使用Oceansat-2散射仪高分辨率风产品估算北印度洋热带气旋的大小外文翻译资料

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使用Oceansat-2散射仪高分辨率风产品估算北印度洋热带气旋的大小

摘要

热带气旋（TC）是最严重的天气灾害之一，特别是对沿海地区而言，因为它在登陆期间通过大风和暴雨造成巨大破坏。因此，准确预测热带气旋对于减少生命损失和财产损失至关重要。大多数旋风轨道预测模型需要热带气旋的大小作为重要参数以模拟涡旋。热带气旋影响区域的影响评估也需要热带气旋大小。在目前的工作中，使用来自oceansat-2散射仪的高分辨率地面风观测估算了北印度洋（NIO）中形成的热带气旋的大小。通过绘制直方图并计算相关性和平均绝对误差（MAE），将飓风的估计大小与联合台风警报中心（​​JTWC）提供的最外侧闭合等压线（ROCI）值的半径进行比较。OSCAT基于风的热带气旋尺寸估计与JTWC-ROCI值之间的相关性和MAE分别为0.69和33km。结果表明，OSCAT风估计的气旋大小与JTWC-ROCI非常吻合。分析了JTWC的ROCI值，研究了昼夜循环和强度阶段不同时期NIO中热带气旋大小的变化。

1引言

热带气旋（TC）是一种灾难性的自然灾害，对生命和财产产生巨大影响。及时预测这些系统的轨道和强度是非常值得关注的，大多数研究都集中在这些领域。由于现在可以进行卫星观测，可以在开阔的海洋上获得数据，这使得有可能持续监测成因和强化的气旋。数值模型中卫星输入的同化表明旋风预测的准确性有所提高。这些卫星观测的应用不仅限于数据同化;而且，高分辨率卫星数据被发现对分析热带气旋的内部结构非常有帮助。虽然很少有关于热带气旋结构分析的研究记录，但热带气旋研究的重点主要集中在旋风轨道和强度预测上。然而，旋风的内核结构非常重要，因为它决定了热带气旋的内部动力学，因此决定了对流和其他相关参数。这些参数的准确估计对于改善数值模型中旋风分离器的动力学非常重要，因此对这些系统的预测具有准确性。这些关于旋风生命周期不同阶段的卫星观测对于了解其内部结构非常有帮助。Kossin等人的一项研究。2007年展示了从地球静止卫星获得的TIR图像在估算飓风风结构时的应用，其中包括最大风半径（Rmax）和34,50和64节风的临界风半径。Rmax是旋风结构的一个非常关键的参数，并被用作预测旋风引起的风暴潮的输入。热带气旋的大小是另一个非常重要的结构参数，因为它在改变其运动方面具有显着效果。热带气旋的大小用作许多轨道预测模型中的输入。然而，关于热带气旋大小估计的研究很少。热带气旋研究的重点集中在旋风轨道和强度上，但风场的热带气旋尺寸往往决定潜在的热带气旋影响。过去对热带气旋风结构的研究（Weatherford和Gray 1988; Chan和Chan 2012）已经表明，了解热带气旋强度并不足以确定热带气旋的风场结构。热带气旋尺寸分析显示热带气旋的小尺寸性质接近赤道（Brunt 1969）和北太平洋东部（Knaff等人2​​007），小型台风发生在亚热带纬度（Arakawa 1952; Brand 1972; Harr等人）.1996）。不同盆地的气旋具有不同的尺寸，因此在登陆期间会产生不同的影响。类似的强度旋风器可能由于其不同的尺寸而具有不同的影响。很少有研究发现使用卫星观测试图估算旋风分离器的大小。这些研究仅限于北大西洋和太平洋海洋盆地。但是，没有研究过在NIO中形成的热带气旋的大小估计。因此，本研究试图使用散射仪衍生的高分辨率风产品来估计NIO中热带气旋的大小。

最外侧闭合等压线（ROCI）的半径用作热带气旋尺寸度量。这是因为ROCI与旋风的切向风速分布密切相关（Miller和Anthes 1985; Holland 1980），并且ROCI的运行估计通常可以从许多档案中获得。在文献中已经表明，随着热带气旋的增强，风和/或压力场的初始尺寸通常大致保持，这表明初始ROCI对于确定热带气旋的结构在以后很重要（Cocks和Gray 2002; Dean等人。2009; Chavas和Emanuel，2010; Lee等，2010）。

遥感技术的可用性，如地球静止红外（IR）卫星图像，特殊传感器微波成像仪（SSM / I）和高级微波探测单元（AMSU）允许一系列结构参数，包括最大风的半径（RMW）。来自早期欧洲遥感（ERS）散射仪（Quilfen等1998），美国国家航空航天局（NASA）散射仪（NSCAT; Polito等2001），快速散射仪（QuikSCAT）卫星的风速和风向（Hoffman等人，2003年）和欧洲气象卫星开发组织（EUMETSAT）的高级散射仪（ASCAT）已被研究人员用于估算热带气旋的大小，最大风半径的结构参数和临界风半径。

不同作者已经探索了不同卫星上的散射仪观测到的地面风观测，以分析热带气旋的风结构。对NASA散射仪（NSCAT）风进行了分析，以估算Scott等人的临界风半径和风暴大小。1998年，欧洲遥感卫星1和2（ERS-1和ERS-2）上的散射仪的风数据用于估算1991 - 1996年期间WNP（西北太平洋）和NA的热带气旋大小（Liu和Chan，1999）。使用Chan和Chan 2012的QuikSCAT数据计算了全球盆地热带气旋的大小和强度.Kimball和Mulekar（2004）用1988年至2002年的数据建立了北大西洋盆地多个热带气旋尺寸参数的气候学。最近研究，使用Chan和Chan 2014的QuikSCAT数据以及Knaff等人的CIRAIR和HURSAT数据，形成了热带气旋大小的全球气候学。

由于QuikSCAT（快速散射计卫星）卫星导风的更宽幅度和更高水平分辨率的可用性，Chan和Yip（2003）对热带气旋尺寸的年际变化进行了初步调查（4年数据，1999-2002）。他们发现厄尔尼诺现象的热带气旋尺寸往往因其形成位置而变大。Chavas和Emanuel（2010）使用QuikSCAT数据（1999-2008）进一步研究了热带气旋大小的全球气候学，其定义为消失风的半径。在热带气旋尺寸维护方面，Lee等人（2010）发现，在基于QuikSCAT数据（2000-2005）的WNP强化期间，在其生命期内强化为台风强度的热带气旋倾向于保持相同的大小（定义为R15）类别。过去在西北太平洋和北大西洋盆地进行的热带气旋结构研究大多使用了不同的热带气旋大小定义，主要基于ROCI和/或R15和R17的混合物。Merrill（1984），Chan和Chan（2012）以及Lee等人的研究。（2010年）是迄今为止最全面的研究之一。Merrill（1984）使用ROCI作为尺寸度量1957-1977（大西洋）和1961-1969（西北太平洋），Chan和Chan（2012）以及Lee等人。（2010）分别使用了1999-2009和2000-2005的QuikSCAT地面风速估算。由于开放海洋上的数据稀缺，在卫星衍生风的可用性之前，很少有关于这两个参数的研究。

在目前的工作中，探索了Oceansat-2卫星（OSCAT）上的散射仪观测到的风力数据，以估算2010年至2013年期间在NIO中形成的旋风的大小。

2使用的数据

2.1散射仪数据

Oceansat-2遥感卫星由印度空间研究组织（ISRO）于2009年9月23日发射，该卫星携带Ku波段散射仪（OSCAT）。OSCAT于2014年2月停止运行。该有效载荷的主要目标是检索全球海洋区域上的近地表风向量。散射仪系统有一个1米抛物面碟形天线和一个N. Jaiswal等人。双馈组件产生两个笔形射束，并以20.5转/分的速度扫描以覆盖整个条带。内梁的入射角为48.90°，外梁在地面上的入射角为57.60°。它覆盖了内部光束1400 km的连续条带和外部光束的1840 km。对于发射和接收模式，内光束和外光束分别配置为水平和垂直偏振。OSCAT观测到的风力数据经过后处理，有三种分辨率：（i）50 km的分辨率（ISRO / NRSC和KNMI / OSI SAF），（ii）25 km的分辨率（NOAA / NESDIS），以及（iii）12.5公里的分辨率（JPL / PODAAC）。

在这项研究中，使用了在喷气推进实验室（JPL）后处理的OSCAT数据，QuikSCAT项目。该数据集由版本2级2B科学质量海洋表面风向量检索组成。检索以12.5km像素分辨率在条带内的非均匀网格上提供。该分辨率通过切片复合技术实现，其中来自L1B数据的高分辨率切片测量被合成到12.5km的风矢量单元中。

2.2最佳跟踪数据

2010 - 2013年期间在NIO中形成的热带气旋的最佳跟踪数据来自联合台风警报中心（​​JTWC）。最佳轨道数据包括热带气旋的六小时位置，Vmax，Rmax，ROCI和临界风半径值。旋风位置可作为识别覆盖系统的条带和在卫星通过时估算热带气旋中心的指南。ROCI值已用于验证使用OSCAT数据估计的大小。然后，这些ROCI值进一步用于研究NIO w.r.t中热带气旋大小的变化。热带气旋的日变化和不同强化阶段。

在2010-2013期间，NIO中有14个命名的旋风。这些系统的摘要已在表1中给出。这些旋风分离器在NIO的不同地理位置发生了不同的类别。2010年至2013年期间在孟加拉湾（BoB）和NIO的阿拉伯海地区形成的这些气旋的轨迹如图1所示。可以看出，在14个系统中，有3个系统形成于阿拉伯海和其他11个系统在BoB中形成。BoB地区的OSCAT数据已经过分析，估计了热带气旋的规模。

表1 2010 - 2013年期间在NIO中形成的热带气旋摘要

其中cx和cy表示OSCAT传递时经度和纬度方向上的旋风位置。JTWC时间jt和OSCAT时间之间的时间差小于6小时。

图1 2010 - 2013年期间形成的热带气旋的轨迹

3方法

3.1数据选择

Oceansat-2是一颗极轨卫星，条带长1840公里，重复性为2天。它的条带可能不会一直覆盖整个旋风的循环。已经在分析中选择了满足以下标准的OSCAT通过。

1. 在OSCAT通过期间，热带气旋的最大风速（mws）必须ge;34海里（热带风暴类别）。
2. 热带气旋中心必须由条带覆盖。
3. 至少50％的热带气旋循环被条带覆盖。
4. 方位角平均风速曲线必须达到15 ms-1。

3.2 热带气旋中心确定

JTWC以6小时的间隔提供热带气旋的最佳跟踪位置。OSCAT通过旋风中心的时间可能与JTWC位置不一致。因此，OSCAT通过期间的热带气旋中心已经通过计算旋风器的平移速度来确定。使用表达式1（a）和1（b）分别使用六小时最佳轨道位置计算旋风分离器在纬度和经度方向上的平移速度。

其中xjt和yjt表示时间jt处旋风器的JTWC最佳轨迹经度和纬度位置;ujt和vjt表示时间jt的经度和纬度方向的速度。

从旋风最佳轨迹获得旋风器在6小时间隔内的最近时间的位置。使用以下表达式分别使用OSCAT通过与最佳跟踪记录之间的时间差和纬度和经度方向上的旋风平移速度来计算纬度和经度方向上的实际位置。

3.3数据预处理

选定的旋风分离器全部或部分覆盖的OSCAT数据在旋风中心周围以201times;201的均匀网格重新调整，网格间隔为0.15°纬度times;0.15°经度。热带气旋中心周围的网格区域大小为201times;201，包括旋风15°径向范围内的风，足以估算旋风风结构。使用反距离方法执行数据重新定位。在该方法中，通过计算观察点到网格点的距离并将权重指定为距离的倒数来执行加权平均插值。

3.4使用涡度方法

确定热带气旋尺寸热带气旋围绕其中心旋转，并且具有正面近似涡度的区域，大小在100到1000km之间（Liu and Chan 1999; Ahrens 1998）。局部涡度值可以通过四个[2times;2]相邻散射仪矢量定义的每个网格单元中心的风观测来计算，通过确定每个框周围的循环，然后除以该区域（Sharp et al.2002）。在数学上，涡度可以表示为：

涡度也可以用循环表示，定义如下：

使用斯托克定理，涡度可表示为每单位面积的循环：

在本研究中，通过计算以网格点为中心的半径为1.0°的圆周围的循环并将其除以等式中给出的圆的面积来估计每个网格点处的涡度。5.通过上述方法获得的相对涡度的值以1times;10 -5 s -1的间隔轮廓化。然后将热带气旋的大小定义为中心与1times;10-5 s -1轮廓之间的平均距离（在由5°的方位角分隔的点上）。根据OSCAT风计算的最大相对涡度的位置来修正热带气旋的位置。

4结果与讨论

本节讨论了2010 - 2013年期间OSCAT高分辨率风数据估算热带气旋尺寸的结果。在2010-2013期间，在NIO的孟加拉湾地区共形成了14个名为飓风的旋风。在上述期间处理数据后，发现55次OSCAT通过，覆盖了80％以上的风力结构旋风。对于所有这55个案例，使用如上所述的基于涡度的方法估计旋风分离器的大小。将获得的值与JTWC给出的ROCI值进行比较。图2显示了几个旋风分离器上OSCAT的高分辨率风速产物上覆盖的涡度轮廓。只有一个案例表明9个强烈的旋风将限制手稿的大小。在图2中已经针对每种情况提及了ROCI的值和通过本方法确定的尺寸。可以看出，对于每个单独的情况，值是可比较的。

图2涡度轮廓重叠在风速（m / s）上，热带气旋尺寸值由涡度方法使用OSCAT数据确定，ROCI由JTWC确定为NIO

由涡度法确定的尺寸与JTWC给出的ROCI值之间的散点图已经在图3中示出。可以看出，ROCI的值和由OSCAT风数据确定的尺寸是一致的。两者之间的相关性为0.69。还计算了所有55个案例的平均绝对误差，发现

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