应用气象学报  2011, 22 (2): 203-213   PDF    
引用本文
游然, 卢乃锰, 邱红, 李小青. 用PR资料分析热带气旋卡特里娜降水特征[J]. 应用气象学报, 2011, 22(2): 203-213.
You Ran, Lu Naimeng, Qiu Hong, Li Xiaoqing. Precipitation Characteristics in Tropical Cyclone Katrina Using TRMM Precipitation Radar[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2011, 22(2): 203-213  
用PR资料分析热带气旋卡特里娜降水特征
游然1,2, 卢乃锰2, 邱红1,2, 李小青1,2     
1. 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室 国家卫星气象中心，北京 100081;
2. 国家卫星气象中心，北京 100081
2010-03-03 收到, 2010-11-03 收到修改稿.
资助项目: 国家863计划 (2009AA12Z144, 2007AA12Z115);国家自然科学基金项目 (40605008/D0503)    
通讯作者: 游然, E-mail:youran@cma.gov.cn.
摘要: 利用TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 卫星降水雷达 (Precipitation Radar，PR) 资料对2005年8月发生在墨西哥湾的热带气旋卡特里娜 (Katrina) 初生、发展和变性3个阶段的层状云和对流云的近地面降水和降水垂直廓线进行分析。结果表明：在热带气旋的整个生命期，对流性降水个数约是层状云降水个数的四分之一；随着气旋的发展，对流性和层状云降水的平均强度逐渐增强, 在登陆前有所减弱，登陆后对流性降水和总平均降水均增强，层状云降水稍有减弱；大部分降水廓线都随高度升高均呈现先略增大 (到4 km高度)、再减小的趋势，在6~7 km处由于冻结层的存在使得降水达到最小值。
关键词: TRMM    降水雷达    热带气旋    卡特里娜    降水    
Precipitation Characteristics in Tropical Cyclone Katrina Using TRMM Precipitation Radar
You Ran1,2, Lu Naimeng2, Qiu Hong1,2, Li Xiaoqing1,2     
1. Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites, Natienal Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration (LRCVES/CMA), Beijing 100081;
2. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081
Abstract: Tropical cyclone is a primary disastrous synoptic system in China. Its monitoring mainly depends on optical data, i.e., visible and infrared data. These sensors observe the albedo and temperature of cloud top which is somewhat related with the precipitation, but leave the precipitation particles inside the precipitation-cloud system unseen. Fortunately, the microwave sensor can penetrate into the cloud and sense precipitation particles in and even below the cloud system, and observe precipitation more directly. Based on TRMM PR (Precipitation Radar) product, 6 orbit data in four days covering the main part of the cyclone are analyzed to study the characteristics of near-surface precipitation and vertical precipitation profile of stratiform and convective cloud in nascent, developing, and recessionary stages of the cyclone Katrina. Results indicate that the convective rain percent is 15%—22% and stratiform rain occupies 78%—85%. The average stratiform rain rate is 2.7—5.9 mm·h-1, the convective rain rate is 7.7—17.5 mm·h-1, and the total rain rate is 3.5—7.7 mm·h-1. During the life cycle of the cyclone, the pixel number with convective rain is one fourth of stratiform one's, while the average intensity/rain rate of convective rain is four times of stratiform rain. The average rain rates of convective and stratiform precipitation gets larger along with the developing of cyclone, gets a little weaker just before landing, and enhances after landing except that stratiform rain become a little weaker. During nascent stage, weak precipitation of 1—2 mm·h-1 is dominant, and there are no pixels with rain rate larger than 31 mm·h-1. During developing stages, the rain rate intensifies. More rain pixels appear, some with very high rain intensity. After landing, because of the strong friction effects with land surface, the proportion of pixels with rain rate between 5—10 mm·h-1 increases, and the pixel number with rain is almost doubled except the ones between 30—50 mm·h-1 becoming a little less. During the nascent and recessionary stages, the max precipitation height is 10 km. During the developing stages, it reaches as high as 16 km. Most precipitation profiles vary first larger (to 4 km) then smaller with height, and reach minimum at 6—7 km because of the freezing level. The profiles of nascent and recessionary stages diminish equably with height. The profiles of developing stages vary very uneven with height because of the violent upwelling airflow in cyclone. The analyses on TRMM data provide a perception to precipitation type, horizontal distribution, and intensity of data-sparse oceanic tropical cyclone where conventional radiosonde measurements are not available. These results are useful information for future quantificational precipitation retrieval of cyclone.
Key words: TRMM     precipitation radar     tropical cyclone     Katrina     precipitation    
引言

热带气旋 (包括台风和飓风) 是影响我国的主要气象灾害之一。目前我国气象业务工作中对台风的监测主要依赖于光学遥感图像，即可见光和红外图像。可见光和红外辐射仪探测的分别是云顶反照率和温度，这两种方法获得的都是降水系统云系外观。尽管降水系统云系外观与降水强度有一定关系，这两种方法还不能直接对降水云系内部的降水粒子进行探测[1]。与红外和可见光波段不同，微波波段观测与降水有着更直接的联系，特别是频率低于30 GHz的频段[2]。

1997年发射的TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) 卫星上装载有被动探测的微波成像仪 (TRMM Microwave Imager，TMI) 和主动探测的13.8 GHz降水雷达 (Precipitation Radar，PR)，不仅可以观测到地面降水的分布状况，而且可以探测降水的垂直分布，为分析降水的空间分布提供了极大的方便[3-7]。

国际上已有很多学者利用PR资料来研究热带降水特征[8]。国内也有很多学者利用雷达进行降水相关研究[9-11]，如傅云飞等[12-14]利用PR研究青藏高原、东亚地区和台风的降水特征；程明虎等[15]利用PR降水反演技术并应用于梅雨降水结构观测中；李万彪等[16]对淮河流域的陆面降水进行了反演分析；何文英等[17]分析了一次冰雹降水过程的降水三维结构以及TMI亮温特征；吴庆梅等[18]利用PR和TMI联合反演的地面瞬时降水产品分析了我国江淮和华南降水的微波辐射特征；毛冬艳等[19]用PR资料研究1999年台风Sam的云系和降水三维结构特征；Jin等[20]用PR资料分析了1998年一个梅雨锋面雨带的结构以及一些天气学特征。魏应植等[21]、朱龙彪等[22]用多普勒资料分析了台风的风场和雨强。

本文利用装载于TRMM卫星上的降水雷达的观测资料，选取发生于2005年8月并造成了一千七百多人死亡和一千多亿美元直接经济损失的热带气旋卡特里娜，分别对其初生、发展和登陆变性3阶段的近地面降水类型、分布以及层状云和对流性降水特征和平均降水垂直廓线进行了综合分析。

1 观测资料和个例简介 1.1 观测资料

1997年11月27日发射的TRMM卫星是由美国国家宇航局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA) 和日本国家空间发展局 (National Space Development Agency, NSDA) 共同研制的第1颗专门用于定量测量热带和亚热带降雨的气象卫星[4]。TRMM卫星为非太阳同步轨道的低轨道卫星，通过同一地点的时间是变化的，可用于研究降水的日变化。TMI在5个微波频点9个通道上对地观测，除21.3 GHz频点为垂直极化外，其余4个频点都是双极化通道。TMI的扫描宽度是720 km，通道的地面分辨率从低频10.65 GHz的39 km逐渐增加到高频85 GHz的5 km。PR是第1部星载雷达，扫描宽度约220 km，可以对降水云的垂直分布进行较高精度的探测。本文使用TMI通道亮温产品 (1B11) 并根据Z-R关系利用PR回波计算得到的降水垂直廓线产品 (2A25)。

1.2 观测个例

本文所用的观测个例是2005年8月25—30日发生在墨西哥湾的热带气旋卡特里娜。该热带气旋于2005年8月25日开始逐渐增强，26日呈逗点状，27日气旋接近圆形，28日和29日该气旋最强，为正圆形，气旋中心有一个明显的圆形眼区，8月29日在墨西哥湾北部登陆，以狂风暴雨为句点，并于8月30日消散。

首先从微波图像上来判断该气旋的发生、发展情况。图 1是8月25—29日的TRMM/TMI的频率最高、分辨率也是最高的85 GHz亮温图像 (1B11产品)。从图 1可以明显看出，热带气旋的眼墙和螺旋云带受到降水粒子较强的散射作用，强散射区的亮温比环境场亮温可低达50 K以上。由眼区和螺旋云带的形态可以看出，图 1a的螺旋云带还较窄，发展也不旺盛，处于初生阶段；图 1b的热带气旋呈逗点状，螺旋云带明显增宽，对85 GHz的衰减也大为加强；图 1c，1d和图 1e显示热带气旋已经基本呈圆形对称结构，有明显的眼区，可以判断其处于旺盛发展阶段；而图 1f显示热带气旋已经登陆，结构明显不对称，也观察不到眼区，可以判断热带气旋在向温带气旋转变，冷空气进入变性阶段。

图 1. TRMM/TMI 85 GHz的亮温图像 (1B11产品) (a)2005年8月25日降轨，(b)2005年8月27日降轨，(c)2005年8月27日升轨，(d)2005年8月28日降轨，(e)2005年8月29日降轨，(f)2005年8月29日升轨 Fig 1. TRMM/TMI brightness temperature images at 85 GHz channel (a) descending orbit on 25 Aug 2005, (b) descending orbit on 27 Aug 2005, (c) ascending orbit on 27 Aug 2005, (d) descending orbit on 28 Aug 2005, (e) descending orbit on 29 Aug 2005, (f) ascending orbit on 29 Aug 2005

由于本研究使用PR反演的降水垂直廓线产品来进行热带气旋降水分析，而在2 km高度以下容易受到地物干扰，因此给出了同时间PR反演的2 km高度降水图像 (图 2)。由图 2可以看出，这几个时次的PR扫描范围都包含了大部分热带气旋的眼区和螺旋云带雨区。大部分降水强度为0~10 mm·h-1，而较强的降水主要集中在眼墙和螺旋云带中部。随着该热带气旋的发展，降雨的范围增大，强降水的像元也有所增多。

图 2. TRMM/PR 2 km高度降水强度图像 (2A25产品) (a)2005年8月25日降轨，(b)2005年8月27日降轨，(c)2005年8月27日升轨，(d)2005年8月28日降轨，(e)2005年8月29日降轨，(f)2005年8月29日升轨 Fig 2. TRMM/PR 2-kilometer rain intensity images (2A25 product) (a) descending orbit on 25 Aug 2005, (b) descending orbit on 27 Aug 2005, (c) ascending orbit on 27 Aug 2005, (d) descending orbit on 28 Aug 2005, (e) descending orbit on 29 Aug 2005, (f) ascending orbit on 29 Aug 2005

对热带气旋的近地面降水和降水垂直廓线特征统计分析中，样本范围根据以下原则确定：根据图 1确定台风中心，从PR资料中提取包括台风中心周围约5°范围内的所有可得到的样本，经纬度范围会根据图 1中的微波图像所示的降水区适当调大或调小0.5°或1°。每个时次数据所取热带气旋的范围, 图 2a为24°~28.5°N，75.5°~79.5°W；图 2b为22°~26.5°N，81°~88°W；图 2c为20°~26°N，80°~87°W；图 2d为23°~28°N，83°~88°W；图 2e为31°~35°N，82°~93°W；图 2f为27°~32°N，83.5°~91°W。

2 热带气旋近地面降水分布特征

由于PR在2 km高度以下易受地物干扰，因此本研究使用PR反演的2 km高度的降水作为近地面降水，来分析气旋近地面总降水分布、层状云和对流性降水的类型、比例、降水量和降水的分布，从而分析热带气旋近地面降水的特征。

2.1 近地面总降水分布特征

图 3给出了2005年8月25日、27—29日TRMM/PR 2 km高度降水强度直方图及初生、发展、变性3个阶段TRMM/PR 2 km高度近地面降水直方图，其中直方图统计了5 mm·h-1范围内的像元个数。从图 3可以看出，各个阶段的降水像元都是在弱降水区 (0~5 mm·h-1) 的个数最多，随着降水增强，降水像元个数减少。在热带气旋初生阶段，降水强度很弱，降水像元也较少，而20~30 mm·h-1和30~50 mm·h-1降水强度范围内像元数为0。热带气旋发展阶段，降水像元明显增多，强降水像元个数也有显著增加，表明热带气旋降水增强，也出现了降水强度很大的像元。而当热带气旋登陆后，除了30~50 mm·h-1强度降水的像元数略少外，其他强度的降水像元个数几乎都是发展阶段的2倍，表明热带气旋降水增强，这是因为陆地对热带气旋的强摩擦作用造成的。

图 3. TRMM/PR 2 km高度热带气旋降水强度直方图 (a)2005年8月25—29日降水强度直方图，(b) 不同阶段降水强度直方图 Fig 3. TRMM/PR 2-kilometer rain intensity histogram (a) rain intensity histogram during 25—29 Aug 2005, (b) rain rate histogram in three developing stages of tropical cyclone

图 4是1 mm·h-1间隔的热带气旋不同阶段降水分布归一化直方图，以此分析不同强度降水在整个热带气旋降水中所占比例。由图 4可见，初生阶段，弱降水占的比例最高，1~2 mm·h-1的降水像元数最多，强降水所占比例较小，而且没有出现高于31 mm·h-1的降水像元。发展阶段的降水逐渐向强降水区过渡，出现了降水强度很高的像元。而在热带气旋登陆后，5~10 mm·h-1强度降水比例增大。

图 4. 热带气旋不同阶段TRMM/PR 2 km高度降水强度归一化直方图 Fig 4. TRMM/PR 2-kilometer rain intensity normalized histograms in three developing stages of tropical cyclone

2.2 层状云和对流性降水近地面分布特征

首先分析热带气旋影响区域对流性和层状云降水像元所占比例，NnStr表示热带气旋影响区域层状云降水个数占总个数的比例，PnCov表示热带气旋影响区域对流性降水个数占总个数的比例：

(1)
(2)

其中，NStr表示热带气旋影响区域所有层状云降水个数；NCov表示热带气旋影响区域所有对流性降水个数；NAll表示热带气旋影响区域所有层状云和对流性降水个数总和。

其次，对热带气旋影响区域的层状云和对流性降水强度所占比例进行分析。PiStr表示热带气旋影响区域所有层状云降水像元降水强度之和占所有像元降水强度之和的比例，PiCov表示热带气旋影响区域所有对流性降水像元降水强度之和占所有像元降水强度之和的比例：

(3)
(4)

其中，SiStr是热带气旋影响区域所有层状云降水像元降水强度之和，SiCov是热带气旋影响区域所有对流性降水像元降水强度之和，SiAll是热带气旋影响区域所有层状云和对流性降水像元的降水强度之和。

最后对热带气旋影响区域的层状云和对流性降水的平均强度进行分析，IStrAvg和ICovAvg分别表示热带气旋影响区域层状云和对流性降水的降水强度，单位：mm·h-1。平均值

(5)
(6)
(7)

表 1给出了式 (1)~(7) 定义的7个参数在本研究中热带气旋影响区域的计算结果。由表 1可以看出，对流性降水的像元个数占总降水像元个数的15%~22%，而层状云降水像元占78%~85%，明显高于对流性降水像元。而对于总降水量而言，在热带气旋初生阶段，尽管对流性降水的样本数只有层状云降水的四分之一，但其总降水量甚至超过了层状云总降水量，这说明在热带气旋初生阶段，尽管对流性降水所占比例减少，但由于对流活动增强，使对流性降水强度也在增加。

表 1 2005年热带气旋卡特里娜影响区域层状云和对流性降水特征 Table 1 Features of stratiform and convective rainfall over the area impacted by tropical cyclone Katriana in 2005

由表 1可以看出，层状云平均降水强度为2.7~5.9 mm·h-1，对流性平均降水强度为7.7~17.5 mm·h-1，而总平均降水强度为3.5~7.7 mm·h-1。由于层状云降水像元个数远远多于对流性降水像元个数，使得总平均降水强度更接近于层状云平均降水强度。热带气旋从初生到发展阶段，层状云和对流性降水平均强度都逐渐增强；在登陆前有所减弱；在登陆后对流性降水强度和总平均降水强度均又增强，而层状云降水强度稍有减弱。

图 5是热带气旋不同阶段其影响区域TRMM/PR 2 km高度降水直方图，由图 5可以看出：层状云降水除个别像元降水强度达到了20~30 mm·h-1外，大多降水强度分布在10 mm·h-1以下的区域，尤其以降水强度介于1~5 mm·h-1像元居多；初生阶段的较强降水像元较另外两个阶段少。对流性降水较层状云降水强度的分布范围大，强度为2~50 mm·h-1的降水像元都存在，降水分布较层状云降水均匀，其中以强度为2~25 mm·h-1的最多；初生阶段对流性降水强度小于9 mm·h-1的较多，发展和变性阶段对流性降水强度较高，其中又以变性阶段的强降水像元最多。

图 5. TRMM/PR 2 km高度热带气旋不同阶段降水强度分布直方图 Fig 5. TRMM/PR 2-kilometer rain intensity histograms in three stages of the tropical cyclone

3 热带气旋层状云和对流性降水的垂直廓线分布特征

降水是大气动力和热力共同作用的结果。形成层状云和对流云的大气热力和动力特征迥异，二者形成的降水廓线也有很大区别。傅云飞等[13]研究证实：给定降水类型和地表降水强度，平均降水廓线能代表实际廓线80%以上的变化特点。利用TRMM/PR的降水廓线产品，分析了热带气旋层状云和对流性降水的垂直廓线分布特征，进而分析热带气旋层状云和对流性降水的内在成因。

由于2 km高度以下容易受到地物干扰，因此分析热带气旋影响区域2 km高度以上的降水平均廓线。平均廓线的获取方法：对1~19 mm·h-1强度的降水，以1 mm·h-1为间隔，取2 km高度处降水强度在±0.5 mm·h-1范围的所有降水廓线的平均；对20~50 mm·h-1强度的降水，以5 mm·h-1为间隔，取2 km高度处降水强度在±2.5 mm·h-1范围的所有像元降水廓线的平均。

图 6和图 7分别是根据TRMM/PR的降水廓线产品得到的层状云和对流性降水的平均降水垂直廓线图，图例中的数字表示2 km高度处的降水强度。由图中降水高度可以看出，在热带气旋的初生和变性阶段 (即2005年8月25日降轨和2005年8月29日升轨)，有少部分的降水高度最高可达10 km；而发展阶段降水最高可达16 km，说明发展阶段对流极为旺盛，强劲的上升气流可以将降水粒子抬升到很高的高度。

图 6. 根据TRMM/PR的降水廓线产品推导的2005年8月层状云降水的平均垂直廓线 Fig 6. Averaged vertical rain intensity profiles of stratiform rain based on the TRMM/PR rain profile product in Aug 2005

图 7. 根据TRMM/PR的降水廓线产品推导的2005年8月对流性降水的平均垂直廓线 Fig 7. Averaged vertical rain intensity profiles of convective rain based on the TRMM/PR rain profile product in Aug 2005

尽管降水强度从0变化到50 mm·h-1，但图 6和图 7都表明热带气旋各阶段、不同降水强度的降水垂直廓线均在6~7 km处达到较小的值，这是由于冻结层的存在使得液态降水粒子显著减少。

大部分降水廓线随高度升高呈现先略增大再减小的趋势，这是因为在4 km以上雨滴下降过程中，小雨滴碰并增长，与固态 (冰相、雪相) 粒子的融化作用使得降水强度有所增加；而在4 km高度以下，随着下落过程中温度升高，部分雨滴蒸发成水汽，从而使得近地面降水反而减小。

比较发展阶段和初生、变性阶段的降水垂直廓线的形状，可以看出，后两者的降水廓线几乎随高度匀速减小，而前者的降水廓线随高度变化很不均匀。这是因为发展时期的热带气旋内部强烈的上升气流使得气旋内部极不均匀造成。

由图 6和图 7还可以发现，降水强度较大的垂直廓线比降水强度较小的垂直廓线不均匀，这一方面与降水强度大对应更强的对流强度、因而垂直方向更不均匀外，还因为降水强度大的降水像元较少 (图 8)。计算发展阶段样本平均廓线 (图 9)，比较图 9与图 6和图 7中的发展阶段廓线可以看出，样本数较多 (图 9) 的平均降水垂直廓线更加平滑。

图 8. TRMM/PR反演的2005年8月发生降水的像元样本变化 Fig 8. TRMM/PR retrieved pixels number with rain fall in Aug 2005

图 9. TRMM/PR反演的热带气旋发展阶段平均降水强度廓线图 Fig 9. TRMM/PR retrieved averaged precipitation vertical profiles in developing stages of the tropical cyclone

4 结论

本文利用TRMM/PR资料对热带气旋近地面降水和降水垂直廓线进行了定量分析，得到如下结论：

1) 从热带气旋的地面降水类型和分布来看：在热带气旋的整个生命期，对流性降水个数约是层状云降水个数的四分之一，而对流性降水平均降水强度为层状云降水的4倍；随着热带气旋的发展，二者的平均强度逐渐增强，在登陆前有所减弱，登陆后对流性降水和总降水再次增强，而层状云降水稍有减弱。

2) 从热带气旋的降水强度来说，初生阶段弱降水所占比例最高，1~2 mm·h-1强度降水像元最多，没有高于31 mm·h-1强度的降水像元存在；发展阶段的降水样本增多，降水逐渐增强，出现了高降水强度的像元；热带气旋登陆后，由于陆地对气旋的强磨擦作用，除了30~50 mm·h-1强度的降水像元数略少外，其他强度的降水像元几乎是发展阶段的两倍，且介于5~10 mm·h-1的降水比例增大。

3) 降水的垂直廓线分析表明：在气旋的初生和变性阶段，降水高度最大为10 km；而发展阶段降水高度最大可达16 km；大部分降水廓线都随高度升高都呈现先略增大 (到4 km高度)，再减小的趋势，在6~7 km处由于冻结层的存在使得降水达到最小值；热带气旋初生和变性阶段的降水廓线几乎随高度匀速减小，而发展阶段由于气旋内部强烈的上升气流使得降水廓线随高度变化很不均匀。

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