基于星载SAR的热带气旋内核精细结构特征分析及对强度变化影响机制研究

The internal dynamic processes are small in horizontal scales, which is an important factor causing tropical cyclone intensity variability. As numerical weather prediction models have improved in their ability to predict the large-scale atmospheric environment, the tropical cyclone track errors from operational forecast centers have steadily declined. However, there has been little to no improvement in the prediction of TC intensity, due to less understanding of the internal dynamical processes. It is shown that while there exists a reasonable understanding of these internal processes in idealized frameworks, there still remains a large gap in our understanding of these processes in the real atmosphere. With the advantages of high spatial resolution, relatively large spatial coverage and capability of imaging the imprint of hurricanes on the ocean surface under almost all-weather, day-and–night conditions, the spaceborne Synthetic Aperture Radar (SAR) are suitable for real TC internal dynamic processes monitoring. In this project, we propose to decompose the real TC surface wind structure retrieved from SAR observation to idealized framework and the turbulence, to statistically analyze the relationship between the internal dynamical processes and intensity variability, and to further study the possible mechanisms. This study will be helpful for the TC intensity physical dynamic understanding and provides more reliable monitoring for the TC forecast.

热带气旋水平尺度结构的内核动力过程，是影响强度变化的主要因素之一。随着大气数值模式以及数值同化技术等的进步，热带气旋的路径预报得以大幅度提升；但是强度变化的预报水平仍然徘徊不前，其中一个重要原因是对热带气旋内部结构和动力过程的不甚了解。目前对内核动力过程的认识仍然停留在基于理想涡旋框架假设的分析，与真实大气中热带气旋的变化有很大差距。星载合成孔径雷达具有全天时、宽刈幅、高分辨率、不受天气影响等优点，适合真实热带气旋内核精细结构的监测。本项目拟利用大量星载合成孔径雷达热带气旋观测数据，反演海表面风场，与外场试验资料进行相互校验，分解热带气旋的水平尺度理想结构与小尺度扰动信息；统计分析热带气旋真实水平结构特征与强度变化的相关关系，研究可能的影响机制。为热带气旋生成及发展物理机制的深入理解，台风登陆位置及其强度的预报提供更加有效的监测数据，推动卫星遥感技术在台风防灾减灾业务化工作中的深入应用。

热带气旋水平尺度结构的内核动力过程，是影响强度变化的主要因素之一。随着大气数值模式以及数值同化技术等的进步，热带气旋的路径预报得以大幅度提升；但是强度变化的预报水平仍然徘徊不前，其中一个重要原因是对热带气旋内部结构和动力过程的不甚了解；对内核动力过程的认识仍然停留在基于理想涡旋框架假设的分析，与真实大气中热带气旋的变化有很大差距。星载合成孔径雷达具有全天时、宽刈幅、高分辨率、不受天气影响等优点，适合真实热带气旋内核精细结构的监测。本项目收集了RADARSAT-1、RADARSAT-2、Envisat及Sentinel-1等星载SAR热带气旋监测数据300余幅；发展了适用于热带气旋高风速的海面风场反演算法，该算法包含了入射角的影响，我们命名它为C-3PO。此外，我们建立了下一代极化方式——简缩极化的海面后向散射半经验理论仿真模型，模拟了CV/CH极化的海面风场雷达信号关系，并分析了双圆极化高风速不饱和的潜质，提出了新的海面风场反演算法。反演海表面风场，与外场试验资料进行相互校验，定量提取了热带气旋内核精细化结构特征，主要包括：表面风场、中心位置、强度、椭圆形风眼、W1非对称结构、重构主结构风场；并统计分析的海面风场所“展现”的非对称性与强度的相关关系，分析了可能影响机制。收集了近十年的高分辨率星载合成孔径雷达的监测图像，上述成果发表在国际顶级遥感期刊《Remote Sensing of Environment》（IF：9.085）上。分解热带气旋的水平尺度理想结构与小尺度扰动信息；统计分析热带气旋真实水平结构特征与强度变化的相关关系，研究可能的影响机制。针对个例，分析了不对称次级风眼对台风风眼取代循环（ERC）经典理论的影响，提出了新的解释，补充了ERC经典理论；增强了热带气旋发展机理的理解。上述创新研究成果发表在美国地球物理学会期刊<<Geophysical Research Letters>>（IF: 4.497）上。为台风登陆位置及其强度的预报提供了更加有效的监测数据，推动了卫星遥感技术在台风防灾减灾工作中的深入应用。