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

毕明明 邹晓蕾

(南京信息工程大学 资料同化研究和应用联合中心，南京 210044)

引 言

热带气旋是一个由云和雷暴组成的有组织的旋转系统，起源于热带或副热带洋面上，并具有闭合的低层环流。由于热带气旋常伴随暴雨、强风、大浪，引发滑坡、泥石流、洪水等严重的自然灾害，热带气旋的演变一直是气象研究者的关注重点，用到的资料仍以大气再分析资料居多[1-4]。热带气旋中心位置是热带气旋业务预报中必不可少的一个变量，同时也是涡旋初始化的必备参数，对改进热带气旋路径和强度的预报具有重要意义[5]。由于热带气旋主要在海洋上发生和加强，缺少常规观测数据，因此气象卫星遥感数据是对其进行中心定位的主要依据[6]。使用卫星红外或可见光资料对热带气旋定位在很大程度上依赖于台风眼是否形成[7]，而微波波段可以穿透非降水云，使得定位更加准确[8]。

最佳路径数据集融合了卫星、飞机侦察和船舶等观测资料[9-10]，并加入了预报员的一些主观调整，是目前热带气旋强度和路径最准确和最完整的台风数据集[11]。Schenkel，et al[12]将台风附近的海平面最低气压值的位置作为台风中心位置，计算了CFSR、ERA-40、ERA-I、JRA-25和MERRA 5种全球大气再分析资料的台风中心位置与最佳路径的平均距离，分别为64、189、127、72.5和177 km。由于分别使用了涡旋重定位方法和最佳路径数据集反演的热带气旋中心附近的风廓线数据[13]，JRA-25和CFSR再分析资料在热带气旋强度和位置上要比ERA-40、ERA-I、和MERRA再分析资料更接近最佳路径[14]。

卫星微波湿度计观测资料可以清晰反映台风周围的水汽和云雨分布结构。第一代微波湿度计AMSU-B(Advanced Microwave Sounding Unit B)搭载于1998年发射的NOAA-15，后被2005年及以后发射的NOAA-18、NOAA-19、MetOp-A/B/C上搭载的微波湿度计(Microwave Humidity Sounder，MHS)替代。目前，除了MHS，还有美国发射的S-NPP和NOAA-20卫星上搭载的新一代先进技术微波探测仪(Advanced Technology Microwave Sounder，ATMS)，中国发射的FY-3C/D上搭载的微波湿度计2型(以MWHS-2表示)和FY-3E上搭载的微波湿度计3型(以MWHS-3表示)。HU，et al[15]将方位谱台风定位方法应用于ATMS和MHS单通道微波观测亮温资料，成功实现对热带风暴和台风中心的定位，对热带风暴和台风等级的热带气旋定位结果与最佳路径相比平均仅33.8 km和26.2 km。若用大气再分析资料模拟卫星微波湿度计资料，是否可以用类似方法对再分析资料中的台风进行定位？

利用大气再分析资料模拟卫星微波湿度计资料可以使用大气快速辐射传输模式(Radiative Transfer for TOVS，RTTOV)。RTTOV的早期版本是在1990s初由欧洲中期天气预报中心开发，可以模拟微波波段，红外波段和可见光波段的卫星传感器亮温[16]。RTTOV对微波辐射的模拟可分为晴空和有云两种情况，晴空模拟只考虑大气的吸收作用，有云模拟通过调用云散射模块(Scattering，SCATT)将散射作用加入其中，能有效抑制晴空模拟对大气水汽含量的高估[17-18]。本研究基于微波湿度计单通道观测亮温和ERA5再分析资料全天空模拟亮温，对用方位谱台风中心位置定位方法得到的台风中心位置与最佳路径数据集的中心位置进行比较，进而分析造成两类资料台风中心定位差异的主要原因。

1 资料简介

1.1 卫星微波湿度计资料特点

微波湿度计MHS、MWHS和先进技术微波探测仪ATMS都是跨轨扫描微波辐射计，其中由我国研发的微波湿度计缩写用MWHS表示是为了区分欧洲研发的微波湿度计(MHS)。MWHS通道5((183.31±7.0)GHz)和ATMS通道18的中心频率完全相同，和MHS通道5(190.31 GHz)略有不同。这3个通道的权重函数峰值高度均位于800 hPa左右，可以探测到云和对流层低层的水汽分布特征。ATMS相较于MHS有更宽的扫描带宽度，在热带地区连续两轨数据之间几乎没有数据缺口，这对于观测热带气旋至关重要[19]。ATMS、MHS和MWHS每条扫描线上分别有96、90和98个观测视场，3个仪器的星下点分辨率均为15 km左右。本文使用下午星S-NPP搭载的ATMS通道18、上午星MetOp-A搭载的MHS通道5和下午星FY-3B搭载的MWHS通道5亮温资料，获得最多4～6次·d-1的台风观测资料。

1.2 全球大气再分析资料简介

研究所用的大气再分析资料为欧洲中心第五代全球大气再分析资料ERA5，时间分辨率为1 h，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向共37层，使用ERA5在时间和空间线性插值到微波湿度计在台风区域的观测时间和地点的资料。ERA5是基于2016年就在业务中运行的集合预报系统Cy41r2生成的，在模式中同化了多种卫星观测资料和站点资料，其中湿度计资料仅包括FY-3B和FY-3C搭载的MWHS和MWHS-2[20]。

1.3 台风个例描述

选取2012年在北美登陆的两个飓风Sandy和Isaac展开研究，飓风分级采用萨菲尔—辛普森(Saffir-Simpson)分级标准，即将热带气旋分为热带低压、热带风暴、飓风CAT1—5等级。最佳路径资料用的是美国国家飓风中心最佳路径数据集HURDAT2，包含逐6 h的热带气旋位置、强度、中心气压和最大风速等信息。由于微波湿度计数据和最佳路径数据集在时间上存在差异，在研究中比较微波湿度计观测和模拟亮温的定位结果时将最佳路径数据集的飓风中心位置线性插值到微波湿度计在飓风附近的观测时次上。

图1为飓风Sandy和Isaac整个生命史期间的最佳路径及最大持续风速。Sandy于2012年10月22日在加勒比海西南部生成，并快速增强于25日达到CAT3等级，最大风速约50 m·s-1，27日后又发生一次增强于29日达到CAT2等级，最大风速约42.5 m·s-1。Sandy生成初期在加勒比海向西移动，越过巴拿马后开始向东北方向移动到达中纬度地区，最后于28日向西北方向移动并在30日登陆美国大西洋城。Isaac于2012年8月21日在非洲西海岸生成，并于当天达到维持了7 d的热带风暴强度，在28日上午达到CAT1等级，最大风速约35 m·s-1。Isaac在25日之前一直向西移动，25日后开始向西北方向移动，于29日在美国路易斯安那东南部登陆。

图1 2012年10月飓风Sandy(空心)和8月飓风Isaac(实心)：(a)最佳路径;(b)最大可持续风速(m·s-1)

2 利用观测和模拟亮温的台风中心定位方法

2.1 有云亮温模拟

采用大气快速辐射传输模式(RTTOV V13.0)[21]获得大气再分析资料的模拟亮温。RTTOV通过训练好的系数文件和大气变量信息计算出光学厚度，再依据光学厚度与透射率之间的线性关系计算得到透射率，从而完成辐射传输方程的求解，得到晴空条件下的模拟辐射[16,21]。全天空模拟通过调用云散射模块计算得到有云模拟的辐射和大气层中的有效云比例(由等压面层上的云量、云中液态水含量、云中冰水含量、雨水含量和雪水含量计算得到[22-23])，再与晴空条件下的模拟辐射线性组合得到全天空模拟辐射：

Ltotal=(1-C)Lclear-sky+CLcloudy,

(1)

晴空模拟在计算辐射率时用到的主要数学方法是统计回归，而云散射模块则为delta-Eddington近似法。通过delta-Eddington近似，Lcloudy计算表达式如下：

Lcloudy(z)=C1exp(Λ(z))+

C2exp(-Λ(z))+B(Ttop),

(2)

Λ2(z)=3[αe(z)-αs(z)]

[αe(z)-αs(z)g(z)]。

(3)

其中：z是大气层顶高度；Ttop是大气层顶的平均温度；B(Ttop)是温度为Ttop时的普朗克函数；αe是大气消光系数；αs是散射系数；g是前向散射系数；C1和C2是待定系数，通过边界条件确定，即辐射率需在包括大气上下界在内的N+1个分层界面上满足边界条件[17]。

2.2 台风中心定位方法简介

在台风附近卫星观测的亮温场中，对称分量通常占主导地位[24]。通过谱展开可以提取亮温场的对称分量及其他波数分量，以亮温场中不同位置为中心进行谱展开，可将最大对称分量的位置作为台风中心位置[15,25]。方位谱中心位置定位所用资料为ATMS通道18、MHS通道5和MWHS通道5的亮温资料。图2a展示了2012年10月24日14时38分(世界时，下同)的MHS通道5观测亮温在飓风Sandy附近的水平分布。以图2为例，方位谱中心位置定位方法具体步骤如下：

图2 2012年10月24日14时38分MetOp-AMHS通道5的：(a)观测亮温；(b)1.5°网格平均观测亮温；(c)第一步谱分析得到的飓风Sandy的中心位置(三角形符号)、预估中心点(黑色点)和预估范围(灰色方框)；(d)第二步谱分析得到的飓风位置(圆圈)、预估中心范围(最小方框)和半径为360 km的虚线圆(黑色和灰色叉分别表示1.5°网格及向东、北方向平移0.75°后的1.5°网格的最低平均观测亮温位置；红色叉是初估位置；台风符号是最佳路径位置)

(1)按1.5°×1.5°网格分辨率计算微波湿度计通道5的平均亮温(图2b)，并将该网格上的网格点向东北方向移动0.75°后再计算平均亮温，将前后两次得到的最低亮温(图2b中黑色叉和灰色叉)点的中间位置(图2b中的红色叉)作为台风的初估位置；

(2)将亮温插值到0.15°×0.15°分辨率的网格上(图2c)，然后在台风初估位置(图2c中的黑色叉)附近4°×4°的范围内(预估范围，图2c中的灰色方框)的每一点用方位谱分析展开，得到每一点上的30～360 km径向距离的0波分量，满足30～360 km内平均0波分量最大且30 km和360 km的0波分量大于预估范围内网格点在30 km和360 km的平均值两个条件的位置作为第一步方位谱分析定位结果(图2c中的三角形符号)；

(3)以第一步方位谱分析定位结果为中心，将网格点加密为0.05°×0.05°的2°×2°区域(预估中心范围，图2d中最小方框)，再用方位谱分析展开得到所有预估中心30～360 km径向距离的0波分量，同样满足第一步谱分析定位中两个条件的位置作为最终定位结果(图2d中的圆圈符号)。

图3是2012年10月24日14时38分用ERA5再分析资料全天空模拟的MetOp-A MHS通道5的亮温水平分布(图3a)、1.5°×1.5°网格分辨率的平均亮温水平分布(图 3b)，及采用第一步和第二步方位谱分析定位的飓风Sandy中心位置(图3c、d)。图3a全天空模拟亮温水平分布能够显示出台风的螺旋结构，但没有明显的台风眼，且模拟亮温整体较观测亮温偏高。初估位置一般表示台风附近最强的对流区域，对于图2a中的观测亮温，低亮温区在台风中心南北两侧均有分布，但对于图3a中的模拟亮温，低亮温区主要在台风中心的东北侧，导致观测和模拟亮温的初估位置分别位于台风中心西南侧和东北侧，说明模拟得到的台风中心附近的对流云在位置和强度上存在偏差。从图2c、3c中可以看到，初估位置的不同不影响方位谱分析定位，因为观测和模拟亮温的预估范围都能够将台风中心包含在内。最后，图2d观测亮温方位谱分析定位的台风中心位于台风眼，与最佳路径相差18.3 km，图3d模拟亮温定位中心位于低亮温区的对流云处，与最佳路径相差90.4 km。

图3 通过ERA5再分析资料得到的MetOp-AMHS通道5全天空模拟亮温，其他同图2

3 数值结果

3.1 卫星观测和全天空模拟亮温定位结果

方位谱分析不仅可以得到亮温场的对称分量，还能得到其他波数分量。图4展示了观测和模拟亮温方位谱分析定位中心的0～4波振幅的径向变化，相较于非0波分量，观测和模拟亮温定位中心的0波分量在30～360 km范围内均始终保持最大分量，表明观测和模拟亮温场的对称部分在台风的结构中占主导作用。150～300 km的观测和模拟亮温定位中心的0波分量振幅基本相同，但在30～150 km和300～360 km的模拟亮温定位中心的0波分量大于观测亮温定位中心的0波分量。1波分量则恰恰相反，在30～150 km和300～360 km观测亮温定位中心的1波分量大于模拟亮温定位中心的1波分量，150～300 km范围内两者1波分量大小相近。观测和模拟亮温定位中心的2波和4波分量大小相近，但观测亮温定位中心的3波分量始终大于模拟亮温定位中心的3波分量。

图4 2012年10月24日14时38分MetOp-AMHS观测亮温(空心圆)和ERA5模拟亮温(实心圆)方位谱分析的0～4波振幅的径向变化

为更清晰地展现观测和模拟亮温的定位差别，分别挑选观测和模拟亮温定位结果相差较大以及定位结果相近的2个时次进行分析，如图5所示。图5a、b展示了台风刚生成时的ATMS通道18观测和模拟亮温分布，观测亮温定位结果在台风中心南侧和北侧低亮温区之间，距离最佳路径39.8 km，而模拟亮温定位结果位于台风中心东侧更为对称的低亮温区，距离最佳路径166.7 km。图5c、d观测和模拟亮温定位结果都在台风的暖核区，与最佳路径的距离分别是60.0 km和60.1 km，方位谱分析台风中心定位反映的是对流层低层的结构，而最佳路径的中心位置更接近地面中心。

图5 不同观测时间ATMS通道18观测亮温：(a、c)同图2d；(b、d)同图3d；(a、b)22日17时56分；(c、d)25日18时44分

ATMS通道18和MWHS通道5的中心频率一致，且S-NPP卫星和FY-3B卫星的过赤道时也仅相差1 h左右，图6展示了搭载于S-NPP的ATMS通道18和搭载于FY-3B的MWHS通道5不同时刻的观测亮温水平分布以及Sandy中心附近的两条连续扫描线上的地球视场。10月24日19时Sandy位于ATMS观测扫描带边缘(图6c)，但这并不影响通过方位谱分析方法对飓风Sandy的定位。10月24日06时12分和19时，利用ATMS和MWHS观测亮温得到的定位结果基本一致，因此MWHS可以用来替换ATMS对飓风Sandy下午的观测。

图6 2012年10月24日(a、c)ATMS通道18和(b、d)MWHS通道5观测亮温飓风Sandy附近的水平分布(圆圈表示观测亮温得到的飓风中心位置；台风符号表示最佳路径位置；叉号表示Sandy中心附近的两条连续扫描线上的地球视场)：(a)06时12分；(b)07时04分；(c)19时；(d)18时14分

ERA5全天空模拟亮温定位结果与最佳路径的距离较远，为进一步分析ERA5中的台风中心位置差异，使用台风周围海平面最低气压值对飓风Sandy进行定位作为参考。图7是ERA5全天空模拟亮温对图6中ATMS和MWHS观测时次的定位结果，以MWHS为例，24日07时04分模拟亮温和观测亮温低亮温区分布相近，但模拟亮温在台风中心附近的分布整体向北偏移约1个纬度；24日18时14分台风的螺旋雨带结构模拟与观测亮温相近，但模拟亮温的台风眼结构不明显。24日07时04分和24日18时14分观测(模拟)亮温的定位结果与最佳路径的距离分别是42.5 km(126.9 km)和35.3 km(45.2 km)，海平面最低气压值定位结果与最佳路径的距离分别是41.2 km和28.5 km。海平面最低气压值定位结果与观测亮温定位结果接近，比模拟亮温定位结果更接近最佳路径。

图7 ERA5全天空模拟亮温水平分布(黑色叉号表示海平面最低气压值定位结果)，其他同图6

3.2 ERA5再分析资料水平分布

虽然微波可以穿透非降水云，但台风附近的强对流即使是微波也难以穿透，再加上云的散射作用很大，导致微波湿度计观测到的亮温在台风降水区剧烈下降形成低亮温区。因此，模拟亮温的低值区分布和观测差异较大应该是再分析资料中云中液态水或冰水分布导致的。图8是ERA5再分析资料中的冰水路径和800 hPa比湿插值到图6b、6d观测时次在Sandy附近的水平分布。云中冰水主要分布在对流层400 hPa以上，因此800 hPa比湿反映的主要是对流层低层的水汽状况，图8b、8d可以看到台风中心附近对流层低层水汽充沛，比湿超过13 g·kg-1。24日07时04分和24日18时14分冰水路径大值区均分布在台风中心东侧和西北侧，与模拟亮温的低值区分布一致。模拟亮温的低亮温区明显偏高，可能是受到云中冰态水的影响，因为冰粒子散射和粒子大小、形状有关，使得辐射传输模式对其模拟难度较大。也有研究指出，数值模式中云参数化存在缺陷，导致再分析资料中的液态水和冰水路径与实况相比误差很大[26-27]。

图8 海平面气压水平分布(等值线，单位：hPa；黑色叉是海平面最低气压值定位结果)与(a、c)ERA5再分析资料冰水路径水平分布(填色，单位：kg·m-2)和(b、d)800 hPa比湿水平分布(填色，单位：g·kg-1)：(a、b)24日07时04分(海平面气压等值线均间隔1.5 hPa)；(c、d)24日18时14分(海平面气压等值线均间事2 hPa)

3.3 对飓风Sandy和Isaac的定位结果

图9a是使用ATMS通道18和MHS通道5的观测和ERA5全天空模拟亮温对飓风Sandy定位的结果，可以看到第二次定位结果比第一次更接近最佳路径。观测和模拟亮温定位结果与最佳路径的平均距离分别是35.8 km和73.3 km。在Sandy于25日06时和29日12时两次达到峰值强度前后，模拟亮温的定位结果与最佳路径的距离明显小于平均距离。在29日18时飓风登陆后，观测亮温与最佳路径的距离明显增大，主要是由于微波通道亮温会受到地表植被、地形等多种因素的影响。图9b是ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5观测和全天空模拟亮温及ERA5海平面最低气压值对飓风Sandy定位的结果，可以看到MWHS通道5与ATMS通道18对飓风Sandy方位谱分析定位结果基本一致。MWHS通道5和MHS通道5对飓风Sandy的观测和模拟亮温定位中心与最佳路径的平均距离分别是33.9 km和71.6 km，ERA5海平面最低气压值定位中心与最佳路径的平均距离是48.1 km。在23日12时之前，ERA5海平面最低气压值定位结果和模拟亮温定位结果相近，之后与观测亮温定位结果相近。总体而言，观测亮温方位谱分析定位结果和ERA5海平面最低气压值定位结果能够反映出台风中心位置，与模拟亮温的定位结果相差较大。

图9 (a)ATMS通道18(蓝色)及MHS通道5(青蓝)观测(实心)和全天空模拟(空心)亮温对飓风Sandy定位结果与最佳路径的距离，三角形(圆圈)为第1(2)步定位结果，灰色阴影为飓风Sandy的最大可持续风速；(b)ATMS通道18(蓝色)、MHS通道5(青蓝)和MWHS通道5(玫红)观测亮温、ERA5全天空模拟亮温(红色)及ERA5海平面最低气压值(黑色叉号)对飓风Sandy定位的结果与最佳路径的距离

图10a是使用ATMS通道18和MHS通道5对飓风Isaac定位的结果，图10b是ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5观测和全天空模拟亮温及ERA5海平面最低气压值对飓风Isaac定位的结果。在24日18时前，观测亮温定位结果与最佳路径的距离较远，特别是对于ATMS通道18和MWHS通道5，但在这之后，观测亮温定位结果与最佳路径的距离明显减小。在28日06时之前，模拟亮温定位结果与最佳路径距离较远，之后明显下降且有时小于观测亮温定位结果与最佳路径的距离。对于飓风Isaac，使用ATMS通道18和MHS通道5观测和全天空模拟亮温得到的定位结果与最佳路径的平均距离分别是32.9 km和82.1 km，使用MWHS通道5和MHS通道5观测和全天空模拟亮温得到的定位结果与最佳路径的平均距离分别是36.4 km和86.2 km。ERA5海平面最低气压值定位结果与最佳路径的平均距离是44.4 km，与观测亮温定位结果相比，28日06时前，观测亮温定位结果更接近最佳路径，之后海平面最低气压值定位结果更加接近最佳路径。

图10 (a)ATMS通道18(蓝色)及MHS通道5(青蓝)观测和全天空模拟(红色)亮温对飓风Isaac进行第一步(三角形符号)和第二步(圆圈符号)的定位结果与最佳路径之间的距离(灰色阴影为飓风Isaac的最大可持续风速)；(b)2012年8月22—31日ATMS通道18(蓝色)、MHS通道5(青蓝)和MWHS通道5(梅红)观测亮温、全天空模拟亮温(红色)及ERA5海平面最低气压值(黑色叉号)对飓风Isaac定位的结果与最佳路径的距离

从Sandy和Isaac的定位结果来看，台风的中心定位与台风强度联系紧密，因此计算了按热带风暴和台风等级来划分的定位结果与最佳路径的距离。对热带风暴，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分别是36.5 km和105.9 km，MWHS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分别是37.3 km和101.9 km；对台风，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分别是25.8 km和56.4 km，MWHS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分别是29.0 km和56.6 km。

4 结论

将ERA5再分析资料作为RTTOV的输入，得到ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5的全天空模拟亮温，比较了卫星观测和全天空模拟亮温对飓风Sandy和Isaac进行方位谱分析中心定位的差异，以及ERA5海平面最低气压值得到的台风中心定位结果。使用微波湿度计的亮温资料，方位谱中心位置定位方法能够得到亮温场的台风结构中最为对称的位置，将该位置视为台风的中心位置。分析结果表明，对于S-NPP搭载的ATMS和MetOp-A搭载的MHS，观测和模拟亮温得到的飓风Sandy(Isaac)中心位置与最佳路径在其生命期内平均相差35.8 km(32.9 km)和73.3 km(82.1 km)。若按热带风暴和台风等级来划分，对于热带风暴，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分别是36.5 km和105.9 km；对于台风，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分别是25.8 km和56.4 km。用FY-3B搭载的MWHS替换ATMS，所得结果与之类似。

使用ERA5海平面最低气压值对Sandy和Isaac的定位结果与最佳路径的距离分别是48.1 km和44.4 km，这与观测亮温的定位结果相近，与模拟亮温的定位结果相差较大。全天空模拟亮温受冰水路径影响较大导致低亮温区分布和观测亮温差异较大，因此，目前尚不适合用来对再分析资料中的台风进行中心定位。此外，ERA5再分析资料的分辨率比卫星微波湿度计资料分辨率低一倍左右，对全天空模拟亮温的分布结构有影响，是导致方位谱台风中心位置定位方法出现较大误差的原因之一。

本研究对台风数值预报中的全天空模拟亮温资料同化具有重要指示意义，但目前仅比较了ERA5再分析资料和微波湿度计观测资料所确定的台风中心位置差异，还有其他一些表现较优的再分析资料如JRA-25等尚未被考虑，后续准备对更多的台风个例及不同的再分析资料展开更细致的比较、分析和评估。