王曉霞，劉建強(qiáng)，張毅, ，徐雅夢(mèng)

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東廣州511458；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

1 引言

臺(tái)風(fēng)是一種極具破壞力的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，常伴有狂風(fēng)暴雨等天氣現(xiàn)象。臺(tái)風(fēng)會(huì)嚴(yán)重威脅人類的生命安全，并給人類的生產(chǎn)生活造成重大破壞。準(zhǔn)確定位臺(tái)風(fēng)中心位置和監(jiān)測(cè)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑對(duì)于臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)研究具有重要意義。

南海是臺(tái)風(fēng)活動(dòng)最頻繁的海域之一，因此本研究將南海海域作為研究區(qū)。南海臺(tái)風(fēng)生成與大氣海洋季節(jié)尺度變化有密切關(guān)系。夏季高溫使得海水易蒸發(fā)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，同時(shí)受上空活躍的西南季風(fēng)影響，與西太副熱帶高壓輻合帶偏東風(fēng)相遇匯成季風(fēng)輻合帶，形成季風(fēng)槽，這有利于對(duì)流層低層正渦旋輻合和高層負(fù)渦旋輻散的增強(qiáng)。垂直上空暖濕氣流的輻聚給臺(tái)風(fēng)的產(chǎn)生提供了充足的水汽條件；弱的垂直風(fēng)切變?yōu)榕_(tái)風(fēng)形成提供了初始擾動(dòng)和動(dòng)力條件[1-2]。準(zhǔn)確獲得臺(tái)風(fēng)中心位置，有利于開展臺(tái)風(fēng)所在背景場(chǎng)和環(huán)流場(chǎng)等動(dòng)力分析。

衛(wèi)星遙感具有時(shí)空分辨率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，是臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)的重要手段。微波散射計(jì)是獲取海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的主要載荷，可同時(shí)獲得全球海面風(fēng)向和風(fēng)速。其他手段均有一定的局限性，如：由衛(wèi)星云圖上的云移動(dòng)推導(dǎo)出的風(fēng)是云頂風(fēng)，不是海面風(fēng)；微波輻射計(jì)和雷達(dá)高度計(jì)僅能獲取風(fēng)速資料，得不到風(fēng)向資料[3]。較早的微波散射計(jì)包括1978 年美國(guó)Seasat 衛(wèi)星搭載的SASS、1991 年歐洲ERS 系列衛(wèi)星搭載的AMI、1999 年美國(guó)QuikSCAT衛(wèi)星搭載的SeaWinds 微波散射計(jì)。目前在軌的微波散射計(jì)有歐洲Metop 系列衛(wèi)星搭載的ASCAT（Advanced SCATterometer），工作頻率在C波段；2011年和2018 年我國(guó)海洋動(dòng)力衛(wèi)星系列中HY-2A 與HY-2B 搭載的HSCAT、2016 年印度發(fā)射的Scatsat-1衛(wèi)星上搭載的OSCAT-2微波散射計(jì)、2018年中法海洋衛(wèi)星CFOSAT 搭載的RFSCAT，工作頻率在Ku 波段。多顆在軌運(yùn)行的微波散射計(jì)為臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)提供了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。在利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)識(shí)別與定位研究方面可以做更深入的探索。Lecomte等[4]和Gierach 等[5]發(fā)展了基于風(fēng)速閾值以及渦度分布的識(shí)別算法，但是由于微波散射計(jì)分辨率較低、人工參與識(shí)別較多，因此最終識(shí)別率并不高。Ho等[6]和Talukder 等[7]利用從QuikSCAT 微波散射計(jì)提取的熱帶氣旋特征，采用支持向量機(jī)方法實(shí)現(xiàn)了熱帶氣旋自動(dòng)識(shí)別與跟蹤，但是由于算法是基于統(tǒng)計(jì)主風(fēng)向相對(duì)強(qiáng)度判別方法來(lái)表征風(fēng)場(chǎng)渦旋特征，因此在降雨等惡劣條件下風(fēng)向誤差大、算法準(zhǔn)確率較低。 Zhang 等[8]比 較 了HY- 2A 微 波 散 射 計(jì) 與QuikSCAT 微波散射計(jì)的海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)在3 個(gè)臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度研究中的差異，結(jié)果表明，利用微波散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行強(qiáng)度較弱的熱帶氣旋的相關(guān)研究。2015 年，鄒巨洪等[9]發(fā)展了基于HY-2 衛(wèi)星微波散射計(jì)風(fēng)矢量產(chǎn)品的熱帶氣旋自動(dòng)識(shí)別算法，即先利用熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速與風(fēng)向分布直方圖特征進(jìn)行粗搜索，再利用種子生長(zhǎng)法精確搜索目標(biāo)區(qū)域內(nèi)螺旋狀流線。這個(gè)方法可以在降雨造成風(fēng)矢量反演精度降低的條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱帶氣旋的準(zhǔn)確自動(dòng)識(shí)別。2017 年，趙勇等[10]基于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分解原理[11]和改進(jìn)的Tikhonov 正則化原理，結(jié)合臺(tái)風(fēng)渦度場(chǎng)和散度場(chǎng)分布規(guī)律實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)中心定位。Hu等[12]結(jié)合FY-2衛(wèi)星云圖和HY-2微波散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)展開臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)研究，結(jié)合二者的優(yōu)勢(shì)所獲得的結(jié)果具有較高的定位精度。

本研究基于HY-2A/HY-2B /Metop-A 微波散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，依據(jù)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí)海面風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速較高和風(fēng)向渦旋性高的特性，并考慮臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)低層絕對(duì)渦度和高層輻散場(chǎng)等形成因子，結(jié)合海面渦度場(chǎng)和散度場(chǎng)的分布規(guī)律，針對(duì)臺(tái)風(fēng)不同發(fā)展階段，應(yīng)用兩種臺(tái)風(fēng)中心定位方法，即高風(fēng)速閾值與渦度場(chǎng)定位法和高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法進(jìn)行比較研究。最后，將兩種方法的定位結(jié)果與中國(guó)氣象局（China Meteorological Administration，CMA）熱帶氣旋資料中心最佳路徑資料[13]進(jìn)行準(zhǔn)確度對(duì)比。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)選擇與處理

2.1.1 HY-2A/2B風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

HY-2A 衛(wèi)星是我國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，于2011 年8 月16 日成功發(fā)射。HY-2B 衛(wèi)星是我國(guó)第二顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，于2018 年10 月25 日成功發(fā)射。衛(wèi)星微波散射計(jì)工作頻率在Ku 波段，極化方式有HH 極化和VV 極化兩種，風(fēng)速測(cè)量精度為2 m/s，風(fēng)向測(cè)量精度為20 °，有效測(cè)量范圍在2～24 m/s。衛(wèi)星微波散射計(jì)采用筆形圓錐掃描方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全球海面風(fēng)場(chǎng)的寬刈幅觀測(cè)（1 800 km）[14]。衛(wèi)星微波散射計(jì)具有全球連續(xù)觀測(cè)能力，在1～2 d時(shí)間內(nèi)的全球覆蓋率大于90%；同時(shí)在南海區(qū)域范圍（5°～20°N，105°～120°E）內(nèi)具有實(shí)時(shí)觀測(cè)能力，南海過境時(shí)間大約在10時(shí)（北京時(shí)，下同）和22時(shí)。

研究數(shù)據(jù)采用國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心業(yè)務(wù)化發(fā)布的2016——2018年6月的HY-2A/SCAT L2B數(shù)據(jù)和2019 年1——12 月的HY-2B/SCAT L2B 數(shù)據(jù)，地面分辨率為25 km。

2.1.2 Metop-A風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

Metop-A 是歐洲第一顆極地軌道衛(wèi)星。ASCAT 為其搭載的衛(wèi)星散射計(jì)具有3 個(gè)垂直極化天線，發(fā)射5.225 GHz（C波段）脈沖。天線在儀器兩側(cè)延伸，因而產(chǎn)生兩個(gè)500 km 寬的觀測(cè)刈輻，之間相隔大約360 km，在24 h 內(nèi)能覆蓋全球76% 的區(qū)域[15]。衛(wèi)星散射計(jì)的風(fēng)速測(cè)量精度、風(fēng)向測(cè)量精度和測(cè)量范圍分別為2 m/s、20°、4～24 m/s，經(jīng)過南海時(shí)間大約在13時(shí)和01時(shí)。

研究數(shù)據(jù)采用2016——2018 年6 月空間分辨率為25 km的ASCAT L2B數(shù)據(jù)。

2.1.3 雙星聯(lián)合觀測(cè)

1 d內(nèi)單顆衛(wèi)星觀測(cè)可以覆蓋全球大部分區(qū)域，如ASCAT 1 d的全球覆蓋率可達(dá)70% 以上，HY-2衛(wèi)星散射計(jì)在24 h 內(nèi)的全球覆蓋率可達(dá)90% 以上。但是仍然有刈輻空白區(qū)域，難以滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。雙星聯(lián)合觀測(cè)既可以將1 d 內(nèi)的全球覆蓋率提高到97%[15]，還可以提高時(shí)間觀測(cè)效率。

時(shí)間觀測(cè)統(tǒng)計(jì)應(yīng)考慮固定軌道周期內(nèi)對(duì)同一觀測(cè)區(qū)域的觀測(cè)次數(shù)，而不同軌道觀測(cè)周期容易混淆重復(fù)觀測(cè)，因而設(shè)定觀測(cè)周期為180°W～180°E 的觀測(cè)時(shí)間。在一個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)衛(wèi)星觀測(cè)到南海海域，觀測(cè)次數(shù)加1，并記錄觀測(cè)時(shí)間。從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，HY-2/SCAT 和ASCAT 在24 h 內(nèi)觀測(cè)到南海海域?yàn)閮纱?，兩次觀測(cè)時(shí)間間隔在12 h 左右；而雙星聯(lián)合觀測(cè)時(shí)間間隔平均縮短至6 h，因此可以有效提高觀測(cè)采樣效率。因而，本研究聯(lián)合HY-2A/SCAT和ASCAT共同監(jiān)測(cè)南海區(qū)域范圍的臺(tái)風(fēng)，盡可能避免刈輻空白觀測(cè)區(qū)域。

圖1 ASCAT/HY-2以及雙星聯(lián)合觀測(cè)在南海區(qū)域（5°～20°N、105°～120°E）的次數(shù)統(tǒng)計(jì)

采用反距離加權(quán)插值（Inverse Distance Weight，IDW）方法將兩顆衛(wèi)星的散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來(lái)觀測(cè)南海區(qū)域上的臺(tái)風(fēng)。該插值方法主要用于標(biāo)量插值，因此將海面風(fēng)場(chǎng)矢量數(shù)據(jù)分解為水平u和垂直v風(fēng)場(chǎng)并作插值，最后合并為矢量風(fēng)場(chǎng)。

反距離加權(quán)插值方法如下：

Wo是待插值點(diǎn)的估計(jì)值；Wi是第i點(diǎn)的風(fēng)速值；hi是距離；p是距離的冪，一般選取p=2。

2.1.4 風(fēng)場(chǎng)資料檢驗(yàn)

在檢驗(yàn)臺(tái)風(fēng)定位結(jié)果之前，首先需要檢驗(yàn)散射計(jì)測(cè)風(fēng)精度?？紤]到臺(tái)風(fēng)多發(fā)生在夏秋季節(jié)，因而選擇這個(gè)時(shí)間范圍的風(fēng)場(chǎng)資料進(jìn)行驗(yàn)證。采用2017 年6 月——2017 年10 月美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)資料中心（National Data Buoy Center，NDBC）的浮標(biāo)風(fēng)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)HY-2A/SCAT 和Metop-A/ASCAT 散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)作測(cè)風(fēng)真實(shí)性檢驗(yàn)（圖2、3）。選擇2019 年6 月——2019 年10 月期間浮標(biāo)風(fēng)測(cè)資料，檢驗(yàn)HY-2B/SCAT 散射計(jì)測(cè)風(fēng)能力。選擇時(shí)間窗口60 min、空間窗口25 km 范圍的散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，與NDBC 浮標(biāo)站點(diǎn)測(cè)風(fēng)匹配比較。站點(diǎn)信息見表1，包括站點(diǎn)序號(hào)、經(jīng)緯度信息和站點(diǎn)風(fēng)速計(jì)高度。由于衛(wèi)星散射計(jì)獲得海面風(fēng)為10 m 高度中性穩(wěn)定風(fēng)，而所選觀測(cè)站點(diǎn)測(cè)量高度為4.1 m 高度和4.9 m 高度海面風(fēng)，因此根據(jù)海上不同高度風(fēng)速換算關(guān)系公式[16]，將浮標(biāo)實(shí)測(cè)風(fēng)轉(zhuǎn)換成10 m高度海面風(fēng)。

圖2 2017年6月10日南海區(qū)域范圍ASCAT觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)

圖3 2017年6月10日南海區(qū)域范圍HY-2A/SCAT觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)

表1 NDBC觀測(cè)站點(diǎn)信息表

式中：Uz為浮標(biāo)風(fēng)速，z為浮標(biāo)風(fēng)速計(jì)高度，Kz為不同高度風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)。由于海面粗糙度隨風(fēng)場(chǎng)變化，以7 m/s 為界限，當(dāng)風(fēng)速＞7 m/s 時(shí)，z0 為0.022，當(dāng)風(fēng)速＜7 m/s時(shí)，z0為0.002 3 。

本研究誤差檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量包括風(fēng)速、風(fēng)向平均偏差和均方根誤差。選擇衛(wèi)星經(jīng)過站點(diǎn)時(shí)間前后1 h范圍、空間窗口0.25°內(nèi)的點(diǎn)數(shù)據(jù)做誤差統(tǒng)計(jì)。表2顯示HY-2A 風(fēng)速整體平均偏差為-0.3 m/s，均方根誤差為2.07 m/s；風(fēng)向平均偏差為11.28°～18.31°，均方根誤差較大，為23.73°～35.90°。Metop-A 風(fēng)速整體平均偏差為0.36 m/s，均方根誤差為1.64 m/s；風(fēng)向平均偏差為15.30°～23.62°，風(fēng)向均方根誤差比HY-2A/SCAT 大，在29.82°～40.05°之間。聯(lián)合觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速、風(fēng)向平均偏差比單星觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)小，整體風(fēng)速平均偏差為0.72 m/s，均方根誤差為1.36 m/s 。HY-2B 整體平均偏差為-0.15 m/s，均方根誤差為1.99 m/s；風(fēng)向平均偏差為10.97°～20.36°，風(fēng)向均方根誤差較大，在20.10°～30.23°之間。

表2 HY-2A/2B和Metop-A/ASCAT與NDBC實(shí)測(cè)風(fēng)速（單位：m/s）/風(fēng)向（單位：°）誤差統(tǒng)計(jì)

總的來(lái)看，HY-2A/2B 衛(wèi)星測(cè)風(fēng)風(fēng)速比NDBC的浮標(biāo)風(fēng)偏小，而Metop-A 衛(wèi)星測(cè)風(fēng)風(fēng)速比NDBC浮標(biāo)風(fēng)偏高，聯(lián)合觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)比單星觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速平均誤差偏小。HY-2B 衛(wèi)星觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)優(yōu)于HY-2A，Metop-A 觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)優(yōu)于HY-2A 觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)。分析表明，誤差一部分來(lái)源于浮標(biāo)與選定空間窗口范圍下衛(wèi)星測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的空間不一致，以及HY-2 衛(wèi)星與Metop-A 衛(wèi)星的觀測(cè)時(shí)間不一致，時(shí)間窗口范圍較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)比較存在偏差。衛(wèi)星風(fēng)產(chǎn)品可以用于業(yè)務(wù)化應(yīng)用研究，本文以HY-2A 和Metop-A 聯(lián)合風(fēng)場(chǎng)以及HY-2B觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)中心定位。

2.1.5 定位驗(yàn)證資料

驗(yàn)證數(shù)據(jù)為CMA 最佳路徑資料。資料包括：時(shí)間、中心位置、中心最低氣壓、風(fēng)力強(qiáng)度、風(fēng)力等級(jí)和熱帶氣旋發(fā)展?fàn)顟B(tài)等。資料每行路徑的間隔小時(shí)數(shù)為6 h，發(fā)布時(shí)刻分別為00 時(shí)、06 時(shí)、12 時(shí)和18 時(shí)。其中2017 年部分臺(tái)風(fēng)發(fā)展期的間隔小時(shí)數(shù)為3 h。由于衛(wèi)星散射計(jì)觀測(cè)資料所得風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與最佳路徑數(shù)據(jù)集資料在時(shí)間上存在差異，因此，在研究中忽略了臺(tái)風(fēng)移速的快慢，將散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)反距離加權(quán)插值到CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)上，從而在同一時(shí)間尺度上進(jìn)行臺(tái)風(fēng)定位結(jié)果對(duì)比。

2.2 原理與方法

2.2.1 高風(fēng)速閾值定義

一般地，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)在水平方向上分為臺(tái)風(fēng)眼區(qū)、云墻和螺旋云帶區(qū)。臺(tái)風(fēng)中心位于臺(tái)風(fēng)眼區(qū)，由于空氣下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致眼區(qū)絕熱增溫，臺(tái)風(fēng)中心溫度最高、氣壓最低、風(fēng)速最小。臺(tái)風(fēng)云墻區(qū)空氣有強(qiáng)烈的上升對(duì)流運(yùn)動(dòng)，此區(qū)域天氣惡劣，常發(fā)生狂風(fēng)暴雨。在充分發(fā)育的強(qiáng)熱帶氣旋內(nèi)，中心附近大氣壓力最低，緊貼著熱帶氣旋“風(fēng)眼”周圍的風(fēng)力最強(qiáng)[12]。根據(jù)臺(tái)風(fēng)水平結(jié)構(gòu)的組成原理和大風(fēng)區(qū)風(fēng)速特征，首先定位出臺(tái)風(fēng)大風(fēng)區(qū)的位置邊界，即遍歷研究區(qū)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，搜索出高風(fēng)速海域的邊界范圍。氣象學(xué)中，一般用17 m/s、26 m/s 和34 m/s 來(lái)衡量臺(tái)風(fēng)內(nèi)外核與螺旋云帶尺度大小，因而將17 m/s 設(shè)置為高風(fēng)速搜索閾值邊界值，在風(fēng)場(chǎng)研究數(shù)據(jù)中搜索風(fēng)速＞17 m/s 并且風(fēng)矢量單元格個(gè)數(shù)＞4×4（即100 km×100 km)的區(qū)域。

2.2.2 高風(fēng)速閾值與渦度場(chǎng)定位法

一般地，臺(tái)風(fēng)具有明顯的氣旋性渦旋結(jié)構(gòu)。在大氣動(dòng)力學(xué)與天氣診斷分析研究中，渦度是一個(gè)重要的物理量。渦度表征的是大氣運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)特征，用來(lái)衡量空氣質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。通過觀察渦度的分布特性與發(fā)展變化規(guī)律，可以分析出天氣系統(tǒng)的發(fā)展變化特點(diǎn)。渦度是一個(gè)矢量，但由于大氣的近水平運(yùn)動(dòng)，一般只考慮渦度的垂直分量，即垂直渦度分量或相對(duì)渦度垂直分量[17]。在北半球，風(fēng)場(chǎng)沿逆時(shí)針方向向臺(tái)風(fēng)中心輻聚，因此定義逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向。理論上講，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的渦度場(chǎng)值大于零并且臺(tái)風(fēng)中心處有局部最大值點(diǎn)。

有研究表明，利用吉洪諾夫正則化方法結(jié)合數(shù)值微分計(jì)算有限區(qū)域內(nèi)渦度方法的精度比中央差分算法高，尤其是在對(duì)較小尺度天氣系統(tǒng)的識(shí)別能力上。渦度的計(jì)算公式是利用觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)對(duì)空間坐標(biāo)進(jìn)行微分運(yùn)算獲得[18]。本研究借鑒數(shù)值微分計(jì)算渦度的思路，將其應(yīng)用到南海海域風(fēng)場(chǎng)，建立渦度場(chǎng)并定位臺(tái)風(fēng)中心。

HY-2B 衛(wèi)星散射計(jì)L2B 產(chǎn)品風(fēng)矢量單元大小為25 km×25 km，風(fēng)矢量單元的行列數(shù)分別為1 624和76。球面上利用觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)計(jì)算渦度時(shí)，經(jīng)圈與緯圈都具有2π的周期，因此可以在經(jīng)緯圈上逐行逐列地利用一維一階導(dǎo)數(shù)來(lái)計(jì)算[19]。

按照風(fēng)速與風(fēng)向的關(guān)系，首先計(jì)算出風(fēng)速的u、v分量：

式中：u 為水平分量，v 為垂直分量，wind_speed為風(fēng)速值，wind_dir為風(fēng)向值，用弧度表示。

相對(duì)渦度垂直分量ζ的表達(dá)式為：

式中：λ為經(jīng)度，ψ為緯度，λ、ψ取決于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)范圍，南海海域取100 °～125°E，0 °～25 °N。首先，將球面風(fēng)場(chǎng)插值到規(guī)則網(wǎng)格點(diǎn)上生成觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)；然后逐行逐列計(jì)算出渦度場(chǎng)ζ；最后，結(jié)合臺(tái)風(fēng)大風(fēng)帶的結(jié)構(gòu)特性，定義在高風(fēng)速海域范圍內(nèi)渦度場(chǎng)的最大值點(diǎn)為臺(tái)風(fēng)中心。

2.2.3 高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法

在大氣運(yùn)動(dòng)演變過程中，散度也是一個(gè)重要的物理量。散度表征大氣質(zhì)子運(yùn)動(dòng)輻合、輻散強(qiáng)度特征，輻合為負(fù)、輻散為正。由于大氣近水平運(yùn)動(dòng)特性，這里只考慮大氣運(yùn)動(dòng)的水平散度。根據(jù)臺(tái)風(fēng)高空輻散場(chǎng)與低層輻聚的特性，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)所在散度場(chǎng)理論上為負(fù)值并且臺(tái)風(fēng)中心處存在局部最小值點(diǎn)。

復(fù)合場(chǎng)不僅考慮了臺(tái)風(fēng)的渦度場(chǎng)特性，還考慮了散度場(chǎng)特性。將散度場(chǎng)與渦度場(chǎng)做乘法，復(fù)合場(chǎng)理論上為負(fù)值并且在臺(tái)風(fēng)中心處存在最小值點(diǎn)。因此，首先構(gòu)建出散度場(chǎng)，并結(jié)合渦度場(chǎng)的構(gòu)建方法生成觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)。水平散度D的表達(dá)式是：

復(fù)合場(chǎng)= 渦度場(chǎng)×散度場(chǎng)，即C = ζ×D。考慮臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的高風(fēng)速特征，高風(fēng)速海域范圍內(nèi)的復(fù)合場(chǎng)C最小值點(diǎn)即為臺(tái)風(fēng)中心。

3 案例應(yīng)用與評(píng)價(jià)

一般地，臺(tái)風(fēng)生成發(fā)展階段包括形成期、發(fā)展期、成熟期和衰退期。洋面上初始低壓氣旋擾動(dòng)，對(duì)流層風(fēng)切變小，吸收海洋提供的熱量和水汽后風(fēng)力迅速增強(qiáng)。隨著臺(tái)風(fēng)向陸地接近，受陸地地形阻擋作用，同時(shí)維持氣旋發(fā)展的能量減小，風(fēng)力減弱。本文以2019年臺(tái)風(fēng)“娜基莉”為例，對(duì)臺(tái)風(fēng)形成發(fā)展時(shí)期和成熟期進(jìn)行定位，并對(duì)不同方法作出比較。

3.1 臺(tái)風(fēng)“娜基莉”概況

2019 年11 月5 日20 時(shí)，南海洋面上生成8 級(jí)熱帶風(fēng)暴，并向東偏南移動(dòng)（見圖4）；7 日08 時(shí)發(fā)展為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，23 時(shí)方向轉(zhuǎn)折向西偏南移動(dòng)，風(fēng)力繼續(xù)增強(qiáng)；8日14時(shí)發(fā)展成為臺(tái)風(fēng)并水平向西移，持續(xù)2 d直至10日早晨風(fēng)力減弱；11日凌晨登陸，風(fēng)力減弱至熱帶風(fēng)暴。

3.2 不同方法定位結(jié)果分析

3.2.1 高風(fēng)速閾值與渦度場(chǎng)定位法應(yīng)用結(jié)果分析

HY-2B 衛(wèi)星微波散射計(jì)垂直極化刈輻寬度可達(dá)1 700 km，觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)可以覆蓋近乎完整的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)（見圖5），矢量風(fēng)場(chǎng)中也可以提取風(fēng)向渦旋信息，在判斷臺(tái)風(fēng)位置時(shí)更加清晰。成熟期的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)特征比形成期更加明顯（見圖6）。小而近圓的風(fēng)眼區(qū)風(fēng)速最低，風(fēng)力強(qiáng)勁的大風(fēng)區(qū)和外圍螺旋帶區(qū)的風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)向渦旋度較高。形成期風(fēng)眼大而散，風(fēng)力較弱。

從“娜基莉”渦度場(chǎng)分布中可以明顯看出（見圖6a），臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)渦度值較高，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)以外的風(fēng)場(chǎng)區(qū)域渦度普遍相對(duì)偏低，在臺(tái)風(fēng)成熟期這種特征更為明顯（見圖6b）。在形成期渦度場(chǎng)中存在渦度值較高的非臺(tái)風(fēng)區(qū)域（見圖6c），觀察其矢量觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)向渦旋度并不高，因此考慮高風(fēng)速閾值來(lái)限定臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)大體范圍是非常必要的，可以據(jù)此篩選出臺(tái)風(fēng)區(qū)域。如果高風(fēng)速區(qū)域搜索中仍存在非臺(tái)風(fēng)區(qū)域，考慮觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)、風(fēng)向渦旋信息來(lái)判斷與篩選。

圖4 臺(tái)風(fēng)“娜基莉”移動(dòng)路徑

圖5 2019年11月7日臺(tái)風(fēng)“娜基莉” HY-2B/SCAT 觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)

圖6 臺(tái)風(fēng)“娜基莉”觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)、渦度場(chǎng)和高風(fēng)速閾值渦度場(chǎng)分布

無(wú)論是形成期還是成熟期階段的臺(tái)風(fēng)，高風(fēng)速閾值渦度場(chǎng)分布中存在渦度最大值點(diǎn)，即為臺(tái)風(fēng)中心。

3.2.2 高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法應(yīng)用結(jié)果分析

復(fù)合場(chǎng)結(jié)合了渦度場(chǎng)和散度場(chǎng)二者的特性。散度場(chǎng)反映了風(fēng)場(chǎng)的水平散度信息，臺(tái)風(fēng)中心處散度最弱，理論上臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域散度值為負(fù)。將渦度場(chǎng)與散度場(chǎng)復(fù)合相乘，復(fù)合場(chǎng)值會(huì)發(fā)生數(shù)量級(jí)的翻倍，理論上在臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域甚至整個(gè)風(fēng)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)最小值點(diǎn)（數(shù)值上為最大值，因?yàn)樯⒍葹樨?fù)值），即為臺(tái)風(fēng)中心。很明顯，成熟期臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域與周圍海域的復(fù)合值差異明顯（見圖7），大風(fēng)區(qū)復(fù)合值為負(fù)，臺(tái)風(fēng)中心處復(fù)合值最低。形成期復(fù)合場(chǎng)分布較渦度場(chǎng)分布的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域特征明顯，考慮是風(fēng)場(chǎng)復(fù)合了散度因子的關(guān)系。不過仍然存在臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域之外的一些極小值點(diǎn)，因而在高風(fēng)速閾值限定之后，最低復(fù)合值點(diǎn)即臺(tái)風(fēng)中心點(diǎn)清晰可定位。

3.3 臺(tái)風(fēng)中心定位方法評(píng)價(jià)

3.3.1 定位結(jié)果誤差統(tǒng)計(jì)

為了驗(yàn)證臺(tái)風(fēng)中心定位結(jié)果的準(zhǔn)確度，將兩種方法獲得的結(jié)果與CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)集對(duì)比并作出誤差統(tǒng)計(jì)。本文基于HY-2A/SCAT 與Metop-A/ASCAT 聯(lián)合觀測(cè)和HY-2B/SCAT 兩種觀測(cè)手段，統(tǒng)計(jì)了2016、2017、2019 全年以及2018 年1——6 月南海區(qū)域24 例臺(tái)風(fēng)，及其在形成期與成熟期不同強(qiáng)度下兩種方法的定位誤差，包括：經(jīng)向、緯向和總距（各方法定位點(diǎn)與CMA 數(shù)據(jù)集位置點(diǎn)之間的距離）3 種位置的平均偏差和均方根誤差。結(jié)果見表3 和表4。

圖7 臺(tái)風(fēng)“娜基莉”復(fù)合場(chǎng)和高風(fēng)速閾值復(fù)合場(chǎng)分布

表3 臺(tái)風(fēng)形成期定位結(jié)果與CMA最佳路徑誤差統(tǒng)計(jì)

表4 臺(tái)風(fēng)成熟期定位結(jié)果與CMA最佳路徑誤差統(tǒng)計(jì)

在臺(tái)風(fēng)形成期階段（見表3），利用高風(fēng)速閾值與渦度場(chǎng)定位法得到的經(jīng)緯向平均偏差＜0.20°，均方根誤差＜0.30°；總距平均偏差＜0.25°，均方根誤差＜0.30°。利用高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法得到的經(jīng)緯向平均偏差＜0.18°，均方根誤差＜0.28°；總距平均偏差＜0.20°，總距均方根誤差＜0.28°。在臺(tái)風(fēng)成熟期階段（見表4），利用高風(fēng)速閾值與渦度場(chǎng)定位法得到的經(jīng)緯向平均偏差＜0.14°，均方根誤差＜0.27°；總距平均偏差＜0.15°，均方根誤差＜0.26°。利用高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法得到的經(jīng)緯向平均偏差＜0.13°，均方根誤差＜0.24°；總距平均偏差＜0.13°，均方根誤差＜0.23°。根據(jù)地球赤道周長(zhǎng)與繞赤道一周的弧度為360°，可以計(jì)算出1°對(duì)應(yīng)地面大約為111 km。因此，成熟期階段高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法經(jīng)緯向平均偏差大約為14.43 km ，均方根誤差為26.64 km。

3.3.2 不同定位方法評(píng)價(jià)

根據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)表（見表3和表4），可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）比較不同的臺(tái)風(fēng)定位方法，發(fā)現(xiàn)高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法比渦度場(chǎng)定位法精度高。因?yàn)閺?fù)合場(chǎng)中復(fù)合了垂直渦度和水平散度兩種因素，考慮了大氣旋轉(zhuǎn)和輻合輻散特性，而渦度場(chǎng)定位只考慮了一種因素。

（2）比較不同階段臺(tái)風(fēng)定位效果，成熟期定位精度高于形成期。臺(tái)風(fēng)形成期風(fēng)力較弱，風(fēng)場(chǎng)渦旋性較差，大氣運(yùn)動(dòng)質(zhì)子輻合輻散較弱，特征不明顯而導(dǎo)致定位偏差較大。臺(tái)風(fēng)成熟期風(fēng)力較強(qiáng)，風(fēng)場(chǎng)渦旋性明顯，臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)完整，大氣質(zhì)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，定位效果優(yōu)于形成期。

（3）比較兩種觀測(cè)手段，發(fā)現(xiàn)HY-2B 觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)定位誤差與聯(lián)合觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)定位誤差相近。從時(shí)效性上看，聯(lián)合觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)遠(yuǎn)優(yōu)于單星觀測(cè)；從衛(wèi)星反演風(fēng)場(chǎng)質(zhì)量上看，HY-2B 觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)要優(yōu)于HY-2A/SCAT、ASCAT風(fēng)場(chǎng)，因此HY-2B單星觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)可用于臺(tái)風(fēng)中心定位。

總的來(lái)看，兩種方法定位平均偏差在0.1°～0.25°之間，均方根偏差在0.1°～0.3°之間，定位精度有待進(jìn)一步提高。分析誤差來(lái)源，從環(huán)境場(chǎng)因素考慮，臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)常伴隨強(qiáng)降雨、大風(fēng)惡劣天氣，觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)精度嚴(yán)重受損，嚴(yán)重影響渦度、散度場(chǎng)的精度，導(dǎo)致定位偏差較大。從傳感器方面考慮，散射計(jì)的空間分辨率為0.25°，HY-2A/2B 散射計(jì)測(cè)風(fēng)范圍為2～24 m/s，ASCAT測(cè)風(fēng)范圍為4～24 m/s；在高風(fēng)速臺(tái)風(fēng)環(huán)境場(chǎng)下散射計(jì)測(cè)風(fēng)靈敏度較差，獲取信號(hào)能力易飽和，因而造成定位偏差較大。不同發(fā)展階段、不同強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)，各方法的定位效果也不盡相同。成熟期臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)更加完整，風(fēng)場(chǎng)渦旋特性更加明顯，采用高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法的偏差比渦度場(chǎng)定位法小，定位效果更佳。在與臺(tái)風(fēng)CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)集比較時(shí)，由于時(shí)間不一致且把臺(tái)風(fēng)當(dāng)作勻速移動(dòng)來(lái)看，因而插值過程中可能導(dǎo)致產(chǎn)生定位偏差。

4 結(jié)論與討論

本文基于HY-2A/SCAT 與ASCAT 聯(lián)合觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)以及HY-2B/SCAT 觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)了2016——2018年6 月以及2019 年1——12 月發(fā)生在南海區(qū)域的24例臺(tái)風(fēng)，及其在形成期與成熟期階段的不同定位方法的定位偏差。比較分析后得出以下結(jié)論：

（1）整體來(lái)看，本文應(yīng)用的高風(fēng)速閾值與渦度場(chǎng)定位法和高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法兩種方法的定位平均偏差＜0.25°，均方根誤差＜0.3°。臺(tái)風(fēng)發(fā)生在高風(fēng)速環(huán)境場(chǎng)條件下，散射計(jì)測(cè)風(fēng)靈敏度較差，在后續(xù)臺(tái)風(fēng)定位研究中應(yīng)考慮這一點(diǎn)，進(jìn)一步提升定位精度。

（2）由于臺(tái)風(fēng)形成期大氣運(yùn)動(dòng)輻合輻散較弱，風(fēng)場(chǎng)渦旋特征不明顯，因此，定位效果較成熟期差。從方法上講，根據(jù)大氣垂直渦度和水平散度影響因子來(lái)定位臺(tái)風(fēng)中心，定位效果較渦度場(chǎng)定位法更好。因?yàn)閺?fù)合場(chǎng)考慮了兩種影響因子，其臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)所在風(fēng)場(chǎng)與周圍風(fēng)場(chǎng)相比，在數(shù)量級(jí)上表現(xiàn)出明顯差異性，能夠較容易獲得臺(tái)風(fēng)中心。成熟期時(shí)，采用高風(fēng)速閾值與復(fù)合場(chǎng)定位法平均偏差在0.1°～0.2°，均方根誤差＜0.25°。