热带气旋登陆时，热带气旋环流会受到陆地上表面摩擦的影响，同时，陆地上的表面感热、潜热通量以及水汽供应也不同于海洋。在实际应用中，基于预警和减轻灾害的目的，目前已经有一些针对热带气旋登陆时风场分布的经验模式。这些模式的产生都是以对一些登陆热带气旋历史个例的经验总结为基础，有的是基于登陆减弱为原则^[1]，而有的热带气旋登陆时仍会保持原有的最大风速^[2]。但是，这些经验模式都是针对地势较为平坦的海岸，当遇到地形起伏的影响时，模式会产生热带气旋路径偏离的情况，并且登陆地区的风场分布与没有地形影响时相差很大。

对登陆热带气旋风场分布的预报是天气预报业务挑战性很强的课题。它的重要性在于登陆热带气旋会给沿海地区造成巨大损失和较大破坏。正如Willoughby等^[3]所指出的，美国天气研究计划对热带气旋的优先计划之一，就是制作较准确的48h以外置信度达95%水平的大风和飓风引起的大风半径预报。登陆热带气旋的风速分布与大陆上环流系统有关，当大陆存在大范围热低压时，热带气旋登陆前风速 (东北风) 有减弱趋势，登陆后，热带气旋后部风速 (西南风) 很强;当大陆存在大范围高压时，登陆热带气旋前部风速 (东北风) 会突然增强^[4]。热带气旋风场分布预报进展相对缓慢的原因主要是观测资料不足和所涉及物理过程的复杂性，同时，也是由于业务上的数值天气预报模式不能在非常高的分辨率下运行，因此不能完全分辨热带气旋结构。Lee等^[5]根据台风风场模型，使用陆基单多普勒雷达的GBVTD技术，反演了台风三维风场结构，Lee等^[6]和Nicheal等^[7]在这基础上进行了台风定位研究。1993—1994年我国开展了CATEX热带气旋科学试验，在台风三维结构、中小尺度系统和地形对台风结构等方面进行了广泛、细致的研究^[4]，但由于高时间分辨率和空间分辨率资料的缺乏，仍有一些问题尚需进一步研究。

对2004年艾利台风多普勒雷达观测与研究表明^[8]，在台风前进方向的右前侧，风速明显大于其左后侧，其事实也得到双多普勒雷达探测以及高空和地面实测风场的证实。国内在利用单部或多部多普勒雷达径向风速获得实际风场信息方面，取得了许多新成果，包括反演出风场中的β-中尺度以上的切变线系统，以及反演对流尺度风暴动力结构和微物理结构等，为实际预报业务提供了有益的产品^[9-10]。多普勒径向速度隐含着诸如冷空气侵入台风这一类丰富的中尺度信息^[11]，揭示与证实其事实是以在台风核半径附近前进方向左侧径向速度明显大于右侧为线索，这类弱冷空气侵入往往加强台风内螺旋雨带的强烈对流。由于弱冷空气作用增强热带气旋内部的位势不稳定，位能释放转变为动能，有利于热带气旋的突然加强^[12]。利用径向速度资料可以实现对风切变和辐合线的自动识别^[13]，能够从这些资料中自动提取辐合和切变的中尺度信息，揭示出强降水回波与风切变高值区位置、变化趋势一致性。

在台风路径预报方面，陈德辉等^[14]改进了物理过程参数化方案，对台风路径和台风强度的预报比简单物理过程模式有了明显提高。麻素红等^[15]对业务运行的台风路径数值预报模式经过串行优化及程序并行而实现了并行运算。张守峰等^[16]应用卫星云导风进行台风资料订正客观分析风场，并加入人造台风模型风场上，从而改进台风路径预报结果。近年来，台风路径的预报水平虽有较大提高，但大多应用数值预报和卫星资料的分析方法，预报时间较长，对近海台风异常路径的短时预报仍缺乏有效手段，本文拟应用单多普勒雷达速度资料，从中提取环境风场信息，并用于判断台风的移动路径。

大量观测资料和研究结果表明，台风风场实际上由围绕其中心旋转的气旋性环流风场、影响台风移动的天气尺度环境风以及朝 (背) 向台风中心的辐合 (散) 风3种不同类型的风组成。多普勒雷达探测到的速度场基本上为这3种风场叠加在一起的多普勒速度特征分布情况。

台风的气旋环流往往可用蓝金 (Rankine) 模式来实现^{[8, 17]}，描述气旋旋转运动的关键参数是核半径和该半径处的最大旋转速度的大小。在核区内，速度分布可以近似看作为一个垂直固体圆柱 (具有圆形水平剖面) 的旋转^[17]。这个模式对描述大气中从尺度较小的台风中心附近区域到中尺度气旋都是很好的一级近似。单部多普勒雷达以PPI方式探测类似蓝金模式的台风气旋时，其多普勒雷达径向速度图像具有明显特征，并能有效地主观估计上述两个参数。

根据蓝金模式模拟的多普勒速度特征图 (如图1a所示)，台风中心位于多普勒雷达东南方向80km处，台风核半径R_max为30km，以R_max为半径的圆上的旋转风速度为60m/s。由图1a可见有一对正负速度中心呈方位对称 (即这两中心距雷达的距离相同)，中间的零速度带即为对称轴。负速度中心在雷达探测方向的左侧，正速度中心在雷达探测方向的右侧。另外，正负速度区也分别分布在正负中心的同一侧，台风中心在零速度线上。实际上，当雷达天线顺时针转动指向与以R_max为半径的左半圆周相切的方向时，相切点的径向速度即为该圆周上的气旋旋转速度值V_max，且朝向雷达方向，所以是负速度中心。当天线指向台风中心时，中心处风速为零，且雷达指向台风中心径线上的任一点上，其风向和径线垂直，所以该径线上所有的径向速度也为零。当天线指向R_max半径右半圆周相切的方向时，相切点的径向速度即为该圆周上的气旋旋转速度V_max，但远离雷达方向，所以是正速度中心，正负速度中心与雷达的距离相同，所以显示出的速度图像必然是如图1a所示的方位对称特征。

图 1

图 1. 台风环流多普勒雷达速度图像 (a) 纯台风环流，(b) 存在风向为135°环境风影响，(c) 存在风向为45°环境风影响，(d) 同时考虑辐合风和环境风 Fig 1. The simulation of Doppler velocity about typhoon circulation (a) with typhoon only, (b) with environmental wind (wind direction: 135°), (c) with environmental wind (wind direction: 45°), (d) with convergence wind and environmental wind simultaneously

当台风处于有一定风速的环境风场中，其多普勒速度图像特征有明显变化。仍假定当台风中心位于雷达东南方向 (135°)，80km处，极大风半径为30km，相应的极大切向风速为60 m/s，环境风为10m/s，分别讨论环境风向为135°(图1b) 和45°(图1c) 时的多普勒速度特征。

如图1b所示，环境风向为135°，此时环境风向与雷达到台风中心的径向方向一致。此时多普勒速度场呈较大的不对称结构，两个速度中心值差距较大，负速度中心值明显大于正速度中心值 (负速度中心已产生速度模糊)。零速度线在远离雷达中心的北侧，向负速度区弯曲;而在远离雷达中心的南侧，零速度线向正速度区弯曲。特别是台风中心不在零速度线上，偏向多普勒速度中心大的一侧，即负速度区一侧。

这种变化特征是由于环境风为东南风，在以雷达中心为原点的东北和西南这两条径线以南所造成的多普勒速度为负，以北速度为正，所以在这两条径线以北的负速度区和环境风所造成的正速度互相抵消一部分，使得在北侧的正速度区加大，所以零速度线有向负速度区弯曲的现象;而这两条径线以南区域，东南方向的环境风在这个区域造成的多普勒速度为负，所以在这两条径线以南的正速度区和环境风所造成的负速度互相抵消一部分，使得零速度线向正速度区弯曲。由于东南方向的环境风与台风的两个速度中心所在径线的夹角较小，所以在这两个速度中心区造成的负多普勒速度较大，两者叠加的结果必然导致负速度中心明显大于正速度中心 (模拟结果相差约20 m/s)。但应指出，正负中心区的位置是不变的，仍与没有环境风影响时的位置相同。另外，由于东南方向的环境风和台风中心所在的径向方向相同，原来速度为零的台风中心，其多普勒速度即为环境风速，所以台风中心不在零速度线上，而伸向负速度区一侧 (如图1b中“+”号所示)。实际上，台风中心的位置并没有改变，而是零速度线的位置因为环境风在台风中心区所造成负多普勒速度与没有环境风影响时正的多普勒速度抵消一部分，所以零速度线移到了正速度区一侧，因而造成了台风中心偏向负速度区一侧。

当环境风风向为45°时，所模拟的多普勒图像 (图1c)，对照图1a，其特征与不受环境风影响的台风的速度特征极为相似，零速度线不再为曲线，呈一直线，台风中心在零速度线上，多普勒速度场呈对称结构。这是因为，东北方向的环境风与在东南方向台风区的径线垂直，所造成的多普勒速度为零，所以它们之间的特征极为相似。所不同的是，由于环境风的作用，零速度线在雷达测站的另一侧变窄了。

同理，可以模拟并分析其他环境风风向的情况。分析证明，当环境气流明显时，台风的多普勒速度场将因环境气流大小与方向不同而发生明显变化。零速度线发生不同程度的弯曲，台风中心也不同程度偏离零速度线，偏离程度在环境风风向与雷达到台风中心的径向一致时达到最大，而在与雷达到台风中心的径向互相垂直时达到最小，台风中心偏向极值区值大的一侧;而零速度两侧的极值区也发生不对称，这种不对称的程度在环境风风向与雷达到台风中心的径向一致时达到最大，而在与雷达到台风中心的径向垂直时达到最小。另外，通过对以上特征的分析，根据实际台风的多普勒速度特征，与上述模拟特征进行对比，可以大致估计台风的极大风速圈半径、极大风速值，还可以根据正负中心不对称程度，大致估计环境风的风向风速，从而能够估计台风的移向移速。

假定台风大风半径为30km，最大切向风速为60m/s，台风位于雷达东南方向 (135°)80km处，在台风眼以外有朝 (背) 向台风中心的辐合 (散) 风时 (图略)，原本通过台风中心直的零速度线出现了稍有弯曲的现象，零速度线在靠近雷达一侧略弯向负区，在远离雷达一侧，稍微弯向正区，这是因为在雷达的近距离一侧，朝 (背) 向台风中心的辐合 (散) 风在这个区域内造成的多普勒速度为正 (负) 值，反之在远距离一侧所造成的多普勒速度为负值，和台风风场叠加的结果，造成了上述现象。值得注意的是，台风中心仍然在零速度线上，这是因为辐合 (散) 风在台风眼所在处为零。应该指出，这里所模拟的在最大风速半径的圆上辐合 (散) 风速度与环境风速相当 (10m/s)，模拟结果表明，其速度图像特征与图1a相比差别不大，由此可见，这种辐合 (散) 风对台风的多普勒速度特征影响很小。

若综合考虑台风的切向风、辐合 (散) 风和环境风，其模拟的多普勒速度如图1d所示 (假定台风位于雷达东南方向80km处，台风大风半径30km，最大切向风速60 m/s，同时有环境风速值为10 m/s的东南风，朝向台风中心的辐合风取值为10m/s)。

由图1d可见，模拟结果与只考虑切向风和环境风相近 (图1b)。这是由于辐合风对多普勒速度场影响相对很小;反之，环境风贡献大，它所导致的多普勒速度场的不对称性以及零速度线的弯曲程度将因环境风的大小及风向有显著的变化。

艾利台风2004年8月20日在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成，其路径在移近台湾岛东北部海域和进入台湾海峡后不同于正常情况，先后发生两次左折，先是由西北转向偏西方向移动，09:00(世界时，下同) 又突然转向西南方向移动，这种路径在历史上极为罕见。从25日03:00到26日间，福州长乐和厦门的多普勒雷达先后近距离连续观测到了艾利台风回波的全貌。以下重点针对25日04:00—12:00台风发生第2次左折前后，用实测速度图像与模拟图像相比较的方法来确定环境引导气流，从而探讨艾利台风发生第2次左折的原因。

25日03:59，多普勒雷达径向速度图像如图2a所示，台风绕过台湾岛北侧，位于台湾海峡北部，移动路径由西北转向偏西移动阶段，也是发生第2次左折的关键时刻，此时模拟环境风向 (如图2b所示) 为90°(偏东风)。台风中心伸向负速度区，负速度值明显大于正速度值，测站北侧零速度线随距离增加而弯向负速度区，与实测结果十分一致。

图 2

图 2. 2004年8月25日03:59艾利台风速度图像 (台风中心位置:115°/127km;大风半径:50km，极大风速:30m/s，环境风速:10m/s) (a) 雷达实测多普勒速度图，(b) 环境风为90°模拟图，(c) 环境风为115°模拟图，(d) 环境风为65°模拟图 Fig 2. Velocity images of typhoon Aere at 03: 59 25 August 2004 (the typhoon center location: 115°/127 km; the radius of high wind: 50 km, maximum wind velocity: 30 m/s,enviromental wind velocity: 10 m/s) (a) measured by radar, (b) simulated in wind direction of 90°,(c) simulated in wind direction of 115°, (d) simulated in wind direction of 65°

若环境风向角度增加 (图2c)，则北侧零速度线弯曲过度，台风环流区近距离范围正速度值偏小;若环境风向角度减小 (图2d)，则北侧零速度线与正速度边界明显过直，正速度极值偏大。

尽管图2b，2c，2d中台风中心伸向负速度区的程度差别不大，正负速度中心区的值由于每一级色标间隔10 m/s，所以，正负中心的速度值从颜色上难以体现差别，但是，远离台风中心一侧的零速度线弯向负速度区的程度差异明显。图2b的零速度线弯向负区的程度与实测图最为相似;而图2c和图2d与实况图像差异明显，因此，当时的环境风向为90°的偏东风更合理。值得注意的是，台风中心区所在高度约为5km，所以，台风在偏东风气流的引导下向偏西方向移动。

25日05:43，多普勒雷达径向速度如图3a所示，台风在西移中向大陆靠近，移动路径开始发生第2次左折，此时模拟环境风向如图3b所示，为东北风。台风中心几乎位于零速度线上，负速度值略大于正速度值，测站北侧零速度线随距离增加而略弯向负速度区。

图 3

图 3. 2004年8月25日05:43艾利台风速度图像 (台风中心位置:135°/100km;大风半径:50km，极大风速:60m/s，环境风速:10m/s)(a) 雷达实测多普勒速度图，(b) 环境风为45°模拟图，(c) 环境风为70°模拟图，(d) 环境风为20°模拟图 Fig 3. Velocity images of typhoon Aere at 05: 43 25 August 2004 (the typhoon center location: 135°/100 km; the radius of high wind: 50 km, maximum wind velocity: 60 m/s, enviromental wind velocity: 10 m/s)(a) measured by radar,(b) simulated in wind direction of 45°,(c) simulated in wind direction of 70°, (d) simulated m wind direction of 20°

若环境风向为70°时 (图3c)，则台风中心偏向于负速度区，北侧零速度线弯向负速度区，负速度极值大于正值;若环境风向为20°时 (图3d)，则台风中心过于偏向正速度区，北侧零速度线反而向正速度区弯曲，正、负速度极值差别过大。因此图3c和图3d与实况图像不符，45°的环境风向与实况最为接近，说明此时环境风向已经由偏东风转为东北风。

台风中心与零速度线基本重合的事实也说明，环境风向应当与零速度线基本相垂直，因而45°环境风向的模拟结果是可信的。另外，此时台风的移动方向仍是偏西，09:00才转向西南方向移动，说明环境风变化在前，台风移向变化在后，约提前了3h，这可能是台风移动的惯性所致。由此可见，分析来自多普勒速度资料中的环境风信息有助于提高台风路径的预报时效。

此后5~8h，模拟结果显示艾利台风基本上沿着40°~50°的环境风向西南方向移动。分析表明，艾利台风进入台湾海峡后，发生两次左折，尤其是第2次由偏西转向西南方向移动的情况，通过多普勒雷达径向速度图像的模拟，能够比较清晰地确定环境风，所确定的环境风向与台风实际移动路径十分吻合。虽然实际的台风风场可能更加复杂，上述模拟的台风风场与实际情况可能有些差别，但基本体现了台风的大致特性。因此模拟结果基本反应了实际台风的多普勒速度特征，通过对实际多普勒速度场特征的分析，能够快速判断台风结构，如台风的极大风速半径、极大风速值、台风移向和台风中心位置等，从而做出准确的判断。从艾利台风在关键转折期当时的各种预报结果与实际移动路径差别较大的事实看，这种多普勒速度的模拟得到的预报信息具有重要意义。

图4a是JTWC (美国联合台风警报中心)2004年10月25日00:00的预报图，表明洛坦台风将由当前的西北行路径转向东北方向移动 (不登陆我国台湾岛)。实际情况是 (如图4b所示)，台风加速向西北方向移动，2.5h后在台湾岛北部登陆并造成严重灾害，6h后，即25日06:00才转向。

图 4

图 4. 洛坦台风JTWC预报图 (a) 和实况 (b) 对比 Fig 4. The comparison of the forecasting of typhoon Nock-Ten by JTWC (a) to observation(b)

图5a是位于我国台湾岛北部基隆的多普勒雷达10月24日23:44观测到的洛坦台风的径向速度图像，图5b，5c和5d是速度模拟图像，其环境风向分别为160°，185°和135°。当模拟环境风向为185°时 (图5c)，测站近距离正速度偏小，测站北侧零速度线弯曲过度;当模拟环境风向为135°时 (图5d)，显然正速度范围偏大，测站北侧的零速度线过于平直;而当模拟环境风向为160°时 (图5b)，正负速度中心的不对称程度、测站北侧零速度线的弯曲程度和正负速度区中的分布最为接近实测结果，说明此时环境风向应为南南东。

图 5

图 5. 2004年10月24日23:44洛坦台风速度图像 (台风中心位置:160°/118km;大风半径:35km，极大风速:60m/s，环境风速:10m/s)(a) 雷达实测多普勒速度图，(b) 环境风为160°模拟图，(c) 环境风为185°模拟图，(d) 环境风为135°模拟图 Fig 5. Velocity images of typhoon Nock-Ten at 23:44 24 October 2004 (the typhoon center location: 160°/118 km； the radius of high wind: 35 km, maximum wind velocity: 60 m/s, enviromental wind velocity: 10 m/s)(a) measured by radar, (b) simulated in wind direction of 160°,(c) simulated in wind direction of 185°, (d) simulated in wind direction of 135°

分析实测雷达速度图像可以看出，台风中心两侧的速度中心区明显不对称，而正负速度中心值分别为35m/s和55m/s，两者相差20m/s，由此可以估计到当时环境气流方向和雷达中心所在径线方向基本一致，所以台风在这种气流的引导下，向北偏西方向移动，这也说明台风将向北偏西方向移动。当时台风路径仍向偏北方向移动，1h以后才转向北偏西方向移动，由于缺少更早时次的实测台风资料，所以无法判断南南东风向出现的准确时间，但图5a说明，出现南南东风向现象比台风向北偏西方向移动至少提前了1h。

1) 由于受到多种因素的影响，台风的多普勒速度场分布复杂。通过对台风风场的模拟，总结出台风的主要多普勒速度场特征，有助于对台风风场结构的认识。理想台风多普勒速度场的一般特征是:零速度线为一条通过台风中心和雷达的直线;多普勒速度场为对称结构，在零速度线两侧靠近台风中心附近存在两个对称的多普勒速度极值区，台风中心为通过极值点并与雷达和两极值点的连线相垂直的直线的交点。

2) 研究和试验表明:由于朝 (背) 向台风中心的辐合 (散) 风对多普勒速度场的影响比较小，而环境风对多普勒速度场的影响比较大，因此，根据环境风大小和方位不同，以及环境风风向与雷达和台风中心连线夹角差异等因素所决定的径向速度图像特征，可以大致估计环境风的风向和风速，并依此估计台风的移向和移速。

3) 当雷达与台风中心之间的距离小于台风极大风速半径时，所观测到的台风极大风速值和极值速度区越来越小，零速度线两侧的极大值风速区将出现失真，应用中需要特别引起注意。

4) 研究表明:环境气流往往变化在前，台风移动路径的改变在后，如艾利台风的移动方向由偏西转向西南方向移动，模拟对比结果发现其环境风向的明显改变提前了约3h，这对台风路径的短时预报具有重要意义。

本文讨论的近海台风是指中心已位于沿海多普勒雷达约150km的探测范围内的台风 (不是热带风暴或强热带风暴)，即台风越强，气旋性旋转环流越明显，应用本文所建议的实测多普勒速度图像与不同环境风向的台风多普勒速度模拟图像相比较的方法估计台风路径的准确性越高。对有些旋转环流不明显的弱台风，由于探测的速度中心特征和台风眼不明显，用此方法提取环境风信息的准确性可能将受到影响。如何从由环境风造成的不对称和台风自身的不对称结构中提取环境风信息，还有待于进一步研究。此外，还要进一步深入研究速度图像的自动识别方法，减少人工干预步骤，提高客观和定量化程度。