颶風Edouard（2014）暖心結構的多資料對比分析

袁鈺容，羅 昱，劉 帆，戴 青

湖南省常德市氣象局，湖南常德 415000

0 引言

位于大西洋或北太平洋區域，風力大于12級的強大而深厚的熱帶氣旋被稱為颶風。熱帶氣旋的主要特征之一，就是具有暖心結構[1]。在整個熱帶氣旋的生命史中，暖心結構不斷地發生變化，且與熱帶氣旋強度和風雨落區變化密切相關[2]。研究熱帶氣旋的暖心結構對熱帶氣旋的生成、發展及運動路徑、強度的預報具有非常重要的意義。

此處的溫度距平是以反演的溫度廓線插值為格點溫度，然后將各層格點溫度與周圍環境平均溫度作差。選用2014年的典型颶風Edouard為個例，使用多資料計算其溫度距平，定量提取颶風暖心結構。將下投式探空儀實測資料與多資料所得圖樣進行對比分析。

1 數據的選用與處理

圖1a是讀取颶風軌跡數據后，所得大西洋洋面上颶風Edouard（2014）的運動路徑圖，其中黑框所包含區域即為研究所選區域，具體的經緯度范圍 為55°～60°W，28°～32°N。圖1b是ATMS的3個數據的空間分布圖。

圖1 （a）颶風Edouard（2014）的運動路徑；（b）在30°～65°W，27°～37°N區域內NPP ATMS極軌衛星反演數據三維空間場分布；（c）28°～36°N，54°～62°W區域內的颶風Edouard（2014）的風暴中心運動路徑及該范圍內5個探空站點分布

此處的溫度距平是以反演的溫度廓線插值為格點溫度，然后將各層格點溫度與周圍環境平均溫度作差。選用2014年的典型颶風Edouard為個例，使用多資料計算其溫度距平，定量提取颶風暖心結構。將下投式探空儀實測資料與多資料所得圖樣對比分析。

ATMS極軌衛星反演數據有一個極軌衛星對應的軌道上的三維空間場分布，需要填充一個區域。例如，圖1b中黑框所包含區域，該區域經緯度范圍也就是55°～60°W，28°～32°N。而16:19:03、16:19:35、16:20:07是 指 要 拼接的3個數據的起始時間。圖1c是颶風Edouard在選中區域黑框范圍內的移動路徑。該區域內的五個探空站點及其經緯度位置為：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 颶風暖心附近溫度距平的計算方法

處理飛機下投式探空儀數據時，飛機探空僅僅得到5條溫度廓線。其中1條在風暴中心，另外4條在外圍。在各高度層上，用中心廓線上的值減去另外4條廓線的平均值，得到各高度上的溫度距平，從而得到颶風的溫度距平廓線。

對于ERA-Interim再分析資料、FNL再分析資料和NPP ATMS衛星反演資料的溫度距平廓線，從三維空間格點場中分別找出與5條實際探空廓線水平距離最近的5個水平格點所對應的垂直廓線。相同的，在各高度層上，用中心廓線的值減去另外4條廓線上的平均值，得到颶風各高度上的溫度距平，從而得到這3種資料的溫度距平廓線[3]。

3 多資料的對比分析

3.1 對比各資料的中心附近溫度距平廓線圖

圖2a溫度距平隨高度降低而增大，最大值12.5℃，出現在350 hPa；在350～550 hPa之間緩慢減小；在550 hPa以下減小速率增快。圖2b的200～300 hPa高度上，溫度距平快速增大至5℃，第一個極大值出現在350 hPa。圖2c溫度距平從對流層頂到300 hPa快速增大至8.1℃；在400～850 hPa間隨高度降低而減小。圖2d溫度距平值隨高度降低快速增大，在250 hPa達最大值8.5℃；250 hPa高度至地面，溫度距平隨高度降低而減小，速率表現為先快后慢。

圖2 各資料所得颶風Edouard（2014）中心附近的溫度距平廓線

如圖2a，實測對流層頂中心溫度距平接近6℃，圖2d最接近。從對流層頂至350 hPa，有溫度距平隨高度降低而減小的趨勢，圖2c、圖2d趨勢相符但最大值偏小；圖2d的最大溫度距平高度為250 hPa，偏高。圖2a中350 hPa至地面的溫度距平呈下降趨勢，其中，350～500 hPa和700～850 hPa之間距平隨高度降低基本不變或有弱的回升，該特征僅在圖2c中有所體現。綜上，圖2c最接近實際溫度距平隨高度變化趨勢，繪制颶風中心溫度距平廓線圖優先選擇FNL再分析資料，但需訂正最大溫度距平值。

3.2 對比各資料的各個高度層次上中心附近溫度距平平面圖

3.2.1 ERA-Interim再分析資料颶風暖心附近各高度層上溫度距平的平面圖 如圖3，所選區域內颶風Edouard中心溫度距平在350 hPa最大，接近6℃，且暖心面積在150～350 hPa，隨高度降低而增加，400 hPa以下隨高度降低而減小。同時，各高度層次上颶風暖心并不完全重合，350 hPa以上，隨高度降低暖心向西南偏移，350～400 hPa之間，隨高度降低暖心向東北偏移。等溫度距平帶距平值自內向外降低，形狀規則，呈邊緣平滑的圓環狀，能快速確定颶風暖心位置，估算暖心面積。

圖3 ERA-Interim再分析資料在颶風Edouard中心附近各高度上的溫度距平平面圖

3.2.2 FNL再分析資料的颶風暖心附近各高度層上溫度距平的平面圖如圖4，150～300 hPa之間，颶風中心溫度距平隨高度降低而增大。350 hPa上的溫度距平約為8℃。300 hPa以上，隨高度降低暖心向東南傾斜，而300～400 hPa之間無傾斜。各高度層上，等溫度距平帶距平值自內向外降低，為不規則多邊形，邊緣多折角。FNL再分析資料雖然不便估算暖心面積，但變化直觀。

圖4 FNL再分析資料颶風Edouard中心附近各高度上溫度距平的平面圖

3.2.3 NPP ATMS再分析資料颶風暖心附近各高度層上溫度距平的平面圖如圖5，在146 hPa中心溫度距平為8℃，在184～292 hPa之間，中心溫度距平明顯增大，中心溫度距平隨高度的降低而增加至最大；337～845 hPa隨高度降低溫度距平逐漸減小；在337 hPa以下颶風中心有多個溫度距平極大值中心，且暖心東南側有明顯弧形溫度距平高值帶，其與暖心并不連續。故ATMS衛星反演資料對于判斷颶風暖心的位置精度高，可觀察到更多層次的細微變化，但暖心形狀極不規則，不便于面積估算。

3.3 對比各資料颶風暖心附近溫度距平高度—緯度垂直剖面圖

圖6a中存在2個橢圓形暖心，分別在350 hPa和700 hPa，溫度距平值極大值分別為6℃和3.5℃。圖6b中的圓形暖心向上擴展至對流層高層150 hPa，向下擴展至700 hPa，溫度距平最大值可達到8℃左右。圖6c中暖心溫度距平最大值8℃出現在250 hPa附近，暖心正下方的溫度距平隨高度降低而減小，300 hPa至地面，暖心隨高度降低向南偏移。FNL再分析資料剖面圖更接近颶風暖心剖面形態。ATMS衛星反演資料有更高的空間分辨率，對暖心結構有著細致的反映。

圖6 颶風Edouard(2014)中心附近在57.7°W經線上的溫度距平高度—緯度剖面圖，在31.3°N緯線上的溫度距平高度—經度剖面圖

3.4 對比各資料中心附近溫度距平高度—經度剖面圖

圖6d中存在2個暖中心，暖心隨高度降低而向東偏移；圖7e暖心溫度距平最大值出現在300～400 hPa。圖6f中暖心溫度距平隨高度降低而增加，暖心正下方的溫度距平隨高度降低而減小，但在暖心南側，600 hPa以下至地面中心溫度距平始終維持在5℃左右。且800 hPa附近暖心南部周圍環境溫度距平可達到-6℃左右。

4 總結與討論

對熱帶氣旋暖心結構進行研究時，NASA HS3飛機下投式探空儀資料較準確，但采樣機會有諸多限制[4]。對比溫度距平廓線圖可知：ATMS衛星反演和FNL再分析資料較接近實測數據。為確定暖心最大值及高度層次，選FNL再分析資料更優。

分析颶風結構時，為確定暖心溫度距平隨高度變化趨勢，選取FNL再分析資料、ATMS衛星反演資料更優。為快速確定暖心，估算各層暖心面積，對精度要求低時可選取ERAInterim再分析資料；為確定各高度上暖心位置及最大距平，判斷暖心隨高度變化的偏移，應選取FNL再分析資料；為詳細分析各高度溫度距平精細的水平剖面結構，應選取ATMS衛星反演資料，深入研究時可2種資料結合訂正。ERA-Interim資料可估算暖心剖面面積。FNL再分析資料精度高，便于確定剖面圖中暖心經度位置和高度及最大溫度距平。ATMS衛星反演資料具有高空間和時間覆蓋率、增多的溫度探測掃描點和探測通道，可為資料同化提供更豐富的觀測信息。能揭示颶風暖心垂直剖面結構，實時反演颶風暖心結構和強度。

以颶風Edourad為例，將4種不同資料所得颶風暖心結構進行對比，分析各資料的特點，所得結論有益于研究人員未來進行熱帶氣旋內部精細化結構特征分析和預報研究。