概念
在颱風眼壁區內還會出現龍捲風、閃電、雷暴，有時還伴有冰雹。颱風眼壁外圍是颱風螺旋雲帶，即外圍的大風區和降水區，因其範圍很廣、形式多樣，是颱風結構的一個非常重要特徵，其降雨強度和時間隨雲帶發展範圍和強度不同而不同，也是判斷熱帶氣旋強度能否發展加大的重要標誌。
颱風眼壁及周圍螺旋雲帶雲屬性垂直分布研究
颱風是一種破壞力較強的災害性天氣系統，常伴有強大的風力和降水，能夠造成巨大的生命和財產損失。國內外許多學者對颱風成因、天氣動力學結構特徵、移動路徑、登入過程等方面進行了很多研究。然而，由於以往洋面觀測資料稀少，加之傳統衛星儀器設備的局限，難以獲得颱風雲系的垂直結構。2006年CloudSat衛星發射成功，彌補了常規布網雷達和衛星對雲內部垂直信息觀測的不足。在2008年對雲探測衛星CloudSat及其搭載的探測儀器做了介紹，並著重介紹了CloudSat衛星的主要產品及可能套用情況，肯定了其產品的重要套用價值。利用CloudSat衛星資料並結合地面雨量站資料驗證了雷達反射率因子閾值法識別降水雲方法的合理性和可行性。用CloudSat2B-CWC-RO產品分析颱風“艾雲尼”雲結構發現，颱風雲系零度層所在高度約為5.0km，冰粒子數濃度呈現由高層向低層不斷減小的趨勢。CloudSat同Aqua、CalipSO等A-Train衛星群成員一起，以微波、紅外波、可見光對大氣環境進行主動和被動測量，從而獲得更多以往無法取得的雲微觀粒子的信息在研究雲屬性方面起關鍵作用。
通過模型模擬試驗發現，如果颶風雲上部無冰相存在，那么颶風結構將會不同，且液相轉化成冰相的高度也是決定颶風動力學特徵的主要因素。颱風雲中冰相粒子對熱帶氣旋動力學特性影響顯著，通過分析颱風“羅莎”冰雲對其降雨機制的回響發現，即使不考慮冰雲的微物理特性，如果颱風雲中沒有冰相粒子存在，那么平均近地表降水率將減小。採用SSM/I(Special Sensor Microwave/Imager)等觀測數據進行研究發現，熱帶氣旋中的液態水和冰水的總量與颱風的未來強度有正相關的關係。可見雲水粒子活動是影響颱風活動的重要內因之一。然而由於衛星恰好監測到颱風中心的案例很少，已有的研究多是針對很少的幾次颱風進行的，如採用飛機採樣數據所做的研究，或者花叢等，利用CloudSat和其它A-Train衛星群數據產品分析發現，在近颱風眼壁雲系中冰粒子尺度和冰水含量隨高度增大逐漸減少等重要信息。
研究針對7個CloudSat監測到的發生在太平洋上的熱帶氣旋案例，針對颱風眼壁及周圍螺旋雲帶，著重分析了雲中冰水液態水微物理屬性，歸納揭示其垂直分布規律，並對熱帶氣旋中心區域/颱風眼壁及周圍螺旋雲帶的雲高、降雨高度和降雨率等進行分析，以期深人了解熱帶氣旋雲的內部結構及其發展演變過程，為數值模擬和檢驗熱帶氣旋雲物理過程及颱風預報提供參考依據。
數據和方法
（1）CloudSat熱帶氣旋衛星數據產品
CloudSat熱帶氣旋衛星數據集包含距熱帶氣旋中心1000.0km以內的所有Cloudsat過境軌道信息，依據年份和所發生的海洋區域編號存儲。數據集包含2006年6月—2010年12月4日所有熱帶氣旋過境軌道，共有6349條CloudSat過境軌道，其中最佳的過境軌道數據被用來計算相應熱帶氣旋的經緯度、最大風速、氣壓、風切變和氣旋中心的海表溫度，當熱帶氣旋季結束後這些信息將會被添加到每一個過境軌道信息中變為可用信息。
CloudSat熱帶氣旋衛星數據產品結合了CloudSat、MODIS、AMSR-E、NoGAPS、ECMWF觀測信息和距氣旋中心1000km以內最佳過境軌道的熱帶氣旋信息。美國海軍研究實驗室(Naval research Laboratory，NPL)和CloudSat DPC(Data Processing Center)聯合反演該數據產品。當CloudSat掃描到一個熱帶氣旋時(距熱帶氣旋中心1000km以內)，海軍研究實驗室會使CloudSat的掃描軌道覆蓋到MODIS、AMSR-E及其它衛星圖像觀測儀上，進行3-D截廄分析並製作被掃描熱帶氣旋的2-D衛星影像產品。一般CloudSat過境熱帶氣旋十天后，經海軍研究實驗室製作的數據檔案就能通過自動化系統對用戶釋放，一個數據檔案包括CloudSat過境時間、雷達反射率和AMSR-E、NoGAPS及其它CloudSat數據產品。
CloudSat熱帶氣旋衛星數據產品中每個TC(Tropical Cyclone)hdf檔案具體包含以下數據信息：Best Track data；2B-GEOPROF；MOD06-5KM-AUX：2C-RAIN-PROFILE(2C-PRECIP-COLMMN)；2B-CWC；2B--CLD-CLASS；ECMWF-AUX；2B-GEOPROF-LIDAR。
（2）方法
表1本研究基於CloudSat CPR(Cloud Profiling Radar，雲廓線雷達)觀測到的熱帶氣旋，以CPR掃描到熱帶氣旋中心或接近熱帶氣旋中心為基準，從2006--2010年CPR過境太平洋的熱帶氣旋中挑選出7個案例。表1列出了所選熱帶氣旋及所選過境軌道的軌道號、日期、過境軌道距離氣旋中心最小距離、風速、過境處氣壓。過境軌道距離氣旋中心最小距離指的是氣旋中心與CPR光束的最近距離。
表2CloudSat熱帶氣旋衛星數據產品的每個熱帶氣旋過境軌道都包含一個hdf檔案，本文所用的其中的數據產品、相應數據來源及產品描述見表2。CloudSat衛星軌跡有升、降軌之分，這一區別在7個軌道雷達反射率、雲分類和雲微物理量垂直剖面圖上表現為經度、緯度對應方式的不同。
需要說明的是，雲水數據集包含兩種：2B—CWC-RO產品(The CloudSat Radar-Only Cloud Water Content Product和2B-CWC—ROVD產品(The CloudSat Radar+Visible Optical Depth Cloud Water Content Product。兩種產品反演算法的區別在於有沒有利用可見光學厚度。雲粒子尺度、粒子數濃度等微觀屬性的不同，使毫米波和雷射雷達測量的後向散射強度不同。由於CPR工作波長為3mm，使得其對雲滴等液相粒子的探測能力較差，所以2B-CWC-RO產品中液相粒子數據缺失較多。在反演2B-CWC-ROVD產品時引進了來自其它衛星獲得的可見光學厚度數據，因此可以較好地推算出雲中液態水含量。研究採用2B-CWC-ROVD數據產品。
雲分類(2B-CLDCLASS)產品的CloudSat算法把空間主動(CPR和CALIPSO雷達1和被動遠程遙感(MODIS)數據結合起來將雲分成8類：層雲(St、層積雲(Sc)、積雲(Cu)、積雨雲(Ns)、高積雲(Ac)、高層雲(As)、深對流雲(Deep)和高雲(High)。
結果分析與討論
表3
圖1Cloudsat是極軌衛星，無法持續觀測同一熱帶氣旋同一部位的發展情況，雖然如此，研究針對Cloudsat衛星恰好監測到熱帶氣旋中心的7個案例進行分析，通過研究多個不同發展時期的熱帶氣旋，歸納並揭示颱風眼壁及周圍螺旋雲帶的雲微物理屬性的垂直分布規律。本研究所選的7個熱帶氣旋案例中，CloudSatCPR掃描到每個熱帶氣旋時，它們所處的發展階段並不相同，“桃芝”、“浪卡”和‘‘燦都”分別處於熱帶低壓形成期、熱帶風暴時期和強熱帶風暴(由颱風減弱為強熱帶風暴)時期，“派比安”、“薔薇”和“盧碧”處於颱風時期，“彩雲”處於超級颱風時期(表3)。這裡的發展時期是指國際氣象組織按照風速將熱帶氣旋劃分的6個等級：熱帶低壓(TD)、熱帶風暴(Ts)、強熱帶風暴(STS)、颱風(TY)、強颱風(STY)、超強颱風(SuperTY)。
圖2對“桃芝”、“浪卡”和“燦都”的分析“桃芝”、“浪卡”和“燦都”(圖1)都是Cloudsat CPR掃過氣旋中心的熱帶氣旋。由於CloudSat掃描過境時這三個熱帶氣旋所處的發展時期分別為熱帶低壓形成期、熱帶風暴時期和強熱帶風暴時期，這時的氣旋未形成螺旋雲帶或螺旋雲帶不完整，但仍能從中得到類似“颱風眼”的“風暴中心”雲系信息。
CloudSat在2007年7月2日掃過‘‘桃芝”的風暴中心，此時‘‘桃芝”尚處於發展最初期，強度甚至還未達到熱帶低壓級別。可見光雲圖(圖1a)、雷達反射率剖面圖和雲分類產品圖(圖2)顯示氣旋發展雲團主要集中在風暴中心以南。“桃芝”風暴中心的周邊區域反射率並不是很高，風暴中心的近表層雲被歸類為層積雲和積雲，中層的雲塊為高層雲，風暴中心上部存在捲積雲，左邊雲團為深對流雲。
CloudSat在2009年6月25日掃過“浪卡”的風暴中心，過境時“浪卡”正處於熱帶風暴時期，可見光雲圖(圖1b)顯示其螺旋雲帶正在形成，其風暴中心附近最高風速估計達23.1m/s。“浪卡”於23日上午增強為熱帶風暴，25日凌晨強度達到頂峰。與“桃芝”類似，過境時“浪卡”雲系主要集中在風暴中心以南(圖1b)。“浪卡”風暴中心的周邊區域反射率明顯較高，風暴中心的近表層云為層積雲，中層雲塊為高層雲，上部存在捲積雲覆蓋，左側雲團為深對流雲，低層云為深對流雲。
CloudSat在2010年7月22El掃過“燦都”的風暴中心，此時“燦都”已由颱風減弱為強熱帶風暴，其螺旋雲帶正逐漸消失(圖1c)，但掃描軌道的右下方仍存在正在消失的螺旋雲牆。CloudSat觀測到風暴中心上方存在捲積雲覆蓋，風暴中心周邊雲係為深對流雲(圖2)。
圖3從“桃芝”、“浪卡”和“燦都”的雲微物理屬性來看，雲系中冰水分布高度為5km以上，液態水分布高度為0.5~9.0km；冰粒子等效半徑(IER)隨高度的增加呈減小趨勢，冰粒子數濃度(ONC)隨高度的增加呈增大趨勢。正處於熱帶低壓形成期的“桃芝”，其冰粒子等效半徑、冰粒子數濃度和冰水含量的大值區分別分布在風暴中心以南(圖1a)主雲團5～10km、13km以上和9~15km的高度；液態水分布規律不是很明顯；但“桃芝”的液態水含量最大值達2029.0mg/m ，是研究案例監測到該參量的最大值。“浪卡”正處於其整個發展過程的鼎盛時期，雖然其南北雲團(圖1b)發展不均勻，但冰/液態水粒子等效半徑(LER)、冰/液態水粒子數濃度(LNC)、冰/液態水含量(1WC/LWC)的大值區均分布在風暴中心左邊附近區域，且冰水參量值隨距風暴中心距離的加大而減小；其中冰粒子等效半徑、冰粒子數濃度、冰水含量大值區分別分布在雲體的5～10km、12km以上和8～12km的高度。降為強熱帶風暴的“燦都”，風暴中心區域存在冰粒子等效半徑的大值區，但中心區域冰粒子數濃度和冰水含量值很小，三個冰粒子參量大值區分別分布在雲體的5～10km、風暴中心左邊大塊雲系的上部13km以上、10~13km左右的區域；液態水粒子等效半徑、液態水粒子數濃度和液態水含量在風暴中心區域存在明顯的大值區，分別分布在4-9、3-6和5-6km的高度上；其中冰粒子數濃度小於695個/1，冰水含量小於1912.0mg/m 。
由‘銚芝”、“浪卡”和“燦都”沿軌的各種參數（來自AMSR、CPR和MODIS)圖顯示，三個熱帶氣旋風暴中心區域的雲高並不是雲體的最大高度，其降雨高度分別於8km、7km、11km。近地表降水率最高峰值估計分別達19.9、15.0、21.1mm/h，垂直降水率小於5.5、11.3、6.1mm/h。冰水柱含量分別小於8.3、4.4、7.6kg/m ；液態水柱含量(IWP)分別小於2.6、2.7、2.2kg/m ，其中“燦都”液態水柱含量(LWP)在風暴中心區域存在高峰值。
圖4Cloudsat掃描過境上述三個熱帶氣旋時，雖然掃描到了熱帶氣旋中心，但當時熱帶氣旋並不具備明顯的螺旋形特徵。但Cloudsat掃描過境“派比安”、“薔薇”、“盧碧”和“彩雲”時，這些熱帶氣旋正處於颱風或強颱風時期，Cloudsat觀測到了明顯的颱風眼。下面將詳細分析這四個案例的颱風眼及周圍螺旋雲帶的雲屬性。圖3為四個熱帶氣旋在太平洋上的衛星雲圖，圖4為垂直反射率(左邊)及雲類型(右邊)剖面圖。
雲微物理屬性垂直分布概念模型及結論
通過對CloudSat衛星監測到的7個熱帶氣旋進行研究，得到熱帶氣旋中心及周圍區域的雲微物理屬性垂直分布概念模型。
(1)雲中冰水分布在5km以上高度。冰粒子等效半徑隨雲高度增加呈減小趨勢，大值區分布在雲體5～10km高度，7個熱帶氣旋的最大值為171.7～226.6μm；冰粒子數濃度隨雲高度增加呈增大趨勢，大值區分布在雲體13km以上高度，7個熱帶氣旋的最大值為550--2148個/1；冰水含量隨雲高度增加呈先增後減的趨勢，大值區分布在雲體8～15km高度，7個熱帶氣旋的最大值為986.0~4009.0mg/m ，其中處於颱風階段的“薔薇”和“盧碧”眼壁區域的冰水含量隨高度增加呈明顯增大趨勢，其大值區分布在雲體約13km以上高度。
(2)雲中液態水分布在0.5～9.0km高度。液態水粒子等效半徑大值區分布在雲體3~9km高度，7個熱帶氣旋的最大值為19.1～29.4μm；液態水粒子數濃度大值區分布在雲體6km以下高度，7個熱帶氣旋的最大值為93-117個/1；液態水含量大值區分布在約5km高度，7個熱帶氣旋的最大值為659.0~2029.0mg/m 。
結合CloudSat和其它A-Train衛星監測到的7個熱帶氣旋進行研究可知，在颱風或超強颱風階段，雲體最大高度存在於颱風眼壁區域，眼壁雲高高達16.8～17.8km；近地表降水率、冰水柱含量的高峰值大多存在於颱風眼壁區域，其中眼壁區域的近地表降水率可超過20.0mm/h，冰水柱含量可超過9.1kg/m 。熱帶低壓形成期、熱帶風暴和強熱帶風暴時期，熱帶氣旋雲中冰水柱含量在8.3kg/m 以下。7個熱帶氣旋的垂直降水率和液態水柱含量值分別在11.3mm/h以下、2.7kg/m 以下。
颱風眼壁的雲結構與降水形成機制分析
風是具有暖心結構的強烈渦旋，颱風眼壁對流發展旺盛，常常形成聳立的雲壁，並出現強降水中心。對颶風Humberto雲微物理特徵進行了觀測研究，研究結果表明，由於強烈的上升運動，在高空低於－35℃的溫度下冰晶的均質核化過程很活躍。使用MM5模式研究了Nari（2001）颱風的微物理過程，發現颱風登入前凝結及凝固潛熱釋放主要發生在颱風眼壁的中至高層大氣，冰相粒子（雪花和軟雹）和雨水轉化率大值區集中在颱風眼壁及螺旋雨帶；颱風登入後，凝結及凝固潛熱釋放主要發生在颱風眼壁的低至中層大氣，冰相粒子和雨水轉化率大值區集中在颱風眼壁。
在其他有關颱風微物理過程和動力過程的研究中，颱風眼壁也常常被做為研究的重點區域，但是關於颱風眼壁雲結構和降水形成機制的研究還不是很多。研究雲結構和降水形成機制，對於了解颱風強降水的形成，提高降水定點、定量預報具有重要意義。
研究使用帶有詳細微物理過程的ARPS（Advanced Regional Prediction System）模式，對颱風韋帕進行三重嵌套細格線模擬，利用模式結果，對颱風眼壁強降水中心的雲結構和降水形成機制進行分析。
“韋帕”登入活動簡介
0713號熱帶風暴韋帕於2007年9月16日00UTC在西北太平洋洋面上生成，生成後向西北方向移動，16日18UTC加強為颱風，17日10UTC加強為強颱風。17日18UTC在台灣以東洋面加強為超強颱風，中心附近最大風力16級（55m·s ），並逐漸向浙江沿海靠近。18日12UTC減弱為強颱風並於18日18：30UTC在浙江省蒼南縣霞關鎮登入，登入時中心附近最大風力14級（45m·s ）。登入後，強度迅速減弱。18日21UTC進入福建減弱為颱風，23UTC減弱為強熱帶風暴。19日00UTC進入浙江並於03UTC減弱為熱帶風暴，“韋帕”在浙江滯留約15小時30分鐘之後，先後經過安徽、江蘇，於19日23UTC時前進入黃海。“韋帕”北上穿過山東半島東部後，在黃海北部變性為溫帶氣旋。
模式、模擬方案
（1）模式、模擬方案簡介
圖5使用ARPS模式進行三重嵌套模擬，模擬區域和模擬的颱風移動路徑如圖5所示。三層格線格距分別為27km×9km×5km，第三層區域關閉了積雲參數化方案，僅採用了Lin-Tao冰相微物理顯式方案，並輸出雲微物理過程產生量；格線區域中心為（31°N、120°E），垂直31層，垂直格距500m。邊界層參數化方案採用Blackadar方案；側邊界採用時間可變結合Radiation側邊界方案。
模擬利用NCEP逐6h全球最終分析資料（FNL）與MICAPS系統下全球地面資料和探空資料進行四維同化作為初始場和側邊界，每6小時利用實測雨帶反插調整模式初始水汽場。
（2）利用實測雨帶反插調整模式初始水汽場方法簡介
對颱風過程進行數值模擬，一般採用兩種方案，一種沒有人工干預，即採用Bogus技術，將模式起報時颱風中心位置、中心氣壓訂正到初始場，Bo-gus技術在一定程度上彌補了颱風內部資料的缺乏。另一種方法是採用人工干預，每隔一定時間對模式初始場進行調整，以確保模擬結果與觀測結果儘可能一致。
（3）數值模擬結果檢驗
圖6經與國家氣象中心客觀定位路徑比較，模擬的颱風中心登入地點稍偏南，但颱風中心移動情況與客觀定位非常接近，ARPS模式成功地模擬出0713號颱風的登入與登入後的北移。模式海平面颱風中心強度和實況對比顯示，模式海平面颱風中心強度比實況稍偏弱，最大相差11．6hPa。模式6小時累積降水量與實況對比顯示，ARPS模式成功地模擬出6小時累積雨帶的範圍、強度及結構，模擬的颱風6小時強降水中心的強度和位置與實況比較一致，說明採用實測雨帶反插調整模式初始水汽場方法提高了模擬結果的準確性，模式結果能夠反映大氣的基本狀況和規律，可以用模式結果分析颱風雲微物理過程及動力、熱力過程。圖6為2007年9月19日00UTC模式6小時累積降水量與實況對比，圍繞颱風眼有兩個強降水中心，東北方向50mm強降水中心位於（29．5°N、121．8°E），西南方向70mm強降水中心位於（28．3°N、120．4°E）。
颱風眼水物質垂直平均值水平分布
圖7ARPS模式Lin-Tao冰相微物理方案包括6種水物質，即水汽（qv）、雲水（qc）、雨（qr）、冰晶（qi）、雪（qs）、霰/雹（qh），將6種水物質的格點比含量進行垂直平均（簡稱水物質垂直平均值），得到2007年9月19日00：00UTC颱風眼水物質垂直平均值水平分布情況（圖7）。圖中可見，颱風眼結構清晰，颱風中心位於（27．5°N、120．5°E）。
颱風眼周圍水物質比含量都比較大，與50mm強降水中心（29．5°N、121．8°E）對應的冰晶、雪和霰比含量均較大，雲水和雨水比含量也較大，水汽含量豐富。與70mm強降水中心（28．3°N、120．4°E）對應的霰和雪比含量較大，但是雲水和冰晶比含量較低，雲水轉化率幾乎為零。雨水（qr）垂直平均值水平分布顯示，（29．5°N、121．8°E）點雨水比含量較大，而（28．3°N、120．4°E）點則較小。
颱風眼熱力和動力場垂直結構
沿27．5°N做緯向剖面，給出颱風眼熱力、動力場垂直結構。颱風眼右側為上升氣流，垂直上升速度最大達到3m·s ，左側為下沉氣流，最大達到2m·s ，颱風眼中為下沉氣流，位溫曲線顯示颱風眼為暖心結構。
研究結論
對上述分析總結如下：冰相微物理過程是啟動和形成颱風眼壁暴雨的主要機制。在9000～14000m高空，雲水在很低的溫度下均質核化產生冰晶，或經非均質核化形成雲冰；冰晶通過凝華增長（psfi貝吉龍過程），雨水收集雲冰產生雪（praci）和冰晶粘附雨水成雪（piacr）過程生長為雪；霰產生主要包括4個過程：冰晶接觸雨水使其成霰（piacr），雪撞凍雲水使其成霰（psacr）和雨水收集雲冰轉化成霰（praci）或雨水凍結為霰（pgfr）；霰粒子通過收集雲冰乾增長（dgaci），霰撞凍雲滴增長（dgacw）等過程生長；霰融化（pgmlt）和雪融化（psmlt）成雨水後再通過碰並雲水等暖雲生長過程，最後形成雨水。
霰過程的強弱在雨水形成機制中很重要。（29．5°N、121．8°E）和（28．3°N、120．4°E）強降水中心冰晶轉化率沒有太大差別，但是（29．5°N、121．8°E）強降水中心上空冰晶通過貝吉龍過程快速成長為雪和霰，霰粒子增長過程遠遠強於（28．3°N、120．4°E）強降水中心，低空又有較高的雲水轉化率，使降水粒子在暖雲中繼續快速生長，冷暖雲過程的有利配置使位於（29．5°N、121．8°E）中心出現較強雨水轉化率。
