飓风中卫星臭氧总柱观测与位涡相关性和在飓风中心定位中的应用

本文使用搭载于极轨气象卫星S-NPP(Suomi National Polar-orbiting Partnership)的臭氧成像廓线仪(Ozone Mapping and Profiler Suite,OMPS)观测的臭氧总柱(Total Column Ozone,TCO)资料对大西洋飓风“Maria”(2017)进行研究。针对对流区域TCO与气柱平均位涡(Mean column-integrated Potential Vorticity,MPV)的低相关性构建了分区域线性回归模型,不仅能同时提高大尺度和对流尺度上TCO和MPV的相关性,还能提高对流区域S-NPP OMPS TCO观测资料的利用率(95.5%)。TCO观测资料可以清晰地反映出飓风的顶部结构,据此可得到对流层顶附近的飓风中心位置。卫星总柱臭氧资料对飓风Maria中心定位结果与最佳路径的距离相差58.1 km,略大于使用S-NPP先进技术微波探测仪(Advanced Technology Microwave Sounder,ATMS)、MetOp-A微波湿度计(Microwave Humidity Sounder,MHS)和FY-3B微波湿度计(MWHS)亮温观测资料得到的Maria中心定位结果与最佳路径的距离(47.5 km)。臭氧定位结果与垂直风切变(Vertical Wind Shear,VWS)具有一定关系,垂直风切变越强,臭氧资料定位中心偏离最佳路径越大。本研究构建的分区域线性回归模型可作为间接同化卫星TCO资料的观测算子,也可应用到涡旋初始化中,以改进飓风路径和强度预报水平。

GOES-16 ABI观测和ERA5全天空模拟亮温揭示的热带对流水平特征尺度对比分析

本研究通过将GOES-16 ABI观测亮温和ERA5再分析资料的全天空模拟亮温进行对比分析,发现观测亮温和模拟亮温对流低值区位置大体接近,也能够定性反映出对流从发展到减弱的日变化过程,但亮温低值区域的强度存在较大差异。即使把高分辨率ABI通道13观测亮温平均到ERA5分辨率(0.25°×0.25°),在热带对流区的低亮温强度仍然高于ERA5全天空模拟亮温。因此利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)对任意选择的两对流区域内的观测和模拟亮温进行了尺度分析和对比。在其中对流较强的区域内,当ABI观测亮温的主成分分量从1增加到9时,水平特征尺度从700 km逐渐减小到150 km。ERA5全天空模拟亮温从主成分1增加到4时,水平特征尺度从950 km减小到270 km空间尺度,但当主成分4增加到9时,特征尺度几乎不变。在对流较弱的另一区域也能够发现ERA5模拟亮温对对流水平特征尺度有明显高估。ERA5模拟亮温各主成分的相位和观测亮温存在2 h以内的误差。由于ERA5全天空模拟亮温低值区与ERA5云冰路径大值区吻合度较高,由此可以推测ERA5云冰路径误差是造成ERA5全天空模拟亮温与ABI观测亮温差别的主要原因之一。

利用卫星微波观测亮温与云辐射模拟亮温的台风定位分析

极轨气象卫星S-NPP、MetOp-A和FY-3B上搭载的微波湿度计观测资料可以反映出台风周围水汽和云雨结构。本文使用权重函数峰值在800 hPa附近的微波湿度计通道观测资料和ERA5再分析资料全天空模拟亮温,以飓风Sandy和Isaac为例,对用方位谱台风中心位置定位方法得到的观测和模拟中心位置进行了比较。利用下午星S-NPP搭载的先进技术微波探测仪(Advanced Technology Microwave Sounder,ATMS)和上午星MetOp-A搭载的微波湿度计(Microwave Humidity Sounder,MHS)观测亮温得到的飓风Sandy(Isaac)中心位置与最佳路径平均相差35.8 km(32.9 km),但用ERA5全天空模拟亮温得到的飓风Sandy(Isaac)中心位置与最佳路径平均相差73.3 km(82.1 km)。若按照热带风暴和台风等级来划分,ATMS和MHS观测和模拟亮温得到的台风中心位置与最佳路径的平均距离对热带风暴分别是36.5 km和105.9 km,对台风分别是25.8 km和56.4 km。若用FY-3B搭载的微波湿度计(以MWHS表示)替换ATMS,所得结果类似。ERA5作为全球大气再分析资料的典型代表,用方位谱台风中心位置定位方法得到的台风中心位置误差较大的原因是ERA5再分析资料全天空模拟亮温在台风中的分布结构与观测亮温相差较大,而模拟亮温与冰水路径分布结构极为相似。研究对台风数值预报中的全天空模拟亮温资料同化具有一定的参考意义。