螺旋度，CAPE以及切变在热带气旋中的分布外文翻译资料

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螺旋度，CAPE以及切变在热带气旋中的分布

JOHN MOLINARI AND DAVID VOLLARO

Department of Atmospheric and Environmental Sciences, University at Albany,

State University of New York, Albany, New York

摘要：

在之前的研究中对于1998年的飓风“Bonnie”范围内的螺旋度，CAPE以及风切变的分布已经进行了研究。现在要用同样的方法对由NASA举行的CAMEX观测实验中的八个飓风个例进行分析。根据环境垂直风切变的大小，以10m/s作为分界线，我们将飓风分为强环境垂直风切变的飓风和弱环境垂直风切变的飓风。在强切变的飓风中，在顺风切侧的平均螺旋度的大小超过逆切变侧平均螺旋度的四倍。在之前的研究中，热带气旋中螺旋度的区别直接来自于对于环境风切变的响应，并伴有有组织的上升气流以及顺风切侧风随高度的顺时针转变。在强风切的风暴中，顺风切的CAPE值要大60%，近地面入流以及平均入流层厚度要大四倍。在顺风切的右侧区域中，距离气旋中心100Km半径以外，超过30%的观测点计算得到的中纬度经验参数表明与超级单体中计算得到的数据有很大的相似度。但在强风切风暴的逆风切侧却不存在这样的点。当风暴所处的环境垂直风切变小于10m/s时，顺风切和逆风切之间的物理量差别会更小并且与强单体风暴的相似程度减小。除了这些不对称的分布之外，相比弱切变环境下的风暴，强切变环境下的风暴的区域平均CAPE值要大30%，而区域平均的螺旋度的大小则要大两倍。而涡旋尺度运动数量的增加会减小强垂直风切变所带来的不利影响。

1、前言

Molinari和Vollaro（2008，之后用MV08表示）分析了飓风“Bonnie”的螺旋度以及CAPE的空间分布。他们使用NASA在第三次和第四次对流和湿度试验中所收集到的下投式探空仪的数据进行分析。螺旋度在最低的3-6km存在明显有方向性的分布并且与环境垂直风切变的方向有关。顺风切侧平均螺旋度以及CAPE值均是逆风切侧的三倍以上。螺旋度的最大值出现在最接近于飓风中强对流单体附近的四个探空仪。最大值在数值上已经超过了那些中纬度的龙卷超级单体风暴。这些对流单体和超级单体有着一致的时空尺度，在顺风切侧发展起来，随着向风切变的左侧区域移动时加强，在逆风切区域减弱。由于缺乏充分的雷达观测，超级单体风暴的出现与否不能被确定。不过异常的螺旋度以及适当的CAPE的作用，中纬度经验性参数数值超过了超级单体风暴的数值。MV08中讨论了强单体的出现可能有助于在850hPa-200hPa垂直风切变接近12.5m/s的36小时时间段内热带气旋强度的维持。

飓风“Bonnie”螺旋度的明显不对称分布来自于热带气旋受到风切变作用后在不同方向径向速度增加的不同导致的。顺风切侧造成的有组织上升气流的增强导致了风随高度的增强以及大的螺旋度。而在逆风切区域，风切变导致的飓风中的减弱环流抑制了飓风中正常的环流，使得螺旋度变小。

本文将会把在飓风“Bonnie”上所得到的结论将会扩展到NASA的CAMEX实验中的所有热带气旋案例。额外的数据将会显示出这些结果对于环境风切变量级的敏感性。同时我们还会分析热带气旋中螺旋度、CAPE、垂直风切变以及经验性强天气参数的空间分布。

2、热带气旋中对流单体的作用

Hendricks等（2004）以及Montgomery等（2006）在他们所进行的数值模拟实验中讨论了涡旋热塔——“vortical”hot towers（VHTs）的重要性。在VHT中，上升气流以及旋转运动存在着一致性。他们认为VHTs是一个更加好的用来表现热带气旋对流的模态。这些单体持续大约一个小时，并且从涡旋和垂直伸展造成的水平涡度的倾斜中产生旋转。Hendricks等（2004）讨论了通过这些VHTs的合并以及轴对称化，造成热带气旋尺度上一种更大尺度的涡度层叠。VHTs同样会通过加湿对流层中层对热带气旋的热力学过程产生重要的作用。Montgomery等（2006）对如何将这些概念和那些学术上之前被提出的理论相适宜进行了充分的讨论。

由于在VHTs中存在一致的上升气流和垂直涡度，它被定义为是一种螺旋形的结构。Levich和Tzvetkov（1984）认为空间平均的螺旋度倾向于在更大的尺度上进行自我组织，类似于一种更大尺度的能量层叠（Lilly，1986）。Levina（2006）以及Levina和Burylov（2006）指出由于来自小尺度对流单体参数化造成的螺旋度，一个涡旋的切向气流和径向气流之间存在着正反馈机制。因此VHTs以及基于螺旋度的讨论都提供了相同的动力框架。

超级单体风暴可以认为是一种强烈的螺旋式单体，一般持续90分钟甚至更长的时间，并且由准定常的螺旋上升气流组成。超级单体风暴在强垂直风切变的条件下发展起来。他以中层水平涡度的倾斜造成较大的涡度为主要特征。Weisman和Rotunno（2000）及其参考文献很好地阐释了超级单体风暴的动力学特征。显而易见的是VHTs和超级单体风暴在某些特征上存在着共同点。

Davies-Jones等（1990）发展了一种使用探空仪来预测超级单体风暴出现可能性的经验性指数。这个指数是将单体相对螺旋度（之后简单地用螺旋度表示）进行垂直积分来得到的，计算公式如下：

SREH = (1)

这里的c代表单体运动矢量。h代表积分层的厚度，通常为3km。因为对流单体会被局地的风和螺旋度影响，所以v代表测量得到的风矢量，而不是代表飓风中心的实际移速。

柱坐标系中的全螺旋度（不是单体相对螺旋度）形式如下：

(2)

这里v_r以及v_lambda;分别代表了径向和切向的速度分量。按照之前MV08中的讨论，方程（2）中螺旋度的垂直分量已经被忽略了。这是因为在热带气旋中对流层低层的切向速度总是很大，而径向速度会有一个很强的向上的增加，这会造成螺旋度的大值。MV08中同样把这个结论扩展到了单体相对螺旋度上。

Weisman和Rotunno（2000）提出是否能将螺旋度理论(Davies-Jones 1984)作为理解超级单体风暴演变的基础。他们认为这个理论存在两个不足之处：（i）这要求单体移动规范性和单体稳定性的假设，但事实上这些过程是整体动力体系中不可分割的部分。（ii）这个理论是准线性的，但有些被忽略的非线性项有时候也很重要。由于以下几个原因，在这个研究中这些问题限制螺旋度的价值。

1. Weisman和Rotunno（2000）指出在控制热带气旋的速度结构中，螺旋度理论是能最好地适应弯曲的速度图(McCaul 1991; MV08)。
2. 在这个研究中，螺旋度不是用来理解单体是怎么发展的，而是作为一个标量的标记来确定超级单体出现的可能性。大量的文献已经证实在中纬度螺旋度在这个方面的价值。(e.g.,Brandes et al. 1988; Davies-Jones et al. 1990; Johns and Doswell 1992; Kerr and Darkow 1996; Thompson et al. 2003).
3. 我们已经假设大螺旋度的单体可以有效地抵抗耗散。单体具有如此大的垂直速度，而同时由于惯性不稳定以及罗斯贝弹力的作用，使得单体能够抵抗变形。基于在第二点中提到的研究以及Droegemeier等（1993）所进行的数值模拟，在一个单体的生命期内对于螺旋度有着可观的支持。

McCaul (1987, 1991)指出在龙卷超级单体附近螺旋度的增加和飓风登陆之后存在相似性。McCaul和Weisman使用热带气旋登陆后的探测数据模拟了龙卷风的结构。得到的龙卷风类似于中纬度强对流体但是由于垂直风切变和CAPE的层次较浅，垂直尺度则偏小。McCaul (1991)探测到较大的螺旋度来自于强的低层切变与登陆后的摩擦衰减和斜压性有关。这样的环境在洋面上就不大会出现。目前的这个研究将不会考虑飓风登陆环境下典型较浅薄的超级单体风暴，这些已经被McCaul和Weisman（1996，,2001）以及之前的其他研究较好地解释了。这个研究中将会关注在开阔海面上热带气旋中的深对流单体。他们将支持垂直风切变的最大值是来自于热带气旋对强环境垂直风切变的响应而不是登陆引起的作用。

3、数据及处理方法

等式（1）中的单体运动将会使用Ramsay和Doswell（2005）的方法进行估计。这种估计方法将平均风和在垂直方向上切变减小的偏向结合起来，与超级单体风暴的移动保持一致。之前只有很少的研究研究过热带气旋中独立单体的移动。Barnes等（1991）以及Powell (1990)发现飓风外雨带中的单体移动方向与6km高度的平均风的方向较为接近，和中纬度常见的对流体较为相似。Black等（2002）以及Eastin等（2005）发现单体的移动速度要明显慢于风速，和涡旋罗斯贝波(Montgomery和Kallenbach 1997)以及MV08中的超级单体风暴一致。Spratt等（1997）则是发现在热带气旋登陆前单体存在类似于超级单体的运动状态。为了了解单体随平均风移动的情况，McCaul（1991）以及MV08相比Ramsay 和Doswell（2005）在螺旋度的估计上有大约40%的减小。不过，MV08中测试了五种单体移动的估计方式，每一种方法计算得到的螺旋度分布对于风切变的响应都很相似，而所有的螺旋度大值区都接近强对流单体。

与MV08相似的是，如果探测到的风在离地面200m甚至更高的层次缺少数据或者在最低的8km内有超过1.5km的层次缺乏数据，那么这个探空仪的数据将不会应用到螺旋度的计算中。由于在单体移动方向的计算上需要用到最低的500m平均风的数据，因此必须要有对于近地面层数据质量的标准。CAPE的计算上要用相同的原则，不过2km高度以上温度和露点的缺少是可以被允许的。除了两个以外的被用来计算螺旋度的探空仪可以被用来计算CAPE.所有的变量在垂直方向上将会被插值到100m的格点上。

表1.这个研究中使用的下投式探空仪的数目。TS、H以及TS/H分别代表当探空仪释放时给定热带风暴的强度是热带风暴还是飓风又或两种都有

在除去缺失数据的探空仪之后，CAMEX-3以及CAMEX-4中的8个热带气旋个例中在距离中心400km范围内还剩下112个探空仪。其中5个的强度达到飓风，1个为热带气旋，另外两个介于这两者之间。表1描述了探空仪的分布。除了六个探空仪，其他探空仪都是由一架DC-8飞机在250hPa的高度上投放下来的，而其他的则是由ER-2飞机在接近70hPa的高度上投放的。在相对弱的环境垂直风切变的环境下以及相对强的环境垂直风切变下投放的探空仪数量是一致的。超过一半的探空仪只能代表两个气旋，Humberto 和 Danielle。不过由于在MV08中提到螺旋度的不对称分布在每一个强风切的气旋中都成立，因此这不会影响最后的结果。除了11个探测仪之外的其他探测仪都在热带气旋中心位于北纬20°以北时释放。这个实验的结果可能不能代表典型的热带气旋。

MV08并没有对于探空仪进行订正。而在热带气旋中对螺旋度进行计算时未订正的探空仪会产生很明显的影响。根据等式（2），一个定常无辐散的涡旋在所有层次上都存在零值的全螺旋度。一个探空仪在方位上偏移了90°（可能在眼墙附近出现），但是绘制风随高度的变化，会发现风随高度顺时针转动的变化趋势。事实上，这种转变反映了水平风的曲率。这个错误可以通过利用径向风和切向风代替笛卡尔坐标系中的风来进行避免。之前的案例中随高度产生了定常的切向风以及为0的螺旋度。在这个研究中所有数据都会考虑到这种过程造成的漂移效应。当我们将这个方法应用到MV08的数据中时，75km半径以外的螺旋度会下降5%-8%。而在这个范围以内，有时会出现探空仪较大的方位偏差。当这个偏差过大时，由于探空仪不能代表单个圆柱，即使通过订正，在螺旋度的计算上仍旧存在不确定性。因此，在这个研究中，螺旋度和CAPE的计算只会用到75km半径以外的探空仪。这使得12个在内核区的探空仪被排除，总数量减少到了100个。

在这个研究中，我们将会使用一个沿假绝热线抬升的气块和探空仪探测的气块通过一个500m厚的来源的层次。低于3km的层次下计算的到的CAPE都会被选择。除了三个探测仪之外，其他所有的探测仪中，最大的CAPE来自于最低的一公里的气块抬升得到的。

在计算CAPE时要注意两个问题。绝大多数探测仪在接近250hPa的高度被投下。如果只使用探空仪的数据，投放高度之上的所有CAPE 都会被忽略。这个潜在的问题可以通过以下两步进行解决：（i）在投放点之上的位置使用ECMWF的格点分析资料里的温度数据，同时在投放点上将模式格点插值。（ii）在所有有探空仪数据的地方利用插值后的EC数据和探空仪的数据在第一个共同的高度上的数据构成等式，来调整ECMWF数据。第二步类似于Bogner等（2000）所使用的方法，在MV08中只使用了第一步而没有使用第二步，这需要另外的方法来纠正不连续性。目前的方法可以避免由于ECMWF的资料和探空仪的观测

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