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从 QuikSCAT 数据中推断出热带气旋的大小和强度

KELVIN T. F. CHAN AND JOHNNY C. L. CHAN

摘要

1999年至2009年之间的北太平洋西部热带气旋(TCs)的规模和强度的综合统计气候学(WNP);包括南海和北大西洋;包括墨西哥湾和加勒比海)是基于快速散射计( QuikSCAT )数据构建的。定义一个TC的大小和强度分别为海面风(R17)的方位角平均半径为17m s-1，距TC中心18 - 2.58纬半径范围内的方位角平均切向风(外心风强度OCS)。

西北太平洋的平均纬度为2.138米，强度为19.6米，南纬为1.838米，强度为18.7米。强度与尺寸的相关性较强(rasymp;0.9)，强度与尺寸或强度的相关性较弱。从季节上看，夏季中期(7月)和季末(10月)的热带气旋活动在西北太平洋沿岸显著增加，而9月的平均热带气旋活动则最大。

大尺寸或高强度的TCs的百分比频率也随季节和空间的变化而变化。此外,WNP上TC的大小和强度的年际变化与TC的生命周期和WNP上El Nino的影响有显著的关联。热带气旋的寿命和副热带高压脊的季节性活动是影响热带气旋大小和强度的潜在因素。

1. 介绍

在所有运作的热带气旋(TC)的预测中，以最大持续风力(MSWs)或最低海平面气压(MSLP)表示的强度，以及TC的轨迹，总是被预测为TC中心附近潜在风力破坏的估计值。由于它们在预测中的重要性，过去许多研究人员和预测人员都试图确定导致TC强度和跟踪变化的物理过程(参见Chan和Kepert 2010)。然而，由于TC的动态结构类似于Rankine涡旋，单靠MSW或MSLP无法对TC结构进行独特的描述。在最大风半径(RMW)之外，不同的TCs中，切向风随半径增大的衰减速率随时间而变化。因此，提出了另外两个参数—尺寸和强度—来更完整地描述TC的动力结构(Merrill 1984)。

最外层封闭等压线(ROCI)的平均半径和地表风(R15或R17)的15或17米s21的平均半径是TC大小的两种常用定义。Frank和Gray(1980)合成了关于r15的rawinsonde数据，他们发现r15存在变异，但与MSLP几乎没有关系。Merrill(1984)发现ROCI随着季节和区域的变化而变化，并且与TC强度的相关性也很弱。Merrill(1984)将TC强度定义为气旋环流中的平均风速(例如从RMW到热带辐合风的区域)。Weatherfordand Gray (1988a,b)进一步将TC中心内1°- 2.°纬度半径内的平均切向风速定义为外-核风强(OCS)。他们使用飞机侦察数据来估计OCS，发现具有相似MSWs的TCs的OCS值可能非常不同。

由于公海数据的缺乏，在拥有卫星获得的风数据之前很少对这两个参数进行研究。Liu和Chan(1999)利用欧洲研究卫星es-1和-2 (ERS-1和-2)的卫星获得的海面风资料，研究了西北太平洋(WNP)和北大西洋(NA)上空的TC大小，并获得了与Merrill(1984)类似的结果。快速散射仪( QuikSCAT )卫星风具有更宽的条带和更高的水平分辨率，这使得Chan和Yip(2003)能够对TC尺寸的年际变化进行初步研究(4年的数据，1999-2002)。在El Nino年他们发现，因为他们的形成位置TC 更倾向于大尺寸。哈瓦斯和伊曼纽尔(2010)利用 QuikSCAT 的数据(1999-2008)进一步研究了TC大小的全球气候学，TC的定义是风消失的半径。在TC大小维持方面，Lee等(2010)基于 QuikSCAT 数据(2000-05)发现，在WNP过程中，在其生存期内增强为台风强度的TCs在增强过程中往往保持相同的大小(定义为R15)类别。

随着 QuikSCAT 海洋表面风的数据的积累(直到2009年其消亡)，可以提取出更大的TCs样本。因此，本研究的主要目的是在WNP(包括南海)和NA(包括加勒比海和墨西哥湾)上建立一个更全面的TC大小和TCs强度的气候学。将出现在第三节,质量检查后 QuikSCAT 数据和基于相似的TC大小定义(R15或R17),本研究的样本量WNP和NA是最大的相比之下,所有先前的研究基于遥感技术,这样获得的气候学应该更完善。

在前人研究的基础上，本研究选择R17作为TC大小的定义。尽管Chavas和Emanuel(2010)也研究了 QuikSCAT 的数据，但是他们对TC大小的定义使得与以前的研究进行比较变得困难。此外，拥有11年的数据,更可能对TC尺寸的年际变化和它与El Nino之间的关系做出有力的检验。此外，通过与以往研究结果的比较(Merrill 1984;1999年;金伯尔和穆勒卡尔2004;Yuan等，2007;，可以对TC大小可能的年代际变化进行一些估计。

TC强度的定义遵循Weatherford和Gray(1988a,b)的定义，即OCS。强度在这项研究中被检验，因为它可能为我们提供一个额外的重要测量(除了强度和大小)如何分布的外核风。还应该指出的是，通过对文献的彻底搜索，只有Weatherford和Gray (1988a,b)的研究将重点放在TC强度上。因此，这项研究应该提供一些额外的见解，说明TC的强度在描述TC的动力结构方面有多么重要和有用，以及尺寸和强度之间是如何关联的。

第2节描述了本研究中使用的数据集。第3节介绍了TCs的数据选择方法、参数定义和分类。第四节为大小与强度的关系，第五节为两个盆地的气候学及不同方面大小的比较。最后，第6节以总结和讨论结束。

2. 数据

a．散射仪数据

海风微波散射计于1999年6月在QuikBird卫星上发射，并于2009年11月结束任务。此后，这整套仪器被称为 QuikSCAT 。 QuikSCAT 将微波脉冲(一个连续的长条带为1800公里)发射到地表，然后接收到与地表粗糙度相关的反向散射功率，而地表粗糙度与水面近地表风速和风向高度相关。因此，在海面10米高度的风速和风向都可以估计。

在本研究中，使用了遥感系统(RSS)数据库中后处理的0.258经纬度网格化 QuikSCAT 数据。这些数据由RSS提供，并由美国国家航空航天局海洋矢量风科学小组赞助。数据可在网上(www.remss)获得。com)。RSS对来自喷气推进实验室的 QuikSCAT L2A数据进行后处理，该实验室在2006年使用Ku-2001地球物理模型函数对数据进行重新处理，并通过与数值天气预报(NWP)模型的首次猜测场的比较，通过质量检验，使数据基本上可以接受。20米s21以下的无雨 QuikSCAT 风与浮标结果非常吻合(Ebuchi et al. 2002)。利用极为有限的验证数据，在无雨条件下，从20米到40米s21大致验证在10米s21范围内。众所周知，降雨影响 QuikSCAT ，并导致高估的低风或低估的大风时，大雨的存在。在风速小于15米s21的热带气旋中，有雨存在时的基卡风往往被高估为地面风、地面风和信号散射风。当暴雨减弱雷达信号时，20-30米s21以上TCs内的 QuikSCAT 风往往低于实际风暴速度(Atlas et al. 2001;Stiles和Yueh 2002;Brennanetal.2009)。因此，数据的筛选是非常重要的，这将在第3节中详细讨论。

基卡卫星1999年7月至2009年11月的数据，是界定热带气旋规模和强度的主要数据。这些参数的详细定义将在第3c和3d节中给出。

b.最佳历史数据集

6小时的最佳历史数据(包括TC中心位置,垃圾,MSLP, ROCI,和一生的TCs至少有热带风暴强度在1999年7月和2009年11月在WNP和NA提取和评估联合台风警报中心(JTWC)和美国国家飓风中心(NHC)网站(http://www.usno.navy.mil/JTWC和http://www。分别为nhc.noaa.gov)。在本研究中，这些最佳跟踪数据中提供的MSW主要用作TC的强度。

c.geos - 5数据

因为不是所有的ROCIs JTWC和国家飓风中心在研究期间内,以及它们之间的方法定义ROCI是不同的(参见图6),海平面气压(SLP)数据从戈达德地球观测系统模型版本5 (geos - 5)数据库(http://goldsmr2.sci.gsfc.nasa.gov/国防部/ MAT1NXSLV.info)在WNP和NC上的TCs至少有热带风暴强度提取估计ROCI。使用地球系统建模框架集成的geos -5系统模型。该数据集的纬度、经度和时间分辨率分别为0.58(经度)、0.6678(经度)和小时。基于GEOS-5数据定义ROCI的方法将在第3e节中介绍。需要强调的是，GEOS-5 ROCIs用于提供额外的参考，但在本研究中没有用于定义TC的大小。

d.NCEP-NCAR再分析数据

中层气候学(500 hPa)天气流是由6小时的国家环境预测中心-国家大气研究中心(NCEP-NCAR)再分析数据(Kalnay et al. 1996)生成的，该数据具有2.58纬度3 2.58经度的全球网格分辨率，其中包含17个压力级别的气象参数，如纬向和经向风。这些分辨率应足以研究副热带高压脊等大型天气系统。

e.ENSO指数

El Nino-Southern振荡(ENSO)指数从国家海洋和大气管理局(NOAA)的气候预测中心网站被用来进一步调查与ENSO的关系尺寸和强度的年际变化。3个月running-average海表面温度(SST)异常Nino - 3.4地区(58°N-58°S, 120°E - 170°W),以1971 - 2000年为基础气候学,用作ENSO指数在这个研究。

3.方法

a.选择 QuikSCAT 数据的标准

由于 QuikSCAT 是一颗极轨道卫星，它的轨道可能无法覆盖某一特定时刻某一TC的整个环流。此外，为了尽量减少噪音和不确定性，只使用符合下列所有准则的数据:

(i) TC (TS)必须在热带风暴强度或以上城市固体垃圾(s21 17美元),(2)TC中心必须覆盖的范围,(3)TC中心之间的距离和范围的边缘必须.18纬度(iv) 超过50%的TC被覆盖(v) TC不应该有不连续风,(vi)方位平均风速资料必须达到17米s21以上过滤后所有雨标数据(见部分3 c),(vii) R17不接近任何陆地块，(viii)经雨水标记的数据不包括在内。

经过严格的质量检验，本研究的样本量是以往所有基于遥感技术和类似TC大小定义(R15或R17)的研究中最大的。虽然这些标准中有些可能是主观的，但是这种方法最大限度地减少了在估计尺寸和强度时出现较大误差的可能性。

b. TC中心估计

由于降雨标记的数据在大多数情况下被发现，而且一些TCs仅被部分区域所覆盖，因此通过计算最大相对涡度来估计TC中心位置有时会很困难。因此，为简便起见，采用线性插值方法，利用最佳跟踪数据，根据基卡斯卡斯塔夫轨迹在TC上的时间，估计TC中心。如果发现内插的TC中心与 QuikSCAT TC中心偏离0.18纬度，则排除这种情况(总计1%)。虽然中心用这种方法估计的数据可能与风的数据不一致，但这样的偏差应该被认为是可以接受的。

c. TC大小的估计

在本研究中，TC的大小定义为地表大风平均径向范围(17 m s-1;R17), 类似于Chan和Yip(2003)的方法。通过对各0.258个纬向环带(第一个环带为0.1258asymp;r，第一个环带为0.3758纬度辐射区)内的风进行平均，得到距中心0.258 ~ 6.258纬度之间的方位角平均风，间隔为0.258纬度。使用方位平均值的目的是为了消除与TC运动相关的大部分不对称(Shea和Gray 1973)。为确保每个环带内的平均方位角风能够得到一个合理的值，我们还设置了以下准则。如果没有满足以下任一条准则，则会设置为缺失值:

（i）每个环带内可用(不标雨)数据点个数必须为。5个，不考虑风向。

（ii）每个环带中可用数据点占总数据点的比例必须为0.5。

d. TC强度估算

RMW离TC中心的距离小于一个纬度，和雨标 QuikSCAT 数据的质量在TC眼壁附近的可用性也不太合适用来估计TC强度RMW之间平均风速和R17(1984年美林)。本研究强度的定义遵循Weatherford and Gray (1988a,b)提出的强度定义，即OCS，即距离TC中心1°- 2.5°个纬度半径范围内的平均切向表面风速。这种强度的定义基本上消除了基克斯卡塔特的大部分雨水污染。使用该定义还可以直接比较本研究和他们的研究结果。同样，因为且先锋yu和总风速 y的值相似，所以可以使用(2)估计OCS的范围。应该强调的是，这里定义的强度不是TC强度(MSW和MSLP)的度量，而是衡量外核TC循环的强度。假设满足特定情况的R17有效的先决条件。

e. GEOS-5 ROCI的估计

使用GEOS-5数据定义ROCI的方法类似于Merrill(1984)。假设R17是有效的，那么GEOS-5的SLP数据以2-hPa等高线间隔绘制。GEOS-5 ROCI则定义为TC中心到最高值封闭等压线的北、东、南、西距离的平均值。如果最外层封闭的等压线被强烈拉长或扭曲，则使用下一个较低值的等压线。这在某种程度上可能是主观的。但是，这种办法确保考虑到过渡时期的主要流通。

f.大小和强度的分类

由于没有绝对的定义分类TC的规模和实力,大小(小或大)的分类和力量(

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