利用COSMIC资料对2006年8个台风结构的.ppt

1、利用COSMIC资料对2006年8个台风结构的 合成分析,丁金才1，2， Kuo Ying-hwa 1, Guo Yong-run 1, 郭鹏3 UCAR/COSMIC 上海市卫星遥感和测量应用中心 上海天文台 2007年11月,1. 前言, 台风是大家最关注的灾害性天气系统之一。极大多数台风生成和发展在海洋上，长期来由于洋面上气象观测料的缺乏，妨碍了对台风结构的详细深入研究。 从2006年9月开始，COSMIC无线电掩星（RO）探测资料能够提供海洋上的高垂直分辨率的温度和湿度的廓线资料，为详细深入研究台风的结构提供了一个有利条件。 本研究的目的是利用COSMIC掩星观测的资料来分析台风的热力

2、结构，尤其是近台风中心区域的热力结构。,2. COSMIC的简介： COSMIC (Constellation Observation System of Meteorology, Ionosphere and Climate) 是由我国台湾和美国联合研制的一个气象，电离层和气候的星座观测系统。由安置在6颗小卫星的GPS接收器组成，在2006年4月15日发射成功。1颗小卫星和24颗GPS卫星一天可发生500次掩星事件，6颗卫星在理论上一天可提供分布于全球的3000个掩星探测点的大气要素的廓线资料。,图1. GPS星座（24颗高轨）和COSMIC星座（6颗低轨）,图2.低轨卫星（LEO）和GPS

3、卫星的掩星过程 根据测量到的折射角反演出该高度的大气折射率，进而反演出大气的温度和湿度。一次掩星过程从60km到地面只需2分钟，获得最高垂直分辨率为4m的折射角资料，进而反演出折射率，温度，湿度等廓线资料。,COSMIC从2006年9月开始在网上发布每天平均分布于全球2000多个掩星探测的大气要素的廓线资料。可大大弥补常规探空资料的不足，尤其在海洋，高原，沙漠和两极地区。发布的资料有多种格式。下面分析利用的是 WetPrf 格式，它 提供了0-39 km的各海拔位势高度的温度（T）气压（P）水汽压（e）和折射率（R）,经纬度资料， 垂直分辨率为100m。共有400层资料。,图3. COSMIC

4、卫星组一天的掩星点分布图。 （绿点为掩星点， 红点为常规气象探空观测站点）,COSMIC的使用：实时业务使用，数值预报资料同化，天气研究1)在实时业务中的辅助作用,图4.增加实时探空点资料 2006年08号强台风（SAOMAI）在8月10日17时登陆浙江苍南前，COSMIC资料10日15时在台风登陆点附近有两个掩星点（119.16 oE, 28.33 oN）和（118.69 oE, 26.24 oN）。Tlogp图显示这两个点的整层水汽都非常充分，有利于台风登陆时形成暴雨。,图5. 修正大尺度天气系统（副高，槽脊）的分析 2007年月17日08时中央气象台预报13号强台风韦帕登陆后有一段向北的

5、路径（绿线），直冲上海。根据同时的前小时内的COSMIC探空点在500hPa的资料（红字），对MICAPS上的副高分析（蓝线）进行修正（黑线） ，发现台风东侧的副高明显南落，支持台风北上的预报，并可能北上路径更长一些。,实际路径,a. 模式预报路径（无COSMIC资料）,b. 模式预报路径（同化COSMIC 资料）,图. 2006/07/10/00Z WRF-3DVar的 06年Bilis 台风预报路径图。 Assimilation of 9 COSMIC soundings with 6-h cycling 。 可见OSMIC资料同化后的预报路径有改进。,）数值预报模式的资料变分同化。 ）用

6、于台风热力结构的研究：下面介绍的内容。, . 被分析的2006年西北太平洋8个台风的概况,3.1 台风路径 由于COSMIC资料的质量从2000年9月开始才有效，因此这里收集到的2000年9月后的发生在西北太平洋上的8个达到台风强度的台风作为合成分析的对象。 3个台风在25 oN 附近转向， 5个台风沿15 oN 附近西行。,图7. 2006年8个被分析的台风的路径图。,3.2 台风3个阶段和3个区间的定义,|stage 3 | stage 2 | stage 4 发展阶段 成熟阶段 减弱阶段 图8. 台风时期的3个阶段的划分 “Stage 1” 定义为整个从发展到减弱的台风时期,图9. 台风

7、范围3个区间的划分 Zone 1 近台风中心区间: 0.0 = 2.0 deg. Zone 2 台风环流区间: 2.0 = 5.0 deg. Zone 3 台风外围区间: 5.0 = 8.0 deg. 表示离台风中心的距离，单位为纬距 （约 110 km), 以s deg表示。 台风外围区间可视为台风背景场，以便和台风区域的结构特点比较。,4. COSMIC/ wetPrf 资料的收集和处理COSMIC的wetPrf格式资料 提供了0-39 km的各海拔位势高度的温度（T）气压（P）水汽压（e）和折射率（R）,掩星点的经纬度。 垂直分辨率为100m。共有400层资料。,COSMIC/wetPr

8、f资料收集的时间窗为台风中心位置报的时刻的前后3小时，1天4次， 如下表。 表1. COSMIC资料收集的时间范围 COSMIC/wetPrf资料收集的空间区域为上述划分的3个台风区域。 本研究的方法：利用这8个台风期间的COSMIC反演的各种廓线资料，分各区间各阶 段进行合成平均。以台风外围区间（zone 3)为台风的背景场，和近台风中心区 间（zone 1) 和台风环流区间（zone 2) 进行比较，分析台风内，重点是近中心 区间的平均的热力结构特点。,stage 1 stage 2 stage 3 stage 4 整个台风期间 成熟阶段 发展阶段 减弱阶段 图10. 8个台风期间收集到的

9、228个RO掩星点相对于台风中心的分布图 图中红点为RO掩星点，以极坐标点绘，园圈表示离台风中心距离，直线为方位角。,从图可见： RO 点在各个阶段和区域的分布基本是均匀的。 每个台风期间平均约有 28个 RO点落在台风区域内，保证了一定量的统计样本。 特别在近台风中心区域内也有几个RO探测点，为分析台风中心附近的热力结构提供了宝贵的资料。,zone 1 zone 2 zone 3 图 11. 成熟阶段3个区域中各高度层参与折射率平均的RO点的廓线图 图标上的lou表示台风区间的距离，stage 表示台风阶段，n为掩星点数目。 RO观测的折射率是最基本要素，其他要素是从折射率反演出来的，因此上

10、图各层参与要素平均的RO点的数量可反映出该要素平均值代表真实平均状态的可信度。 可见，大致在2km 以上的平均点数都可达到80%以上，具有较高的可信度。,根据RO观测和反演得到的折射率，气压，温度和水汽压廓线，又计算了露点，相对湿度，干位温和假相当位温等要素廓线。然后对各阶段个区域中的RO点的各要素廓线资料进行平均，用于对台风热力机构的平均特征的分析。,4. 各要素平均廓线的特征分析 4.1 温度 (t) 和露点 (td),stage 3 (发展阶段) stage 2 (成熟阶段) stage 4 (减弱阶段） 实线是温度廓线，虚线是露点廓线，红色表示台风区域1，兰色表示台风区域2，黑表示台风

11、区域3。,平均温度和露点廓线的主要特点： （1）在台风发展和成熟阶段期间，15 km以下台风3个区间的平均温度廓线几乎重合，说明整个台风区域内和背景场的温度差别很小。但到台风减弱阶段，台风区域内的温度和背景场的温度差异有所扩大，近中心区域的平均温度廓线可高出14 oC。 （2）值得注意的是在对流层顶（约16 17 km）的温度差异。 发展阶段：近中心区域的温度（红色线）最低，其他区域的温度（兰色和黑色）相同； 成熟阶段：台风环流区域的温度（兰色）最低，其次是近中心区的（红色），外围背 景场的温度（黑线）最高。 减弱阶段：外围区域的温度最低，台风环流区温度其次，近中心区温度最高。 对流层温度的高

12、低和整层的上升运动强弱有关，最强烈的上升运动区伴随的绝热降温的累积效果可导致对流层顶温度相对最低。因此，上述的现象可以反映出台风区域内的上升运动的最强处随着台风演变从近台风中心逐渐向外转移。 因此造成在对流层顶部，在台风发展阶段，气流从台风中心向外流，在减弱阶段。气流转为从外围区域向台风中心流入。这符合传统的台风结构的概念。 （3）平均露点廓线的区域和阶段差异比温度廓线大得多。 在台风发展和成熟阶段：2 8 km的高度内，台风内区间1和2的露点廓线基本重合，比外围背景场的露点高。 在减弱阶段：3个区间的露点都明显降低，露点廓线的斜率明显增大。而且近台风中心区间的露点降为最低。指示台风区域内的湿

13、度反而少于外围背景场。 这显示了在台风的演变过程中，湿度变化发挥的作用应 远大于温度变化的作用。,5.2 假相当位温 (se ) ：d se /d h 0, 稳定层结；= 0， 中性层结；,stage 3 (发展阶段) stage 2 (成熟阶段) stage 4 (减弱阶段） 实线是温度廓线，虚线是露点廓线，红色表示区域1，兰色表示区域2，黑表示区域3。,平均假相当位温 (se )廓线的特征,在8 km 以上的大气，在台风的各阶段和各区域， se 廓线差异很小，垂直递减率 都为正，即 dse/dh 0，表明8 km 以上台风区域内的大气层结结构和外围背景场区别很小，始终维持均匀的稳定层结的热

14、力结构。 但是，在8 km 以下的大气，台风的各阶段和各区域的se 廓线存在显著差异。 在发展阶段和成熟阶段： 在外围背景场：3 4km 以下是不稳定层结， se 的垂直递减率为 2.0 -13.8 oC/km. 在4km 以上是稳定层结。这种层结结构变化非常迅速。 在台风环流区间：在3 4km处大气热力结构从不稳定层结向稳定层结的变化也较快。 但在近台风中心区间：存在一段几公里厚的中性层结层。在发展阶段， 24 km 之间 se 的垂直递减率小于 0.26 oC/km, ；在成熟阶段，26 km 之间 se 的垂直递减率小于 0.42 oC/km, 即 dse /dh 0。和外围背景场的层结

15、结构比较，可看出近台风中心区间在26 km 之间大气存在强烈的对流活动，混合了背景场上下两层的稳定和不稳定的层结结构，导致了中间一层的中性层。由于在成熟阶段的中性层比发展阶段的厚2公里，因此，在成熟阶段的对流强度应大于发展阶段。 在台风减弱阶段：近台风中心区间的中性层消失，说明中低层的对流活动大大减弱，台风内的热力结构特征和外围背景场趋于一致。 （3） 在台风的发展和成熟阶段，各层的 se 从台风中心附近向外递减。到台风减弱阶段，台风中心附近的各层 se 明显大于其他区域的各层 se。,5.3 相对湿度 (RH),stage 3 (发展阶段) stage 2 (成熟阶段) stage 4 (减

16、弱阶段） 实线是温度廓线，虚线是露点廓线，红色表示区域1，兰色表示区域2，黑表示区域3。,平均相对湿度廓线的特征： 在10 km以下的大气: 在台风外围的背景场： 在整个台风期间，RH随高度线性递减，和基本大气状况相同。 在台风环流区间： RH 在各个阶段都是随高度基本也是递减的，但在台风的成熟阶段，在4 7 km有一层RH 不随高度变化的RH=70% 的相对高湿层。 在近台风中心区域： 在台风发展和成熟阶段： RH 随高度的高度的变化不是简单的线性递减，在 1 8 km， RH 保持在 90%左右, 接近饱和. 这也可能由于存在强烈的对流运动，把下层的水汽输送到8km 的高度。 在台风减弱阶

17、段， : 整层RH比前两个阶段明显减小，但在4 7 km有一层RH 不随高度变化的RH=70% 的相对高湿层。 在10 km以下的大气: 在 10 16 km, 各区域各阶段的RH随高度都保持不变。 在发展和成熟阶段： 在外围背景场，RH 维持在40 50 %之间； 在台风近中心和环流区间，RH维持在 50 60 % ，高于背景场10 %。 在减弱阶段，近中心区间的RH 趋于零，变得比其他区域都干。 在台风的发展和成熟阶段，10km以下的大气的RH从近台风中心区域向外递减；到减弱阶段， 各区域的RH 趋于接近。,6. 和 NCEP/GFS 资料的比较,从NCEP/GFS（全球预报系统）提供的一

18、天四次分析场的网格资料可得到与COSMIC/RO 相同位置上的温度和湿度的廓线资料。下面利用NCEP/GFS的廓线资料进行同样的分析，与上述COSMIC/RO资料的分析结果比较，以检验COSMIC/RO资料的使用价值。ature and,（1） 温度（T）和露点（Td）廓线分析结果的比较。,GPS,GFS,stage 3 (发展阶段) stage 2 (成熟阶段) stage 4 (减弱阶段） 实线是温度廓线，虚线是露点廓线，红色表示区域1，兰色表示区域2，黑表示区域3。 上图是COSMIC/RO资料，下图是NCEP/GFS资料。,比较结果,（1）与COSMIC/RO资料比较，两种资料分析的平

19、均温度和露点廓线的主要特征是相似的。但NCEP/GFS的廓线要光滑的多，许多COSMIC/RO资料廓线的细节变化在NCEP/GFS的廓线中都平滑掉了。 （2）最大的差别是NCEP/GFS资料显示在台风发展阶段的各区域对流层顶温度几乎相同，没有COSMIC/RO资料揭示的在台风近中心区域的温度最低。,(3) 假相当位温 se 分析结果的比较,GPS,GFS,stage 3 (发展阶段) stage 2 (成熟阶段) stage 4 (减弱阶段） 实线是温度廓线，虚线是露点廓线，红色表示区域1，兰色表示区域2，黑表示区域3。 上图是COSMIC/RO资料，下图是NCEP/GFS资料。,比较结果 （

20、1）两种资料反映 se 廓线的基本特征是一致的，但在近台风中心区间的成熟阶段，NCEP/GFS的se 廓线反映的中性层不如COSMIC资料反映的明显。 另外，COSMIC/RO资料的各层se 的值略大于NCEP/GFS资料的se 的值。 （2） NCEP/GFS资料的se 廓线的平滑程度比温度和露点廓线更明显。尤其是近台风中心区域的se 廓线。,(4) 相对湿度 RH 廓线的比较s,GPS,GFS,stage 3 (发展阶段) stage 2 (成熟阶段) stage 4 (减弱阶段） 实线是温度廓线，虚线是露点廓线，红色表示区域1，兰色表示区域2，黑表示区域3。 上图是COSMIC/RO资料，下图是NCEP/GFS资料。,比较结果,两种资料的RH分析结果存在较大差异： （1） NCEP/GFS分析得到的RH廓线只是在台风发展阶段，近台风中心区间在1 5 km 高度层保持RH=90 % 的近饱和层，其他阶