基于多源卫星数据台风快速增强的热力学特征及机制分析

Tropical cyclone (TC) intensity prediction, especially forecasting of its rapid intensification (RI), is currently an operational challenge. This is mainly because we lack in-situ observation data over the ocean and do not well understand the complicated physical mechanisms associated with TC intensity change. Recent advances in satellite remote sensing observation and retrieval techniques provide an opportunity to further understand the mechanisms of TC intensity change. Most previous studies were focus on its dynamical mechanisms while studies on thermodynamic mechanisms were limited, therefore in this project we will concentrate upon thermodynamic characteristics over western North Pacific (WNP). Several most updated satellite data sets are proposed to use, including TRMM latent heating profile, AIRS profiles of air temperature and humidity (including cloud top temperature), and GSSTF and IFREMER high-resolution air-sea sensible and latent heat fluxes. By using composite analysis and case studies, we will be focus on horizontal and vertical distributions and their evolutive characteristics of such thermodynamic factors, and attempt to find the thermodynamic factors such as the formation of warm-core structure over key regions or at key altitudes associated with or preceding to TC RI over WNP, in order to further understand thermodynamic mechanisms of TC RI over WNP.

热带气旋（TC）强度预报，特别是其快速增强预报是当今业务预报的一大难题。这主要是由于海洋上实地观测资料比较缺乏，我们对TC强度变化伴随的复杂物理机制的认识还不够深入。近年来随着卫星遥感观测和反演技术的进步，为我们深入了解西北太平洋TC快速增强的机制提供了契机。以往的研究多注重TC强度变化的动力学机制，然而基于卫星资料的热力学机制研究有限，因此本研究将着眼于西北太平洋TC强度变化的热力学性质，拟使用TRMM潜热释放垂直廓线、AIRS温湿度垂直廓线（包括云顶温度）、GSSTF和IFREMER高分辨率海气界面感热和潜热通量等最新版本的卫星观测数据，利用合成分析和个例分析相结合的方法，重点研究这些热力学因子在西北太平洋TC快速增强过程中的水平、垂直分布及演变特征，试图找出伴随或预示着TC快速增强的关键区域或层次的热力学特征如暖心结构的形成等，以加深我们对西北太平洋TC快速增强热力学机制的了解。

热带气旋（TC）强度预报，特别是其快速增强（RI）预报是当今业务预报的一大难题。这主要是由于海洋上实地观测资料比较缺乏，我们对TC强度变化伴随的复杂物理机制的认识还不够深入。近年来卫星观测和反演技术的进步，为我们深入了解台风 RI的机制提供了契机。以往的研究多注重TC强度变化的动力学机制，然而基于卫星资料的热力学机制研究有限。本项目着眼于台风强度变化的热力学特征，使用TRMM 3B42降雨、TRMM微波成像仪总可降水量（TPW）、AIRS温度廓线、IFREMER高分辨率海气感热、潜热通量和海面蒸发等卫星观测资料，利用合成分析方法，研究了台风强度变化过程中的暖心结构、水汽收支、海气热通量等特征，取得如下重要结果：1）RI台风比非RI台风具有显著增大的海气感热和潜热通量，分别由更高的海气间温度差异（DT）和比湿差异（DQ）主导，而更高的DT和DQ都是由更高的海表温度（SST）导致，因此SST是决定RI台风能量供给的重要因子，其中潜热通量比感热通量贡献更大。2）海表蒸发在台风RI中扮演重要角色；相对于非RI台风，RI台风具有的高蒸发量主要受高SST支配。主要由海表蒸发提供水汽的台风外围环境TPW对台风RI也很重要，大的TPW可减少干空气入侵，有利于台风RI。海表蒸发和TPW可使台风边界层增温增湿，从而增大对流有效位能，有利于台风RI。减弱阶段的台风具有最大降雨量，是由于其最大平均强度促进了水汽通量辐合。3）台风强度与暖心强度呈显著正相关，且与暖心高度呈稍弱但统计显著的正相关。台风未来24 h强度变化与暖心高度无相关，但与暖心强度呈显著负相关。较弱至中等的对流层中高层暖心是台风RI的一个必要非充分条件。4）用台风过境前两天卫星反演的海表至100米深度的平均海温计算的海洋耦合潜在强度指数（OC_PI）可改进决策树模型对台风RI和非RI的分类，因为OC_PI可降低基于SST的传统最大潜在强度对非RI台风强度的高估。以上研究成果既加深了我们对RI台风热力学机制的认识，也为台风强度业务预报提供了一定的理论参考。