引言

陈联寿^[1]指出, 热带气旋结构是影响其移动的一个重要因子。结构变化还影响到热带气旋的强度变化、路径的偏折、热带气旋暴雨落区和雨强甚至风暴潮的强弱^[2]。大量的飞机观测资料证实, 热带气旋核心区合成的切向和径向风场明显具有波数为1的非对称性, 在北半球切向最大风速位于前进方向的右前象限内^[3]。影响热带气旋移动的因子一是大型环境流场引导作用的外力, 二是因地球自转偏向力而引起的内力, 热带气旋内部不对称流场使其往最大风速的去向移动^[4]。

我国1993—1994年开展“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而细致的研究^[5], 但由于高时间和空间分辨率资料的缺乏, 仍有一些问题尚需进一步研究。因此通过多普勒雷达这种高时空分辨率的观测资料来分析研究近海登陆台风是一种有效和重要的途径。应用多普勒雷达高时空分辨率的回波强度和径向速度资料, 可以对台风进行细致深入分析研究, 有助于深化对台风结构的认识, 提高台风定位精度和移动路径预报的能力。早在20世纪70年代前后, 国外逐渐用多普勒雷达代替一般数字化气象雷达进行台风结构研究, 取得了许多重要进展。Donaldson^[6]和Wood^[7]在应用轴对称环流的Rankine涡旋运动模式基础上, 对台风进行定位研究。Roux等^[8]根据EVTD方法, 应用WSR-88D多普勒雷达资料对热带气旋和台风进行研究, 但上述研究对均匀轴对称环流的台风比较有效, 对非轴对称环流, 特别是当大尺度环境气流明显时, 台风多普勒速度特征有明显变化, 导致定位误差较大。

Harasti^[9]用VVP反演台风风场, 并对其进行了分析, 但VVP技术中对线性风场的假设和方程组的病态问题没有得到解决。Lee等^[10]根据台风风场模型, 使用陆基单多普勒雷达的GBVTD反演风场技术, 反演了台风三维风场结构, Lee等^[11]和Harasti等^[12]在此基础上进行了台风定位研究。

在国内, 近几年来多普勒雷达应用于台风的研究日益深入广泛^[13-15]。李伟等^[16]应用模拟资料和实测多普勒速度资料对台风定位作了初步研究, 鉴于研究中仅考虑轴对称环流情况, 使用时受到较大限制。陈春忠等^[17]对台风结构和台风强度变化也进行了一些研究, 在我国台湾地区, 使用双多普勒雷达观测台风, 结合地面自动气象站和自动雨量站资料组成中尺度观测网, 对台风的风场结构、地形对台风的影响等方面进行了研究。

多普勒雷达能够探测到台风的径向风速分布, 但是单多普勒雷达探测台风的风场结构有一定的局限性。例如, 在我国东南沿海地区, 单多普勒雷达只能探测到近海台风的东北、西北和西南3个象限中的两个径向风速分布。所以对于非对称结构的台风, 单多普勒雷达判断台风最大风速的所在方位有一定难度。若台风强度不变或少变, 由于位移而反映出速度场的差异时, 可能间接推断台风的风场不对称分布。而当双多普勒雷达从两个不同方位同时探测台风时, 则能够比较判别3个象限径向风速的差异, 从而推断台风风场的不对称分布。台风移向移速突变是目前预报的难点, 利用沿海地区双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测, 有可能探测到台风3个甚至4个象限的径向风速, 得到台风风场不对称结构分布信息, 从而为路径预报提供有益的帮助。

观测事实证明, 2004年“艾利”台风的多普勒雷达速度图像存在明显的非对称分布, 这种风场的非对称结构与台风异常路径是密切相关的。本文的目的是通过多普勒雷达探测台风风场结构的分布, 特别是非对称结构分布, 来分析台风的转折路径 (移向突变), 为台风路径转折预报提供有益的线索。

1.   “艾利”台风的基本特征

2004年8月20日, 热带风暴“艾利”在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成, 生成后向西北方向移动 (图略), 21日加强成为台风。台风“艾利”在靠近我国台湾东北部海域后, 路径先后发生两次左折 (路径图略)。先是西北转偏西, 再偏西转西南, 这种不同于正常路径在历史上极为罕见。8月24日12:00 (世界时, 下同), “艾利”处在断裂的副热带高压中间弱引导气流中, 随后逐渐靠近大陆高压东南侧。24日12:00—25日12:00, 台风先是受东侧副热带高压的东南气流引导向西北方向移动, 之后受大陆高压东南侧的东北气流引导向西南方向移动。表 1是该时段3个时次的台风外围大陆高压500 hPa高空引导气流, 选择其中代表性较好的站点作为引导气流, 它们位于台风闭合环流圈外, 距离台风中心较近 (5~7个纬距), 与大陆高压环流比较一致。分析表明, 500 hPa风速值约为2~10 m/s, 平均为7 m/s, 主导风向为东北风, 3个时次的风速值无明显变化。实际上, 台风的环境引导气流可直接用雷达观测到的移向移速来表示, 根据25日09:00—12:00雷达观测到的移动路径可估算出“艾利”台风移动速度约为25 km/h, 移向WSW, 这一结果与探空资料分析得到的7 m/s的结果相一致。

表  1  台风外围大陆高压500 hPa高空引导气流 (单位:m/s)

Table  1.  500 hPa steering current for continent high around the typhoon (unit:m/s)

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陈联寿等^[18]在SPECTRUM-90试验中, 采用计算500 hPa等高线疏密程度方法定量计算台风的非对称度, 发现3个转向台风在转向前有明显的非对称性, 平均非对称度达1.10~1.68, 等高线在东北象限最为稠密 (台风前进方向的右前侧)。采用该方法计算出“艾利”台风在25日06:00—12:00的非对称度约为1.5, 并且等高线最稠密区位于西北象限, 也就是台风前进方向的右前侧, 与SPECTRUM-90试验结果吻合 (图略)。

雷达观测表明, “艾利”台风在8月25日06:00左右开始第2次左折, 沿着福建东部海岸线向西南方向移动, 04:00—21:00, 福州长乐和厦门的多普勒雷达近距离连续地观测到了“艾利”台风回波的全貌。25日06:00—12:00, 雷达探测到的“艾利”台风第2次转折时的多普勒径向速度图像相当清晰, 如彩图 1所示。观测结果表明, 速度图上台风眼区直径约30 km, 台风核半径约为40 km, 最大径向速度极值53 m/s, 超过20 m/s的大风圈半径约160 km。

图  1  福州长乐雷达探测的2004年8月25日“艾利”台风速度图像（仰角：1.5°，距离：150km）

Figure  1.  Velocity image of typhoon Aere detected by radar in Changle of Fuzhou on August 25 2004(elevation:1.5°, range:150km)

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2.   多普勒雷达风场结构分析

当雷达的探测方向与台风的切向风向 (来向或去向) 的夹角为零时, 多普勒雷达所测得的径向速度就是台风的切向速度。由于台风是一个涡旋系统, 若忽略雷达波束随距离增加而增高的因素, 仅考虑台风作水平运动, 则多普勒雷达观测到的正、负径向速度极值等于相应方位上台风的切向速度。

2.1   “艾利”台风多普勒雷达径向速度极值特征

如表 2、彩图 1和图 2所示, 在长乐和厦门两部雷达观测到的台风径向速度分布中, 台风前进方向右侧的极值总是大于左侧的极值; 台风前进方向前侧的极值基本上大于或等于后侧的极值; 测得的最大极值出现在右前侧, 为53 m/s; 测得的最小极值出现在左前侧, 为13 m/s。从相对于台风中心的部位看, 西北、西或西南部位的极值大于等于东北、东或南部位的极值, 最大极值位于台风中心的西北象限 (图 2)。径向速度极值区距离雷达在50~130 km之间, 中心极值区高度在3~5 km左右。

表  2  单多普勒雷达探测的径向速度极值不对称情况

Table  2.  Asymmetry of extreme radial velocity detected by a single radar

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图  2  多普勒雷达径向速度极值随时间变化图

Figure  2.  Time evolution of extreme radial velocity by Doppler radar

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考察径向速度极值随时间变化的情况。从彩图 1可以发现, 随着时间的变化, 在台风前进方向的右侧, 正速度极值出现了明显的加强; 在左侧, 负速度极值出现急剧的减弱。其正速度极值的变化从41 m/s增大到49 m/s和53 m/s; 负速度极值区的变化更加明显, 从成片的-41 m/s极值区变为零星点状的分布, 再进一步减弱为一片-35 m/s区, 最后这一模糊速度区几乎消失。这种速度极值区随时间的变化似乎意味着台风前进方向的右侧在加强, 而左侧强度在减弱, 实际上是由于台风相对于雷达的位移而雷达测得台风不同象限的速度极值差异的缘故。

若台风是轴对称的, 并且在移动过程中强度 (风速) 不变, 则即使台风与雷达的相对位置发生变化, 其径向速度极值基本不变。进一步分析发现, 在台风的移动过程中, 台风前进方向的右侧其径向速度极值大于左侧, 在台风的右前侧 (西北象限) 达到最大, 越偏离这一象限, 该极值越小 (图 2)。分析发现, “艾利”台风的风场非对称结构分布遵循Shea和Gray的理论^[3], 即具有波数为1的非对称性 (沿着台风核心区的切向方向, 切向速度在某1个方位最大。), 并且切向最大风速位于前进方向的右前象限内。

进一步考察“艾利”台风的强度变化, 25日08:00—17:00, “艾利”沿着福建海岸线从平潭, 到莆田、崇武、晋江、金门、厦门和龙海等县市, 从沿海地区的地面观测站测得的气压和风速可以发现, 台风中心气压从972 hPa上升到982 hPa, 中心极大风速维持在30 m/s左右, 其中在08:00—12:00从平潭到崇武期间, 中心气压仅上升2.7 hPa, 说明“艾利”台风在移动过程中, 强度有所减弱但并没有明显减弱 (图 3)。进一步说明图 1中出现的径向速度极值的变化主要是由于雷达测得台风不同象限速度极值的差异, 并不是台风的强度发生了较大的变化。

图  3  2004年8月25日近台风中心地面风速和气压实况

Figure  3.  Surface real-time wind velocity and pressure near the typhoon center on Aug 25, 2004

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2.2   “艾利”台风多普勒雷达径向速度极值变化

05:30—07:33, 长乐雷达观测到的正负径向速度极值相当, 这是因为正速度区位于台风的偏西到西南西部位, 负速度区位于台风的东北象限, 这两个部位既不位于最大的径向速度极值区 (西北象限), 也不位于最小的径向速度极值区 (东南象限)。而且, 台风的偏西到西南西部位吹西北风, 东北象限吹东南风, 均与台风最大径向速度极值区西北象限的主流风向东北风近似垂直, 环境引导气流对它们的贡献最小。因此, 雷达探测到的±41 m/s的径向速度基本代表了台风本身的风场结构特征。

08:09—10:37, 长乐雷达观测到最大达53 m/s的正径向速度和最小达19 m/s的负径向速度, 它们分别位于西北和偏东部位。在这一时段, 台风位于雷达偏南方向方位在170°~200°之间约100 km。这时, 雷达清楚地探测到了台风西北象限的东北气流 (正速度), 而偏东部位的负速度极值也随着台风向西南方向移动, 风向从SSE逐渐转变为SSW, 随着偏西分量加大, 与环境风 (东北风) 相互抵消越多, 因而负速度极值的幅度逐渐变小。

09:54前后的同一时刻, 在台风前进方向的右前方, 即台风中心的西北象限, 长乐和厦门雷达从不同方向测得同一部位49 m/s的径向速度极值区 (彩图 4), 两者一致, 显然, 两部雷达同时探测到台风中心西北象限的最大风速极值区, 该极值明显大于台风东北东部位的-35 m/s和南南东部位的13 m/s。长乐雷达观测到-35 m/s的来向径向速度, 大于厦门观测到13 m/s的去向径向速度, 由于-35 m/s的该区域位于台风中心的东北东部位, 而厦门探测到的13 m/s区域位于台风中心的南南东部位, 一方面, 东北东部位比南南东部位更远离以波数为1的“艾利”台风不对称结构的低值区方位 (东南), 另一方面, 东北东部位比南南东部位受东北引导气流的抵消作用更小, 因此东北东部位的速度极值 (绝对值) 要比南南东部位大。

图  4  厦门（a, 09:53）与长乐（b, 09:54）雷达探测同一速度极值区

（左下和右上角示意以红点表示的探测部位）

Figure  4.  Extreme velocity images in the same region detected by radars in both Xiamen (a, 09:53) and Changle (b, 09:54)

the parts in down-left and upright indicate the red points in the images

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另一方面, 分析雷达观测时段内环境风场的作用, 若以500 hPa的代表站作为环境风, 则台风的西北象限叠加了约7 m/s的风速值, 台风的东南象限则被逆向的环境风抵消了约7 m/s的风速值, 而偏东和偏南部位的径向速度受环境风的影响应在±7 m/s之间。从两部雷达探测到的径向速度值来看, 最大速度极值幅度达49~53 m/s, 最小速度极值幅度达13~19 m/s, 考虑环境风速的叠加和抵消作用后, “艾利”台风风场仍然存在不对称性。因此, 雷达观测到的台风风场不对称结构不仅是环境风场的作用, 还是台风自身存在非对称性因素, 而且其最大风速区位于台风前进方向的右前侧与国内外的研究成果^[3]吻合。

结合长乐多普勒雷达反射率因子图像分析, 与速度图像相对应的台风偏西部位内螺旋雨带强度较强, 而且与台风核半径基本重合。在该半径圈上, 强回波区 (强度达50 dBz) 位于最大径向速度极值的下风方, 方位相差约30°~50°(图略), 这种情况可能与该半径圈上的非对称涡旋风速度辐合有关。

2.3   探空和地面资料揭示“艾利”台风风场不对称特征

25日12:00, 福州位于“艾利”台风中心前进方向的右后方 (东北象限) 约150 km, 厦门位于台风中心前进方向的左前方 (西南象限) 约100 km, 福州距离台风中心比厦门远, 在700 hPa以上的中高层, 福州探空显示的各层风速大于厦门 (如图彩5a所示), 表明台风右侧风速大于左侧的事实。实际上, 由于各层风速均较大, 探空仪随风飘离测站较远。福州探空各层是东北偏东风, 随高度 (时间) 增加而从台风中心的右后侧越来越移近其右侧, 始终处于不对称的较大值一侧; 厦门探空各层是偏北风, 随高度 (时间) 增加而从台风中心的左前侧越来越移往其左侧, 始终处于不对称的较小值一侧。相反, 850 hPa及其以下层次, 福州的风速小于厦门, 这是由于在低层, 探空气球飘离测站不远, 两个测站均不处于台风风速不对称结构的大值或小值区, 而福州距离台风中心比厦门远, 因此风速小于厦门。

地面风场分布的不对称性如彩图 5b所示。25日10:00, 在距台风中心约50 km左右的崇武、莆田和平潭, 其分别位于台风中心的前侧、右侧和后侧, 10 min平均和1 min极大风速分别为13.3/17.8 m·s^-1, 17.6/31.6 m·s^-1和10.3/22.3 m·s^-1; 25日11:00, 在距台风中心约70 km左右的晋江、南安、仙游和福清, 也分别位于台风中心的前侧、右侧和右后侧, 10 min平均和1 min极大风速分别为7.1/16.8 m·s^-1, 7.7/14.7 m·s^-1, 10.1/18.2 m·s^-1和5.4/12.1 m·s^-1。在台风中心的近于同一半径处观测到的地面风场的这种不对称分布结果进一步证明, “艾利”台风中心的西北部位地面实测风场风速大于其他部位, 也显示了其不对称特征。

图  5  台风中心附近的高空（a）和地面（b）风场资料（单位：m/s）

Figure  5.  Wind velocites in upper air (a) and surface (b) near the typhoon center(unit:m/s)

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综上所述, 福州长乐和厦门的多普勒雷达探测发现, 随着雷达与台风相对位置的变化, 径向速度极值发生变化的根本原因是台风风场的非对称结构所致。即由于“艾利”台风风速的不对称分布, 西北象限风速最大, 其他象限风速小, 当雷达相对于台风中心的位置发生变化时, 雷达就探测到不同象限上的径向速度极值, 这种容易给人造成径向速度随时间减弱 (增强) 的假象非常值得注意。在台风前进方向的右前方, 即西北象限风速极值大于其他象限, 最大径向速度极值达到53 m/s, “艾利”台风风场结构具有波数为1的非对称性。台风的西北象限为东北风, 因此“艾利”台风向西南方向移动的结果与文献[4]的结论是吻合的, 这种西北象限风速极值大于其他象限的不对称分布可能是由环境风场和台风本身两方面共同造成的, 这种不对称分布有利于维持“艾利”台风向西南方向移动。

3.   双多普勒雷达联合探测台风风场的结构

当台风正对于雷达测站方向移动时, 无论台风来自于哪一个方向, 零速度线基本平行于台风与测站的连线, 雷达观测到的正负径向速度极值区相对于台风中心的象限基本不变。单部多普勒雷达至多只能观测到台风两个象限的径向速度情况。需要注意的是, 随着台风的移入 (移出), 当观测仰角大于零度而且保持不变时, 由于地球曲率的影响, 径向速度极值代表的高度随之降低 (升高)。

当台风从雷达站周围移过, 并且处于雷达的多普勒测速有效范围内时 (图 6a), 是单部多普勒雷达探测径向速度的最佳情况。当台风相对于雷达发生位移时, 雷达可以观测到台风多个方位的径向速度。当台风从西南向东北方向移动时, 雷达观测到的正径向速度极值依次从西北西 (相对于台风的部位, 下同)、到西、西南和南南西变化, 负径向速度极值依次从东北东、到东北、北和北北西变化, 径向速度极值区相对于台风的相位呈逆时针方向转动。相反, 当台风从东北向西南方向移动时, 雷达观测到的正、负径向速度极值区的相位呈顺时针方向转动。

图  6  东南沿海岸基雷达探测台风径向速度示意图 (a) 单多普勒雷达探测, (b) 台风与海岸线平行移动的双多普勒雷达探测, (c) 台风自东向西移动的双多普勒雷达探测, (d) 台风与海岸线垂直移动的双多普勒雷达探测

Figure  6.  Illustration of typhoon radial velocity detected by radars in the southeast coastal regions (a) the single Doppler radar to detect a typhoon, (b) the double Doppler radars to detect a typhoon moving along parallel to the coast, (c) the double Doppler radars to detect a typhoon moving from east to west, (d) the double Doppler radars to a typhoon moving along vertical to the coast

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当台风同时处于沿海两部多普勒雷达的有效测速范围内时, 无论台风如何移动 (如图 6b, c, d), 双多普勒雷达总是可以同时探测到至少3个象限的径向速度极值。一般地, 台风距离海岸线越近, 两部多普勒雷达越容易探测到台风同一象限的径向速度极值区, 并且所测得的径向速度符号总是相反。假设台风在某一个较短的时间段内强度变化不大, 则利用雷达相对于台风随时间的相位变化, 以及双多普勒雷达所探测到的不同象限的径向速度的分布及其变化, 就能够较好地得到台风风场分布的全貌, 从而分析其是否存在非对称结构。

在东南沿海地区, 由于单部多普勒雷达不可能同时探测到西北、东北和西南3个象限的风速极值, 从而无法比较这3个象限的风速大小, 这给预报台风未来路径造成极大困难。而双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测台风, 则可以同时探测到3个象限的风速极值, 根据风速极值的不对称分布情况来测定台风的路径转折趋势。8月25日, “艾利”台风沿着福建沿海移动期间, 福州长乐和厦门的两部多普勒雷达在09:35至12:00期间就同时观测到了台风西北、南和东3个象限的径向风速极值, 并清楚地反映了西北象限风速明显大于南和东两部位的事实, 对于准确判定台风是否存在风场分布的不对称性提供了重要依据。

4.   “艾利”台风的非对称Rankine风场结构

多普勒雷达能够有效地估计热带气旋的核半径 (最大风速半径) R和该半径处的最大旋转速度 (切向速度)^[19]。假设台风是轴对称的, 也不考虑辐合运动和大尺度环流对台风的影响, 则根据Rankine模式, 距离台风中心为r处的切向风速为:

其中, c₁=V_max/R, c₂=R·V_max。

事实上, 和“艾利”台风一样, 热带气旋往往不是轴对称的。按照文献[3]的理论, 热带气旋核心区的切向风场具有波数为1的非对称性。假设轴对称情况下热带气旋核半径处的切向速度为V₀, 受到波数为1的非对称性影响情况下热带气旋核半径处的切向速度为V₁, θ表示以台风中心为中心的速度场方位角, θ₁表示最大切向风速所在的方位, 则切向速度V_a随θ的变化非对称关系可以写成:

式 (3) 中, V₁cos (θ₁-θ) 由台风风场不对称因素引起对切向速度振幅的贡献, 式 (3) 表示考虑了非对称因素的核半径处的切向风速。V_a随θ的变化而变化, 当θ=θ₁时, V_a=V₀ +V₁为最大值, 表示核半径处的最大切向风速度; 当θ=θ₁-180°时, V_a=V₀为最小值, 表示核半径处的最小切向风速度。

实际上, 大尺度环流对“艾利”台风的切向速度有影响, 西北象限得到环境风的叠加作用, 东南象限受到环境风的抵消作用。假设环境风在θ₁方位上达到最大, 则环境风作用项为V₂cos (θ₁-θ), 式 (3) 可以写成:

式 (4) 中, V_b=V₁ +V₂, 其表示台风的非对称结构和环境风共同作用下的核半径处的切向风速。

如上所述, “艾利”台风的西北象限风速比其他象限大, 根据福州长乐雷达的探测, 估计出最大切向风速度约为53 m/s, 所在方位是西北西 (300°), 核半径约为40 km, 该半径处最小切向风速度约为19 m/s。当雷达探测到最大切向速度时, 令cos (θ₁-θ)=1, 最小切向风速度时cos (θ₁-θ)=-1, 代入式 (4) 解得V₀=36 m/s, V_b=17 m/s。因此, 对于“艾利”台风:

对于某一θ值, 将求得的V_a代入式 (1) 和式 (2), 得到c₁和c₂, 从而计算出单多普勒雷达探测的非对称台风Rankine风场分布 (彩图 7)。

图  7  多普勒雷达探测的非对称Rankine风场结构

Figure  7.  Unsymmetrical Rankine wind structure detected by Doppler radar

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彩图 8是25日06:00和12:00, 根据500 hPa和700 hPa的NCEP再分析资料所做的风场分布图, 与彩图 7比较可见, 两种资料来源的风场均存在明显的非对称性, 而且非对称的部位相当吻合; 多普勒雷达计算出的非对称Rankine风场风速具有更为突出的方位和距离变化特征, 这种突出的变化特征与多普勒雷达具有更高的探测分辨率密切相关。显然, 考虑了非对称因子的Rankine模式计算方便, 与多普勒雷达实测资料较为吻合, 可较好地应用于实际业务。

图  8  2004年8月25日NCEP再分析资料“艾利”台风风场结构

Figure  8.  Typhoon Aere wind structure obtained by NCEP reanalysis data on August 25, 2004

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5.   小结

1) 本文通过“艾利”台风的雷达观测事实, 从单多普勒雷达和双多普勒雷达观测均发现在台风前进方向的右前方, 即西北象限风速极值大于其他象限, 高空和地面实测风场进一步证明了这种不对称特征。表明“艾利”台风的风场分布遵循波数为1的非对称性, 这种西北象限风速极值大于其他象限的不对称分布可能是由环境风场和台风本身两方面共同造成的。由于热带气旋的非对称流场将使其往最大风速的去向移动, 因此这种不对称流场有利于维持“艾利”台风向西南方向移动。

2) 在我国东南沿海地区, 由于单部多普勒雷达不可能同时探测到西北、东北和西南3个象限的风速极值, 而双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测台风, 则可以同时探测到3个象限的风速极值, 从而根据风速极值可能存在的不对称分布情况来预测台风移动路径的转折趋势。因此重视双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测对于提高监测预报水平具有重要意义。

3) 多普勒雷达计算出的非对称Rankine风场风速结构与500 hPa和700 hPa的NCEP风场再分析资料所做的结果相当吻合, 而且具有更明显的方位和距离变化特征。其计算方便, 与多普勒雷达实测资料较为吻合, 可较好地应用于实际业务。