2. 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室 国家卫星气象中心, 北京 100081;
3. 中国气象局 , 北京 100081
2. Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellites ,CMA , National Satellite Meteorological Center , Beijing 100081;
3. China Meteorological Admimstration , Beijing 100081
热带气旋是一种起源于热带海洋上、具有暖心结构的低气压系统, Haurwrits利用流体力学证明, 实测的热带气旋中心的地面气压需要有一个扩展整个对流层的暖核结构来支持[1]。在热带气旋发生及发展过程中, 发生在气旋眼墙及螺旋雨带中的对流过程将环境场的水汽、海面上的感热向上输送, 在云雨的凝结过程中释放潜热, 为热带气旋系统的维持和发展提供能量。
由于热带气旋上层的卷云对于大气微波辐射几乎是透明的, 相对于可见光红外探测技术, 星载微波观测可以探测热带气旋中心的增暖及围绕中心的云雨内部结构特征。研究显示[2-3], 利用星载微波垂直温度探测仪器位于氧气吸收带的55 GHz附近频率可以探测到热带气旋的中心上层的增暖强度, 并可建立增暖与热带气旋的强度相关性。Rodgers等[4]利用星载被动微波观测估计利热带气旋的降水分布并计算潜热释放时发现, 强烈的对流过程产生大量的液态及冰态降水粒子, 潜热释放明显增加, 较高的潜热释放出现在对流层中高层; 其中强降水对潜热释放贡献更大一些, 对流爆发过程伴随着气旋加强。
本研究主要利用新一代NOAA系列卫星携带的AMSU观测数据分析发生在西北太平洋上的热带气旋的热力及云雨结构特征, 揭示热带气旋云雨结构变化与气旋强度发展的关系。
1 AMSU数据及其处理方法搭载在新一代极轨气象卫星NOAA-KLM系列的先进的微波探测器 (AMSU) 包括AMSU-A和AMSU-B两台仪器组成, AMSU-A以探测大气温度、大气总的可降水量以及地球表面特征为目的; AMSU-B主要探测大气湿度垂直分布, AMSU频率分布特性如表 1和表 2所示。AMSU于1998年5月13日随NOAA-K发射升空, 取代先前的微波探测器 (MSU) , 开始业务大气垂直温湿度观测, 并与红外分光计 (HIRS/3) 融合进行全天候大气温度、湿度廓线产品反演。相对于MSU的4个探测通道和110 km的空间分辨率, AMSU-A设有15个通道, 空间分辨率48 km, AMSU-B设有5个通道, 空间分辨率为16 km, 探测的灵敏度也得到提高, 这些改进显著提高了对地球大气的探测能力。
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表 1 AMSU-A 光谱通道特征 Table 1 Characteristics of AMSU-A Instrument |
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表 2 AMSU-B光谱特征 Table 2 Characteristics of AMSU-B Instrument |
在本研究中, 主要采用由国家卫星气象中心实时接收的NOAA-16/17卫星的AMSU数据, 经预处理生成Level 1c级的轨道亮温数据。在利用AMSU数据进行热带气旋热力及云雨结构特征分析之前, 需要对原始观测数据进行临边订正处理。
对于AMSU的氧气吸收通道, 随着扫描角度增大, 探测路径大气质量增加, 产生了临边变暗现象, 对于权重高度位于对流层中上部的温度探测通道, 临边变暗尤其明显, 导致对于热带气旋的探测受影响, 必须将在不同扫描角观测亮温订正到垂直观测情况。这里采用由Wark[5]建立一种对于垂直仪器的临边订正算法, 其主要是通过辐射传输模拟计算, 在不同的探测角度下建立垂直探测辐射量与不同通道倾斜探测统计关系, 即
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(1) |
式 (1) 中, TB是订正后的亮温, TBj是各通道观测亮温, aj (j=0, nch) 是利用辐射传输模拟计算得到订正处理系数, nch是AMSU-A或B的通道的个数。本文采用NOAA/NESDIS在网上公开发布了对于NOAA系列卫星ATOVS数据的临边订正系数进行处理。
2 热带气旋热力结构的微波特征分析Frank认为, 在垂直方向上, 热带气旋影响范围在地面至50 hPa之间[6], 热带气旋中心暖核最强的位置大约在对流层上部250 hPa层附近。星载的AMSU-A可以探测到地面至2 hPa层的温度分布, 其中通道6~9的权重高度与热带气旋最强的暖核位置相重合, 可以用于探测热带气旋上层增暖的热力结构特征。
本章将基于热带气旋的个例, 利用卫星观测AMSU数据分析热带气旋的中上层的热力结构特征; 并利用2001—2003年部分热带气旋个例的中心增暖与气旋中心最低海平面气压进行统计分析, 揭示热力结构特征与气旋强度的相关性。
2.1 热带气旋中心上层的亮温距平特征分析为了分析热带气旋上层的增暖特征, 首先将临边订正后的AMSU-A数据以热带气旋中心为中心进行等经纬度投影, 投影范围为12经距×12纬距; 考虑在进行热带气旋暖心结构分析时, 以6个纬距作为环境场边界[3], 计算热带气旋中心外围6~8纬距的平均亮温, 作为热带气旋环境场平均亮温, 将投影亮温数据减去环境场平均亮温, 得到热带气旋微波亮温距平分布, 作为分析热带气旋热力结构特征的基础数据。
在分析热带气旋在对流层中上层的增暖特征时, 以2003年发生在西北太平洋上的两个强度不同的热带气旋科罗旺 (Krovanh) 和鸣蝉 (Maemi) 为例。彩图 1和彩图 2分别是热带气旋科罗旺 (8月23日18:18 (世界时, 下同)) 和鸣蝉 (9月11日01:56) 的亮温距平图, 两幅图中的 (a)~(d) 分别是通道AMSU-A的通道6~9距平亮温, 大约反映350, 250, 150和50 hPa层的大气温度分布情况。鸣蝉是2003年西北太平洋最强的热带气旋, 卫星观测时气旋中心海平面最低气压大约为906 hPa; 而科罗旺则是相对较弱的气旋之一, 当时气压大约为969 hPa。从两个气旋的亮温距平图像上可以看出, 处于成熟阶段的热带气旋中心暖核在250 hPa层上表现清楚而且完整, 增温最强, 鸣蝉增温超过5 K, 科罗旺则不到3 K; 在低层350 hPa层附近, 由于受到眼墙区强对流形成的冰相降水粒子散射衰减作用影响, 只在中心很小的范围显示出增暖, 科罗旺中心周围的对流眼墙并未闭合, 而鸣蝉显现出封闭的结构; 在150 hPa, 虽然两个气旋均有增温特征, 但鸣蝉的增暖很显著, 幅度超过4 K, 而科罗旺则只有1 K左右; 在接近对流层顶的50 hPa, 鸣蝉仍有2 K增暖, 且结构清楚, 科罗旺与环境场特征相比几乎看不出差异。从上面的分析可以看出, 作为超级的强热带气旋, 鸣蝉中心增暖结构非常深厚; 相对而言, 科罗旺则是一个浅薄的系统。
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| 图 1. 2003年8月23日18:18热带气旋科罗旺的MOAA/AMSU-A通道6~9的亮温距平图像 (单位: K) (a) 54.4 GHz, (b) 54.94 GHz, (c) 55.45 GHz, (d) 57.3 GHz Fig 1. The AMSU-A brightness temperature anomaly of tropical cyclone Krovanh at 18:18 on Aug 23, 2003 from NOAA (unit: K) (a) 54.4 GHz, (b) 54.94 GHz, (c) 55.45 GHz, (d) 57.3 GHz | |
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| 图 2. 2003年9月11日01:56热带气旋鸣蝉的MOAA-17/AMSU-A通道6~9的亮温距平图像 (单位: K) (a) 54.4 GHz, (b) 54.94 GHz, (c) 55.45 GHz, (d) 57.3 GHz Fig 2. The AMSU-A brightness temperature anomaly of tropical cyclone Maemi at 01:56 on Sep 11, 2003 from NOAA (unit: K) (a) 54.4 GHz, (b) 54.94 GHz, (c) 55.45 GHz, (d) 57.3 GHz | |
从微波图像分析可以得出, 热带气旋中心的增暖强度、高度、形状特征与热带气旋的强度相关, 强度较强的气旋, 中心增温较强, 其暖核结构清楚而完整, 发展高度较高。
2.2 热带气旋中心增暖与热带气旋强度的相关性为了分析热带气旋中心的增暖与强度之间的关系, 本研究搜集2001—2003年之间发生在西北太平洋上的热带气旋个例数据, 对暖心距平与强度进行统计分析。在数据分析中发现, 随气旋个例不同, 中心最强增温可能出现在54.96 GHz或55.45 GHz通道中, 在分析两频率增温与气旋强度的相关性发现, 最强增温与气旋强度的相关最好, 图 3是54.96和55.45 GHz最强亮温距平与海平面气压的关系, 其中, 中心海平面气压数据是由静止卫星可见光和红外图像, 利用DVORAK技术估计, 并根据卫星观测时间进行插值得到; 样本总数为182。
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| 图 3. AMSU的54.96和55.45 GHz最强亮温距平与气旋中心海平面气压的关系 Fig 3. The relation between the maximum brightness temperature anomaly at 54.96 or 55.45 GHz and the minimum sea level pressure | |
从图 3可以看到, 随着气旋中心的暖核距平的升高, 气旋中心海平面气压下降, 气旋加强; 二者的统计相关系数为0.778, 标准偏差为11.5 hPa, 表明气旋中心暖核与强度存在较强的相关性。但在图中下部多个点相关性较差, 分析发现, 数据来自2003年最强的热带气旋鸣蝉的数据, 在鸣蝉最强阶段, 亮温距平与强度相关性不好, 初步分析主要有两个:一是AMSU的跨轨扫描方式导致空间分辨率随探测角增大而变低, 使中心增暖强度可能随之减弱, 由彩图 2可以看到鸣蝉中心暖心结构小而圆, AMSU低的空间分辨率, 使卫星观测表征的是较大范围的平均情况, 而非最强的中心增暖; 二是利用可见光、红外图像的热带气旋强度估计可能存在偏差, 国外研究显示, DVORAK技术平均偏差约为10 hPa[7]。两种原因可能导致亮温与气旋强度的相关性变差。对于前一个原因, Merrill[8]利用热带气旋海平面气压场分布特点, 考虑跨轨扫描仪器的采样特性, 建立热带气旋中心最强增暖的最优估计方法[7], 改进最强增暖的精度, 这也是本研究需要进一步开展的工作。
3 热带气旋云雨结构的微波分析根据微波辐射模拟分析结果, 星载AMSU-B的观测对于大气中降水粒子敏感, 其中位于窗区的89 GHz和150 GHz通道受液态及冰态降水粒子散射衰减较强, 而183±1 GHz频率受冰态降水粒子影响大, 本章主要利用AMSU-B的150 GHz和183±1, ±3, ±7 GHz通道进行热带气旋云雨结构以及深对流特征分析, 以及气旋发展过程中结构的变化。
3.1 热带气旋云雨结构微波亮温特征分析以热带气旋鸣蝉和科罗旺为例, 利用AMSU-B的150 GHz和183±1 GHz两个高频通道观测资料分析成熟的热带气旋的云雨结构特征。彩图 4分别是2003年9月11日01:56鸣蝉和2003年8月23日18:18科罗旺两个热带气旋在最强阶段的微波亮温图像。
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| 图 4. 热带气旋鸣蝉和科罗旺微波亮温图像 (单位: K) (a) 和 (c) 分别是鸣蝉2003年9月11日01:56的150 GHz和183±1 GHz图像,(b)和(d) 分别是科罗旺2003年8月23日18:18的150 GHz和183±1 GHz图像 Fig 4. The 150 GHz and 183±1 GHz brightness temperature imagine of Maemi and Krowanh from NOAA satellite (unit: K) (a) and (c) are for Maemi at 01:56 on sep 11, 23, (b) and (d) are for Krovanh at 18:18 on Aug 23, 2003 | |
从热带气旋微波亮温图像上可以看出, 热带气旋的眼墙和螺旋雨带可以清楚地显现出来, 鸣蝉是2003年西北太平洋上最强的热带气旋之一, 卫星观测时处于最强阶段, 在微波图像 (彩图 4a, c) 上呈现双眼墙结构, 但由于内眼墙局部的减弱以及围绕该气旋中心的眼区很小, 在150 GHz图上不完整, 在反映高层冰云信息183±1 GHz频率清晰可见; 内眼墙的东北及西北象限的云体发展较好, 而东南及西南象限的云体中低云发展较弱或已消散, 但高云尚存; 外眼墙的组织结构完整, 西北及西南象限云体的亮温较低, 显示发展较好, 其中西南象限是整个气旋系统中对流最旺盛的地方, 而东南象限主要为低云, 显示对流发展很弱; 从气旋眼墙区伸展出多条螺旋雨带, 其中靠近眼墙部分发展较旺盛; 在气旋的外围区域, 螺旋雨带主要由低层云组成, 其中分布有弱的对流过程。Willoughby等[9]指出, 对于双眼墙的热带气旋, 外眼墙逐渐向内替代内眼墙过程通常伴随着热带气旋的加强。由关岛台风联合预警中心 (JTWC) 分析[10]热带气旋鸣蝉最佳路径显示, 鸣蝉此后10 h内发生增强。
卫星观测时热带气旋科罗旺处于两次最强中间的减弱期, 气旋中心眼区亮温较高 (彩图 4b), 显示为晴空或少云区, 在150 GHz通道的图像上, 围绕眼区的云带已经闭合, 但在东南象限的眼墙区域主要为低云, 而东北象限的眼墙发展较强; 在眼墙附近有两条发展很强的螺旋雨带向气旋中心卷入, 雨带上分布有发展旺盛的对流过程 (彩图 4d)。
利用AMSU-B的微波观测分析热带气旋的结构显示, 微波信号主要是热带气旋上层卷云以下的云雨粒子散射地表及大气的微波辐射, 对于发展旺盛的对流云体中大的冰粒子的敏感。高频微波观测对揭示热带气旋的云雨结构分布具有优势, 对于确定热带气旋降水的分布具有指导作用。
3.2 热带气旋的深厚对流结构分析热带气旋眼墙及螺旋雨带分布着很多对流结构, 深厚对流结构释放潜热提供热带气旋发展的能量。由于AMSU-B的183 GHz水汽通道探测权重高度的差异, 可以探测到不同高度上的水汽以及云高度分布特征。Hong等[11]利用太平洋上试验机载微波辐射计及雷达观测数据, 建立利用183 GHz相关通道进行深厚的对流结构判识算法, 即
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(2) |
式 (2) 中, T183±1, T183±3和T183±7分别是AMSU-B水汽吸收通道3~5的亮温。模拟研究显示, Hong等[11]方法判识出的深对流结构与较高的冰粒子含量相对应, 这是因为当对流过程发展旺盛时, 上升运动很强, 将海面及低层大气中的水汽输送到对流层中上部, 经过凝结及冻结过程, 形成冰粒子, 上升愈强, 冰粒子含量愈高。深厚的对流结构必然伴随着浓度较高的冰粒子。
热带气旋的云雨结构中的对流过程释放潜热, 提供热带气旋维持和发展所需要的能量, 本章将主要通过对于一个发展过程中的热带气旋———杜鹃的云雨结构变化的分析, 揭示对流过程释放潜热对热带气旋发展的贡献, 考察气旋云雨结构变化与强度的相关性。
热带气旋杜鹃2003年8月27日在关岛西北的菲律宾海域生成后, 在引导气流的作用下向西南方向移动并快速加强, 8月31日向西北移动并加强形成台风; 9月1日, 杜鹃横过中国台湾以南海域后向西推进, 期间其强度达到最强, 中心附近的最高风速持续达175 km/h, 9月2日清晨进入南海, 晚上掠过中国香港, 登陆深圳[10]。
彩图 5是2003年8月30日—9月2日期间NOAA16/17卫星观测热带气旋杜鹃发展期间的AMSU-B图像。从图中可以看到, 在8月30日上午杜鹃处于快速加强阶段, 卫星微波图像上显示气旋尚未形成闭合眼墙, 多条螺旋云带卷入气旋中心; 到8月31日14:00, 气旋仍处于快速加强阶段, 卫星观测显示, 卷入气旋中心的云带合并形成一条比较强的, 中心附近具有气旋性弯曲的大范围低亮温区, 气旋外围有一条非常强的螺旋云带; 到9月1日02:00左右, 杜鹃移动到中国台湾东南方, 云带围绕气旋中心已经基本闭合, 从微波图像上气旋中心区域形状不规则, 根据中国香港天文台气旋分析观测前及后大约4 h, 在高分辨率的TRMM/TMI图像及中国香港地区的雷达图像均揭示出双眼墙结构, 雷达显示气旋内眼墙直径大约20 km, 表明NOAA-17卫星观测到的闭合云带是外眼墙, 而内眼墙可能位于气旋中心靠近东侧的外眼墙, 因为空间分辨率原因尚未表现出来, 在眼墙之外伸展出一条宽广的螺旋雨带扫过台湾的中南部地区; JWTC最佳路径显示, 此后气旋经微弱增强, 强度达到最强, 最大风速大约为125 n mile/h; 达到最强后杜鹃在向华南沿海移动时, 强度逐渐减弱, 与之对应, 闭合雨带逐渐解体。
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| 图 5. 热带气旋杜鹃在20036年8月30日——9月2日期间NOAA16/17的AMSU-B 150 GHz亮温图像(单位:K) Fig 5. The 150 GHz brightness temperature image of Dujian from Aug 30 to Sep 2 in 2003 based on NOAA | |
彩图 6是利用Hong等[11]方法确定的热带气旋杜鹃中的深对流分布, 图 7是深对流覆盖区域的183±1 GHz通道亮温的直方图分析, 其中, 亮温愈低反映对流产生的冰粒子对于微波信号衰减愈强, 也表明对流发展愈强。可以看出, 在杜鹃发展初期, 深对流主要分布在气旋眼墙和外围雨带中, 分布较离散, 在183±1 GHz通道亮温的直方图上, 亮温低端可达160 K, 显示有发展很强的对流过程存在; 在气旋快速加强期间, 深对流主要集中在气旋中心附近的眼墙及靠近眼墙的雨带中, 直方图显示8月31日14:00是整个系统的对流发展最旺盛的阶段, 此后亮温分布范围明显变窄, 显示对流过程开始减弱。在气旋减弱阶段, 系统中的对流过程明显减少, 强度更弱。
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| 图 6. 热带气旋杜鹃在2003年8月30日-9月2日期间深对流分布(暗红色区域) Fig 6. The deep convection distribution (dark red) of Dujuan from Aug 30 to Sep 2, in 2003 based on NOAA17/AMSU-B | |
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| 图 7. 热带气旋杜鹃在2003年8月30日—9月2日期间深对流区域微波 183±1 GHz 频率亮温直方图分析 Fig 7. The 183±1 GHz brightness temperature histogram of deep convection of Dujuan from Aug 30 to Sep 2 in 2003 based on NOAA17/AMSU-B | |
从上述热带气旋杜鹃发展过程中的云雨结构变化分析中可以发现, 在气旋加强的初期, 对流活动发展很旺盛, 但当气旋的结构发展完整且有组织时, 对流活动相对减弱, 气旋加深的速度却在加快, 这表明气旋强度发展滞后对流过程的发展。从气旋发展的能量来看, 是对流过程发展释放的潜热提供热带气旋发展需要的能量, 当气旋系统的对流旺盛的时候, 释放的潜热最大, 使气旋可能迅速加强。在2003年的热带气旋苏迪雷的分析中也有类似的情形。
4 结论与讨论本文利用NOAA-16/17卫星搭载AMSU-A及AMSU-B观测数据分析热带气旋个例的热力、云雨结构特征, 对于气旋发展过程的云雨结构及深对流变化进行进一步分析, 得到下面的结论:
1) 对热带气旋个例在成熟阶段的热力结构特征分析表明, 气旋的暖核在AMSU-A对流层中上层的探测通道观测中具有非常显著的表现, 暖核形状清楚而且完整, 较低层通道受降水影响, 暖核结构表现出不完整形状; 热带气旋的强度愈强, 中心增暖愈强, 暖核发展愈高。
2) 利用AMSU的54.94 GHz和55.45 GHz频率的最强亮温距平与热带气旋强度参数———中心海平面气压的统计分析显示, 二者相关性达0.778, 表明热带气旋中心暖核与强度密切相关。
3) 利用AMSU-B的150 GHz和183±1 GHz通道观测对于热带气旋个例云雨结构分析显示, 微波观测可以揭示卷云覆盖下的气旋内部的云雨结构特征, 特别是发展旺盛的对流过程, 有利于揭示气旋的降水分布。
4) 利用AMSU-B观测分析了热带气旋个例在发展过程中云雨结构、深对流分布的变化, 发现在热带气旋强度发展滞后于系统内部的对流过程发展, 显示对流过程为气旋发展提供能量, 对气旋发展有预测作用。
AMSU作为业务系列气象卫星上携带的主要微波探测器为大气温湿分布的全天候探测和热带气旋监测提供有效手段, 但AMSU-A的空间分辨率较低, 特别是采用跨轨扫描方式使轨道边缘数据的使用受到影响, 对于热带气旋暖核强度分析也有影响; AMSU-B高频的微波观测对于热带气旋的云系中的对流过程揭示较为清楚, 但对于气旋系统的降水的分布反演方法还需要通过进一步研究来确定。
致谢: 本文采用国家卫星气象中心遥感室提供的热带气旋强度估计数据, 国家卫星气象中心的张凤英研究员提供AMSU数据, 在此表示感谢。| [1] | Haurwitz B, The height of tropical cyclone and the eye of storm. Mon Wea Rev, 1935, 63, (1): 45–49. |
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