飓风Edouard(2014)暖心结构的多资料对比分析

2022-10-01 08:25袁钰容
农业灾害研究 2022年8期
关键词:暖心反演飓风

袁钰容,罗 昱,刘 帆,戴 青

湖南省常德市气象局,湖南常德 415000

0 引言

位于大西洋或北太平洋区域,风力大于12级的强大而深厚的热带气旋被称为飓风。热带气旋的主要特征之一,就是具有暖心结构[1]。在整个热带气旋的生命史中,暖心结构不断地发生变化,且与热带气旋强度和风雨落区变化密切相关[2]。研究热带气旋的暖心结构对热带气旋的生成、发展及运动路径、强度的预报具有非常重要的意义。

此处的温度距平是以反演的温度廓线插值为格点温度,然后将各层格点温度与周围环境平均温度作差。选用2014年的典型飓风Edouard为个例,使用多资料计算其温度距平,定量提取飓风暖心结构。将下投式探空仪实测资料与多资料所得图样进行对比分析。

1 数据的选用与处理

图1a是读取飓风轨迹数据后,所得大西洋洋面上飓风Edouard(2014)的运动路径图,其中黑框所包含区域即为研究所选区域,具体的经纬度范围 为55°~60°W,28°~32°N。图1b是ATMS的3个数据的空间分布图。

图1 (a)飓风Edouard(2014)的运动路径;(b)在30°~65°W,27°~37°N区域内NPP ATMS极轨卫星反演数据三维空间场分布;(c)28°~36°N,54°~62°W区域内的飓风Edouard(2014)的风暴中心运动路径及该范围内5个探空站点分布

此处的温度距平是以反演的温度廓线插值为格点温度,然后将各层格点温度与周围环境平均温度作差。选用2014年的典型飓风Edouard为个例,使用多资料计算其温度距平,定量提取飓风暖心结构。将下投式探空仪实测资料与多资料所得图样对比分析。

ATMS极轨卫星反演数据有一个极轨卫星对应的轨道上的三维空间场分布,需要填充一个区域。例如,图1b中黑框所包含区域,该区域经纬度范围也就是55°~60°W,28°~32°N。而16:19:03、16:19:35、16:20:07是 指 要 拼接的3个数据的起始时间。图1c是飓风Edouard在选中区域黑框范围内的移动路径。该区域内的五个探空站点及其经纬度位置为: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 飓风暖心附近温度距平的计算方法

处理飞机下投式探空仪数据时,飞机探空仅仅得到5条温度廓线。其中1条在风暴中心,另外4条在外围。在各高度层上,用中心廓线上的值减去另外4条廓线的平均值,得到各高度上的温度距平,从而得到飓风的温度距平廓线。

对于ERA-Interim再分析资料、FNL再分析资料和NPP ATMS卫星反演资料的温度距平廓线,从三维空间格点场中分别找出与5条实际探空廓线水平距离最近的5个水平格点所对应的垂直廓线。相同的,在各高度层上,用中心廓线的值减去另外4条廓线上的平均值,得到飓风各高度上的温度距平,从而得到这3种资料的温度距平廓线[3]。

3 多资料的对比分析

3.1 对比各资料的中心附近温度距平廓线图

图2a温度距平随高度降低而增大,最大值12.5℃,出现在350 hPa;在350~550 hPa之间缓慢减小;在550 hPa以下减小速率增快。图2b的200~300 hPa高度上,温度距平快速增大至5℃,第一个极大值出现在350 hPa。图2c温度距平从对流层顶到300 hPa快速增大至8.1℃;在400~850 hPa间随高度降低而减小。图2d温度距平值随高度降低快速增大,在250 hPa达最大值8.5℃;250 hPa高度至地面,温度距平随高度降低而减小,速率表现为先快后慢。

图2 各资料所得飓风Edouard(2014)中心附近的温度距平廓线

如图2a,实测对流层顶中心温度距平接近6℃,图2d最接近。从对流层顶至350 hPa,有温度距平随高度降低而减小的趋势,图2c、图2d趋势相符但最大值偏小;图2d的最大温度距平高度为250 hPa,偏高。图2a中350 hPa至地面的温度距平呈下降趋势,其中,350~500 hPa和700~850 hPa之间距平随高度降低基本不变或有弱的回升,该特征仅在图2c中有所体现。综上,图2c最接近实际温度距平随高度变化趋势,绘制飓风中心温度距平廓线图优先选择FNL再分析资料,但需订正最大温度距平值。

3.2 对比各资料的各个高度层次上中心附近温度距平平面图

3.2.1 ERA-Interim再分析资料飓风暖心附近各高度层上温度距平的平面图 如图3,所选区域内飓风Edouard中心温度距平在350 hPa最大,接近6℃,且暖心面积在150~350 hPa,随高度降低而增加,400 hPa以下随高度降低而减小。同时,各高度层次上飓风暖心并不完全重合,350 hPa以上,随高度降低暖心向西南偏移,350~400 hPa之间,随高度降低暖心向东北偏移。等温度距平带距平值自内向外降低,形状规则,呈边缘平滑的圆环状,能快速确定飓风暖心位置,估算暖心面积。

图3 ERA-Interim再分析资料在飓风Edouard中心附近各高度上的温度距平平面图

3.2.2 FNL再分析资料的飓风暖心附近各高度层上温度距平的平面图如图4,150~300 hPa之间,飓风中心温度距平随高度降低而增大。350 hPa上的温度距平约为8℃。300 hPa以上,随高度降低暖心向东南倾斜,而300~400 hPa之间无倾斜。各高度层上,等温度距平带距平值自内向外降低,为不规则多边形,边缘多折角。FNL再分析资料虽然不便估算暖心面积,但变化直观。

图4 FNL再分析资料飓风Edouard中心附近各高度上温度距平的平面图

3.2.3 NPP ATMS再分析资料飓风暖心附近各高度层上温度距平的平面图如图5,在146 hPa中心温度距平为8℃,在184~292 hPa之间,中心温度距平明显增大,中心温度距平随高度的降低而增加至最大;337~845 hPa随高度降低温度距平逐渐减小;在337 hPa以下飓风中心有多个温度距平极大值中心,且暖心东南侧有明显弧形温度距平高值带,其与暖心并不连续。故ATMS卫星反演资料对于判断飓风暖心的位置精度高,可观察到更多层次的细微变化,但暖心形状极不规则,不便于面积估算。

3.3 对比各资料飓风暖心附近温度距平高度—纬度垂直剖面图

图6a中存在2个椭圆形暖心,分别在350 hPa和700 hPa,温度距平值极大值分别为6℃和3.5℃。图6b中的圆形暖心向上扩展至对流层高层150 hPa,向下扩展至700 hPa,温度距平最大值可达到8℃左右。图6c中暖心温度距平最大值8℃出现在250 hPa附近,暖心正下方的温度距平随高度降低而减小,300 hPa至地面,暖心随高度降低向南偏移。FNL再分析资料剖面图更接近飓风暖心剖面形态。ATMS卫星反演资料有更高的空间分辨率,对暖心结构有着细致的反映。

图6 飓风Edouard(2014)中心附近在57.7°W经线上的温度距平高度—纬度剖面图,在31.3°N纬线上的温度距平高度—经度剖面图

3.4 对比各资料中心附近温度距平高度—经度剖面图

图6d中存在2个暖中心,暖心随高度降低而向东偏移;图7e暖心温度距平最大值出现在300~400 hPa。图6f中暖心温度距平随高度降低而增加,暖心正下方的温度距平随高度降低而减小,但在暖心南侧,600 hPa以下至地面中心温度距平始终维持在5℃左右。且800 hPa附近暖心南部周围环境温度距平可达到-6℃左右。

4 总结与讨论

对热带气旋暖心结构进行研究时,NASA HS3飞机下投式探空仪资料较准确,但采样机会有诸多限制[4]。对比温度距平廓线图可知:ATMS卫星反演和FNL再分析资料较接近实测数据。为确定暖心最大值及高度层次,选FNL再分析资料更优。

分析飓风结构时,为确定暖心温度距平随高度变化趋势,选取FNL再分析资料、ATMS卫星反演资料更优。为快速确定暖心,估算各层暖心面积,对精度要求低时可选取ERAInterim再分析资料;为确定各高度上暖心位置及最大距平,判断暖心随高度变化的偏移,应选取FNL再分析资料;为详细分析各高度温度距平精细的水平剖面结构,应选取ATMS卫星反演资料,深入研究时可2种资料结合订正。ERA-Interim资料可估算暖心剖面面积。FNL再分析资料精度高,便于确定剖面图中暖心经度位置和高度及最大温度距平。ATMS卫星反演资料具有高空间和时间覆盖率、增多的温度探测扫描点和探测通道,可为资料同化提供更丰富的观测信息。能揭示飓风暖心垂直剖面结构,实时反演飓风暖心结构和强度。

以飓风Edourad为例,将4种不同资料所得飓风暖心结构进行对比,分析各资料的特点,所得结论有益于研究人员未来进行热带气旋内部精细化结构特征分析和预报研究。

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