1A M S U信息揭示的不同强度热带气旋热力结构特征* 江吉喜 王瑾( 国家卫星气象中心北京 1 0 0 0 8 1 ) 提要 运用美国 N O A A - 1 6 极轨气象卫星 A M S U探测资料和 N C E P数值预报资料对 2 0 0 2年 6 月 1 0 日至 9月 1 0日发生在西北太平洋上的 1 2个热带气旋生命史中的部分时次进行了热力结构分析发现 A M S U资料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展示出它们各自重要的热力结构特征以及对流层中上层热力结构与气压变化之间的内在联系并揭示出其未来的变化趋势 关键词先进的微波探测器A M S U 热带气旋 热力结构 1 引言 众所周知热带气旋是一种主要灾害性天气系统长期以来一直是众多气象学者的研究重点然而由于热带气旋在发展过程中所受的影响因素复杂多变许多重要问题至今认识不清其中就包括热带气旋结构与其强度变化之间的关系 尤其是其对流层中上层的热力结构与其强度变化之间的关系更是难中之难而热带气旋强度的变化又是引起暴雨大风风暴潮及诸多灾害性天气的主导因素与社会稳定繁荣经济健康发展以及人民安居乐业等有着密切联系因此这个问题仍是目前的研究重点 众多研究显示热带气旋对流层中上层的暖核是风暴在发展过程中眼区的下沉气流引起绝热增暖并在风暴对流旺盛的区域释放潜热产生的R o s e n k r a n z 1 9 7 8 1 G r o d y ( 1 9 7 9 ) 2 , G r o d y 和 S h e n ( 1 9 8 2 ) 3 曾利用卫星微波资料展示了这种暖异常但他们的研究局限于单个热带气旋的某个时次K i d d e r ( 1 9 7 8 ) 4 运用云雨- 6号微波扫描光谱仪 5 5 . 4 5 G H z通道的亮温资料对多个热带气旋进行了研究 发现热带气旋对流层中上层的亮温异常与风暴中心表面气压场及其外围风力有关 V e l d e n ( 1 9 8 91 9 9 1 ) 5 6 利用空间分辨率大为改进的 M S U亮温资料得到了卫星反演的 2 5 0 h P a上空水平温度梯度与表面气压场之间的统计关系 先进的微波探测器A M S U 拥有更多的探测通道更高的空间分辨率以及改进了的辐射计探测精度比微波探测器M S U 能更敏感的探测到诸如大气温度湿度云中液态水云中冰晶降水和地表风速等多种地球物理参数及其重要变化更重要的是云对于微波辐射来说近于但不完全透明因而 A M S U可以穿透阻碍卫星可见光和红外探测器探测的中心浓密云区对热带气旋参数如热带气旋的位置及其移动 热力异常 风速和降水等 进行测量 揭示热带气旋内部暖异常的变化 Kidder7 等人(2000)运用 AMSU资料成功的反演了大气温度廓线及水汽云中液态水等地球物理参数并将其用于热带气旋的分析应用中得到了热带气旋对流层上层的温度异常并初步估计了其强度 本文主要运用 A M S U探测反演的温度场资料分析不同强度不同发展阶段的热带气旋对流层中上层热力异常结构的特点结合相应的湿度场结构探寻这种异常结构与热带气旋强度及其变化之间的内在联系与此同时通过与美国国家环境预报中心N C E P 资料的比较验证这种客观联系 * 本研究得到了中国人民解放军总装备部卫星资料在军事气象要素和重要天气监测中的应用研究课题的资助 22 A M S U的基本特征 A M S U 主要由三个相互独立的仪器组成 A M S U - A 1有 A M S U - A 的通道A M S U A 2有 A M S U - A的通道A M S U - B 有个通道即2 0 通道A M S U - A 1 和 A M S U - A 2 共同组成 A M S U - A 其主要任务是探测从地球表面到 1 h P a 的温度同时还可以反演包括总降水云中液态水降水率雪盖海冰盖在内的地球物理参数A M S U - B 主要用来探测水汽同时 A M S U - B 的图像还可用于确定云和风暴位置由于 A M S U 主要是为了提高个通道的 M S U 的温度探测精度而设计的所以A M S U - A 模型在 O2带 5 0 6 0 G H z 部分包含了 1 2 个通道以提供从地球表面到h P a 的温度探测此外A M S U - A 还有两个窗区通道3 1 . 4 G H z 和 8 9 G H z , 可以监测地表特征和降水而 2 3 . 8 G H z的通道可以获取海洋上的总降水A M S U - B 模型中有个通道 8 9 G H z 和 1 5 0 G H z的窗区通道 及在 1 8 3 . 3 G H z水汽线附近的个通道由它们可以推导出低到中层的湿度廓线A M S U - A 所有通道在星下点的分辨率都是 4 8 k m 而 A M S U - B 所有通道都是 1 6 k m 由此可见 A M S U 这种较高分辨率的热力探测器非常适合探测热带气旋的各种参数 并可以从中提取其变化特征 3 资料和方法 运用国家卫星气象中心反演的 1 * 1 经纬度 N O A A - 1 6 A M S U 1 0 0 0 h P a到 1 0 h P a 共 1 5 层的温度场1 0 0 0 h P a 到 3 0 0 h P a共 6 层的湿度场资料对 2 0 0 2 年 6 月 1 0 日到 9 月 1 0 日发生在西北太平洋上的 1 2个热带气旋进行研究由于极轨卫星一天中对同一地区仅能扫描两次约 1 2小时一次故在这 1 2个热带气旋生命史中与卫星过境扫描相匹配的资料仅有 2 6 个时次 对这 2 6个时次的样本进行分析分别以热带气旋中心所在纬度的南北各一度的纬度带内在东西方向上以热带气旋云系为界 勾画出热带气旋的中心云区 与此同时 中心云区外围同纬度带以东以西各 2 3个经度区的范围代表着未受热带气旋影响的环境场由此确定出了热带气旋中心区和其外围的环境场 这种分区方法的主要原因是受 A M S U反演资料 1 * 1 经纬度分辨率限制和卫星扫描宽度的限制然后用热带气旋中心区内各层格点上的温度与环境场平均温度相减得到热带气旋中心区各层的温度距平场并绘制纬向温度距平垂直剖面图分析热带气旋中心区的热力异常结构与此同时用热带气旋中心区内各层的温度场减去相应点上的露点得到其温度露点差绘制纬向温度露点差垂直剖面图以此来分析与之相匹配的湿度场特征 另外选取与这 2 6 个样本时次相近的 N C E P数值预报资料对所有样本进行类似的计算其中温度场有 2 6 层的资料湿度场有 2 1 层的资料得到由 N C E P资料计算的纬向温度距平垂直剖面图和纬向相对湿度垂直剖面图并对这两种资料得到的结果作对比分析 4 分析结果和比较 在所选的 2 6 个样本中由于卫星扫描过程中出现丢线使得最终反演结果缺测过多主要是台风环流内数据缺测致使资料无法使用的样本共 7 个在剩下的 1 9 个样本中有热带风暴 3 个强热带风暴 4 个台风 1 2 个其中处于加强阶段的热带气旋有 5 个减弱阶段的 6 个维持阶段的 8个通过对比分析 1 9 个样本 A M S U探测资料反演的温度距平垂直剖面图和温度露点差垂直剖面图发现随着热带气旋强度的增加其对流层中上层暖核的异常增温逐渐增大高度逐渐升高范围逐渐扩大同时对流层上层温度负距平所在高度也逐渐升高而其最低负距平值有所增大对流层低层温度负距平普遍偏大西侧温度露点差的垂直梯度普遍大于东侧为进一步说明热带气旋的热力结构较3全面地揭示其中心区的结构特征 在选例分析中考虑了热带气旋的不同强度及其所处的不同发展阶段这两个因素下面以三个具有代表性的热带气旋为个例作详细介绍 4 . 1 台风的热力结构特征 1 5 号台风鹿莎的生命史为 1 1 天其中心最低气压为 9 5 0 h P a 最大风速为 4 5 m / s 8 月 2 7 号0 0 U T C由于受卫星过境扫描范围的限制没得到台风最强时的资料, 选取 8 月 3 0 日 1 7 5 6 U T C 台风强度已有所减弱但稳定维持时的样本资料此时台风中心位于 3 1 . 6 N 1 2 7 . 6 E 附近中心气压为 9 6 5 h P a 最大风速为 3 5 m / s 在图 1 a 温度距平垂直剖面图中1 5 号台风的暖心位于 3 5 0 2 5 0 h P a 之间最大温度距平达到 7以上增温十分明显暖异常垂直向下延伸直至对流层低层 7 0 0 h P a上方附近暖心东西两侧有较强的径向温度梯度暖核整体结构较对称台风中心区东侧对流层下层出现明显的温度负距平最大距平值达到- 1 5 以上中心区西侧温度的垂直梯度小于东侧高层温度负距平出现在 1 0 0 h P a上方且西侧负距平出现的高度高于东侧 位于 7 0 h P a附近 说明中心区西侧垂直上升运动强烈 对流旺盛 结合温度距平与温度露点差的纬向垂直剖面图 图 1 b 可以看出在整个台风范围内 7 0 0 h P a 以下的大气接近饱和 7 0 0 h P a 以上中心区西侧温度露点差的垂直梯度大于东侧 且在台风中心周围两个经度的范围内整层大气近于饱和中心区西侧暖湿空气区轴线随着高度的增加自西向东倾斜表明台风东北部的干冷空气涌入台风内部将会破坏台风的暖心结构预示着台风会减弱 A M S U - B 能够很好的感应降水粒子确定风暴的中心位置和降水区域在 A M S U - B 第 2 通道的探测图像中图 1 c3 1 . 6 N的纬度线上中心区东侧的降水量显然大于西侧受降水蒸发的影响低层东侧的降温也应大于西侧这个结果证实了图 1 a 中所看到的现象但是否有- 1 5 的强降温还有待于进一步验证另外图中还显示来自北部的干冷空气与台风云系的暖湿气流在台风东北部相遇被卷入台风环流增强了台风的不稳定层结促进其对流的发展使台风得以维持然而随着其后较高纬度大量冷空气不断注入台风图略将破坏台风的暖心结构导致其减弱消亡 图 1 d 是由 N C E P 资料计算结果绘制的温度距平垂直剖面图暖核位于对流层中上层 4 0 0 3 0 0 h P a之间最大增温为 6 左右暖异常向下延伸直至低层台风中心区内在低层中心区出现近 3 的异常增温范围很大东西跨越了 2个经度之多中心区两侧都出现了温度负距平但与 A M S U资料反演结果不同的是图 1 d中的低层温度负距平在中心区左侧的下降幅度略大于中心区右侧对流层上层的温度负距平出现在 1 0 0 h P a附近西侧略高于东侧且在 7 0 h P a附近有- 2 的温度负距平这个结果与图 1 a 中展示的一致 由 N C E P 资料所作的纬向温度距平和相对湿度的垂直剖面图 图 1 e 可以看出 5 0 0 h P a 以下整个台风范围内相对湿度都很大5 0 0 h P a 以上随着高度的增加空气饱和度自西向东逐渐增加, 且中心区西侧相对湿度的垂直变化大于东侧 a b c d e 图 1 1 5 号台风各物理量的纬向垂直剖面图 a . A M S U 探测资料反演的温度距平剖面图 b . A M S U 探测资料反演的温度距平与温度露点差剖面图 c . A M S U - B 第二通道的亮温图 d . N C E P 资料计算的温度距平剖面图 e . N C E P 资料计算的温度距平与相对湿度剖面图 图中实线为温度距平线断线为 T - T d 线 4上述分析表明 这两种资料所揭示的台风中心区热力结构特征整体上很相似 但也存在一定差异一是低层温度负距平最大值出现的区域不同范围不同值的大小也不尽相同二是 N C E P资料虽计算出了低层中心区的异常增温但范围过大远远超出了中心眼区的最大范围不能体现台风中心眼区空气下沉增温 事实上台风眼区周围的云墙内具有强烈的对流上升运动 温度应显著低于眼区温度三是 A M S U 探测资料反演的对流层中上层暖异常是一个具有垂直结