此处的对流发展活跃。

4 km高度(图 4d)，雨带内侧的气流仍指向雨带，这表明在雨带内侧仍有较强的出流。而雨带上游外侧气流气旋式切变与低层的相比有所减弱，距离雨带强回波越远的区域气流的气旋性切变越弱。在下游，雨带内部气流与雨带走向基本一致，雨带外侧气流的气旋性旋转依然较强。

在高层，雨带内部气流的气旋性旋转逐渐减弱，风向随高度顺时针旋转，雨带逐渐转为受外流控制。8 km高度，反演区基本为西南气流，外流明显。

从图 3中不同高度水平风场反演结果可见强雨带处具有一定的风速辐合，即存在雨带外侧风速较大、而雨带内侧风速相对较小的特点，这是该螺旋雨带水平风场的最显著特征之一，这对于水汽的集中、螺旋雨带的发展以及强降水的发展和维持非常有利。朱佩君等^[63]曾使用数值模拟发现强风速带偏于螺旋雨带外侧，本文利用观测事实对其进行了验证。他们还给出形成原因^[63]，这是因为螺旋带外侧的气压高于内侧的气压, 外侧的辐合气流向气压低的方向运动, 气压梯度力会使气流加速。而且由于螺旋带低层有气压低值扰动, 高层有气压高值扰动, 更加加速了外侧的辐合气流; 相反, 内侧的辐合气流是向气压高的方向运动, 气压梯度力使气流减速。

为了更好地研究螺旋雨带气流的垂直结构特征，图 4给出了沿图 3a中斜线AB的垂直剖面内的速度场，线段AB的延长线过台风中心，也即垂直剖面通过台风中心。图 4a给出了径向风(V_r)的垂直剖面，其中负速度表示内流(朝向台风中心)，正速度表示外流(远离台风中心)。在雨带中心区，强回波核(>45 dBz)高度为5.5 km，且随高度略向雨带外侧倾斜。2 km高度以下，雨带外侧为内流(x>17 km)，雨带内侧和雨带内部接近台风中心区域(x＜17 km)均为外流。雨带最大内流(负速度)为5 m·s^-1，高度在2 km左右。内流在雨带外侧沿着台风中心方向加速，而在雨带内部沿着台风中心方向则减速，并与雨带内侧的外流在雨带中心区形成强辐合，水汽在此处汇合抬升，这也是雨带内部中低层强回波区形成的原因之一；雨带内部对流活跃。正是由于这样的动力配置结构，雨带内部40 dBz的较强回波高度接近6 km，造成局地强降水。这与Ishihara等^[57]使用双多普勒雷达揭示的台风外围螺旋雨带垂直剖面内径向速度场的结构特征基本一致。

图 4b给出了垂直剖面内的切向风场(V_t)，正速度表示风向为逆时针方向(气旋式分量)。图中清晰地显示切向速度分量随高度减小，最大速度区位于主雨带内部偏外一侧，约14 m·s^-1，高度2 km。雨带内侧风切变比雨带外侧风切变的强度大。

图 4c给出了垂直剖面内的垂直速度场(W)，正速度表示上升运动，负速度表示下沉运动。在雨带内部有一支较强的上升气流，上升气流区对应着雨带内部的强回波区，这表明低层的辐合和上升运动造成水汽的局地集中和抬升，雨滴在此上升气流区内增长；最大上升气流约为3 m·s^-1，位于雨带内部强回波区5 km高度附近。在上升气流区的外侧有一支下沉气流，其速度在2 m·s^-1左右，下沉气流区位于雨带内部强回波区偏外一侧，这支下沉运动是由于雨带内部上升运动所形成的补偿性下沉和降水拖曳共同作用形成的。垂直速度分布特征和量级与Tabata等^[58]使用双雷达揭示的台风外围螺旋雨带的特征类似。图 4c也表明，热带风暴中最强的上升运动集中在螺旋雨带内部，而其他区域的上升运动均不强。综合图 4b可见，气流从雨带外侧2 km高度以下进入雨带并逐渐减速，这支气流与雨带内侧的外流在雨带内部强回波处形成辐合上升, 部分转为向外的气流，随高度向雨带外侧倾斜并在雨带外部形成下沉气流，部分下沉气流转为内流重新进入螺旋雨带；强降水就发生在雨带强回波区内。

此后，螺旋雨带向西北移动，其上强回波(>45 dBz)的面积逐渐减小，由于水汽的输送和低层风场的辐合，螺旋雨带下游的回波仍然较强。16:39，2 km高度(图略)，雨带内部水平风场方向与雨带走向一致，且风速也出现强弱区相间分布特征，这与图 3a的特征基本一致；但水平风速有所减小，最强速度中心为11 m·s^-1左右。螺旋雨带外侧气流方向为东南向，速度值比15:30的速度值平均小1~2 m·s^-1。雨带上游外侧风向同雨带夹角较小，雨带下游外侧风向与雨带夹角逐渐增大，内流加强。雨带外侧风速较大，而雨带内侧风速相对较小，在螺旋雨带内部形成强辐合，这对于强降水的维持和发展非常有利。雨带内部有较强的上升气流，上升气流主要位于螺旋雨带下游强回波区域，最强中心位于(30, 40)；在雨带内外两侧均有多支下沉气流，且下沉气流区面积较前面时刻明显增大。强回波区仍然是强辐合区和正涡度大值区，虽然辐合有所减弱，但其中心最强辐合仍在-15×10^-4 s^-1左右。

3 km高度，雨带内侧气流指向雨带，出流依然较强；内侧气流在接近雨带强回波区过程中逐渐减速，在雨带内部形成较强的速度辐合，辐合中心在-15×10^-4 s^-1左右。雨带外侧气流在上游与雨带夹角较小，在下游交角逐渐增大。雨带内侧和外侧的水平速度比低层的弱一些；雨带内部风速也比低层略有减弱，但最强风速中心仍在11 m·s^-1左右。

4 km高度，雨带回波进一步减弱。螺旋雨带内侧有较强的出流，雨带外侧的内流已经消散，逐渐转为气旋性旋转。螺旋雨带下游强回波区域仍然维持较强的上升气流，该区域为辐合区，最强辐合在-10×10^-4 s^-1左右。高层水平风场的变化特征与前面时刻的基本一致，但风速略小一些。

在通过台风中心的垂直剖面内的径向速度场上，内流和外流比前面时刻弱一些。螺旋雨带内部强回波区偏外一侧和雨带外侧下沉气流区面积逐渐增大。

螺旋雨带强度逐渐减弱，在继续往西北移动过程中移出双多普勒雷达观测区。

4 结论

在“罗莎”第三次登陆期间，其外围螺旋雨带在成熟阶段恰好穿越宁波和舟山双多普勒雷达观测区，本文利用上述两部雷达时间同步体扫资料，对其进行三维风场反演，并对螺旋雨带的回波结构和三维风场结构进行了研究。

(1) 在螺旋雨带内部低层有多个强回波区，强回波区基本同水平风速较大区相对应；在雨带内部，水平风场与雨带走向基本一致；雨带内部水平速度强弱区存在着相间分布的特征；不同高度水平风场反演结果表明强雨带处具有一定的风速辐合，即存在雨带外侧风速较大，而雨带内侧风速相对较小的特点，这对于强降水的发展和维持非常有利。

(2) 3 km高度以下，雨带上游外侧水平速度场与雨带夹角较小，这表明上游内流较弱；在雨带下游外侧，水平速度与雨带夹角逐渐增大，这表明雨带下游内流较强；在雨带内侧有明显的外流。

(3) 在沿着台风中心的垂直剖面内，雨带外侧低层有明显的内流，气流从雨带外侧低层进入雨带；而在雨带内侧有明显的外流，两支气流在雨带内部辐合，水汽在雨带内部辐合抬升，在雨带内部中低层形成强回波区。螺旋雨带内部的强回波略向外侧倾斜，较强的上升运动位于雨带内部强回波区的内侧；正是这种动力结构，造成了螺旋雨带内的强降水。

(4) 外围螺旋雨带切向速度分量随高度增加逐渐减小，最大速度区在2 km高度层。

(5) 由于资料所限，本文只对螺旋雨带在成熟期间的三维风场结构进行了初步分析，今后还需利用更多的观测资料在上述方面开展研究。