1、反演台风海平面气压场与 NCEP 及报文资料的对比第 3O 卷第 1 期2008 年 2 月广东气象GuangdongMeteorologyVo1.3ONo.1February2008反演台风海平面气压场与 NCEP 及报文资料的对比张帆,赵继业(1.解放军理工大学气象学院,江苏南京 211101;2.91899 部队 4 分队,辽宁葫芦岛125001)摘要:利用 QuikSCAT 散射计获取的海面风场资料,借助 UWPBL 模式,对 2006 年3 个台风个例的海平面气压场进行了反演.通过将反演结果与 NCEP 海平面气压场及台风报文资料的 x,bg 分析,表明反演的台风海平面气压场准确性较
2、 NCEP 海平面气压场高,但与报文资料相比,中心气压明显偏高,因此这种利用散射计风场反演海平面气压的方法虽有一定的准确性,但精确度还有待提高.关键词:大气科学;反演台风海平面气压场;散射计风场中图分类号:P41 文献标识码:B 文章编号:10076190(2008)O1 0029 一 o4台风是对我国东南沿海地区影响最大的灾害性天气之一 l】.能否准确地对台风的强度和路径进行预报对防台风工作是至关重要的,准确的台风气压场形势则是能否对台风进行准确预报的基础.但是,对于海洋上的台风来说,由于海平面气压的实测资料十分缺乏,资料通常来自有限的岛屿上的气象观测站和海上浮标,因此无法直接根据气压观测资
3、料得到海洋上台风的海平面气压场形势.由于近几十年来散射计遥感的迅速发展,使用星载微波散射计已成为获取海面风场资料的一种最主要的方法.目前世界上最先进的微波散射计可以获得近全天时,全天候的海面风场数据,并且可以捕捉到全球海洋上大部分的热带气旋和强风暴.考虑到散射计风场资料的优越性.依据风场和气压场间的关系,国外一些学者提出了利用散射计风场反演海平面气压场的方法,比较成功地对海平面气压场进行了反演,其中就包括一些热带气旋和风暴的个例-2o3.这种反演气压场方法的出现,使获取台风海平面气压场形势变得比较容易.本文试图使用华盛顿大学的边界层模式(UWPBL 模式).利用 QuikSCAT 海面风场(搭
4、载在 QuikSCAT 卫星上的 Seawinds 散射计获取的海面风场,以下简称“QuikSCAT海面风场“),对 3 个台风个例的海平面气压场进行反演,以分析说明由散射计风场反演海平面气压场的效果和可行性.希望本项研究能为我国开展台风海平面气压场反演的研究提供一点参考和借鉴.1UWPBL 模式介绍UWPBL 模式对符合海洋下垫面特征的可变海面粗糙度,有组织大涡等因素均进行了参数化,并能够很好地利用散射计获取的海面风场资料,比较适合用来反演包括收稿 13 期:20071116基金项目:受国家自然科学基金(编号:40505024)资助作者简介:张帆(1978 年生),工程师,学士,在读硕士研究
5、生.海平面气压场在内的一些大气边界层要素.1.1 反演的基本原理海平面气压场的反演主要依据风场和气压场的关系.本文所使用的模式根据低纬地区和中纬度地区不同的特点,分别采取不同的模型,由不同的风场和气压场关系求得海平面气压场.在中纬度地区,以相似理论为依据,采取两层模型;在赤道及低纬地区,则使用混合层模型.将由这两个模型得到的 3 种气压梯度(分别在 1O.一60.N,10.一 60.S,20.S20.N 地区)依据权重函数结合起来,在至少给定一个气压观测值的情况下,利用最小二乘法,可得到海平面气压场的分布形势.1.2 中纬度地区的两层模型在中纬度地区,边界层可分为外层(Ekman 层)和内层(
6、近地面层 ).在外层,风廓线采取在经典的 Ekman 解的基础上,加入热成风和二级环流的校正后的形式:-COSO+cos(一 cos1(1a)一 sjna+sin(a 一,(1b)其中,(U,V),(U,V) 和(,)分别是高度上的风,热成风和二级环流的纬向和经向分量,G 表示地转风的大小.地面风 U 作为下边界条件,是边界层顶的地转风与地面风的夹角.是量纲一垂直坐标.在内层,风廓线可表示为:=fln()(),(2)其中,为近地层经过层结参数量纲一化后的垂直坐标.将内外两层的风廓线,在 h.(通过迭代的方法得到)高度上利用衔接条件进行衔接,可以得到两组关系式,对这两组关系式进行求解,可以确定
7、G 和 a.根据求得的地转风的大小,依据地转平衡关系,可求得气压梯度.广东气象第 30 卷1.3 混合层模型在赤道及低纬地区,科氏力减弱,而气流的垂直运动旺盛.由于中纬度两层模型中 Ekman 层动力假设不能正确反映边界层的动力过程,再加上缺少对夹卷过程的考虑,使得两层模型不再适用.因此,使用 Stenvens提出的一个混合层模型进行代替.Stevens 通过在边界层范围 h 内积分气压梯度力,科氏力和湍流摩擦力相平衡的方程得到:+尸:,(3)PolL其中,U=(U,V) 和 P 是总体型的风和气压场.由于夹卷作用在低纬地区非常重要,需要对其进行参数化,而风速廓线可通过使用经典的 RungeK
8、utta 方法积分得到.计算过程中,先给定气压梯度的一个猜测值,假定其在整个边界层为定值,得到一个风廓线.通过对廓线的积分得到总体型的风场,新气压梯度的估计值可通过总体型的力的平衡关系得到:=一(Ur-U)+,(4a)P=fv 一 toe(-V)+斋,(4b)2 数据和台风个例结果分析本文所使用的风场资料为搭载美国 QuikSCAT 极轨卫星上的 SeaWinds 散射计提供的海面风场,产品类型是HDF 格式的二级 B 类产品 ,分辨率为 25km.数据来源为美国喷气动力实验室的网站(http:/podaac.jp1.nasa.g0).用来与反演结果作比较的气压场资料为 NCEP 的1.X1.
9、全球格点再分析资料.台风中心气压的报文资料来自于 El 本气象局区域特殊气象中心网站(http:/www.jma.go.jp/)提供的数据 .台风个例选择 2006 年 04 号碧利斯,14 号摩羯和 19 号苏力,结合卫星扫描经过的区域,选择台风处于西北太平洋海域的某两个时次的两轨风场数据作为输入量,反演得到海平面气压,并进行了梯度风校正.将反演结果分别与 NCEP 再分析格点资料和台风报文资料进行了对比.2.1 与 NCEP 格点再分析资料的比较强热带风暴碧利斯在 2006 年夏季给我国东南沿海地区带来了强降水并引发了地质灾害,造成了巨大的经济损失和人员伤亡.图 1a 反演出 7 月 11
10、El21:1021:30 的气压场形势,图 1b 是 NCEP 资料在 12El00:00的气压场形势.可以看出,两图中台风的气压场形状比较接近,但模式反演出的气压场范围更大,其中图 1a 外围分别形成了闭合的 996hPa 等压线,最内层形成了闭合的988hPa 等压线,而图 1b 均没有.此外,模式反演的气压场等压线更密集,中心气压也较 NCEP 气压场更低,因此反演出的台风强度更强.图 l 反演的 2006 年 7 月 11 日 21:1021:30 碧利斯的气压场(a)和 NCEP 资料的l2 日 O0:00 气压场(b)图 2a 和图 2b 分别是反演的台风摩羯在 9 月 23 日1
11、9:15l9:30 的海平面气压场和同日 NCEP 的 l8:o0 气压场.由于台风并没有完全位于台风轨道刈幅中,因此反演出的台风气压场不完整.比较两张图可以发现:两图中台风气压场的位置比较接近,但形状不同.图 2a 中等压线明显较图 2b 密集,接近中心的位置出现了 988hPa等压线,而图 2b 中只形成了闭合的 1000hPa 等压线;另外两图中 1012hPa 等压线位置差别较大.通过分析还可以看出,与第一个个例相似,反演出的台风强度更强,中心气压也更低.第 1 期张帆等:反演台风海平面气压场与 NCEP 及报文资料的对比 31图 2 反演出的 2006 年 9 月 23 日 19:1
12、519:30 摩羯的气压场(a)和 NCEP 的18:00 气压场(b)图 3a 和图 3b 分别是 2006 年 10 月 13 日反演的 20:3220:50 台风苏力的气压场和 18:0o 的 NCEP 海平面气压场.与前两个个例比较相似,反演的气压场形势总体与NCEP 气压场相差不大 ,但模式反演的台风的强度更强.图 3 反演的 2006 年 lO 月 13 日 20:3220:50 苏力的气压场(a)和 NCEP 的 18:00气压场(b)2.2 与台风报文资料的比较在每个台风活动期间,选择 2d 的两轨不同时次的风场数据输入模式进行反演,将反演得到的台风中心气压和位置与 H 本网站
13、提供的数据进行比较,同时列出NCEP 资料的中心气压作为参考.由比较结果(表 1)可以看出:碧利斯的反演结果准确性较高,反演出的台风中心位置和气压都与报文相差不多,其中中心气压略微偏高;摩羯和苏力的中心气压反演结果偏高较多,但中心位置相差不大;表中个例反演出的台风中心气压都较 NCEP资料更低,更加接近报文.总体说来,利用海面风场反演的海平面气压场虽具有一定的准确性,但反演出的中心气压普遍偏高,有一定的误差,尤其是对于越强的台风这一现象越明显(如台风摩羯和苏力),而较弱的台风则准确性较高(如台风碧利斯).造成这一结果的原因主要是由于反演模式在低纬地区采取的混合层动力模型过于简单,而散射计所获取
14、的风场在大风速区准确性还不够高,也是导致误差的重要原因.由此可见,本文用来反演气压场的方法还不很成熟,有待进一步改进和完善.32 广东气象第 30 卷1)表中反演各台风气压场的各轨道风场数据时刻分别为: 碧利斯 071l 的 2O:4522:26 和 0712 的 O8:3ll0:12;摩羯 0919 的 0r7:O2 一O8:43 和 0923 的 l8:4520:26;苏力 1012 的 07:05-08:46 和 1013 的 20:0721:48;2)在所选用的卫星轨道刈幅区域内,反演出台风气压场形势由于所处位置的原因不够完整;3)用于比较的 NCEP 资料和报文资料的时次选择与反演时
15、次最接近的;4)气压偏差数据前的负号表示偏低.3 讨论反演 2006 年 3 个台风个例的海平面气压场.并与NCEP 的海平面气压场比较,以及与台风报文资料进行的对比表明:反演出的气压场形势与 NCEP 气压场在形状上略有差别,但较 NCEP 气压场水平气压梯度更大 ;台风中心位置与报文偏差不大;中心气压尽管与报文资料相比总体偏高较多(碧利斯除外),但比 NCEP 资料的气压更低.因而反演的准确度较 NCEP 更高.总的说来,模式反演的气压场具有一定的准确性,但仍有待提高.UWPBL 模式反演低纬天气系统的动力模型过于简单,再加上散射计风场在如台风中心这样的大风速区精确度本身就存在一定误差,是
16、导致反演误差的主要原因.改进低纬反演模型的动力机制,考虑更多海洋大气边界层中复杂因素的作用,是模式今后的改进的方向.参考文献:1邓松,刘雪峰 ,游大伟,等.广东省 19912005 年 5 种主要海洋灾害概况J.广东气象,2006,28(4):2029.2李菁,高安宁 ,吴毅杰.2006 年广西热带气旋灾害评估J.气象研究与应用,2007,28(1):45 48.3梁必骐.自然灾害的影响与防范J.广东气象,2007,29(3):3941.4何洁琳.两个造成大风影响的热带气旋特征分析J.广西气象,2006,27(1):lOl3.5毛绍荣.目前台风路径预报中若干疑难问题探讨J.广东气象,1998,
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