王曉霞，劉建強，張毅, ，徐雅夢

（1.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（廣州），廣東廣州511458；3.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083）

1 引言

臺風(fēng)是一種極具破壞力的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，常伴有狂風(fēng)暴雨等天氣現(xiàn)象。臺風(fēng)會嚴重威脅人類的生命安全，并給人類的生產(chǎn)生活造成重大破壞。準確定位臺風(fēng)中心位置和監(jiān)測臺風(fēng)移動路徑對于臺風(fēng)預(yù)報與監(jiān)測研究具有重要意義。

南海是臺風(fēng)活動最頻繁的海域之一，因此本研究將南海海域作為研究區(qū)。南海臺風(fēng)生成與大氣海洋季節(jié)尺度變化有密切關(guān)系。夏季高溫使得海水易蒸發(fā)，大氣層結(jié)不穩(wěn)定，同時受上空活躍的西南季風(fēng)影響，與西太副熱帶高壓輻合帶偏東風(fēng)相遇匯成季風(fēng)輻合帶，形成季風(fēng)槽，這有利于對流層低層正渦旋輻合和高層負渦旋輻散的增強。垂直上空暖濕氣流的輻聚給臺風(fēng)的產(chǎn)生提供了充足的水汽條件；弱的垂直風(fēng)切變?yōu)榕_風(fēng)形成提供了初始擾動和動力條件[1-2]。準確獲得臺風(fēng)中心位置，有利于開展臺風(fēng)所在背景場和環(huán)流場等動力分析。

衛(wèi)星遙感具有時空分辨率高、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，是臺風(fēng)預(yù)報與監(jiān)測的重要手段。微波散射計是獲取海面風(fēng)場數(shù)據(jù)的主要載荷，可同時獲得全球海面風(fēng)向和風(fēng)速。其他手段均有一定的局限性，如：由衛(wèi)星云圖上的云移動推導(dǎo)出的風(fēng)是云頂風(fēng)，不是海面風(fēng)；微波輻射計和雷達高度計僅能獲取風(fēng)速資料，得不到風(fēng)向資料[3]。較早的微波散射計包括1978 年美國Seasat 衛(wèi)星搭載的SASS、1991 年歐洲ERS 系列衛(wèi)星搭載的AMI、1999 年美國QuikSCAT衛(wèi)星搭載的SeaWinds 微波散射計。目前在軌的微波散射計有歐洲Metop 系列衛(wèi)星搭載的ASCAT（Advanced SCATterometer），工作頻率在C波段；2011年和2018 年我國海洋動力衛(wèi)星系列中HY-2A 與HY-2B 搭載的HSCAT、2016 年印度發(fā)射的Scatsat-1衛(wèi)星上搭載的OSCAT-2微波散射計、2018年中法海洋衛(wèi)星CFOSAT 搭載的RFSCAT，工作頻率在Ku 波段。多顆在軌運行的微波散射計為臺風(fēng)監(jiān)測提供了大量觀測數(shù)據(jù)。在利用這些數(shù)據(jù)進行臺風(fēng)識別與定位研究方面可以做更深入的探索。Lecomte等[4]和Gierach 等[5]發(fā)展了基于風(fēng)速閾值以及渦度分布的識別算法，但是由于微波散射計分辨率較低、人工參與識別較多，因此最終識別率并不高。Ho等[6]和Talukder 等[7]利用從QuikSCAT 微波散射計提取的熱帶氣旋特征，采用支持向量機方法實現(xiàn)了熱帶氣旋自動識別與跟蹤，但是由于算法是基于統(tǒng)計主風(fēng)向相對強度判別方法來表征風(fēng)場渦旋特征，因此在降雨等惡劣條件下風(fēng)向誤差大、算法準確率較低。 Zhang 等[8]比 較 了HY- 2A 微 波 散 射 計 與QuikSCAT 微波散射計的海面風(fēng)場數(shù)據(jù)在3 個臺風(fēng)的路徑和強度研究中的差異，結(jié)果表明，利用微波散射計海面風(fēng)場數(shù)據(jù)可以進行強度較弱的熱帶氣旋的相關(guān)研究。2015 年，鄒巨洪等[9]發(fā)展了基于HY-2 衛(wèi)星微波散射計風(fēng)矢量產(chǎn)品的熱帶氣旋自動識別算法，即先利用熱帶氣旋風(fēng)場的風(fēng)速與風(fēng)向分布直方圖特征進行粗搜索，再利用種子生長法精確搜索目標區(qū)域內(nèi)螺旋狀流線。這個方法可以在降雨造成風(fēng)矢量反演精度降低的條件下，實現(xiàn)對熱帶氣旋的準確自動識別。2017 年，趙勇等[10]基于臺風(fēng)風(fēng)場分解原理[11]和改進的Tikhonov 正則化原理，結(jié)合臺風(fēng)渦度場和散度場分布規(guī)律實現(xiàn)臺風(fēng)中心定位。Hu等[12]結(jié)合FY-2衛(wèi)星云圖和HY-2微波散射計風(fēng)場數(shù)據(jù)展開臺風(fēng)監(jiān)測研究，結(jié)合二者的優(yōu)勢所獲得的結(jié)果具有較高的定位精度。

本研究基于HY-2A/HY-2B /Metop-A 微波散射計風(fēng)場數(shù)據(jù)，依據(jù)臺風(fēng)經(jīng)過時海面風(fēng)場風(fēng)速較高和風(fēng)向渦旋性高的特性，并考慮臺風(fēng)發(fā)生時低層絕對渦度和高層輻散場等形成因子，結(jié)合海面渦度場和散度場的分布規(guī)律，針對臺風(fēng)不同發(fā)展階段，應(yīng)用兩種臺風(fēng)中心定位方法，即高風(fēng)速閾值與渦度場定位法和高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法進行比較研究。最后，將兩種方法的定位結(jié)果與中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA）熱帶氣旋資料中心最佳路徑資料[13]進行準確度對比。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)選擇與處理

2.1.1 HY-2A/2B風(fēng)場數(shù)據(jù)

HY-2A 衛(wèi)星是我國第一顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，于2011 年8 月16 日成功發(fā)射。HY-2B 衛(wèi)星是我國第二顆海洋動力環(huán)境衛(wèi)星，于2018 年10 月25 日成功發(fā)射。衛(wèi)星微波散射計工作頻率在Ku 波段，極化方式有HH 極化和VV 極化兩種，風(fēng)速測量精度為2 m/s，風(fēng)向測量精度為20 °，有效測量范圍在2～24 m/s。衛(wèi)星微波散射計采用筆形圓錐掃描方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對全球海面風(fēng)場的寬刈幅觀測（1 800 km）[14]。衛(wèi)星微波散射計具有全球連續(xù)觀測能力，在1～2 d時間內(nèi)的全球覆蓋率大于90%；同時在南海區(qū)域范圍（5°～20°N，105°～120°E）內(nèi)具有實時觀測能力，南海過境時間大約在10時（北京時，下同）和22時。

研究數(shù)據(jù)采用國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心業(yè)務(wù)化發(fā)布的2016——2018年6月的HY-2A/SCAT L2B數(shù)據(jù)和2019 年1——12 月的HY-2B/SCAT L2B 數(shù)據(jù)，地面分辨率為25 km。

2.1.2 Metop-A風(fēng)場數(shù)據(jù)

Metop-A 是歐洲第一顆極地軌道衛(wèi)星。ASCAT 為其搭載的衛(wèi)星散射計具有3 個垂直極化天線，發(fā)射5.225 GHz（C波段）脈沖。天線在儀器兩側(cè)延伸，因而產(chǎn)生兩個500 km 寬的觀測刈輻，之間相隔大約360 km，在24 h 內(nèi)能覆蓋全球76% 的區(qū)域[15]。衛(wèi)星散射計的風(fēng)速測量精度、風(fēng)向測量精度和測量范圍分別為2 m/s、20°、4～24 m/s，經(jīng)過南海時間大約在13時和01時。

研究數(shù)據(jù)采用2016——2018 年6 月空間分辨率為25 km的ASCAT L2B數(shù)據(jù)。

2.1.3 雙星聯(lián)合觀測

1 d內(nèi)單顆衛(wèi)星觀測可以覆蓋全球大部分區(qū)域，如ASCAT 1 d的全球覆蓋率可達70% 以上，HY-2衛(wèi)星散射計在24 h 內(nèi)的全球覆蓋率可達90% 以上。但是仍然有刈輻空白區(qū)域，難以滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。雙星聯(lián)合觀測既可以將1 d 內(nèi)的全球覆蓋率提高到97%[15]，還可以提高時間觀測效率。

時間觀測統(tǒng)計應(yīng)考慮固定軌道周期內(nèi)對同一觀測區(qū)域的觀測次數(shù)，而不同軌道觀測周期容易混淆重復(fù)觀測，因而設(shè)定觀測周期為180°W～180°E 的觀測時間。在一個觀測周期內(nèi)衛(wèi)星觀測到南海海域，觀測次數(shù)加1，并記錄觀測時間。從圖1 可以發(fā)現(xiàn)，HY-2/SCAT 和ASCAT 在24 h 內(nèi)觀測到南海海域為兩次，兩次觀測時間間隔在12 h 左右；而雙星聯(lián)合觀測時間間隔平均縮短至6 h，因此可以有效提高觀測采樣效率。因而，本研究聯(lián)合HY-2A/SCAT和ASCAT共同監(jiān)測南海區(qū)域范圍的臺風(fēng)，盡可能避免刈輻空白觀測區(qū)域。

圖1 ASCAT/HY-2以及雙星聯(lián)合觀測在南海區(qū)域（5°～20°N、105°～120°E）的次數(shù)統(tǒng)計

采用反距離加權(quán)插值（Inverse Distance Weight，IDW）方法將兩顆衛(wèi)星的散射計數(shù)據(jù)進行融合來觀測南海區(qū)域上的臺風(fēng)。該插值方法主要用于標量插值，因此將海面風(fēng)場矢量數(shù)據(jù)分解為水平u和垂直v風(fēng)場并作插值，最后合并為矢量風(fēng)場。

反距離加權(quán)插值方法如下：

Wo是待插值點的估計值；Wi是第i點的風(fēng)速值；hi是距離；p是距離的冪，一般選取p=2。

2.1.4 風(fēng)場資料檢驗

在檢驗臺風(fēng)定位結(jié)果之前，首先需要檢驗散射計測風(fēng)精度?？紤]到臺風(fēng)多發(fā)生在夏秋季節(jié)，因而選擇這個時間范圍的風(fēng)場資料進行驗證。采用2017 年6 月——2017 年10 月美國國家浮標資料中心（National Data Buoy Center，NDBC）的浮標風(fēng)測數(shù)據(jù)，對HY-2A/SCAT 和Metop-A/ASCAT 散射計風(fēng)場數(shù)據(jù)作測風(fēng)真實性檢驗（圖2、3）。選擇2019 年6 月——2019 年10 月期間浮標風(fēng)測資料，檢驗HY-2B/SCAT 散射計測風(fēng)能力。選擇時間窗口60 min、空間窗口25 km 范圍的散射計風(fēng)場數(shù)據(jù)，與NDBC 浮標站點測風(fēng)匹配比較。站點信息見表1，包括站點序號、經(jīng)緯度信息和站點風(fēng)速計高度。由于衛(wèi)星散射計獲得海面風(fēng)為10 m 高度中性穩(wěn)定風(fēng)，而所選觀測站點測量高度為4.1 m 高度和4.9 m 高度海面風(fēng)，因此根據(jù)海上不同高度風(fēng)速換算關(guān)系公式[16]，將浮標實測風(fēng)轉(zhuǎn)換成10 m高度海面風(fēng)。

圖2 2017年6月10日南海區(qū)域范圍ASCAT觀測風(fēng)場

圖3 2017年6月10日南海區(qū)域范圍HY-2A/SCAT觀測風(fēng)場

表1 NDBC觀測站點信息表

式中：Uz為浮標風(fēng)速，z為浮標風(fēng)速計高度，Kz為不同高度風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)。由于海面粗糙度隨風(fēng)場變化，以7 m/s 為界限，當風(fēng)速＞7 m/s 時，z0 為0.022，當風(fēng)速＜7 m/s時，z0為0.002 3 。

本研究誤差檢驗統(tǒng)計量包括風(fēng)速、風(fēng)向平均偏差和均方根誤差。選擇衛(wèi)星經(jīng)過站點時間前后1 h范圍、空間窗口0.25°內(nèi)的點數(shù)據(jù)做誤差統(tǒng)計。表2顯示HY-2A 風(fēng)速整體平均偏差為-0.3 m/s，均方根誤差為2.07 m/s；風(fēng)向平均偏差為11.28°～18.31°，均方根誤差較大，為23.73°～35.90°。Metop-A 風(fēng)速整體平均偏差為0.36 m/s，均方根誤差為1.64 m/s；風(fēng)向平均偏差為15.30°～23.62°，風(fēng)向均方根誤差比HY-2A/SCAT 大，在29.82°～40.05°之間。聯(lián)合觀測風(fēng)場的風(fēng)速、風(fēng)向平均偏差比單星觀測風(fēng)場小，整體風(fēng)速平均偏差為0.72 m/s，均方根誤差為1.36 m/s 。HY-2B 整體平均偏差為-0.15 m/s，均方根誤差為1.99 m/s；風(fēng)向平均偏差為10.97°～20.36°，風(fēng)向均方根誤差較大，在20.10°～30.23°之間。

表2 HY-2A/2B和Metop-A/ASCAT與NDBC實測風(fēng)速（單位：m/s）/風(fēng)向（單位：°）誤差統(tǒng)計

總的來看，HY-2A/2B 衛(wèi)星測風(fēng)風(fēng)速比NDBC的浮標風(fēng)偏小，而Metop-A 衛(wèi)星測風(fēng)風(fēng)速比NDBC浮標風(fēng)偏高，聯(lián)合觀測風(fēng)場比單星觀測風(fēng)場風(fēng)速平均誤差偏小。HY-2B 衛(wèi)星觀測風(fēng)場優(yōu)于HY-2A，Metop-A 觀測風(fēng)場優(yōu)于HY-2A 觀測風(fēng)場。分析表明，誤差一部分來源于浮標與選定空間窗口范圍下衛(wèi)星測風(fēng)數(shù)據(jù)的空間不一致，以及HY-2 衛(wèi)星與Metop-A 衛(wèi)星的觀測時間不一致，時間窗口范圍較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)比較存在偏差。衛(wèi)星風(fēng)產(chǎn)品可以用于業(yè)務(wù)化應(yīng)用研究，本文以HY-2A 和Metop-A 聯(lián)合風(fēng)場以及HY-2B觀測風(fēng)場進行臺風(fēng)中心定位。

2.1.5 定位驗證資料

驗證數(shù)據(jù)為CMA 最佳路徑資料。資料包括：時間、中心位置、中心最低氣壓、風(fēng)力強度、風(fēng)力等級和熱帶氣旋發(fā)展狀態(tài)等。資料每行路徑的間隔小時數(shù)為6 h，發(fā)布時刻分別為00 時、06 時、12 時和18 時。其中2017 年部分臺風(fēng)發(fā)展期的間隔小時數(shù)為3 h。由于衛(wèi)星散射計觀測資料所得風(fēng)場數(shù)據(jù)與最佳路徑數(shù)據(jù)集資料在時間上存在差異，因此，在研究中忽略了臺風(fēng)移速的快慢，將散射計風(fēng)場數(shù)據(jù)觀測時間點反距離加權(quán)插值到CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)上，從而在同一時間尺度上進行臺風(fēng)定位結(jié)果對比。

2.2 原理與方法

2.2.1 高風(fēng)速閾值定義

一般地，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)在水平方向上分為臺風(fēng)眼區(qū)、云墻和螺旋云帶區(qū)。臺風(fēng)中心位于臺風(fēng)眼區(qū)，由于空氣下沉運動導(dǎo)致眼區(qū)絕熱增溫，臺風(fēng)中心溫度最高、氣壓最低、風(fēng)速最小。臺風(fēng)云墻區(qū)空氣有強烈的上升對流運動，此區(qū)域天氣惡劣，常發(fā)生狂風(fēng)暴雨。在充分發(fā)育的強熱帶氣旋內(nèi)，中心附近大氣壓力最低，緊貼著熱帶氣旋“風(fēng)眼”周圍的風(fēng)力最強[12]。根據(jù)臺風(fēng)水平結(jié)構(gòu)的組成原理和大風(fēng)區(qū)風(fēng)速特征，首先定位出臺風(fēng)大風(fēng)區(qū)的位置邊界，即遍歷研究區(qū)風(fēng)場數(shù)據(jù)，搜索出高風(fēng)速海域的邊界范圍。氣象學(xué)中，一般用17 m/s、26 m/s 和34 m/s 來衡量臺風(fēng)內(nèi)外核與螺旋云帶尺度大小，因而將17 m/s 設(shè)置為高風(fēng)速搜索閾值邊界值，在風(fēng)場研究數(shù)據(jù)中搜索風(fēng)速＞17 m/s 并且風(fēng)矢量單元格個數(shù)＞4×4（即100 km×100 km)的區(qū)域。

2.2.2 高風(fēng)速閾值與渦度場定位法

一般地，臺風(fēng)具有明顯的氣旋性渦旋結(jié)構(gòu)。在大氣動力學(xué)與天氣診斷分析研究中，渦度是一個重要的物理量。渦度表征的是大氣運動的旋轉(zhuǎn)特征，用來衡量空氣質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)運動強度。通過觀察渦度的分布特性與發(fā)展變化規(guī)律，可以分析出天氣系統(tǒng)的發(fā)展變化特點。渦度是一個矢量，但由于大氣的近水平運動，一般只考慮渦度的垂直分量，即垂直渦度分量或相對渦度垂直分量[17]。在北半球，風(fēng)場沿逆時針方向向臺風(fēng)中心輻聚，因此定義逆時針旋轉(zhuǎn)為正方向。理論上講，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的渦度場值大于零并且臺風(fēng)中心處有局部最大值點。

有研究表明，利用吉洪諾夫正則化方法結(jié)合數(shù)值微分計算有限區(qū)域內(nèi)渦度方法的精度比中央差分算法高，尤其是在對較小尺度天氣系統(tǒng)的識別能力上。渦度的計算公式是利用觀測風(fēng)場對空間坐標進行微分運算獲得[18]。本研究借鑒數(shù)值微分計算渦度的思路，將其應(yīng)用到南海海域風(fēng)場，建立渦度場并定位臺風(fēng)中心。

HY-2B 衛(wèi)星散射計L2B 產(chǎn)品風(fēng)矢量單元大小為25 km×25 km，風(fēng)矢量單元的行列數(shù)分別為1 624和76。球面上利用觀測風(fēng)場計算渦度時，經(jīng)圈與緯圈都具有2π的周期，因此可以在經(jīng)緯圈上逐行逐列地利用一維一階導(dǎo)數(shù)來計算[19]。

按照風(fēng)速與風(fēng)向的關(guān)系，首先計算出風(fēng)速的u、v分量：

式中：u 為水平分量，v 為垂直分量，wind_speed為風(fēng)速值，wind_dir為風(fēng)向值，用弧度表示。

相對渦度垂直分量ζ的表達式為：

式中：λ為經(jīng)度，ψ為緯度，λ、ψ取決于臺風(fēng)風(fēng)場范圍，南海海域取100 °～125°E，0 °～25 °N。首先，將球面風(fēng)場插值到規(guī)則網(wǎng)格點上生成觀測風(fēng)場；然后逐行逐列計算出渦度場ζ；最后，結(jié)合臺風(fēng)大風(fēng)帶的結(jié)構(gòu)特性，定義在高風(fēng)速海域范圍內(nèi)渦度場的最大值點為臺風(fēng)中心。

2.2.3 高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法

在大氣運動演變過程中，散度也是一個重要的物理量。散度表征大氣質(zhì)子運動輻合、輻散強度特征，輻合為負、輻散為正。由于大氣近水平運動特性，這里只考慮大氣運動的水平散度。根據(jù)臺風(fēng)高空輻散場與低層輻聚的特性，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)所在散度場理論上為負值并且臺風(fēng)中心處存在局部最小值點。

復(fù)合場不僅考慮了臺風(fēng)的渦度場特性，還考慮了散度場特性。將散度場與渦度場做乘法，復(fù)合場理論上為負值并且在臺風(fēng)中心處存在最小值點。因此，首先構(gòu)建出散度場，并結(jié)合渦度場的構(gòu)建方法生成觀測風(fēng)場。水平散度D的表達式是：

復(fù)合場= 渦度場×散度場，即C = ζ×D。考慮臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的高風(fēng)速特征，高風(fēng)速海域范圍內(nèi)的復(fù)合場C最小值點即為臺風(fēng)中心。

3 案例應(yīng)用與評價

一般地，臺風(fēng)生成發(fā)展階段包括形成期、發(fā)展期、成熟期和衰退期。洋面上初始低壓氣旋擾動，對流層風(fēng)切變小，吸收海洋提供的熱量和水汽后風(fēng)力迅速增強。隨著臺風(fēng)向陸地接近，受陸地地形阻擋作用，同時維持氣旋發(fā)展的能量減小，風(fēng)力減弱。本文以2019年臺風(fēng)“娜基莉”為例，對臺風(fēng)形成發(fā)展時期和成熟期進行定位，并對不同方法作出比較。

3.1 臺風(fēng)“娜基莉”概況

2019 年11 月5 日20 時，南海洋面上生成8 級熱帶風(fēng)暴，并向東偏南移動（見圖4）；7 日08 時發(fā)展為強熱帶風(fēng)暴，23 時方向轉(zhuǎn)折向西偏南移動，風(fēng)力繼續(xù)增強；8日14時發(fā)展成為臺風(fēng)并水平向西移，持續(xù)2 d直至10日早晨風(fēng)力減弱；11日凌晨登陸，風(fēng)力減弱至熱帶風(fēng)暴。

3.2 不同方法定位結(jié)果分析

3.2.1 高風(fēng)速閾值與渦度場定位法應(yīng)用結(jié)果分析

HY-2B 衛(wèi)星微波散射計垂直極化刈輻寬度可達1 700 km，觀測風(fēng)場可以覆蓋近乎完整的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)（見圖5），矢量風(fēng)場中也可以提取風(fēng)向渦旋信息，在判斷臺風(fēng)位置時更加清晰。成熟期的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特征比形成期更加明顯（見圖6）。小而近圓的風(fēng)眼區(qū)風(fēng)速最低，風(fēng)力強勁的大風(fēng)區(qū)和外圍螺旋帶區(qū)的風(fēng)場、風(fēng)向渦旋度較高。形成期風(fēng)眼大而散，風(fēng)力較弱。

從“娜基莉”渦度場分布中可以明顯看出（見圖6a），臺風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域風(fēng)場渦度值較高，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)以外的風(fēng)場區(qū)域渦度普遍相對偏低，在臺風(fēng)成熟期這種特征更為明顯（見圖6b）。在形成期渦度場中存在渦度值較高的非臺風(fēng)區(qū)域（見圖6c），觀察其矢量觀測風(fēng)場，風(fēng)向渦旋度并不高，因此考慮高風(fēng)速閾值來限定臺風(fēng)結(jié)構(gòu)大體范圍是非常必要的，可以據(jù)此篩選出臺風(fēng)區(qū)域。如果高風(fēng)速區(qū)域搜索中仍存在非臺風(fēng)區(qū)域，考慮觀測風(fēng)場、風(fēng)向渦旋信息來判斷與篩選。

圖4 臺風(fēng)“娜基莉”移動路徑

圖5 2019年11月7日臺風(fēng)“娜基莉” HY-2B/SCAT 觀測風(fēng)場

圖6 臺風(fēng)“娜基莉”觀測風(fēng)場、渦度場和高風(fēng)速閾值渦度場分布

無論是形成期還是成熟期階段的臺風(fēng)，高風(fēng)速閾值渦度場分布中存在渦度最大值點，即為臺風(fēng)中心。

3.2.2 高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法應(yīng)用結(jié)果分析

復(fù)合場結(jié)合了渦度場和散度場二者的特性。散度場反映了風(fēng)場的水平散度信息，臺風(fēng)中心處散度最弱，理論上臺風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域散度值為負。將渦度場與散度場復(fù)合相乘，復(fù)合場值會發(fā)生數(shù)量級的翻倍，理論上在臺風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域甚至整個風(fēng)場區(qū)域內(nèi)會出現(xiàn)最小值點（數(shù)值上為最大值，因為散度為負值），即為臺風(fēng)中心。很明顯，成熟期臺風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域與周圍海域的復(fù)合值差異明顯（見圖7），大風(fēng)區(qū)復(fù)合值為負，臺風(fēng)中心處復(fù)合值最低。形成期復(fù)合場分布較渦度場分布的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域特征明顯，考慮是風(fēng)場復(fù)合了散度因子的關(guān)系。不過仍然存在臺風(fēng)結(jié)構(gòu)區(qū)域之外的一些極小值點，因而在高風(fēng)速閾值限定之后，最低復(fù)合值點即臺風(fēng)中心點清晰可定位。

3.3 臺風(fēng)中心定位方法評價

3.3.1 定位結(jié)果誤差統(tǒng)計

為了驗證臺風(fēng)中心定位結(jié)果的準確度，將兩種方法獲得的結(jié)果與CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)集對比并作出誤差統(tǒng)計。本文基于HY-2A/SCAT 與Metop-A/ASCAT 聯(lián)合觀測和HY-2B/SCAT 兩種觀測手段，統(tǒng)計了2016、2017、2019 全年以及2018 年1——6 月南海區(qū)域24 例臺風(fēng)，及其在形成期與成熟期不同強度下兩種方法的定位誤差，包括：經(jīng)向、緯向和總距（各方法定位點與CMA 數(shù)據(jù)集位置點之間的距離）3 種位置的平均偏差和均方根誤差。結(jié)果見表3 和表4。

圖7 臺風(fēng)“娜基莉”復(fù)合場和高風(fēng)速閾值復(fù)合場分布

表3 臺風(fēng)形成期定位結(jié)果與CMA最佳路徑誤差統(tǒng)計

表4 臺風(fēng)成熟期定位結(jié)果與CMA最佳路徑誤差統(tǒng)計

在臺風(fēng)形成期階段（見表3），利用高風(fēng)速閾值與渦度場定位法得到的經(jīng)緯向平均偏差＜0.20°，均方根誤差＜0.30°；總距平均偏差＜0.25°，均方根誤差＜0.30°。利用高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法得到的經(jīng)緯向平均偏差＜0.18°，均方根誤差＜0.28°；總距平均偏差＜0.20°，總距均方根誤差＜0.28°。在臺風(fēng)成熟期階段（見表4），利用高風(fēng)速閾值與渦度場定位法得到的經(jīng)緯向平均偏差＜0.14°，均方根誤差＜0.27°；總距平均偏差＜0.15°，均方根誤差＜0.26°。利用高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法得到的經(jīng)緯向平均偏差＜0.13°，均方根誤差＜0.24°；總距平均偏差＜0.13°，均方根誤差＜0.23°。根據(jù)地球赤道周長與繞赤道一周的弧度為360°，可以計算出1°對應(yīng)地面大約為111 km。因此，成熟期階段高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法經(jīng)緯向平均偏差大約為14.43 km ，均方根誤差為26.64 km。

3.3.2 不同定位方法評價

根據(jù)誤差統(tǒng)計表（見表3和表4），可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）比較不同的臺風(fēng)定位方法，發(fā)現(xiàn)高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法比渦度場定位法精度高。因為復(fù)合場中復(fù)合了垂直渦度和水平散度兩種因素，考慮了大氣旋轉(zhuǎn)和輻合輻散特性，而渦度場定位只考慮了一種因素。

（2）比較不同階段臺風(fēng)定位效果，成熟期定位精度高于形成期。臺風(fēng)形成期風(fēng)力較弱，風(fēng)場渦旋性較差，大氣運動質(zhì)子輻合輻散較弱，特征不明顯而導(dǎo)致定位偏差較大。臺風(fēng)成熟期風(fēng)力較強，風(fēng)場渦旋性明顯，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)完整，大氣質(zhì)子旋轉(zhuǎn)運動較強，定位效果優(yōu)于形成期。

（3）比較兩種觀測手段，發(fā)現(xiàn)HY-2B 觀測風(fēng)場定位誤差與聯(lián)合觀測風(fēng)場定位誤差相近。從時效性上看，聯(lián)合觀測風(fēng)場遠優(yōu)于單星觀測；從衛(wèi)星反演風(fēng)場質(zhì)量上看，HY-2B 觀測風(fēng)場要優(yōu)于HY-2A/SCAT、ASCAT風(fēng)場，因此HY-2B單星觀測風(fēng)場可用于臺風(fēng)中心定位。

總的來看，兩種方法定位平均偏差在0.1°～0.25°之間，均方根偏差在0.1°～0.3°之間，定位精度有待進一步提高。分析誤差來源，從環(huán)境場因素考慮，臺風(fēng)發(fā)生時常伴隨強降雨、大風(fēng)惡劣天氣，觀測風(fēng)場精度嚴重受損，嚴重影響渦度、散度場的精度，導(dǎo)致定位偏差較大。從傳感器方面考慮，散射計的空間分辨率為0.25°，HY-2A/2B 散射計測風(fēng)范圍為2～24 m/s，ASCAT測風(fēng)范圍為4～24 m/s；在高風(fēng)速臺風(fēng)環(huán)境場下散射計測風(fēng)靈敏度較差，獲取信號能力易飽和，因而造成定位偏差較大。不同發(fā)展階段、不同強度的臺風(fēng)，各方法的定位效果也不盡相同。成熟期臺風(fēng)結(jié)構(gòu)更加完整，風(fēng)場渦旋特性更加明顯，采用高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法的偏差比渦度場定位法小，定位效果更佳。在與臺風(fēng)CMA 最佳路徑數(shù)據(jù)集比較時，由于時間不一致且把臺風(fēng)當作勻速移動來看，因而插值過程中可能導(dǎo)致產(chǎn)生定位偏差。

4 結(jié)論與討論

本文基于HY-2A/SCAT 與ASCAT 聯(lián)合觀測風(fēng)場以及HY-2B/SCAT 觀測風(fēng)場，統(tǒng)計了2016——2018年6 月以及2019 年1——12 月發(fā)生在南海區(qū)域的24例臺風(fēng)，及其在形成期與成熟期階段的不同定位方法的定位偏差。比較分析后得出以下結(jié)論：

（1）整體來看，本文應(yīng)用的高風(fēng)速閾值與渦度場定位法和高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法兩種方法的定位平均偏差＜0.25°，均方根誤差＜0.3°。臺風(fēng)發(fā)生在高風(fēng)速環(huán)境場條件下，散射計測風(fēng)靈敏度較差，在后續(xù)臺風(fēng)定位研究中應(yīng)考慮這一點，進一步提升定位精度。

（2）由于臺風(fēng)形成期大氣運動輻合輻散較弱，風(fēng)場渦旋特征不明顯，因此，定位效果較成熟期差。從方法上講，根據(jù)大氣垂直渦度和水平散度影響因子來定位臺風(fēng)中心，定位效果較渦度場定位法更好。因為復(fù)合場考慮了兩種影響因子，其臺風(fēng)結(jié)構(gòu)所在風(fēng)場與周圍風(fēng)場相比，在數(shù)量級上表現(xiàn)出明顯差異性，能夠較容易獲得臺風(fēng)中心。成熟期時，采用高風(fēng)速閾值與復(fù)合場定位法平均偏差在0.1°～0.2°，均方根誤差＜0.25°。