用先进技术微波探测仪资料反演台风桑迪的暖心结构外文翻译资料

 2022-11-22 11:28:43

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用先进技术微波探测仪资料反演台风桑迪的暖心结构

Tong Zhu, Fuzhong Weng

摘要：台风sandy和其他九个热带气旋是通过先进技术微波探测仪（ATMS)所检测到得温度来研究的。从ATMS辐射发展出了一个为反演大气温度廓线检索的算法。由于ATMS观察比它的前身（先进微波探测装置-A）具有更高的空间分辨率和更好的覆盖面，检索到的温度场明确解析穿透整个对流层的台风暖心并描绘了眼墙和螺旋雨带冷距平。不像一个典型的热带气旋，sandy飓风的最大暖心的高度很低，但风暴的尺度相当大。基于对10个2012年的热带气旋分析，ATMS衍生的暖心和热带气旋的最大持续风力(MSW)或最低海平面气压(MSLP)之间找到密切的联系。ATMS反演的暖心最大持续风速和最低海平面气压的估算误差为分别为13.5mph和13.1hPa。

1.前言

搭载在Suomi NPP极轨卫星的ATMS成功发射于2011年10月28日。ATMS是一个从23.8至183.3GHz的22个频道测量微波辐射率的全功率跨轨微波辐射计（见表1）。结合当前先进的微波探测装置-A（AMSU-A）和微波湿度计的功能，ATMS通过其附加的探测通道和更广泛的扫描幅区提供了改进的大气温度和湿度廓测量。该仪器扫描扫描了plusmn;52.725°，从每一侧的最低点总共有96视角。ATMS扫描幅区为约2700公里，比AMSU-A（大约2200公里）更宽。该仪器在通道1-2的5.3°，在通道3-16的2.2°，并且在通道17-22的1.1°具有的瞬时视场（FOV），分别与之对应的最低点的水平分辨率为75km，32km和16km。ATMS的温度探测的通道的空间分辨率（Ch4-15）比AMSU-A（48公里）的更高。ATMS仪器的更多详细信息可以在最近的一项研究发现[Weng et al., 2012] 。

表1.Suomi NPP 先进技术微波探测仪传感器的特性

卫星微波观测在ATMS频率对于监测热带气旋系统有重要的应用，因为在大气的顶部的热辐射可从大气不同高度产生，甚至薄云条件下。Kidder et al. [2000] 提供了关于AMSU数据利用率的全面概述，在估计热带气旋强度、检索上对流层的温度异常、梯度风，以及确定热带气旋的降水可能性。Knaff et al. [2000] 和 Zhu et al. [2002] 利用AMSU-A观测，检索和分析了飓风系统的大气温度。Spencer and Braswell [2001] 利用来自AMSU-A测量得到的温度梯度估算了热带气旋的最大持续风力。Demuth et al. [2004, 2006] 开发了的回归算法来估计热带气旋最大持续风力，最低海平面气压和热带气旋大小（风半径）。除了监控热带气旋，微波观测也可以很容易地在数值天气预报模式被利用，因为微波辐射对大气温度作出线性反应。Zhu et al. [2002] 制定了计划，为构建飓风邦尼（1998年）的中尺度模式模拟热带气旋初始涡度。大气温度从AMSU-A数据检索，然后使用该非线性平衡方程来推导飓风邦尼的三维风场。Zhu and Gelaro [2008]表明AMSU-A的测量在全球中期预报中所有卫星观测的网格点统计插值资料同化系统之间具有最大的积极影响。

众所周知的，该暖心的功能是与热带气旋发展直接相关的。Wang et al. [2010] 和Dolling and Barnes [2012]调查的热带气旋暖心的形成及其在热带气旋的演变的作用。Zhang and Chen [2012] 揭示了飓风Wilma（2005年）的迅速激化中上层暖心的重要性。在这项研究中，我们开发了一种新的回归算法来检索ATMS观测的大气温度。该算法和以前的AMSU-A检索是相似的[Zhu et al., 2002]。

然后该算法应用于分析TC暖心结构。所检索的大气温度场也可以作为卫星数据同化的第一猜测，从而加快收敛过程[Boukabara et al., 2011] 。由于具有较高的空间分辨率，ATMS仪器被期待为可为热带气旋研究提供更详细和精确的观测。

2. ATMS温度反演

因为微波辐射线性响应大气温度，并且ATMS探测的通道的加权函数相对稳定，给定的压力水平的大气温度可以表示为在不同探测通道测定的亮温的线性组合。

根据Zhu et al. [2002]所描述的类似的方法，式（1）被用来反演从ATMS温度数据记录（TDR）观测的大气温度廓线。在新的算法，卫星扫描本地天顶角被用作一个独立的检索词，从而使检索可以在所有的扫描角可以同时，顺利地进行。

其中p为所反演的温度T的压力水平，theta;是卫星本地天顶角，vi 是在通道的I的频率，和Tb是ATMS亮度温度。C0，慈和Cs是回归系数。

表2示出在晴朗的天空状况下ATMS温度反演算法的系数。

表2.在晴空条件下ATMS温度反演算法的系数

在晴朗的天空状况，从通道5至12的亮度的温度被用于反演温度为23的50至1000百帕压力水平从。因为表面和下对流层的亮温可能会被大云和雨滴污染，通道5和6不被用于降水的条件下的反演。换句话说，假定一个准湿润绝热过程通过使用降水区域的上层辐射率提取较低层的大气温度。云中液态水路径大于0.1毫米被当作可降水云的一个指标[Weng et al., 2003]。

用于获取回归系数的数据从并置的ATMS观测器和全球预报系统（GFS）分析场的海洋上空55°S和55°N纬度之间晴空条件下收集得来。回归误差（RMS）通常在所有的压力水平少于1.5K且在对流层中层最低，约0.5 K。

3. ATMS衍生的暖心结构

利用ATMS反演算法，我们首先研究了几个发生在南半球2011-2012气旋季节的热带气旋，也比较了使用旧的算法的NOAA15 AMSU-A观测的反演结果。热带气旋焦万娜是在2011 - 2012年南印度洋旋风季节的第二强的热带气旋。热带气旋焦万娜在2012年2月9日至21日于马达加斯加东海岸消亡。图1a示出了ATMS温度的垂直截面在2012年2月11日2130（世界时）的异常反演。温度距平计算是与环境的温度有关的，环境温度是一个风暴纬度/经度15°的范围内的平均温度，但不受芯区附近的温度的扰动的影响，这取决于风暴的大小。焦万娜是3级飓风的强度，根据Saffir- Simpson尺度，以100英里每小时的最大持续风力和948百帕的最低海平面气压。大约为6K的温度异常的最大暖心可以在250百帕层面上找到。低于500百帕的冷异常对应于风暴眼墙的强降水地区，这表明最大风速半径当时约100公里。作为对比，AMSU-A-检索温度（图1b）在13：00（世界时）2012年2月12日被推导，当NOAA-15卫星超过焦万娜，这别ATMS的观测早大约8.5h。这时候焦万娜保持3级飓风的强度，944百帕的最低海平面气压略有加深。ATMS设备展示了比AMSU-A更广泛的扫描幅宽和更精细的水平分辨率。在850百帕，ATMS检索资料清楚地描述了热带气旋螺旋雨带和风暴暖心的冷温度异常。从ATMS检索的热带气旋暖心特征从200百帕延伸到海表。然而，AMSU-A检索资料不能完全的解析低层的风暴眼，因为资料的分辨率较粗。AMSU-A-检索资料250百帕层面的暖心，和较低的层次的冷异常都比ATMS的要强。可以发现，该暖芯高度和冷眼壁的位置在两个检索资料中是相似。温度距平之间的强度差异一部分是由于使用了不同反演算法以及NOAA15和Suomi NPP两颗卫星过赤道地方时之间的差异。

图1. 反演热带气旋焦万娜的温度距平垂直截面（a）从Suomi NPP ATMS资料沿58.2°E在2130（世界时）取得；（b）从NOAA 15 AMSU-A沿59.2°E在1300(世界时)2012年2月11日取得。

飓风Sandy是北半球2012年最具破坏性的风暴。它作为热带波开始于2012年10月19日的东加勒比海，并在15：00 （世界时）2012年10月22日加强了第18号大西洋热带低气压。图2a表明在06：30 （世界时）10月24日有弱温暖异常并在初级阶段时400百帕层面最大约为4.0K。低层冷温异常位于到暴雨中心到南北两侧100-200左右公里处，对应风暴周围大范围的降水。飓风Sandy于1500 （世界时）10月24日加剧成为2012年大西洋飓风季节的第十个飓风，其最低海平面气压为973百帕，最大持续风力为80英里每小时。从0600（世界时）25日至0000 UTC10月26日的期间，桑迪达到2级飓风的强度，最大风速超过1英里每小时。然后在10月25日，桑迪从其西侧遇到上层低气压。大的垂直风切变减弱桑迪和创造的风暴不对称结构。风暴的最大温暖异常的第一个高峰，400百帕层次为8.9k，在0710（世界时）10月26日被发现（图2b）。上层弱的暖异常也在风暴南侧被发现，并且同时此处这时发生少量降雨。降水主要集中在风暴西北侧，这与从ATMS反演的冷温异常特征一致。桑迪的不对称格局维持了约2天，直到10月28日，在此期间，其他中纬度冷锋系统遇到桑迪。ATMS反演温度异常捕获1810（世界时）27日的非对称结构（图2c）。在风暴的西北侧有一部分眼壁。暖心在上层中随高度向西北向倾斜。在收到冷锋系统影响后，桑迪经历了第二次强化期，并且在十月29日达到了值为940百帕的最低海平面气压。图2d展示了1730（世界时）10月 29日在450百帕层面值为8.5k的最大暖心，此时风暴最大风速达到90英里每小时。桑迪在0200（世界时）10月30日大西洋城的西南侧约8公里登陆。暖心特征在登陆后迅速消亡。

图2.从ATMS资料反演飓风桑迪温度距平结构的垂直截面（a）在0630（世界时）10月24日沿77.0°W，（b）在0710（世界时）10月26日沿76.6°W，（c）在1810（世界时）10月27日沿75.5°W，（d）在1730（世界时）10月29日沿72.9°W。

纵观桑迪的寿命,最大暖心位于约400百帕层次，这比典型的热带气旋（约250百帕，将要讨论的）要低得多。这主要是因为桑迪发生在飓风季节的末期并且位于中纬度。将从飓风桑迪中心半径15°范围内的ATMS反检索资料的850百帕平均温度与2012年其他九个热带气旋进行计算与比较，即在大西洋上面的飓风Ernesto，Isaac，Kirk，西北太平洋的台风Guchol，Bolaven，Tembin和Sanba,在南印度洋热带气旋Giovanna和在南太平洋热带气旋Jasmine。研究发现，桑迪和其他九个风暴的850百帕平均温度分别约为11.7 K和15.8 K。它可能暗示低层相对较低热能的供应是防止飓风桑迪的强深对流和垂直环流发展的主要因素之一。因此，桑迪的最大暖心的高度比典型的热带气旋低。在低层冷异常表明桑迪的最大风速半径在大多数时间约为200公里。有时，在离中心400公里范围的一定的象限内没有强冷距平或强降雨。桑迪的大部分区域很可能是与上层槽和温带冷锋系统相互作用的结果。这些过程加强了桑迪的不对称结构和中心边缘处的强对流，但抑制了风暴核心区域附近的发展和浓度。最高温度距平的变化反映暴雨强度的演变。Sandy最大暖心的时间序列及最大持续风力和最低海平面气压，在图3中表示。10月24日晚和25日检索到的暖心数据没有被使用，因为在这三个时次桑迪的中心位于观察幅宽的边缘地带，并且该暴风也接近甚至超过加勒比群岛。由于在信号在粗分辨率的情况下被平滑处理，飓风温暖心和眼壁结构不能在被很大视场下解析。最大温暖心和最大持续风力之间的相关系数为0.86，并通过99％的置信水平。然而，最大的温暖心和最低海平面气压之间的相关性是0.38，然而并没有通过95％的显著性测试。失败的一个可能原因是飓风桑迪的规模非常大，并且暖芯的中心的强度不能非常好的代表整个系统的质量（气压）的特性。

图3.从2012年10月24-30日的飓风桑迪暖中心的时间序列、最大风速和最小海平面气压。

Kidder等人[2000]在1998年从四个飓风和台风事例中利用AMSU-A检索资料的温度异常估算了热带气旋强度。最大持续风力可以在大约18.9kt标准偏差误差范围内进行估算，最低海平面气压可以在大约约12.4百帕的标准差误差范围内进行估算。为了进一步调查最大暖心和热带气旋强度之间的关系，我们从上述10个热带气旋中收集并分析了53对ATMS检索资料的温度以及最大持续风力和最低海平面气压观测数据。其中，最弱的是1级飓风Ernesto。在0715（世界时）8月7日ATMS检索到其最大暖距平是3.49K，65英里每小时最大持续风力和993百帕最低海平面气压。在1700（世界时）162012年6月最强暖心为10.71K的超级台风Guchol，有4级的强度。最大持续风力和最低海平面气压分别达到100kt和926百帕。观测的最低海平面气压和最大持续风力数据从运营中心得到，如美国国家飓风中心，联合台风警报中心，这取决于风暴发生在什么地域。西太平洋台风系统的最大持续风力被定义为在地表上方10米高度10分钟内的最大平均风速。通过乘以一个值为1.14的因子将其转化为U.S. 1分钟的最大持续风力[Sampson 等人，1995]。图4a展示了10个发生在2012热带气旋季节的台风的ATMS温度距平和最大持续风力以及最低海平面气压的对比的散点图。最大持续风力和最低海平面气压的估计值的标准差误差分别大约为13.5英里每小时（11.7kt）和13.1百帕。最大持续风力的推定误差比从AMSU-A获得的观察资料小，主要是由于ATMS视场较高分辨率的结果。最大暖心与最大持续风力、最低海平面气压之间的相关系数分别为0.78和0.83。两者的相关性均通过基于所述53分析样品51个自由度的99％的置信水平显著测试。结果指示表明最大暖心与最大持续风力、最低海平面气压之间的线性关系统计显著。估计算法可以通过考虑其他因素得到进一步改善，例如边缘分辨率低和扫描角偏差

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