[人工智能]从AMSU-A回收飓风暖芯并重新映射ATMS测量并消除雨水污染

Hurricane Warm-Core Retrievals from AMSU-A and Remapped ATMS Measurements with Rain Contamination Eliminated

期刊：Journal of Geophysical Research: Atmospheres
作者：

摘要：

由于 Suomi 国家极地轨道合作伙伴 (S-NPP) 卫星上的先进微波温度探测仪 (ATMS) 的每个视场的有效集成时间比在之前的美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 极轨卫星 NOAA-15 至 NOAA-19 上的先进微波探测仪-A (AMSU-A) 的有效集成时间短，ATMS 温度探测通道比相应的 AMSU-A 通道具有更高的观测分辨率和更大的噪声等效温差。ATMS 的高分辨率允许捕获 AMSU-A 无法解析的飓风雨带特征。但是由于观测噪声对暖核反演的显着影响，ATMS 较大的噪声等效温差削弱了这种能力。在这项研究中，应用重映射算法来获得类似 AMSU-A 的 ATMS 视场以抑制这种噪声。一种改进的暖核反演算法包括晴空和多云条件下的两组训练系数，该算法使用目标飓风前一个月的同位全球定位系统无线电掩星观测 (GPS RO) 作为训练数据集，应用于肢体校正ATM和AMSU-A测量。 在训练多云条件下的系数以避免云/雨污染时，ATM通道5、6和7（AMSU-A通道4、5和6）被排除在外。结果成功地消除了对流层中低层异常冷核和与雨带同相的带状暖结构。根据NOAA-15、NOAA-18、MetOp-B的AMSU-A观测和S-NPP的ATMS观测，飓风Matthew(2016)在其整个生命周期内的暖核演化和强度在时间上是一致的。

1 介绍

飓风中心比其环境温度高出几度以上，通常被称为暖核气旋。大气的绝热升温以及眼部向下运动和相关的潜热释放，以及眼壁附近和外部的降水都有助于飓风暖芯的形成。在快速增强开始期间由对流爆发引起的沉降变暖也有助于对流层上层暖芯的形成和/或增强（Chen & Zhang，2013）。La Seur 和 Hawkins ( 1963 年)、Hawking 和 Rubsam ( 1968 年)、以及 Hawkins 和 Imembo ( 1976 年)) 检查了侦察机数据，发现暖芯位于温度场 250 hPa 附近，这是使用 500 和 180 hPa 压力水平的飞机侦察数据重建的。霍尔弗森等人。( 2006 ) 使用dropsonde 观测发现飓风 Erin (2001) 的主要暖芯接近 500 hPa。Durden ( 2013 ) 生成了现场观测（浮标、安装在船舶和飞机上的测量仪器、投降式探空仪和岛屿上的气象站）的复合材料，并确认暖芯高度在 760 和 250 hPa 之间变化。通过理想化的模型模拟，Stern 和 Nolan ( 2012）得出的结论是，具有最大暖异常的初级暖芯位于大气的 4-8 公里（~700-150 hPa）垂直层内。尽管暖芯最大中心的确切高度因情况而异，但它们的强度（暖芯异常）与飓风强度呈正相关（Komaromi & Doyle，2017 年）。早期发现暖芯形成也可以提供有关热带低气压形成飓风的见解（Dolling & Barnes，2012 年）。

与传统的实地观测相比，卫星遥感观测在广阔海洋的水平、垂直和时间覆盖方面具有优势。对飓风特别感兴趣的是极轨运行环境卫星上的微波仪器，这些卫星每天两次监测全球大气。美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 极轨运行环境卫星 NOAA-15 至 NOAA-19 和欧洲气象卫星开发组织 MetOp- A/-B 自 1998 年以来。Merrill ( 1995 年) 和 Brueske 和 Velden ( 2003 年)) 开发并测试了一种从单个 AMSU 频道的观测中检索热带气旋 (TC) 强度的算法。朱等人开发并演示了一种回归算法，用于从 AMSU-A 温度探测通道中检索飓风邦妮（1998 年）的暖芯。（2002 年）。Demuth 等人。（2004 年），纳夫等人。（2004 年）和 Demuth 等人。( 2006 年) 使用 AMSU-A 测量来估计热带气旋的最大持续风、最小海平面压力和风半径。作为 AMSU-A 和微波湿度探测仪的继任者和组合，搭载在 Suomi 国家极地轨道合作伙伴（S-NPP）卫星上的先进技术微波探测仪（ATMS）于 10 月 28 日成功发射到太阳同步轨道2011 年（Weng 等人，2012 年）。朱等人开发的算法。( 2002 ) 应用于 ATMS 对飓风桑迪 (2012) 的观测，发现最大上层暖异常与最大持续风速之间存在正相关关系 (Zhu and Weng ( 2013 )。由于在获得的温度反演中发现扫描偏差由朱等人的算法（2002) and Zhu and Weng (2013), Tian and Zou (2016) 对温度检索算法提出了 四项修改： (i) 用回归系数替换简单的扫描校正项，回归系数是扫描位置的显式函数；(ii) 仅使用 ATMS 温度探测通道的子集来检索与这些通道高度相关（相关系数大于 0.5）的某些压力水平的温度；(iii) 使用飓风寿命前一个月的肢体校正 ATMS 和并置的全球定位系统 (GPS) 无线电掩星 (RO) 观测作为训练数据集，获得回归系数；(iv) 获得两组回归系数，一组用于晴空条件，另一组用于多云条件。 将改进的算法应用于 AMSU-A 和 ATMS 观测，以证明飓风迈克尔 (2012) 和桑迪 (2012) 在其生命周期内的暖芯结构比未经修改的算法得到的更真实，甚至更微波综合检索系统的先进一维变分方法。田和邹（2018 年）将 Tian 和 Zou（ 2016年）中的温度反演算法应用于四颗 NOAA 运行卫星上的微波温度探测仪，以分析飓风哈维、厄玛和玛丽亚（2017 年）的强度变化。

虽然云和降水的污染比红外测量少（Chen 等人，2013 年；希尔顿等人，2012 年；Janssen，1994 年；Le Marshall 等人，2006 年），但微波测量用于中低层温度探测通道仍然受到飓风中光学厚且降水量大的云的影响（Weng et al., 2003）。因此，在大多数有对流的 TC 案例中，只有对流层上层的暖芯可以从卫星微波测量中得到。以往所有暖芯反演结果都出现了量级极不现实的低温异常。尽管如此，当 TC 眼足够大以至于眼壁的大部分不在 FOV 中或中心附近不存在对流时，暖核心可以很好地解析到对流层中部通道中。在这项研究中，引入了重新映射算法以减少 ATMS 观测中的随机噪声，并使视场 (FOV) 与 AMSU-A FOV 的大小相同（第2节）。晴天和多云条件下的回归系数均从GPS RO数据中获得，并用作飓风发生前两周期间的训练数据。在多云条件下消除峰值加权函数 (WFs) 低于 400 hPa 的温度探测通道后，然后对暖芯结构进行检索（第3节）。从所有可用的 AMSU-A 和 ATMS 观测结果中检索并比较飓风马修（2016 年），这是自飓风菲利克斯（2007 年）以来的第一个 5 级大西洋飓风，暖芯结构及其时间演变（第4节）。最后，第5节给出了总结和结论。

2 ATMS数据描述和重映射算法

2.1 ATMS和AMSU-A数据特征

ATMS和AMSU-A在 23 和 90 GHz 之间的微波光谱区域提供大气热辐射测量。ATMS 安装在 S-NPP 卫星上，AMSU-A 安装在 NOAA-15、-18、-19、MetOp-A 和 MetOp-B 卫星上。S-NPP ATMS 升交点在当地时间下午 1 时 30 分穿越赤道，即当地穿越赤道时间。对于大气温度剖面反演，ATMS 通道 5-15 或 AMSU-A 通道 4-14 用于飓风暖芯反演。这些通道的峰值 WF 和中心频率从最低到最高通道数分别从 850 hPa 和 52.8 GHz 变为 2 hPa 和 57.29 GHz。ATMS 信道 5-15 的天线波束宽度为 2.2°，而 AMSU-A 信道 4-14 的波束宽度为 3.3°。对于ATMS，温度探测通道（1-16）与湿度探测通道（17-22）保持相同的扫描模式，采样时间相同，采用连续扫描方式。因此，每次扫描以 8/3 s 的间隔对 96 个场景分辨率单元进行采样，以覆盖星下路径两侧的 52.725° 扫描角。每个 FOV 的积分时间为 18 ms。相比之下，AMSU-A 在相对于天底方向的 ±49.5° 范围内扫描地球场景，总共有 30 个 FOV。沿轨道和跨轨道方向的相邻 ATMS FOV 之间存在显着重叠，但 AMSU-A 则没有。ATMS 扫描的条带宽度为 2,600 公里，比其前身 AMSU-A（2,343 公里）更宽，并且在赤道附近几乎没有留下任何间隙，几乎完全覆盖了大西洋上飓风发展和加强的低纬度地区和太平洋。

微波温度探测仪 AMSU-A 和 ATMS 测量中的随机噪声通过标准偏差（Mo，1996）和/或 根据暖目标测量值计算的艾伦偏差（Tian 等人，2015）来估计。这些被称为噪声等效温差 (NEDT)。由于 ATMS 的采样率更高，即每个 ATMS FOV 的有效积分时间更短，ATMS 通道的 NEDT 略高于相应的 AMSU-A 通道（Weng 等人，2012 年）。表1提供了有关 ATMS 仪器特性的更详细信息 。

2.2 一种重映射算法和结果

Atkinson (2011)开发的重映射算法用于将ATMS通道5-15的波束宽度转换为AMSU-A通道4-14的波束宽度。ATMS 观测的过采样特性使得这种重映射对于产生类似 AMSU-A 的 ATMS 观测有意义。在 ATMS 和 AMSU-A 之间具有一致的波束宽度是非常可取的，因为它允许 ATMS 衍生的暖芯与 AMSU-A 衍生的暖芯相关联，这是多项研究所需的，例如检查飓风暖芯的日变化和气候变化（Yang & Zou，2014 年）。

假设 ATMS 具有高斯波束，调制传递函数 ( MTF )，定义为 3-dB 波束宽度 ( w ) 的空间频率响应函数，可以表示为 (Atkinson, 2011 )

其中f是空间频率，是 ATMS 采样距离的倒数（1.1°）。光束形状，称为点扩散函数，是MTF的傅里叶变换，可以写为

图 1a说明了在 28 日观察到的重新映射后，ATMS 通道 5-15 在五个连续扫描线上的 FOV 40-56 的大小以及沿上述五个扫描线的第三个扫描线的 AMSU-A 类 ATMS FOV 2016 年 9 月。请注意，重新映射的 FOV 与具有较大尺寸的原始 FOV 同心。虽然重映射生成的类AMSU-A ATMS FOV的大小与AMSU-A相同，但保留了连续ATMS扫描方式的特征，96个场景分辨率单元，两侧覆盖52.725°的子卫星路径。换句话说，在重新映射后，ATMS 观测的空间采样仍然比 AMSU-A 观测高得多（~3 倍）。这在图1中得到了更清楚的证明 b，它显示了在图 1a中看到的单条扫描线上重新映射后的 ATMS FOV，沿着靠近 ATMS 扫描线的 NOAA-18 的三个连续扫描线重叠到 AMSU-A FOV。图1b提供了 2016 年 9 月 28 日 1715 协调世界时 (UTC) GOES-13 成像仪对通道 4 (10.7 μm) 的 BT 观测， 以显示飓风环境中云的典型尺度。大扫描角度的 FOV 尺寸远大于接近最低点的 FOV 尺寸，尤其是在跨轨道方向上。换句话说，飓风的小尺度特征，例如风眼、雨带和雨带之间的清晰条纹，在条带中心附近比在条带边缘附近得到更好的解析。这一点将在稍后说明（见第4节).

图1。(a) ATMS 通道 5-15 在五个连续扫描线（黑色圆圈）上的 FOV 40-56 和沿第三扫描线（15.25°N，60.2°W 的最低点位置）的 AMSU-A 类 ATMS FOV 的大小2016 年 9 月 28 日观察到重新映射后的五个扫描线（为清楚起见，依次为红色和绿色圆圈）。（b）重新映射（a）中的单个扫描线后的 96 个 ATMS FOV 和沿三个连续扫描线的 AMSU-A FOV在 2016 年 9 月 28 日 1715 UTC 时，靠近 ATMS 扫描线的 NOAA-18（蓝色圆圈）与 GOES-13 成像仪通道 4（10.7 μm）TB 观测值（单位 K）重叠。

Capturing Size and Intensity Changes of Hurricanes Irma and Maria (2017) from Polar-Orbiting Satellite Microwave Radiometers

期刊：Journal of the Atmospheric Sciences

摘要：

最近改进的飓风暖核反演算法被应用于携带先进技术微波探测仪 (ATMS) 和先进微波探测仪-A (AMSU-A)的多个极地轨道卫星的数据，以检查飓风Irma和Maria暖核的日变化。这些飓风发生在 2017 年极度活跃的大西洋飓风季节。与飓风Irma和Harvey 100–1700 km范围内的投降式探空仪收集的数据相比，在~ 180和750 hPa之间的垂直层中,ATMS 衍生的温度剖面和投降式探空仪测量的温度剖面之间差异的平均值和标准偏差分别小于 0.7 和 1 K。 ATMS 和 AMSU-A 的最大暖核温度异常的时间演变更接近于最小平均海平面气压，而略低于最大持续风的时间演变。在 4 和 6 K 时，ATMS 衍生的暖核的半径分别优于飓风 Irma（1 kt = 0.51 m/s）的 34 kt 和 50 kt 风半径。当飓风Irma由于与非绝热过程相关的潜热释放增强而经历强烈增强时，暖核向低层的垂直范围随着强度的增加而增加。对流层上层（~250 hPa）的热带气旋（TC）内核的特点是单峰日循环，在午夜左右达到最大值。这种暖核循环可能是 TC 动力学的重要组成部分，可能与 TC 结构和强度变化有关。

1. 介绍

微波温度探测仪器，如国家海洋和大气管理局（NOAA）NOAA-15、-18和-19卫星上的先进微波探测装置-A（AMSU-A），欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT）气象业务（MetOp）卫星MetOp-A和-B上的AMSU-A，NOAA Suomi国家极地轨道伙伴关系（SNPP）卫星上的先进技术微波探测仪（ATMS）提供电磁频谱微波部分的全球测量。有 12 个 AMSU-A 和 13 个 ATMS 温度探测通道位于氧吸收带中，中心频率在 50.3 到 57.6 GHz 之间。这使得几乎所有热带气旋 (TC) 区域的垂直大气温度都可以在没有强降水的情况下探测。

这些 AMSU-A 和 ATMS 探测通道的加权函数均匀分布在从地表到 ~0.1 hPa 的垂直方向。这意味着在不同通道中测量的亮度温度是不同大气层内大气温度的加权函数。大气辐射对信道的最大贡献来自信道加权函数达到峰值的高度。 基于这一物理考虑，自 1998 年 5 月 13 日在NOAA-15卫星上发射第一颗 AMSU-A 以来，已经开发了几种线性回归大气温度反演算法来推导 TC 中的三维大气温度场（Kidder 等2000 年；朱等人 2002 年；Brueske 和 Velden 2003 年；Demuth 等人。2004 年；纳夫等人。2004 年；Demuth 等人。2006 年；朱和翁 2013 ; 田和邹 2016 )。在这些先前的研究中记录了使用 AMSU 数据进行 TC 强度和大小估计以及改进飓风预测（例如，Zhu 等人 2002；Demuth 等人 2004；Knaff 等人 2004；Demuth 等人 2006；Zhu 和 Weng 2013 ;田和邹 2016）。然而，仅提供了来自单个 AMSU-A 仪器在几个瞬时时间的一些与暖核相关的尺寸和强度参数。在过去的二十年里，暖核反演算法也经历了一系列的改进。

利用天气研究和预报 (WRF) 模型，在理想化模拟 ( Stern and Nolan 2012 ) 和真实案例模拟 ( Chen and Zhang 2013 )中对TC的暖核结构进行了研究。具体来说， ( Stern and Nolan 2012 )使用了 3.1.1版本的 WRF 模型，该模型具有三重嵌套网格（例如，18、6 和 2 公里水平分辨率）和 40 个垂直高度和模型顶部为 50 hPa（~ 20 km），以模拟双周期f平面（f=5.031 025秒）上类似TC的朗肯涡旋产生的理想化强飓风的发展和维持在恒定的偏东环境气流中（5 m/s），以及在均匀且固定温度（28°C）的海面上。他们报告说，理想化模拟中的主要暖核最高温度异常发生在对流层中部约 5-6 公里处，而次生较弱的最高温度异常通常出现在 13-14 公里附近。通过一系列模型敏感性实验，他们得出结论，暖核高度的变化并不意味着风暴强度的变化，也不意味着眼壁风随高度衰减的方式的变化。相比之下，Durden(2013)检查了眼睛热异常的高度，发现最大温度异常可以在 760 和 250 hPa 之间变化，并建议模型模拟也应该表现出这些特征。然而，这项工作的一个限制是延伸到 TC 眼睛上层的探测很少。Chen和Zhang(2013)采用四重嵌套网格（27、9、3 和 1 公里水平分辨率）、模型顶部为 30 hPa（~24 公里）和允许云的 WRF 模型，对Wilma(2005)飓风进行了72 h允许云的预测。30 小时模型预测在飓风Wilma快速增强期间，在 13-15 公里层附近产生了最大暖核。54 小时模式预测在快速增强后，在 11-13 公里层附近产生了一个最大暖核。两个最大暖核与上层流出区位于同一层。有人认为，上层暖核是由平流层空气下沉的绝热升温形成的，这对流爆发的消除有关，而上层的发散出流则倾向于保护温暖的核心不受环境流动的通风影响，也通过将热空气通风到环境中来防止热空气在眼睛中积累。

本研究将一种改进的暖核反演算法应用于飓风Irma（2017年）期间NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19和SNPP卫星上的四个NOAA AMSU-A仪器，以及飓风Irma、Maria 和Harvey（2017年）期间EUMETSAT MetOp-B卫星上的四个NOAA AMSU-A仪器和AMSU-A仪器。五个极轨运行卫星微波仪器可以每隔 2 小时或 3 小时提供一次飓风观测。这允许捕获 TC 暖核结构和强度的昼夜循环。美国国家海洋和大气管理局综合大型阵列数据管理系统无法提供MetOp-A和-B对飓风“厄玛”的AMSU-A测量数据，原因尚未确定。在本研究中，我们通过NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19、MetOp-B和SNPP卫星上的AMSU-A或ATMS进行的亮度温度测量，得出了飓风Irma和Maria整个生命周期内每天8到10次的三维大气温度场。

本文的结构如下。AMSU-A 和 ATMS 数据特性在第 2 节中进行了简要描述。第 3 节简要回顾了AMSU-A 和 ATMS 温度探测通道中亮温观测结果的温度剖面检索。第 4 节介绍了飓风Harvey和Irma的结果。第 5 节显示了飓风Maria每隔 2-3 小时的结构演变。研究总结并在第 6 节中给出结论。

2.ATMS和AMSU-A数据说明

ATMS 是SNPP卫星上的一种先进的跨轨无源微波辐射计。它共有 22 个通道（表 1）。通道 3-16 是温度探测通道，用于获取大气温度的垂直剖面。通道 1-2 和 16 是对地表条件敏感的窗口通道，不用于温度剖面检索。由于通道 3 和 4 对地表也很敏感，因此本研究仅使用通道 5-15 进行大气温度反演。通道 5-15 在最低点的峰值加权函数约为 850、700、400、250、200、100、50、25、10、5 和 2 hPa。通道 17-22 是湿度探测通道，在本研究中不予考虑。SNPP卫星上ATMS的上升节点在当地时间（LT）1330点穿过赤道，称为当地赤道穿越时间（LECT）。ATMS 扫描的条带宽度为 2300 公里，相邻条带之间几乎没有间隙，从而实现了全球近乎完整的数据覆盖。

AMSU-A 仪器目前装载在NOAA-19、-15和-18卫星上，它们的LECT分别为1530 LT、0621 LT和0715 LT。AMSU-A 共有 15 个通道。AMSU-A 通道 4-14 类似于 ATMS 通道 5-15。与 ATMS 相比，AMSU-A 的扫描条带更窄，两个连续轨道条带之间的间隙更大。与ATMS相比，AMSU-A测温通道集成时间长，数据噪声小。温度探测通道 5-9 的 AMSU-A 噪声等效温差 (NEDT) 为 0.25 K；通道 10 和 11 为 0.4 K；通道 12、13 和 14 分别为 0.6、0.8 和 1.2 K。相应ATMS 信道的NEDT 等于或略大于AMSU-A NEDT 的两倍。有关 ATMS 和 AMSU-A 仪器和信道特性的异同的更多详细信息，请参见Mo (1996)和Weng 等人（2012 年）。

3. 温度剖面检索简述

在NOAA-15卫星发射后不久，就开始使用卫星微波观测来检索大气温度。基于微波辐射对温度呈线性响应以及 AMSU-A 和 ATMS 加权函数相对稳定的物理考虑，指定压力水平T ( p ) 下的大气温度表示为亮度温度观测值的加权线性组合不同的 AMSU-A 频道$T_b^{\mathrm{o}\mathrm{b}\mathrm{s}}(i)$，其中i是通道号；那是，

$T(p)=C_0+{\sum }_{i=i_1,p}^{i_{2,p}}{C}_i(p)T_b^{\mathrm{o}\mathrm{b}\mathrm{s}}(i)$（1）

其中p是大气压。总和${\sum }_{i=i_1,p}^{i_{2,p}}$ 表示带有通道编号的 AMSU-A 通道 5-14 子集$\left(i_{1,p},i_{1,p}+1,i_{1,p}+2,\dots ,i_{2,p}\right)$ 的亮温观测值的加权平均值选择用于获得压力水平p的大气温度。$C_j(p)\left(j=0,i_{1,p},i_{1,p}+1,i_{1,p}+2,\dots ,i_{2p}\right)$系数是回归系数，其值由与某些已知参考温度的最小二乘拟合确定。 Kidder 等人(2000年)使用无线电探空仪观测来估计回归系数。所有 AMSU-A 观测首先调整到最低点，以便获得足够大的并置无线电探空仪和 AMSU-A 数据样本。 Kidder 等人(2000)认为需要这样做以减少由不同扫描角度下不同样本大小引起的温度检索产品中与扫描角度相关的偏差。通道 1-7 不用于 100 hPa 以上的反演，以确保既没有高地污染，也没有强降水造成的云污染。通道 1-5 不用于 700 至 115 hPa 的反演，以减少强降水造成的污染。
Zhu 等人（2002）修改方程式(1) 为以下形式：

$T(p)=C_0(p)+{\sum }_{i=3}^{11}{C}_i(p)T_b^{\mathrm{o}\mathrm{b}\mathrm{s}}(i)+C_{\theta }(p)\frac{1}{\cos \theta }$（2）

其中θ是扫描角度。根据探空观测数据分别估计各扫描角的回归系数。增加了一个额外的扫描角度项[即式(2)中的最后一项]。
Tian和Zou(2016)发现，式(2)中的最后一项并没有完全从温度反演产品中去除依赖于扫描角度的偏差。因此，他们提出了两项修改。首先，将检索方程修改为:

$T(p)=C_0(p,\theta )+{\sum }_{i=i_{1,p}}^{i_{2,p}}{C}_i(p,\theta )T_b^{\text{obs?}}(i)$ （3）

其中只有那些与p级温度高度相关的通道被选择用于检索T( p)。 其次，回归系数是使用 ATMS 或 AMSU-A 数据和数值天气预报 (NWP) 模型场在即将获得反演的时间段之前的两周内估计的。 这样，可以有效地消除扫描角度相关偏差和温度相关偏差对温度反演产品的影响。该方法用于获取飓风哈维、厄玛和玛丽亚的暖核结构。
上述回归采用了目标TC病例发生前两周内55°S至55°N的全球数据。这意味着必须得到方程(3)中的回归系数。对于寿命跨越较大纬度范围的TC，可能需要更明确的与纬度相关的回归算法。例如，热带气旋起源于热带深处，向西北方向移动时在亚热带发展和加强，并在中纬度地区向东北方向移动。在这种情况下，需要2周以上的训练时间，才能汇编足够数量的数据样本，获得不同纬度带的回归系数。进一步的研究将在后续研究中进行，以检查热核检索的敏感性。

4. 飓风艾尔玛的特征

a. 案例描述

Irma 是一场大西洋飓风，于2017年8月30日起源于热带深处的低纬度地区，离开西非海岸，掠过佛得角群岛上空或附近（图1a）。Irma 在其形成后不久迅速增强，在 2017 年 8 月 31 日 1800 UTC 成为 2 级飓风，并在 2017 年 9 月 1 日 0000 UTC 成为 3 级飓风（图 1b）。由于一系列眼壁更换周期，Irma 强度在 2017 年 8 月 31 日 1800 UTC 至 2017 年 9 月 4 日 1800 UTC 在 2 级和 3 级之间波动，并在 2017 年 9 月 5 日 1200 UTC 达到 5 级。此时，峰值强度达到持续风速 81.9 m/s (295 km/h ) 和 914 hPa 的最小压力。Irma 于 2017 年 9 月 9 日作为 5 级飓风首次登陆古巴，第二次以4级飓风的形式登陆佛罗里达州库乔基，最大持续风速为 59.7 m/s (215 km/h )，以及 2017 年 9 月 11 日作为 3 级飓风在佛罗里达州马可岛的第三次登陆。请注意，这些强度值来自 Irma 的工作最佳路径，是初步的，有待进一步完善。

图.1. (a) 8 月 30 日 0000 UTC 至 9 月 12 日 0000 UTC 飓风艾尔玛、8 月 13 日 1200 UTC 至 8 月 31 日 1800 UTC 飓风哈维和 2017 年 9 月 14 日 0000 UTC 至 UTC 0000 UTC 9 月 30 日飓风玛丽亚的最佳路径。 ) 最大持续风V max的时间演化（黑色曲线）、34-（蓝色曲线）、50-（绿色曲线）和 64-kt（红色曲线）风的半径，以及从 0000 UTC 8 月 30 日到 0000 的强度类别（颜色阴影；底部图例） UTC 2017 年 9 月 11 日。（a）中还显示了与 9 月 4 日至 10 日在 Irma（42 个剖面）和 8 月 18 日至 9 月 3 日在哈维（76 个剖面）收集的 ATMS 观测相搭配的投降式探空仪位置。标准被定义为不超过 3 小时的时差和 100 公里的空间间隔。? 同 (b)，但飓风玛丽亚从 2017 年 9 月 16 日 0000 UTC 到 2017 年 9 月 30 日 0000 UTC。TD、TS 和 H1-H5 代表热带低气压、热带风暴和飓风类别 1-5。

自 2005 年飓风威尔玛以来， Irma 拥有最强的最大持续风。这是自2005年卡特里娜飓风以来袭击美国最强烈的飓风，也是2017年大西洋飓风季的第二大飓风。 Irma 风暴在温暖开阔的海洋上移动了很长一段距离，却没有遇到陆地，因此它发展成为大西洋本季最强烈的风暴之一。其他影响飓风强度的因素，如水温；温水的深度；分别与对流爆发的夹带和降水有关的非绝热和绝热变暖；并且需要检查剪切强度以了解 Irma 为何达到 5级状态。由于 Irma 的寿命很长，并且三次登陆，它作为5级飓风在巴布达、圣巴特莱米、圣马丁、安圭拉和维尔京群岛造成了广泛的灾难性财产损失和许多人死亡。

b. 使用dropsonde数据验证ATMS反演的温度

投降式探空仪(dropsondes)是美国国家海洋和大气管理局(NOAA) 飓风侦察机经常使用的重要观测仪器，用于获取从飞机高度到地面的温度、风速和风向、湿度和压力的垂直剖面。为了收集有关 Irma 的数据，在 2017 年 9 月 3 日之后，在大雨和大风条件下部署了下投降式探空仪。图 1a 显示了与 ATMS 观测并置的 118 个下落式探空仪剖面的位置。搭配标准被定义为不超过 3 小时的时差和 100 公里的空间间隔。在 118 个投降探空仪中，2017 年 9 月 4 日至 10 日在 Irma 收集了 42 个剖面，2017 年 8 月 18 日至 9 月 3 日在哈维飓风收集了 76 个剖面。图 2a 给出了与飓风艾尔玛和哈维中心的径向距离有关的投降式探空仪剖面的数据计数。在飓风中心 200 公里范围内只有 1 个投降探空剖面，但在飓风中心 200-300 和 300-400 公里范围内分别有 13 和 17 个以上剖面。图 2b 提供了 ATMS 检索和 118 个并置的投降式探空仪剖面之间温度的意大利面条图，以及平均差异曲线和均方根误差 (RMSE)。大多数下落式探空仪是从约 180 hPa 的高度释放的，除了 24 个下落式探空仪是从 Irma 的高海拔地区释放的。在 180 至 750 hPa 之间的垂直层中，ATMS 温度反演与投降式探空仪温度之间的平均差异在 ±0.7 K 以内，很好地覆盖了 2017 年 8 月 30 日至 9 月 11 日飓风 Irma 的暖核深度（图 2b ）），该层内的RMSE约为1 K。从理论上讲，TC眼墙下部通道中亮度温度的强烈衰减大大降低了该区域的温度反演精度。由于ATMS观测的粗略水平分辨率（在ATMS条带的中心和边缘分别为约40公里和约140公里），所以在飓风中心附近观测到的垂向温度剖面与ATMS反演到的垂向温度剖面之间的差异与远离中心的垂向温度剖面之间的差异大小相似。此外，TC 眼直径可能明显小于 ATMS 和 AMSU-A 探测通道的分辨率，这导致 TC 中心附近的 TC 暖核异常采样不足。在某些情况下，微波探测仪的垂直分辨率无法解析TC暖核垂直结构的细节。

图.2. (a) 作为距飓风艾尔玛和哈维中心的径向距离的函数的下投式探空仪剖面数量，以及 (b) 意大利面条图（细彩色曲线）、平均值（粗黑色实线）和 RMSE（黑色虚线） ) 的 ATMS 反演和并置的投降式探空仪测量之间的温度差异的垂直剖面。在 180 hPa 以下和以上的并置投降探空剖面总数分别为 118 和 24。(b) 中曲线的颜色约定与 (a) 中一样，表示投降式探空仪剖面与飓风艾尔玛和哈维中心的径向距离。? 2017 年 8 月 30 日至 9 月 11 日，ATMS反演了Irma中心的温度异常。（c）顶部显示的飓风Irma强度的颜色约定与图1c底部显示的相同。

C. 飓风Irma和Harvey的暖核结构

2017年8月30日至9月11日Irma中心ATMS反演温度异常垂直变化的时间演变如图2c所示。温度异常定义为以风暴为中心但在 34 kt风半径（1 kt= 0.51 m/s）之外的 15° 纬度-经度地理框内与平均环境温度的偏差，不包括风暴扰动。 ATMS 检索到的 Irma 暖核心位于约 250 hPa。该高度与Stern 和 Nolan (2012)发现的次生较弱最高温度异常的高度一致，与Chen和Zhang（2013）进行的真实数值模拟中平流层空气沉降绝热升温形成的上层暖核一致。 Irma 随着时间的推移而加剧，温度异常和暖芯深度也增加了。由于低层的非绝热活动更活跃、更强烈，暖芯的上边界比下边界上升得更平稳。值得一提的是，在飓风Irma等 热带气旋的整个生命周期中，TC 的实际暖核在整个对流层中可能存在显着的垂直结构差异。Irma暖核较低层几乎没有变化，这可能是因为微波探测仪无法充分解析其观测通道中的温度。

图3 显示了 2017 年 9 月 6 日 0536 时， 在 250 hPa 时的水平分布下有随机噪声缓解（图 3a）和没有随机噪声缓解（图 3b），以及可见红外成像辐射计套件（VIIRS）昼夜波段（DNB）辐射观测 (图 3c )下，ATMS 衍生的暖核结构水平分布。图中还显示了同时沿东西（图3d）和南北（图3e）方向并通过Irma中心的ATM衍生温度暖核异常和液态水路径（LWP；翁等人，2003）的垂直横截面。最大暖心温度异常高于 10 K。
2017年8月25日协调世界时0600时，通过飓风哈维中心沿东西方向的ATMS得出的温度暖核异常和LWP变化的垂直横截面（图4c），以及VIIRS云顶压力的水平分布（图4d）。一个大于2 K的螺旋状雨带状暖温异常带位于250 hPa的暖核中心东南部(图3a)，这在地理上与同时可用的VIIRS DNB辐亮度观测的螺旋云分布(图3c)相匹配。
在反演前未去除ATMS随机噪声的情况下，在暖核反演中不容易看到这种螺旋雨带状的暖温异常特征（图3b）。在哈维飓风的主暖核中心的东北出现了一个螺旋状雨带状的温暖异常（图4a），这也与VIIRS DNB辐射观测中显示的高云顶高度的螺旋云分布相吻合（图4c,d )。**暖异常的带状特征可能不是真实的，可能是由于低对流层通道5和6的雨水污染造成的。**由于位于暖核中心南部的雨带结构，ATMS衍生的温度暖核异常沿东西方向（图3d）的垂直横截面比沿南北方向（图3e）的垂直横截面不太对称。注意沿暖核心下边界的高度变化与沿东西方向的LWP的高度变化具有反相位变化（图3d和4c）。这与Willoughby (1998)的发现一致，他报告说眼壁中的对流通过对眼做功来迫使热间接沉降，从而导致变暖。然而，对流层下部的冷异常可能是由于风暴中心附近的低对流层 5 和 -6 通道辐射的降水造成的一些衰减。

图.3. 在 250 hPa 有随机噪声缓解 (K) (a) 和 没有随机噪声缓解 (K) (b)， 和 ? VIIRS DNB 辐射观测的情况下，ATMS 衍生的温度暖芯结构的水平分布。? 中的红十字显示了飓风艾尔玛的中心位置。2017 年 9 月 6 日 0536 UTC 通过 Irma 中心沿 东西方向(d) 和 南北方向 (e)的 ATMS 衍生的温度暖芯异常（彩色阴影）和 LWP（黑色曲线）的垂直横截面。

图.4. (a) 250 hPa (K) 时 ATMS 衍生的温度暖芯结构的水平分布，(b) VIIRS DNB 辐射观测，其中红十字表示哈维飓风中心的位置，? 垂直截面ATMS 得出的温度暖芯异常（彩色阴影；K）和 LWP（黑色曲线；kg m -2）沿东西方向穿过哈维飓风中心，以及（d）VIIRS 云顶的水平分布2017 年 8 月 25 日 0600 UTC 的压力 (hPa)。

此外，NOAA-15、-18和-19卫星上的SNPP ATMS和AMSU-A反演的250 hPa最高温度暖核异常的时间演变遵循最低海平面气压(MSLP;图5a)比最大持续风(图5b)更接近。这是意料之中的，因为通过流体静力关系，温度异常与压力异常的相关性更强，最大持续风可能与观测到的气压和温度异常有所偏差，这是由于测深器未能很好地分辨出的小尺度特征或测深器根本没有观测到的动态源造成的。从SNPP和NOAA-19卫星的下午轨道（LECT 分别为 1330 和 1530 LT）检索到的最大暖芯异常始终大于从NOAA-15和NOAA-18卫星的清晨轨道（ LECT 分别为 0621 和 0715 LT），反映了暖核的日变化。

图.5. (a) ATMS 和 AMSU-A 衍生的 250 hPa 温度暖芯异常（带三角形的灰色曲线）和最佳轨迹 MSLP（带蓝色空心圆的蓝色曲线）和 (b) ATMS-和AMSU-A 导出的最大温度暖芯异常（由灰色线连接的彩色三角形）和在下降（向下三角形）和上升（向上三角形）节点的最佳跟踪最大持续风（蓝色曲线和蓝色空心圆圈）SNPP（绿色）、NOAA -15（黑色）、NOAA-18（蓝色）和NOAA-19（红色）2017 年 8 月 30 日至 9 月 11 日的卫星。每个节点都给出了当地赤道穿越时间。飓风艾尔玛强度的颜色约定如上图 (a) 所示。TD、TS 和 H1-H5 代表热带低气压、热带风暴和飓风类别 1-5。

除了捕捉到飓风厄玛的强度变化，ATMS-和AMSU- A衍生的暖核也捕捉到了飓风厄玛的大小变化。图6显示了在沿东西方向穿过飓风艾尔玛中心的 500 公里径向距离内，ATMS 反演的温度暖芯异常在 250 hPa 的径向变化的时间演化。图6还绘制了2017年8月30日至9月11日温度异常大于2、4、6和8 K的暖芯的半径。与图1b所示的34-、50-和64-kt风半径相比，在一组固定温度异常下，ATMS测温通道反演的对流层上层暖芯的大小是地表附近飓风大小的良好指示。其他人也报告了AMSU导出的温度分布与TC尺寸参数相关的类似结果(Knaff et al. 2004;Bessho等人2006;Demuth等人，2006;Oyama 2014)。

图.6. ATMS 反演温度暖芯异常径向变化在 250 hPa 沿东西向穿过飓风艾尔玛中心 500 km 径向距离内的时间演化，以及温度异常大于等于的暖芯半径2（黑色曲线）、4（蓝色曲线）、6（绿色曲线）和 8 K（紫色曲线），从 2017 年 8 月 30 日到 9 月 11 日。顶部显示的飓风艾尔玛强度的颜色约定与如图1c底部所示。ATMS 观测时间由沿四条曲线的空心圆圈表示。

5. 飓风Maria暖核结构的日变化

从不同极轨卫星获取的不同LECT的“厄玛”暖核数据反映了最大暖核强度的日变化，飓风“玛利亚”的例子进一步证实了这一发现。之所以选择玛利亚飓风作为这幅图的插图,是因为在其生命周期内，可以使用MetOp-B AMSU-A 观测。飓风玛丽亚是 2017 年过度活跃的大西洋飓风季节的第二个 5 级飓风。这是一场在飓风艾尔玛过去两周后威胁背风群岛的主要飓风（见图1a）。飓风玛利亚从 9 月 14 日 0000 UTC 到 9 月 30 日 0000 UTC 的最佳路径如图 1a 所示. 从 9 月 16 日 0000 UTC 到 9 月 30 日 0000 UTC 的最大持续风和 34、50 和 64 节风半径的时间演变如图 1c 所示。玛丽亚在 9 月 18 日至 20 日迅速加剧，然后接近背风群岛，并在 9 月 19 日至 20 日达到 5 级状态。在接下来的 4 天（9 月 21 日至 24 日）离开这些岛屿时，它仍然是 3 级飓风。在这段时间之后，它开始减弱。9 月 28 日，玛利亚的最佳路径经历了一次急剧的反曲，由北向东改变方向，玛利亚成为中纬度地区的热带风暴（图 1a）。

图 7显示了从9月16日0000 UTC至9月30日0000 UTC时， 在SNPP、NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19和MetOp-B卫星的下降和上升节点处，ATMS 和 AMSU-A 导出的最高温度暖芯异常和最佳轨迹 MSLP（图 7a）和最佳轨迹最大持续风（图 7b）的时间演变。图 7中涉及的飓风玛丽亚卫星微波探测仪与图 5中飓风厄玛的卫星微波探测仪相同，只是在图 7中添加了MetOp-B AMSU-A 反演。与 Irma 的情况一样，从SNPP ATMS和NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19和MetOp-B卫星上的AMSU-A得出的250 hPa最高温度暖核异常的时间演变与MSLP（图7a）密切相关，但在Maria经历快速增强期间（9月18日至20日）除外。250hPa处的最高温度暖核异常的时间演变与最大持续风的关系不太密切（图7b）。
9月18日至20日，高层暖核强度的增加速度没有MSLP或最大持续风那么快，这一事实表明，这种快速增强与低层对流层有关。 由于TC眼壁较低水平探测通道的亮度温度强烈衰减，该区域的温度反演能力大大减弱。

图.7. (a) ATMS-和 AMSU-A 衍生的最高温度暖芯异常（带三角形的灰色曲线）和最佳轨迹 MSLP（带蓝色空心圆的蓝色曲线）和 (b) ATMS-和 AMSU- 的时间演变A派生的最高温度暖芯异常（由灰色线连接的彩色三角形）和最佳轨迹最大持续风V max（蓝色曲线，蓝色空心圆圈）在下降（向下三角形）和上升（向上三角形）节点处SNPP（绿色）、NOAA -15（黑色）、NOAA-18（蓝色）、NOAA-19（红色）和MetOp-B（浅绿色）2017 年 9 月 16 日至 30 日的卫星。下面（b）中的每个节点都给出了当地赤道穿越时间。飓风玛丽亚强度的颜色约定如上图 (a) 所示。TD、TS 和 H1-H5 代表热带低气压、热带风暴和飓风类别 1-5。

图8提供了一个例子，展示了一天内多次的暖芯结构变化。我们首先指出，即使它位于NOAA-18 AMSU-A 条带边缘附近，暖核心的东半部也被成功回收。9月23日MetOp-B、NOAA-15、NOAA-18和NOAA-19微波测温观测以及SNPP ATMS观测反演的250 hPa温度异常不仅揭示了飓风“玛利亚”的结构变化，而且还揭示了其日强度变化。为了证实对流层上层暖芯强度日变化的观察，图 9显示了 2017 年 9 月 17 日至 26 日 10 天期间，飓风玛丽亚 250 hPa 最高温度异常的日变化。

上层暖芯夜间强于白天（图 9b）玛丽亚从 9 月 16 日的热带低气压演变为 9 月 19 日的 5 级飓风，然后在 9 月 20 日减弱为 2 级飓风，然后在 9 月 25 日至 26 日再次加强并稳定为 3 级飓风。由于暖心温度异常是通过从 AMSU-A/ATMS 检索到的温度中减去环境温度获得的，我们还检查了这 10 天期间飓风玛丽亚在 250 hPa 的环境平均温度（图 9c）。午夜的环境平均温度略低，但比日平均温度低不超过 0.2 K。夜间暖芯异常比 1 天平均值大 2 K 以上。请注意，随着飓风玛丽亚从低纬度向高纬度移动并加剧（见图1），总体而言，环境温度和暖心温度异常都增加了。内核温度（图 9b）比环境温度（图 9c）增加得更多。图10显示了以飓风Irma(图10a)和Maria(图10b)为中心的地球同步运行环境卫星-13 (GOES-13)观测到的半径为500公里、平均10.7 μm的亮度温度。正如Dunion 等人报道的那样(2014)，当地日落和下一次日出之间的时期是发生更强内核对流和看到相对较冷的亮度温度的最佳时间。峰值对流通常与图 9所示的暖芯的日变化同相，尽管它并不完全对齐。这种差异的原因需要进一步研究。威洛比的论点（1998）眼壁对流强迫下沉（变暖）可能是相位错位的一种解释。我们关于内核温暖温度异常的昼夜循环的结果与Leppert 和 Cecil (2016)报告的发现一致。Leppert 和 Cecil (2016)使用热带降雨测量任务微波成像仪和降水雷达的被动和主动微波测量结果发现，TC 内核与高层（8-10 公里）的单峰昼夜循环有关最大在 2230–0430 当地标准时间 (LST)。

图.8. 从MetOp-B和NOAA-15、-18和-19 AMSU-A 观测以及SNPP ATMS 观测中检索到 2017 年 9 月 23 日飓风玛丽亚的 250 hPa (K) 暖芯温度异常结构。LST 和卫星名称在每个面板上方给出。

图.9. (a) 2017 年 9 月 1-2（黑色）、3-4（蓝色）、5-6（橙色）和 7-8（红色）飓风艾尔玛在 250 hPa 处的日变化；(b) 飓风玛丽亚于 2017 年 9 月 17-18 日（黑色）、19-20 日（蓝色）、21-22 日（青色）、23-24 日（橙色）和 25-26 日（红色）。飓风玛丽亚的温度为 250 hPa。

图.10. 基于GOES-13的 3 小时 500 公里半径的平均亮度温度为 10.7微米（a）飓风艾尔玛之后的 9 月 1 日至 8 日和（b）飓风玛丽亚之后的 9 月 17 日至 26 日。TS 和 H1-H5（括号内）代表热带风暴和飓风类别 1-5。

螺旋雨带状的暖温异常，如图 1 和图 4 所示。根据NOAA-19、NOAA-18和MetOp-B卫星的AMSU-A观测，2017年9月23日8时30分、1100分和1430分，玛丽亚飓风分别为3级和4级。图 11显示了当天这些时间在 10.7 μ m 处的GOES-13亮温观测值。由NOAA-19、NOAA-18和MetOp-B AMSU-A反演得到的在UTC时间0830、1100和1430出现的类似螺旋雨带的温暖温度异常，在地理上与GOES-13观测到的螺旋云带(即亮温极低的区域)相对应。如前所述，暖芯的雨带结构可能是由于低层探测通道（例如，通道 5 和 6）的强对流散射引起的衰减引起的。需要进一步调查，并且正在制定后续研究计划。

图.11. GOES-13在 0330、0600 和 0915 LST的 10.7 μ m (K)亮度温度观测值，对应于 AMSU-A 在NOAA-19、NOAA-18和MetOp-B卫星上在 23 上的观测时间2017 年 9 月。

6. 总结与结论

2017 年 8 月底至 10 月初，大西洋上空发生了一系列强烈飓风活动。目前，美国国家海洋和大气局有四颗极轨运行环境卫星和两颗携带微波测温仪器的 EUMETSAT 卫星，可提供全球微波每天观察数次。它们是SNPP卫星上的 ATMS 和NOAA-15、NOAA-18、NOAA-19、MetOp-A和MetOp-B上的 AMSU-A卫星。这项研究表明，这些极轨运行卫星微波辐射计捕获了 2017 年飓风艾尔玛、哈维和玛丽亚的大小和强度变化。从 ATMS 和 AMSU-A 温度探测通道检索到的大气温度提供了一个四维视图飓风暖芯结构，与近地表 34、50 和 64 kt风半径一致的大小随时间演变，以及内核温度异常的日变化。

目前可用的四个 NOAA 极地轨道微波探测仪的时间分辨率仍不足以完全捕捉飓风中发生的快速演变过程。未来的小卫星（smallsat）星座，每个小卫星都携带一个微波传感器，可以全面监测和预测这些快速发展的过程（Ma et al. 2017）。这方面的一个例子是降水结构和风暴强度的时间分辨观测与小卫星星座任务 (TROPICS; https://tropics.ll.mit.edu/CMS/tropics/）。TRPICS 任务由 12 个 CubeSat 组成，携带 12 通道微波辐射计，其中包括 118.75-GHz 氧气吸收线附近的 7 个通道，可以提供大气温度测量。在 CubeSat 最终发射之前，来自当前运行环境卫星的信息可用于捕获一些眼墙更换过程。

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