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摘 要：螺旋雨带是台风重要的非对称特征，与台风降水强度和移动路径变化密切相关。本文从观测、数值模拟以及动力研究三个方面简单回顾了螺旋雨带的研究进展，指出可用多种物理机制来解释螺旋雨带的形成和传播，并进一步介绍了目前用混合波理论解释螺旋带的动力机制的尝试，最后对该方面的研究研究进行了展望，提出了一些建议。
关键词：台风；螺旋雨带；混合波
1 引言
台风是热带大气中的一个重要天气系统，由于其活动范围之广，夏季经常入侵到中纬度地区，造成极大的破坏。在过去几十年中，人们虽然不断提高各种观测手段、完善和应用数值预报模式，提高了台风路径预报的准确性，但在台风降水的强度预报方面还存在很大的困难。研究台风的降水强度可在多方面展开，其中就包括对螺旋雨带（简称螺旋带）。目前，对螺旋带动力学和热力学性质还远未弄清，这就影响到了对螺旋雨带上β-γ中尺度系统发生和演变规律的认识，而后者正是直接造成台风灾害性和高影响性天气的系统。正因如此，只能当这些系统产生后利用卫星和雷达对其进行监测，做出临近预报，但此时预报时效长的仅5-6小时，短的几十分钟，这往往使人们对其带来的灾害措手不及，造成重大损失。由此可知，对于螺旋带动力和热力机制的研究将成为正确预报台风活动、有效减轻台风灾害的一个基础的工作。本文将从观测研究、数值模拟和动力机制研究等三个方面对螺旋带的研究进展进行回顾。
2 螺旋雨带的观测研究
对于螺旋带的观测，早在上世纪四十年代就开始了。探测飓风发现风暴内部的降水回波并不呈均匀分布，而是有几条很清楚的螺旋雨带。螺旋带形成以后，将沿着气流方向绕着台风眼运动，其移动速度一般大于风速[1]。从雷达的探测结果中进一步揭示了这种螺旋带状具有向外传播的特性，单个螺旋带具有1-2个小时的生命史。这种贯穿整个成熟台风的螺旋带特征是人们最初对热带气旋螺旋带的认识。虽然当时人们多认为螺旋带沿径向向外传播，但是在1978年，Willoughby[2]证明有些看起来似乎是向外传播的波动，但实际上是向里传播的，有些螺旋雨带并不旋转但仍向外传播。还有证据表明，除了向内和向外传播以外，有些雨带相对于风暴来说几乎是静止的。Guinn 和Schubert[3]从观测结果发现螺旋带分为内螺旋带和外螺旋带，其中内螺旋带位于热带气旋中心附近，在雷达回波上非常明显，但是由于卷云的覆盖，在卫星云图上总是看不出。外螺旋带通常位于距离台风中心500km以外的地方，可能非常长而狭窄。内核雨带区域中雨带和空气都围绕着热带气旋中心旋转，外部区域大量空气移动穿过热带气旋。
3螺旋雨带的数值模拟研究
随着对螺旋带机理的不断认识以及计算机技术的发展，利用数值模拟来研究螺旋带成为可能，这从某种意义上弥补了观测资料的不足。Chen et al.[5]和Wang[5]利用三维原始方程模式阐明了内螺旋带主要表现为涡旋Rossby波特征。通过对飓风Andrew（1992）模拟，详细说明了飓风内核的结构，并给出了轴对称概念模型。Yamasaki[6]成功模拟了台风Flo（1990），揭示了臺风螺旋带中较强的β雨带的一些特征。Romine et al.[7]利用MM5模式模拟了飓风Opal（1995），再现了与观测事实一致的小尺度螺旋带及其变化特征，通过分析模式输出资料并与观测对比发现：在边界层具有垂直切变的情况下，开尔文-赫尔姆霍茨不稳定最有可能是产生小尺度螺旋带的动力机制。
从上述的观测事实和数值模拟结果可以看出螺旋带的结构复杂，螺旋带有径向、切向生长的趋势，这也表明在径向切向有能量的传播，因此可以明确，这是一类波动现象；然而有关其成因及动力机制，虽然目前仍没有达到共识，但是已经有很多气象学者在这方面开展了大量工作，并提出了一些理论。
4螺旋雨带的动力机制的研究
4.1 重力惯性波理论
在对螺旋带进行研究的初期，很多气象学者根据其观测特征用重力波理论进行解释。2002年，Chow等[8]开发了一个基于浅水方程的理论模型，用以解释热带气旋中移动的螺旋带状结构的产生，指出近涡旋中心涡度分布的波动可作为一个源，此源可产生能够形成带状结构的重力波。2009年Moon and Nolan[9]利用三维非静力线性滞弹性涡旋模型（3DPAS），在对称涡旋场中叠加非对称热力扰动来考察角动量传播机制，通过计算证明角动量以重力波的形式远离涡旋中心。以上的重力惯性波理论认为，螺旋带作为上升运动和发生水汽凝结的区域，是由传播的重力惯性波引起的。不过，该重力惯性波是由热带气旋内部区域的对流所激发，还是由热带气旋外部区域与环境场相互作用产生的强迫所造成，该理论的解释尚不一致。
4.2 边界层非对称理论
边界层理论认为螺旋带是通过边界层流动结构的动力不稳定或边界层内Ekman切变的不稳定强迫而产生的，小尺度螺旋特征与边界层起伏相类似。Fung[10]研究了边界层不稳定在产生短波（其波长大约为30公里）螺旋带中的作用。他在理论分析中指出，由边界层径向风垂直切变决定的Rayleigh不稳定，能导致螺旋云带的形成。当径向云廓线中有拐点存在，并且雷诺数大于110时，就会发生雷利不稳定。因为这时边界层中的径向风速达到了局地最大值，所以满足了不稳定的必要条件和充分条件。能量取自平均风廓线的螺旋扰动，其走向大约偏向地转风左侧14°，并且相对风暴来说几乎是静止的。最不稳定扰动的径向波长，在眼壁附近约为20公里，而在半径300公里处约为50公里。
4.3 涡旋罗斯贝波理论
早在1968年，Macdonald[11] 就提出螺旋云带应该是类似罗斯贝波的波动。他发现，飓风中低层风场的水平非对称性产生一个指向风暴内部的角动量涡动通量，正如罗斯贝波产生一个指向地球旋转轴的角动量通量一样。基于前人的工作，Montgomery 和Kallenbach[12]提出了涡旋罗斯贝波的理论，并提出了对其进行研究的理论框架。他们指出非对称扰动在平均涡旋强切变流作用下的轴对称化，将伴随着向外传播的涡旋罗斯贝波，其恢复机制与风暴涡度的径向梯度有关。他们认为内部螺旋带的形成与沿径向向外传播的涡旋罗斯贝波有关，但是波包向外传播时，群速度由于受到切变的影响而逐渐减慢，最终径向传播停止，这个停止的位置与涡旋中心的距离被称为停滞半径。停滞半径的存在意味着这些波被限制在近涡旋区域而不会传播到无穷远处，这是其动力学与重力波的重要区别。由上面的介绍可以看出，涡旋罗斯贝波应是涡旋环流中一类重要的波动形态。涡旋罗斯贝波的理论发展至今已经普遍被人们接受，但是不足之处是：在临界半径以外的区域，由于径向位涡梯度变得太弱，所以涡旋Rossby波不能解释此处出现的外螺旋云带。而且涡旋罗斯贝的理论是基于正压无辐散的假设，具有一定的约束条件，用于实际问题的分析时容易导致一些误解，比如将正压无辐散方程中的涡度梯度误解为位涡梯度。 5 总结及展望
由此可知台风螺旋带的研究可在多方面展开，且各方面的研究虽然取得了一些成果，但却未完全定论。这方面工作的进展首先有赖于观测资料的充分利用，尤其是卫星、雷达等非常规观测资料，其次是数值模拟水平的提高，因此要不断提高模式的分辨率，并且要提高模式物理过程对各种不同尺度过程的描述能力。最后，动力学理论的解析研究也是必不可少的，虽然目前还面临很大的数学困难。总之，对热带气旋螺旋带的研究还将是一个长期、艰苦的过程。
参考文献
[1] Ligda， M. G. H.， Hurricane squall lines. Bull[J]. Amer. Meteor. Soc.， 1955，36：340-342.
[2] Willoughby， H. E. A possible mechanism for the formation of hurricane rain bands [J]. J. Atmos. Sci.， 1978， 35： 838-848.
[3]Guinn， T. A.， and W. H. Schubert， Hurricane spiral bands. J. Atmos. Sci.， 1993，50： 3380-3403.
[4] Hence， D. A.， and R. A. Houze， Jr.， Kinematic structure of convective-scale elements in the rainbands of Hurricanes Katrina and Rita （2005）[J]. J. Geophys. Res.， 2008，113， D15108，doi：10.1029/2007JD009429.
[5] YuBao Liu， Da-lin Zhang， M. K. Yau，A Multiscale Numerical Study of Hurricane Andrew（1992），PartⅡ：Kinematics and Inner-Core Structures[J]，Mon. Wea.Rev.1999，127：2597-2616.
[6]Yamasaki，A study of the Mesoscale structure of Typhoon Flo（T9019）：A Case of Compare Model Intercomparison[J]，J Meteor Soc. Japan，2005，83（6）：1057-1084.
[7] GLEN S. ROMINE. Finescale Spiral Band Features within a Numerical Simulation of Hurricane Opal （1995）[J].Monthly Weather review， 2005，134：1121～1139
[8] Chow， K. C.， K. L. Chen ， K. H. L. Alexis. Generation of moving spiral bands in tropical cyclones [J] J. Atmos. Sci.， 2002， 59： 2930-2950.
[9]Yumin Moon and David S.Nolan. Do Gravity Waves Transport Angular Momentum away from Tropical Cyclones[J]. J. Atmos. Sci.， 2010， 67： 1984-1998.117-135.
[10] Fung， L. Y. S. The organization of spiral rain bands in a hurricane. Ph. D. theis [D]. Massachusetts Institute of Technology， 1977， 139.
[11] Macdonald， N. J. The evidence for the existence of Rossby-like waves in the hurricane vortex [J]. Tellus， 1968， 20： 138-150.
[12] Montgomery MT， Kallenbach R. J. A theory for vortex Rossby-waves and its application to spiral bands and intensity changes in hurricanes [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc.，1997， 123： 435–465.
作者簡介：
陈雪景（1983—），男，江西省都昌县，江西省九江市庐山机场，工程师，硕士，主要从事中尺度动力学和数值预报的研究。
关键词：台风；螺旋雨带；混合波
1 引言
台风是热带大气中的一个重要天气系统，由于其活动范围之广，夏季经常入侵到中纬度地区，造成极大的破坏。在过去几十年中，人们虽然不断提高各种观测手段、完善和应用数值预报模式，提高了台风路径预报的准确性，但在台风降水的强度预报方面还存在很大的困难。研究台风的降水强度可在多方面展开，其中就包括对螺旋雨带（简称螺旋带）。目前，对螺旋带动力学和热力学性质还远未弄清，这就影响到了对螺旋雨带上β-γ中尺度系统发生和演变规律的认识，而后者正是直接造成台风灾害性和高影响性天气的系统。正因如此，只能当这些系统产生后利用卫星和雷达对其进行监测，做出临近预报，但此时预报时效长的仅5-6小时，短的几十分钟，这往往使人们对其带来的灾害措手不及，造成重大损失。由此可知，对于螺旋带动力和热力机制的研究将成为正确预报台风活动、有效减轻台风灾害的一个基础的工作。本文将从观测研究、数值模拟和动力机制研究等三个方面对螺旋带的研究进展进行回顾。
2 螺旋雨带的观测研究
对于螺旋带的观测，早在上世纪四十年代就开始了。探测飓风发现风暴内部的降水回波并不呈均匀分布，而是有几条很清楚的螺旋雨带。螺旋带形成以后，将沿着气流方向绕着台风眼运动，其移动速度一般大于风速[1]。从雷达的探测结果中进一步揭示了这种螺旋带状具有向外传播的特性，单个螺旋带具有1-2个小时的生命史。这种贯穿整个成熟台风的螺旋带特征是人们最初对热带气旋螺旋带的认识。虽然当时人们多认为螺旋带沿径向向外传播，但是在1978年，Willoughby[2]证明有些看起来似乎是向外传播的波动，但实际上是向里传播的，有些螺旋雨带并不旋转但仍向外传播。还有证据表明，除了向内和向外传播以外，有些雨带相对于风暴来说几乎是静止的。Guinn 和Schubert[3]从观测结果发现螺旋带分为内螺旋带和外螺旋带，其中内螺旋带位于热带气旋中心附近，在雷达回波上非常明显，但是由于卷云的覆盖，在卫星云图上总是看不出。外螺旋带通常位于距离台风中心500km以外的地方，可能非常长而狭窄。内核雨带区域中雨带和空气都围绕着热带气旋中心旋转，外部区域大量空气移动穿过热带气旋。
3螺旋雨带的数值模拟研究
随着对螺旋带机理的不断认识以及计算机技术的发展，利用数值模拟来研究螺旋带成为可能，这从某种意义上弥补了观测资料的不足。Chen et al.[5]和Wang[5]利用三维原始方程模式阐明了内螺旋带主要表现为涡旋Rossby波特征。通过对飓风Andrew（1992）模拟，详细说明了飓风内核的结构，并给出了轴对称概念模型。Yamasaki[6]成功模拟了台风Flo（1990），揭示了臺风螺旋带中较强的β雨带的一些特征。Romine et al.[7]利用MM5模式模拟了飓风Opal（1995），再现了与观测事实一致的小尺度螺旋带及其变化特征，通过分析模式输出资料并与观测对比发现：在边界层具有垂直切变的情况下，开尔文-赫尔姆霍茨不稳定最有可能是产生小尺度螺旋带的动力机制。
从上述的观测事实和数值模拟结果可以看出螺旋带的结构复杂，螺旋带有径向、切向生长的趋势，这也表明在径向切向有能量的传播，因此可以明确，这是一类波动现象；然而有关其成因及动力机制，虽然目前仍没有达到共识，但是已经有很多气象学者在这方面开展了大量工作，并提出了一些理论。
4螺旋雨带的动力机制的研究
4.1 重力惯性波理论
在对螺旋带进行研究的初期，很多气象学者根据其观测特征用重力波理论进行解释。2002年，Chow等[8]开发了一个基于浅水方程的理论模型，用以解释热带气旋中移动的螺旋带状结构的产生，指出近涡旋中心涡度分布的波动可作为一个源，此源可产生能够形成带状结构的重力波。2009年Moon and Nolan[9]利用三维非静力线性滞弹性涡旋模型（3DPAS），在对称涡旋场中叠加非对称热力扰动来考察角动量传播机制，通过计算证明角动量以重力波的形式远离涡旋中心。以上的重力惯性波理论认为，螺旋带作为上升运动和发生水汽凝结的区域，是由传播的重力惯性波引起的。不过，该重力惯性波是由热带气旋内部区域的对流所激发，还是由热带气旋外部区域与环境场相互作用产生的强迫所造成，该理论的解释尚不一致。
4.2 边界层非对称理论
边界层理论认为螺旋带是通过边界层流动结构的动力不稳定或边界层内Ekman切变的不稳定强迫而产生的，小尺度螺旋特征与边界层起伏相类似。Fung[10]研究了边界层不稳定在产生短波（其波长大约为30公里）螺旋带中的作用。他在理论分析中指出，由边界层径向风垂直切变决定的Rayleigh不稳定，能导致螺旋云带的形成。当径向云廓线中有拐点存在，并且雷诺数大于110时，就会发生雷利不稳定。因为这时边界层中的径向风速达到了局地最大值，所以满足了不稳定的必要条件和充分条件。能量取自平均风廓线的螺旋扰动，其走向大约偏向地转风左侧14°，并且相对风暴来说几乎是静止的。最不稳定扰动的径向波长，在眼壁附近约为20公里，而在半径300公里处约为50公里。
4.3 涡旋罗斯贝波理论
早在1968年，Macdonald[11] 就提出螺旋云带应该是类似罗斯贝波的波动。他发现，飓风中低层风场的水平非对称性产生一个指向风暴内部的角动量涡动通量，正如罗斯贝波产生一个指向地球旋转轴的角动量通量一样。基于前人的工作，Montgomery 和Kallenbach[12]提出了涡旋罗斯贝波的理论，并提出了对其进行研究的理论框架。他们指出非对称扰动在平均涡旋强切变流作用下的轴对称化，将伴随着向外传播的涡旋罗斯贝波，其恢复机制与风暴涡度的径向梯度有关。他们认为内部螺旋带的形成与沿径向向外传播的涡旋罗斯贝波有关，但是波包向外传播时，群速度由于受到切变的影响而逐渐减慢，最终径向传播停止，这个停止的位置与涡旋中心的距离被称为停滞半径。停滞半径的存在意味着这些波被限制在近涡旋区域而不会传播到无穷远处，这是其动力学与重力波的重要区别。由上面的介绍可以看出，涡旋罗斯贝波应是涡旋环流中一类重要的波动形态。涡旋罗斯贝波的理论发展至今已经普遍被人们接受，但是不足之处是：在临界半径以外的区域，由于径向位涡梯度变得太弱，所以涡旋Rossby波不能解释此处出现的外螺旋云带。而且涡旋罗斯贝的理论是基于正压无辐散的假设，具有一定的约束条件，用于实际问题的分析时容易导致一些误解，比如将正压无辐散方程中的涡度梯度误解为位涡梯度。 5 总结及展望
由此可知台风螺旋带的研究可在多方面展开，且各方面的研究虽然取得了一些成果，但却未完全定论。这方面工作的进展首先有赖于观测资料的充分利用，尤其是卫星、雷达等非常规观测资料，其次是数值模拟水平的提高，因此要不断提高模式的分辨率，并且要提高模式物理过程对各种不同尺度过程的描述能力。最后，动力学理论的解析研究也是必不可少的，虽然目前还面临很大的数学困难。总之，对热带气旋螺旋带的研究还将是一个长期、艰苦的过程。
参考文献
[1] Ligda， M. G. H.， Hurricane squall lines. Bull[J]. Amer. Meteor. Soc.， 1955，36：340-342.
[2] Willoughby， H. E. A possible mechanism for the formation of hurricane rain bands [J]. J. Atmos. Sci.， 1978， 35： 838-848.
[3]Guinn， T. A.， and W. H. Schubert， Hurricane spiral bands. J. Atmos. Sci.， 1993，50： 3380-3403.
[4] Hence， D. A.， and R. A. Houze， Jr.， Kinematic structure of convective-scale elements in the rainbands of Hurricanes Katrina and Rita （2005）[J]. J. Geophys. Res.， 2008，113， D15108，doi：10.1029/2007JD009429.
[5] YuBao Liu， Da-lin Zhang， M. K. Yau，A Multiscale Numerical Study of Hurricane Andrew（1992），PartⅡ：Kinematics and Inner-Core Structures[J]，Mon. Wea.Rev.1999，127：2597-2616.
[6]Yamasaki，A study of the Mesoscale structure of Typhoon Flo（T9019）：A Case of Compare Model Intercomparison[J]，J Meteor Soc. Japan，2005，83（6）：1057-1084.
[7] GLEN S. ROMINE. Finescale Spiral Band Features within a Numerical Simulation of Hurricane Opal （1995）[J].Monthly Weather review， 2005，134：1121～1139
[8] Chow， K. C.， K. L. Chen ， K. H. L. Alexis. Generation of moving spiral bands in tropical cyclones [J] J. Atmos. Sci.， 2002， 59： 2930-2950.
[9]Yumin Moon and David S.Nolan. Do Gravity Waves Transport Angular Momentum away from Tropical Cyclones[J]. J. Atmos. Sci.， 2010， 67： 1984-1998.117-135.
[10] Fung， L. Y. S. The organization of spiral rain bands in a hurricane. Ph. D. theis [D]. Massachusetts Institute of Technology， 1977， 139.
[11] Macdonald， N. J. The evidence for the existence of Rossby-like waves in the hurricane vortex [J]. Tellus， 1968， 20： 138-150.
[12] Montgomery MT， Kallenbach R. J. A theory for vortex Rossby-waves and its application to spiral bands and intensity changes in hurricanes [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc.，1997， 123： 435–465.
作者簡介：
陈雪景（1983—），男，江西省都昌县，江西省九江市庐山机场，工程师，硕士，主要从事中尺度动力学和数值预报的研究。