应用amsu在台风预报之分析

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1、应用A M S U 在台风预报之分析 周鉴本王光华 ( 台北市公园路6 4 号) 摘要 A d V I S U ( A d v a n c e dM i c r o w a v eS o u n d i n gU n i t ) 数据在推算台风参数是很有效的数据，因为 A M S U 有比过去更高的分辨率并且是可以穿透云层的观测。应用A M S U 反演得到的温度场经由 非线性静力平衡方群式可以求得三维的旋转风场。由O m e g a 方程可以求得辐散风向量。O m e g a 方程中的非绝热项可以A M S U 的雨量估计中得到。在边界层摩擦力引起的辐合则以参数化表示。 在这研究中，我们建立

2、了以A M S U 数据来分析台风的温度及风场结构。在许多的案例中，A M S U 的观测成功的掌握到台风结构。利用M M 5 数值模式加入A M S U 反演得到的风场数据可以看到 A M S U 数据在改进预报的潜力。 1 前言 由于A M S U 具有穿透云层的能力及比较高的分辨率，所以已经被运用在热带风暴的研究中。 许多热带风暴发展的位置多是位于没有传统探空数据的区域。R o s e n k r a n z 等( 1 9 7 8 ) 发现使用微 波观测可以了解刮风中心的温度距平值( T e m p e r a t u r ea n o m a l i e s ) 。K i d d e

3、r 等( 1 9 7 8 ，1 9 8 0 ) 指山 温度距平与台风中心气压及台风四周的地面风有关。台风中心气压或强度可以用亮度温度和 M S U ( M i c r o w a v eS o u n d i n gU n i t ) 反演的2 5 0 h P a 温度考估计得到( V e n l d e n 等1 9 9 1 ) 。G r o d y 等 ( 1 9 8 2 ) 提出5 0 0 h P a 的风和微波亮度温度梯度的关系。K i d d e r 等( 2 0 0 0 ) 使用A M S U 数据分析 热带气旋。切线风( t a n g e n t i a lw i n d )

4、是反演的温度场的高度及半径的函数。由A M S U 反演的对 称性温度场及梯度风可以应用在热带气旋结构和环境垂直风切的关系。K n a f f 等( 2 0 0 4 ) 证明风 切的增加会导致涡度的浅化。Z h u 等( 2 0 0 2 ) 建立了一个方法来应用A M S U 数据反演台风的三 维温度和风场结构，并且适当的加入数值模式中估算导出涡旋环流。上述学者证明了A M S U 数 据是值得应用在数值预报上的。在这研究中，我们引用并修改Z h u 在2 0 0 2 年的论文，来分析台 风结构并且将反演结果的数据加入模式对台风进行预报试验。 2 模式与数据 本研究使用Z h u 等( 2 0

5、 0 2 ) 的处理过程中的统计法由A M S U 求得温度场。在静力平衡假设 条件下，可以由垂直积分得到各层的高度值。由此导出的高度场，经静力平衡方程可以求得气流 函数。风的旋转分量可以由气流函数得到。这部份本研究使用Z h u ( 2 0 0 2 ) 的架构，但是使用 K i d d e r ( 2 0 0 0 ) 的假设条件也就是在5 0 h P a 的高度是均一的( 与环境场的高度是一样的) 。若5 0 l ( P a 的高度场已知。由静力方程向下积分，再由反演的温度可以求得各层的高度。用预设的地面温度 条件下可以求得9 2 0 k P a 的高度后，地面气压就可以算出来。5 0 k

6、P a 的高度可以由环境场数据( 台 风以外的地区) 求得，箕地面气压的值则由数值预报的预报场取得。当地面的气压和温度为已知 时就可以经静力平衡方程向上积分到5 0 好a 得到高度值。 在Z h u ( 2 0 0 2 ) 的方法中计算辐散风非常类似T a t b d l 等( 1 9 8 1 ) 的方法；也就是解O m e g a 方程及连续方程。在O m e g a 方程中，潜热的垂直分布与降水率有关。降水率可以由G r o d y 等( 2 0 0 0 ) 的A M S U 数据反演方法中取得。地面边界层所需的地面应力由整体气动曳力公式得到( S m i t h ， 1 8 3 2 0

7、0 2 ) 。 本研究中使用的资料是收集2 0 0 4 - 2 0 0 5 年经过台湾附近地区的资料。所选择的数据限定在卫 星观测路径涵盖整个台风范围。A M S U 频道6 1 1 用来及演温度剖面，频道1 及2 用来估算云中 液态水含量及降水量。 3 结果 3 1 台风的结构分析 第一个案例是台风M e a d ( 2 0 0 4 ) 在9 月2 9 日0 4 5 7 U T C 通过日本。图l ，2 显示了反演的8 5 0 及2 5 0 k P a 的温度距平及风场数据，使用第2 节所使用的方法。明显的8 5 0 k P a 的台风环流中心与 2 5 0 k P a 并不符合，其中心随高

8、度稍偏向东北方，意味着偏北方在低层有冷空气切入台风。在高 层( 2 5 0 k P a ) 并受到冷空气的影响不大不大，所以环流中心与温度距平的中心仍然相当的吻合。 在图1 所显示的8 5 0 k P a 环流也同样呈现在9 5 0 - 5 0 0 k P a 的气压场。一般可言台风环流是北对称性 的。偏南的涡度比偏北的强。低层的冷空气影响到台风低层的热力对称结构。这也可能降低台风 的移动速度，且使台风偏向较暖的方向移动。 下一个案例是2 0 0 4 年的敏都利( M m d u l l e ) 台风在6 月2 9 日0 5 4 1 U T C 在菲律宾附近的热 带海域上发展并且缓慢的向西移动

9、。图3 所显示的8 5 0 k P a 温度距平利风场都比图1 的均匀而对 称。图4 显示了这个台风垂直剖面的切线风分布情形。台风结构在每一层都显示很好的结构。台 风的强度( 即由最大切线速度所得到的) 从地面一直到对流层顶并没有明显的变化。由A M S U 所导出的台风结构显示这个台风是个进入成熟阶段的台风。由图4 和图5 的垂直剖面分析切线风 来比较，发现有些相似也有些不同。台风半径即台风中心到最大风速的距离在由A M S U 所估算 的结果显然比较小，如图4 。而在分析场中风速随高度的增加呈迅速减小。相反的在A M S U 导 出的风速在对流层高处还有显示有强风区。 图6 显示同一个台风

10、在5 0 0 k P a 的结构，时间在稍晚的6 月2 9 日1 8 1 2 U r C 。台风的封闭环 流仍然明显，但是形状己经由圆形转变为椭圆形，而且从低对流层直到4 0 0 k P a 都是呈现相同情 形。为什么台风环流在1 2 小时内结构变成椭圆形则有待进一步探讨。 3 2 预报的探讨案例 本研究采用美国宾州大学国家大气研究中心所发展的第5 代数值模式做为台风数值预报模 式( M M 5 ) ，模式中加入了台风附近由A M S U 所得到的3 维温度场及环流大气数据。其它初始 场数据则引用气象局区域模式的预报场数据。水平网格数据密度是4 5 x 4 5 公里，垂直分辨率分为 2 4 层

11、。本研究中模拟闵都利台风分别以6 月2 9 日0 6 0 0 U T C 及6 月3 0 日1 8 0 0 U r C 为初始资料，配 合6 月2 9 日0 5 4 1 U T C 的A M S U 及6 月3 0 日1 8 0 1 m 的A M S U 所得到的温度及环流数据。图 7 显示了最佳路径分析及模式的仿真结果。以6 月2 9 日0 6 0 0 U I 为初始场的开始模拟，如图7 中的蓝线，起先向西然后向东北方走。7 月1 日起预报结果与观测的路径有明显的偏差。至于从 6 月3 0 日1 8 0 0 u 1 开始的模拟( 图7 中绿色线) 则抓住了台风登陆的路径。虽然预报与登陆 后路

12、径仍然有偏差，但是这项初步结果己经足以令人鼓舞使用A M S U 参数在台风的预报工作 I - 。 图1M A E R I 台风在2 0 0 4 年9 月2 9 日0 4 5 7 U T C 所反演得到的8 5 0 k P a 温度距平及水平风 ( 实线是台风的移动路线由西南向泰北移动。图底标示是最大风向量0 1 7 8 E + 0 2 m s ) 图2 与图1 相同，但是是2 5 0 k P a 气压场的情形，最大风场向量是0 2 0 1 E 0 2 m s 图3 与图1 相同，是台风M I B D U L L E ( 2 0 0 4 ) 在6 月2 9 日0 5 4 1 U T C 的情形

13、 ( 台风由东向西移动。所显示的是8 5 0 k P a 结构。最大风场向量是0 3 8 0 E + 0 2 m s ) T 趣- n u nT i 耐f h 一， 图4 与图3 相同时间的垂直剖面切线风结构分布图。 h n g e v f ：n l “ l l i m t I | m ，- 】 图5 与图4 相同，是由气象局分析场所绘出来的风场剖面图 图6 与图3 相同，是1 2 小时后6 月2 9 日1 8 1 2 U T C 的资料。最大风场是0 2 3 7 E + 2 _d羞)日五 图7 台风M I N D U L L E ( 2 0 0 4 ) 的路径图 ( 红色线是最佳路径，绿色线

14、是6 月3 0 日1 8 0 0 U T C 初始数据加上A M S U 数据所预报的路径a 蓝色线是6 月2 9 日0 6 0 0 U T C 为初始场所预报的路径) 4 结语 本研究中使用A M S U 数据反演好几个台风的数据。A M S U 导出的台风结构与分析场数据相 比初步已经得到令人鼓舞的结果。本研究说明了A M S U 数据应用在描述台风的3 维温度及风场 结构上是有相当的潜力。因为A M S U 提供了极佳的观测能力及涵盖范围，可以观测到传统地面 仪器无法观测的洋面上，因此是相当有发展性的数据。H a r t ( 2 0 0 3 ) 指出A M S U 数据也可以估 计台风的

15、热力及动力参数，可以有效的定义台风的发展阶段。 在这研究中我们假设在5 0 k P a 的高度是常数且从5 0 k P a 用静力方程向下积分以获得各气压层 的高度，这个方法比由地面向上积分简单许多，而且地面状况是相当的复杂而不均匀难以判定。 由上往下积分只要精确计算积分开始的高层大气的状态。为了改善在高层使用于A M S U 数据反 演技术，可以考虑使用更佳精确度的A I R S ( A t m o s p h e r i cI n f r a r e dS o u n d e r ) 数据，因为在高层并 没有云层遮的问题，云都在更低的位置，A I R S 就更适合而且分辨率更好，这是本研究

16、未来值得 继续研究探讨的方向。 致谢：作者要感谢美国马里兰大学P r o f e s s o rD a - L i nZ h a n g 极珍贵的指导与协助及D r N G r o d y 在降雨估计上的协助。 参考文献 1 H a r t , R E ，2 0 0 3 ：Ac y c l o n ep h a s es p a c ed e r i v e df r o mt h e r m a lw i n da n dt h e r m a la s y m m e t r y M o n W e a R e v ，1 3 1 ，5 8 5 - 6 1 6 2 3 4 5 1 2 1 3 G r o d y , N ，EW e n ga n d 、MCS h e n ，1 9 8 2 ：O b s e r v a t i o no fh u n i c a n eD a v i d ( 1 9 7 9 ) u s i n gt h e M i c r o w a v eS o u n d i n gU n i t