颶風(fēng)Edouard（2014）暖心結(jié)構(gòu)的多資料對(duì)比分析

袁鈺容，羅 昱，劉 帆，戴 青

湖南省常德市氣象局，湖南常德 415000

0 引言

位于大西洋或北太平洋區(qū)域，風(fēng)力大于12級(jí)的強(qiáng)大而深厚的熱帶氣旋被稱(chēng)為颶風(fēng)。熱帶氣旋的主要特征之一，就是具有暖心結(jié)構(gòu)[1]。在整個(gè)熱帶氣旋的生命史中，暖心結(jié)構(gòu)不斷地發(fā)生變化，且與熱帶氣旋強(qiáng)度和風(fēng)雨落區(qū)變化密切相關(guān)[2]。研究熱帶氣旋的暖心結(jié)構(gòu)對(duì)熱帶氣旋的生成、發(fā)展及運(yùn)動(dòng)路徑、強(qiáng)度的預(yù)報(bào)具有非常重要的意義。

此處的溫度距平是以反演的溫度廓線插值為格點(diǎn)溫度，然后將各層格點(diǎn)溫度與周?chē)h(huán)境平均溫度作差。選用2014年的典型颶風(fēng)Edouard為個(gè)例，使用多資料計(jì)算其溫度距平，定量提取颶風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)。將下投式探空儀實(shí)測(cè)資料與多資料所得圖樣進(jìn)行對(duì)比分析。

1 數(shù)據(jù)的選用與處理

圖1a是讀取颶風(fēng)軌跡數(shù)據(jù)后，所得大西洋洋面上颶風(fēng)Edouard（2014）的運(yùn)動(dòng)路徑圖，其中黑框所包含區(qū)域即為研究所選區(qū)域，具體的經(jīng)緯度范圍 為55°～60°W，28°～32°N。圖1b是ATMS的3個(gè)數(shù)據(jù)的空間分布圖。

圖1 （a）颶風(fēng)Edouard（2014）的運(yùn)動(dòng)路徑；（b）在30°～65°W，27°～37°N區(qū)域內(nèi)NPP ATMS極軌衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)三維空間場(chǎng)分布；（c）28°～36°N，54°～62°W區(qū)域內(nèi)的颶風(fēng)Edouard（2014）的風(fēng)暴中心運(yùn)動(dòng)路徑及該范圍內(nèi)5個(gè)探空站點(diǎn)分布

此處的溫度距平是以反演的溫度廓線插值為格點(diǎn)溫度，然后將各層格點(diǎn)溫度與周?chē)h(huán)境平均溫度作差。選用2014年的典型颶風(fēng)Edouard為個(gè)例，使用多資料計(jì)算其溫度距平，定量提取颶風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)。將下投式探空儀實(shí)測(cè)資料與多資料所得圖樣對(duì)比分析。

ATMS極軌衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)有一個(gè)極軌衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的軌道上的三維空間場(chǎng)分布，需要填充一個(gè)區(qū)域。例如，圖1b中黑框所包含區(qū)域，該區(qū)域經(jīng)緯度范圍也就是55°～60°W，28°～32°N。而16:19:03、16:19:35、16:20:07是 指 要 拼接的3個(gè)數(shù)據(jù)的起始時(shí)間。圖1c是颶風(fēng)Edouard在選中區(qū)域黑框范圍內(nèi)的移動(dòng)路徑。該區(qū)域內(nèi)的五個(gè)探空站點(diǎn)及其經(jīng)緯度位置為：160314（57.8°W，31.28°N）、1 5 0 6 3 7（6 1.7 1°W，3 5.1 7°N）、1 5 1 9 4 4（6 0.3 5°W，3 4.6 1°N）、1 6 4 7 4 4（5 5.7 8°W，2 7.8 0°N）、1 7 0 9 0 6（5 7.7 7°W，27.27°N）。

2 颶風(fēng)暖心附近溫度距平的計(jì)算方法

處理飛機(jī)下投式探空儀數(shù)據(jù)時(shí)，飛機(jī)探空僅僅得到5條溫度廓線。其中1條在風(fēng)暴中心，另外4條在外圍。在各高度層上，用中心廓線上的值減去另外4條廓線的平均值，得到各高度上的溫度距平，從而得到颶風(fēng)的溫度距平廓線。

對(duì)于ERA-Interim再分析資料、FNL再分析資料和NPP ATMS衛(wèi)星反演資料的溫度距平廓線，從三維空間格點(diǎn)場(chǎng)中分別找出與5條實(shí)際探空廓線水平距離最近的5個(gè)水平格點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的垂直廓線。相同的，在各高度層上，用中心廓線的值減去另外4條廓線上的平均值，得到颶風(fēng)各高度上的溫度距平，從而得到這3種資料的溫度距平廓線[3]。

3 多資料的對(duì)比分析

3.1 對(duì)比各資料的中心附近溫度距平廓線圖

圖2a溫度距平隨高度降低而增大，最大值12.5℃，出現(xiàn)在350 hPa；在350～550 hPa之間緩慢減小；在550 hPa以下減小速率增快。圖2b的200～300 hPa高度上，溫度距平快速增大至5℃，第一個(gè)極大值出現(xiàn)在350 hPa。圖2c溫度距平從對(duì)流層頂?shù)?00 hPa快速增大至8.1℃；在400～850 hPa間隨高度降低而減小。圖2d溫度距平值隨高度降低快速增大，在250 hPa達(dá)最大值8.5℃；250 hPa高度至地面，溫度距平隨高度降低而減小，速率表現(xiàn)為先快后慢。

圖2 各資料所得颶風(fēng)Edouard（2014）中心附近的溫度距平廓線

如圖2a，實(shí)測(cè)對(duì)流層頂中心溫度距平接近6℃，圖2d最接近。從對(duì)流層頂至350 hPa，有溫度距平隨高度降低而減小的趨勢(shì)，圖2c、圖2d趨勢(shì)相符但最大值偏小；圖2d的最大溫度距平高度為250 hPa，偏高。圖2a中350 hPa至地面的溫度距平呈下降趨勢(shì)，其中，350～500 hPa和700～850 hPa之間距平隨高度降低基本不變或有弱的回升，該特征僅在圖2c中有所體現(xiàn)。綜上，圖2c最接近實(shí)際溫度距平隨高度變化趨勢(shì)，繪制颶風(fēng)中心溫度距平廓線圖優(yōu)先選擇FNL再分析資料，但需訂正最大溫度距平值。

3.2 對(duì)比各資料的各個(gè)高度層次上中心附近溫度距平平面圖

3.2.1 ERA-Interim再分析資料颶風(fēng)暖心附近各高度層上溫度距平的平面圖 如圖3，所選區(qū)域內(nèi)颶風(fēng)Edouard中心溫度距平在350 hPa最大，接近6℃，且暖心面積在150～350 hPa，隨高度降低而增加，400 hPa以下隨高度降低而減小。同時(shí)，各高度層次上颶風(fēng)暖心并不完全重合，350 hPa以上，隨高度降低暖心向西南偏移，350～400 hPa之間，隨高度降低暖心向東北偏移。等溫度距平帶距平值自?xún)?nèi)向外降低，形狀規(guī)則，呈邊緣平滑的圓環(huán)狀，能快速確定颶風(fēng)暖心位置，估算暖心面積。

圖3 ERA-Interim再分析資料在颶風(fēng)Edouard中心附近各高度上的溫度距平平面圖

3.2.2 FNL再分析資料的颶風(fēng)暖心附近各高度層上溫度距平的平面圖如圖4，150～300 hPa之間，颶風(fēng)中心溫度距平隨高度降低而增大。350 hPa上的溫度距平約為8℃。300 hPa以上，隨高度降低暖心向東南傾斜，而300～400 hPa之間無(wú)傾斜。各高度層上，等溫度距平帶距平值自?xún)?nèi)向外降低，為不規(guī)則多邊形，邊緣多折角。FNL再分析資料雖然不便估算暖心面積，但變化直觀。

圖4 FNL再分析資料颶風(fēng)Edouard中心附近各高度上溫度距平的平面圖

3.2.3 NPP ATMS再分析資料颶風(fēng)暖心附近各高度層上溫度距平的平面圖如圖5，在146 hPa中心溫度距平為8℃，在184～292 hPa之間，中心溫度距平明顯增大，中心溫度距平隨高度的降低而增加至最大；337～845 hPa隨高度降低溫度距平逐漸減小；在337 hPa以下颶風(fēng)中心有多個(gè)溫度距平極大值中心，且暖心東南側(cè)有明顯弧形溫度距平高值帶，其與暖心并不連續(xù)。故ATMS衛(wèi)星反演資料對(duì)于判斷颶風(fēng)暖心的位置精度高，可觀察到更多層次的細(xì)微變化，但暖心形狀極不規(guī)則，不便于面積估算。

3.3 對(duì)比各資料颶風(fēng)暖心附近溫度距平高度—緯度垂直剖面圖

圖6a中存在2個(gè)橢圓形暖心，分別在350 hPa和700 hPa，溫度距平值極大值分別為6℃和3.5℃。圖6b中的圓形暖心向上擴(kuò)展至對(duì)流層高層150 hPa，向下擴(kuò)展至700 hPa，溫度距平最大值可達(dá)到8℃左右。圖6c中暖心溫度距平最大值8℃出現(xiàn)在250 hPa附近，暖心正下方的溫度距平隨高度降低而減小，300 hPa至地面，暖心隨高度降低向南偏移。FNL再分析資料剖面圖更接近颶風(fēng)暖心剖面形態(tài)。ATMS衛(wèi)星反演資料有更高的空間分辨率，對(duì)暖心結(jié)構(gòu)有著細(xì)致的反映。

圖6 颶風(fēng)Edouard(2014)中心附近在57.7°W經(jīng)線上的溫度距平高度—緯度剖面圖，在31.3°N緯線上的溫度距平高度—經(jīng)度剖面圖

3.4 對(duì)比各資料中心附近溫度距平高度—經(jīng)度剖面圖

圖6d中存在2個(gè)暖中心，暖心隨高度降低而向東偏移；圖7e暖心溫度距平最大值出現(xiàn)在300～400 hPa。圖6f中暖心溫度距平隨高度降低而增加，暖心正下方的溫度距平隨高度降低而減小，但在暖心南側(cè)，600 hPa以下至地面中心溫度距平始終維持在5℃左右。且800 hPa附近暖心南部周?chē)h(huán)境溫度距平可達(dá)到-6℃左右。

4 總結(jié)與討論

對(duì)熱帶氣旋暖心結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，NASA HS3飛機(jī)下投式探空儀資料較準(zhǔn)確，但采樣機(jī)會(huì)有諸多限制[4]。對(duì)比溫度距平廓線圖可知：ATMS衛(wèi)星反演和FNL再分析資料較接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。為確定暖心最大值及高度層次，選FNL再分析資料更優(yōu)。

分析颶風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)，為確定暖心溫度距平隨高度變化趨勢(shì)，選取FNL再分析資料、ATMS衛(wèi)星反演資料更優(yōu)。為快速確定暖心，估算各層暖心面積，對(duì)精度要求低時(shí)可選取ERAInterim再分析資料；為確定各高度上暖心位置及最大距平，判斷暖心隨高度變化的偏移，應(yīng)選取FNL再分析資料；為詳細(xì)分析各高度溫度距平精細(xì)的水平剖面結(jié)構(gòu)，應(yīng)選取ATMS衛(wèi)星反演資料，深入研究時(shí)可2種資料結(jié)合訂正。ERA-Interim資料可估算暖心剖面面積。FNL再分析資料精度高，便于確定剖面圖中暖心經(jīng)度位置和高度及最大溫度距平。ATMS衛(wèi)星反演資料具有高空間和時(shí)間覆蓋率、增多的溫度探測(cè)掃描點(diǎn)和探測(cè)通道，可為資料同化提供更豐富的觀測(cè)信息。能揭示颶風(fēng)暖心垂直剖面結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)反演颶風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。

以颶風(fēng)Edourad為例，將4種不同資料所得颶風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，分析各資料的特點(diǎn)，所得結(jié)論有益于研究人員未來(lái)進(jìn)行熱帶氣旋內(nèi)部精細(xì)化結(jié)構(gòu)特征分析和預(yù)報(bào)研究。