Dvorak技术估测热带气旋强度研究进展

在常规观测资料稀少的热带洋面上,卫星云图是监测热带气旋的主要工具。Dvorak技术通过一系列经验规则,将热带气旋在卫星云图中表现出来的云系结构特征及特定的参数同其发展强度联系起来。介绍了利用Dvorak技术估测热带气旋强度的研究背景和原理方法,总结了国内外在该领域的研究进展及其存在的优势和不足,指出Dvorak技术是目前业务化估测热带气旋强度的主要工具,同时展望了该技术未来的发展方向。     

热带气旋强度资料的差异性分析

通过对比西北太平洋3个主要预报中心(中国气象局(CMA)、日本东京台风中心(RSMC Tokyo)和美国联合台风警报中心(JTWC))的16 a数据,分析了不同来源的热带气旋(TC)强度资料的差异性。结果表明:CMA与RSMCTokyo和JTWC的TC强度均值分别相差0.6和1.7 m/s,均通过1%信度的统计检验,即存在显著差异;3个中心对同一TC确定的强度最大差异超过30 m/s;CMA资料的台风数多于RSMC Tokyo和JTWC,年台风频数的均方差也最大,但是3个中心资料的各级TC频数差异均无统计显著性。对比有、无飞机探测时段的资料发现,对TC进行飞机探测可在一定程度上减小各中心在确定TC强度方面的分歧。为了初步了解上述资料问题对TC强度预报的可能影响,采用一个气候持续性预报方法,取不同来源的TC强度资料进行了4 a(2000—2003年)的预报。发现据JTWC资料所得TC强度预报有最大的均方根误差,RSMCTokyo的最小,CMA居中;据CMA和RSMC Tokyo(CMA和JTWC)资料,对相同TC相同时次24 h预报的平均绝对偏差达2.5(4.0)m/s,最大可相差16(21)m/s。可见,西北太平洋TC强度的基本资料问题增加了预报的难度。     

西北太平洋热带气旋强度资料的对比

在获取关岛联合台风警报中心(JTWC)以及中国气象局《台风年鉴》和《热带气旋年鉴》自1949—2004年西北太平洋热带气旋强度(近中心最大风力)资料的基础上,着重比较了两者在时间变化上的差异,结果显示:热带风暴以上近56 a所有样本的平均风速前者小于后者0.81 m.s-1,而这一差异主要的贡献是强台风以上样本。两资料集最显著的特征是热带风暴以上年平均风速随时间变化的差异上,自1970s中期到1990s中期,两者的走势趋向呈相反的态势,前者呈上升趋势,后者呈下降趋势,特别是强台风以上样本表现更为突出。利用资料相对稳定性原则,对JTWC和《台风年鉴》资料进行校正,1990s以来JTWC估计的热带气旋强度可能偏大,1970s之前《台风年鉴》估计的数值也可能偏大。     

利用雷达回波特征和地面资料确定热带气旋强度

1引言在热带气旋监测预报中，有经验的预报员，一般都能根据不同热带气旋的回波结构，定性地判断热带气旋强度，但怎样认定性地判断提高到定量地确定热带气旋强度，这个问题，关键在于怎样选择与热带气旋强度有密切关系的回波特征要素和地面资料要素。本文以1983～1993年对影响珠江三角洲附近地区11个热带气旋的雷达回波资料和地面资料，用相关法筛选出6个能描述热带气旋强度的因子，尝试制作一种可用人机结合定量确定热带气旋强度的方法。2选择与热带气旋强度有密切关系的因子根据历年热带气旋各时次强度所对应的雷达回波要素和地面资料要…     

热带气旋强度变化研究进展

自20世纪90年代后期以来,热带气旋强度变化研究越来越受到人们的重视,随着研究的不断深入,热带气旋强度变化研究取得了可喜的进展,文中总结近年来热带气旋强度变化的主要研究成果,主要包括(1)热带气旋的发生、发展和最大可能强度的研究;(2)行星涡度梯度、环境均匀流、环境流场垂直切变以及热带气旋外流与环境流的相互作用对热带气旋强度的影响及物理机制;(3)热带气旋结构与强度的变化关系,着重总结环境流场导致的非对称结构变化而引起的热带气旋强度变化以及对涡旋倾斜发展理论验证,分析了涡旋Rossby波的最新研究;(4)海洋热状况变化以及海洋飞沫对热带气旋强度的影响研究成果。分析指出,今后进一步开展用现代化卫星探测资料研究热带气旋强度变化外,还应加强热带气旋外流与环境流场的相互作用,海-气交界面的参数化问题,热带气旋结构变化与TC强度变化关系以及这种关系的物理本质的研究,通过深入研究,认识热带气旋强度变化的物理机制,提高热带气旋强度变化的预报能力。     

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。     

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。     

ANALYSIS OF TROPICAL CYCLONE PRECIPITATION FOR DIFFERENT INTENSITY CLASS IN NORTHWEST PACIFIC WITH TRMM DATA

Combined with TRMM products and Tropical Cyclone (TC) best track data in Northwest Pacific from 1 January 2003 to 31 December 2009, a total of 118 TCs, including 336 instantaneous TC precipitation observations are established as the TRMM TC database, and the database is stratified into four intensity classes according to the standard of TC intensity adopted by China Meteorological Administration (CMA): Severe Tropical Storm (STS), Typhoon (TY), Severe Typhoon (STY) and Super Typhoon (SuperTY). For each TC snapshot, the mean rainfall distribution is computed using 10-km annuli from the TC center to a 300-km radius, then the axisymmetric component of TC rainfall is represented by the radial distribution of the azimuthal mean rain rate; the mean rain rates, rain types occurrence and contribution proportion are computed for each TC intensity class; and the mean quadrantal distribution of rain rates along TCs motion is analyzed. The result shows that: (1) TCs mean rain rates increase with their intensity classes, and their radial distributions show single-peak characteristic gradually, and furthermore, the characteristics of rain rates occurrence and contribution proportion change from dual-peak to single-peak distribution, with the peak rain rate at about 5.0 mm/h; (2) Stratiform rain dominate the rain type in the analysis zone, while convective rain mainly occurred in the eye-wall region; (3) The values of mean rain rate in each quadrant along TCs motion are close to each other, relatively, the value in the right-rear quadrant is the smallest one.     

基于卫星遥感的热带气旋定强技术综述

热带气旋大部分时间活动在常规观测缺乏的海洋上,卫星遥感作为大范围对地观测的主要技术,为热带气旋强度估算(定强)提供了重要支撑。近年来,热带气旋定强技术的资料应用逐渐从单通道数据拓展到红外、水汽、微波等多通道数据,建模方法也从人为特征提取的线性模型发展到自动特征工程的非线性深度学习模型。在未来,多通道和多卫星资料的融合应用依旧是重点,将人为定义的特征因子与深度学习方法相结合、在静止卫星上搭载微波探测仪器等预计会带来定强精度的新突破。     

STUDY ON THE MULTIVARIATE STATISTICAL ESTIMATION OF TROPICAL CYCLONE INTENSITY USING FY-3 MWRI BRIGHTNESS TEMPERATURE DATA

A technique for estimating tropical cyclone (TC) intensity over the Western North Pacific utilizing FY-3 Microwave Imager (MWRI) data is developed. As a first step, we investigated the relationship between the FY-3 MWRI brightness temperature (TB) parameters, which are computed in concentric circles or annuli of different radius in different MWRI frequencies, and the TC maximum wind speed (Vmax) from the TC best track data. We found that the parameters of lower frequency channels’ minimum TB, mean TB and ratio of pixels over the threshold TB with a radius of 1.0 or 1.5 degrees from the center give higher correlation. Then by applying principal components analysis (PCA) and multiple regression method, we established an estimation model and evaluated it using independent verification data, with the RMSE being 13 kt. The estimated Vmax is always stronger in the early stages of development, but slightly weaker toward the mature stage, and a reversal of positive and negative bias takes place with a boundary of around 70 kt. For the TC that has a larger error, we found that they are often with less organized and asymmetric cloud pattern, so the classification of TC cloud pattern will help improve the acuracy of the estimated TC intensity, and with the increase of statistical samples the accuracy of the estimated TC intensity will also be improved.     

利用AMSU-B和GOES-9卫星资料对热带气旋“蒲公英”的分析

利用NOAA-16/AMSU-B三水汽通道微波亮温差和GOES-9红外亮温阈值对热带气旋深厚对流云进行检测,同时利用GOES-9可见光、红外、水汽多光谱通道特征对热带气旋云系进行识别,通过一次台风“蒲公英”个例,对热带气旋在微波和光学遥感图像上的深厚对流云进行分析。结果表明,微波和光学遥感资料均能对热带气旋深厚对流云进行有效识别,检测结果基本一致,但识别出的对流云,微波范围较小,光学遥感范围较大,这可能是由于光学遥感仅能获得云顶信息,将对流云顶部覆盖的卷云错判造成的;即使采用较低亮温阈值,光学遥感也很难将这部分卷云完全分离,而微波对云更具穿透性,在深厚对流云的识别方面具有独特优势;三水汽通道间微波亮温差反映了深厚对流云的发展强度,可间接揭示热带气旋的发展情况。     

西北太平洋热带气旋强度变化的统计特征

用中国气象局整编的1949-2003年共55年的《台风年鉴》和《热带气旋年鉴》资料,依据平均值与标准差的数学涵义,给出了TC突然增强、缓慢增强、强度稳定、缓慢减弱和突然减弱的标准,分析了西北太平洋热带气旋(TC)强度变化的年代际、年际、月际、日变化和区域分布的基本特征。结果表明:(1)1960年代以前,T℃的年平均增强或减弱幅度较小。(2)在TC出现较为频繁的夏秋季节,8月份TC强度变幅较小。TC在14时(北京时,下同)最易发展,20时最易减弱;08时TC增强速度最快,02时最慢;02时TC减弱速度最快, 20时最慢。(3)TC频数和增强TC频数的高值区位于海南岛以东的南海北部中国近海区域和菲律宾以东洋面,减弱类TC频数极值区在吕宋岛及其东部海域、海南岛以西的北部湾、广东沿岸。(4)TC突然增强不出现在30°N以北的中高纬地区和0—5°N的低纬地区。TC突然减弱多出现在125°E以西的中国近海大范围海域,在0～5°N的低纬地区基本不出现。     

EFFECTS OF VERTICAL WIND SHEAR ON TROPICAL CYCLONE INTENSITY CHANGE

The effects of vertical wind shear on tropical cyclone (TC) intensity change are examined based on the TC data from the China Meteorological Administration and the NCEP reanalysis daily data from 2001 to 2006. First, the influence of wind shear between different vertical levels and averages in different horizontal areas are compared. The results indicate that the effect of wind shear between 200 and 850 hPa averaged within a 200–800 km annulus on TC intensity change is larger than any other calculated vertical wind shear. High-latitude and intense TCs tend to be less sensitive to the effects of VWS than low-latitude and weak TCs. TCs experience time lags between the imposition of the shear and the weakening in TC intensity. A vertical shear of 8–9 m/s (9–10 m/s) would weaken TC intensity within 60 h (48 h). A vertical shear greater than 10 m/s would weaken TC intensity within 6 h. Finally, a statistical TC intensity prediction scheme is developed by using partial least squares regression, which produces skillful intensity forecasts when potential predictors include factors related to the vertical wind shear. Analysis of the standardized regression coefficients further confirms the obtained statistical results.     

卫星资料在登陆热带气旋降水研究中的应用

本文全面、系统地归纳总结了国内外利用卫星资料对登陆热带气旋降水的研究工作,指出利用卫星资料对登陆热带气旋降水估计及预报研究所存在的不足,并对未来研究进行了展望。     

IMPACT OF SEA SPRAY ON TROPICAL CYCLONE STRUCTURE AND INTENSITY CHANGE

In this paper,the effects of sea spray on tropical cyclone(TC)structure and intensity variation are evaluated through numerical simulations using an advanced sea-spray parameterization from the National Oceanic and Atmospheric Administration/Earth System Research Laboratory(NOAA/ESRL),which is incorporated in the idealized Advanced Research version of the Weather Research and Forecast (WRF-ARW)model.The effect of sea spray on TC boundary-layer structure is also analyzed.The results show that there is a significant increase in TC intensity when its boundary-layer wind includes the radial and tangential winds,their structure change,and the total surface wind speed change.Diagnosis of the vorticity budget shows that an increase of convergence in TC boundary layer enhances TC vorticity due to the dynamic effect of sea spay.The main kinematic effect of the friction velocity reduction by sea spray produces an increment of large-scale convergence in the TC boundary layer,while the radial and tangential winds significantly increase with an increment of the horizontal gradient maximum of the radial wind, resulting in a final increase in the simulated TC intensity.The surface enthalpy flux enlarges TC intensity and reduces storm structure change to some degree,which results in a secondary thermodynamic impact on TC intensification.Implications of the new interpretation of sea-spray effects on TC intensification are also discussed.     

热带气旋的体积及与强度关系的研究

热带气旋(TC)的结构(含形态)与强度及其变化关系密切,著名的Dvorak定强技术即为TC形态(水平)变化与强度关系的生动描述,近年来水平尺度与强度变化的关系也渐受关注。然而,至今未涉及整体形态(即体积)与TC强度变化的关系。利用欧洲中期数值预报中心(ECMWF)0.25 °的ERA-Interim再分析资料,统计并初步分析了2006—2015年西北太平洋TC的外围水平尺度和“体积”的特征及其与强度的可能关系:水平尺度与TC强度的相关性总体较弱;而TC“体积”与强度的相关性更显著,且TC“体积”随强度增强而增大的关系适用于所有强度级别;此外,TC垂直尺度(正涡度区伸展高度)与强度也有一定的正相关,且在TC较弱时(台风强度以下)更显著。伴随较弱TC增强的主要是垂直尺度的增大,当TC达到台风强度后,与TC强度继续增强相伴随的主要是水平尺度的增大。TC“体积”能较好地综合表征水平尺度和垂直尺度与TC强度变化的关系,借助TC“体积”对TC强度预报有一定的参考价值。      

陆地摩擦对登陆热带气旋路径和强度影响的模拟研究

采用准地转正压涡度方程模式,对地形强迫和陆地摩擦作用下登陆热带气旋的路径和强度进行了模拟研究。模拟结果表明：在考虑地形摩擦耗散作用时,热带气旋可能出现路径的突然偏折;在热带气旋强度比较弱而陆地摩擦作用比较强的情况下,热带气旋路径容易发生突然偏折,且其强度的突然变化不明显;陆地摩擦作用可能是造成登陆前后热带气旋路径突然偏折的一个重要因素。