基于GPS掩星资料的台风精细化结构和涡旋初始化方案研究

Vortex initialization is an important factor that limits the accuracy of the forecast skill of Typhoon. Accurate prediction of hurricane track and intensity change is still a challenging task for all over the world. GPS RO measurements possess the following unique features: high accuracy, high precision, high vertical resolution, no required external system calibration, no instrument drift, and weak sensitivity to cloud and precipitation. This study aims at generating a set of composite inner-core structures of temperature and water vapor fields and for vortex initialization within tropical depressions (TDs), tropical storms (TSs), typhoons (TYs), and HUs over the Pacific and Atlantic Oceans using observations from the Global Positioning System (GPS) radio occultation (RO)。The inner-core temperature and water vapor structures generated for TCs can serve as a background weak constraint to spin up vertical wind fields not readily observed. Satellite data assimilation with the vortex background fields proposed in this study will be tested to see whether they increase the TC analysis accuracy and reduce TC forecast errors. It is expected to predict the track, intensity, and inner-core structures of TYs and HUs reasonably well using RO-derived TC inner-core temperature and water vapor climatology over both the Atlantic and Pacific Oceans.

台风涡旋初始化的不准确性是制约台风数值预报的关键因素，如何构造准确的初始场是全世界各国台风预报中心面临的难题。GPS掩星资料具有高精度和准确度、高垂直分辨率、受云雨影响较小、无需定标、没有频率漂移等特点，将GPS掩星资料用于台风精细化结构和初始化研究，对于了解台风结构和改进台风涡旋初始化方案具有重要的科学意义。本项目将利用2007-2017年台风路径和GPS掩星资料进行时空匹配，建立大西洋和太平洋上热带气旋GPS掩星资料数据库，揭示热带扰动，热带低压，热带风暴，台风/飓风内核温度和水汽三维结构特征，在此基础上，构造更加合理的涡旋初始化方案。预期本项目完成将建立一个有广泛应用前景的涡旋初始化方案，对于提升我国的台风预报水平具有重要意义。

台风强度预报依赖于数值模式对台风涡旋结构和多物理过程的准确描述，如何构造准确的初始场是全世界各国台风预报中心面临的难题。本项目的完成建立了大西洋和太平洋上热带气旋GPS掩星资料数据库，优化了掩星资料判别边界层高度的方法，揭示了热带低压 (TD)、热带风暴 (TS)和台风 (TY)/飓风(HU)边界层结构特征，温度和水汽三维结构特征，构造了合理的涡旋初始化方案。研究表明，（1）TD, TS, TY的平均边界层高度在径向距离125 km处均有极大值，分别为1.03 km、1.12 km和1.36 km.。热带气旋边界层高度起伏变化随其强度的增加而显著增加。（2）西太平洋上不同强度的热带气旋“暖心”的高度比大西洋上的高，“暖心”的强度也比大西洋上的更强。西太平洋上热带气旋的“湿心”比大西洋上更深厚，但是，“湿心”的强度比大西洋上的要弱。（3）掩星多路径问题是热带地区掩星资料同化的难点问题。掩星多路径形成的主要原因是大气湿折射率在距近地点水平距离300km范围内有较强的局部垂直梯度。影响高度(Impact Height)在5公里以下发生的频率更高，最容易发生在3.5 km附近（约1.8 km几何高度）。统计结果表明：无论是晴空还是有云条件下，多路径现象都可能发生，并且在层积云的存在下最为常见。（4）利用资料同化技术，热带气旋的温度和水汽的三维结构可以作为背景的弱约束，以旋转出不容易观测到的垂直风场。热带气旋的三维结构还可以估计涡旋随高度的倾斜程度，从而定义初始垂直环流及其相关的非对称结构。新构建的涡旋初始化方案对于台风路径和强度的预报都有明显的改善。