热带气旋卫星遥感客观定位方法研究进展
杨何群1, 杨引明2
【摘 要】摘要: 首次从云系形态识别、风场结构分析、云体温湿反演、时空运动匹配等4个崭新角度梳理归纳了热带气旋卫星遥感客观定位方法研究进展, 分别介绍此4类方法的实现原理与过程, 比较分析各种方法的优缺点与适用性。总结认为, 上述方法虽大多仍处于探索研究阶段, 但其优于传统人工目视判读定位法的诸多特点将使之成为发展应用的必然; 同时综合比较指出, 结合运动特征的混合智能算法将是热带气旋中心定位的未来方向; 此外建立集成多种资料和算法的热带气旋综合客观定位系统, 也有利于提高热带气旋中心定位的稳健性和准确率。
【期刊名称】热带海洋学报 【年(卷),期】2012(031)002 【总页数】13
【关键词】关键词: 热带气旋；客观定位；卫星遥感
热带气旋(Tropical Cyclone, TC)是生成于热带或副热带洋面上的强烈天气系统。在热带气旋的监测分析和预报工作中, 准确地确定其中心实时地理位置至关重要。热带气旋的移动对其初始位置极为敏感[1], 一个错误的或者不确切的初始位置, 常常导致天气学方法和数值预报方法对热带气旋路径的预报完全失败, 钮学新[2]即指出, TC的初始定位误差引起 24小时预报的距离误差平均可达 86.4km;此外, TC的精确位置也是 TC强度估计的重要参数[3]。众多的TC定位方法中, 古老的天气图分析定位法由于因人、因时而异使得误差较大而渐被舍弃,利用飞机、雷达测定热带气旋中心位置又受到多种条件和探测距离的限制, 只有卫星遥感成
为国内外确定热带气旋中心的业务手段[4-5], 它不仅可以观测到热带气旋的全貌, 还能展示精细的热带气旋结构及中心信息。
目前, 在美国最常见的卫星定位方法是 Dvorak(德沃夏克)方法[6], 它将 TC的不同发展阶段划分为若干云型, 对照描述 TC发展的云型特征分类处理,确定 TC中心位置。我国国家气象中心等业务部门则通常依赖预报员直接用光标在卫星云图上手工确定台风云系的中心位置, 然后再结合地面资料、雷达资料以及云图的增强显示、动画显示等手段进行定位校正[7]。虽然定位精度上有一定保证, 但是热带气旋定位的业务现状明显呈现出主观性大、自动化程度差的缺陷, 因此, 旨在提高 TC定位方法客观化、定量化、自动化程度的工作一直方兴未艾。例如上海中心气象台在20世纪80年代末期开始研发热带气旋卫星云图“四步定位法”, 通过模块化程序, 采用对数螺旋线拟合螺旋云带以及序列云图动画确定旋转中心, 求取最佳定位; 此后, 国内外众多学者以TC的形态、运动等特征为各个突破口, 以某些台风个例的多时次数据试验, 尝试、发展了大量客观及有一定自动化程度的 TC中心定位算法。但是, 由于热带气旋无论是形态还是运动方面都具有相当的复杂性, 目前国内外对于热带气旋中心的卫星遥感客观定位方法仍处于探索研究阶段, 实际业务运用的不多。
由于热带气旋的能量和特性主要取决于其中心,根据特性的不同, 可分为云眼中心、气压中心、涡度中心、风场中心、环流中心、温度中心、嵌匿中心等, 这些中心位置或重叠或不尽相同。许多学者利用卫星遥感主要是从提取上述中心位置出发进行热带气旋定位。本文从云系形态识别、风场结构分析、云体温湿反演、时空运动匹配等4个崭新角度梳理归纳了热带气旋卫星遥感客观定位方法研究进展, 总结了热带气旋中心自动定位算法的发展方向,并探讨了构建热带气
旋综合定位系统的必要性。
1 云系形态识别定位
1.1 热带气旋云系特征划分
热带气旋在卫星云图上表现为有组织的涡旋状云系, 和其他云系相比特征明显, 主要由眼区、中心密集云层、螺旋云带、外散环流4部分组成。然而热带气旋云系本身又是复杂多变的, 不同的发展阶段、不同的地理位置以及不同的形成原因, 其中心云区具有不同的结构和形状。
热带气旋云系形态特征对于热带气旋中心定位具有显著的意义, 已有的大多数定位方法都是从云系形态特征出发确定中心位置。根据热带气旋卫星遥感影像的形态特征, 参考Dvorak总结的热带气旋云型模板[6]以及许映龙等[5]根据台风眼雷达回波结构划分的7类台风标准, 作者基于2005—2008年西北太平洋和南海热带气旋活动期间近500景NOAA/AVHRR影像, 归纳出卫星遥感热带气旋云系种类如表 1所示, 在本文中旨在用此图表为云系形态识别定位法提供直观理解。
总的来说, 热带气旋云系可分为两大类: 有眼和无眼。有眼类热带气旋云系反映在卫星云图上,是在一片高亮度的云区核心存在一块特征明显的暗区, 即云眼。云眼通常产生于热带气旋成熟期, 具有圆形眼、同心双套圆眼、椭圆形眼、半圆环眼、不规则眼、破碎眼等形状。云眼通过肉眼虽清晰可辨,但气旋中心位置仍需仔细确定。无眼类热带气旋云系根据其形状和外围螺旋云带特征可分为螺旋性云系、非对称性云系和类圆性云系, 在卫星云图上分别表现为弯曲云带型、风切型、中心密闭云区CDO覆盖型, 呈现出基本环流旋卷度、主对流云团与中心切离度、中心密闭云区宽度等特征。无眼类热带气旋或是处于生成期或衰亡期,
热带气旋卫星遥感客观定位方法研究进展
