热带气旋大小如何影响次级眼壁形成的起始时间？外文翻译资料

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热带气旋大小如何影响次级眼壁形成的起始时间？

管靓^1,2，葛旭阳^1*

1气象灾害预报与评估合作创新中心/气象灾害重点实验室，南京信息工程大学，南京210044

2上海气象科技服务中心，上海200030

摘要：采用理想化数值模拟方法，研究热带气旋大小对次级眼壁形成（SEF）的影响。通过对非平衡边界层和平衡过程的分析，揭示其基本机制。结果表明，初始尺寸较大的热带气旋（TC）有利于更快的SEF和更大的外眼壁。对于初始尺寸较大的TC，它将导致更强的表面熵通量，从而使外部对流更加活跃。同时，更大的惯性稳定性有助于非绝热加热向动能转换。此外，切向风场的逐渐扩大将导致边界层的不平衡显著。这种不平衡的边界层过程导致了一个超梯度风区，它是触发和维持深对流的重要机制。总之，与初始风廓线相关的平衡过程和不平衡过程的不同表现导致了次级眼壁不同的发展速度。

关键词：次生眼壁形成、热带气旋大小、表面熵通量

引文：管靓,葛旭阳.2018年:热带气旋的大小如何影响次级眼壁的开始时间？J. Meteor. Res., 32(1), 124–134, doi: 10.1007/s13351-018-7023-z.

1.引言

热带气旋（TC）强度预报是业务预报中最具挑战性的任务之一。TC强度变化与其结构变化密切相关。例如，一个很强的TC（例如，最大风速大于60m/s）通常具有次级眼壁（SE），然后经历眼壁置换周期(ERC)。SE也称为同心眼壁（CE），通常伴随着具有局部最大风速的环状对流云。外眼壁和一级内眼壁之间的弱回波区称为moat区。随着SE的形成，一级内眼壁开始减弱，最终将被外眼壁（即SE）所取代。在ERC期间，TC可能会发生剧烈的强度波动和结构变化（Willoughby et al., 1982; Black and Willoughby, 1992;Houze et al., 2006, 2007; Kuo et al., 2009; Sitkowski et al., 2011; Zhou and Wang, 2011, 2013; Zhou et al., 2011;Kossin and Sitkowski, 2012; Yang et al., 2013, 2014; Ge,2015）。同时，对流SE的形成导致破坏性风的扩大，从而影响暴雨和风暴潮的范围。

最近，Ge et al. (2016)发现SE的起始时间具有较大的多变性。在他们的研究中，根据威斯康星-麦迪逊大学气象卫星研究合作研究所（CIMSS）15分钟间隔的变形综合微波图像（MIMIC），北太平洋西部的45次台风被确定为CE事件。SE形成（SEF）的时间是指从官方警告时间到SEF开始的一段时间，此时外部区域的深对流至少覆盖了三分之二圆。根据这些TC样本，SEF的平均时间约为84h，标准差为33h。据推测，内部动力和外部强迫在SEF中都起着至关重要的作用（Willoughby et al., 1984;Nong and Emanuel, 2003; Kuo et al., 2004, 2008; Zhouand Wang, 2011; Huang et al., 2012; Rozoff et al., 2012;Abarca and Montgomery, 2013; Kepert, 2013; Qiu and Tan, 2013; Wang et al., 2013; Menelaou et al., 2014; Zhu and Zhu, 2014; Wang et al., 2016）。Montgomery and Kallenbach（1997）讨论了涡旋罗斯贝波（VRWS）在SEF中的作用。Nong and Emanuel(2003年)建议，SEF会需要外部强迫。Terwey and Montgomery（2008）指出，所谓的“beta;-skirt” 对于SEF是必要的。Huang et al. （2012）行星边界层（PBL）不平衡是触发和支持在随后出现的外眼壁周围的狭窄超梯度风区内的深对流环的一个重要机制。Qiu and Tan（2013）强调了不对称活跃外螺旋雨带的作用。一些研究集中在环境条件对SEF的影响（Kossin and Sitkowski, 2009; Zhou and Wang, 2013; Ge, 2015）。例如，潮湿的环境有利于更快的SEF（GE，2015）。

Ge et al.（2016）研究了SEF对TC初始尺寸的敏感性，以最大风的初始半径（RMW）和七级以上强风的外部半径（R34，34节风圈半径）表示，发现初始尺寸较大的TC容易形成SE（见图1）。他们显示了SEF时间和最大风的初始半径（RMW）之间的关系。初始RMW来源于联合台风预警中心（JTWC）的最佳轨道数据。具体地说，SEF时间与TC初始RMW存在显著的负相关，即，TC初始RMW越大，SEF越快。然而，由于没有提供基础机制，本研究的主要目的是揭示可能涉及的物理过程。

本文的组织结构如下。第二节介绍了模型和实验设计，第三节对SEF模拟结果进行了综述，第四节通过详细的分析给出物理解释，第五节进行结论和讨论。

2.模型与实验设计

在此次研究中，我们使用的ARW-WRF模型（3.3.1版本）有四个嵌套域，水平网格分别为54、18、6和2 km。Kain–Frisch对流参数化方案（Kain and Fritsch，1993）应用于两个最外层区域， Lin等人（1983）的微物理方案应用于所有区域。所有的模拟都是在10°N中心的F平面上，在静止环境中，在29°C的恒定海面温度下进行的。长波辐射方案为RRTM（快速辐射传输模型，Mlawer等人1997年），短波辐射计划来自Dudhia（1989年）。过去常使用YSU（Yonsei University）方案（Hong et al.，2006）计算PBL过程。

初始旋涡被指定为修正的Rankine涡。明确地有：

其中，r是半径，b=0.75是形状系数，初始最大风速（Vmax）设置为25 m/s。通过改变RMW，分别用50、70、90、110和130km的RMW测试了5个理想涡流。图1为近地面风的初始径向廓线。为了简单起见，这些实验分别命名为RMW50、RMW70、RMW90、RMW110和RMW130。这些漩涡是用10天的spin-up time来模拟的。

图1 五次试验中近地表切向风（m/s）的初始径向廓线

3.模拟结果

为了获得演变特征的总体比较，图2显示了所有实验中z=1 km高度的方位角平均切向风的时间-半径横截面。我们可以看到，切向风逐渐增强，外部尺寸随时间而变宽。在每个实验中，第二个最大风速出现在某个外部区域。一旦外部实体形成，内部实体逐渐消亡，最终被外部实体取代。特别值得注意的是，在初始RMW较大的情况下，SEF较早出现。例如，在RMW130中，SEF最早出现在t=107h；相反，在RMW50中，SEF的开始时间要晚得多(t=202h)，因为它的初始大小是最小的，也就是说，SE的发育速度对TC的初始大小非常敏感。

图2 z=1 km高度上的方位角平均切向速度（m/s）的半径-时间截面

为了进一步说明SEF中的显著差异，图3给出了z=1 km时方位角平均的垂直速度的时间-半径截面。最初，有一个与一级眼墙相关的最大的垂直速度在内部中心区域。随着时间的推移，一个外部活跃对流环逐渐发展，并与SE相配合。一旦外部对流环建立起来，内部对流环迅速减弱，外部对流环占主导地位。在这方面，模拟试验得到了ERC期间对流的主要演变特征。外部对流建立的时间决定了SE的发展速度。因此，早期许多对流的上升气流表明，初始尺寸较大时，SEF更快。

图3 z=1km高度上的垂直速度（m/s）的五个试验

图4表示，以RMW50和RMW130为例，SEF期间z=1km高度处模拟雷达反射率的结果本次研究将内外眼墙半径称为对流环的平均半径，够区宽度用两个眼墙之间的距离表示。对于RMW130，内眼墙位于t=102 h，半径约40km处，被外部环状对流所包围。此后，外部对流逐渐收缩，并在半径120公里处演变SE。在此期间，可以确定一个清晰的moat区。一旦SE开始出现，TC强度就开始减弱(图中省略)。RMW50中的SEF与RMW130中的SEF有许多相似之处，只是SEF发生的时间要晚得多(即t=202h)。此外，在SE结构上也存在着显著的差异。例如，moat区大小与初始TC大小呈正相关。更具体地说，护城河在RMW130（约80公里）比在RMW50（约40公里）宽得多。此外，在ERC期间，RMW130的强度波动较大，这与Zhou和Wang（2013）一致。他们发现，SE较大的TC可能会经历更大的强度波动。由于我们的重点是研究SE的发展速度，因此目前的工作不包括ERC期间的结构和强度变化。

图4 在SEF期间时间间隔4h的模拟雷达反射率的演变

(a,b,c) RMW50；(d,e,f) RMW130

综上所述，SEF的起始时间对初始TC大小具有显著的敏感性，表明SE的发展速度对TC结构高度敏感。初始尺寸较大的TC更容易迅速生成SE。这支持了GE等人（2016）的观察结果。此外，SE容易在离中心较远的地方产生。自然，会出现一个问题-初始TC大小如何影响后续的SEF？我们将在下一节中讨论这个问题。

4.可能的机制

在物理上，TC的大小反映了地面风速的径向分布，这直接决定了表面热通量。表面热通量可以调节大气水汽供应，从而调节对流活动。在这方面，应比较RMW50和RMW130之间的表面热通量差异。图5显示了方位角平均表面热通量的时间-半径截面。如预期的那样，经过96小时的整合，在RMW130的一级眼墙（即半径120 km左右）外的区域，表面热通量明显。与此相反，在t=192 h之前，RMW50外部区域的表面热通量增加得更缓慢。这里还有一个问题就是侧边界热通量的作用。如图5所示，在180公里半径以外，两种情况下的热通量差异均小于内核区。局部表面热通量可能起主导作用。然而，Gao等（2017）指出，外部环境中的总可降水量（主要由地表蒸发提供水汽）对风暴的快速增强（RI）也至关重要，因为当干气较少侵入风暴环流时，更有利于RI。GE（2015）还发现，TC在潮湿环境下更容易更快地产生SEF。这两项研究都表明了侧边界或环境条件的重要影响，有待进一步研究。

图5方位角平均表面热通量（w/m²）的半径-时间截面 (a)RMW50；(b)RMW130

因此，外部区域更强的表面熵通量有利于更大的对流有效位能（CAPE），从而有利于对流活跃。为此，图6显示了在RMW50和RMW130中平均4至8 km模拟的非绝热加热的演变。显然，强非绝热加热的起始时间与表面热通量的起始时间是一致的。因此，不同的初始风廓线可以解释或区分表面热通量和对流的径向分布。

图6 平均高度为4-8km的方位角平均非绝热加热半径-时间截面图

(a) RMW50 ; (b) RMW130

一般来说，外部区域释放的潜热有助于增强低层径向流入，使眼墙外的切向风速增大，导致切向风场扩大。为了证明这一点，图7给出了低层方位角平均径向风场的半径-时间截面图。我们可以看到，外部区域的径向流入显著增强。反过来，径向流入有助于切向风速增加。

图7 z=1 km高度上方位角平均径向风（m/s）的半径-时间横截面

(a) RMW50 ; (b) RMW130

切向风越大，惯性参数越大。从平衡动力学的观点来看，更大的惯性稳定度有助于非绝热加热转换为动能，并有利于局部二次最大风（Shapiro and Willoughby, 1982; Rozoff et al., 2012; Sun et al., 2013.）在这方面，应比较惯性稳定度的变化。图8给出了z=4 km高度处104–116 h期间平均惯性稳定度的径向分布。本质上，内核区的惯性稳定度更大，且随着半径的增大，稳定度迅速减弱。这种趋势在RMW50中比在RMW130中更为明显。因此，在RMW130中，当半径超过40 km时，惯性稳定度更大。

图8 在z=4 km，104–116h的时间平均方位角平均惯性稳定度（times;10^–4 s^–1）

RMW50 （实线）; RMW130 （空心圆）

对方位角平均切向风趋势进行了预算分析（Wang et al., 2016）。预算方程可近似为：其中v_t、v_r和w分别为切向速度、径向速度和垂直速度；zeta;_a为绝对涡度。上划线表示方位角平均值，上撇号表示与方位角平均值的偏差。右侧的项分别为平均径向平流、平均垂直平流、涡旋径向平流、涡旋垂直平流和摩擦力。分析表明，平均径向平流项（）是增强边界层切向风的关键因素。如图9所示，这种效应在RMW130的外部区域（即超过100 km的半径）中很明显，这与其中切向风的更快增强是一致的。分析表明，平均径向平流项（zeta;_a）是增强边界层切向风的关键因素。如图9所示，这种效应在RMW130的外部区域（即超过100 km的半径）中很明显，这与其中切向风的更快增强是一致的。

图9 平均径向平流项（m/s²）在z=1 km，104–116 h的平均径向分布

Huang等人（2012）提出PBL不平衡过程在一级眼墙外超梯度风区对流环的发生和维护中起着重要作用。随着切向风场的逐渐扩大，将引起PBL的显著不平衡。超梯度风与平均PBL流入量辐合，强迫强上升

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