Translated by Dr. Mengyi Jin

夏季来临时，热带气旋常在沿海地区引发洪涝灾害。早在古代，中国沿海的渔民就通过观察天气现象来预测热带气旋的来临，例如云层的形状和晚霞的变化。热带气旋发生在全球各地，不同地区对它的称呼也有所不同。在北大西洋、中北太平洋和东北太平洋地区，人们通常称之为“飓风”；而在西北太平洋地区，热带气旋常被称为“台风”。

近年来，热带气旋对美国、中国以及其他亚洲国家造成了重大损失。因此，发展基于太空的热带气旋监测技术，预测其路径并进行预警，对于保障民众的生命安全、保护渔业生产以及海上作业等具有重要意义。

双频降水雷达（Dual-frequency Precipitation Radar，简称 DPR）是由美国国家航空航天局（NASA）与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）联合开发的天基雷达系统，其搭载于热带降雨测量任务（TRMM）和全球降水观测计划（GPM）的卫星上（https://gpm.nasa.gov/missions/GPM/DPR），用于热带气旋的监测与科学研究（NASA，2018）。

双频降水雷达助力深入理解热带气旋中降水微物理过程

与其前身TRMM相比，GPM卫星搭载的DPR在探测中纬度地区的轻微降雨和降雪方面具有更高的灵敏度（NASA，2018）。 

“该仪器能够测量雨滴和雪花的三维形状与大小以及其他物理特性，从而帮助科学家更深入地理解风暴的物理属性。” ——Candace Carlisle，GPM项目副经理

DPR由两部分组成：Ku波段降水雷达（KuPR）和Ka波段降水雷达（KaPR），它们可以同时监测陆地和海洋上的降水。表1包含了KuPR和KaPR的设计参数，KuPR和KaPR在GPM卫星平台上共线安装，其高精度的测量能力不仅能准确估算降水强度，还能实现对热带气旋的三维观测。

图1展示了GPM核心观测卫星上DPR与GPM微波成像仪（GMI）所覆盖的观测范围。DPR中Ka/ Ku波段重叠区域的同步观测，可为中等强度降水提供新的粒子粒径分布信息。

利用GPM核心观测卫星携带的GMI和DPR仪器，科学家们得以在风暴的整个生命周期内研究其内部结构（Brauer et al. 2024）。图2展示了飓风Lane的降水结构。从图中可以看出，在飓风眼附近存在强烈的风暴活动。具体来说，GMI可以测量强降雨、中等降雨、小雨和降雪的降水量、粒子大小及其强度。而DPR则提供液态和固态降水的三维剖面图及强度数据，从而揭示风暴的内部结构。利用这些仪器，科学家可以追踪热带气旋的演变过程，预测其发展趋势，并用于验证热带气旋的数值模拟模型。此外，这些数据还被用于研究风暴中潜热的分布与传输，特别是在风眼周围云墙中“热塔”的形成过程，该过程已被证实与气旋的快速增强有关（NASA，2018）。 

GPM-DPR揭示的热带气旋的三维结构与垂直剖面

DPR能够提供降水结构及其特性的三维观测数据。例如，图3展示了由GPM-DPR观测到的台风“利奇马”的三维结构（Qi、Yong and Gourley 2021）。图3a为台风 “利奇马”经过中国山东省时的扫描轨迹；图3b清晰地呈现了不同降水强度下的垂直降水剖面；结合图3c中的水平分布，完整地展现出位于GPM-DPR扫描轨道内的风暴中心的三维降水结构——顶部相对较薄，底部较厚。

潜热的释放会引发多种微物理过程（如暖云过程、冷云过程），从而影响台风降水的结构。图4展示了台风“利奇马”潜热释放估的算结果。研究选取了两个典型高度层，分别位于冻结层（约5千米高度）的下方（3千米高度）和上方（7千米高度），以分析台风降水的热力与微物理结构。在3千米和7千米高度处，潜热释放速率分别达到37.84 K·h⁻¹和 44.33 K·h⁻¹ 。图中红色区域表示加热区，反映了包括云滴的附着增长、冰晶与过冷水的附着冻结，以及水汽的凝华过程等在内的特定微物理过程，这些过程会释放大量潜热；而蓝色区域则表示冷却区，主要涉及冰粒的融化、雨滴的蒸发等过程，这些过程会吸收大量潜热。在3千米和7千米两个高度层的加热现象证明了对流过程的存在。其加热速率揭示了“利奇马”风眼墙区域的对流特征，以及其中的少量孤立和带状的对流降水。同时，冻结层以下的平均加热速率（9.22 K·h⁻¹）高于冻结层以上（6.81 K·h⁻¹），这表明在大气较低层，暖云过程（如凝结和碰并）释放的潜热更为强烈；相比之下，较高层的冷云过程（如附着冻结、聚合和伯杰龙过程）释放的潜热较弱。暖云过程在其中起主导作用（Wu et al. 2021）。

GPM-DPR的应用与挑战

作为一种天基雷达，GPM-DPR在热带气旋监测与预报上相较于地面雷达具有显著优势。热带气旋的生命周期大部分发生在外海，科学家们利用GPM-DPR对全球范围内的热带气旋进行研究，其应用领域已扩展至多个交叉学科（Tiberia et al. 2021），包括天气预报、灾害防治、水资源安全与洪水控制等。

与前代TRMM雷达相比，GPM-DPR在降水类型的识别上表现更加突出，显著降低了将云层或噪声信号误判为“其他降水类型“的情况，从TRMM的10.14%减少至仅0.5%（Gao、Tang and Hong 2017）。这相比于当前使用的其他天基雷达是一项重要优势，尤其是在低层云、中纬度/高纬度地区降水以及对流的观测方面，其他雷达仍存在一定局限性（Battaglia et al. 2020）。

结论

全球变暖使大气中水汽含量增加，导致了更多热带气旋的形成。随着天基雷达技术的发展，热带气旋的监测、预报与预警变得更加可靠。GMI与DPR提升了对热带气旋的追踪与预报能力，有助于决策者采取有效措施及时挽救生命，尤其在沿海地区。此外，GPM-DPR揭示了热带气旋的三维结构，使科学家能够深入理解其内部微物理过程，从而进一步提升预报精度与预警效率。