拉格朗日框架的中纬度深对流系统的生命周期外文翻译资料

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拉格朗日框架的中纬度深对流系统的生命周期

Zhe Feng,^1,2 Xiquan Dong,¹ Baike Xi,¹ Sally A. McFarlane,² Aaron Kennedy,¹ Bing Lin,³ and Patrick Minnis³

1 美国北达科他州大学大气科学系，美国 北达科他州 大福克斯

2 美国太平洋西北国家实验室，美国 华盛顿 里奇兰

3 美国宇航局兰利研究中心，美国 弗吉尼亚州 汉普顿

（2012年6月29日投稿，2012年10月12日修改，2012年10月15日录用，2012年12月1日发表）

深对流系统（DCS）由强对流核心（CC）、大型层状云降水（SR）地区，和广泛的非降水云砧（AC）组成。这项研究主要集中在这三个组成部分的演变以及影响系统寿命和AC产生的因素。用自动卫星追踪的方法，结合使用最近开发的多传感器混合分类，来分析在美国中部拉格朗日框架的DCS结构的演变。综合分析在两个暖季（5 - 8月，2010 - 2011年）追踪的4221个DCS表明，系统的最大尺寸与寿命有关，而寿命更长的DCSs具有更广泛的SR和AC。对于短中期系统（寿命lt;6小时），其寿命主要取决于初始对流的强度。持续时间超过6小时的系统与高达50％以上的对流层中层相对湿度和高达40％以上的对流层中上层风切变有关。通过增加层状云和对流强度峰值之间的交错时间表明，这样的环境让分离的水凝物通过沉积持续增长，支持SR和AC区域的进一步发展，从而延长了系统寿命超过6小时。回归分析表明，厚AC的面积覆盖率是强烈与CC的大小，上升气流强度，和SR区域相关。对流层上部的风速及风切变环境也对对流AC产生起着重要的作用，在有大型AC（半径gt; 120公里）的系统里，他们分别比那些有小AC（半径=20公里）的系统高出24%和20%。

1. 介绍

深对流系统（DCS）是一个连续的高云盾，由活跃的深对流核心和卷云砧顶组成。对流内核产生强降水，并给对流层上层提供水汽来维持DCS层状云降水和非降水云砧[林等人，2007]。砧云盾控制DCS辐射收支，由于其较大的空间覆盖范围。

因为他们大面积覆盖，所以需要卫星观测来检测DCSs的辐射影响，和研究对流集群的生命周期[Machado和Rossow，1993；Del Genio和Kovari，2002；Feng等，2011]。威廉姆斯和厚泽[1987]在冬季季风试验期间开发了一种利用地球同步卫星数据来研究西太平洋大陆云团的目标追踪技术。Pope等人[2008]用多年的日本气象厅地球同步气象卫星-5红外（IR）数据追踪和研究了在澳大利亚北部及周边海域的中尺度对流系统（MCSs）的演变。他们发现MCSs的最小亮度温度缓慢下降当它们的尺寸大小在其成熟的阶段达到最大值时，这表明在那个阶段的面积增长是由于云砧的形成所导致，尽管他们不能单独使用红外数据来确定卷云砧的数量。Futyan和Del Genio [2007]用地球同步气象卫星-8卫星数据来识别和追踪在热带非洲和大西洋地区的有组织的对流系统，然后将这些卫星数据与来自热带降雨测量任务（TRMM）卫星的资料以及基于其相关生命周期阶段的复合垂直结构相匹配。他们发现，非洲风暴在其发展阶段与频繁的雷电对流活跃，而在它们消散的时候演变成更多的层状结构。一般来说，强风暴比弱风暴具有更大的云尺寸，更大的厚度，和更长的持续时间。他们推测对流强度可能是一个有用的统计指标用于中尺度动力学还未解决的用大气环流模式（GCMs）来模拟DCSs的最终尺寸。

在中纬度地区，特别是在美国，在暖季（5- 8月）发生的DCSs经常与各种各样的灾害性天气事件和显著降水有关。Maddox[ 1980 ]首先注意到一个特定类型的持久MCS，称为中尺度对流复合体（MCC），常发生在美国中部，发展到巨大的地域范围，经常持续超过12小时。McAnelly和Cotton[1989]综合分析卫星红外和地表降水资料显示平均降雨强度在卫星红外定义的生命周期中更早地达到最大值，类似于Kane等人所示的结果。Jirak等人[ 2003 ]利用卫星和雷达资料比较了暖季的几种类型的MCSs，发现细长的MCSs是最常见的，并且是最有可能与恶劣天气和最强降水有关的。这些系统除了通过灾害性天气对社会造成影响之外，还通过其对水循环和云辐射强迫及其反馈的影响来调节气候系统。尽管他们很重要，但大多数GCMs不能正确地模拟暖季大陆降水的昼夜循环[Dai, 2006 ]，一部分原因是由于缺乏中尺度组织产生广泛的层状云降水，防止DCSs的生命周期扩展超出对流活动单体的衰减时间[Del Genio等，2012]。这个误差可能会显著影响DCSs在GCMs中的云辐射反馈。Feng等人 [2011]发现在美国南部大平原上的DCSs中的层状云降水和云砧从深夜到清晨有最大的覆盖范围，而云砧是夏季TOA辐射收支的主要贡献者。DCS层状云降水和云砧的时间和程度误差可能会导致不正确的日强迫由于不正常的云辐射反馈。

这项研究的重点是美国中部DCS云的生命周期，尤其是从对流到层状云砧结构的演变，以及控制对流砧产生的因素。前人通过对各种热带地理位置的DCSs的研究，发现了很多相似之处在云的生命周期方面[Machado等，1998；Machado和Laurent，2004；Kondo等， 2006；Futyan和Del Genio，2007；Pope等，2008]。如果这些特性也适用于中纬度地区，这样的“万能”的性能将会为未来的大气环流模式（GCMs）参数发展提供有益的启示和影响。新一代雷达 (NEXRAD)网络和常规可用的地球同步运行环境卫星(GOES)数据在美国大陆的大范围覆盖是研究中纬度地区DCS生命周期的宝贵观测资源。通过实施一个卫星云图追踪方法，以及由Feng等人[ 2011 ]开发的混合分类法，分析拉格朗日框架下DCS主要成分的演变来研究中纬度DCS云的形态。第2节介绍了在此研究中使用的数据集和方法;第3节讨论了DCS结构的演变。第4节研究了影响云砧形成的因素，最后，在第5节给出了总结和结论。

2.数据和方法

在这项研究中所使用的数据集类似于Feng等人，[ 2011 ]：在美国中部（25–40°N，80–105°W），2010和2011年两个暖季（5–月）的新一代雷达和地球同步运行环境卫星的观测资料。然而，这项研究的重点是DCS生命周期，而前一个是TOA辐射收支。

新一代雷达数据是从国家马赛克和多传感器定量降水估计（QPE）系统（NMQ）中得到的[Zhang等人，2011]。从美国本土所有的NEXRAD雷达反射率数据进行质量控制，客观地投射到一个统一的三维直角坐标网格。在QPE产品中提供的瞬时降雨率数据来源于利用对流，层云和热带雨林类型的Z-R关系。NMQ三维镶嵌反射率数据集有一个固定的0.01°(~1km)水平分辨率，一个高达18km以上平均海平面的0.5km垂直分辨率，和5分钟的时间分辨率。GOES云产品是使用为美国航空航天局云和地球辐射能量系统（CERES）项目开发的算法检索得到的[Minnis等人, 2008, 2011]。在这项研究中所使用的GOES云的属性是10.8mm通道的亮度温度（T_IR），云顶和云底高度的像素分辨率约为4.5* 10km，时间分辨率为30分钟。

在这项研究中使用的三维温度，湿度，风场是从美国国家环境预报中心（NCEP）北美区域再分析资料（NARR）获得[Mesinger等，2006]。NCEP NARR数据集在北美域有3h的时间分辨率，32km的水平分辨率，和45层垂直分辨率。NARR使用当前的NCEP ETA模式及其三维变分数据同化技术通过准确地同化降水以提高NCEP再分析资料 [Kennedy等人，2011]。使用NARR数据集的目的是调查与DCS发展相关联的大尺度环流和湿度变化，而不是分析由于其空间和时间分辨率引起的对流尺度特征（例如，上升气流速度）。

Feng等人[ 2011 ]开发的多传感器混合分类技术被应用于相应的NEXRAD和GOES数据集。这种技术联合分析了配置的三维NEXRAD反射率的结构和GOES T_IR领域来客观识别DCSs，然后将DCSs分为对流核心（CC）、层状云降水（SR）和云砧（AC）几部分。相较于仅使用卫星T_IR阈值来定义DCS，分离对流核心和云砧的以往研究，混合分类方法避免了把非对流冷卷云误认为DCS，并明确将SR，厚的和薄的非降水Acs与CC分离开来。这尤其适合调查他们的生命周期,因为这些地区之间的动力学和微观物理学的性质是截然不同的。正如Feng等人[2011]所说，GOES像素涉及到1公里分辨率的NEXRAD雷达数据。

为了获得DCSs形成的环境，3小时NARR数据集在使用时，可以与通过混合分类识别的DCSs相配置。例如，在研究领域内，如果一个DCS在00 UTC时形成，08 UTC时消散，这个DCSs的环境条件可以在00，03和06 UTC时从NARR中获得。而NARR不提供所有的DCSs环境条件，通过合成大数据样本与给定的寿命或AC区域的DCSs相关的总体环境条件能够获得每小时的时间步骤。时间配置NARR风和湿度廓线在单个DCSs内平均，并保存用于进一步分析。

自动卫星追踪法被开发来研究DCSs的生命周期通过追踪系统的演变，随后与混合分类中CC，SR和AC区域相应的分类合并。这种追踪方法类似于Williams和Houze [1987]、Futyan和Del Genio [2007]所描述的，是基于逐时GOES T_IR资料的巧合重叠。每个T_IRlt;235K的连续多云地区是用来定义一个用于追踪的冷云系统。只有最小面积为400平方公里（~8个GOES像素）的冷云系统才能通过算法被追踪到。一种二次T_IR临界值（215 K），用于识别强低温红外温度的区域，称为冷芯。冷芯和冷云都被用于追踪对流系统。如果在两个连续的T_IR图像内，云系统的自身重叠超过50%的地区，这种云系统被视为同一系统和它的轨道持续。对连续的逐时T_IR图像进行反复追踪。敏感性试验表明，改变冷云T_IR和面积重叠阈值不影响任何结论。

重叠的比较，是对在时间上无论是向前还是向后的所有有重叠的云系统进行的。如果一个云系统在任一追踪方向上满足重叠的要求，它被认为是相同的系统。当两个或多个系统合并在一起时，假定最大重叠系统继续而较小重叠系统被终止。类似地，当一个云系统拆分成几个较小的系统，最大的重叠片段继续保持原始系统的特性，较小的重叠片段被标记为新形成的云。合并和分裂过程被记录为每一个时间步长，因此在其生命周期中的合并或分裂的系统，在进一步分析中能够被识别。

为了通过他们的生命周期追踪DCSs并把与DCSs相关的AC大面积覆盖合并，追踪冷云随后向外扩大到T_IR可达270 K，由混合分类定义[Feng等人，2011 ]。通过匹配追踪冷云与混合分类，能够获得以下分析所需要的与每个DCS相关的降水生命周期和云结构。

图1所示为由自动追踪方法在2010年6月14-15日追踪一个与CC，SR和AC区域相应分类的DCS生命周期的例子。注意AC代表在混合分类中由 NEXRAD和GOES 数据定义的所有三砧类（即过渡、厚、薄砧[Feng等人，2011 ]，是多数与DCS相关的云砧的特征。该系统最初在1715 UTC被发现，在接下来的10小时规模不断增大。在2215 UTC，系统开始分离成两部分，最终在2010年6月15日0015 UTC，相对较小的系统在俄克拉荷马州东部从主系统分开，并在0115 UTC开始一个新的追踪系统（不属于这个系统，因此没有显示）。该系统的成熟阶段（2010年6月15日0215-0615 UTC）体现了龙头CC（红色）和尾随SR（绿色）的飑线结构，具有与外围AC（蓝色）相关的广泛区域。系统在0715 UTC开始消散，追踪最后终止在2010年6月15日1315 UTC。像MCS这种特殊系统在其生命周期中，一边发展和成熟，同时也在德克萨斯和奥克拉荷马的边界之间缓慢东移，并被自动追踪方法捕获。

图1 研究领域内由自动追踪方法追踪的对流系统的生命周期；时间从左到右增加，每个图像代表一个小时；颜色代表混合分类给出的区域

雷达反射率已广泛用于表示对流上升气流的强度[Houze等1990；Steiner等，1995；Zipser和Lutz，1994]。对于每个被追踪系统，几个对流强度（CI）指数是从NMQ雷达数据集计算出，即对流核心的平均瞬时降雨率（PR_CC）和层状云降水区（PR_SR），45反射因子分贝轮廓在CC的最大高度（H_45dBZ代表强上升气流，如Zipser等[2006]所示），8公里高度处反射率大于30 DBZ的区域的等效半径（R_CC8-km，代表强烈对流核心的大小，与 Rickenbach等[2008]使用的一样）。

图2显示了一个追踪DCS及其从混合分类获得的相关云顶温度，CC，SR，和AC特性在其生命周期中的演变的一个例子。根据 Futyan和Del Genio [2007]的生命周期阶段定义用DCS等效半径和红外温度的演变来定义三个阶段（发展、成熟和消散）。当一个系统被检测和追踪到，在达到最小红外温度之前，该系统被认为是垂直生长，并定义为“发展”阶段（图2b）。随后的时期被认为是“成熟”阶段，当系统达到最小红外温度后继续增大直到达到最大（图2a）。“消散”阶段是指在成熟阶段之后，当系统

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