热带风暴在垂直切变下快速增强外文翻译资料

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热带风暴在垂直切变下快速增强

JOHN MOLINARI AND DAVID VOLLARO

Department of Atmospheric and Environmental Sciences, University at Albany,

State University of New York, Albany, New York

(Manuscript received 10 February 2010, in final form 28 April 2010)

摘要：

一个弱的热带风暴（2001年的Gabrielle）在13米的垂直风切变的存在环境里经历了不 足3小时的22hPa的压降。对流单体垂直发展至左中心并且气旋式移动，半径向内增至17公里在快速增强期间。这个单体有曾经被观察到的热带rainfallmeasuringmission（TRMM）最激烈的85 GHz的散射之一。单体在风暴核心的一个波段的顺风端发展。单体的最大涡度

超过2.5*10^-2s^-1。单体结构与一个涡度热塔大致相似而不是一个超级单体。

在最小中心压力的时候，风暴由一个最大风力半径约10公里，几乎没有显示在垂直倾斜的与单体相邻的强大涡旋组成。与宽降雨盾相似的方向上，环绕着一个与周围的切变矢量大致相同的更大的漩涡。这种结构与Riemer等人最近的结果一致。

在诺兰、Vigh和舒伯特的理论之后，风暴的快速深化是由于单体生长在潜热效率高的地区。这一观点被在1小时单体寿命期间风暴中心风速和涡度的快速增长，和并且在邻近电池的700 hPa气温下产生了一个窄的78C尖峰，并与最低压力一致。单体不能被看作是快速增强的原因。相反，它是一个多尺度过程的一部分：（i）在切变降水盾新流动中心的发展，（ii）持续的环境剪切创建一个有利于单体形成的区域，仅仅是新中心的下切面;和（iii）增强在接近动能生产效率高的区域中心非绝热加热的强单体的发展。这种剪切，热带风暴加布里埃不对称快速增强是由卡普兰和迪马利亚给出近对称组合对比。

1. 引言

卡普兰和迪马利亚（2003, 2010）描述了最有可能伴随着热带气旋迅速加强的条件。围绕中心的小环境垂直风切变和深对流云的对称分布是它们的最强标准之一。然而，偶尔在大的环境垂直风切变和强不对称结构的风暴中会出现快速强化。切变风暴的非对称快速增强性质才开始在文献中得到讨论。

切变热带气旋包含更强的辐合、垂直上升运动，尤其是向左地垂直切变（Black et al. 2002; Reasor et al. 2009; Braun et al. 2006）。它们还包含更大的对流有效位能，螺旋性和当地的垂直风顺切变（Molinari和vollaro 2008, 2010）。所有这些因素都偏向支持所观察到的垂直对流（例如，corbosiero andmolinari 2002；chen等人。2006），以及同一地区潜在的强对流单体（Molinari和vollaro 2010）。

剪切热带气旋中一个常见的行为是在风暴核心单体顺切变生长和他们后来的上切变耗散(Heymsfield et al. 2001; Black et al. 2002)。在8m/s的周围环境的垂直切变中飓风的快速增强已经被Eastin等人（2005）、Reasor等人（2009）、Sitkowski 和 Barnes (2009)研究。Eastin等人（2005）发现浮力眼墙上升气流比2m/s集中的左下切变和5.5km层次上的左侧环境切变更大。眼壁浮力的来源似乎是来自被被中尺度涡流携带到眼壁的眼睛内的空气。Reasor等人（2009）快速增强（RI）发生在与环境剪切强迫的中尺度上升相关的左侧剪切流群的发展过程中。Sitkowski和Barnes (2009)表明， 在快速加深期间，环境剪切带的左半部分眼墙反复地卷绕到风暴核心中。

虽然这是一个不太常见的事件，一些风暴在即使环境垂直风切变高于10m/s的情况下经历RI。飓风Claudette (2003)在大的环境切变中迅速加深至强向下剪切对流达到风暴核心(Shelton and Molinari 2009)。在持续大切变的情况下，风暴很快减弱，飓风只持续了6小时。在飓风强度下，极端干燥的空气向上切变产生了正好在眼墙之外相当大的径向梯度的相当位温（6Ｋ／Ｋｍ）。Shelton和 Molinari (2009)认为干空气来自于剪切导致的下沉。他们进一步假设，由于干燥空气进入中心而产生的冷下沉引起了深化的逆转。这一观点与Riemer等人发现的大环境下模拟风暴中低熵空气的向下通量一致。

热带风暴（TS）Gabrielle (2001)，本研究还经历了一段时间内存在于10m/s以上的环境垂直风切变中的RI (Molinari et al. 2006). 此后，风暴略微减弱，并没有达到2天以上的飓风强度。飓风Dennis (2005)经历了一段时间内存在于小环境垂直风切变中的RI。在这场风暴的模拟中，Rogers (2010)展示了刚好在RI之前的风暴核心(his Fig. 5d)的两边的两个孤立对流。这些单体包含在5m/s以上的局部强垂直速度，并且位于最大风的半径之内。Rogers (2010) 分离对流和层状区域。快速强化的发生是由于与对流覆盖面积的增加相关的最低1.5公里的垂直质量通量增加。层状降水的增加仅发生在RI开始之后。

上述风暴表现出一个共同的属性和一个关键的行为差异。所有在最大风力半径（RMW）之内经历了显著的非绝热加热刚好在RI之前。这可以从每篇论文的关键任务中看出：图5从Sitkowski和Barnes (2009)，图5从Shelton和Molinari (2009),图7从Molinari等人（2006）和Rogers (2010)的图5D。最近两个理想化的研究在文献中提到了加热的位置重要性。Vigh 和 Schubert (2009)利用平衡模型发现，在RMW内加热比在RMW外加热更有效地加强暖心（从而增强风暴）。利用线性化的原始方程模型，Nolan 等人 (2007)定义动能效率（KEE），潜热在循环动能中的相对效率。Nolan (2007) 认为在他的模型中热带气旋成因发生与一个首先增强中层涡度，在风暴中心生产大量KEE的过程。随后，发生在中心附近的任何加热在产生循环方面都更有效。即使在中层涡度增长之前，最大Kee发生在从6到10公里的海拔高度上从r=0到r=40km。基于这些结果，本文认为只要它发生在弱风暴中的最大风的宽半径之内，在小半径的对流层中、上部的任何加热都应该有利于加深。这与上面描述的Vigh 和Schubert (2009)的结果是一致的。

尽管所有的风暴都经历了在RMW内的非绝热加热，但它们的最终强度不同。具有低或中尺度环境切变（Dennis and Guillermo）的风暴成为主要飓风。相比之下，高纬度切变风暴Claudette 和 Gabrielle在减弱之前没有达到最小的飓风强度。在大环境切变中迅速增强的风暴可能受到大切变强度的限制，正如J. Beven最近提出的(2009, personal communication, via the Tropical Storms list)。

在之前对TS Gabrielle（2001）的研究中，Molinari等人 （2006）描述了接近高层低谷对风暴演变的影响。本文将重新审视TS Gabrielle（2001），但将重点讨论强对流单体的结构及其在风暴的切变，不对称快速激化中的作用。

2、资料来源和计算方法

本研究的数据来源包括：（i）国家闪电探测网络（NLDN; Cummins等2006; Cummins和Murphy 2009）的云对地闪电位置; （ii）美国空军的飞机侦察数据，该数据在9月14日10时至12时之间飞行6次; （iii）欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的6小时网格分析; （iv）佛罗里达州坦帕的天气监视雷达1988年多普勒（WSR-88D）雷达数据;和（v）热带降雨测量任务（TRMM）一套仪器的一个立交桥。 Molinari等详细描述了前三种热带气旋的使用情况（2004年，2006年）。在处理闪电资料方面又采取了一项措施。与Biagi等人的研究结果一致。 （2007年;见Cummins 和 Murphy2009年），峰值电流低于10 kA的所有正向云对地闪电和10到20 kA闪电的一半都被删除，因为这些可能代表云内闪电。

侦察数据中的热力学场受到传感器润湿误差的影响（Eastin等，2002）。 根据美国空军对过饱和度的调整，这种误差最可能发生在温度低得不切实际且空气饱和的地方。（图12中0848附近的一点可能包含这样的错误，这个错误不会影响侦察数据的解释。）

在本次研究中，坦帕雷达位于TS Gabrielle中心东北130-150公里处，几乎所有的降水都与雷达一样位于风暴的同一侧。 这个距离足够接近有意义的雷达反射率和多普勒速度估计值（例如，Klazura and Imy 1993）。 即使在III级加工之后（Crum和Alberty 1993），也存在一些明显的锯齿和范围折叠的例子。 来自雷达的多普勒风和涡度仅在没有证据表明存在这些问题的时间和地点显示。 Stewart和Lyons（1996）描述了在热带气旋中使用WSR-88D反射率和径向速度。

WSR-88D III级多普勒风存在一个显着的缺点。 显然为了有助于显示，数据被分类为恒定径向的风向速度。由这个径向速度计算的涡量场是有问题的，因为它在强速度梯度的区域中包含有意义的最大值，但是在箱之间的杂散最大值也很窄。 在当前论文中绕过这个问题的方法是仅在0.5*10^-2/S或更高的范围内绘制涡量曲线。 该值大于分箱数据之间人工边界产生的任何涡量。 这种方法的局限性在于没有确定较小量级的真实涡量场; 它仅隔离强涡度极大值。 多普勒风本身也会显示出来，这样读者就可以在整个风暴环流中看到风的结构。

当然，来自多普勒风的涡度仅表示相对涡度的一个分量。 它使用以雷达为中心的圆柱坐标进行计算：

其中R代表距离雷达的距离，Vrad是一维多普勒速度，l是方位角。 使用居中差分。

陆基雷达将由TRMM降水雷达进行补充，该雷达能够在本文关注激烈小区演变的关键时刻测量风暴。 TRMM合成图像和散射在85和37 GHz也将被检查。TS Gabrielle内的强对流单体发生于9月14日0500至0900UTC之间。 在06:00 UTC计算的相关环境垂直风切变为基于ECMWF的网格分析，在13.3米/秒（Molinari et al。2006）271°。 统计飓风强度的同一小时内的两次独立估计预测方案（SHIPS）数据库（DeMaria等2005）在11.4m / s和27.3°/ 11.3m / s时给出267°。 三个估计值中的每一个都表明大的剪切强度（gt;10 m / s），Corbosiero和Molinari（2002）和Molinari和Vollaro（2010）的定义，以及环境剪切的几乎相同的方向.ECMWF

估计将在本文中使用。 来自全球模式的环境剪切估计惊人地接近那些基于少数几乎垂直风切变的核心可用的研究（Eastin等人2006; Braun等人2006; Reasor等人2009））。

Molinari和Vollaro（2008,2010）和Baker等人已经解决了螺旋性概念在热带气旋中的应用。（2009年）。 本文中的Helicity使用Davies-Jones et al。的表达式在垂直0-3 km的范围内进行计算。（1990）。 Molinari和Vollaro（2010）根据Ramsay和Doswell（2005）的程序计算单体运动。 最近的证据表明，热带气旋超级单体可能不像中纬度那样强烈地向右移动（Eastin和Link 2009）。 在本文中，将使用更保守的单体运动估计：0-6公里层的向量平均风的估计。 这个估计产生约40％的螺旋性值（McCaul 1991; Molinari和Vollaro 2008）。

1. 热带风暴Gabrielle的涡旋尺度演变

Musgrave等人 （2008）研究了TS Gabrielle于2001年9月9日的初始形成。在风暴形成之前，Gabrielle在非热带中低层低层下发展，该低层从佛罗里达向西漂移到墨西哥湾。 Musgrave等人 （2008）指出，如果没有这个特征，就不会有热带风暴发展。 因此，加布里埃尔早在其历史上就蕴含着一种亚热带风暴的特征。 Musgrave等人。 （2008年）模拟结束于9月13日。

热带风暴加布里埃尔在9月14日约12时在佛罗里达州威尼斯附近登陆之前从未开发过一个闭合的眼墙，其对流仍然不对称。 Knupp等人 （2006）和Kim等人 （2009）研究了TS Gabrielle在陆地上的降水结构。 Sharp等人 （2002）研究了风暴中心在陆地附近时在佛罗里达州发生的龙卷风。

在上述研究涵盖的时期之间，TS Gabrielle经历了剧烈的激化。在不到3小时之前，最低中心压力下降22 hPa从9月9日9时至14日。图1显示了包括快速增强在内的12小时内风暴的轨迹和最小中心压力的估计。热带预报中心的最佳轨道在这个数字中没有被使用，因为它的6小时分辨率太粗糙了。相反，图1中的轨迹给出了美国空军侦察机对每个中心过境点的最小D值（即，飞行高度压力表面的最小高度）。在UTC时间0744过境似乎显示了原始中心加上附近发展的新环流（Molinari et al。2006）;原始中心绘制在图1中。当时没有中心压力估计。图1显示了一个微弱的热带风暴，其突然剧烈增强，然后

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