衛(wèi)星在熱帶氣旋快速增強(qiáng)觀測中的應(yīng)用進(jìn)展

張 淼 ， 邱 紅 ， 覃丹宇 ， 壽亦宣

中國氣象局 中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室, 國家衛(wèi)星氣象中心， 北京 100081

0 引 言

熱帶氣旋(tropical cyclone,TC)快速增強(qiáng)(rapidly intensifying,RI)是指在某一時(shí)段內(nèi)TC強(qiáng)度大幅上升，不同學(xué)者對TC RI的判別標(biāo)準(zhǔn)存在差異，但國際上較為廣泛使用的是Kaplan等(2003)使用的判別標(biāo)準(zhǔn)，即取24 h近中心最大風(fēng)速變化大于95%的樣本(30 kn，約15.4 m/s)。TC RI對我國影響大而又難以預(yù)報(bào)(端義宏等，2005)，RI的預(yù)報(bào)水平一直滯緩不前，根本原因是對RI的物理機(jī)制缺乏認(rèn)識(shí)。目前用于解釋TC突然增強(qiáng)的理論主要有4個(gè)：第二類條件不穩(wěn)定機(jī)制、合作增強(qiáng)機(jī)制、風(fēng)驅(qū)動(dòng)海氣交互不穩(wěn)定機(jī)制和旋轉(zhuǎn)對流機(jī)制(張興海，2017)。RI是TC內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化(TC的眼壁特征、對流的分布等)、下墊面(暖的海表面溫度、深厚的暖海洋混合層、地形等)和大尺度環(huán)境場(較弱的垂直風(fēng)切變，較高的低對流層相對濕度、條件不穩(wěn)定、大尺度的上層水平輻散、低層輻合等)共同作用的結(jié)果(Kaplan and DeMaria，2003；Wang and Wu，2004)。而環(huán)境場或是下墊面對RI過程的影響也是通過對TC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響來間接造成的(陸益，2012)。

RI多發(fā)生在常規(guī)觀測資料稀少的海洋上，因此衛(wèi)星探測技術(shù)提供了更多的RI TC內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，能夠進(jìn)一步加強(qiáng)對TC強(qiáng)度變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)。氣象衛(wèi)星歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就(盧乃錳等，2016a)。除美國、歐洲、中國、日本業(yè)務(wù)氣象衛(wèi)星外，各氣象衛(wèi)星組織和運(yùn)行國還發(fā)展了專用科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星，如“熱帶降水測量任務(wù)”衛(wèi)星計(jì)劃(TRMM/GPM)等。星上載荷實(shí)現(xiàn)了從單光譜到多光譜,從二維到三維，從單一的光學(xué)遙感到紫外、可見、紅外和微波的全譜段綜合氣象探測(盧乃錳等，2016a)。文中將總結(jié)國內(nèi)外氣象衛(wèi)星在TC RI觀測中的應(yīng)用及存在的問題和未來發(fā)展方向。

1 靜止軌道衛(wèi)星資料在TC RI中的應(yīng)用

靜止軌道衛(wèi)星高度高、視野廣闊，與地面的位置相對保持不變，可以連續(xù)監(jiān)測TC RI內(nèi)部結(jié)構(gòu)演變。當(dāng)云層較厚時(shí)，紅外通道亮溫越低，對應(yīng)的云頂高度越高，說明對流越旺盛，對流云的發(fā)展不僅在垂直方向輸送熱量、水汽和動(dòng)量，并且其引起的水汽凝結(jié)潛熱釋放是TC發(fā)展過程中主要的能量來源。因此一些學(xué)者(Steranka et al，1986；閻俊岳等，1997；陸益，2012；Monette et al，2012；王新等，2018)利用靜止衛(wèi)星紅外通道亮溫資料研究了TC RI與內(nèi)部強(qiáng)對流云之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)TC中心附近的強(qiáng)對流云對RI的發(fā)展具有重要影響，最核心區(qū)0—50 km范圍內(nèi)的云上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)對TC RI貢獻(xiàn)顯著，且將紅外通道亮溫參數(shù)加入預(yù)報(bào)模型，預(yù)測能力略有提升。另外，由連續(xù)的靜止軌道云圖計(jì)算得到的云導(dǎo)風(fēng)可監(jiān)測TC高空的流出氣流(Oyama et al，2016)，Oyama(2017)利用MTSAT的云導(dǎo)風(fēng)資料研究TC RI表明，TC在高空流出氣流達(dá)到最大后的0—36 h內(nèi)發(fā)生RI。

雖然靜止軌道衛(wèi)星可以連續(xù)監(jiān)測TC RI內(nèi)部結(jié)構(gòu)演變，但空間分辨率較低且大角度觀測時(shí)精度較差，且靜止軌道衛(wèi)星上的載荷儀器技術(shù)要求高，地面控制難度大，因此許多新的高科技觀測儀器都無法在靜止軌道衛(wèi)星上運(yùn)行，導(dǎo)致靜止軌道衛(wèi)星在RI TC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測能力上略顯不足。

2 極軌衛(wèi)星資料在TC RI中的應(yīng)用

2.1 被動(dòng)微波探測在TC RI中的應(yīng)用

微波探測可以穿透上層卷云，探測到卷云下的TC結(jié)構(gòu)特征(Zhang et al，2017)，微波垂直探測器MSU、SSM/T、SSMIS、AMSU-A、ATMS、MWTS-II等，可以測得TC對流層中上層的暖核信息(張淼等，2017)，目前研究發(fā)現(xiàn)對流層高層暖核可能是導(dǎo)致TC RI的一個(gè)重要因素(Zhang and Chen，2012；Chen and Zhang，2013；Tang et al，2019)。微波成像儀SSM/I、SSMIS，AMSR-E、WindSat、AMSR-2、MWRI、TMI、GMI等可以清晰看到TC的雙眼墻結(jié)構(gòu)和雙眼墻替換過程(Kuo et al，2009；Yang et al，2013)，而眼墻替換過程通常伴隨著TC RI的發(fā)生(Robert et al，2007)。

微波的低頻通道亮溫受液態(tài)降水粒子的發(fā)射輻射作用而升高，高頻通道亮溫受降水冰粒子的散射衰減作用而降低，因此一些學(xué)者(Rao et al，1994，1997；Cecil and Zipser，1999；Jones et al，2006；Harnos and Nesbitt，2011；Jiang，2012；Kieper and Jiang，2012；Jiang and Ramirez，2013；Iii et al，2015；Harnos and Nesbitt，2016；張宸，2018)利用微波亮溫特征來研究TC RI。Cecil和Zipser(1999)、Rao等(1994，1997)研究指出85 GHz亮溫與TC未來24 h的強(qiáng)度高度相關(guān)；Jones等(2006)在SHIPS中加入19 GHz微波亮溫參數(shù)，提升了模型對TC RI的預(yù)報(bào)能力；張寰(2018)在TC強(qiáng)度估計(jì)模型中加入85 GHz和37 GHz微波亮溫參數(shù)，表明對TC RI的預(yù)報(bào)效果有所改善；Jiang等(2012，2013)的研究同樣發(fā)現(xiàn)相比于非RI TC，RI TC的85 GHz 通道亮溫更低。Kieper and Jiang(2012)指出,37 GHz彩色合成圖像上青色和粉色的對稱環(huán)特征是RI發(fā)生的一個(gè)很好的預(yù)報(bào)因子。Harnos和Nesbitt(2011，2016)在85 GHz圖像上發(fā)現(xiàn)了類似的對稱環(huán)，即85 GHz通道亮度小于250 K的50%概率環(huán)，并指出該環(huán)的出現(xiàn)可以用來預(yù)報(bào)RI。Lii等(2015)也研究了85 GHz通道亮溫與TC增強(qiáng)率之間的關(guān)系，指出具有較大增強(qiáng)率的TC在其增強(qiáng)時(shí)具有更多的對稱分布特征。

2.2 降水測量雷達(dá)在RI中的應(yīng)用

熱帶降水測量衛(wèi)星(TRMM)自1997年發(fā)射以來積累了大量TC RI資料，其攜帶的降水雷達(dá)是氣象衛(wèi)星上搭載的首部主動(dòng)遙感儀器，TRMM的后續(xù)衛(wèi)星GPM上搭載了首部雙頻降水雷達(dá)，均提供了降水的三維結(jié)構(gòu)信息。許多學(xué)者(Kelley et al，2004；Jiang，2012； Kieper and Jiang，2012；Jiang and Ramirez，2013；Zagrodnik and Jiang ，2014；諸葛小勇，2014；Tao and Jiang，2015；Tao et al，2017；楊朝虹，2018)利用雷達(dá)反射率廓線或反演的降水廓線參數(shù)來研究TC RI，目前降水產(chǎn)品的精度優(yōu)于25%。

楊朝虹(2018)和Kelley等(2004)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)TC眼墻存在一到多個(gè)熱塔(20 dBZ雷達(dá)反射率范圍大于14.5 km)時(shí)，TC增強(qiáng)的幾率增加；諸葛小勇(2014)研究發(fā)現(xiàn)熱塔可以用來預(yù)報(bào)TC RI；Jiang(2012)同樣發(fā)現(xiàn)當(dāng)TC內(nèi)核存在熱塔時(shí)，TC增強(qiáng)的概率增加，但這種概率的增加并不是必然的，因此，他認(rèn)為TC內(nèi)核熱塔的存在并不是TC增強(qiáng)的充分必要條件。Kieper和Jiang(2012)研究指出RI發(fā)生的必要條件是TC內(nèi)核具有較大面積的高總柱降水量；Jiang和Ramirez(2013)的研究進(jìn)一步將RI發(fā)生的條件定量化，指出TC內(nèi)核總降水面積大于3 000 km2，總柱降水量大于5 000 mm/(h.km2)是RI發(fā)生的必要條件。Zagrodnik等(2014)綜合利用TRMM的多種資料研究表明，中到深的對流云降水和潛熱釋放只有在RI進(jìn)行了至少12 h后才會(huì)在TC中心50 km內(nèi)顯著增加，其他的降水貢獻(xiàn)主要來自較淺的對流云和層云降水。Tao等(2015，2017)進(jìn)一步研究了不同層次不同類型降水與RI發(fā)生之間的關(guān)系，結(jié)果表明TC內(nèi)核淺層降水是RI發(fā)生的先兆因子，且相對于對流云降水，層云降水在TC RI過程中具有更重要的作用。

2.3 風(fēng)場測量儀器在TC RI中的應(yīng)用

星載微波散射計(jì)(AMI、NSCAT、Seawinds、ASCAT、RapidScat、HY-2、OSCAT等)、輻射計(jì)(SSM/I、SSMIS，AMSR-E、WindSat、AMSR-2、MWRI、TMI、GMI等)、高度計(jì)(ERS-1/2、TOPES/POSEIDON、Jason-1/2、ENVISAT、HY-2等衛(wèi)星上的Altimeter)、合成孔徑雷達(dá)(SAR、ASAR等)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號(hào)遙感技術(shù)(UK-DMC、CYGNSS、UK-TDS-1等衛(wèi)星上的GNSS-R)均可對海面風(fēng)進(jìn)行觀測，融合風(fēng)場的風(fēng)速精度優(yōu)于2 m/s(風(fēng)速小于等于20 m/s 時(shí))或10%(風(fēng)速大于等于20 m/s 時(shí))，風(fēng)向精度優(yōu)于20°，海面風(fēng)場資料在TC結(jié)構(gòu)分析中具有重要作用。

Chen等(2011)利用QuikSCAT洋面風(fēng)衛(wèi)星資料將TC分成緊湊型和松散型兩類，發(fā)現(xiàn)緊湊型臺(tái)風(fēng)發(fā)展較快。Carrasco等(2014)同樣發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)尺度與TC RI之間存在聯(lián)系。徐威等(2017)研究了西北太平洋TC RI階段的風(fēng)速分布特征，發(fā)現(xiàn)RI TC通常結(jié)構(gòu)更緊湊，最大風(fēng)速更大，最大風(fēng)速半徑更小。Guo and Tan(2017)提出了TC豐滿度的概念：即外圍風(fēng)圈與內(nèi)核之間組成圓環(huán)的環(huán)寬，占外圍風(fēng)圈的比例。當(dāng)這個(gè)比例越大，意味著臺(tái)風(fēng)越“豐滿”，當(dāng)臺(tái)風(fēng)變豐滿了之后，就意味著臺(tái)風(fēng)正在增強(qiáng)，通過這種變化可以指示臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化。

2.4 閃電成像儀在TC RI中的應(yīng)用

熱帶氣旋中的閃電活動(dòng)與其內(nèi)部的對流結(jié)構(gòu)密切相關(guān)(Cecil and Zipser，2001；Petersen et al，2005)。因此，一些學(xué)者(Squires and Businger，2008；Jiang and Ramirez，2013；張文娟，2013；Xu et al，2017)利用TRMM衛(wèi)星的閃電成像儀(LIS)資料來研究TC RI，目前閃電檢測準(zhǔn)確率優(yōu)于90%。探測虛警率低于10%(夜間)、20%(白天)，定位精度小于等于3 pixel。Squires and Businger(2008)研究發(fā)現(xiàn)：熱帶氣旋快速增強(qiáng)階段，眼壁上出現(xiàn)閃電爆發(fā)。張文娟等(2013)的研究指出TC RI過程中內(nèi)核區(qū)域的閃電活動(dòng)最強(qiáng)，內(nèi)核的閃電活動(dòng)對TC RI具有一定指示作用。Jiang和Ramirez(2013)、Xu等(2017)分析發(fā)現(xiàn)眼壁(外雨帶)閃電爆發(fā)與TC 快速增強(qiáng)呈負(fù)(正)相關(guān)關(guān)系。

2.5 云雷達(dá)在TC RI中的應(yīng)用

2006年發(fā)射的Cloudsat衛(wèi)星上搭載了云廓線雷達(dá)(CPR)，提供了TC的三維云微物理結(jié)構(gòu)特征(Subrahmanyam et al，2018)。Wu和Soden(2017)利用Cloudsat TC數(shù)據(jù)集研究了云水含量的結(jié)構(gòu)和數(shù)量與TC強(qiáng)度變化的關(guān)系，結(jié)果表明增強(qiáng)的TC比減弱的TC多20%云冰含水量，特別是在對流層中靠近眼壁的位置。Zhang等(2019)利用Cloudsat TC數(shù)據(jù)集對西北太平洋的RI TC及非RI TC進(jìn)行了合成分析，結(jié)果表明6—11 km反射率在-10—10 dBz之間分布的“連續(xù)性”可能是TC增強(qiáng)的重要指標(biāo)，且在凍結(jié)層附近有較大的液態(tài)水含量及上層有較高的冰水含量的TC在未來的24 h內(nèi)更易發(fā)生RI。

2.6 極軌衛(wèi)星資料在TC RI應(yīng)用中存在的問題

盡管極軌衛(wèi)星觀測儀器更加豐富，然而較長的重訪周期限制了其在TC RI中的應(yīng)用。且受軌道覆蓋范圍的限制，不能保障每次都能觀測到TC，因此無法滿足TC RI時(shí)間演變分析的需求。表1匯總了極軌衛(wèi)星各類遙感資料的優(yōu)勢和不足。

表1 極軌衛(wèi)星各類遙感資料的優(yōu)勢和不足

3 結(jié)論與展望

衛(wèi)星資料提供了生成在海上的RI TC的更多有效探測信息，靜止軌道衛(wèi)星可以連續(xù)監(jiān)測TC RI內(nèi)部結(jié)構(gòu)演變，紅外云圖可監(jiān)測TC RI內(nèi)部強(qiáng)對流活動(dòng)，云導(dǎo)風(fēng)可監(jiān)測TC高空的流出氣流，且目前，美國的GOES-R及中國的FY-4靜止軌道衛(wèi)星上均搭載了閃電成像儀，為分析TC RI與閃電活動(dòng)的關(guān)系提供了更連續(xù)的監(jiān)測。但靜止軌道衛(wèi)星缺少了許多新的高科技觀測儀器，如被動(dòng)微波探測儀器、降水測量雷達(dá)、風(fēng)場測量儀器、云雷達(dá)等，這些儀器為我們提供了RI TC內(nèi)部的對流、降水、云微物理和風(fēng)場等重要信息，但因其巨大的重量和體積及較低的信噪比，都只能在極軌衛(wèi)星上首先運(yùn)行，受衛(wèi)星重訪周期和軌道覆蓋范圍的限制，無法滿足TC RI時(shí)間演變分析的需求。美國正在規(guī)劃微波觀測小衛(wèi)星星座來實(shí)現(xiàn)同一地區(qū)的高頻次觀測(Bandyopadhyay et al，2015；Chung et al，2016)，國際氣象衛(wèi)星大國都在積極發(fā)展靜止軌道微波探測技術(shù)(盧乃錳等，2016b)，發(fā)展小衛(wèi)星星座及靜止軌道微波探測加強(qiáng)RI TC內(nèi)部的降水、云微物理和風(fēng)場等重要信息的時(shí)間演變分析，并結(jié)合數(shù)值模擬進(jìn)一步研究RI的物理機(jī)制將是下一步的發(fā)展方向。