台风"杜鹃"的AMSU卫星微波探测资料分析

由于微波具有穿透云的能力,AMSU卫星探测资料得到了越来越广泛的应用。利用AMSU多个通道的资料,对2003年台风“杜鹃”过程进行了分析。通过比较AMSU-B（89GHz和150GHz）与GOES-9的台风结构图像可以发现微波具有较强的垂直探测能力;在AMSU-B的5个通道中,通道2（Ch2）亮温值的大小能够最好地反映热带气旋螺旋雨带冰晶层的深厚程度,从而判定螺旋雨带的强度;Ch2的亮温分布与雷达的强降水回波有较好的对应关系;利用AMSU-A温度反演资料能够清晰地揭示热带气旋的暖心结构、地面风速和中心气压与250hPa温度距平的关系,以及强降水的落区等。结果表明：AMSU资料作为一种新的卫星微波探测资料,在热带气旋的结构、螺旋雨带的强度及其降水强度的分析预报中具有一定的应用价值。     

基于FY-3C/MWTS-II数据估计西北太平洋热带气旋强度

文章利用FY-3C新型微波温度计(MWTS-Ⅱ)数据估计发生在西北太平洋的热带气旋强度。首先对与热带气旋最强暖核位置相重合的通道5~8进行临边订正,取得了较好的效果,订正偏差均小于各通道的探测灵敏度;之后利用热带气旋微波亮温距平分布分析了热带气旋在对流层中、上层的增暖特征,发现热带气旋中心的增暖强度、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;最后利用通道6和通道7最强亮温距平中的最大值建立了热带气旋强度估计模型,独立样本检验的标准偏差为13.0 hPa,进行扫描角度修正后的标准偏差为12.0 hPa,引入纬度因子后的标准偏差为11.1 hPa,估计精度得到一定程度的改善。     

TRMM/TMI资料在热带气旋强度估计中的应用研究

利用2007—2009年热带降雨测量卫星（TRMM）的微波成像仪（TMI）观测到的亮温资料,计算9个通道（10、19、37、85 GHz的水平和垂直极化通道及21 GHz的垂直极化通道）的亮温和极化修正温度（PCT）在不同范围内的最大值、最小值、平均值和区域阈值与热带气旋强度之间的关系。结果表明：亮温信息可较好地反映热带气旋的强度,单个参数与热带气旋最大风速的相关性最好可达到0.83,线性拟合的均方根误差接近业务误差;低频通道的亮温相对于高频通道可更好地估计海上热带气旋强度;位于台风中心0.5°～1.5°度范围之间的亮温与气旋强度的相关性较好,圆形区域的相关性好于圆环区域;对于位于海上的热带气旋,区域亮温的最小值与热带气旋强度的关系最好;低频通道（除10 GHz外）,阈值位于260～280 K区间的亮温与热带气旋强度的相关性较好。     

AMSU温度反演及其在台风研究中的应用

利用物理统计综合方法，建立了统计回归模型，作AMSU（Advanced Microwave Sounding Unit）温度反演。采用Liebe模式计算了AMSU3～14通道微波波段的权重函数，利用计算得到的归一化权重函数作为统计回归模型的约束夸件，并适当调整约束因子求得方程的最佳解。结果表明，当采用近星下点的AMSU—A亮温资料样本时，该算法模型具有较高的反演精度，在100hPa以下，温度均方根偏差为0．4K，100hPa及以上的均方根偏差为1．0K。用同样的约束回归算法对AMSU偏离星下点的观测视场作了临边订正，对于通道4～14（频率52．8～57．29GHz）的大气探测通道，使其最大偏差由-15～5K减小为4-0．9K。利用反演的温度，对2002-2003年登陆和影响我国的15个热带气旋的暖心结构作了分析，发现AMSU温度不仅能够清晰地反映热带气旋的暖核结构，而且其温度距平值与热带气旋中心风速和最低海平面气压有较好的相关关系，对实际分析预报有一定的参考价值：     

基于卫星资料进行热带气旋强度客观估算

利用日本MTSAT (multi-functional transport satellite) 红外亮温资料,提取热带气旋云团中云顶较高、对流较旺盛的深对流信息,根据提取的对流核数量、对流核距热带气旋中心距离、对流核亮温极值等信息表征热带气旋强弱,初步建立了热带气旋强度估测模型;并根据该估算模型的误差分布对强度 (用最大风速表示) 大于40 m·s-1和小于18 m·s-1的样本结果进行了线性修正,修正后的结果与中国气象局《热带气旋年鉴》热带气旋最佳路径资料比较得到非独立样本和独立样本的强度平均绝对误差分别为5.5 m·s-1和5.9 m·s-1, 均方根误差分别为6.9 m·s-1和7.7 m·s-1;对于热带低压、强台风及以上的估计平均绝对误差分别降至4.9,4.7 m·s-1,准确度较好。试验表明:利用热带气旋云团中的对流核数量、分布、冷暖与其强度建立的统计关系模型是可行的,该算法的估算精度与Dvorak方法、AMSU (advanced microwave sounding unit) 定强算法相当。     

AMSU资料揭示的不同强度热带气旋热力结构特征

运用美国NOAA-16极轨气象卫星高分辨率的AMSU探测资料和邻近时刻的NCEP数值预报资料，对2002年6月10日至9月10日发生在西北太平洋上的12个热带气旋生命史中的部分时次作了热力结构分析。发现AMSU资料不仅能够敏感地探测到不同强度热带气旋的多种地球物理参数，并且通过对这些参数的进一步处理，能够展示出它们各自重要的热力结构特征；由不同强度热带气旋对流层中上层暖异常区的高度、强度、范围和形状的差异以及其对流层上层温度负距平的高度、大小和分布不同，结合相应的湿度场结构特征，可以探寻其热力结构与气压变化之间的内在联系，通过这种热力结构的变化趋势可以进一步揭示出热带气旋未来的强度变化。     

基于风云三号微波成像仪的热带气旋强度的多元统计估计方法研究

利用中国风云三号微波成像仪数据开展西北太平洋热带气旋强度多元统计估计方法研究。⑴ 分析各通道以热带气旋中心为圆心,不同半径的同心圆和同心圆环内的亮温参数与热带气旋最大风速之间的定量关系,结果表明:低频通道1.0 °和1.5 °以内亮温的最小值、大于某亮温阈值的象元百分比和平均值与最大风速之间的相关性最高。⑵ 利用主分量分析和多元回归方法建立适合于西北太平洋上的热带气旋强度估计模型,其独立样本检验的均方根误差为13 kt。此模型在热带气旋发展的初始阶段会出现最大风速的高估,而在热带气旋发展的成熟阶段会出现最大风速的低估,正负偏差的分界点出现在70 kt左右,偏差较大的个例大多是未形成规则的热带气旋云系结构,且具有非常明显的不对称性。因此估计热带气旋强度时考虑热带气旋的云系结构特征将有助于进一步提高估计精度,且随着热带气旋样本数的增多,精度也有望进一步提高。      

用地球同步气象卫星红外云图估计热带气旋的强度

本文根据日本的地球静止卫星红外云图,概括了与热带气旋强度有关的四方面云图特征,即:环流中心与深对流密蔽云区的相对位置关系;眼区的形状、大小和清晰程度;中心深对流密蔽云区范围的大小和螺旋云带的特征。然后,把上述四个因素作为热带气旋强度的指数。综合这些因素,得到热带气旋的强度特征数T。由近100次观测得出热带气旋中心的最大风力V_(max)与T的相关曲线和描写它们的经验关系式V_(max)=7.813(T-1)(米/秒)。在仅有卫星观测的情况下,用上述关系可以估计热带气旋的强度。     

利用TMI反演的水汽凝结物对热带气旋潜热结构分布的探索研究

本文利用热带测雨卫星TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）微波成像仪TMI（TRMM Microwave Imager）2A12 水汽凝结物（Hydrometeor）反演资料,对西北太平洋地区从1998～2009 年的236 个热带气旋个例的1776 个“快照”（snapshot）的水汽凝结物的结构特征进行了分析,并探讨了水汽凝结物的时空变化与热带气旋强度演变联系。研究结果表明:（1）TMI 2A12 水汽凝结物资料显示出了热带气旋内部的细致结构及变化特征,水汽凝结物的峰值集中于数十公里到一百多公里的热带气旋眼壁及云墙区;在热带气旋发展过程中,随着热带气旋强度的增强,水汽凝结物增多且往其中心靠拢,从发展阶段到成熟阶段,水汽凝结物的大值中心基本上集中在距离热带气旋中心约50 km 区域,而且强度越强的热带气旋,水汽凝结物的大值中心与热带气旋中心的距离越近;在热带气旋消亡的过程中,水汽凝结物不断减弱且往外围扩散,逐渐扩展到远离中心的区域;（2）热带气旋强度与水汽凝结物的分布关系密切,热带气旋强度变化与热带气旋中心附近200 km 范围内的水汽凝结物含量存在显著的正相关,而200 km 以外的外围水汽凝结物含量存在负相关;（3）热带气旋强度变化与水汽凝结物的变化存在时间差,水汽凝结物的变化超前于热带气旋强度的变化,在热带气旋迅速发展之前数小时,热带气旋中心0～50 km 环状区域的水汽凝结物含量就已经提前增加了,在热带气旋减弱前数小时到十数小时,即使热带气旋还处于它强度的鼎盛时期,其中心0～50 km 环状区域的水汽凝结物含量就已经提前显著减少了,这种水汽凝结物的变化超前于热带气旋强度的变化的现象,可能是热带气旋强度预报的潜在线索。     

应用AMSU-B微波资料分析0509号Matsa台风水汽场分布特征

热带气旋的形成、发展、移动以及消亡与大范围水汽输送和集中息息相关。此研究以2006年7—8月的AMSU-B的183.3±1、183.3±3、183.3±7GHz三个水汽通道亮温为主要资料源,利用三个通道所在的权重高度差异,分别建立了对流层高、中、低层水汽量与三个通道亮温的e指数统计回归关系。在此基础上,选取西北太平洋2005年09号麦莎台风,利用AMSU-B亮温通过回归关系式计算出的高、中、低层水汽量,就其水汽输送与强度变化关系进行了分析。结果表明,其一,微波水汽通道亮温能够很好地表征热带气旋环境场不同高度的水汽分布和水汽输送,尤其是对流层中层亮温的变化显示出的水汽量的变化与热带气旋强度密切相关;其二,热带气旋发展过程中,除了西南季风形成的西南水汽通道是水汽维持的重要输送带外,东南水汽通道也经常成为登陆热带气旋强度维持的主要水汽供给。     

AMSU资料变分同化及在暴雨数值模拟中的应用研究

在中尺度数值模拟中,利用中国气象科学研究院数值天气预报创新基地开发的GRAPES三维变分同化系统,对AMSU-A/B微波遥感资料进行了同化试验,研究了这种资料在我国夏季暴雨数值预报中的作用。以2003年7月4日的一次暴雨过程为例,分析了同化结果及模拟结果,结果表明:(1)单独同化AMSU-A资料主要改进了初始温度场,而单独同化AMSU-B资料主要改进了初始湿度场;(2)无论是同化AMSU-A资料还是同化AMSU-B资料,对暴雨预报都有一定的改进作用,但是同化AMSU-B资料的改进作用更明显;(3)同时同化AMSU-A/B资料比只使用其中一种资料的模拟效果好,可以更好地改进模拟的暴雨落区及强度,使结果与实况更加接近。使用AMSU资料,对我国夏季暴雨数值预报有改进作用。     

A scheme for estimating tropical cyclone intensity using AMSU-A data

Brightness temperature anomalies measured by the Advanced Microwave Sounding Unit （AMSU） on the National Oceanic and Atmospheric Administration （NOAA） polar-orbiting series are suited to estimate tropical cyclone （TC） intensity by virtue of their ability to assess changes in tropospheric warm core struc-ture in the presence of clouds. Analysis of the measurements from different satellites shows that the variable horizontal resolution of the instrument has significant effects on the observed brightness temperature anoma-lies. With the aim to decrease these effects on TC intensity estimation more easily and effectively, a new simple correction algorithm, which is related to the product of the brightness temperature gradient near the TC center and the size of the field-of-view （FOV） observing the TC center, is proposed to modify the observed anomalies. Without other measurements, the comparison shows that the performance of the new algorithm is better than that of the traditional, physically-based algorithm. Furthermore, based on the correction algorithm, a new scheme, in which the brightness temperature anomalies at 31.4 GHz and 89 GHz accounting for precipitation effects are directly used as the predictors with those at 54.94 GHz and 55.5 GHz, is developed to estimate TC intensity in the western North Pacific basin. The collocated AMSU-A observations from NOAA-16 with the best track （BT） intensity data from the Japan Meteorological Agency （JMA） in 2002-2003 and in 2004 are used respectively to develop and validate regression coefficients. For the independent validation dataset, the scheme yields 8.4 hPa of the root mean square error and 6.6 hPa of the mean absolute error. For the 81 collocated cases in the western North Pacific basin and for the 24 collocated cases in the Atlantic basin, compared to the BT data, the standard deviations of the estimation differences of the results are 15% and 11% less than those of the CIMSS （Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies, Univ     

ATOVS资料同化方案对暴雨模拟效果的影响

本文利用WRF 模式及其3DVar 同化系统,以2009 年6 月29 日00 时到30 日00 时的湖北鹤峰暴雨为研究个例,对ATOVS 探测器的AMSU-A、AMSU-B 和HIRS 三类资料进行了不同的同化方案试验。结果表明:同化ATOVS 三类资料对暴雨模拟的影响不同,HIRS 资料对暴雨模拟效果改进最大,AMSU-B 次之,AMSU-A 最小。同时同化ATOVS 三类资料时,AMSU-A 资料起主要作用,其同化效果与同时同化ATOVS 三类资料相近,优化组合同化AMSU-B 和HIRS 资料的效果最好。同化ATOVS 不同资料对初始要素场的影响不同,AMSU-A 资料主要影响大气温度场,AMSU-B 资料对中高空要素场的影响较大,HIRS 资料对低空湿度场及风场的协同改变最有利于降水模拟的改善。同时ATOVS 资料的稀疏分辨率也是影响同化效果的一个因子,在模式分辨率不变时,同化资料稀疏分辨率可能存在最佳选择。     

NOAA／AMSU温度反演在强热带风暴“碧利斯”研究中的应用

基于中国海洋大学卫星地面站提供的数据,通过NOAA／AMSU温度反演资料对2006年第4号强热带风暴“碧利斯”进行路径估算、结构再现、强度分析。结果表明,采用250hPa温度场信息进行强热带风暴中心定位,可以较准确地估算台风路径;在利用卫星数据反演的AMSU—B150GHz通道亮温图像上叠加风场信息,可以清晰地反映台风的螺旋结构,同时利用AMSU数据反演得到的亮温距平剖面图能够很好地反映台风强度。     

Remote Sensing of Tropical Cyclone Thermal Structure from Satellite Microwave Sounding Instruments: Impacts of Optimal Channel Selection on Retrievals

Accurate information on atmospheric temperature of tropical cyclones (TCs) is important for monitoring and prediction of their developments and evolution. For hurricanes, temperature anomaly in the upper troposphere can be derived from Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) and Advanced Technology Microwave Sounder (ATMS) through either regression-based or variational retrieval algorithms. This study investigates the dependency of TC warm core structure on emission and scattering processes in the forward operator used for radiance computations in temperature retrievals. In particular, the precipitation scattering at ATMS high-frequency channels can significantly change the retrieval outcomes. The simulation results in this study reveal that the brightness temperatures at 183 GHz could be depressed by 30–50 K under cloud ice water path of 1.5 mm, and thus, the temperature structure in hurricane atmosphere could be distorted if the ice cloud scattering was inaccurately characterized in the retrieval system. It is found that for Hurricanes Irma, Maria, and Harvey that occurred in 2017, their warm core anomalies retrieved from ATMS temperature sounding channels 4–15 were more reasonable and realistic, compared with the retrievals from all other channel combinations and earlier hurricane simulation results.     

热带气旋垂直倾斜度估算及在强度分析中的应用

该文给出了热带气旋暖心垂直倾斜度参数F_TC-VGP(TC vertical gradient parameter) 的定义。使用卫星微波遥感的温度垂直分布以及热带气旋最佳路径数据等资料,对2009—2011年典型热带气旋的暖心垂直倾斜度进行计算,并研究其与气旋强度变化的关系。结果表明:暖心垂直倾斜度参数F_TC-VGP变化与气旋自身强度变化有较好的对应性,该参数的变化能够明显地指示气旋强度增强、减弱以及强度突变, 能够指示环境场变化 (冷空气侵入) 等;其与气旋强度变化的周期不同,在强度增强或减弱阶段,倾斜度参数是经过快速适应性调整才完成了对热带气旋变化过程的贡献。因此,F_TC-VGP参数的计算和研究结果实现了对于热带气旋内部三维结构特征的定量描述,可以准确把握热带气旋强度和变化趋势,并对热带气旋的监测、预报具有一定业务参考价值。     

ATOVS 不同卫星资料在台风模拟中的同化试验研究

利用美国国家大气研究中心(NCAR)开发的中尺度模式WRF(ARW)V3.2 及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,以1011 号超强台风“ 凡亚比” 为个例,采用连续循环同化的方法对ATOVS 卫星资料进行同化试验,探讨了同化ATOVS 不同卫星资料对“ 凡亚比” 模拟的影响。结果表明,强度影响方面:同化ATOVS不同资料均可有效改善台风强度,台风中心海平面气压平均偏差从42 hPa 下降到18 hPa,但不同资料间的差异并不显著,平均在6 hPa 以内,这表明仅同化ATOVS 资料对台风强度的改善相对有限。路径影响方面:(1)不同卫星的同一种传感器资料效果略有不同,同化NOAA-18 和NOAA-15 的AMSU-A 资料效果较好,NOAA-16 的AMSU-A 效果较差;同化NOAA-15 和NOAA-16 的AMSU-B 资料效果相当,且均优于AMSU-A 资料。(2) 同一颗卫星不同传感器资料的差异较大,同化AMSU-B 资料的改善较为明显,HIRS-3 次之,AMSU-A较差,而同时同化不同资料并没有带来更为明显的改善。(3) 同时同化多颗卫星ATOVS 资料的试验表明,将多种资料引入到同化系统的同时,也带来相应的累积误差,因而仅同化一颗卫星可能比同时同化两颗或三颗卫星ATOVS 资料的效果要好。