海气相互作用和飓风强度变化的观测外文翻译资料

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海气相互作用和飓风强度变化的观测

JOSEPH J. CIONE

美国国家海洋气象管理局/大西洋海洋学和气象学实验室/飓风研究部门，迈阿密，佛罗里达

EVAN A. KALINA

大气与海洋科学系，科罗拉多大学，博尔德，科罗拉多

JUN A. ZHANG

海洋和大气科学罗森斯蒂尔学院/海洋与大气研究合作研究所，迈阿密大学，迈阿密，佛罗里达

ERIC W. UHLHORN

美国国家海洋气象管理局/大西洋海洋学和气象学实验室/飓风研究部门，迈阿密，佛罗里达

（手稿接收于2012年3月9日，最终形成于2013年1月11日）

摘要

最近，热带气旋浮标数据库的增强已经吸收了来自扩展的最佳路径（TCBD）和存档了1975年到2007年间的热带气旋的统计的飓风强度预测方案（SHIPS）的数据。这个信息被用来分析大尺度大气参数、径向和切向相关的大气-海洋结构与增强和减弱飓风强度的关系。这项研究的观测结果表明，在中至低层的大尺度垂直风切变的方向可以影响近表面的大气水汽条件。干燥的低层环境与北部的切变条件有关。在分开对比加强和减弱台风的分析中，在加强台风的样本中也找到了更干燥的表面条件。因为对于风暴的两个部分海温条件类似，所以在这次特定的分析中可能大气主要负责改变近表面的热力学环境（和最终的表面水汽通量条件）。

1. 介绍

在过去的20年，飓风路径预报的准确性的改善已经取得了显著的进步（DeMaria等2007）。在同一时期，飓风强度的预报仅仅略有改善（Rappaport等 2009）。对技术上有限的增长的部分解释可能是由于在飓风边界层观测稀疏，数值模式中海-气交换很难体（Marks和Shay 1998；Bender和Ginis 2000；Bender等 2007；Davis等 2008）。风暴从海洋中获取热量并将其转换成动能（即：强风）的详细过程是复杂的并且还没有被完全理解（Black等2007；Price 2009；Zhang 2010）。最近的研究表明，在某些情况下，海洋会影响飓风强度的变化过程（Shay等 2000；Moon等 2007；Yablonsky和Ginis 2008；Shay和Uhlhorn 2008；Lin等 2008，2009）。为了获得对这个强化过程的更好的理解，需要更精确的、高分辨率的在飓风边界层内的大气量度和海表面温度（SST）、大气湿度和气压（Emanuel 1999；Emanuel等 2004）。不幸的是，由于飓风边界层内通常存在极端的天气状况，因此这些观测不能常规获得。与低空载人飞行相联系的严重的安全风险也限制了在强风的飓风边界层环境下美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和美国空军侦察机的使用来进行连续、直接的测量任务。虽然最近在热带气旋中无人机系统使用的进步可能有一天会提供一种可行的方式来弥补这关键的数据缺失，但是直到现在，只有少数的无人任务成功地实行了（Cione等 2008；Lin和Lin 2008）。由于这些限制，利用几十年在热带气旋中浮标观测的努力，使得在这罕见的观测环境下通常出现的混合的大气-海洋分析的描述条件得到发展（Cione等 2000，2009； Cione和Uhlhorn 2003）。建立在这些早期的研究结果上，本次研究将记录（和对比）与增强和减弱飓风相联系的近表面的热力学条件和调查和飓风中大气-海洋结构的观测模式潜在相关的物理过程。

1. 数据和方法
2. 热带气旋浮标数据库

本研究中用到的主要数据是Cione等人（2000）最初描述的热带气旋浮标数据库（TCBD）的扩展。被TCBD使用的和国家数据浮标中心（NDBC）观测平台和环境传感器相关的误差特性和质量控制程序的信息可以在Gilhousen的文章（1988，1998）中发现。本次研究中利用的TCBD的版本（以下简称TCBD07）仍然包含近表面风和来自NDBC浮标和沿海海洋自动化网络（C-MAN）平台的热力学观测值，以及风暴位置和强度的信息（即：最大表面风速和最低海平面气压）。不像原来的TCBD，TCBD07还包括垂直风切变矢量和最大风速半径的信息（可用时）。获得的这些数据分别来自统计的飓风强度预测方案（SHIPS）和扩展的最佳路径（EBT）档案（DeMaria和Kaplan 1994，1999；Demuth等 2006；Kaplan等 2010）。海洋深度和平台到陆地距离的信息也能被发现。强度变化的估计也包含在内，并且在某些情况下，6小时到24小时的增量也可获得。相比于原来的包含从1975年到1998年的测量值的TCBD，TCBD07吸收了25个额外的飓风（ 68%）、147个额外的浮标时间序列（ 96%）和70个额外的有露点温度的时间序列（ 583%）（表1）。

表1 TCBD07更新

b.方法

表一说明了在TCBD07中总的大气-海洋观测值的数量相比于原来的TCBD翻了一倍。本研究中用到的分析将包含这个扩展数据库的一个特定的子集。因为本研究的一个主要的目标是评估飓风近表面的热力结构，所以只有在飓风条件下包含表面空气温度、露点温度和海表面温度的平台将被考虑。如果这些热力学参数中的任何一个得不到，那么所有其他相关的数据将排除在外。此外，40°N以北的平台和离风暴中心超过5个纬度的浮标观测被认为不能代表飓风环境而被排除在外。

1. 在加强和减弱阶段的大气-海洋观测

此次研究的主要目的之一是调查加强和减弱的系统间飓风中径向大气-海洋结构存在什么差异，如果有的话。为此，数据被细分成和加强和减弱飓风有关的观测。虽然TCBD07包含超过一个时间间隔的强度变化（即：6h，12h，18h和24h），但是采用6h时间段，因为它产生最大数量的用于分析的案例。虽然没有说明，但是应该指出的是采用12h时间段的话得到的是类似的结果。本次分析中，6h强度变化区间被定义在t=6h时刻的强度（kt,1kt=0.5144m/s）减去t=0h时刻的强度观测值。在t=0时刻的大气-海洋条件被分类为加强、减弱和保持不变的例子。和40°N以南观测的以及离分析风暴中心556km以内的第1545号飓风大气-海洋观测值相关的TCBD07浮标位置和风暴路径显示在图1中。位于较浅

图1.TCBD07的一个子集的浮标位置（方形）和飓风风暴路径（虚线）。强度加强、减弱或保持不变（相对于6h前的状况）的风暴例子分别表示为绿色、红色和灰色。深水浮标（gt;400m）用深蓝色表示，浅水平台则用青色。

（lt;400m）和较深（gt;400m）水域的浮标被表示为青色（深蓝色）。目前TCBD的平台概况为37%的深和63%的浅。NDBC最近增加的和战略定位的深水加勒比海平台随着时间的推移有助于调整TCBD的分布，使之更接近于50/50的分布。图1也提供了风暴强度变化的信息。路径中的绿色（红色）部分表示6h内的加强（减弱）阶段。路径中的灰色部分表示从t=0h时刻到t=6h时刻的观测中没有强度变化的稳定阶段。图2显示了来自同样为1545号TCBD07样本的和风暴相关的观测值。同图1，绿色、红色和灰色观测值分别表示与加强、减弱和稳

图2.挑选的TCBD07观测中与风暴相关的位置。距离范围环是从风暴中心以1纬度为增量向外至5个径向度。同图一，和加强、减弱和稳定状态系统（相对于6h以前的状况）相关的观测值被分别表示为绿色、红色和灰色。

定状态飓风相关的事件。应该注意的是，只有当风暴中心仍在水面上时被记录的飓风强度的变化才能被使用。加强和减弱的样本也被平均作为最大风速半径的函数。每一个径向的加强/减弱的平均速度显示在图3中。这里的（以及随后的图中的）距离是无量纲的且定义为R/R_max，其中R是观测值离风暴中心的径向距离，R_max为最大风速半径（也以km为单位并且从EBT数据库中获得）。图3（以及随后的图）中所示的平均值由于和每个径向范围相关的固有的观测差异会随着样本的变化在量级上略有不同。在图3中，加强/减弱的最小的阈值是10kt/6h。和本节中用到的数据相关的额外信息以及和分析提及相关的风暴特定信息在表2和表3中给出。

a.和强度变化相关的大尺度因子

图3中所示的和加强相关的观测组（以下简称TC-INT）相对于减弱样本（这里简称TC-FILL）而言在平均200-800mb，距离风暴中心200-800km经历了低空切变。而图4的结果只描述了径向距离大于8R/Rmax的平均垂直风切变大小的统计显著差异，这些发现和先前的研究结果一致，仍然强调了垂直风切变大小对于热带气旋强度变化的重要性（Frank和 Ritchie 2001；Paterson等 2005; DeMaria等 2005；Kaplan等 2010）。本章中的观测结论也支持早期DeMaria和Kaplan的发现：初始强度和随后的强度变化有联系。具体来说，DeMaria和Kaplan发现了强度变化和潜伏期之间的反比关系，定义为最大潜在强度（由SST决定）减去风暴的观测强度。表2中的结果表明，TC-INT风暴的初始强度[即Max V(kt)]大大低于TC-FILL样本所发现的值。实际上，初始强度的统计显著样本平均差异是在所有径向区间的两个飓风群之间。由于浮标导出的平均SST条件对于加强和减弱的系统两者来说很相似，因此这些结果支持早期DeMaria和Kaplan的发现，即强调潜伏期和强度变化之间的关系。

图3.加强（空心朝上的三角形）和减弱（实心朝下的三角形）飓风样本的平均强度变化（kt/6h）。每一个样本平均值被增加或减少一个标准差。距离被定义为观测值离风暴中心的半径除以风暴最大风速半径。最接近风暴中心开始，TC-INT样本在每个径向上的观测值的数量为28，51，61和55。对于TC-FILL的值是40，62，55和53。

b. 加强和减弱飓风的海表湿度，气温和SST分析

图5显示了TC-INT和TC-FILL样本的10m气温（Ta10）和SST的对比。图中的径向分级平均没有描述离风暴中心任何径向距离上的这两个样本中的任一变量的有意义的差异。相反地，加强和减弱系统的10m比湿（q10）的径向分布对比描述了加强系统所有径向距离上观测到的更干燥的近地条件（图6）。比湿定义为水汽质量占整个空气质量（包括水汽质量）的比重。比湿的单位（无量纲）为克每千克。图6所示为每个径向上样本平均之间差异的统计权重（百分比）。近海表观测到的大气湿度很重要，由于其会影响近表面垂直湿度（qSST-q10），而近表面垂直湿度会直接影响海表面潜热通量的大小（Hs）。见（1）式，海洋也会通过qSST直接影响Hs：

（1）

其中L_v是蒸发潜热（J/kg），C_e焓变交换系数（Drennan等 2007；Zhang等 2008；Haus等 2010），rho;是空气密度（kg/m³），U10是10m的风速（m/s）。近表面的湿度梯度（qSST-q10）以克每千克为单位。由于图5分析中加强和减弱样本的SST条件很相似，图7中近海表垂直湿度梯度（qSST-q10或“△q”）的差异几乎完全受近海表大气湿度的影响。由于不受海表风速差异的影响，观测到TC-INT样本更加干燥的条件会导致5R/Rmax内的海表湿度通量上升大约17%-27%。这些发现强调了似乎不大的差异可能潜在地对飓风环境内的表面焓通量有显著的影响。海-气差异，定义为SST-Ta10（或“△T”），在图7中显示，但是不像△q，并没有发现在TC-INT和TC-FILL样本之间存在显著差异。

Simpson（1978）提出，相当位温theta;_e在热带可能有几K的误差。从本章的分析来看，使用了一个改进的，经验得出的theta;_e的近似（Bolton 1980），其公式如下：

theta;_e=theta;_eeexp[(3.376/T_LCL-0.00254)times;1000q(1 0.81q)]

其中q是表面比湿，T_LCL是抬升凝结高度（LCL）的温度（K），theta;是表面气团的位温，单位也为K。利用以下关系式，LCL的温度精度可以变为0.1K（Bolton 1980）：

T_LCL=[2840/(3.5lnT-lne-4.805)] 55

其中T是表面气温（K），e是以毫巴为单位的水汽压。

表2. 加强（INT）和减弱（FILL）的风暴样本的统计分析和选中的特定风暴的参数比较。黑体字的“TStat”值表示样本均值之间的统计意义在95%的水平（或更高）；DTCI 6/12/18/24表示观测的6/12/18/24小时的强度变化（跟t=0时刻的强度相关），而（C）代表内核（～0-2 R/Rmax），（M）代表内圈（～2-4R/Rmax），（M2）代表外圈（～4-7R/Rmax），（A）代表周围环境（～7-10 R/Rmax）。标准差被定义为由观测数量减1的均方根除以标准偏差。

*加强（减弱）的样本的最低阈值为10kt/6h（-10kt/6h）

图8a显示了加强风暴的更干燥的表面条件和更大的最低海平面气压对theta;_e的组合影响。图8b描述了在每个径向上的TC-INT和TC-FILL的theta;_e样本平均差异。需要注意的是，在这个分析中，theta;_e是在R/Rmax=1处的出的，通过利用表2中的平均内核最小海平面气压和分别在TC-INT的R/Rmax=1.9和TC-FILL

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