基于HY-2A 微波散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)資料的臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面信息提取研究

張路，胡潭高，張毅，張登榮，李瑤，沈黎達(dá)

( 1. 杭州師范大學(xué) 遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州 311121；2. 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州311121；3. 廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，廣西 南寧 530022；4. 自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

1 引言

臺(tái)風(fēng)是指發(fā)生在熱帶西北太平洋的具有氣旋結(jié)構(gòu)的大型天氣系統(tǒng)，我國是全球遭受臺(tái)風(fēng)破壞影響最顯著的國家之一，每年臺(tái)風(fēng)在我國造成的經(jīng)濟(jì)損失都高達(dá)上百億元[1-2]。臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈是描述臺(tái)風(fēng)的一個(gè)重要參數(shù)，可以在一定程度上表達(dá)臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征，決定一個(gè)臺(tái)風(fēng)潛在的破壞力和可能影響范圍[3]。在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中，臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈大小對(duì)模型計(jì)算、強(qiáng)度、路徑的預(yù)測(cè)結(jié)果具有重要意義[4-5]，有助于沿海地區(qū)采取有針對(duì)性的防臺(tái)措施[6]。另外，風(fēng)圈對(duì)于各種基于熱帶氣旋的應(yīng)用也至關(guān)重要[7-8]，美國國家颶風(fēng)中心主要利用風(fēng)圈大小來決定警報(bào)的強(qiáng)度，并且預(yù)估臺(tái)風(fēng)的破壞性。臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈是對(duì)臺(tái)風(fēng)具體影響范圍與程度的直觀體現(xiàn)，當(dāng)前臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈的確定方法主要依賴于臺(tái)風(fēng)水平方向的風(fēng)剖面信息。臺(tái)風(fēng)水平方向風(fēng)剖面信息可以以風(fēng)速-半徑關(guān)系曲線的方式展現(xiàn)，即臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面曲線[9]。臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面曲線是一條臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)內(nèi)與臺(tái)風(fēng)中心不同距離的各點(diǎn)平均風(fēng)速變化的曲線，因此通過提取風(fēng)剖面信息，能夠快速直觀地展示不同等級(jí)風(fēng)圈的半徑。

風(fēng)圈研究一直以來都是臺(tái)風(fēng)相關(guān)研究中的熱點(diǎn)之一，受到國內(nèi)外許多學(xué)者的關(guān)注。早期的風(fēng)圈研究主要基于海岸氣象站、船舶、浮標(biāo)等的地面/海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。但是，由于測(cè)量站點(diǎn)記錄的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)多為點(diǎn)源數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)臺(tái)風(fēng)的整體觀測(cè)能力，因此現(xiàn)今的風(fēng)圈研究中地面/海面站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)多作為輔助數(shù)據(jù)使用[10-11]。自20 世紀(jì)60 年代開始，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，基于航空平臺(tái)的對(duì)熱帶氣旋觀測(cè)數(shù)據(jù)開始增多。航空觀測(cè)的方法主要為通過飛機(jī)等航空器飛越臺(tái)風(fēng)上空或內(nèi)部云系結(jié)構(gòu)通過遙感手段對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行觀測(cè)，航空遙感能夠?qū)ε_(tái)風(fēng)外層與內(nèi)層進(jìn)行觀測(cè)，獲取高精度的臺(tái)風(fēng)參數(shù)[12-13]。但由于其危險(xiǎn)性較高，成本昂貴[14]，因此在非必要的時(shí)候也少有進(jìn)行對(duì)臺(tái)風(fēng)的航空觀測(cè)。20 世紀(jì)70 年代后，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)迅速成為臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)研究的主要手段，它具備了對(duì)臺(tái)風(fēng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)的能力以及時(shí)間分辨率相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)[15]。

近年來，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者開始嘗試?yán)枚嘣葱l(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)的相關(guān)研究。馮倩[16]進(jìn)行了搭載多傳感器衛(wèi)星對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)的遙感研究；楊亮[17]研究了基于遙感數(shù)據(jù)的西北太平洋海面風(fēng)場(chǎng)時(shí)空特征；竇芳麗等[18]基于FY-3 雙頻散射計(jì)數(shù)據(jù)反演了臺(tái)風(fēng)降水區(qū)風(fēng)場(chǎng)；吳俞等[19]基于衛(wèi)星資料研究了臺(tái)風(fēng)“海燕”對(duì)海南島風(fēng)雨分布的影響。上述研究說明了基于遙感數(shù)據(jù)研究臺(tái)風(fēng)信息是一種可行且主流的方式，因此相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了多種基于衛(wèi)星散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈研究，如陳德文等[9]基于QuikSCAT 散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑反演及個(gè)例進(jìn)行了研究；Park 等[20]基于微波散射計(jì)數(shù)據(jù)，韓國氣象局（KMA）與東京臺(tái)風(fēng)中心（TTC）的記錄數(shù)據(jù)對(duì)西北太平洋熱帶氣旋風(fēng)圈半徑進(jìn)行了對(duì)比分析；Chavas 和Emanuel[21]利用QuikSCAT 散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，分析了多個(gè)海域的熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)與風(fēng)圈半徑；Said 和Long[22]將QuikSCAT 風(fēng)力產(chǎn)品進(jìn)行空間分辨率增強(qiáng)，估算了熱帶氣旋的特征參數(shù)，并進(jìn)行了精度評(píng)價(jià)與誤差分析。其中，陳德文等[9]與Said 和Long[22]都利用了Holland 風(fēng)場(chǎng)模型對(duì)風(fēng)圈進(jìn)行了反演評(píng)估，Holland 風(fēng)場(chǎng)模型是一個(gè)臺(tái)風(fēng)氣壓-風(fēng)速數(shù)值模型，是目前主流的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型之一。

海洋二號(hào)A 星（HY-2A）是我國第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，主要搭載了散射計(jì)、輻射計(jì)和高度計(jì)3 種傳感器。其中，散射計(jì)能夠提供探測(cè)海域的海面風(fēng)速、海面風(fēng)向等產(chǎn)品，已有相關(guān)學(xué)者利用散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料開展了臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)研究，如劉曉燕等[23]基于HY-2A 散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料在臺(tái)風(fēng)“菲特”預(yù)報(bào)中的應(yīng)用；趙勇等[24]基于HY-2A 散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)研究了臺(tái)風(fēng)“蘇力”的海表面風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)；蘭友國等[25]綜述了HY-2A 微波散射計(jì)在臺(tái)風(fēng)遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；鄒巨洪等[26]基于HY-2A 風(fēng)矢量產(chǎn)品進(jìn)行了熱帶氣旋自動(dòng)識(shí)別的研究；胡潭高等[27]通過將HY-2 散射計(jì)數(shù)據(jù)與FY-2 微波數(shù)據(jù)結(jié)合，提出了一種有效提高臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)能力的方法；楊典等[28]基于HY-2A 散射計(jì)數(shù)據(jù)提出了一種臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的診斷方法。

本文將嘗試基于HY-2A 散射計(jì)提供的海面風(fēng)場(chǎng)資料，并結(jié)合Holland 風(fēng)場(chǎng)模型，研究臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈信息的提取方法。首先，通過分析Holland 風(fēng)場(chǎng)模型中的兩種臺(tái)風(fēng)形狀系數(shù)對(duì)風(fēng)剖面信息提取精度的影響，提出一種基于微波散射計(jì)產(chǎn)品的較為穩(wěn)定可靠的臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面信息提取方法；然后，在此基礎(chǔ)上確定不同等級(jí)的風(fēng)圈范圍；最后，通過多期臺(tái)風(fēng)應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證風(fēng)圈提取精度。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

2.1.1 HY-2A 散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)

本研究選用的散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)是HY-2A 衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)業(yè)務(wù)化處理生產(chǎn)的微波散射計(jì)L2B級(jí)產(chǎn)品，采用了最大似然估計(jì)及圓中數(shù)濾波方法，數(shù)據(jù)版本為業(yè)務(wù)處理版本，采用基于二維變分分析方法得到風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品精度有所提高，但仍未對(duì)業(yè)務(wù)化處理版本的數(shù)據(jù)進(jìn)行批量重處理，故在本研究中采用[29]。微波散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品文件中，記錄了各觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、監(jiān)測(cè)時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向等海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)。產(chǎn)品記錄了觀測(cè)點(diǎn)海面風(fēng)場(chǎng)情況，產(chǎn)品風(fēng)速精度為2 m/s（風(fēng)速≤24 m/s）與風(fēng)速的10%（風(fēng)速＞24 m/s），最大記錄風(fēng)速值為38.5 m/s；記錄風(fēng)向值為0°～360°，精度為±20°，每一景數(shù)據(jù)的刈幅寬度約為1 350 km[30]。產(chǎn)品的空間分辨率為25 km，時(shí)間分辨率為12 h。

2.1.2 最佳路徑數(shù)據(jù)集

美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心（Joint Typhoon Warning Center，JTWC）記錄了從20 世紀(jì)50 年代至今的基本所有全球洋面上熱帶氣旋的各項(xiàng)主要參數(shù)，根據(jù)海域劃分整合了不同海域上熱帶氣旋的最佳路徑數(shù)據(jù)集。最佳路徑數(shù)據(jù)集提供了時(shí)間分辨率為6 h 的各熱帶氣旋的氣旋中心經(jīng)緯度、近中心最大風(fēng)速、中心最低氣壓、各級(jí)風(fēng)圈半徑等主要的熱帶氣旋科學(xué)參數(shù)。

2.2 方法

本研究基于HY-2A 衛(wèi)星的散射計(jì)數(shù)據(jù)，首先對(duì)散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲得散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)圖，通過風(fēng)場(chǎng)圖提取臺(tái)風(fēng)主要參數(shù)；然后，利用散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料，改進(jìn)基于Holland 風(fēng)場(chǎng)模型，反演風(fēng)速剖面信息；最后，以2012-2017 年間16 次臺(tái)風(fēng)為例，進(jìn)行精度驗(yàn)證?？傮w技術(shù)路線圖1 所示。

2.2.1 散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料預(yù)處理

從國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心網(wǎng)站下載覆蓋對(duì)應(yīng)熱帶氣旋的HY-2A 散射計(jì)L2B 級(jí)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品，確認(rèn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻熱帶氣旋的中心后截取距離氣旋中心經(jīng)緯度±5°的矩形區(qū)域內(nèi)的所有記錄點(diǎn)的風(fēng)速值與風(fēng)向值，并基于記錄值對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)及其周邊區(qū)域進(jìn)行插值重采樣處理，生成對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)圖?；谏傻娘L(fēng)場(chǎng)圖，提取該景散射計(jì)L2B 級(jí)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品記錄的熱帶氣旋中心經(jīng)緯度、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑（Radius of Maximum Wind，RMW）3 個(gè)熱帶氣旋結(jié)構(gòu)參數(shù)[31-32]。提取方法如下：臺(tái)風(fēng)中心為風(fēng)場(chǎng)圖中，以低風(fēng)速值區(qū)域中的風(fēng)向渦旋中心為臺(tái)風(fēng)中心，提取臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)緯度；以臺(tái)風(fēng)中心為原點(diǎn)，半徑100 km 內(nèi)風(fēng)速最大插值結(jié)果為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速；最大風(fēng)速像元與臺(tái)風(fēng)中心的距離作為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑。

2.2.2 基于散射計(jì)和Holland 風(fēng)場(chǎng)模型的風(fēng)速剖面反演

Holland[33]基于Schloemer 指數(shù)氣壓分布模型，于1980 年提出一種描述臺(tái)風(fēng)內(nèi)氣壓徑向分布的模型

式中，r為與臺(tái)風(fēng)中心的距離；Pr為距離臺(tái)風(fēng)中心r處的氣壓；Pc為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；Pn為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓；RMW為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；B為臺(tái)風(fēng)形狀系數(shù)。

由于散射計(jì)沒有氣壓數(shù)據(jù)，需要利用其他相關(guān)參數(shù)，而臺(tái)風(fēng)的氣壓參數(shù)與風(fēng)速參數(shù)存在聯(lián)系，因此陳德文等[9]在Holland 氣壓模型的基礎(chǔ)上，通過風(fēng)速與氣壓的擬合得到與臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速相關(guān)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速剖面模型

式中，Vr為距離臺(tái)風(fēng)中心r處的風(fēng)速；Vmax為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速；r為與臺(tái)風(fēng)中心的距離；RMW為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；B為臺(tái)風(fēng)形狀系數(shù)。

Holland 氣壓模型與Schloemer 氣壓模型最大的改進(jìn)意義在于引入了HollandB參數(shù)，其與臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑均為Holland 模型中重要參數(shù)，B的合理取值范圍為1.0～2.5。Willoughby 和Rahn[34]及楊萬康等[35]通過航空探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)臺(tái)風(fēng)模型中的各參數(shù)進(jìn)行擬合，獲得了對(duì)參數(shù)B的擬合計(jì)算公式

圖 1 總體技術(shù)路線Fig. 1 Overall technical roadmap

式中，Vmax為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速；RMW為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；L為臺(tái)風(fēng)中心緯度。

Vickery 等[35]及賈永君等[36]將航空探測(cè)數(shù)據(jù)與HRD 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，對(duì)相關(guān)臺(tái)風(fēng)特征參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，獲得了臺(tái)風(fēng)形狀系數(shù)B的計(jì)算公式

式中，RMW為臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑；L為臺(tái)風(fēng)中心緯度。

利用式（3）與式（4），可以將計(jì)算出的B值分別代入式（2）進(jìn)行臺(tái)風(fēng)剖面風(fēng)速曲線擬合，兩種B值的計(jì)算方法（下文稱為WilloughbyB值計(jì)算法與VickeryB值計(jì)算法）對(duì)臺(tái)風(fēng)剖面風(fēng)速曲線造成重要影響，不同的B值會(huì)使每一景散射計(jì)數(shù)據(jù)反演出2 條不一樣的臺(tái)風(fēng)剖面風(fēng)速曲線。

2.2.3 模型評(píng)價(jià)與驗(yàn)證

（1）數(shù)據(jù)匹配

JTWC 發(fā)布的臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集中，記錄點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)為臺(tái)風(fēng)活動(dòng)期間內(nèi)每日的0 時(shí)、6 時(shí)、12 時(shí)與18 時(shí)。散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，西北太平洋數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時(shí)間坐標(biāo)為每日的7-11 時(shí)與19-23 時(shí)。由于JTWC 記錄臺(tái)風(fēng)的時(shí)間坐標(biāo)與散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄臺(tái)風(fēng)的時(shí)間坐標(biāo)不一致，不能直接使用JTWC 的記錄參數(shù)作為參考真值，因此本文使用三次樣條插值法對(duì)JTWC 記錄值進(jìn)行插值，獲取與散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄時(shí)間相同的JTWC 最佳路徑數(shù)據(jù)集臺(tái)風(fēng)參數(shù)。

在區(qū)間[a,b]上，以xi(i=1,2,3,···,n)為分段點(diǎn)的函數(shù)F(x)，其中a=x1＜x2＜x3＜···＜xn=b，其三次樣條函數(shù)S(xi)可表示為

①通過所有分段點(diǎn)xi，即滿足

②存在二階連續(xù)性

即

事實(shí)上對(duì)于每一個(gè)區(qū)間內(nèi)都為三次多項(xiàng)式。

（2）精度評(píng)價(jià)

通過式（3）與式（4）分別計(jì)算每一景散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的兩個(gè)臺(tái)風(fēng)形狀系數(shù)，然后利用Holland 風(fēng)場(chǎng)模型提取對(duì)應(yīng)的風(fēng)圈半徑，以JTWC 的最佳路徑數(shù)據(jù)集風(fēng)圈插值結(jié)果作為參考真值，通過計(jì)算Holland模型風(fēng)圈半徑結(jié)果與JTWC 風(fēng)圈插值結(jié)果兩者之間的均方根誤差與平均絕對(duì)誤差，進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，確定一種精度較高、適宜反演西北太平洋熱帶氣旋風(fēng)圈的臺(tái)風(fēng)形狀系數(shù)B計(jì)算方法。均方根誤差（RMSE）的計(jì)算公式如下

平均絕對(duì)誤差（MAE）的計(jì)算公式如下

3 應(yīng)用實(shí)例

本文選擇2012 年02 號(hào)臺(tái)風(fēng)“珊瑚”與2013 年23 號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”這兩期典型的臺(tái)風(fēng)作為應(yīng)用實(shí)例（圖2），以驗(yàn)證本文方法的精度，選取原因說明如下：（1）臺(tái)風(fēng)“珊瑚”的活動(dòng)時(shí)間為5 月底，屬于生成時(shí)間較早的熱帶氣旋，而臺(tái)風(fēng)“菲特”活動(dòng)時(shí)間為9 月底10 月初，屬于生成時(shí)間為中后期的熱帶氣旋，兩個(gè)樣本在時(shí)間范圍上相對(duì)具有較好的代表性；（2）臺(tái)風(fēng)“珊瑚”屬于遠(yuǎn)洋型熱帶氣旋，即整個(gè)生命周期內(nèi)都在遠(yuǎn)洋海域活動(dòng)，而臺(tái)風(fēng)“菲特”屬于登陸型熱帶氣旋，生成后朝著陸地方向移動(dòng)并登陸，兩個(gè)樣本的空間范圍與活動(dòng)性質(zhì)不同，相對(duì)具有較好的代表性；（3）兩個(gè)臺(tái)風(fēng)樣本的最大風(fēng)速值在HY-2A 散射計(jì)有效記錄最大風(fēng)速值38.5 m/s 以下[30,37]的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，有效樣本數(shù)量較多。另外，為了驗(yàn)證本文方法的適用性，還選擇了2012-2017 年間，對(duì)滿足散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)有完整覆蓋，或覆蓋了臺(tái)風(fēng)大部結(jié)構(gòu)區(qū)域的14 個(gè)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行風(fēng)圈提取驗(yàn)證。

圖 2 臺(tái)風(fēng)“珊瑚”與“菲特”路徑Fig. 2 Typhoon Sanvu and Typhoon Fitow road map

3.1 2012 年02 號(hào)臺(tái)風(fēng)“珊 瑚”

臺(tái)風(fēng)“珊瑚”于2012 年5 月21 日02 時(shí)生成于關(guān)島東南方附近洋面，生成后朝西北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，移動(dòng)方向逐漸朝北偏移。5 月24 日于21°N，139°E 附近加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，并轉(zhuǎn)為朝東北方向移動(dòng)，5 月26 日減弱為熱帶風(fēng)暴并繼續(xù)朝東北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸減弱，5 月28 日變性為溫帶氣旋后于當(dāng)日20 時(shí)于日本以東洋面上消散。

在臺(tái)風(fēng)“珊瑚”的完整生命周期內(nèi)，我們選取6 景能夠較好反映臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的微波散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料用于風(fēng)剖面信息提取，具體為北京時(shí)間2012 年5 月23 日09 時(shí)、5 月23 日21 時(shí)、5 月24 日09 時(shí)、5 月24 日21 時(shí)，5 月25 日09 時(shí)，5 月26 日20 時(shí)。上述6 景數(shù)據(jù)均為臺(tái)風(fēng)“菲特”距離海島或陸地較遠(yuǎn)的海域上，散射計(jì)數(shù)據(jù)受海島陸地影響較小。從圖3 可以看出5 月23 日09 時(shí)“珊瑚”已經(jīng)具有較為明顯的環(huán)流結(jié)構(gòu)，形狀結(jié)構(gòu)也趨于對(duì)稱，具備較好的擬合條件。

圖 3 臺(tái)風(fēng)“珊瑚”風(fēng)場(chǎng)Fig. 3 Wind field map of Typhoon Sanvu

對(duì)6 次微波散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，生成每一景散射計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)圖。基于風(fēng)場(chǎng)圖提取每一景散射計(jì)數(shù)據(jù)記錄時(shí)，臺(tái)風(fēng)“珊瑚”的中心經(jīng)緯度、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑4 個(gè)重要臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（表1），用于Holland 模型進(jìn)行風(fēng)速剖面曲線擬合。

分別對(duì)6 景散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型運(yùn)算，生成對(duì)應(yīng)的風(fēng)速剖面擬合曲線（圖4，圖5）。從表1 得知，除了5 月23 日09 時(shí)散射計(jì)提取的最大風(fēng)速與JTWC 記錄的最大風(fēng)速有3.5 m/s 的較大誤差外，6 景散射計(jì)數(shù)據(jù)提取的臺(tái)風(fēng)經(jīng)緯度、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑4 個(gè)參數(shù)與JTWC 記錄參數(shù)的偏差較小。表2 表述了6 景散射計(jì)數(shù)據(jù)反演得出的風(fēng)圈值與JTWC 記錄值，在中心風(fēng)力較低的情況下，即5 月23 日09 時(shí)與5 月26日20 時(shí)2 景中，基于VickeryB值計(jì)算法的風(fēng)圈反演精度優(yōu)于基于WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)圈半徑反演精度，另外4 景時(shí)“珊瑚”的中心風(fēng)力較大，基于WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)圈反演精度則優(yōu)于VickeryB值計(jì)算法。

表 1 臺(tái)風(fēng)“珊瑚”結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of structural parameters of Typhoon Sanvu

從圖4 與圖5 可以看出對(duì)于臺(tái)風(fēng)“珊瑚”，WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)速剖面擬合曲線對(duì)比VickeryB值計(jì)算法更為尖銳，即在最大風(fēng)速半徑外，風(fēng)速隨著半徑增加而下降的速率更高。同一景數(shù)據(jù)中，最大風(fēng)速半徑外區(qū)域的同距離點(diǎn)，VickeryB值計(jì)算法對(duì)應(yīng)的風(fēng)速擬合值均比WilloughbyB值計(jì)算法更高。6 景WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)速擬合曲線在距中心遠(yuǎn)距離處均趨于同一值，而VickeryB值計(jì)算法的擬合曲線之間則趨于固定的差值。對(duì)兩種方法反演擬合的風(fēng)圈值與JTWC 最佳路徑數(shù)據(jù)集記錄的風(fēng)圈值進(jìn)行比較，臺(tái)風(fēng)“珊瑚”34 kt 風(fēng)圈中，基于WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)圈半徑RMSE 為23.6 km，MAE 為19.3 km；基于VickeryB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的RMSE 為36.7 km，MAE 為28.3 km。臺(tái)風(fēng)“珊瑚”50 kt風(fēng)圈中，WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)圈半徑RMSE 為18.0 km，MAE 為15.3 km；基于VickeryB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的RMSE 為27.4 km，MAE 為22.5 km。

圖 4 臺(tái)風(fēng)“珊瑚”Willoughby B 值計(jì)算法風(fēng)速剖面擬合曲線Fig. 4 Wind speed profile fitting curve of Typhoon Sanvu with value B calculated by Willoughby's method

圖 5 臺(tái)風(fēng)“珊瑚”Vickery B 值計(jì)算法風(fēng)速剖面擬合曲線Fig. 5 Wind speed profile fitting curve of Typhoon Sanvu with value B calculated by Vickery's method

3.2 2013 年23 號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”

臺(tái)風(fēng)“菲特”于2013 年9 月29 日20 時(shí)生成于帕勞以北洋面，后朝西北偏北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，10 月04 日于沖繩以南洋面加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，后轉(zhuǎn)向西北偏西方向移動(dòng)，穿過釣魚島后10 月07 日凌晨于福建省福鼎市登陸，登陸時(shí)最大風(fēng)速為42 m/s，登陸后強(qiáng)度迅速減弱，同日下午于福建省南平市以西附近消散。

在臺(tái)風(fēng)“菲特”的完整生命周期內(nèi)，我們選取6 景能夠較好反映臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的微波散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料用于風(fēng)剖面信息提取，具體為北京時(shí)間2013 年10 月01 日09 時(shí)、10 月01 日21 時(shí)、10 月02 日09 時(shí)、10 月02 日21 時(shí)，10 月03 日09 時(shí)，10 月03 日21 時(shí)。上述6 景數(shù)據(jù)均為臺(tái)風(fēng)“菲特”距離海島或陸地較遠(yuǎn)的海域上，散射計(jì)數(shù)據(jù)受海島陸地影響較小。從圖6 可以看出10 月1 日時(shí)“菲特”已經(jīng)具有較為明顯的環(huán)流結(jié)構(gòu)，形狀結(jié)構(gòu)也趨于對(duì)稱，具備較好的擬合條件。

對(duì)6 次微波散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，生成每一景散射計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)圖?；陲L(fēng)場(chǎng)圖提取每一景散射計(jì)數(shù)據(jù)記錄時(shí)，臺(tái)風(fēng)“菲特”的中心經(jīng)緯度、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑4 個(gè)重要臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)參數(shù)（表3），用于Holland 模型進(jìn)行風(fēng)速剖面曲線擬合。

分別對(duì)6 景散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型運(yùn)算，生成對(duì)應(yīng)的風(fēng)速剖面擬合曲線（圖7，圖8）。從表3 得知，10 月01 日09 時(shí)至10 月03 日09 時(shí)的5 景散 射計(jì)數(shù)據(jù)提取的臺(tái)風(fēng)經(jīng)緯度、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑4 個(gè)參數(shù)與JTWC 記錄參數(shù)誤差較小，而從10 月03 日21 時(shí)散射計(jì)數(shù)據(jù)提取的臺(tái)風(fēng)參數(shù)與JTWC 記錄值誤差較大；表4 為6 景散射計(jì)數(shù)據(jù)反演得出的風(fēng)圈值與JTWC 記錄值，可以看出10 月01 日09 時(shí)至10 月03 日09 時(shí)這5 景數(shù)據(jù)中，基于WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)圈反演精度優(yōu)于VickeryB值計(jì)算法，而10 月03 日21 時(shí)這一景數(shù)據(jù)基于VickeryB值計(jì)算法反演精度優(yōu)于WilloughbyB值計(jì)算法。

圖 6 臺(tái)風(fēng)“菲特”風(fēng)場(chǎng)圖Fig. 6 Wind field map of Typhoon Fitow

表 3 臺(tái)風(fēng)“菲特”結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比Table 3 Comparison of structural parameters of Typhoon Fitow

從圖7 與圖8 可以看出同臺(tái)風(fēng)“珊瑚”一樣，對(duì)于臺(tái)風(fēng)“菲特”，基于WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)速剖面擬合曲線對(duì)比VickeryB值計(jì)算法也更為尖銳，對(duì)于同一景數(shù)據(jù)中最大風(fēng)速半徑外區(qū)域的同距離點(diǎn)，基于VickeryB值計(jì)算法的風(fēng)速擬合值均比WilloughbyB值計(jì)算法更高。6 景基于WilloughbyB值計(jì)算法的風(fēng)速擬合曲線在距中心遠(yuǎn)距離處也趨于同一值，而基于VickeryB值計(jì)算法的擬合曲線之間也趨于固定的差值。對(duì)兩種方法反演擬合的風(fēng)圈值與JTWC 最佳路徑數(shù)據(jù)集記錄的風(fēng)圈值進(jìn)行比較，臺(tái)風(fēng)“菲特”34 kt風(fēng)圈中，基于WilloughbyB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的RMSE 為46.7 km，MAE 為38.6 km；基于VickeryB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的RMSE 為65.6 km，MAE 為52.0 km。臺(tái)風(fēng)“菲特”50 kt 風(fēng)圈中，基于WilloughbyB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的RMSE 為21.4 km，MAE 為17.0 km；基于Vickery B 值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的RMSE 為31.8 km，MAE 為24.3 km。

3.3 2012-2017 年期間臺(tái)風(fēng)實(shí)例

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)基于HY-2A 微波散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品在多個(gè)西太平洋臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈提取中的適用性與精度，本文還對(duì)2012-2017 年間共14 個(gè)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了風(fēng)圈提取與精度評(píng)價(jià)。14 個(gè)臺(tái)風(fēng)的RMSE 與MAE 分別如表5 和表6 所示。

由表5 和表6 可知，對(duì)于上述14 個(gè)臺(tái)風(fēng)的34 kt風(fēng)圈中，基于WilloughbyB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的平均均方根誤差為25.6 km，平均偏差為22.2 km；基于VickeryB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的均方根誤差為48.0 km，平均偏差為42.1 km。50 kt 風(fēng)圈中，基于WilloughbyB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的均方根誤差為13.3 km，平均偏差為11.4 km；基于VickeryB值計(jì)算法風(fēng)圈半徑的均方根誤差為21.6 km，平均偏差為18.9 km。

圖 7 臺(tái)風(fēng)“菲特”Willoughby B 值計(jì)算法風(fēng)速剖面擬合曲線Fig. 7 Wind speed profile fitting curve of Typhoon Fitow with value B calculated by Willoughby's method

圖 8 臺(tái)風(fēng)“菲特”Vickery B 值計(jì)算法風(fēng)速剖面擬合曲線Fig. 8 Wind speed profile fitting curve of Typhoon Fitow with value B calculated by Vickery's method

表 4 臺(tái)風(fēng)“菲特”風(fēng)圈對(duì)比Table 4 Comparison of wind radii of Typhoon Fitow

4 結(jié)果與討論

表 5 2012-2017 年間14 個(gè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈的RMSETable 5 RMSE of 14 typhoons’ wind radii between 2012 and 2017

以上應(yīng)用實(shí)例的結(jié)果表明：對(duì)比WilloughbyB值計(jì)算法和與VickeryB值計(jì)算法對(duì)應(yīng)的兩種風(fēng)速剖面擬合曲線，可以看出WilloughbyB值計(jì)算法的擬合曲線更加貼近于臺(tái)風(fēng)水平風(fēng)速剖面的實(shí)際情況，即臺(tái)風(fēng)外圍區(qū)域風(fēng)速趨于同一值。另外，對(duì)2012-2017 年期間16 期臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈半徑的反演精度表明：基于WilloughbyB值計(jì)算法與HY-2A 海面風(fēng)場(chǎng)資料提取的34 kt 與50 kt 風(fēng)圈半徑的平均均方根誤差為37.6 km與18.3 km，平均偏差為32.4 km 與15.8 km；基于VickeryB值計(jì)算法與HY-2A 海面風(fēng)場(chǎng)資料提取的34 kt 與50 kt 風(fēng)圈半徑的平均均方根誤差為37.6 km與18.3 km，平均偏差為32.4 km 與15.8 km。因此，對(duì)于西北太平洋區(qū)域的熱帶氣旋，Willoughby 等提出的臺(tái)風(fēng)形狀系數(shù)計(jì)算法對(duì)比Vickery 等的計(jì)算法更為準(zhǔn)確。綜上所述，HY-2A 海面風(fēng)場(chǎng)資料結(jié)合W 法可以有效提取西北太平洋地區(qū)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)剖面信息。

基于散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)提取臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈半徑的誤差主要來自于以下4 個(gè)方面：（1）臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)實(shí)際并非完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本文中通過散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)生成的臺(tái)風(fēng)海面風(fēng)場(chǎng)圖中也能反映出這一臺(tái)風(fēng)特征；而Holland 模型在結(jié)構(gòu)上屬于完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)模型，與臺(tái)風(fēng)的真實(shí)狀態(tài)之間存在一定的偏差。（2）HY-2A 散射計(jì)數(shù)據(jù)受海陸影響較大，近海島與近岸區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)精度誤差增加，最終導(dǎo)致風(fēng)圈半徑提取的精度下降。（3）JTWC 最佳路徑數(shù)據(jù)集記錄數(shù)據(jù)時(shí)間為6 小時(shí)，每日從0 時(shí)（UTC 時(shí)）開始記錄，而HY-2A 衛(wèi)星獲取西北太平洋區(qū)域數(shù)據(jù)的時(shí)間為每日的08 時(shí)至11時(shí)與20 時(shí)至23 時(shí)（UTC 時(shí)）之間，因此最佳路徑數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)需要進(jìn)行插值，造成誤差。（4）原始Holland 風(fēng)場(chǎng)模型屬于氣壓模型，而本文使用的風(fēng)場(chǎng)模型為風(fēng)速模型，需要基于臺(tái)風(fēng)內(nèi)部氣壓與風(fēng)速之間的關(guān)系進(jìn)行氣壓與風(fēng)速的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果就有導(dǎo)致誤差的可能。

本研究還存在一定的局限性，有待于今后進(jìn)一步開展相關(guān)研究：（1）本研究的方法比較適用于結(jié)構(gòu)完整的熱帶氣旋，對(duì)于早期的熱帶低壓與熱帶風(fēng)暴級(jí)別的氣旋反演效果不是特別理想，如何提取尚未成熟期的臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈半徑是今后研究的方向之一。（2）根據(jù)HY-2A 散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)資料的說明，對(duì)于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別（中心最大風(fēng)速40 m/s）以上的熱帶氣旋其海面風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果與實(shí)際風(fēng)速之間存在較大的偏差，這將導(dǎo)致本文方法在該風(fēng)速范圍內(nèi)提取得到的風(fēng)圈半徑存在較大偏差。

表 6 2012-2017 年間14 個(gè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈的MAETable 6 MAE of 14 typhoons’ wind radii between 2012 and 2017