衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)展_圖文

1、第 26卷 第 4期 2011年 4月地球科學(xué)進(jìn)展ADVANCES I N EARTH SC I ENCEV o. l 26N o . 4 A pr . , 2011文章編號 :1001-8166(2011 04-0386-08衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)展詹奕哲 , 王振會 , 官 莉 , 張 蕾(1. 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 , 江蘇 南京 210044;2. 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院 , 江蘇 南京 210044摘 要 :臺風(fēng)作為全球危害巨大的自然災(zāi)害 , 對其路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度尤為重要 。 在常規(guī)觀測資料稀 少的熱帶洋面上 , 衛(wèi)星云圖是監(jiān)測熱帶氣旋的主

2、要工具 , 其中衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)技術(shù) , 通過對云及晴空區(qū)特 征的追蹤 , 反演出的衛(wèi)星風(fēng)矢 , 在一定程度上彌補(bǔ)了海洋上由于風(fēng)場觀測資料稀缺對臺風(fēng)路徑研究 的限制 , 顯著提高了臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)水平 。 結(jié)合近年來逐步成熟的衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)中的云導(dǎo)風(fēng)技術(shù)在臺風(fēng) 預(yù)報(bào)上的應(yīng)用 , 總結(jié)了國內(nèi)云導(dǎo)風(fēng)技術(shù)在改善臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中的貢獻(xiàn) , 如加密觀測資料 、 臺風(fēng)中心 定位 、 優(yōu)化數(shù)值模式初始場和客觀分析場 、 構(gòu)造人造臺風(fēng) Bogus 模型以及由其揭示的發(fā)展和不發(fā)展 熱帶氣旋的對流層上部環(huán)流特征 , 同時(shí)展望了衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)技術(shù)及其資料在臺風(fēng)預(yù)報(bào)實(shí)際應(yīng)用中有待 進(jìn)一步研究的內(nèi)容 。關(guān) 鍵 詞 :衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng) ; 云導(dǎo)風(fēng) ; 臺

3、風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中圖分類號 :P405; P444文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :A1引 言熱帶氣旋 (Trop ica l Cyclone , TC 是一種暖心結(jié) 構(gòu)的、 具有巨大破壞性的天氣事件和自然災(zāi)害。在 與中國密切相關(guān)的西北太平洋地區(qū) , 臺風(fēng)主要源地 為關(guān)島的西南部、 馬紹爾群島附近及南海的中、 東部 3個(gè)海域 1。 Gray 2曾對全球八大洋區(qū)熱帶風(fēng)暴的 發(fā)生數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì) , 表明西北太平洋是全球熱帶風(fēng)暴 最多的地區(qū) , 全球熱帶風(fēng)暴的 36%集中于此。隨著 對臺風(fēng)路徑研究的深入 , 從 20世紀(jì) 50年代把臺風(fēng) 渦旋作為隨大尺度引導(dǎo)氣流漂移的一個(gè)質(zhì)點(diǎn) , 到 50 90年代把臺風(fēng)當(dāng)作一個(gè)軸對稱的渦旋系統(tǒng)

4、 , 再到 目前同化各種非常規(guī)資料 , 用人工資料 (bogus 來構(gòu) 造一個(gè)擬真的非對稱人造臺風(fēng) , 并提高模式的垂直 和水平分辨率 , 改進(jìn)模式物理過程 , 從而提高了預(yù)報(bào) 能力 , 縮小了預(yù)報(bào)誤 差 3。近年來 , 國際臺 風(fēng)界認(rèn) 為 , 正確給出初始臺風(fēng)模型 , 是提高路徑預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率 的一個(gè)關(guān)鍵問題。而對臺風(fēng)轉(zhuǎn)折路徑的預(yù)報(bào) , 除考 慮大尺度環(huán)流形式對熱帶氣旋路徑的影響外 , 當(dāng)熱 帶氣旋某側(cè)有對流云團(tuán)顯著發(fā)展時(shí) , 應(yīng)充分考慮其 對熱帶氣旋路徑的可能 影響 4。對 流云團(tuán)屬于中 小尺度系統(tǒng) , 在洋面常規(guī)觀測資料中常常因站點(diǎn)稀 疏而被忽略。而引入衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)資料 , 不僅可以改進(jìn) 初始臺

5、風(fēng)環(huán)流 , 使路徑預(yù)報(bào)有所改善 , 而且還大幅度 地加密了洋面觀測風(fēng)場 , 為盡早發(fā)現(xiàn)中小尺度系統(tǒng) 創(chuàng)造了更好的條件。衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng) 或稱 AMV s(A t m osphere M otion Vec -to rs 通過紅外 (I R 、 水汽 (WV 和可見 光 (V IS 衛(wèi) 星云圖上追蹤云或通過水汽 (WV 通道內(nèi)的晴空特 征反演出風(fēng)場矢量 5。其中 , 云導(dǎo)風(fēng)資料已被證明 對天氣分析和預(yù)報(bào) , 尤其是對探測資料稀少的海洋 和沙漠地區(qū)有積極作用 6。對全球 天氣和臺風(fēng)分 析以及提供數(shù)值預(yù)報(bào) N W P (Nu m ericalW eather Pre -diction 初始風(fēng)場資料都是十分重

6、要的 7。云跡風(fēng)¹收稿日期 :2010-07-22; 修回日期 :2010-11-03.*基金項(xiàng)目 :國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 /臺風(fēng)登陸前后異常變化及機(jī)理研究 0(編號 :2009CB421502; 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 /傅里葉 相位分析技術(shù)研究及其在衛(wèi)星云圖導(dǎo)風(fēng)的應(yīng)用 0(編號 :40475018 資助 .作者簡介 :詹奕哲 (1988-, 男 , 福建三明人 , 碩士研究生 , 主要從事衛(wèi)星遙感資料的研究和應(yīng)用工作 . E -m a i :l s m z yz 126. co m資料己經(jīng)廣泛應(yīng)用于臺風(fēng)、 暴雨和洪澇災(zāi)害、 中尺度 天氣分析等天氣學(xué)研究 , 云跡風(fēng)能清楚生動

7、地顯示 天氣系統(tǒng)發(fā)展變化的細(xì)節(jié) , 對暴雨落區(qū)分析及預(yù)測、 臺風(fēng)范圍以及熱帶氣旋移向預(yù)報(bào)等方面有重要的指 示意義 6。國際上應(yīng)用靜止衛(wèi)星資料反演云跡風(fēng)是從 20世紀(jì) 70年代開始的 , 我國雖然在此領(lǐng)域起步較晚 , 但自 1997年發(fā)射第一顆地球靜止氣象衛(wèi)星以來 , 我 國云跡風(fēng)反演 技術(shù)已取得了很 快的發(fā)展。許健民 等 8, 9用紅外和水汽 2個(gè)通道的衛(wèi)星測值指定云跡 風(fēng)的高度 , 陳華等 10用高度調(diào)整法進(jìn)行云跡風(fēng)高度 的質(zhì)量控制 , 有效地提高了各個(gè)高度層的云跡風(fēng)風(fēng) 矢準(zhǔn)確性。在將云跡風(fēng)資料應(yīng)用到臺風(fēng)移向預(yù)報(bào)的 研究中 , 張守峰等 11的研究表明 , 衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)資料 訂正客觀分析風(fēng)場對

8、臺風(fēng)路徑有明顯改進(jìn) ; 所構(gòu)造 的臺風(fēng)模型非對稱風(fēng)場對臺風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)也有所改 進(jìn)。馮業(yè)榮 12利用云跡風(fēng)結(jié)合實(shí)測風(fēng) , 從渦度方程 出發(fā) , 對熱帶氣旋進(jìn)行診斷分析 , 結(jié)果表明 , 云跡風(fēng) 為熱帶氣旋的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供了重要的參考依據(jù) , 對 于判別熱帶氣旋路徑及其轉(zhuǎn)折有著特殊的意義。王 振會等 6, 13和 河惠 卿 等 14運(yùn) 用自 主 研 發(fā)的 基 于 TCFM 技術(shù)的衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng) , 得到的 導(dǎo)風(fēng)資料顯著 改善了臺風(fēng)眼壁東部區(qū)域的垂直氣流活動 , 使臺風(fēng) 螺旋雨帶更加明顯 ; 將云跡風(fēng)資料同化于 MM 5數(shù)值 模式后 , 臺風(fēng)中心誤差有所降低。本文結(jié)合近年來逐步成熟的云導(dǎo)風(fēng)技術(shù)在臺風(fēng) 預(yù)

9、報(bào)上的應(yīng)用 , 總結(jié)了云導(dǎo)風(fēng)技術(shù)在改善臺風(fēng)路徑 預(yù)報(bào)中的貢獻(xiàn) , 如加密觀測資料、 優(yōu)化數(shù)值模式初始 場和客觀分析場、 構(gòu)造人造臺風(fēng) Bogus 模型以及臺 風(fēng)中心定位 , 同時(shí)展望了云導(dǎo)風(fēng)技術(shù)及其資料在臺 風(fēng)預(yù)報(bào)實(shí)際應(yīng)用中有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。2衛(wèi)星風(fēng)資料對臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的影響Goerss 15針對衛(wèi)星觀測對中熱帶氣旋 (TC 路 徑預(yù)報(bào)的影 響 , 利 用美國 艦隊(duì) 全球 氣象 預(yù)報(bào)系 統(tǒng) (NOGAPS 對 2005年、 2006年夏季大西洋和北太平 洋海域 TC 路徑進(jìn)行了各種衛(wèi)星資料的同化分析和 預(yù)報(bào)研究 , 得到如圖 1所示的綜合結(jié)果。在圖 1a 中 , CNTL 表示在 NOGAP

10、S 中同化了所 有資料 (包含 AM 、 P W 、 S W , NOS W 是在除去同化 5顆靜止衛(wèi)星 (覆蓋熱帶和中緯度地區(qū) 的導(dǎo)風(fēng)和美 國宇航局 Aqua 和 Terra 衛(wèi)星所攜帶的 MODIS 設(shè)備 反演的極地區(qū)域的風(fēng)場 ; NOP W 為剔除了 SS M /I 大氣 可降水量的觀測資料 ; AM SU-A 輻射率資料在 NOA M圖 1衛(wèi)星觀測對熱帶氣旋 (TC 路徑預(yù)報(bào)的影響 15 F ig . 1H o m ogeneou s co mparison of (a TC track forecast error and (b percen t i m prove m en t i

11、n TC track forecast error as a re s u lt of the assi m ilation of d ifferen t sets of sate llite observations 15a . 同條件下熱帶氣旋路徑預(yù)報(bào)誤差比較 ; b . 衛(wèi)星觀測資料對熱帶氣旋路徑預(yù)報(bào)的改進(jìn)百分比中被剔除 , 由圖 1a 可見 , 熱帶氣旋路徑的預(yù)報(bào)誤差 隨預(yù)報(bào)時(shí)效增加而增加 , 但對于確定的時(shí)效 , 不使用 衛(wèi)星資料都將明顯地增大預(yù)報(bào)誤差 , 且當(dāng)剔除衛(wèi)星 導(dǎo)風(fēng)資料時(shí) , 預(yù)報(bào)誤差增大最為明顯。圖 1b 是不同 衛(wèi)星觀測設(shè)備對路徑預(yù)報(bào)的改善百分比。其中 , 對 熱帶氣旋

12、路徑預(yù)報(bào)影響最大的觀測資料是衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng) (F /TW i n ds 。同化其他衛(wèi)星資料 , 如 SS M /I大氣 可降 水 量 (SS M /I P W 、 AM SU-A 輻 射 率 (AM SU-A 、 MOD I S 風(fēng) 場 (MODI S W inds 、 ERS -2散射計(jì)風(fēng) 矢量 (SCATT 和 SS M /I 風(fēng)速 (SS M /IW S 雖亦可以 改善路徑預(yù)報(bào)精度 (除 72h 中使用 MOD I S W i n ds, 但效果都沒有使用衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)明顯。圖 1a 、 b 中都可 以看出 , 對熱帶氣旋路徑預(yù)報(bào)效果影響最大的觀測 資料是衛(wèi)星反演的風(fēng)場。同化風(fēng)場資料使預(yù)報(bào)改進(jìn) 百分

13、比從 24h 的 7%到 120h 的 24%以上。因此 , 對現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中的 應(yīng)用進(jìn)行總結(jié) , 對于進(jìn)一步研究提高臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的質(zhì)量具有重要的意義。根據(jù)國內(nèi)所做的關(guān)于云導(dǎo) 風(fēng)在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)應(yīng)用中的研究 , 可以將工作總結(jié) 為以下幾個(gè)方面。 2. 1 增加觀測資料數(shù)量增加臺風(fēng)風(fēng)場的觀測密度 , 對臺風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)起著重要作用。 1986年 Burpee 等 16曾提出 , 提高 臺風(fēng)中心以及周圍的風(fēng)場和熱力場的觀測 , 可使模 式初始分析 場得到 改善 , 而獲 得較 佳的 臺風(fēng)路 徑 預(yù)報(bào)。云導(dǎo)風(fēng)資料可以為大氣分析和數(shù)值預(yù)報(bào)模式 , 提供在赤道兩側(cè) 50b 范圍內(nèi)大量有用資料

14、 , 是對全 球風(fēng)場資料的有益補(bǔ)充 , 克服了洋面上常規(guī)觀測資 料匱乏的不足。圖 2是中國氣象科學(xué)研究院網(wǎng)上 ¹截取的常規(guī)探空站點(diǎn)與由導(dǎo)風(fēng)資料確定的細(xì)網(wǎng)格探 空位置的比較圖 , 從圖中可以清楚的看出 , 云導(dǎo)風(fēng)資 料的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)探空資料 , 且在熱帶洋面上 更有著極為巨大的優(yōu)勢。圖 2 常規(guī)探空站點(diǎn)與衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)資料 點(diǎn)比較Fig . 2 A co mparison between (a conven ti onal rad i osondesites and (b gr i d s deter m ined by C MWa . 常規(guī)探空站點(diǎn) ; b . 衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)資料點(diǎn)表 1是張

15、守峰等11以 9711號臺風(fēng)的 8月 14日 00時(shí)的客觀分析為例 , 把觀測資料加入云導(dǎo)風(fēng)前 后的結(jié)果 (表中 NH 、 NQ 、 NU 、 NV 分別表示高度、 比 濕、 緯向風(fēng)分量、 經(jīng)向風(fēng)分量的資料數(shù) 。從表 1可看出 , 在 8月 14日 00時(shí)的客觀分析 中 , 850、 500和 200hPa 的風(fēng)場觀測資料數(shù)分別由原 來的 547、 334和 603增加為 1284、 387和 2812, 資 料數(shù)明顯增加。增加的觀測資料 , 尤其 是低于 400hPa 的資料 , 雖然存在錯(cuò)誤、 凌亂的風(fēng)矢 , 但經(jīng)過合 理的質(zhì)量控制后 , 再用三維多變量的最優(yōu)插值方法 進(jìn)行客觀分析17,

16、可使云導(dǎo)風(fēng)這種非常規(guī)觀測資料直接用于改進(jìn)模式的初值。其他研究也表明 6, 12,由于熱帶氣旋附近對流云系發(fā)展旺盛 , 且相對穩(wěn)定 , 故熱帶氣旋周圍云導(dǎo)風(fēng)資料比較密集 , 能彌補(bǔ)海洋 上探空資料的不足。表 1 觀測資料加入云導(dǎo)風(fēng)前后用來進(jìn)行 客觀分析的資料數(shù)T ab le 1 Th e numb er of ob servati on s before and after joi n ing the C MW data u sed for ob jec ti ve analysis2932152152152152932. 2 臺風(fēng)定位氣象領(lǐng)域中利用衛(wèi)星云圖進(jìn)行臺風(fēng)中心定位的 2種基本方法分別是

17、基于單幅云圖的定位和基于多 幅相關(guān)云圖的定位。然而 , 單幅云圖受圖像信噪比、 分辨率和時(shí)間、 頻段的局限 , 信息量較小 , 對于人工 定位來說 , 主要依靠目測云系的幾何形狀是云墻和 云帶輔以套用模板擬合螺旋云帶的方法 , 其準(zhǔn)確率 取決于可視性特征的完整程度和工作人員的經(jīng)驗(yàn) ; 在臺風(fēng)的自動識別和定位中 , 由于機(jī)器難以自動識 別螺 旋 云 帶18, 定 位 準(zhǔn) 確 性 往 往 不 高。 其 中 ,¹www. ca m s . c m a . gov . cn /cam s _973/973_z xdt/973_ppt/04/zhang. pptDvorak 技術(shù)是目前較為通用

18、的一種業(yè)務(wù)使用方法 , 不過該方法 人工定 性判斷 的比 重較 大 , 主觀性 較 強(qiáng) 19, 20。隨后發(fā)展的先進(jìn) Dvorak 技術(shù) (ADT 采用 人工和自動 2種方法 , 但對于 TC 強(qiáng) 度較小時(shí)效果 較差 19。多幅相關(guān)云圖反映了一定 時(shí)間內(nèi)云系運(yùn) 動的變化情況 , 包含的信息量遠(yuǎn)大于單幅云圖 , 因此 它在臺風(fēng)的自動定位中能發(fā)揮更大的作用。而云導(dǎo) 風(fēng)技術(shù) , 就是基于多幅相關(guān)云圖 , 從云系反演出風(fēng)場 變化的矢量圖。它是一種基 于灰度的運(yùn)動 檢測方 法 , 能反映出臺風(fēng)云系微元的運(yùn)動趨勢。國內(nèi)學(xué)者 在此 方面做 了有 益 的嘗 試 :劉正 光 等 21利用求出的云導(dǎo)風(fēng)矢量圖中與臺

19、風(fēng)整體移動 矢量大小和方向一致的矢量集合的最密集區(qū) , 經(jīng)過 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理后得到臺風(fēng)中心。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , 用該方法進(jìn)行臺風(fēng)中心定位效果較好。王萍等 22對云導(dǎo)風(fēng)算法進(jìn)行改進(jìn) , 根據(jù)由此生 成的云導(dǎo)風(fēng)矢量圖能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)風(fēng)場繞臺風(fēng)中心旋 轉(zhuǎn)這一客觀事實(shí) , 將云導(dǎo)風(fēng)與臺風(fēng)中心的關(guān)系歸納 為臺風(fēng)定位判定規(guī)則 , 編制的定位算法對于各類形 成期臺風(fēng)具有普遍適應(yīng)性 , 表 2為其隨機(jī)選出的一些 尚處于形成期的臺風(fēng)云圖通過導(dǎo)風(fēng)方法得出的定位 結(jié)果。該結(jié)果與專家定位結(jié)果相比 , 緯度、 經(jīng)度絕對 誤差分別 0. 40、 0. 70; 平均誤差分別 0. 23、 0. 42。表 2形成期臺風(fēng)定位結(jié)果T

20、ab le 2Position i ng of the resu lts of th eformation of T yphoon編號實(shí)際中心位置 定位結(jié)果 臺風(fēng)云系范圍 北緯 東經(jīng) 北緯 東經(jīng) 緯度 經(jīng)度 名稱 Kate9904241415. 0129. 214. 9129. 91513Kate 9904242015. 4130. 015. 3129. 41010Kate 9904250216. 0130. 516. 0130. 31010Kate 9904250816. 5130. 816. 1130. 3710Kate 9904251417. 4131. 317. 6131. 7810K

21、ate 9904252018. 5132. 018. 6131. 566Kate 9904290816. 5112. 915. 9112. 6811Leo 9908200818. 0122. 417. 6122. 12015Sa m 9909200223. 5125. 623. 2125. 477B art2. 3訂正數(shù)值模式初始場數(shù)值預(yù)報(bào)的一個(gè)關(guān)鍵問題是初始場的準(zhǔn)確性。 麻素紅等 23在研究不同初始場及側(cè)邊界對臺風(fēng)路 徑預(yù)報(bào)的影響時(shí) , 指出初始值及側(cè)邊界的改進(jìn)對臺 風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的提高是非常重要的。由于在海上缺乏 觀測資料 , 常規(guī)風(fēng)場資料分布稀疏 , 通過插值得出的 流場常常難以顯示出中小尺

22、度系統(tǒng)的信息。云導(dǎo)風(fēng) 資料不受測站布點(diǎn)位置的限制 , 而且密度大精度高 , 可以彌補(bǔ)常規(guī)觀測站點(diǎn)的空間不均勻性 , 提高了資 料的空間分辨率。從而使進(jìn)入同化系統(tǒng)迭代的初始 場不僅含有大的環(huán)流形式 , 而且還含有某些中小尺 度的信息 , 得到與模式相協(xié)調(diào)的最優(yōu)初始場 , 從而使 模式預(yù)報(bào)的結(jié)果更加貼近實(shí)況。表 3是黃彥彬等 24應(yīng)用 GM S -5靜止氣象衛(wèi)星 導(dǎo)出的云跡風(fēng)資料對中尺度 G 坐標(biāo)有限區(qū)域數(shù)值 模式 (RE M 的初始風(fēng)場進(jìn)行改進(jìn)處理并進(jìn)行數(shù)值 模擬的結(jié)果。列出了 2001年 7月 28日 0000GMT (世界時(shí) 云跡風(fēng)在 G 坐標(biāo)各層增加的風(fēng)矢數(shù) , 從表 3可以看出云導(dǎo)風(fēng)在

23、G 坐標(biāo)的第 214層 181. 7 862. 1hPa 分別增加 4. 4%33. 2%的風(fēng)矢資料 , 在 426. 6hPa 的第 6層增加近 1/3的風(fēng)矢資料。其分 析得出 , 同化云跡風(fēng)資料有利于改善因測站稀疏造 成的中小 尺度系 統(tǒng)漏報(bào) 的不 足 , 提高 降水的 預(yù)報(bào) 精度。表 3云跡風(fēng)在 G 模式各層增加的風(fēng)矢數(shù)Tab le 3The i n creased C MW vectors i n each l ayer in th e G model層次/hPaCD W風(fēng)矢數(shù)增加/%層次/hPaCDW風(fēng)矢數(shù)增加 /% 1127. 2002181. 75720. 6 3238. 339

24、14. 14299. 65018. 1 5363. 13111. 26426. 69233. 2 7490. 15319. 18551. 44215. 2 9610. 33412. 310669. 3217. 6 11726. 03211. 612775. 9238. 3 13821. 33211. 614862. 1124. 4 15898. 40016930. 200 17955. 10018973. 300 19986. 900201000. 000常慧琳等 25的研究也認(rèn)為 , 云導(dǎo)風(fēng)資料彌補(bǔ)了 常規(guī)探空站點(diǎn)稀疏 , 資料不夠豐富引起的中小尺度 系統(tǒng)缺失 , 其比較了未加入云導(dǎo)風(fēng)資料和

25、加入云導(dǎo) 風(fēng)資料后 850和 200hPa 上 的風(fēng)場 , 得出導(dǎo)風(fēng)資料 可以大幅度增加高層大氣風(fēng)場資料 數(shù)量并提高質(zhì) 量 , 可以將其所含的有關(guān)天氣系統(tǒng)及系統(tǒng)演變的信 息加入到初始場中 , 對模式預(yù)報(bào)效果產(chǎn)生了十分重 要的作用。2. 4訂正客觀分 析風(fēng)場與構(gòu)造非對稱人 造臺風(fēng)模型 20世紀(jì) 90年代以前的半個(gè)世紀(jì) , 對臺風(fēng)研究 多著重在 軸對稱 的動力 過程 , 但 典型 的臺風(fēng) 是由 /軸對稱流場 0及 /非軸對稱流場 0所組成。理論研 究 26, 27證明控制熱帶氣旋 移動的 2個(gè)最重要的因 389第 4期 詹奕哲等 :衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)展子是非對稱的環(huán)境流場以及熱帶氣旋

26、的水平尺度和 外部結(jié)構(gòu)。對于非對稱的環(huán)境流場的改善 , Gray 28曾對臺 風(fēng)中心外圍 7個(gè)緯距內(nèi)的風(fēng) 場用合成技術(shù) 進(jìn)行分 析 , 結(jié)果表明 , 臺風(fēng)移向與 500hPa 合成風(fēng)向關(guān)系最 好 , 并右偏 18b 。因此可以通過使用 云導(dǎo)風(fēng)資料提 高客觀分析風(fēng)場的質(zhì)量進(jìn)行改善。張守峰等 11通 過 2種方法利用云導(dǎo)風(fēng)訂正客觀分析風(fēng)場 , 試驗(yàn)取 得較好的預(yù)報(bào)效果 , 得到的 12、 24、 36、 48h 臺風(fēng)路 徑預(yù)報(bào)誤差都比業(yè)務(wù)系統(tǒng)小 , 再通過質(zhì)量場的調(diào)整 , 獲得訂正后的協(xié)調(diào)分析場 , 又使預(yù)報(bào)精度進(jìn)一步提 高。在同化實(shí)驗(yàn)方面 , 王棟梁等 29將國家衛(wèi)星氣象 中心提供的 G M S

27、-5水汽和紅外云跡 風(fēng)資料用于美 國 NCAR /PSU中尺度模式 MM 5及其四維變分同化 系統(tǒng)。采用四維變分同化技術(shù)同化云跡風(fēng)對熱帶氣 旋路徑預(yù)報(bào)有一定改善 , 12、 24、 36和 48h 預(yù)報(bào)的平 均距離誤差分別降低 5%, 12%, 10%和 7%。王振 會等 13將云跡風(fēng)資料同化于 MM 5(V3. 6 中尺度非 靜力模式 , 得到的臺風(fēng)移動路徑與實(shí)況比較接近 , 臺 風(fēng)中心位置誤差減小 23%74%。對于熱帶氣旋的水平尺度和外部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 , 最新的技術(shù)是用人工資料 (bogus 來構(gòu)造一個(gè)擬真 的非對稱人造臺風(fēng)。在國內(nèi) , 表 4是張守峰等 30嘗 試將云導(dǎo)風(fēng)場引入到軸對稱風(fēng)

28、場上形成非對稱的人 造臺風(fēng)模擬風(fēng)場 , 并進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn) 的結(jié)果 , 可以看 出 , 構(gòu)造的非對稱人造臺風(fēng)模型風(fēng)場對減小臺風(fēng)路 徑預(yù)報(bào)誤差有一定作用。表 4云導(dǎo)風(fēng)構(gòu)造非對稱風(fēng)場進(jìn)行臺風(fēng) 路徑預(yù)報(bào) 的平均距離誤差 /k mTable 4The m ean d istance error of typhoon track forecast by the asy mm etr ica l stru cture con struc ted by C MW預(yù)報(bào)時(shí)效 12h 24h 36h 48h 試驗(yàn) 89. 8166. 0279. 1431. 3業(yè)務(wù) 129. 1182. 0350. 4526. 02.

29、 5高密度導(dǎo)風(fēng)資料揭示的發(fā)展和不發(fā)展熱帶氣 旋的對流層上部環(huán)流特征 31C ISK 理論 32認(rèn)為熱帶氣旋發(fā)展的一個(gè)基本條 件是在對流層下部邊界層內(nèi)具有天氣尺度的氣旋性 流入氣流。通過對探空資料進(jìn)行綜合分析 , Gray 2指出 :熱帶氣旋是發(fā)展還是不發(fā)展 , 與對流層上部的 環(huán)流型密切相關(guān)。不發(fā)展的熱帶氣旋對流層上部是 單一方向的氣流 , 這使云團(tuán)上空對流層中的垂直切 變較大 , 發(fā)展的熱帶氣旋對流層上部一般為多方向 的外流 , 這不僅有利于減弱氣旋上的垂直切變 , 而且 對氣旋性角動量流入也 是有利的 33。根據(jù)飛機(jī)報(bào) 告和衛(wèi)星風(fēng)結(jié)果 , Sadler 34提出發(fā)展的熱帶氣旋上 空對流層頂

30、附近具有多方向的外流。方翔等 35用 高密度衛(wèi)星風(fēng)資料分析了發(fā)展和不發(fā)展熱帶氣旋的 對流層上部環(huán)流特征 , 指出在發(fā)展的熱帶氣旋上空 對流層上部有多方向外流。在西北太平洋上 , 云團(tuán) 北側(cè)的對流層上部的西風(fēng)經(jīng)常是由深入到熱帶的中 緯度西風(fēng)槽提供的。在盛夏季節(jié)的西北太平洋 , 圖 像北側(cè)的對流層上部的西風(fēng)是由 TUTT 南側(cè)的西風(fēng) 提供的。不發(fā)展的熱帶氣旋其對流層上部通常有一 致的東風(fēng)氣流 , 消散的熱帶風(fēng)暴或臺風(fēng)其對流層上 部通常有一致的西風(fēng)氣流。2. 6衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)資料存在的不足在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中同化云導(dǎo)風(fēng)資料 , 雖然有著 上述的優(yōu)點(diǎn) , 但在當(dāng)前也存在著不足。首先 , 由于目 前所使用的云導(dǎo)風(fēng)

31、資料大多分布在高層 , 強(qiáng)度較弱 的熱帶氣旋不具有深厚的垂直結(jié)構(gòu) , 因此從云圖上 導(dǎo)出的云跡風(fēng)矢相對稀少且凌亂 , 對于較弱臺風(fēng)之 中低層引導(dǎo)氣流掌握可能有限 , 在數(shù)值模式中同化 這些云導(dǎo)風(fēng)資料后 , 無法對熱帶氣旋路徑預(yù)報(bào)起改 善作用 , 有時(shí)甚至起負(fù) 作用 27, 34。其次 , 在數(shù)值模 式已先植入渦旋再同化云導(dǎo)風(fēng)場的情況下 , 因云導(dǎo) 風(fēng)風(fēng)場分布與植入的渦旋位置有所重疊 , 可能會造 成 2資料間相互影響 , 即模式變量與模式、 變量之間 在同化后不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng) 29, 36。再次 , 目前 國外對衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究結(jié)果 大多表明 15, 37, 38, 在數(shù)

32、值模式中同化導(dǎo)風(fēng)資料 , 對中 長期預(yù)報(bào) (48h 的路徑改善作用最為明顯 , 相對 而言對短期臨近預(yù)報(bào)的作用不大 , 因此 , 如何使云導(dǎo) 風(fēng)資料在短期臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中發(fā)揮更大的作用仍是 一個(gè)亟需攻克的難題。3結(jié)語與展望云導(dǎo)風(fēng)在熱帶氣旋中的應(yīng)用經(jīng)過近 10年的實(shí) 踐 , 獲得了巨大的成功 , 其對洋面上空 (尤其是高層 大氣 的加密觀測 , 為研究熱帶氣旋的動力學(xué)機(jī)制 提供了寶貴的資料 ; 對改進(jìn)臺風(fēng)模擬有著重要的貢 獻(xiàn) , 使熱帶氣旋轉(zhuǎn)折、 異常路徑分析水平有所提高 ; 為研究新的臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)方式 , 如 Bogus , 提供了豐 富的風(fēng)場資料 ; 同時(shí) , 還對有關(guān)臺風(fēng)的一系列其他研 究

33、(如中心定位 , 降水分布 , 強(qiáng)度 也有所幫助。但 由于目前導(dǎo)風(fēng)技術(shù)的不成熟和有待進(jìn)一步研究的臺390地球科學(xué)進(jìn)展 第 26卷第 4期 詹奕哲等: 衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)展 391 風(fēng)移向理論, 二者的融合還有研究發(fā)展的空間, 在以 下幾個(gè)方面值得深入研究: ( 1 研究借鑒新的導(dǎo)風(fēng)技術(shù), 進(jìn)行導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品融 合。云跡風(fēng)反演明顯的局限是在晴空區(qū)無法獲取風(fēng) 場, 為克服這種局限, 需要開展 / 晴空區(qū) 0導(dǎo)風(fēng)技術(shù) 研究。在加快自主創(chuàng)新的同時(shí), 應(yīng)更多地借鑒國外 先進(jìn)的導(dǎo)風(fēng)技術(shù), 豐富導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品, 如可見光、 極軌資 料、 極地風(fēng)等。鑒于目前的云導(dǎo)風(fēng)風(fēng)矢大多集中在 對流層高層, 研究通過融

34、合不同的導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品 ( 如水 汽導(dǎo)風(fēng)、 紅外云圖導(dǎo)風(fēng)等其他導(dǎo)風(fēng)方式及不同衛(wèi)星 導(dǎo)風(fēng)風(fēng)場 豐 富各層的風(fēng)場資料, 為 臺風(fēng)發(fā)生時(shí)的 大范圍和中小尺度系統(tǒng)提供更加詳細(xì)的風(fēng)場資料。 ( 2 探求更適當(dāng)?shù)娘L(fēng)場質(zhì)量控制方法和高度指 定算法。在剔除錯(cuò)誤、 凌亂的臺風(fēng)周圍云導(dǎo)風(fēng)風(fēng)矢 的情況下, 能夠進(jìn)一步清晰地顯示出大的流場特征 和小的系統(tǒng)特征; 更加準(zhǔn)確的指定云導(dǎo)風(fēng)的高度, 為 更好地運(yùn)用于數(shù)值模式中做鋪墊。 ( 3 通過大量的試驗(yàn), 比較研究不同數(shù)值模式 下同化云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品對臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)影響的結(jié)果, 得 出能夠較好地運(yùn)用云導(dǎo)風(fēng)資料進(jìn)行臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的 數(shù)值模式。 衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)作為一種風(fēng)場資料獲取手段, 與臺 風(fēng)

35、路徑預(yù)報(bào)的結(jié)合越來越 受到氣象科研人 員的重 視。其豐富的風(fēng)場資料, 快速的獲取方式將帶給臨 近預(yù)報(bào)以福音。雖然目前的理論研究、 實(shí)際應(yīng)用尚 且存在不足與缺陷, 但隨著人們的不懈努力, 衛(wèi)星導(dǎo) 風(fēng)技術(shù)將能更好、 更及時(shí)地對臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)提供重 要的觀測資料。本文僅粗略地總結(jié)探討了國內(nèi)目前 云導(dǎo)風(fēng)技術(shù)在臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)方向上的應(yīng)用情況, 并 針對未來二者更好地結(jié)合提出了一些值得深入研究 的內(nèi)容。 參考文獻(xiàn) ( R eferences: 12 1 Chen L ianshou D ing Y ihu . The In troduct ion to Typhoons over , i N orthw es

36、t Pacif ic M . Bei jing: Science Press 1979. 陳聯(lián)壽, , 丁一匯. 西太平洋臺風(fēng)概述 M . 北京: 科學(xué)出版社, 1979. 2 G rayW M. G lob al view of the origin of trop ical d istu rbances and stor s J. M on th W ea ther Review, 1986, 96 669 m : -700. 3 C hen L iansh ou X u X iangd e Luo Zhexian, e t al. D ynam ics of , , A bnor l T

37、yphoon M . Be ijing: M eteorology Press 2002. 陳 ma , 聯(lián)壽, 徐祥德, 羅哲賢, 等. 熱帶氣旋動力學(xué)引論 M . 北京: 氣象出版社, 2002 . 4 Zh ang L ing L iu Zhenkun Zh ang Shoufeng, e t a l Th e forecasting , , . d ifficu lties and characterist ics of trop ical cyclon es over N orthw est ern Pacific and South Ch ina Sea in 2008 C M P

38、roceedings of Se 14 13 11 10 9 8 7 6 5 vere W eath er Forecast T echnology. B eijing: M eteorology Press , 2009 張玲, 劉震坤, 張守峰, 等. 2008 年西北 太平洋和 南海 . 熱帶氣旋特點(diǎn)及預(yù)報(bào)難點(diǎn)分析 C M 2008 年災(zāi)害性天 氣預(yù)報(bào) 技術(shù)論文集. 北京: 氣象出版社, 2009. N iels B or ann, Sam i Saarinen, G raeme K elly, et a l The spat ial m . structu re of observat

39、ion errors in atm osphere m ot ion vectors from geostation ary satel lite data J . M on th W ea ther R evie 2003, 131: w, 706 -718 . W ang Zhenhu,i Y ang Y anrong, X iaoW encan e t a l A pp licat ion , . of cloud m ot ion vectors derived from geostat ionary satellite i age m series w ith TCFM track

40、ing techniqu e in typhoon si u lat ion J . m Jou rnal of Rem ote S en sing, 2009 13 ( 3 : 515-521 王振會, 楊 , . 艷蓉, 肖穩(wěn)安, 等. TCFM 技術(shù)的衛(wèi)星導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)在臺風(fēng)模 擬中的 應(yīng)用初探 J . 遙感學(xué)報(bào), 2009 13 ( 3 : 515-521 , . R ao P K, H ol es S J A nderson R K, et al. W eath er S atell ite: m , Sys tem, D ata and Env iron en tal A pp lica

41、t ion s M . X u Jianm in, , m et al . trans lated Beijing M eteorology Press 1994. R ao P K, . : , H o l es S J A nderson R K, 等. 氣象衛(wèi)星 系統(tǒng)、 m , 資料及其在環(huán) 境中的應(yīng)用 M . 許健民等譯. 北京: 氣象出版社, 1994 . X u J ianm in Zhang Q isong S tatus review on at ospheric m ot ion , . m vectors -derivat ion and app lication J .

42、Journa l of App lied M eteorolog ica l Science, 2006, 17( 5 : 574-582. 許健民, 張其松. 衛(wèi)星 風(fēng)推導(dǎo)和應(yīng) 用綜 述 J . 應(yīng) 用氣 象 學(xué)報(bào), 2006 17 ( 5 : 574 , 582. Xu Jian in, Zh ang Q isong, W ang D achang, et al. Tw o geom em t rical prob lem s in cloud mot ion w ind algorithm J . Journa l of App lied M e teorolog ical S cien

43、 ce, 1997 8 ( 1 : 11 . 許健民, 張其 , -18 松, 王大昌, 等. 云跡風(fēng)計(jì)算中的兩個(gè) 幾何問題 J . 應(yīng)用 氣象 學(xué)報(bào), 1997, 8( 1 : 11-18 . Chen H ua X u Jianm in Zhang Q isong, et a l. Th e quality con , , trolling of cloud w ind s us ing height updating J . S cien tia M eteorolog ica S in ca, 1999 19 ( l : 20 , -25. 陳 華, 許 建民, 張其松, 等. 用高度

44、調(diào)整法進(jìn)行云跡風(fēng)高 度的質(zhì)量 控制 J . 氣 象科 學(xué), 1999, 19( l : 20 -25. Zhang Shou feng, W ang Sh i en. N um erical experi ents of the w m prediction of typhoon track s by us ing satell ite cloud -derived w ind J . Journa l of Trop ica l M e teorology, 1999 15 ( 4 : 347-355. , 張守峰, 王詩文. 應(yīng)用衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)進(jìn)行臺風(fēng) 路徑預(yù)報(bào) 試驗(yàn) J . 熱帶氣象學(xué)報(bào),

45、1999 15( 4 : 347 , -355 . Feng Y erong. The app licat ion of cloud track w ind data to the trop ical cyclonem ovem en t pred iction J . M eteorolog ica lM on thly, 1999 25 ( 12 : 11 , -16. 馮業(yè)榮. 云跡風(fēng)資料在熱帶氣旋 移向預(yù)報(bào)中的應(yīng)用 J . 氣象, 1999, 25( 12 : 11-16 . W ang Zhenhu,i ZengW eilin A PC-based ob ject ive in fe

46、rring sys . tem for cloud m otion w inds from geostationary satell ite i ages m J. Journa l of N anjing Institu te of M eteorology, 1996 19( 1 : , 69 -75. 王振會, 曾 維麟. 衛(wèi)星 云 跡 風(fēng)微 機(jī) 客 觀導(dǎo) 出 系 統(tǒng) J . 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào), 1996, 19( 1 : 69-75 . HA H yeK yeong, W ang Zhenhu,i K i JeoungY un et al. C omm , parison of th

47、ree cloud m otion w ind vectors and i pact on typhoon m track num erical forecast J . Journa l of Tropical M eteorology, 2009 25 ( 1 : 82 . 河惠卿, 王振會, 金正潤, 等. 三種云 , -88 392 地球科學(xué)進(jìn)展 導(dǎo)風(fēng)資料及其對臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)影響試 驗(yàn)的比較分析 J. 熱 帶氣象學(xué)報(bào), 2009 25 ( 1 : 82 , -88. 26 27 應(yīng)用 J . 熱帶氣象學(xué)報(bào), 2008, 24 ( 4 : 423-429. 第 26卷 H olland G

48、 J Trop ica l cyclonem otion A com parison of theory and . : observations J . A tm osphere S cien ce 1984 41: 68 , , -75. D em ariaM. Trop ical cyclone m otion in a nond ivergen t barotrop ic m odel J. M on th W ea ther Rev iew, 1985, 113 1 199-1 209. : 15 G oerss J S. I act of satell ite observat i

49、ons on the tropical cyclone mp track forecasts of th e navy op erat ional global atmosph eric pred ic t ion system J. M onth W ea ther Rev iew, 2009 137 41-50 , : . Bu rpee R W. M esoscale stru cture of hurricanes C M R ay P S , ed Am erican M eteorological S ociety: M esoscaleM eteoro logy and . Fo

50、recasting, 1986: 311-330 . 29 16 28 G ray W M. G lobal view of th e orig in of trop ical d istu rbances and stor s J . M on th W ea ther R eview, 1968 96 669-700 m , : . W ang D ong liang, L iang X udong, D uan Y ihong. m I pact of fou r d i ens ion al variat ional data ass i ilation of the cloud d

51、rif t w ind m m data on trop ical cyclone track num erical forecast J. Ac ta M eteorolog ica S inica, 2005, 63 ( 3 : 351 -358. 王棟梁, 梁旭東, 端 義宏. 云跡風(fēng)在熱 帶氣旋 路徑數(shù) 值預(yù)報(bào) 中的應(yīng) 用研究 J . 氣象學(xué)報(bào), 2005 63 ( 3 : 351-358 , . 17 D i ego G J Phoebus P A, M cdon ell J E. D ata processing, and m , quality con trol for opt

52、i um interpolat ion analyses at the N at ion al m M eteorological C en ter C M NM C O ff ice N ote 306 NOAA, U. , S D ep t of Comm erce, 1985: 38 . . . -76 18 X ie Junyuan, A i Zaoyang, G ao Y ong Typhoon cen ter locating . based on sp iral recogn it ion algorithm J . Journal of S of t are w , 1997,

53、 8( A 00 : 398 -403 謝俊 元, 艾早陽, 高 勇. 臺風(fēng)中 . 心定位中的螺 旋線 自動識 別算 法 J . 軟件 學(xué)報(bào), 1997 8 , ( A 00 : 398 -403 . 30 Zh ang Shou feng, W ang Sh i en A ppl ied experi en ts of the prew . m d ict ion of typhoon track s by u sing cloud m ot ion w ind vectors J . M eteorolog ica l M onthly, 1999 25 ( 8 : 22-25 張守峰,

54、王詩 , . 文. 在臺風(fēng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中使用衛(wèi)星 云導(dǎo)風(fēng)資 料的試驗(yàn) J . 氣 象, 1999, 25( 8 : 22-25 . 19 N iu H ai jun Y ang Su I telligen t locat ion m ethod of typhoon cen , . n ter based on in frared cloud i age J . Compu ter Eng ineering, m 2010, 36( 9 : 195-196 牛海軍, 楊夙. 基于 紅外云圖的臺 . 風(fēng)中心智能定 位方 法 J . 人工 智能及 識別 技術(shù), 2010 36 , ( 9 : 195

55、-196 . 31 X u J ianm in Zhang Q isong. S tatus rev iew on at ospheric m otion , m vectors -derivation and app lication J . Journa l of Applied M e teor ology, 2006 17( 5 : 574-582 許 健民, 張其 松. 衛(wèi)星風(fēng) 推 , . 導(dǎo)和應(yīng)用綜述 J . 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2006 17( 5 : 574-582 , . 20 O land er T L, V elden C S. The advanced dvorak tec

56、hn iqu e C on : t inued develop en t of an ob ject ive schem e to est i ate trop ical cy m m clone inten sity u sing geostationary in frared satell ite i agery J . m W ea ther and F oreca sting, 2007 22: 287-298 , . 32 Charney J G, E liassen A. O n the grow th of the hurricane depres sion J. A t osp

57、h ere S cience, 1964 21 68-75 m , : . 33 H ol land J G. A ngu lar m om en tum t ransports in trop ical cyclones J . Quar terly Journa l of the R oya l M eteorolog ical Society, 1983 109: 187-209 , . 21 L iu Zhengguang, Y u Y uan fe,i W u B ing et a l A u tom at ic loca , . tion of typhoon cen ter us ing cloud derived w ind vectors J . A cta M eteorolog ica S inica, 2003 61 ( 5 : 636 , -640 劉 正光, 喻遠(yuǎn) . 飛, 吳冰, 等. 利用云導(dǎo)風(fēng)矢 量的臺風(fēng) 中心自動 定位 J . 氣 象學(xué)報(bào), 2003 61 ( 5 : 636 , -640. 35 34 Sadler J C. A role of the trop ica l upper tropospheric trough in early season typhoon develop