热带气旋云团面积和温度的日变化外文翻译资料

 2022-12-07 11:12

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热带气旋云团面积和温度的日变化

Qiaoyan Wua* and Zhenxin Ruana,b

a中国杭州第二海洋研究所卫星海洋环境动力学重点实验室

b中国厦门大学海洋与地球科学学院物理海洋学系

*通信地址:Q.Wu,中国杭州第二海洋研究所卫星海洋环境动力学重点实验室,浙江杭州宝竹北路36号,310012。电子邮件:qwu@sio.org.cn

摘要:利用红外亮温像素分辨率和2000-2013年的卫星最佳轨道数据来预估西北太平洋热带气旋对流云系统面积和温度的日变化。在清晨(当地时00:00–03:00),极冷云团(红外亮温lt;208K)云量的平均面积范围达到最大值,然后在日出后下降。其次,云顶温度在208-240 K之间的云的云量增加,下午(当地时15:00-18:00)此类云云量达到最大面积值。云量达到最大值的时间与海洋上使用的温度阈值关系密切。红外亮温小于240 K的云在上午(当地时03:00-06:00)达到最小值,大于240 K的云在下午(15:00-18:00)达到最小。红外亮温小于240 K的云与红外亮温大于240 K的云之间以及红外亮温小于208 K和208 Klt;红外亮温lt;240 K的云之间的负相关关系,均能导致每天红外温度的平均半径有两个极小值。不同云状况下的不同日变化表明热带气旋对流云系统在区域范围和云顶温度方面都是最佳描述。红外亮温小于208K的云的最大值出现在早上,红外亮温在208K-240K之间的云的最大值出现在下午,说明在这两种热带气旋云状况下,可能有两种不同的机制引起日变化。

关键词:热带气旋;日周期;云

1.介绍
热带气旋是热带和副热带地区云量和降水的主要生产者。热带气旋的云量和降水都表现出明显的日循环特征(Shu et al., 2013; Dunion et al., 2014; Bowman and Fowler, 2015; Wu et al., 2015)。最近获得的云分辨率数值模拟结果表明,辐射强迫加速了热带气旋的形成,并引起了早期的强烈变化(Melhauser and Zhang,2014)。研究表明,台风日周期变化对台风的结构有重要影响,可能对其强度也有影响(Dunion et al.,2014;GE et al.,2014),但导致台风日周期变化的机制仍不清楚。

日对流周期是由太阳辐射引起的,其峰值出现在当地中午。陆地上的对流性降水在下午后期达到最大值,可以看做是对地面和行星边界层白天加热的直接反应(e.g. Janowiak et al.,1994;Yang and Slingo,2001)。开阔海域的最大云覆盖量发生在下午或傍晚,然而,最大的深层云量发生在清晨(Yang and Slingo, 2001)。在刘和蒙克里夫(1998)的理想化模式研究中,热带海洋深层对流峰也出现在清晨。控制海洋日间云量和雨循环的过程一直是争论的主题,人们对这些问题的理解不如陆地上的。根据某些理论(Gray and Jacobson, 1977),对流区和周围无云区之间的差异辐射加热被认为是重要的。此外,这也说明早上最大的深层云量是由直接的辐射对流效应所引致,即因为更多的太阳辐射被云顶吸收,稳定了大气、抑制了对流,所以下午的对流受到抑制。夜间对流增强,因为云顶的辐射冷却增加了不稳定性,并促进了对流(Randall et al., 1991; Yang and Slingo, 2001)。Chen和Houze(1997)将早上最大的深层云量与云系统的生命周期和海洋表面与大气边界层的日太阳加热联系起来。Nesbitt和Zipser(2003)认为早晨最大降水率是由中尺度对流系统的数量增加引起的,其数量的增加是有利的,并且其寿命在夜间可以变长。除了这些与太阳辐射有关的理论外,Li和Wang(2012)还为观测到的台风云冠层的日变化提供了另一种解释。在完全可压缩、非静力云分辨热带模式4(TCM 4)中,模拟了22-26小时外螺旋雨带(半径约为最大风半径的三倍)的周期,即使在模型模拟中没有日辐射强迫的情况下也包括在内。外螺旋雨带的准日出现被认为与边界层恢复有关,这种恢复受对流运动中下沉气流以及前外螺旋雨带对流有效位能的消耗影响 (Li and Wang, 2012)。

红外卫星图像已被用于许多先前的研究,以识别与热带对流和台风云图相关的日最大值和极小值。然而,在这

记录良好的昼夜周期的具体特征之间存在一些不一致之处,特别是在周期的各个阶段。利用低于特定阈值的云顶温度研究了台风云面积范围的日变化(e.g. Browner et al., 1977; Muramatsu, 1983; Lajoie and Butterworth, 1984; Steranka et al., 1984)。Browner等人(1977年)分析了八次大西洋热带风暴,发现云面积在本地太阳时间17:00达到最大值,在当地时3:00达到最低。对于23个大西洋台风的外雨带区域而言,steranka等人(1984年)也发现了相似的结果。但是,在内部核心区域具有极低亮温温度的云面积在清晨达到最大值(Steranka et al., 1984)。Lajoie和Butterworth(1984)分析了澳大利亚附近11个台风的数据,观察到一个显著的日振荡,最大面积在当地凌晨3点起的3小时内,最小面积在下午18点的3小时内,同时发现一个较弱的日间震荡,最大面积和最小面积各自在12点和9点的3小时内发生最为频繁。

与台风云顶温度相联系的红外亮温的日变化用固定半径或环空内的平均温度来评估(e.g. Steranka et al., 1984; Kossin, 2002; Dunion et al., 2014)。steranka等人(1984年)发现云顶温度有一个显著的日震荡,这也很大程度上解释了每个从风暴中心到距离中心几百公里的风暴外围的环形变化的原因。除了日周期外,Steranka等人(1984)还发现了热带风暴外围云顶温度的半日循环。Kossin(2002年)利用红外云顶温度测量分别分析了大西洋1999年发生的21次风暴,并发现了半日振荡。这些半日振荡出现在所有环层内,但在最内侧和最外层区域尤为普遍。一些风暴在7-10小时的高频和周期甚至有强大的光谱峰。 由于飓风对流中心附近的亮温没有明显的日振荡,Kossin(2002)得出结论,卷云冠层的日振荡可能与对流没有物理联系。Kossin(2002)认为,半日太阳大气潮汐与半日云的变化是通过一种基于辐合变化的机制联系起来的。Dunion等人(2014年)最近发现,在北大西洋低风切变环境中,从成熟飓风的风暴中心径向向外传播的云场中的日脉冲。这些成熟飓风被限制在离陆地300公里的风暴中心。除了这个日周期之外,Dunion等人(2014年)发现了在半径100-400公里范围内统计上的显著周期(每天约0.5到0.75周期),但其原因尚不清楚。

以往研究结果之间的分歧可能是由于观测数据库存在的风暴数量相对较少以及使用了不同的分析方法造成的。在一个台风中云的面积范围和云顶温度的日变化周期可能是由不同性质的云的存在引起的。卫星红外传感器只能间接估计深对流云的性质,不能确定这种云的内部性质。用卫星红外传感器测量的云顶温度对于深对流云和卷云通常是相似的(e.g.Liu et al.,1995;Sui et al.,1997)。固定半径或环空内的平均温度包括来自不同类型云的日间信号。当不同云条件的信号被组合在一起时,就会发现不同的周期参数,一旦不同云条件的昼夜周期和温度不处于相位。与其研究具有固定半径或环空的台风云的日变化,我们在此考虑对台风整个对流云的云面积范围和温度日变率,以便使以前的研究之间的差异得到解决。

2.数据与方法

从美国海军联合台风警报中心得到了北太平洋西部最好的跟踪数据(JTWC:Chu et al.,2002)。风暴参数通常记录在协调世界时00:00、06:00、12:00和18:00。在最佳轨道数据中包括了对台风中心位置、台风强度和其他重要参数的六小时测量。我们使用了2000-2013年的6小时观测数据。在研究期间,北太平洋西部共记录到391个达到或更高热带风暴强度的风暴。这些台风被分成弱风暴(热带风暴至台风类别1)和强风暴(台风类别2–5),以允许检查不同强度的风暴的日变化。台风类别2的风暴在这里被归类为强风暴,因为没有多少次风暴属于台风类别3-5。

我们使用了美国国家环境预测中心气候预报中心的红外亮温(相当于黑体温度)数据,像素大小为4times;4平方公里(Janowiak et al.,2001)。全球合并(60°S至60°N)红外亮温数据是通过合并所有现有地球静止卫星(GOE-8/10、Meteosat-7/5和GMS)的数据而产生的。对Go-8/10、Meteosat-7/5和GMS数据,红外通道的峰值频率分别为10.7、11.5和11.0 微米。从这些仪器获得的红外数据在具有相似辐射特性的场景中会有一定的变化。然而,这些影响远小于观看几何效果。对于区域内的相同目标,每个传感器的平均差由邻近卫星上的传感器确定并校准。所使用的红外卫星图像通常显示台风冠层中的高层卷云和深对流。数据校正为天顶角依赖。由于几何效应和辐射路径消光效应,远离卫星最低点的红外温度比实际温度低(Joyce et al.,2001)。当卫星的红外数据合并时,天顶角相关校正在很大程度上消除了不同地球同步卫星覆盖区域之间边界的不连续性。地球静止卫星的全盘视图每天只保证有8次在世界时00:00,03:00...21:00。对于不在这些时次的图像,地球静止卫星数据可以从完全公开视图的各种区域子集中组装。全球红外复合材料可通过每周轮换一次的文件每半小时提供一次。对半小时数据进行平均,以提供每小时图像,以减少由于卫星月食期间造成的数据空白。共收集到34 186张弱风暴卫星图像(热带风暴至台风类别1)和8274张强风暴卫星图像(台风类别2-5)。将各经度网格线的温度数据调整为当地太阳时。

在许多以前的研究中,红外亮温在230–240 K之间的云被用来表示在陆地和海洋的对流云团的存在(e.g.Yang and Slingo,2001;Wilcox,2003;Tian et al.,2004)。Machado等人(2002年)和Hong等人(2006年)分别使用红外亮温lt;210 K和红外亮温lt;235 K探测深对流云和高云。结果表明,红外亮温lt;208 K是西太平洋强对流云降水的保守指标(Chen and Houze,1997)。我们参考了以前关于红外亮温范围的研究,将其划分为三类云,即极冷深对流云(红外亮温<208 K)、冷高云(208 K<红外亮温<240 K)、低层云和晴空(红外亮温>240 K)。

通过对各台风中心500 公里范围内的红外亮温的分析,确定了台风对流系统的日周期。在以往的台风降水研究中也采用了相同的半径。(e.g.Lau et al.,2008;Jiang and Zipser,2010;Prat and Nelson,2013;Wu et al.,2015),该半径反映了曲线台风云层的典型半径(550至600公里)(Prat and Nelson,2013)。Prat和Nelson(2013年)发现500公里和1000公里的热带气旋中心降雨量相差不大。我们的分析侧重于公海,距离风暴中心不到300公里陆地上的卫星图像不考虑。我们认为只有大面积的土地才是“土地”。距离风暴中心不到300公里的岛屿在内的卫星图像也没有被排除在外。对6小时台风中心位置数据进行线性插值,得到3小时台风中心位置。每小时的红外卫星图像与适当的3小时间隔进行匹配,然后对台风中心位置进行插值。

3.结果

图1,台风索拉在(a,b)2012年7月29号当地时05:00和17:00,(c,d)7月30号当地时05:00和17:00的地球静止卫星红外图像

图1展示的是2012年7月29日和30日台风索拉云面积和云顶温度日变化的一个例子。台风索拉是2012年太平洋台风季节第九个被命名的风暴和第四号台风。台风索拉在7月29日5:00和7月30日17:00间强度由35 kn(18m/s)增强到57.5 kn(29.6 m/s)。红外图像显示极冷云的面积范围(半径),在7月29日(5:00)至7月30日(17:00)从500公里降至300公里,而相对暖云的面积范围增加。在夜间,即29日17:00至30日05:00,极冷云的面积范围从300公里迅速增加到500公里,同时暖云的面积范围也相应减小。在台风南部,台风索拉极冷云的面积范围日变化尤为明显。在当地时05:00~17:00和17:00~05:00 之间,与云层面积范围的变化相联系的红外亮温的变化高达50-70℃。如Dunion等人(2014)所观察到的,在台风内没有发生最大冷却。台风索拉是发生在两种不同同日变化的一个明显的例子。

图2,三小时地球静止卫星数据为(a)面积范围、(b)亮度温度和(c)距风暴中心平均半径200公里处的亮度温度。黑线表示红外亮温lt;208 K(极冷云)时,蓝色虚线显示出红外亮温在208~240 K之间(冷高云)。每小时3小时可获得地球静止卫星数据(d)面积范围、(e)亮度温度和(f)在离风暴中心平均半径为300~500公里的亮温。蓝色虚线显示红外亮温>240 K(低云),黑线显示红外亮度温度<240 K(高云)。

图2展示的是7月28日17:00至30日17:00台风索拉云层面积范围和红外亮温的时间演变。面积的范围是在敏感的温度范围内的4times;4平方公里的像素点计算出来的。200公里半径内的风暴中心的大部分地区被云顶温度低于240K的云层所覆盖。被极冷云团(云顶温度低于208K)覆盖的地区范围在早上03:00~05:00达到最大值,日出后下降。日出后极冷云团覆盖面积的减少在冷高云(云

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