利用衛(wèi)星微波觀測亮溫與云輻射模擬亮溫的臺風(fēng)定位分析

畢明明 鄒曉蕾

(南京信息工程大學(xué) 資料同化研究和應(yīng)用聯(lián)合中心，南京 210044)

引 言

熱帶氣旋是一個由云和雷暴組成的有組織的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，起源于熱帶或副熱帶洋面上，并具有閉合的低層環(huán)流。由于熱帶氣旋常伴隨暴雨、強風(fēng)、大浪，引發(fā)滑坡、泥石流、洪水等嚴重的自然災(zāi)害，熱帶氣旋的演變一直是氣象研究者的關(guān)注重點，用到的資料仍以大氣再分析資料居多[1-4]。熱帶氣旋中心位置是熱帶氣旋業(yè)務(wù)預(yù)報中必不可少的一個變量，同時也是渦旋初始化的必備參數(shù)，對改進熱帶氣旋路徑和強度的預(yù)報具有重要意義[5]。由于熱帶氣旋主要在海洋上發(fā)生和加強，缺少常規(guī)觀測數(shù)據(jù)，因此氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是對其進行中心定位的主要依據(jù)[6]。使用衛(wèi)星紅外或可見光資料對熱帶氣旋定位在很大程度上依賴于臺風(fēng)眼是否形成[7]，而微波波段可以穿透非降水云，使得定位更加準確[8]。

最佳路徑數(shù)據(jù)集融合了衛(wèi)星、飛機偵察和船舶等觀測資料[9-10]，并加入了預(yù)報員的一些主觀調(diào)整，是目前熱帶氣旋強度和路徑最準確和最完整的臺風(fēng)數(shù)據(jù)集[11]。Schenkel，et al[12]將臺風(fēng)附近的海平面最低氣壓值的位置作為臺風(fēng)中心位置，計算了CFSR、ERA-40、ERA-I、JRA-25和MERRA 5種全球大氣再分析資料的臺風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離，分別為64、189、127、72.5和177 km。由于分別使用了渦旋重定位方法和最佳路徑數(shù)據(jù)集反演的熱帶氣旋中心附近的風(fēng)廓線數(shù)據(jù)[13]，JRA-25和CFSR再分析資料在熱帶氣旋強度和位置上要比ERA-40、ERA-I、和MERRA再分析資料更接近最佳路徑[14]。

衛(wèi)星微波濕度計觀測資料可以清晰反映臺風(fēng)周圍的水汽和云雨分布結(jié)構(gòu)。第一代微波濕度計AMSU-B(Advanced Microwave Sounding Unit B)搭載于1998年發(fā)射的NOAA-15，后被2005年及以后發(fā)射的NOAA-18、NOAA-19、MetOp-A/B/C上搭載的微波濕度計(Microwave Humidity Sounder，MHS)替代。目前，除了MHS，還有美國發(fā)射的S-NPP和NOAA-20衛(wèi)星上搭載的新一代先進技術(shù)微波探測儀(Advanced Technology Microwave Sounder，ATMS)，中國發(fā)射的FY-3C/D上搭載的微波濕度計2型(以MWHS-2表示)和FY-3E上搭載的微波濕度計3型(以MWHS-3表示)。HU，et al[15]將方位譜臺風(fēng)定位方法應(yīng)用于ATMS和MHS單通道微波觀測亮溫資料，成功實現(xiàn)對熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)中心的定位，對熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)等級的熱帶氣旋定位結(jié)果與最佳路徑相比平均僅33.8 km和26.2 km。若用大氣再分析資料模擬衛(wèi)星微波濕度計資料，是否可以用類似方法對再分析資料中的臺風(fēng)進行定位？

利用大氣再分析資料模擬衛(wèi)星微波濕度計資料可以使用大氣快速輻射傳輸模式(Radiative Transfer for TOVS，RTTOV)。RTTOV的早期版本是在1990s初由歐洲中期天氣預(yù)報中心開發(fā)，可以模擬微波波段，紅外波段和可見光波段的衛(wèi)星傳感器亮溫[16]。RTTOV對微波輻射的模擬可分為晴空和有云兩種情況，晴空模擬只考慮大氣的吸收作用，有云模擬通過調(diào)用云散射模塊(Scattering，SCATT)將散射作用加入其中，能有效抑制晴空模擬對大氣水汽含量的高估[17-18]。本研究基于微波濕度計單通道觀測亮溫和ERA5再分析資料全天空模擬亮溫，對用方位譜臺風(fēng)中心位置定位方法得到的臺風(fēng)中心位置與最佳路徑數(shù)據(jù)集的中心位置進行比較，進而分析造成兩類資料臺風(fēng)中心定位差異的主要原因。

1 資料簡介

1.1 衛(wèi)星微波濕度計資料特點

微波濕度計MHS、MWHS和先進技術(shù)微波探測儀ATMS都是跨軌掃描微波輻射計，其中由我國研發(fā)的微波濕度計縮寫用MWHS表示是為了區(qū)分歐洲研發(fā)的微波濕度計(MHS)。MWHS通道5((183.31±7.0)GHz)和ATMS通道18的中心頻率完全相同，和MHS通道5(190.31 GHz)略有不同。這3個通道的權(quán)重函數(shù)峰值高度均位于800 hPa左右，可以探測到云和對流層低層的水汽分布特征。ATMS相較于MHS有更寬的掃描帶寬度，在熱帶地區(qū)連續(xù)兩軌數(shù)據(jù)之間幾乎沒有數(shù)據(jù)缺口，這對于觀測熱帶氣旋至關(guān)重要[19]。ATMS、MHS和MWHS每條掃描線上分別有96、90和98個觀測視場，3個儀器的星下點分辨率均為15 km左右。本文使用下午星S-NPP搭載的ATMS通道18、上午星MetOp-A搭載的MHS通道5和下午星FY-3B搭載的MWHS通道5亮溫資料，獲得最多4～6次·d-1的臺風(fēng)觀測資料。

1.2 全球大氣再分析資料簡介

研究所用的大氣再分析資料為歐洲中心第五代全球大氣再分析資料ERA5，時間分辨率為1 h，水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向共37層，使用ERA5在時間和空間線性插值到微波濕度計在臺風(fēng)區(qū)域的觀測時間和地點的資料。ERA5是基于2016年就在業(yè)務(wù)中運行的集合預(yù)報系統(tǒng)Cy41r2生成的，在模式中同化了多種衛(wèi)星觀測資料和站點資料，其中濕度計資料僅包括FY-3B和FY-3C搭載的MWHS和MWHS-2[20]。

1.3 臺風(fēng)個例描述

選取2012年在北美登陸的兩個颶風(fēng)Sandy和Isaac展開研究，颶風(fēng)分級采用薩菲爾—辛普森(Saffir-Simpson)分級標準，即將熱帶氣旋分為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、颶風(fēng)CAT1—5等級。最佳路徑資料用的是美國國家颶風(fēng)中心最佳路徑數(shù)據(jù)集HURDAT2，包含逐6 h的熱帶氣旋位置、強度、中心氣壓和最大風(fēng)速等信息。由于微波濕度計數(shù)據(jù)和最佳路徑數(shù)據(jù)集在時間上存在差異，在研究中比較微波濕度計觀測和模擬亮溫的定位結(jié)果時將最佳路徑數(shù)據(jù)集的颶風(fēng)中心位置線性插值到微波濕度計在颶風(fēng)附近的觀測時次上。

圖1為颶風(fēng)Sandy和Isaac整個生命史期間的最佳路徑及最大持續(xù)風(fēng)速。Sandy于2012年10月22日在加勒比海西南部生成，并快速增強于25日達到CAT3等級，最大風(fēng)速約50 m·s-1，27日后又發(fā)生一次增強于29日達到CAT2等級，最大風(fēng)速約42.5 m·s-1。Sandy生成初期在加勒比海向西移動，越過巴拿馬后開始向東北方向移動到達中緯度地區(qū)，最后于28日向西北方向移動并在30日登陸美國大西洋城。Isaac于2012年8月21日在非洲西海岸生成，并于當(dāng)天達到維持了7 d的熱帶風(fēng)暴強度，在28日上午達到CAT1等級，最大風(fēng)速約35 m·s-1。Isaac在25日之前一直向西移動，25日后開始向西北方向移動，于29日在美國路易斯安那東南部登陸。

圖1 2012年10月颶風(fēng)Sandy(空心)和8月颶風(fēng)Isaac(實心)：(a)最佳路徑;(b)最大可持續(xù)風(fēng)速(m·s-1)

2 利用觀測和模擬亮溫的臺風(fēng)中心定位方法

2.1 有云亮溫模擬

采用大氣快速輻射傳輸模式(RTTOV V13.0)[21]獲得大氣再分析資料的模擬亮溫。RTTOV通過訓(xùn)練好的系數(shù)文件和大氣變量信息計算出光學(xué)厚度，再依據(jù)光學(xué)厚度與透射率之間的線性關(guān)系計算得到透射率，從而完成輻射傳輸方程的求解，得到晴空條件下的模擬輻射[16,21]。全天空模擬通過調(diào)用云散射模塊計算得到有云模擬的輻射和大氣層中的有效云比例(由等壓面層上的云量、云中液態(tài)水含量、云中冰水含量、雨水含量和雪水含量計算得到[22-23])，再與晴空條件下的模擬輻射線性組合得到全天空模擬輻射：

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

(1)

晴空模擬在計算輻射率時用到的主要數(shù)學(xué)方法是統(tǒng)計回歸，而云散射模塊則為delta-Eddington近似法。通過delta-Eddington近似，Lcloudy計算表達式如下：

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是大氣層頂高度；Ttop是大氣層頂?shù)钠骄鶞囟?；B(Ttop)是溫度為Ttop時的普朗克函數(shù)；αe是大氣消光系數(shù)；αs是散射系數(shù)；g是前向散射系數(shù)；C1和C2是待定系數(shù)，通過邊界條件確定，即輻射率需在包括大氣上下界在內(nèi)的N+1個分層界面上滿足邊界條件[17]。

2.2 臺風(fēng)中心定位方法簡介

在臺風(fēng)附近衛(wèi)星觀測的亮溫場中，對稱分量通常占主導(dǎo)地位[24]。通過譜展開可以提取亮溫場的對稱分量及其他波數(shù)分量，以亮溫場中不同位置為中心進行譜展開，可將最大對稱分量的位置作為臺風(fēng)中心位置[15,25]。方位譜中心位置定位所用資料為ATMS通道18、MHS通道5和MWHS通道5的亮溫資料。圖2a展示了2012年10月24日14時38分(世界時，下同)的MHS通道5觀測亮溫在颶風(fēng)Sandy附近的水平分布。以圖2為例，方位譜中心位置定位方法具體步驟如下：

圖2 2012年10月24日14時38分MetOp-AMHS通道5的：(a)觀測亮溫；(b)1.5°網(wǎng)格平均觀測亮溫；(c)第一步譜分析得到的颶風(fēng)Sandy的中心位置(三角形符號)、預(yù)估中心點(黑色點)和預(yù)估范圍(灰色方框)；(d)第二步譜分析得到的颶風(fēng)位置(圓圈)、預(yù)估中心范圍(最小方框)和半徑為360 km的虛線圓(黑色和灰色叉分別表示1.5°網(wǎng)格及向東、北方向平移0.75°后的1.5°網(wǎng)格的最低平均觀測亮溫位置；紅色叉是初估位置；臺風(fēng)符號是最佳路徑位置)

(1)按1.5°×1.5°網(wǎng)格分辨率計算微波濕度計通道5的平均亮溫(圖2b)，并將該網(wǎng)格上的網(wǎng)格點向東北方向移動0.75°后再計算平均亮溫，將前后兩次得到的最低亮溫(圖2b中黑色叉和灰色叉)點的中間位置(圖2b中的紅色叉)作為臺風(fēng)的初估位置；

(2)將亮溫插值到0.15°×0.15°分辨率的網(wǎng)格上(圖2c)，然后在臺風(fēng)初估位置(圖2c中的黑色叉)附近4°×4°的范圍內(nèi)(預(yù)估范圍，圖2c中的灰色方框)的每一點用方位譜分析展開，得到每一點上的30～360 km徑向距離的0波分量，滿足30～360 km內(nèi)平均0波分量最大且30 km和360 km的0波分量大于預(yù)估范圍內(nèi)網(wǎng)格點在30 km和360 km的平均值兩個條件的位置作為第一步方位譜分析定位結(jié)果(圖2c中的三角形符號)；

(3)以第一步方位譜分析定位結(jié)果為中心，將網(wǎng)格點加密為0.05°×0.05°的2°×2°區(qū)域(預(yù)估中心范圍，圖2d中最小方框)，再用方位譜分析展開得到所有預(yù)估中心30～360 km徑向距離的0波分量，同樣滿足第一步譜分析定位中兩個條件的位置作為最終定位結(jié)果(圖2d中的圓圈符號)。

圖3是2012年10月24日14時38分用ERA5再分析資料全天空模擬的MetOp-A MHS通道5的亮溫水平分布(圖3a)、1.5°×1.5°網(wǎng)格分辨率的平均亮溫水平分布(圖 3b)，及采用第一步和第二步方位譜分析定位的颶風(fēng)Sandy中心位置(圖3c、d)。圖3a全天空模擬亮溫水平分布能夠顯示出臺風(fēng)的螺旋結(jié)構(gòu)，但沒有明顯的臺風(fēng)眼，且模擬亮溫整體較觀測亮溫偏高。初估位置一般表示臺風(fēng)附近最強的對流區(qū)域，對于圖2a中的觀測亮溫，低亮溫區(qū)在臺風(fēng)中心南北兩側(cè)均有分布，但對于圖3a中的模擬亮溫，低亮溫區(qū)主要在臺風(fēng)中心的東北側(cè)，導(dǎo)致觀測和模擬亮溫的初估位置分別位于臺風(fēng)中心西南側(cè)和東北側(cè)，說明模擬得到的臺風(fēng)中心附近的對流云在位置和強度上存在偏差。從圖2c、3c中可以看到，初估位置的不同不影響方位譜分析定位，因為觀測和模擬亮溫的預(yù)估范圍都能夠?qū)⑴_風(fēng)中心包含在內(nèi)。最后，圖2d觀測亮溫方位譜分析定位的臺風(fēng)中心位于臺風(fēng)眼，與最佳路徑相差18.3 km，圖3d模擬亮溫定位中心位于低亮溫區(qū)的對流云處，與最佳路徑相差90.4 km。

圖3 通過ERA5再分析資料得到的MetOp-AMHS通道5全天空模擬亮溫，其他同圖2

3 數(shù)值結(jié)果

3.1 衛(wèi)星觀測和全天空模擬亮溫定位結(jié)果

方位譜分析不僅可以得到亮溫場的對稱分量，還能得到其他波數(shù)分量。圖4展示了觀測和模擬亮溫方位譜分析定位中心的0～4波振幅的徑向變化，相較于非0波分量，觀測和模擬亮溫定位中心的0波分量在30～360 km范圍內(nèi)均始終保持最大分量，表明觀測和模擬亮溫場的對稱部分在臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)作用。150～300 km的觀測和模擬亮溫定位中心的0波分量振幅基本相同，但在30～150 km和300～360 km的模擬亮溫定位中心的0波分量大于觀測亮溫定位中心的0波分量。1波分量則恰恰相反，在30～150 km和300～360 km觀測亮溫定位中心的1波分量大于模擬亮溫定位中心的1波分量，150～300 km范圍內(nèi)兩者1波分量大小相近。觀測和模擬亮溫定位中心的2波和4波分量大小相近，但觀測亮溫定位中心的3波分量始終大于模擬亮溫定位中心的3波分量。

圖4 2012年10月24日14時38分MetOp-AMHS觀測亮溫(空心圓)和ERA5模擬亮溫(實心圓)方位譜分析的0～4波振幅的徑向變化

為更清晰地展現(xiàn)觀測和模擬亮溫的定位差別，分別挑選觀測和模擬亮溫定位結(jié)果相差較大以及定位結(jié)果相近的2個時次進行分析，如圖5所示。圖5a、b展示了臺風(fēng)剛生成時的ATMS通道18觀測和模擬亮溫分布，觀測亮溫定位結(jié)果在臺風(fēng)中心南側(cè)和北側(cè)低亮溫區(qū)之間，距離最佳路徑39.8 km，而模擬亮溫定位結(jié)果位于臺風(fēng)中心東側(cè)更為對稱的低亮溫區(qū)，距離最佳路徑166.7 km。圖5c、d觀測和模擬亮溫定位結(jié)果都在臺風(fēng)的暖核區(qū)，與最佳路徑的距離分別是60.0 km和60.1 km，方位譜分析臺風(fēng)中心定位反映的是對流層低層的結(jié)構(gòu)，而最佳路徑的中心位置更接近地面中心。

圖5 不同觀測時間ATMS通道18觀測亮溫：(a、c)同圖2d；(b、d)同圖3d；(a、b)22日17時56分；(c、d)25日18時44分

ATMS通道18和MWHS通道5的中心頻率一致，且S-NPP衛(wèi)星和FY-3B衛(wèi)星的過赤道時也僅相差1 h左右，圖6展示了搭載于S-NPP的ATMS通道18和搭載于FY-3B的MWHS通道5不同時刻的觀測亮溫水平分布以及Sandy中心附近的兩條連續(xù)掃描線上的地球視場。10月24日19時Sandy位于ATMS觀測掃描帶邊緣(圖6c)，但這并不影響通過方位譜分析方法對颶風(fēng)Sandy的定位。10月24日06時12分和19時，利用ATMS和MWHS觀測亮溫得到的定位結(jié)果基本一致，因此MWHS可以用來替換ATMS對颶風(fēng)Sandy下午的觀測。

圖6 2012年10月24日(a、c)ATMS通道18和(b、d)MWHS通道5觀測亮溫颶風(fēng)Sandy附近的水平分布(圓圈表示觀測亮溫得到的颶風(fēng)中心位置；臺風(fēng)符號表示最佳路徑位置；叉號表示Sandy中心附近的兩條連續(xù)掃描線上的地球視場)：(a)06時12分；(b)07時04分；(c)19時；(d)18時14分

ERA5全天空模擬亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的距離較遠，為進一步分析ERA5中的臺風(fēng)中心位置差異，使用臺風(fēng)周圍海平面最低氣壓值對颶風(fēng)Sandy進行定位作為參考。圖7是ERA5全天空模擬亮溫對圖6中ATMS和MWHS觀測時次的定位結(jié)果，以MWHS為例，24日07時04分模擬亮溫和觀測亮溫低亮溫區(qū)分布相近，但模擬亮溫在臺風(fēng)中心附近的分布整體向北偏移約1個緯度；24日18時14分臺風(fēng)的螺旋雨帶結(jié)構(gòu)模擬與觀測亮溫相近，但模擬亮溫的臺風(fēng)眼結(jié)構(gòu)不明顯。24日07時04分和24日18時14分觀測(模擬)亮溫的定位結(jié)果與最佳路徑的距離分別是42.5 km(126.9 km)和35.3 km(45.2 km)，海平面最低氣壓值定位結(jié)果與最佳路徑的距離分別是41.2 km和28.5 km。海平面最低氣壓值定位結(jié)果與觀測亮溫定位結(jié)果接近，比模擬亮溫定位結(jié)果更接近最佳路徑。

圖7 ERA5全天空模擬亮溫水平分布(黑色叉號表示海平面最低氣壓值定位結(jié)果)，其他同圖6

3.2 ERA5再分析資料水平分布

雖然微波可以穿透非降水云，但臺風(fēng)附近的強對流即使是微波也難以穿透，再加上云的散射作用很大，導(dǎo)致微波濕度計觀測到的亮溫在臺風(fēng)降水區(qū)劇烈下降形成低亮溫區(qū)。因此，模擬亮溫的低值區(qū)分布和觀測差異較大應(yīng)該是再分析資料中云中液態(tài)水或冰水分布導(dǎo)致的。圖8是ERA5再分析資料中的冰水路徑和800 hPa比濕插值到圖6b、6d觀測時次在Sandy附近的水平分布。云中冰水主要分布在對流層400 hPa以上，因此800 hPa比濕反映的主要是對流層低層的水汽狀況，圖8b、8d可以看到臺風(fēng)中心附近對流層低層水汽充沛，比濕超過13 g·kg-1。24日07時04分和24日18時14分冰水路徑大值區(qū)均分布在臺風(fēng)中心東側(cè)和西北側(cè)，與模擬亮溫的低值區(qū)分布一致。模擬亮溫的低亮溫區(qū)明顯偏高，可能是受到云中冰態(tài)水的影響，因為冰粒子散射和粒子大小、形狀有關(guān)，使得輻射傳輸模式對其模擬難度較大。也有研究指出，數(shù)值模式中云參數(shù)化存在缺陷，導(dǎo)致再分析資料中的液態(tài)水和冰水路徑與實況相比誤差很大[26-27]。

圖8 海平面氣壓水平分布(等值線，單位：hPa；黑色叉是海平面最低氣壓值定位結(jié)果)與(a、c)ERA5再分析資料冰水路徑水平分布(填色，單位：kg·m-2)和(b、d)800 hPa比濕水平分布(填色，單位：g·kg-1)：(a、b)24日07時04分(海平面氣壓等值線均間隔1.5 hPa)；(c、d)24日18時14分(海平面氣壓等值線均間事2 hPa)

3.3 對颶風(fēng)Sandy和Isaac的定位結(jié)果

圖9a是使用ATMS通道18和MHS通道5的觀測和ERA5全天空模擬亮溫對颶風(fēng)Sandy定位的結(jié)果，可以看到第二次定位結(jié)果比第一次更接近最佳路徑。觀測和模擬亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的平均距離分別是35.8 km和73.3 km。在Sandy于25日06時和29日12時兩次達到峰值強度前后，模擬亮溫的定位結(jié)果與最佳路徑的距離明顯小于平均距離。在29日18時颶風(fēng)登陸后，觀測亮溫與最佳路徑的距離明顯增大，主要是由于微波通道亮溫會受到地表植被、地形等多種因素的影響。圖9b是ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5觀測和全天空模擬亮溫及ERA5海平面最低氣壓值對颶風(fēng)Sandy定位的結(jié)果，可以看到MWHS通道5與ATMS通道18對颶風(fēng)Sandy方位譜分析定位結(jié)果基本一致。MWHS通道5和MHS通道5對颶風(fēng)Sandy的觀測和模擬亮溫定位中心與最佳路徑的平均距離分別是33.9 km和71.6 km，ERA5海平面最低氣壓值定位中心與最佳路徑的平均距離是48.1 km。在23日12時之前，ERA5海平面最低氣壓值定位結(jié)果和模擬亮溫定位結(jié)果相近，之后與觀測亮溫定位結(jié)果相近?？傮w而言，觀測亮溫方位譜分析定位結(jié)果和ERA5海平面最低氣壓值定位結(jié)果能夠反映出臺風(fēng)中心位置，與模擬亮溫的定位結(jié)果相差較大。

圖9 (a)ATMS通道18(藍色)及MHS通道5(青藍)觀測(實心)和全天空模擬(空心)亮溫對颶風(fēng)Sandy定位結(jié)果與最佳路徑的距離，三角形(圓圈)為第1(2)步定位結(jié)果，灰色陰影為颶風(fēng)Sandy的最大可持續(xù)風(fēng)速；(b)ATMS通道18(藍色)、MHS通道5(青藍)和MWHS通道5(玫紅)觀測亮溫、ERA5全天空模擬亮溫(紅色)及ERA5海平面最低氣壓值(黑色叉號)對颶風(fēng)Sandy定位的結(jié)果與最佳路徑的距離

圖10a是使用ATMS通道18和MHS通道5對颶風(fēng)Isaac定位的結(jié)果，圖10b是ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5觀測和全天空模擬亮溫及ERA5海平面最低氣壓值對颶風(fēng)Isaac定位的結(jié)果。在24日18時前，觀測亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的距離較遠，特別是對于ATMS通道18和MWHS通道5，但在這之后，觀測亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的距離明顯減小。在28日06時之前，模擬亮溫定位結(jié)果與最佳路徑距離較遠，之后明顯下降且有時小于觀測亮溫定位結(jié)果與最佳路徑的距離。對于颶風(fēng)Isaac，使用ATMS通道18和MHS通道5觀測和全天空模擬亮溫得到的定位結(jié)果與最佳路徑的平均距離分別是32.9 km和82.1 km，使用MWHS通道5和MHS通道5觀測和全天空模擬亮溫得到的定位結(jié)果與最佳路徑的平均距離分別是36.4 km和86.2 km。ERA5海平面最低氣壓值定位結(jié)果與最佳路徑的平均距離是44.4 km，與觀測亮溫定位結(jié)果相比，28日06時前，觀測亮溫定位結(jié)果更接近最佳路徑，之后海平面最低氣壓值定位結(jié)果更加接近最佳路徑。

圖10 (a)ATMS通道18(藍色)及MHS通道5(青藍)觀測和全天空模擬(紅色)亮溫對颶風(fēng)Isaac進行第一步(三角形符號)和第二步(圓圈符號)的定位結(jié)果與最佳路徑之間的距離(灰色陰影為颶風(fēng)Isaac的最大可持續(xù)風(fēng)速)；(b)2012年8月22—31日ATMS通道18(藍色)、MHS通道5(青藍)和MWHS通道5(梅紅)觀測亮溫、全天空模擬亮溫(紅色)及ERA5海平面最低氣壓值(黑色叉號)對颶風(fēng)Isaac定位的結(jié)果與最佳路徑的距離

從Sandy和Isaac的定位結(jié)果來看，臺風(fēng)的中心定位與臺風(fēng)強度聯(lián)系緊密，因此計算了按熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)等級來劃分的定位結(jié)果與最佳路徑的距離。對熱帶風(fēng)暴，ATMS和MHS觀測和模擬亮溫得到的臺風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是36.5 km和105.9 km，MWHS和MHS觀測和模擬亮溫得到的臺風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是37.3 km和101.9 km；對臺風(fēng)，ATMS和MHS觀測和模擬亮溫得到的臺風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是25.8 km和56.4 km，MWHS和MHS觀測和模擬亮溫得到的臺風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是29.0 km和56.6 km。

4 結(jié)論

將ERA5再分析資料作為RTTOV的輸入，得到ATMS通道18、MHS通道5、MWHS通道5的全天空模擬亮溫，比較了衛(wèi)星觀測和全天空模擬亮溫對颶風(fēng)Sandy和Isaac進行方位譜分析中心定位的差異，以及ERA5海平面最低氣壓值得到的臺風(fēng)中心定位結(jié)果。使用微波濕度計的亮溫資料，方位譜中心位置定位方法能夠得到亮溫場的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)中最為對稱的位置，將該位置視為臺風(fēng)的中心位置。分析結(jié)果表明，對于S-NPP搭載的ATMS和MetOp-A搭載的MHS，觀測和模擬亮溫得到的颶風(fēng)Sandy(Isaac)中心位置與最佳路徑在其生命期內(nèi)平均相差35.8 km(32.9 km)和73.3 km(82.1 km)。若按熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)等級來劃分，對于熱帶風(fēng)暴，觀測和模擬亮溫得到的臺風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是36.5 km和105.9 km；對于臺風(fēng)，觀測和模擬亮溫得到的臺風(fēng)中心位置與最佳路徑的平均距離分別是25.8 km和56.4 km。用FY-3B搭載的MWHS替換ATMS，所得結(jié)果與之類似。

使用ERA5海平面最低氣壓值對Sandy和Isaac的定位結(jié)果與最佳路徑的距離分別是48.1 km和44.4 km，這與觀測亮溫的定位結(jié)果相近，與模擬亮溫的定位結(jié)果相差較大。全天空模擬亮溫受冰水路徑影響較大導(dǎo)致低亮溫區(qū)分布和觀測亮溫差異較大，因此，目前尚不適合用來對再分析資料中的臺風(fēng)進行中心定位。此外，ERA5再分析資料的分辨率比衛(wèi)星微波濕度計資料分辨率低一倍左右，對全天空模擬亮溫的分布結(jié)構(gòu)有影響，是導(dǎo)致方位譜臺風(fēng)中心位置定位方法出現(xiàn)較大誤差的原因之一。

本研究對臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報中的全天空模擬亮溫資料同化具有重要指示意義，但目前僅比較了ERA5再分析資料和微波濕度計觀測資料所確定的臺風(fēng)中心位置差異，還有其他一些表現(xiàn)較優(yōu)的再分析資料如JRA-25等尚未被考慮，后續(xù)準備對更多的臺風(fēng)個例及不同的再分析資料展開更細致的比較、分析和評估。