Dvorak技术估测热带气旋强度研究进展

第３５卷第４期 ２００７年８月 气象科技

ＭＥＩ、Ｅ（〕Ｒ（〕Ｌ〔Ｘ｝ＩＣＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬ（Ｘ二ＹＶ６１．３５，Ｎｏ．４Ａｕｇ．２００７

Ｄｖｏｒａｋ技术估测热带气旋强度研究进展

刘豁１王新１李万彪１韩志刚２朱元竞１

（１北京大学物理学院大气科学系，北京１００８７１；２北京市应用气象研究所，北京１０００２９）

摘要在常规观测资料稀少的热带洋面上，卫星云图是监测热带气旋的主要工具。Ｄｖ〔〕ｒａｋ技术通过一系列经验规

则，将热带气旋在卫星云图中表现出来的云系结构特征及特定的参数同其发展强度联系起来。介绍了利用１五飞〕ｒａｋ

技术估测热带气旋强度的研究背景和原理方法，总结了国内外在该领域的研究进展及其存在的优势和不足，指出

１玉心ｒａｋ技术是目前业务化估测热带气旋强度的主要工具，同时展望了该技术未来的发展方向。

关键词热带气旋强度Ｅ扮印习ｋ技术

引言

热带气旋是指发生在热带洋面上中心气压极低

的强气旋性涡旋，精确估测出热带气旋强度对于发

布预警信号及做好气旋登陆后人员疏散转移工作至

关重要。自从２０世纪６０年代初第一颗气象卫星

ＴＩＲＯＳ上天以来，卫星云图为气象人员预报天气形

势提供了一个全新的视角。热带气旋在卫星云图上

表现为有组织的涡旋状云系，是一种比较容易识别

的天气系统。７０年代初，美国海洋大气局环境卫星

数据信息服务处的１为Ｏｒａｋ等［‘〕气象学家基于多年

的预报经验及飞机实测资料，利用一系列经验规则

和约束条件，将热带气旋在卫星可见光云图上表现

出的云系结构特征同其强度联系起来，总结出一套

估测热带气旋强度的压。ｒａｋ技术。后来，美国威斯

康星大学卫星气象合作研究协会的ｖｅｌｄｅｎ等［２ｊ利

用Ｄｖｏｒａｋ技术中的经验规则和约束条件，开发出一

种利用静止卫星红外通道数据估测热带气旋强度的

客观方法。随着遥感仪器的改进和计算机性能的提

高，Ｏｌａｎｄｅ：等［“〕进一步优化了该技术，开发出一种

能应用于热带气旋生消全过程的客观算法。针对影

响我国的西北太平洋热带气旋的特点，方宗义等［４〕

在２０世纪８０年代初对Ｄｖｏｒａｋ技术进行修正，设计

出适合于估测该区域热带气旋强度的算法和流程。

经过多年的发展，该技术不断改进，精度也显著提高〔“〕。目前江为。ｒａｋ技术已成为绝大多数气象业务

部门估测热带气旋强度的主要工具。随着遥感技术

和卫星仪器性能的快速发展，综合利用卫星多通道

（包括水汽和微波）资料将在热带气旋的监测中起到

越来越重要的作用，也必将进一步提高该技术估测

热带气旋强度的精度。

技术在国外的发展应用

１．１初始版本的Ｄｖｏｒａｋ技术（１）１，）

早期，ｓａｌｅｒ［“〕、凡ｔｔ仁７〕和Ｆｒｉｔｚ等人［８］都尝试着

利用卫星云图来估测热带气旋强度，但直到１９７３年

１为。ｒａｋ［”〕才总结出一系列经验规则、概念模型及相

应的热带气旋指数（Ｔ）以后，使得该领域有了较大

的突破。初始版本的Ｄｖｏｒａｋ技术通过对可见光云

图的识别和实际预报经验，总结出热带气旋发展强

度同其云系特征变化之间的联系，它主要关注气旋

中心（包括眼区和眼壁）的云系特征和外围螺旋云带

的特征，由这两部分云系特征得到的Ｔ指数之和将

用于描述热带气旋的发展强度。表征气旋强度的

Ｔ指数范围从１到８，以０５为变化单位，Ｔ指数越

大，表示热带气旋发展得越旺盛。根据热带气旋的

发展趋势，将其调整为当前强度（ｃｌ：Ｃｕｒｅｎｔｌｎｔｅｎ－

ｓｉｔｙ）指数。最后再由实测资料得到的经验查算表，

将相应的Ｃｌ指数转化为表征气旋强度的ｌｍｉｎ最

大持续风速度，并由风压关系得到中心最低海平面

国家自然科学基金（４９７９４０３０）、（４０１０５００１）共同资助作者简介：刘韶，男，１９８０年生，在读博士，主要从事卫星遥感资料的研究和应用工作，Ｅｎｌａｉｌ：ｌｉｕｚｈｅｌ０３１＠ｙａｈ加〕．ｃｏｍ．Ｃｎ收稿日期：２００６年４月２９日；定稿日期：２００６年７月１０日

万方数据气象科技第３５卷

气压。

初始版本的Ｄｖｏｒａｋ技术构建了该技术的基本

框架，即利用气象卫星提供的独特视角，将热带气旋

在不同发展阶段表现出的云系结构特征同其强度联

系起来。但该技术还只能依赖于卫星可见光云图，

无法实现全天候监测，而且估测精度也不高。另外，

它的预报流程比较复杂，不同预报员根据同一幅可

见光云图可能得到不同的估测结果。这表明该技术

需要进一步的优化，尤其要消除在应用过程中存在

的主观性偏差。

１．２客观Ｄｖｏｒａｋ技术（ＯＤＴ）

随着卫星红外云图成像质量的提高，Ｌ斤。ｒａｋ技

术开始引人了对红外云图的分析，这使得该技术能

应用于夜间热带气旋的监测，它能对可见光云图进

行补充，而且气旋云系在红外云图中也表现得更加

清晰。更重要的是，对于发展出眼区的气旋，可以利

用增强红外技术得到眼区和环绕眼区的云墙的亮温

变化范围，它直接反映了气旋云系的对流发展程度，

也为后来１卜。ｒａｋ技术的客观化奠定了基础。

为提高Ｄｖｏｒａｋ技术的客观性，Ｅ斤。ｒａｋ〔‘”〕开发

了基于红外数字信息的０１〕１，初始版本，它对Ｄｖ。－

ｒａｋ技术进行了较大的改进。表征热带气旋强度的

Ｔ指数改由３部分组成。第１部分是由红外数字信

息得到的中心云系特征指数和外围螺旋云带特征指

数之和，称为数字Ｔ指数。第２部分就是云型Ｔ

指数，尽管在ＤＶＯｒａｋ初始版本中已经包括了对云型

的匹配和识别方法，但在实际应用过程中主观性太

大。为了将热带气旋云型划分得更加具体，（）Ｄ〕、算

法将红外云图中的眼区和眼墙区域进行傅里叶变换

分析，新定义了螺旋带型、风切变型、镶嵌云区型和

红外眼区型等云型。第３部分被称为模式预期Ｔ

指数，它改进了初始「为。ｒａｋ技术中的２４ｈ强度变

化趋势和强度变化率等方法。

随着红外通道分辨率的提高及计算机性能的改

进，在２０世纪８０年代后期，Ｚｅｈｒ［“〕设计出一种基

于人机对话数据存取系统的算法，它能自动从红外

通道数据中读取出热带气旋的中心和云墙云顶亮

温，并计算输出其强度，唯一需要用户输人的参数就

是当前热带气旋的中心位置，因而部分消除了１为〔〕－

ｒａｋ技术存在的主观性偏差。它是一种直接应用于

卫星红外数字信息的客观算法，也被称为数字１为。－

ｒａｋ技术。 ９０年代中期，Ｖｅｌｄｅｎ等气象学家进一步优化了

该算法，提出了改进型ＯＤＩ，［２〕。它首先判定气旋是

否存在眼区，若有眼区，则将该区域内最大亮温值作

为眼区亮温；若眼区不明显，则以用户输人位置的亮

温值作为眼区亮温。然后，（）！）Ｔ通过分析环绕气旋

中心２４一１３６ｋｍ范围内的云区来确定出云墙的云

顶亮温，再利用一系列经验规则和约束条件及由实

测资料得到的查算表估测出强度。另外，由于该算

法对于亮温变化很敏感，在某些情况下，短时间间隔

内得到的估测值会出现明显起伏，因此，ＯＤＴ弓１人

了时间权重机制，即对当前的Ｔ指数和１２ｈ前Ｔ

指数进行加权平均，以消除这种由于算法本身引起

的强度变化虚假信号。

同气象业务部门利用主观１）ＶＯｒａｋ技术得到的

结果相比，。Ｄｌ、估测精度较高圈，但它依然存在局

限性。首先，（）１）１，只适用于强度达到热带风暴级别

以上的热带气旋，而且它不适用于由较暖海域移动

到较冷海域的气旋（如东北太平洋区域）［’２」；其次，

热带气旋的中心位置还需要手工输人，这使得该算

法仍然存在一定的主观性偏差。

１．３改进的客观ＤＶ０ｒａｋ技术（Ａ（）ｌｙｆ）

根据业务部门的反馈意见，Ｏｌａｎｄｅｒ［‘３１提出了

户谈１）Ｔ算法，主要的改进包括拓展算法的应用范围

以及进一步消除对云型分析和识别上的主观性偏差

等。为了使该技术应用于热带气旋的整个生命史，

它根据眼区和环绕眼区的云系在不同发展阶段表现

出的特征将其云型进一步细分。当热带气旋还没达

到热带风暴强度时，通过分析其螺旋云带的云型及

曲率来得到强度估测值。另一个改进就是实现了对

气旋中心的自动定位。除此以外，气象学家最新的

一些研究成果也被添加到算法当中。如Ｋｏｓｓｉｎ［‘４〕

指出由于对流层顶高度随纬度的增加而降低，将导

致１）ｖＯｒａｋ技术低估中高纬度气旋的强度。解决这

一问题后，利用ＡＯＩ〕１，估测热带气旋强度的误差减

小了１０％闭。ＡＯＩ〕Ｔ算法还加人了导航和定位信

息代码，这使得它适用于Ｕｎｉｘ几ｉｎｕｘ系统。

经过多年的改进优化，Ａ（）］〕」、算法已经完全实

现了自动化，它可以应用于热带气旋生消的全过程

而且估测精度较高，但气旋在发展过程中，眼区上空

通常覆盖有卷云，这使得主要基于可见光和红外资

料的Ａ〔）Ｄｒｌ、算法无法得到其内部信息。相对而言，

波长较长的微波能穿透一定厚度的云层，继而反映

万方数据第４期刘品等：】玉钓ｒａｋ技术估测热带气旋强度研究进展

出气旋位于对流层中上层的暖核信息〔‘“了，而且，静

止卫星水汽通道也能提供大范围背景场的水汽输人

信息。因此，综合利用多种卫星多通道信息将成为

ＡＯＩ）Ｔ下一步的发展方向。

ＺＤｖｏｒａｋ技术在国内的发展应用

Ｄｖｏｒａｋ技术主要设计针对大西洋区域的热带

气旋，但由于西北太平洋区域存在较强的季风，而且

该区域台风的云顶温度较低，这使得直接应用１）ｖ〔〕－

ｒａｋ技术会产生一定偏差［‘“口。因此，我国气象工作

者对ＤＶＯｒａｋ技术作了改进［＃，１７，‘”」，概括了与西北太

平洋区域热带气旋强度相关的云图特征，包括环流

中心与深对流密蔽云区的相对位置关系，眼区的形

状、大小和清晰程度，中心深对流密蔽云区范围大小

和螺旋云带特征等。它在台风实时分析和预报中发

挥了积极作用。然而，该方法对于某些云特征数的

确定取决于预报人员的经验，而且，对４０ｍ／ｓ以上

的强台风只能定性地判定为４０一６０ｍ／ｓ。

从１９８３年起，中央气象台开始对红外云图做增

强显示处理，以突出热带气旋环流云顶亮温和眼区

亮温的变化范围。范蕙君等［‘”」、李修芳等［２０」利用

增强红外云图对确定台风强度的云指数作了改进，

使其适用于不同强度的热带气旋，但对于较强的台

风而言，该方法估测的强度值偏小，而且它难以确定

较弱气旋的环流中心位置。燕芳杰等仁２‘ｊ选取了《台

风年鉴》中１９７５一１９８５年所有台风的飞机探测资

料，对Ａｉｋｉｎｓｏｎ［２２〕统计得到的西北太平洋区域热带

气旋风压经验关系式进行纬度订正，得到了不同纬

度范围内两者的对应关系。

数字云图能给出任意像素点的亮温，便于计算

机定量处理，可获得精度高、定位准确的图像产品和

其他资料，它克服了增强红外云图只能给出固定亮

温等级范围的不足。随着卫星数字云图技术的发

展，范蕙君等仁５」提出了用数字云图确定热带气旋强

度的方法，新增了结构紧密度因子的概念，并实现了

人机对话。

３１）ｖ（．ｒａｋ技术的评估

目前，只有在５５’Ｗ以西的大西洋区域还有气

象侦察飞机执行穿越咫风的任务，而在其它大部分

海域，包括与我国相邻的西北太平洋，都只能依靠这

种基于卫星资料的Ｌ斤。ｒａｋ技术进行台风监测，该技术也是绝大多数气象业务部门估测热带气旋强度的

主要工具。图１显示了Ｄｖ（）ｒａｋ技术在美国关岛联

合台风警报中心（ＪＴＷＣ）的应用情况。可以看出，

从１９７２一１９８７年１６年间，随着卫星监测手段的成

熟，利用气象侦察飞机探测热带气旋强度逐渐被基

于ＤＶｏｒａｋ技术的卫星监测手段取代。

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