热带气旋加强过程的动力特征：深对流系统气旋式“Left Movers”外文翻译资料

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热带气旋加强过程的动力特征：深对流系统气旋式“Left Movers”

Wallace A.Hogsett和Stacy R. Stewart

NOAA/NWS/National Hurricane Center, Miami, Florida

摘要：

在热带气旋（TC）的生成和加强过程中，深对流过程起到了很重要的作用。在本研究中，作者通过调节热带气旋（TC）上升切变动力条件研究了理想热带气旋（TC）涡离散上升气流和垂直切变气流在方位角方向分量之间的关系。作者从理论上提出在热带气旋（TC）最大风速半径附近初始产生的较深上升气流可能会传送偏向平均切向气流左侧的分量，或者放射状向热带气旋（TC）中心传播。结果表明，这种在热带气旋（TC）中与平均方向角气流相关的特殊上升气流，又称为“Left Movers”，可能在热带气旋（TC）加强过程中起到主动作用。

上升气流尺度的对流系统可能存在与平均气流相切的分量。就此观点，前人已经有了一些发现。气旋式中纬超级单体风暴常常存在从平均环境气流中偏移的现象，偏移方向通常是向环境垂直切变气流的右侧。这种偏移现象的产生是由于初期上升气流和环境垂直切变的非线性关系导致的。虽然这里考虑的理想热带气旋（TC）与真实热带气旋（TC）之间存在着一定的差异，但观测的和高分辨率模式模拟出的结果都表明一些强热带气旋（TC）的上升气流可能会存在放射状向内和向右切变分量，并且显示的结构特征与理论一致。

作者们提出，在热带气旋（TC）最大风速半径，即热带气旋（TC）方位角风速的局地垂直切变最大的地方，附近容易产生包含一个强热带气旋（TC）上升气流的特殊“Left Movers”。为了更真实地模拟这些“Left Movers”，必须要解决中尺度热带气旋（TC）预报模式中上升气流和垂直切变之间的非线性关系问题。

1. 介绍引入

热带气旋（Tropical cyclone， TC）的强度突然发生变化通常会导致大尺度天气预报发生错误（Rappaport et al. 2009）。对于没有做好TC登陆准备的沿海居民来说，TC的急速变强（Rapid intensification, RI）是非常危险的。而对于TC预报中心的预报员们来说，TC的急速变强（RI）是一个巨大的挑战。加强对RI的预报能力是飓风预报提高项目（Hurricane Forecast Improvement Program，HFIP）一项最基本的目标。

在对TC特殊动力模式进行更高精度改革使得预测的路径更准的同时，预测TC强度的能力也有了一定的提高（Cangialosi和Franklin. 2011）。限制动力学模型强度预测的因素包括处理小规模物理过程时物理参数化不足（Sampson et al.2011）、有限的观测数据和过粗的网格间距以致无法完全处理对流过程。一种对小尺度物理过程更加完备的理解是TC内部眼区是模型和强度预报的共同先决条件。

通常，最强的风与成熟TCs发生在眼壁附近的低对流层，风速的大小一般随高度和半径的增加而减小。众所周知,随着TC加剧，与眼壁状态密切相关的最大风速半径（RMW）往往会收缩（Shapiro and Willoughby 1982；Willoughby 1990）。眼壁收缩是一种经常能被观察到的过程（Black and Willoughby 1992；Corbosiero et al. 2005）并且近期已经有模式运用高分辨率成功模拟云中过程（Liu et al. 1999；Chen et al. 2011）。然而，尽管它是建立在眼壁收缩的基础上,收缩的动力过程还有待探索。

很多TC类似眼壁收缩的演变特性可以在一个轴对称的框架中研究（Willoughby et al . 1984），但我们早知道，不对称的深对流现象通常会在TC强化过程中发生并且对其强化起到一定作用（如，Riehl and Malkus. 1961）。Hendricks et al.（2004） 提出了“旋涡热塔”（VHT）来描述在发展中TC附近特别强，特别深的螺旋式活跃的对流上升气流。“旋涡热塔”（VHT）是TC普遍存在的特征，而“旋涡热塔”（VHT）能使大量垂直涡度在上升气流中伸展产生，因此“旋涡热塔”（VHT）通常被认为在TC产生和强化过程中起到重要作用。不仅会在TC产生阶段产生这样强烈的上升对流爆发，而且在TC急速加强（RI）阶段也会产生(Black et al . 1996；Guimond et al . 2010)。

尽管许多模式和观测的研究都会研究发生在TC内部核心的“旋涡热塔”式的对流爆发，但很少有人关心上升气流尺度动力过程和TC演变过程之间的关系(也就是，TC的强化过程是一个较为复杂的多尺度问题)。TC的核心仍然是一个极其难以观测的位置。因此，尽管飞行器和卫星可以观测到这些生命史很长的深对流爆发，但有限的可用观测数据还是不足以让人们完全了解他们的演变过程。

这项研究特别重要的是，当正在加强的TC附近有强烈的上升气流发展时，它们通常都是处在一个垂直切变涡流尺度的环境中。换句话说，在热心的旋风中，对流层底部的切向风要比中上层的切向风大。众所周知，较强的垂直切变能使上升气流偏离平均环境气流从而通过与切开的环境气流发生非线性作用产生强烈的旋转，因此足够强的垂直切变是影响上升型湿对流发展（比如，Klemp，1987）的重要因素。为了弄清这些中纬度超级单体风暴的发展过程，科学家们已经做了很多研究了。

事实上，关于TC周围的超级单体风暴，无论是登陆前（比如，Eastin and Link，2009）或登陆后（比如，McCaul，1991），都已经有了相当多的研究了。这些研究已经发现了TC雨带超单体和中纬度超单体之间有一定的相似，但是TC周围产生的超单体通常深度较浅（McCaul，1991）数值模拟后的结果显示这些小规模超单体（Eastin and Link，2009）的动力过程和中纬度的超单体很类似（McCaul and Weisman，1996）。

然而，可能是研究强化过程中TC经过洋面内核变化的观测工具过于有限，因此对于内核中深对流上升气流（Houze，2010）可能会影响TC强度变化（Vigh and Schubert，2009）这点并不是很了解。TC内核中的对流经常会发生在眼墙区域百分比较小（Riehl and Malkus，1961；Braun，2002）但是正在扩张（Riehl and Malkus，1958）并且overshoot（Monette et al.，2012）的深对流爆发对流层顶中。

在这项研究中我们的目标是关于TC内核中上升深对流的物理持续过程提供一个新的见解。为此，我们将Klemp（1987）总结的上升气流切变联系理论扩展至TC内核区，并根据其可能产生的作用提出了TC强烈上升气流影响强度的分类。我们重点关注在眼壁和最大风速半径（RMW）附近已经对涡流旋转向上起到影响的强烈上升气流（Hack and Schubert，1986；Vigh and Schubert，2009）。通过重点观察上升气流和当地环境，我们试图阐明这些TC内核演变的神秘特点。

本研究内容归结如下。随后的部分是在回顾中纬度上升气流中上升气流与切变间相互作用的前人研究。而第三节扩展了中纬度TC上升气流与切变间相互作用的动力框架并提出垂直热塔（VHTs）在TC加强过程中可能的作用。最后一节讲述了相关讨论和对预测的影响。

1. 对流切变的上升气流

在本节中，我们将在理解了在中纬度单向切变中上升气流的发展（Rotunno and Klemp，1982；Weisman and Rotunno，2000）前提下回顾理想化的上升气流动力学。由于简单的状态是相关动力过程的起源，因此我们先讨论单向垂直切变。Klemp（1987）概述了旋转上升尺度雷暴形成和演变的物理过程。

虽然现有的文献大多使用笛卡尔坐标，但我们这里将使用便于与TC相比较的圆柱坐标系来描述上升尺度动力学。在此体系中，我们可以将北极看做原点（图1a ）并想象有一向东移动并有半径固定的向下传播分量的上升气流。任何向北（南）的偏差可以看作是径向向内（外）。在中纬度的图中圆柱坐标系的方向与笛卡尔坐标系中的方向是一致的。当然此坐标框架仅仅为了做一个简单的演示，因为这个框架并没有考虑地球曲率的作用。Rotunno和Klemp（1985）在忽略了摩擦、地球的自转、密度梯度和垂直涡度（）后提出了圆柱坐标方程：

， （1）

其中，

并且，

，

在这里，、和分别是径向上（）、方位角方向上（）和垂直方向上（）的速度分量，是水平涡度矢量，是半径。

这里我们只考虑单向方位角气流量级大小随高度增加而增加的理想情况，垂直切变向量直接代表所有层次方位角方向（向下）。假设一个新生的上升气流与平均深层方向角方向气流大致一致，底层(上层)风比上升气流的气流速度要慢（快）。因此，上升气流将从向方向角下方流动的方向获得一个入流，同样上升层也会有个出流回到方向角向下的方向（图2a）。

对流层的特点是有径向向内（例如，向北）的，由方向角方向风垂直切变产生的水平涡度线。假设上升气流在环境垂直涡度可以忽略不计的环境中发展，（1）式中右侧只有第一项的Eq。最初水平涡度切变线倾向于垂直后产生了垂直涡度倾向（图2a）。这种水平涡度倾斜在上升气流的南侧（北侧），也就是在垂直切变向量的右侧（左侧）制造了局地最大的气旋（反气旋）。我们需要注意，由于环境场中没有垂直涡度，主上升气流自己不能凭空获得垂直涡度。Wilhelmson和Klemp（1978）表明，水平涡度的上升倾斜通过将（1）式中在圆柱坐标系中的线性风Eq项线性化成为超级单体风暴中层旋转产生的主要机制，

. （2）

当主上升气流的反向旋转达到成熟期时，在主上升气流中层的侧面会倾斜产生旋涡，中层的旋转会在动力上诱导中低层从上升气流的两侧产生压力（Rotunno and Klemp，1982）。因此在倾斜对中，无论是气旋还是反气旋里，上升气流的增长都会同样加强。每对新生的旋转上升气流（一个气旋和一个反气旋）都可能会通过伸展将最初由倾斜产生出的旋涡放大，并且开始传播垂直于切变向量的分量（同时此向量也碰巧垂直于与切变向量平行的平均气流）。

图3a依据Weisman和Klemp（1986）的模式展示了线性切变上升气流（最初0-5千米切变大约40米每秒，上升能量是2200焦每千克）随时间分裂的过程。气旋的上升气流传递指向切变向量右侧的分量（方向为坐标框架径向向外），同时反气旋的上升气流传递指向切变向量左侧的分量（径向向内）。这些分裂的气团在中纬度经常能够被观测到（Bluestein and Sohl，1979）并且传播大体与平均垂直切变向量为镜像关系（Browning，1968；Wilhelmson and Klemp，1978）。在此理想方案中，尽管分离的部分都进行着反向旋转运动，但他们都在逐渐加强。观测的偏离运动大约出现在平均气流向量附近的30°左右（Maddox，1976）。最近已有一些研究为了估计上升气流中速度矢量的运动开发出更加复杂的运算方法（例如，Bunkers et al.，2000），但他们已超出本文的研究内容。

当镜像上升气流相互分开时，它们运动的方向逐渐与平均气流相垂直。这种偏离运动较为不利，因为相对的上升气流不再是线性的，并且会卷入暴雨云结构中演变、长存。图4a中可以看到每个上升气流和相应的相对上升气流的向量。向左（右）移动的气团随着环境流场随高度顺时针（逆时针）旋转（在图4a中细箭头可见）。底层上升气流从东南方向流入气旋性右移上升气流中，中层的上升气流是南风，而上层的上升气流是西南风。相对的上升气流与雷达反射率图（图3a中的“RM”）相符合，在图中可看出有个向东南方向的入流缺口和反射率峰值东北侧大片的云砧降水区。因为上升气流包含一个穿透整个对流层的南风分量，峰值反射率梯度最大的区域出现在南方，或在主上升气流降水区的边缘呈放射状向外。

反气旋分裂结构可以通过将相对的上升气流和理想雷达反射率结构进行相似比较来理解。Lemon和Doswell（1979）对这个传统超级单体结构进行了包括三维气流和上升气流寿命定义的更完整描述。在第四节中，我们将重述中纬度超单体结构和TC结构的其他观测特征，包括侧后下沉气流（RFD）和有界弱回波区（BWER）。

让我们回顾一下上升气流的初始阶段，相对的上升入流从向下方位接近分裂前的上升气流（见图2a），并且

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