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利用衛(wèi)星微波觀測(cè)亮溫與云輻射模擬亮溫的臺(tái)風(fēng)定位分析

2022-10-18 09:40畢明明鄒曉蕾
氣象科學(xué) 2022年4期
關(guān)鍵詞:颶風(fēng)微波臺(tái)風(fēng)

畢明明 鄒曉蕾

(南京信息工程大學(xué) 資料同化研究和應(yīng)用聯(lián)合中心,南京 210044)

引 言

熱帶氣旋是一個(gè)由云和雷暴組成的有組織的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),起源于熱帶或副熱帶洋面上,并具有閉合的低層環(huán)流。由于熱帶氣旋常伴隨暴雨、強(qiáng)風(fēng)、大浪,引發(fā)滑坡、泥石流、洪水等嚴(yán)重的自然災(zāi)害,熱帶氣旋的演變一直是氣象研究者的關(guān)注重點(diǎn),用到的資料仍以大氣再分析資料居多[1-4]。熱帶氣旋中心位置是熱帶氣旋業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中必不可少的一個(gè)變量,同時(shí)也是渦旋初始化的必備參數(shù),對(duì)改進(jìn)熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)具有重要意義[5]。由于熱帶氣旋主要在海洋上發(fā)生和加強(qiáng),缺少常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù),因此氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是對(duì)其進(jìn)行中心定位的主要依據(jù)[6]。使用衛(wèi)星紅外或可見(jiàn)光資料對(duì)熱帶氣旋定位在很大程度上依賴于臺(tái)風(fēng)眼是否形成[7],而微波波段可以穿透非降水云,使得定位更加準(zhǔn)確[8]。

最佳路徑數(shù)據(jù)集融合了衛(wèi)星、飛機(jī)偵察和船舶等觀測(cè)資料[9-10],并加入了預(yù)報(bào)員的一些主觀調(diào)整,是目前熱帶氣旋強(qiáng)度和路徑最準(zhǔn)確和最完整的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)集[11]。Schenkel,et al[12]將臺(tái)風(fēng)附近的海平面最低氣壓值的位置作為臺(tái)風(fēng)中心位置,計(jì)算了CFSR、ERA-40、ERA-I、JRA-25和MERRA 5種全球大氣再分析資料的臺(tái)風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離,分別為64、189、127、72.5和177 km。由于分別使用了渦旋重定位方法和最佳路徑數(shù)據(jù)集反演的熱帶氣旋中心附近的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)[13],JRA-25和CFSR再分析資料在熱帶氣旋強(qiáng)度和位置上要比ERA-40、ERA-I、和MERRA再分析資料更接近最佳路徑[14]。

衛(wèi)星微波濕度計(jì)觀測(cè)資料可以清晰反映臺(tái)風(fēng)周圍的水汽和云雨分布結(jié)構(gòu)。第一代微波濕度計(jì)AMSU-B(Advanced Microwave Sounding Unit B)搭載于1998年發(fā)射的NOAA-15,后被2005年及以后發(fā)射的NOAA-18、NOAA-19、MetOp-A/B/C上搭載的微波濕度計(jì)(Microwave Humidity Sounder,MHS)替代。目前,除了MHS,還有美國(guó)發(fā)射的S-NPP和NOAA-20衛(wèi)星上搭載的新一代先進(jìn)技術(shù)微波探測(cè)儀(Advanced Technology Microwave Sounder,ATMS),中國(guó)發(fā)射的FY-3C/D上搭載的微波濕度計(jì)2型(以MWHS-2表示)和FY-3E上搭載的微波濕度計(jì)3型(以MWHS-3表示)。HU,et al[15]將方位譜臺(tái)風(fēng)定位方法應(yīng)用于ATMS和MHS單通道微波觀測(cè)亮溫資料,成功實(shí)現(xiàn)對(duì)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)中心的定位,對(duì)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)等級(jí)的熱帶氣旋定位結(jié)果與最佳路徑相比平均僅33.8 km和26.2 km。若用大氣再分析資料模擬衛(wèi)星微波濕度計(jì)資料,是否可以用類似方法對(duì)再分析資料中的臺(tái)風(fēng)進(jìn)行定位?

利用大氣再分析資料模擬衛(wèi)星微波濕度計(jì)資料可以使用大氣快速輻射傳輸模式(Radiative Transfer for TOVS,RTTOV)。RTTOV的早期版本是在1990s初由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心開(kāi)發(fā),可以模擬微波波段,紅外波段和可見(jiàn)光波段的衛(wèi)星傳感器亮溫[16]。RTTOV對(duì)微波輻射的模擬可分為晴空和有云兩種情況,晴空模擬只考慮大氣的吸收作用,有云模擬通過(guò)調(diào)用云散射模塊(Scattering,SCATT)將散射作用加入其中,能有效抑制晴空模擬對(duì)大氣水汽含量的高估[17-18]。本研究基于微波濕度計(jì)單通道觀測(cè)亮溫和ERA5再分析資料全天空模擬亮溫,對(duì)用方位譜臺(tái)風(fēng)中心位置定位方法得到的臺(tái)風(fēng)中心位置與最佳路徑數(shù)據(jù)集的中心位置進(jìn)行比較,進(jìn)而分析造成兩類資料臺(tái)風(fēng)中心定位差異的主要原因。

1 資料簡(jiǎn)介

1.1 衛(wèi)星微波濕度計(jì)資料特點(diǎn)

微波濕度計(jì)MHS、MWHS和先進(jìn)技術(shù)微波探測(cè)儀ATMS都是跨軌掃描微波輻射計(jì),其中由我國(guó)研發(fā)的微波濕度計(jì)縮寫(xiě)用MWHS表示是為了區(qū)分歐洲研發(fā)的微波濕度計(jì)(MHS)。MWHS通道5((183.31±7.0)GHz)和ATMS通道18的中心頻率完全相同,和MHS通道5(190.31 GHz)略有不同。這3個(gè)通道的權(quán)重函數(shù)峰值高度均位于800 hPa左右,可以探測(cè)到云和對(duì)流層低層的水汽分布特征。ATMS相較于MHS有更寬的掃描帶寬度,在熱帶地區(qū)連續(xù)兩軌數(shù)據(jù)之間幾乎沒(méi)有數(shù)據(jù)缺口,這對(duì)于觀測(cè)熱帶氣旋至關(guān)重要[19]。ATMS、MHS和MWHS每條掃描線上分別有96、90和98個(gè)觀測(cè)視場(chǎng),3個(gè)儀器的星下點(diǎn)分辨率均為15 km左右。本文使用下午星S-NPP搭載的ATMS通道18、上午星MetOp-A搭載的MHS通道5和下午星FY-3B搭載的MWHS通道5亮溫資料,獲得最多4~6次·d-1的臺(tái)風(fēng)觀測(cè)資料。

1.2 全球大氣再分析資料簡(jiǎn)介

研究所用的大氣再分析資料為歐洲中心第五代全球大氣再分析資料ERA5,時(shí)間分辨率為1 h,水平分辨率為0.25°×0.25°,垂直方向共37層,使用ERA5在時(shí)間和空間線性插值到微波濕度計(jì)在臺(tái)風(fēng)區(qū)域的觀測(cè)時(shí)間和地點(diǎn)的資料。ERA5是基于2016年就在業(yè)務(wù)中運(yùn)行的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)Cy41r2生成的,在模式中同化了多種衛(wèi)星觀測(cè)資料和站點(diǎn)資料,其中濕度計(jì)資料僅包括FY-3B和FY-3C搭載的MWHS和MWHS-2[20]。

1.3 臺(tái)風(fēng)個(gè)例描述

選取2012年在北美登陸的兩個(gè)颶風(fēng)Sandy和Isaac展開(kāi)研究,颶風(fēng)分級(jí)采用薩菲爾—辛普森(Saffir-Simpson)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),即將熱帶氣旋分為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、颶風(fēng)CAT1—5等級(jí)。最佳路徑資料用的是美國(guó)國(guó)家颶風(fēng)中心最佳路徑數(shù)據(jù)集HURDAT2,包含逐6 h的熱帶氣旋位置、強(qiáng)度、中心氣壓和最大風(fēng)速等信息。由于微波濕度計(jì)數(shù)據(jù)和最佳路徑數(shù)據(jù)集在時(shí)間上存在差異,在研究中比較微波濕度計(jì)觀測(cè)和模擬亮溫的定位結(jié)果時(shí)將最佳路徑數(shù)據(jù)集的颶風(fēng)中心位置線性插值到微波濕度計(jì)在颶風(fēng)附近的觀測(cè)時(shí)次上。

圖1為颶風(fēng)Sandy和Isaac整個(gè)生命史期間的最佳路徑及最大持續(xù)風(fēng)速。Sandy于2012年10月22日在加勒比海西南部生成,并快速增強(qiáng)于25日達(dá)到CAT3等級(jí),最大風(fēng)速約50 m·s-1,27日后又發(fā)生一次增強(qiáng)于29日達(dá)到CAT2等級(jí),最大風(fēng)速約42.5 m·s-1。Sandy生成初期在加勒比海向西移動(dòng),越過(guò)巴拿馬后開(kāi)始向東北方向移動(dòng)到達(dá)中緯度地區(qū),最后于28日向西北方向移動(dòng)并在30日登陸美國(guó)大西洋城。Isaac于2012年8月21日在非洲西海岸生成,并于當(dāng)天達(dá)到維持了7 d的熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度,在28日上午達(dá)到CAT1等級(jí),最大風(fēng)速約35 m·s-1。Isaac在25日之前一直向西移動(dòng),25日后開(kāi)始向西北方向移動(dòng),于29日在美國(guó)路易斯安那東南部登陸。

圖1 2012年10月颶風(fēng)Sandy(空心)和8月颶風(fēng)Isaac(實(shí)心):(a)最佳路徑;(b)最大可持續(xù)風(fēng)速(m·s-1)

2 利用觀測(cè)和模擬亮溫的臺(tái)風(fēng)中心定位方法

2.1 有云亮溫模擬

采用大氣快速輻射傳輸模式(RTTOV V13.0)[21]獲得大氣再分析資料的模擬亮溫。RTTOV通過(guò)訓(xùn)練好的系數(shù)文件和大氣變量信息計(jì)算出光學(xué)厚度,再依據(jù)光學(xué)厚度與透射率之間的線性關(guān)系計(jì)算得到透射率,從而完成輻射傳輸方程的求解,得到晴空條件下的模擬輻射[16,21]。全天空模擬通過(guò)調(diào)用云散射模塊計(jì)算得到有云模擬的輻射和大氣層中的有效云比例(由等壓面層上的云量、云中液態(tài)水含量、云中冰水含量、雨水含量和雪水含量計(jì)算得到[22-23]),再與晴空條件下的模擬輻射線性組合得到全天空模擬輻射:

Ltotal=(1-C)Lclear-sky+CLcloudy,

(1)

晴空模擬在計(jì)算輻射率時(shí)用到的主要數(shù)學(xué)方法是統(tǒng)計(jì)回歸,而云散射模塊則為delta-Eddington近似法。通過(guò)delta-Eddington近似,Lcloudy計(jì)算表達(dá)式如下:

Lcloudy(z)=C1exp(Λ(z))+

C2exp(-Λ(z))+B(Ttop),

(2)

Λ2(z)=3[αe(z)-αs(z)]

[αe(z)-αs(z)g(z)]。

(3)

其中:z是大氣層頂高度;Ttop是大氣層頂?shù)钠骄鶞囟?;B(Ttop)是溫度為T(mén)top時(shí)的普朗克函數(shù);αe是大氣消光系數(shù);αs是散射系數(shù);g是前向散射系數(shù);C1和C2是待定系數(shù),通過(guò)邊界條件確定,即輻射率需在包括大氣上下界在內(nèi)的N+1個(gè)分層界面上滿足邊界條件[17]。

2.2 臺(tái)風(fēng)中心定位方法簡(jiǎn)介

在臺(tái)風(fēng)附近衛(wèi)星觀測(cè)的亮溫場(chǎng)中,對(duì)稱分量通常占主導(dǎo)地位[24]。通過(guò)譜展開(kāi)可以提取亮溫場(chǎng)的對(duì)稱分量及其他波數(shù)分量,以亮溫場(chǎng)中不同位置為中心進(jìn)行譜展開(kāi),可將最大對(duì)稱分量的位置作為臺(tái)風(fēng)中心位置[15,25]。方位譜中心位置定位所用資料為ATMS通道18、MHS通道5和MWHS通道5的亮溫資料。圖2a展示了2012年10月24日14時(shí)38分(世界時(shí),下同)的MHS通道5觀測(cè)亮溫在颶風(fēng)Sandy附近的水平分布。以圖2為例,方位譜中心位置定位方法具體步驟如下:

圖2 2012年10月24日14時(shí)38分MetOp-AMHS通道5的:(a)觀測(cè)亮溫;(b)1.5°網(wǎng)格平均觀測(cè)亮溫;(c)第一步譜分析得到的颶風(fēng)Sandy的中心位置(三角形符號(hào))、預(yù)估中心點(diǎn)(黑色點(diǎn))和預(yù)估范圍(灰色方框);(d)第二步譜分析得到的颶風(fēng)位置(圓圈)、預(yù)估中心范圍(最小方框)和半徑為360 km的虛線圓(黑色和灰色叉分別表示1.5°網(wǎng)格及向東、北方向平移0.75°后的1.5°網(wǎng)格的最低平均觀測(cè)亮溫位置;紅色叉是初估位置;臺(tái)風(fēng)符號(hào)是最佳路徑位置)

(1)按1.5°×1.5°網(wǎng)格分辨率計(jì)算微波濕度計(jì)通道5的平均亮溫(圖2b),并將該網(wǎng)格上的網(wǎng)格點(diǎn)向東北方向移動(dòng)0.75°后再計(jì)算平均亮溫,將前后兩次得到的最低亮溫(圖2b中黑色叉和灰色叉)點(diǎn)的中間位置(圖2b中的紅色叉)作為臺(tái)風(fēng)的初估位置;

(2)將亮溫插值到0.15°×0.15°分辨率的網(wǎng)格上(圖2c),然后在臺(tái)風(fēng)初估位置(圖2c中的黑色叉)附近4°×4°的范圍內(nèi)(預(yù)估范圍,圖2c中的灰色方框)的每一點(diǎn)用方位譜分析展開(kāi),得到每一點(diǎn)上的30~360 km徑向距離的0波分量,滿足30~360 km內(nèi)平均0波分量最大且30 km和360 km的0波分量大于預(yù)估范圍內(nèi)網(wǎng)格點(diǎn)在30 km和360 km的平均值兩個(gè)條件的位置作為第一步方位譜分析定位結(jié)果(圖2c中的三角形符號(hào));

(3)以第一步方位譜分析定位結(jié)果為中心,將網(wǎng)格點(diǎn)加密為0.05°×0.05°的2°×2°區(qū)域(預(yù)估中心范圍,圖2d中最小方框),再用方位譜分析展開(kāi)得到所有預(yù)估中心30~360 km徑向距離的0波分量,同樣滿足第一步譜分析定位中兩個(gè)條件的位置作為最終定位結(jié)果(圖2d中的圓圈符號(hào))。

圖3是2012年10月24日14時(shí)38分用ERA5再分析資料全天空模擬的MetOp-A MHS通道5的亮溫水平分布(圖3a)、1.5°×1.5°網(wǎng)格分辨率的平均亮溫水平分布(圖 3b),及采用第一步和第二步方位譜分析定位的颶風(fēng)Sandy中心位置(圖3c、d)。圖3a全天空模擬亮溫水平分布能夠顯示出臺(tái)風(fēng)的螺旋結(jié)構(gòu),但沒(méi)有明顯的臺(tái)風(fēng)眼,且模擬亮溫整體較觀測(cè)亮溫偏高。初估位置一般表示臺(tái)風(fēng)附近最強(qiáng)的對(duì)流區(qū)域,對(duì)于圖2a中的觀測(cè)亮溫,低亮溫區(qū)在臺(tái)風(fēng)中心南北兩側(cè)均有分布,但對(duì)于圖3a中的模擬亮溫,低亮溫區(qū)主要在臺(tái)風(fēng)中心的東北側(cè),導(dǎo)致觀測(cè)和模擬亮溫的初估位置分別位于臺(tái)風(fēng)中心西南側(cè)和東北側(cè),說(shuō)明模擬得到的臺(tái)風(fēng)中心附近的對(duì)流云在位置和強(qiáng)度上存在偏差。從圖2c、3c中可以看到,初估位置的不同不影響方位譜分析定位,因?yàn)橛^測(cè)和模擬亮溫的預(yù)估范圍都能夠?qū)⑴_(tái)風(fēng)中心包含在內(nèi)。最后,圖2d觀測(cè)亮溫方位譜分析定位的臺(tái)風(fēng)中心位于臺(tái)風(fēng)眼,與最佳路徑相差18.3 km,圖3d模擬亮溫定位中心位于低亮溫區(qū)的對(duì)流云處,與最佳路徑相差90.4 km。

圖3 通過(guò)ERA5再分析資料得到的MetOp-AMHS通道5全天空模擬亮溫,其他同圖2

3 數(shù)值結(jié)果

3.1 衛(wèi)星觀測(cè)和全天空模擬亮溫定位結(jié)果

方位譜分析不僅可以得到亮溫場(chǎng)的對(duì)稱分量,還能得到其他波數(shù)分量。圖4展示了觀測(cè)和模擬亮溫方位譜分析定位中心的0~4波振幅的徑向變化,相較于非0波分量,觀測(cè)和模擬亮溫定位中心的0波分量在30~360 km范圍內(nèi)均始終保持最大分量,表明觀測(cè)和模擬亮溫場(chǎng)的對(duì)稱部分在臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)作用。150~300 km的觀測(cè)和模擬亮溫定位中心的0波分量振幅基本相同,但在30~150 km和300~360 km的模擬亮溫定位中心的0波分量大于觀測(cè)亮溫定位中心的0波分量。1波分量則恰恰相反,在30~150 km和300~360 km觀測(cè)亮溫定位中心的1波分量大于模擬亮溫定位中心的1波分量,150~300 km范圍內(nèi)兩者1波分量大小相近。觀測(cè)和模擬亮溫定位中心的2波和4波分量大小相近,但觀測(cè)亮溫定位中心的3波分量始終大于模擬亮溫定位中心的3波分量。

圖4 2012年10月24日14時(shí)38分MetOp-AMHS觀測(cè)亮溫(空心圓)和ERA5模擬亮溫(實(shí)心圓)方位譜分析的0~4波振幅的徑向變化

為更清晰地展現(xiàn)觀測(cè)和模擬亮溫的定位差別,分別挑選觀測(cè)和模擬亮溫定位結(jié)果相差較大以及定位結(jié)果相近的2個(gè)時(shí)次進(jìn)行分析,如圖5所示。圖5a、b展示了臺(tái)風(fēng)剛生成時(shí)的ATMS通道18觀測(cè)和模擬亮溫分布,觀測(cè)亮溫定位結(jié)果在臺(tái)風(fēng)中心南側(cè)和北側(cè)低亮溫區(qū)之間,距離最佳路徑39.8 km,而模擬亮溫定位結(jié)果位于臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)更為對(duì)稱的低亮溫區(qū),距離最佳路徑166.7 km。圖5c、d觀測(cè)和模擬亮溫定位結(jié)果都在臺(tái)風(fēng)的暖核區(qū),與最佳路徑的距離分別是60.0 km和60.1 km,方位譜分析臺(tái)風(fēng)中心定位反映的是對(duì)流層低層的結(jié)構(gòu),而最佳路徑的中心位置更接近地面中心。

圖5 不同觀測(cè)時(shí)間ATMS通道18觀測(cè)亮溫:(a、c)同圖2d;(b、d)同圖3d;(a、b)22日17時(shí)56分;(c、d)25日18時(shí)44分

ATMS通道18和MWHS通道5的中心頻率一致,且S-NPP衛(wèi)星和FY-3B衛(wèi)星的過(guò)赤道時(shí)也僅相差1 h左右,圖6展示了搭載于S-NPP的ATMS通道18和搭載于FY-3B的MWHS通道5不同時(shí)刻的觀測(cè)亮溫水平分布以及Sandy中心附近的兩條連續(xù)掃描線上的地球視場(chǎng)。10月24日19時(shí)Sandy位于ATMS觀測(cè)掃描帶邊緣(圖6c),但這并不影響通過(guò)方位譜分析方法對(duì)颶風(fēng)Sandy的定位。10月24日06時(shí)12分和19時(shí),利用ATMS和MWHS觀測(cè)亮溫得到的定位結(jié)果基本一致,因此MWHS可以用來(lái)替換ATMS對(duì)颶風(fēng)Sandy下午的觀測(cè)。

圖6 2012年10月24日(a、c)ATMS通道18和(b、d)MWHS通道5觀測(cè)亮溫颶風(fēng)Sandy附近的水平分布(圓圈表示觀測(cè)亮溫得到的颶風(fēng)中心位置;臺(tái)風(fēng)符號(hào)表示最佳路徑位置;叉號(hào)表示Sandy中心附近的兩條連續(xù)掃描線上的地球視場(chǎng)):(a)06時(shí)12分;(b)07時(shí)04分;(c)19時(shí);(d)18時(shí)14分

ERA5全天空模擬亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的距離較遠(yuǎn),為進(jìn)一步分析ERA5中的臺(tái)風(fēng)中心位置差異,使用臺(tái)風(fēng)周圍海平面最低氣壓值對(duì)颶風(fēng)Sandy進(jìn)行定位作為參考。圖7是ERA5全天空模擬亮溫對(duì)圖6中ATMS和MWHS觀測(cè)時(shí)次的定位結(jié)果,以MWHS為例,24日07時(shí)04分模擬亮溫和觀測(cè)亮溫低亮溫區(qū)分布相近,但模擬亮溫在臺(tái)風(fēng)中心附近的分布整體向北偏移約1個(gè)緯度;24日18時(shí)14分臺(tái)風(fēng)的螺旋雨帶結(jié)構(gòu)模擬與觀測(cè)亮溫相近,但模擬亮溫的臺(tái)風(fēng)眼結(jié)構(gòu)不明顯。24日07時(shí)04分和24日18時(shí)14分觀測(cè)(模擬)亮溫的定位結(jié)果與最佳路徑的距離分別是42.5 km(126.9 km)和35.3 km(45.2 km),海平面最低氣壓值定位結(jié)果與最佳路徑的距離分別是41.2 km和28.5 km。海平面最低氣壓值定位結(jié)果與觀測(cè)亮溫定位結(jié)果接近,比模擬亮溫定位結(jié)果更接近最佳路徑。

圖7 ERA5全天空模擬亮溫水平分布(黑色叉號(hào)表示海平面最低氣壓值定位結(jié)果),其他同圖6

3.2 ERA5再分析資料水平分布

雖然微波可以穿透非降水云,但臺(tái)風(fēng)附近的強(qiáng)對(duì)流即使是微波也難以穿透,再加上云的散射作用很大,導(dǎo)致微波濕度計(jì)觀測(cè)到的亮溫在臺(tái)風(fēng)降水區(qū)劇烈下降形成低亮溫區(qū)。因此,模擬亮溫的低值區(qū)分布和觀測(cè)差異較大應(yīng)該是再分析資料中云中液態(tài)水或冰水分布導(dǎo)致的。圖8是ERA5再分析資料中的冰水路徑和800 hPa比濕插值到圖6b、6d觀測(cè)時(shí)次在Sandy附近的水平分布。云中冰水主要分布在對(duì)流層400 hPa以上,因此800 hPa比濕反映的主要是對(duì)流層低層的水汽狀況,圖8b、8d可以看到臺(tái)風(fēng)中心附近對(duì)流層低層水汽充沛,比濕超過(guò)13 g·kg-1。24日07時(shí)04分和24日18時(shí)14分冰水路徑大值區(qū)均分布在臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)和西北側(cè),與模擬亮溫的低值區(qū)分布一致。模擬亮溫的低亮溫區(qū)明顯偏高,可能是受到云中冰態(tài)水的影響,因?yàn)楸W由⑸浜土W哟笮 ⑿螤钣嘘P(guān),使得輻射傳輸模式對(duì)其模擬難度較大。也有研究指出,數(shù)值模式中云參數(shù)化存在缺陷,導(dǎo)致再分析資料中的液態(tài)水和冰水路徑與實(shí)況相比誤差很大[26-27]。

圖8 海平面氣壓水平分布(等值線,單位:hPa;黑色叉是海平面最低氣壓值定位結(jié)果)與(a、c)ERA5再分析資料冰水路徑水平分布(填色,單位:kg·m-2)和(b、d)800 hPa比濕水平分布(填色,單位:g·kg-1):(a、b)24日07時(shí)04分(海平面氣壓等值線均間隔1.5 hPa);(c、d)24日18時(shí)14分(海平面氣壓等值線均間事2 hPa)

3.3 對(duì)颶風(fēng)Sandy和Isaac的定位結(jié)果

圖9a是使用ATMS通道18和MHS通道5的觀測(cè)和ERA5全天空模擬亮溫對(duì)颶風(fēng)Sandy定位的結(jié)果,可以看到第二次定位結(jié)果比第一次更接近最佳路徑。觀測(cè)和模擬亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的平均距離分別是35.8 km和73.3 km。在Sandy于25日06時(shí)和29日12時(shí)兩次達(dá)到峰值強(qiáng)度前后,模擬亮溫的定位結(jié)果與最佳路徑的距離明顯小于平均距離。在29日18時(shí)颶風(fēng)登陸后,觀測(cè)亮溫與最佳路徑的距離明顯增大,主要是由于微波通道亮溫會(huì)受到地表植被、地形等多種因素的影響。圖9b是ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5觀測(cè)和全天空模擬亮溫及ERA5海平面最低氣壓值對(duì)颶風(fēng)Sandy定位的結(jié)果,可以看到MWHS通道5與ATMS通道18對(duì)颶風(fēng)Sandy方位譜分析定位結(jié)果基本一致。MWHS通道5和MHS通道5對(duì)颶風(fēng)Sandy的觀測(cè)和模擬亮溫定位中心與最佳路徑的平均距離分別是33.9 km和71.6 km,ERA5海平面最低氣壓值定位中心與最佳路徑的平均距離是48.1 km。在23日12時(shí)之前,ERA5海平面最低氣壓值定位結(jié)果和模擬亮溫定位結(jié)果相近,之后與觀測(cè)亮溫定位結(jié)果相近??傮w而言,觀測(cè)亮溫方位譜分析定位結(jié)果和ERA5海平面最低氣壓值定位結(jié)果能夠反映出臺(tái)風(fēng)中心位置,與模擬亮溫的定位結(jié)果相差較大。

圖9 (a)ATMS通道18(藍(lán)色)及MHS通道5(青藍(lán))觀測(cè)(實(shí)心)和全天空模擬(空心)亮溫對(duì)颶風(fēng)Sandy定位結(jié)果與最佳路徑的距離,三角形(圓圈)為第1(2)步定位結(jié)果,灰色陰影為颶風(fēng)Sandy的最大可持續(xù)風(fēng)速;(b)ATMS通道18(藍(lán)色)、MHS通道5(青藍(lán))和MWHS通道5(玫紅)觀測(cè)亮溫、ERA5全天空模擬亮溫(紅色)及ERA5海平面最低氣壓值(黑色叉號(hào))對(duì)颶風(fēng)Sandy定位的結(jié)果與最佳路徑的距離

圖10a是使用ATMS通道18和MHS通道5對(duì)颶風(fēng)Isaac定位的結(jié)果,圖10b是ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5觀測(cè)和全天空模擬亮溫及ERA5海平面最低氣壓值對(duì)颶風(fēng)Isaac定位的結(jié)果。在24日18時(shí)前,觀測(cè)亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的距離較遠(yuǎn),特別是對(duì)于ATMS通道18和MWHS通道5,但在這之后,觀測(cè)亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的距離明顯減小。在28日06時(shí)之前,模擬亮溫定位結(jié)果與最佳路徑距離較遠(yuǎn),之后明顯下降且有時(shí)小于觀測(cè)亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的距離。對(duì)于颶風(fēng)Isaac,使用ATMS通道18和MHS通道5觀測(cè)和全天空模擬亮溫得到的定位結(jié)果與最佳路徑的平均距離分別是32.9 km和82.1 km,使用MWHS通道5和MHS通道5觀測(cè)和全天空模擬亮溫得到的定位結(jié)果與最佳路徑的平均距離分別是36.4 km和86.2 km。ERA5海平面最低氣壓值定位結(jié)果與最佳路徑的平均距離是44.4 km,與觀測(cè)亮溫定位結(jié)果相比,28日06時(shí)前,觀測(cè)亮溫定位結(jié)果更接近最佳路徑,之后海平面最低氣壓值定位結(jié)果更加接近最佳路徑。

圖10 (a)ATMS通道18(藍(lán)色)及MHS通道5(青藍(lán))觀測(cè)和全天空模擬(紅色)亮溫對(duì)颶風(fēng)Isaac進(jìn)行第一步(三角形符號(hào))和第二步(圓圈符號(hào))的定位結(jié)果與最佳路徑之間的距離(灰色陰影為颶風(fēng)Isaac的最大可持續(xù)風(fēng)速);(b)2012年8月22—31日ATMS通道18(藍(lán)色)、MHS通道5(青藍(lán))和MWHS通道5(梅紅)觀測(cè)亮溫、全天空模擬亮溫(紅色)及ERA5海平面最低氣壓值(黑色叉號(hào))對(duì)颶風(fēng)Isaac定位的結(jié)果與最佳路徑的距離

從Sandy和Isaac的定位結(jié)果來(lái)看,臺(tái)風(fēng)的中心定位與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度聯(lián)系緊密,因此計(jì)算了按熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)等級(jí)來(lái)劃分的定位結(jié)果與最佳路徑的距離。對(duì)熱帶風(fēng)暴,ATMS和MHS觀測(cè)和模擬亮溫得到的臺(tái)風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是36.5 km和105.9 km,MWHS和MHS觀測(cè)和模擬亮溫得到的臺(tái)風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是37.3 km和101.9 km;對(duì)臺(tái)風(fēng),ATMS和MHS觀測(cè)和模擬亮溫得到的臺(tái)風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是25.8 km和56.4 km,MWHS和MHS觀測(cè)和模擬亮溫得到的臺(tái)風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是29.0 km和56.6 km。

4 結(jié)論

將ERA5再分析資料作為RTTOV的輸入,得到ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5的全天空模擬亮溫,比較了衛(wèi)星觀測(cè)和全天空模擬亮溫對(duì)颶風(fēng)Sandy和Isaac進(jìn)行方位譜分析中心定位的差異,以及ERA5海平面最低氣壓值得到的臺(tái)風(fēng)中心定位結(jié)果。使用微波濕度計(jì)的亮溫資料,方位譜中心位置定位方法能夠得到亮溫場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)中最為對(duì)稱的位置,將該位置視為臺(tái)風(fēng)的中心位置。分析結(jié)果表明,對(duì)于S-NPP搭載的ATMS和MetOp-A搭載的MHS,觀測(cè)和模擬亮溫得到的颶風(fēng)Sandy(Isaac)中心位置與最佳路徑在其生命期內(nèi)平均相差35.8 km(32.9 km)和73.3 km(82.1 km)。若按熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)等級(jí)來(lái)劃分,對(duì)于熱帶風(fēng)暴,觀測(cè)和模擬亮溫得到的臺(tái)風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是36.5 km和105.9 km;對(duì)于臺(tái)風(fēng),觀測(cè)和模擬亮溫得到的臺(tái)風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是25.8 km和56.4 km。用FY-3B搭載的MWHS替換ATMS,所得結(jié)果與之類似。

使用ERA5海平面最低氣壓值對(duì)Sandy和Isaac的定位結(jié)果與最佳路徑的距離分別是48.1 km和44.4 km,這與觀測(cè)亮溫的定位結(jié)果相近,與模擬亮溫的定位結(jié)果相差較大。全天空模擬亮溫受冰水路徑影響較大導(dǎo)致低亮溫區(qū)分布和觀測(cè)亮溫差異較大,因此,目前尚不適合用來(lái)對(duì)再分析資料中的臺(tái)風(fēng)進(jìn)行中心定位。此外,ERA5再分析資料的分辨率比衛(wèi)星微波濕度計(jì)資料分辨率低一倍左右,對(duì)全天空模擬亮溫的分布結(jié)構(gòu)有影響,是導(dǎo)致方位譜臺(tái)風(fēng)中心位置定位方法出現(xiàn)較大誤差的原因之一。

本研究對(duì)臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)中的全天空模擬亮溫資料同化具有重要指示意義,但目前僅比較了ERA5再分析資料和微波濕度計(jì)觀測(cè)資料所確定的臺(tái)風(fēng)中心位置差異,還有其他一些表現(xiàn)較優(yōu)的再分析資料如JRA-25等尚未被考慮,后續(xù)準(zhǔn)備對(duì)更多的臺(tái)風(fēng)個(gè)例及不同的再分析資料展開(kāi)更細(xì)致的比較、分析和評(píng)估。

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