基于多源卫星数据的热带气旋强度与其内部中尺度对流的相互作用机制研究

准确预报热带气旋发展会减小它带给人类的灾害，热带气旋引起的暴雨灾害性天气是在大尺度环流形势下，由嵌入或伴随在热带气旋中的中尺度对流直接造成：掌握热带气旋系统强度与其内部中尺度对流的相互作用机制可以帮我们准确预测热带气旋强度变化和其内部对流云激发位置。本研究拟开展基于多源卫星观测数据的热带气旋与其内部中尺度对流的相互作用机制研究：首先对多源卫星观测数据进行非线性、差分等变换，提取热带气旋特征（结构、热力学、动力学）参数及其内部对流特征（辐射特征、形态学特征）参数，建立热带气旋和中尺度对流的立体时变模型；通过多源卫星观测数据融合，给出热带气旋水汽收支、中尺度云团水汽凝结和潜热释放之间不同水相态转换的能量平衡关系，提取能量交换参数，建立热带气旋与其内部中尺度对流的相互作用机制模型；通过野外观测实验数据验证并完善模型，提高对热带气旋与其内部中尺度对流相互作用过程的认识，进而提高热带气旋预报准确性。

嵌入在热带气旋内部的强对流，是热带气旋引发暴雨灾害天气的根本致灾原因，近年来热带气旋内部精细化结构的研究需求迫切但又鲜见研究，也是热带气旋暴雨落区预报准确率提高缓慢的重要原因，尤其对于热带气旋内部大尺度、中小尺度相互作用，单一资料观测所获得的结果片面且难以形成序列化和结论性成果。因此，对于生命史大部分时间在海上的热带气旋这一研究目标，基于多源卫星数据的实际观测，从热带气旋与其内部中小尺度对流之间的结构、强度、能量传输等方面的立体动态观测入手，揭示热带气旋强度与其内部中尺度对流之间的相互作用机制的研究，能够从更精细化、客观化的角度为热带气旋的强度以及致灾暴雨的监测预测提供理论依据。本项目在热带气旋强度与其内部中尺度对流相互作用方面开展了三个方面的研究：其一，建立了热带气旋及其内部强对流三维立体结构多类指征参数的提取算法，包括：热带气旋垂直暖心倾斜度指数FTC-VGP，云系结构对称度参数FTC-SD等，同时建立了基于卫星资料的热带气旋能量和水汽量的计算方法，包括潜热能量EL和对流层低、中、高层水汽量VPL、VPM和VPH等，并选取历史典型热带气旋个例进行了参数的敏感性分析；其二，发展了热带气旋强度与内部结构变化的三维立体时变模型。分别建立了热带气旋三维结构与强度时变模型，以及热带气旋内部强对流能量传输与其强度时变模型，定义了热带气旋内部对流的“连续爆发过程”和“间歇性爆发过程”，并分阶段地阐述了不同强度热带气旋三维结构变化，以及不同对流发展过程中，对流对热带气旋强度的影响和两者相互作用；其三，建立了热带气旋强度与其内部强对流相互作用可能的三方面机制，并开展了典型个例验证。结果发现：热带气旋强度不但取决于其内部中尺度对流的连续发展情况，同时也取决于其内部对流的分布以及两者存在一定的时间滞后关系。而热带气旋对于内部对流的反馈作用是通过热带气旋能量传输促进其发生发展的。上述结果和部分算法已经集成在卫星天气分析专业软件平台中，提高了预报员对于热带气旋与其内部中尺度对流相互作用过程的认识，提高了热带气旋定位定强以及暴雨影响落区预报的准确性。