基于HY-2B散射計(jì)的熱帶氣旋定位定強(qiáng)研究

劉思琦，林文明*，王志雄，郎姝燕

( 1. 南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081；3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 511458)

1 引言

熱帶氣旋是一種形成于熱帶或副熱帶洋面上的低氣壓天氣系統(tǒng)，通常伴有強(qiáng)風(fēng)、暴雨和巨浪等惡劣天氣或海洋現(xiàn)象，一旦侵入沿海區(qū)域會(huì)造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。熱帶氣旋災(zāi)害的影響程度主要取決于氣旋強(qiáng)度、移動(dòng)路徑以及承災(zāi)體的脆弱性，因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的熱帶氣旋中心位置和強(qiáng)度信息對(duì)于防災(zāi)、減災(zāi)具有重要的意義。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)構(gòu)建了地面雷達(dá)、無(wú)人機(jī)或有人機(jī)以及遙感衛(wèi)星相結(jié)合的熱帶氣旋監(jiān)測(cè)體系。其中，衛(wèi)星遙感作為一種大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段，是同時(shí)獲取熱帶氣旋中心位置和強(qiáng)度信息最有效的手段。

過(guò)去數(shù)10年，研究人員利用氣象衛(wèi)星云圖數(shù)據(jù)對(duì)強(qiáng)熱帶氣旋、特別是臺(tái)風(fēng)的中心定位開(kāi)展了大量的研究。例如，喬文峰[1]提出一種基于灰色預(yù)測(cè)和活動(dòng)輪廓模型的臺(tái)風(fēng)中心定位方案，可以有效確定臺(tái)風(fēng)的中心位置。蔣眾民[2]對(duì)臺(tái)風(fēng)以及風(fēng)云二號(hào)氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并利用深度學(xué)習(xí)模型對(duì)有眼臺(tái)風(fēng)進(jìn)行中心定位，可以有效地識(shí)別不同形態(tài)臺(tái)風(fēng)的中心位置。龐君如等[3]通過(guò)提取衛(wèi)星云圖紋理的特征參數(shù)、構(gòu)建并求解臺(tái)風(fēng)中心定位最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)了不同類型臺(tái)風(fēng)中心的準(zhǔn)確定位。劉佳和王旭東[4]首先基于氣象衛(wèi)星時(shí)間序列遙感圖像計(jì)算了云導(dǎo)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)，進(jìn)而利用密度矩陣計(jì)算臺(tái)風(fēng)的中心位置。這些方法雖然能夠有效識(shí)別臺(tái)風(fēng)的中心位置，但對(duì)云紋理特征不規(guī)則、強(qiáng)度較弱的熱帶氣旋的定位精度較低。此外，由于氣象衛(wèi)星的云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)反映的是云頂高度附近的風(fēng)場(chǎng)，與距海面10 m處的風(fēng)場(chǎng)具有較大的差異，因此，研究人員較少使用氣象衛(wèi)星云圖開(kāi)展熱帶氣旋定強(qiáng)研究。

星載微波散射計(jì)具有全天時(shí)、全天候的監(jiān)測(cè)能力，并且通常具有1000 km以上的觀測(cè)刈幅，是目前海面風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最主要的技術(shù)手段。特別地，國(guó)內(nèi)外在軌運(yùn)行衛(wèi)星散射計(jì)的數(shù)量迅速增加，初步形成了虛擬衛(wèi)星散射計(jì)星座，可實(shí)現(xiàn)對(duì)同一海面區(qū)域的高頻次覆蓋。因此，衛(wèi)星散射計(jì)數(shù)據(jù)在熱帶氣旋定位、定強(qiáng)方面具有很大的應(yīng)用潛力。Jaiswal等[5]使用印度Oceansat-2散射計(jì)高分辨數(shù)據(jù)開(kāi)展了臺(tái)風(fēng)研究。Hu等[6]直接利用散射計(jì)的風(fēng)速和風(fēng)向信息，開(kāi)發(fā)了一種熱帶氣旋中心自動(dòng)定位算法，能有效識(shí)別強(qiáng)熱帶氣旋的中心位置。趙勇等[7]利用HY-2A散射計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)“蘇力”的海表面風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究，基于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)分解原理實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)中心定位。但這些方法未能充分挖掘臺(tái)風(fēng)散度場(chǎng)和旋度場(chǎng)的幾何分布規(guī)律，從而未能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)中心的精準(zhǔn)定位。Dickey等[8]對(duì)夏威夷島西側(cè)氣旋進(jìn)行了研究，描述了QuikSCAT渦旋速度場(chǎng)的典型幾何特征。王曉霞等[9]對(duì)比了高風(fēng)速閾值渦度場(chǎng)定位法和高風(fēng)速閾值復(fù)合場(chǎng)定位法兩種不同的臺(tái)風(fēng)中心定位算法，指出高風(fēng)速閾值復(fù)合場(chǎng)定位法具有更好的定位精度。在熱帶氣旋強(qiáng)度研究方面，人們常用最大風(fēng)速半徑描述熱帶氣旋的強(qiáng)度范圍，盡管它不足以描述完整的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。Lee等[10]基于QuikSCAT海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了位于西北太平洋和北大西洋海域內(nèi)的臺(tái)風(fēng)在其發(fā)展期間往往保持著相同的尺度大小。楊典等[11]提出了一種基于散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的臺(tái)風(fēng)定強(qiáng)方法，通過(guò)計(jì)算臺(tái)風(fēng)所在海區(qū)的海表面風(fēng)速平均值來(lái)消除高風(fēng)速所造成的誤差。

本文在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，首先分析了衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)的散度和旋度特征，提出一種新的基于衛(wèi)星散射計(jì)數(shù)據(jù)的熱帶氣旋定位方法，進(jìn)而估計(jì)熱帶氣旋中心附近17 m/s風(fēng)圈的大小，以實(shí)現(xiàn)氣旋中心位置及強(qiáng)度范圍監(jiān)測(cè)。

2 數(shù)據(jù)與研究案例

當(dāng)前業(yè)務(wù)化運(yùn)行的衛(wèi)星散射計(jì)主要有兩種，分別是Ku波段筆形波束掃描散射計(jì)（如中國(guó)HY-2系列衛(wèi)星散射計(jì)）和C波段固定扇形波束散射計(jì)（歐洲Metop系列衛(wèi)星散射計(jì)）。本文主要利用HY-2B散射計(jì)（HSCAT）海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)開(kāi)展熱帶氣旋定位、定強(qiáng)研究，并使用歐洲Metop衛(wèi)星搭載的先進(jìn)散射計(jì)（ASCAT）對(duì)下面章節(jié)提出的算法進(jìn)行普適性驗(yàn)證。HSCAT和ASCAT風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)業(yè)務(wù)化處理的二級(jí)（L2B）地球物理數(shù)據(jù)產(chǎn)品，網(wǎng)格分辨率分別是25 km×25 km和12.5 km×12.5 km；數(shù)據(jù)產(chǎn)品均包括監(jiān)測(cè)時(shí)間、各觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度、風(fēng)速以及風(fēng)向等參數(shù)。此外，為了評(píng)估衛(wèi)星散射計(jì)在熱帶氣旋定位、定強(qiáng)中是否具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，選取歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為對(duì)比數(shù)據(jù)。HSCAT和ASCAT的L2B風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品均有時(shí)空匹配好的ECMWF預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。最后，使用中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心提供的最佳路徑數(shù)據(jù)對(duì)熱帶氣旋中心定位的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。最佳路徑數(shù)據(jù)集記錄了發(fā)生在西北太平洋海域上熱帶氣旋發(fā)生的時(shí)間（間隔6 h）、中心位置、最大風(fēng)速和最低氣壓等關(guān)鍵信息。

案例研究的主要目的是驗(yàn)證熱帶氣旋定位、定強(qiáng)方法的有效性，因此案例選取遵循如下原則：首先，散射計(jì)觀測(cè)刈幅需完全覆蓋熱帶氣旋的中心區(qū)域，因?yàn)闅庑闹行奈恢萌绻辉谏⑸溆?jì)的觀測(cè)范圍之內(nèi)，無(wú)法直接利用散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行中心定位；其次，同一個(gè)熱帶氣旋的生命周期內(nèi)，散射計(jì)要盡可能多地對(duì)其進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)。最終選取1908號(hào)臺(tái)風(fēng)“范斯高”和1921號(hào)臺(tái)風(fēng)“博羅依”作為研究案例。圖1是最佳路徑數(shù)據(jù)集給出的臺(tái)風(fēng)“范斯高”和“博羅依”中心位置軌跡。

HSCAT分別于2019年8月3日15時(shí)、8月4日16時(shí)、8月5日4時(shí)以及8月5日16時(shí)觀測(cè)到了臺(tái)風(fēng)“范斯高”完整的海面風(fēng)場(chǎng)，如圖2所示。

圖2 HSCAT觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)“范斯高”風(fēng)場(chǎng)Fig. 2 Wind field of Typhoon Francisco observed by HSCAT

同時(shí)，本文選取了4景能夠較完整呈現(xiàn)“博羅依”臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的HSCAT海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，具體時(shí)間為2019年10月21日4時(shí)、10月22日4時(shí)、10月22日15時(shí)、10月24日5時(shí)，如圖3所示。

圖3 HSCAT觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)“博羅依”風(fēng)場(chǎng)Fig. 3 Wind field of Typhoon Bualoi observed by HSCAT

3 研究方法

3.1 預(yù)處理

衛(wèi)星散射計(jì)L2B數(shù)據(jù)是按照刈幅網(wǎng)格組織的，風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)格單元在順軌方向和交軌方向等間隔分布，間距為25 km或12.5 km。為了方便計(jì)算，需要把風(fēng)矢量分解成交軌方向和順軌方向兩個(gè)分量 (uc,va)。散射計(jì)各觀測(cè)點(diǎn)上風(fēng)速和風(fēng)向分別記作W、φ，那么把（W,φ）轉(zhuǎn)換為 (uc,va)的具體算法如下：首先，把風(fēng)矢量分解成沿緯向和沿經(jīng)向的兩個(gè)分量(u,v)：

其次，利用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，由方向向量 (u,v) 得 到 (uc,va)：

式中，α為刈幅傾斜角[12]。以下所有計(jì)算都是基于風(fēng)場(chǎng)的順軌方向和交軌方向兩個(gè)分量 (uc,va)，故忽略下標(biāo)c、a。

本文熱帶氣旋中心定位使用的基本特征參數(shù)是風(fēng)場(chǎng)的散度和旋度。根據(jù)亥姆霍茲定理[13]，散度（div）和旋度（curl）可用來(lái)表征矢量場(chǎng)的全部特征，分別由下列公式計(jì)算。

式中，?為直角坐標(biāo)系下的哈密頓算符。實(shí)際計(jì)算過(guò)程需要選擇一個(gè)合適的差分方法以代替微分。本文基于一階差分方法[14]，對(duì)其改進(jìn)并應(yīng)用于散度和旋度的計(jì)算中。

式中，xi、yi(i=0, 1)分別為橫軸和縱軸方向的格點(diǎn)序號(hào)；fij(i,j=0, 1)為相應(yīng)格點(diǎn)的值；d(···)表示相鄰風(fēng)矢量單元之間的距離，約等于25 km（HSCAT）或12.5 km（ASCAT）。

需要注意的是，衛(wèi)星散射計(jì)直接測(cè)量的物理量是海面毛細(xì)波粗糙度調(diào)制的雷達(dá)后向散射信號(hào)的強(qiáng)度，而海面粗糙度是由風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的。因此，散射計(jì)遙感的海面風(fēng)場(chǎng)本質(zhì)上是風(fēng)應(yīng)力的一種等效表示形式[15]。直接利用風(fēng)場(chǎng)分量 (uc,va)計(jì)算的散度和旋度不能完全表征海面與大氣間的相互作用，下面先把風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)應(yīng)力，再利用風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)的散度和旋度開(kāi)展熱帶氣旋定位定強(qiáng)研究。風(fēng)應(yīng)力的計(jì)算公式為

式中，ρa(bǔ)=1.223kg/m3為 空氣密度；CD為拖曳系數(shù)；為風(fēng)矢量。這里使用Large和Pond[16]的模型計(jì)算拖曳系數(shù)。風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)分量在海面形成Ekman輸送，輻散分量對(duì)海洋表層海水有直接的驅(qū)動(dòng)作用，因此能夠有效表征海氣相互過(guò)程，是一種具有廣泛應(yīng)用潛力的特征參數(shù)。

3.2 熱帶氣旋中心定位方法

基于預(yù)處理的HSCAT海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，首先計(jì)算得到風(fēng)應(yīng)力分量、風(fēng)應(yīng)力散度、風(fēng)應(yīng)力旋度等參數(shù)。然后，利用傳統(tǒng)的直接定位法和本文提出的幾何法兩種氣旋中心定位方法分別計(jì)算臺(tái)風(fēng)中心位置；最后，將ASCAT散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)、ECMWF模式數(shù)據(jù)、最佳路徑數(shù)據(jù)集作為對(duì)比數(shù)據(jù)，進(jìn)行結(jié)果分析?？偧夹g(shù)路線如圖4所示。

圖4 熱帶氣旋中心定位的技術(shù)路線Fig. 4 Technical process for locating tropical cyclone center

3.2.1 直接定位法

直接定位法為一種直接利用風(fēng)場(chǎng)特征參量的極值進(jìn)行定位的方法。發(fā)生在西北太平洋的熱帶氣旋，其風(fēng)場(chǎng)通常呈逆時(shí)針輻合。因此，理論上散度場(chǎng)在氣旋中心存在負(fù)的極小值、旋度場(chǎng)在氣旋中心存在正的極大值。趙勇等[7]計(jì)算了風(fēng)矢量的散度、旋度，并通過(guò)二者乘積得到復(fù)合場(chǎng)（DC，式（9）），最后利用復(fù)合場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)中心定位。

本文則首先根據(jù) (uc,va)得到順軌方向和交軌方向的兩個(gè)風(fēng)應(yīng)力分量：小值；并且二者的極值關(guān)于氣旋中心呈現(xiàn)中心對(duì)稱。

然后再直接搜索風(fēng)應(yīng)力散度場(chǎng)和復(fù)合場(chǎng)中的最小值、旋度場(chǎng)中的最大值來(lái)實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)中心定位（即直接定位法），結(jié)果如圖5所示。

圖5 直接定位法定位臺(tái)風(fēng)中心位置Fig. 5 Typhoon center’s location by locating directlya. 風(fēng)矢量場(chǎng)；b. 散度場(chǎng)；c. 旋度場(chǎng)；d. 復(fù)合場(chǎng)a. Wind stress component; b. divergence field; c. curl field; d. DC field

3.2.2 幾何定位法

幾何定位法是一種利用風(fēng)場(chǎng)特征參量的空間幾何分布特點(diǎn)進(jìn)行定位的方法。圖6表示沿著氣旋中心的經(jīng)向，風(fēng)應(yīng)力τc分量在中心點(diǎn)兩側(cè)分別存在一個(gè)極大值和一個(gè)極小值；沿著氣旋中心的緯向，風(fēng)應(yīng)力τa分量在中心點(diǎn)兩側(cè)分別存在一個(gè)極大值和一個(gè)極圖7說(shuō)明氣旋中心附近的風(fēng)應(yīng)力散度和旋度展示出區(qū)別于其他海氣作用現(xiàn)象的幾何特征：存在一對(duì)正散度/旋度區(qū)和一對(duì)負(fù)散度/旋度區(qū)，二者皆關(guān)于氣旋中心呈中心對(duì)稱分布。對(duì)于散度場(chǎng)，其負(fù)值區(qū)的流體將做輻合運(yùn)動(dòng)，表示為氣旋風(fēng)場(chǎng)區(qū)域的“匯”；正值區(qū)的流體將做輻散運(yùn)動(dòng)，表示為氣旋風(fēng)場(chǎng)區(qū)域的“源”。而正負(fù)區(qū)域的成對(duì)出現(xiàn)，一定程度上反映了氣旋風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的通量守恒。對(duì)于旋度場(chǎng)，本文所考慮的是絕對(duì)渦度的垂直分量，其與氣柱高度h的比值為常數(shù)，即滿足位渦守恒定理，公式為

圖6 風(fēng)應(yīng)力分量等值線分布Fig. 6 Contour of wind stress component

圖7 風(fēng)應(yīng)力散度（a）和旋度（b）等值線分布Fig. 7 Contour of divergence (a) and curl (b) of wind stress

由連續(xù)方程可知，水平散度與垂直運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，公式為

若海面的垂直速度為0，則當(dāng)大氣底層有水平輻合時(shí)，便有垂直上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，即旋度大于0；而當(dāng)有水平輻散時(shí)，則有垂直下沉運(yùn)動(dòng)，即旋度小于0[17]。因此，旋度場(chǎng)的幾何特征與散度場(chǎng)的類似，都存在著一對(duì)正值區(qū)和一對(duì)負(fù)值區(qū)。

因此，可以利用上述風(fēng)場(chǎng)特征參量的幾何分布特性進(jìn)行氣旋中心定位。若使用的是風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)的分量，通過(guò)搜索一定區(qū)域內(nèi)（閾值設(shè)為150 km）成對(duì)出現(xiàn)的風(fēng)應(yīng)力分量的最大值和最小值，將二者連線交點(diǎn)作為氣旋中心。若使用的是風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)的散度和旋度，則搜索一定區(qū)域內(nèi)（閾值設(shè)為150 km）兩個(gè)局部最大值和兩個(gè)局部最小值，將局部最大值連線和局部最小值連線的交點(diǎn)作為氣旋中心。定位結(jié)果如圖8所示。

圖8 利用風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)的空間幾何特征定位熱帶氣旋中心Fig. 8 Tropical cyclone center locating by wind field characteristic parameters’ spatial geometric signaturesa. 風(fēng)應(yīng)力分量；b. 散度場(chǎng)；c. 旋度場(chǎng)；d. 定位結(jié)果顯示，風(fēng)應(yīng)力分量(綠色三角)、散度(紅色矩形)、旋度(藍(lán)色圓形)、最佳路徑插值數(shù)據(jù)(黃色十字)a. Wind stress component; b. divergence field; c. curl field; d. the location results show, wind stress component (green triangle),divergence (red rectangle), curl (blue circle), data interpolated through the best track dataset (yellow cross)

3.3 熱帶氣旋定強(qiáng)方法

熱帶氣旋的強(qiáng)度大小通常被定義為最外層閉合等壓線的平均半徑（ROCI）和17 m/s風(fēng)圈半徑（R17），而Merrill[18]發(fā)現(xiàn)，ROCI會(huì)隨季節(jié)和地區(qū)變化且與熱帶氣旋強(qiáng)度的相關(guān)性較弱。由此，本節(jié)選用R17來(lái)反映氣旋的結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度大小，并提出一種計(jì)算熱帶氣旋17 m/s風(fēng)圈半徑尺度的方法。具體而言，首先以3.2節(jié)定位的氣旋中心為準(zhǔn)，將空間劃分為24個(gè)方位，如圖9a所示；其次，通過(guò)空間雙線性插值獲取每個(gè)方位線上一系列等間隔點(diǎn)上的風(fēng)速，繪制各方位角風(fēng)速隨距離變化的風(fēng)剖面曲線（圖9b），進(jìn)而提取各方位上的17 m/s風(fēng)圈半徑di(i=1,2,···,24)；最后，得出計(jì)算公式為

圖9 計(jì)算17 m/s風(fēng)圈半徑方法Fig. 9 The method of calculating the 17 m/s wind radiia. 24個(gè)有效方位；b. 海面風(fēng)速剖面示例a. 24 effective azimuths; b. example diagram of sea surface wind speed profile

并用R17表征該時(shí)刻熱帶氣旋的尺度大小。實(shí)際的風(fēng)剖面曲線中，在風(fēng)暴邊緣向內(nèi)到最大風(fēng)速位置之間可能存在多個(gè)17 m/s風(fēng)速，此時(shí)，使用距離中心位置最近的17 m/s風(fēng)速對(duì)應(yīng)的距離作為該方位上的di。

針對(duì)HSCAT在2019年8月3?5日和10月21?24日兩時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)的臺(tái)風(fēng)“范斯高” “博羅依”的圖像，計(jì)算得到臺(tái)風(fēng)中心到17 m/s等值風(fēng)圈的平均距離（圖10，圖11），并分別將二者與4個(gè)時(shí)刻散射計(jì)的最大風(fēng)速和最佳路徑的最大風(fēng)速對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

觀察表1和表2中HSCAT最大風(fēng)速、最佳路徑最大風(fēng)速和最低氣壓的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)HSCAT最大風(fēng)速與后兩者的相關(guān)性較差，主要原因有：首先，強(qiáng)熱帶氣旋往往伴隨著強(qiáng)降雨，這對(duì)Ku波段散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)的質(zhì)量影響較大，即降雨率越大、散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)誤差就越大；其次，散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)反演須使用若干個(gè)不同方位角測(cè)量的雷達(dá)后向散射系數(shù)，不同方位觀測(cè)的時(shí)間間隔最長(zhǎng)可達(dá)4 min，而最佳路徑最大風(fēng)速表征的是2 min持續(xù)的風(fēng)速，因此散射計(jì)觀測(cè)與最佳路徑的時(shí)間尺度不一樣。相反地，HSCATR17變化的趨勢(shì)則與最佳路徑最大風(fēng)速的變化趨勢(shì)基本一致、與最低氣壓的變化趨勢(shì)基本相反，說(shuō)明散射計(jì)的R17值能夠更好地表征氣旋的影響強(qiáng)度和范圍。

4 結(jié)果與討論

利用第3節(jié)的方法對(duì)HSCAT在2019年8月3?5日和10月21?24日期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取臺(tái)風(fēng)“范斯高”和“博羅依”的中心位置。圖2和圖3中每一幅圖像均與中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心發(fā)布的最佳路徑數(shù)據(jù)集相匹配，即利用線性插值方法，使用相鄰兩時(shí)刻所記錄的氣旋中心的參數(shù)，來(lái)確定該時(shí)刻氣旋的中心位置。最后，計(jì)算散射計(jì)氣旋中心位置與最佳路徑數(shù)據(jù)之間的距離D1。為了驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，采用同樣的方法對(duì)同期的ECMWF模式數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到結(jié)果D2，如表3所示。

根據(jù)表3的計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

表3 基于HSCAT數(shù)據(jù)的臺(tái)風(fēng)“范斯高”和臺(tái)風(fēng)“博羅依”中心位置對(duì)比（單位：km）Table 3 The center locations of Typhoon Francisco and Typhoon Bualoi based on HSCAT (unit: km)

（1）對(duì)于直接定位法，利用復(fù)合場(chǎng)求解的臺(tái)風(fēng)中心與最佳路徑數(shù)據(jù)之間的差異通常小于利用散度場(chǎng)和旋度場(chǎng)的求解結(jié)果。

（2）相比于直接定位法，無(wú)論是HSCAT海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)還是ECMWF模式數(shù)據(jù)，使用幾何定位法求解出的臺(tái)風(fēng)中心位置多數(shù)情況下更加精準(zhǔn)。

（3）8月3日15時(shí)的臺(tái)風(fēng)“范斯高”以及10月21日4時(shí)的臺(tái)風(fēng)“博羅依”仍處于生成階段，風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)尚未發(fā)展成熟，導(dǎo)致定位精度較差。而在其他3個(gè)時(shí)刻，應(yīng)用幾何定位法的求解結(jié)果與最佳路徑數(shù)據(jù)之間的差異在大多數(shù)情況下在25 km之內(nèi)，即小于HSCAT海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的空間分辨率。這說(shuō)明幾何定位法突破了網(wǎng)格的空間分辨率的限制，從而使定位更加精準(zhǔn)。

（4）對(duì)比D1和D2，可以發(fā)現(xiàn)利用ECMWF模式數(shù)據(jù)得到的臺(tái)風(fēng)位置有時(shí)更加“精確”，當(dāng)應(yīng)用幾何定位法求解時(shí)，此種差異尤為明顯。產(chǎn)生差異的原因主要有：最佳路徑數(shù)據(jù)是由數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式再分析處理得到的，它與ECMWF模式數(shù)據(jù)之間可能存在較大的相關(guān)性。在臺(tái)風(fēng)發(fā)展后期，ECMWF模式通過(guò)同化全球衛(wèi)星數(shù)據(jù)和各種觀測(cè)數(shù)據(jù)，其預(yù)報(bào)結(jié)果已經(jīng)與真實(shí)的結(jié)果非常接近。ECMWF模式數(shù)據(jù)源于數(shù)值模型，具有數(shù)據(jù)平滑的特點(diǎn)，所表現(xiàn)的風(fēng)應(yīng)力分量、散度場(chǎng)和旋度場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)中心處關(guān)于臺(tái)風(fēng)中心相當(dāng)對(duì)稱，因而與幾何中心定位法更加契合。最后，HSCAT的網(wǎng)格分辨率為25 km，而ECMWF數(shù)據(jù)是由網(wǎng)格分辨率為0.125°的模式風(fēng)場(chǎng)插值到HSCAT的網(wǎng)格上，本質(zhì)上具有更高的網(wǎng)格分辨率。

為了進(jìn)一步闡明基于ECMWF模式數(shù)據(jù)與HSCAT海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)所得到的定位結(jié)果之間存在偏差的原因，利用空間網(wǎng)格分辨率為12.5 km的ASCAT散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)及其匹配好的ECMWF數(shù)據(jù)重復(fù)表3的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4。需要注意的是，ASCAT二級(jí)產(chǎn)品中的ECMWF數(shù)據(jù)是由網(wǎng)格分辨率為0.5625°的模式風(fēng)場(chǎng)插值到ASCAT的網(wǎng)格上得到的。

表4 基于ASCAT數(shù)據(jù)的臺(tái)風(fēng)“范斯高”和臺(tái)風(fēng)“博羅依”中心位置對(duì)比（單位：km）Table 4 The center locations of Typhoon Francisco and Typhoon Bualoi based on ASCAT (unit: km)

可以發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的ECMWF模式數(shù)據(jù)未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，而基于ASCAT散射計(jì)數(shù)據(jù)的定位結(jié)果大多更加準(zhǔn)確。由此說(shuō)明數(shù)據(jù)空間分辨率是引起定位結(jié)果存在偏差的部分原因。

5 結(jié)論和展望

本文在過(guò)去研究人員利用散射計(jì)風(fēng)矢量、散度和旋度等物理參數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行中心定位的基礎(chǔ)上，提出了一種基于風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)及其散度、旋度的幾何特征進(jìn)行熱帶氣旋中心定位的幾何定位方法。以2019年的臺(tái)風(fēng)“范斯高”和臺(tái)風(fēng)“博羅依”為例，對(duì)HY-2B散射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，定位結(jié)果與中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心的最佳路徑數(shù)據(jù)相比，二者間的差異較小，表明該方法可以精準(zhǔn)定位臺(tái)風(fēng)中心。在確定臺(tái)風(fēng)中心位置之后，將氣旋中心到17 m/s等值風(fēng)圈半徑的平均距離（R17）作為熱帶氣旋強(qiáng)度的指示因子。通過(guò)對(duì)比前后時(shí)刻氣旋的中心位置和平均半徑大小，反映出氣旋的移動(dòng)和強(qiáng)度變化，一定程度上可以用來(lái)分析和預(yù)測(cè)氣旋的路徑與強(qiáng)度變化，這對(duì)于提升熱帶氣旋遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)和防災(zāi)能力具有重要作用。

下一步我們將在目前研究的基礎(chǔ)上，對(duì)強(qiáng)度較小的熱帶氣旋進(jìn)行定位、定強(qiáng)處理，驗(yàn)證本文方法在熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴等條件下的精度。同時(shí)，將該方法推廣至目前國(guó)內(nèi)外在軌運(yùn)行的所有衛(wèi)星散射計(jì)，充分利用現(xiàn)有的虛擬衛(wèi)星散射計(jì)星座，提高熱帶氣旋定位、定強(qiáng)的監(jiān)測(cè)能力。

致謝：本文使用的HY-2B散射計(jì)數(shù)據(jù)由國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心提供；ASCAT近海岸風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)由歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）海洋與海冰衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)施（OSI SAF）提供；最佳路徑數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心下載（http://tcdata.typhoon.org.cn/），在此表示感謝。