TRMM降水雷达观测到的热带气旋的垂直结构外文翻译资料

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TRMM降水雷达观测到的热带气旋的垂直结构

DEANNA A. HENCE 和ROBERT A. HOUZE JR.

华盛顿大学,西雅图,华盛顿

(手稿收到时间2011年11月30日，定稿2012年3月21日）

摘要

TRMM PR十年的观测数据向我们展示了热带气旋雨带的垂直结构，雨带有两层结构，融化层把它们不同的模式。冰层的粒子从眼墙进入，当对流单体消亡时从高层流出。这种分层在风暴内部区域最明显，随着风暴的增强而增强。眼墙的流出物限制内部雨带的垂直结构，但任然是强的嵌入式对流单体和强盛的层状降水，使得气旋更加强大。

雨带覆盖率的变化、垂直结构和活跃的对流表明雨带的性质的变化区域主要再出入口之间半径200公里左右。雨带由比内部雨带更加具有对流性的零散降水和对风暴强度不敏感的外部雨带组成。主次雨带受风切边的影响。风切变的右象限包含新的对流，而左象限的雷达回波主要是层状结构。雨带的非对称结构随着环境风切变的增强而增强。冷洋面使雨带变为非对称结构。

1、介绍

不同大小的雨带通常有一个螺旋状成熟的气旋中心，显著的特征就是这些雨带中的主雨带，固定且复杂（Willoughby等人1984；Willoughby 1988；Houze 2010），命名的复杂倾向主要是相对于风暴中心的同一个地方。固定复杂的雨带又内核次雨带组成（这些雨带通常向内呈放射状），和气旋环境下形成的组织松散的次雨带构成。这写研究强调雨带的水平结构，但垂直结构是老姐动力机制的关键。

个例研究已经观察到雨带的部分垂直结构和动力特征，具体来说，逆风具有对流性，下风方向为层状结构（Atlas等人1963；Barnes等人1983；Hence 和Houze 2008），对流单体具有一个类似眼墙向外倾斜的结构（Barnes 等人1983，Powell 1990，Hence 和Houze 2008）和截然不同的为物理结构，以及内部到次雨带具有带电性质（Black 和Hallett 1986; Molinari 等人 1999），雨带的运动、动态和热力学机制可能会影响整个风暴进化。Powell 1990a,b; Samsury 和Zipser1995; May 和Holland 1999; Franklin 等人2006; Hence和Houze 2008; Didlake 和Houze 2009）。

研究表明次雨带的起源可能来自罗斯贝涡旋波的传播（(Montgomery 和Kallenbach 1997; Corbosiero 等人2006).尽管威洛比等人认为主雨带标志了暴雨内部和外部环境的界限，但动力机制仍不清楚。然而最新的理论表明，一旦雨带变复杂，它在风暴的动力机制中将扮演重要角色(Montgomery 和Kallenbach 1997; Chen 和au 2001)，尤其是形成同心眼壁的时候（Terwey 和Montgomery 2008; Judt 和 Chen 2010; Qiu et al. 2010)

案例表明，研究的目的是统计雨带的垂直结构是如何分布在典型热带气旋内部的。我们收集的数据来自位于大西洋西北部和太平洋盆地的TRMM 降水雷达（TRMM PR; Kummerow e等人1998）1997—2007年的数据，尽管TRMM只能给定指定地区每天2-3时次的数据，但是十年的样本数据任然能提供风暴结构的特征。TRMM PR的垂直降水数据表明其他卫星数据不可用。我们用数据来演示眼墙结构（Hence 和 Houze 2011）以及被取代后生成的新眼墙（Hence 和 Houze 2012），结合两篇以前的论文,本研究检查在眼壁地区之外的雨带。

第二部分为数据和方法的分析，第三部分展示了典型雨带的结构图分析，这个示意图提供的可视化的数据点在后续章节中给出详细介绍，第四部分给出雨带的统计特征和眼墙结构对比，五六部分将详细介绍雨带的垂直结构回波，由径向距离和方位象限相对风切变的函数给出。七部分检查风暴和环境对雨带结构的影响。八部分综合分析结论并得出结果。

2、分析数据和方法

我们用6 2A25 版本的TRMM PR 的雷达反射率获得三维图。降水雷达最小分辨率250m,使得估计降水垂直结构较为准确。215 - 247公里宽度(前/后轨道高度的增加发生在2001年8月),大约每天两次抽样(对定的一个位置)提供研究热带气旋的路径。水平分辨率为4.3/5公里(之前/之后），因为这项研究的重点是降水的垂直结构，水平分辨率的变化并不影响显著结果，然而，大的宽度正好提供了更完整的风暴视图。

表一，单独分组和每组路径的总数

随着Houze等人 (2007)的研究，我们重新映射降水雷达反射率高层地理数据经过小修改后应用到笛卡尔坐标中。可使用的数据可以来自国家气候中心斑马软件Corbet 等人1994; James 等人2000),便于通过高度图计算波状外形的频率(CFADs;Yuter和Houze 1995)。CAFDs个体数据如表一所示。这些数据根据TMMM 6 2A25版本的产分为对流和层状类。值得注意的是对流类和层状类的动态定义(Houze 1997)更适合中小尺(Houze 2004)度而不是热带气旋。然而，我们用来识别雷达回波特征的做法跟以前一样(Hence 和Houze 2011).

生成的CFADs ,反射率的精度在笛卡尔坐标中为0.25公里高度/1 dB，仅使用最小检测雷达的反射率（17-18dbz），CFADs概率分布表明，在降水雷达垂直分辨率上，从各种渠道收集的数据在一种单独的情况下具有优势。在每一个CFADs的原始高度，平均值，彼岸准差，偏斜度和峰值都会过大。这样做的目的是规范CFADs的最大频率来批量删除给定数据子集的雷达回波影响，以及计算CFADs带来的同样量级的最大值，从而改变形状的分布Houze 等人 2007;Hence 和 Houze 2011, 2012).。更完整的讨论在 Hence 和Houze (2011)的研究中。

本研究使用的风暴中心，强度，方向，速度，言情，直径等的数据来自国际最佳跟踪气候管理档案(Knapp 等人2010)。研究中我们注意到在1997-2007年的数据中，风暴在大西洋和西太平洋区域，在整个生命史中可达到4级（59–69 m/s; Saffir 2003)或5 寄(.69m/s),分析得出，TRMM观测的风暴强度至少是1级（最大持续风gt;32m/s).SST数据来自NOAA和CLASS,数据的分辨率为50KM，是来自每周两次8KM全球海温红外观测，海温数据在风暴3°以内变化。TRMM 线性插值到各个路径中故居条件和风暴位置。样品是按风暴状态给出，所有的渠道包括这项研究中TRMM的TMI的宽度（Kummerow等人 1998; 760 km 之前，878 km 后增加).TMI 37-和85-GHz，PR的数据用来检测眼墙的直径，在破碎的眼墙回波覆盖的情况下，直径是基于圆弧或椭圆在内部边缘表现出来特征。对于一个椭圆眼壁，主次轴平均由眼壁来定义眼墙大小。对比PR数据和TMI 数据来比较风暴中心路径，如果有必要，我们将手工转换中心数据的分析和降水特征的结合。

分离的雨带的特征，检查了371路径的单一眼壁个例在Hence 和Houze (2012)的研究中，并且不包括任何同心眼壁的粒子（为了避免避免错误地识别次眼壁雨带）。风暴中心和眼墙直径确定了眼睛半径Re，标志着内边界1区域，随着Hence 和 Houze (2011)研究，风暴被分为一系列增加的环形直径。通过假设45°眼壁斜率定义了远边缘的R1（Marks 和Houze 1987) ，流到对流层顶定17公里(Jordan 1958),Re=R1 17km.根据它们的边界，随后定义其他的环，R的倍数：R2=2R1，R3=3R1..R9=9R1.主要集中在3-9区域的环。3个内区域的分析在Hence和 Houze (2011, 2012)讨论中。

该研究还用象限分析了风暴不同特点。象限的变量是850-2000hpa的风切变。由NCEP计算得出风暴中心没一点在500-750hpa的数据，850hpa的风切变减去200hpa，避免风暴环流的影响。这些切向量创建平均切向量使用上述插值法插值，估计风切变，定义象限随着而平均切向量逆转。

进一步对这种技术的描述和说明地区和象限的例子在Hence and Houze (2011)，垂直结构变化相对风暴平移小于风切对其的变化。为简单化，研究只着眼于更大风切变，在Chen等人和之前的研究，其相对于降水非对程结构是一致的。因此，我们认为这项研究中描述的垂直降水结构是一样的使得降水非对称。

3、热带气旋雨带的图解模式结构

图1和图2是典型风暴的水平和垂直结构，与TRMM PR数据一致，可作为本文的参考。图显示半径边界3-9区域，其中3-5为内核，6-9为外核。内核手涡旋影响，外部是涡旋。示意图中，虚线标志内外边界，原理图也表明环境风切变的来源，这是决定风暴特性的主要因素，象限的定义为相对风切变的方向。

图2，基于雷达信号建立典型气旋的内雨带和远雨带。阴影的值依次为30,35,40,和45dBZ.小的飓风符号代表气旋中心。反射率的第一个环代表眼墙（1区）对流单体的大小代表成熟程度，虚线边界表示消亡的单体。虚线圆圈代表内雨带和远雨带的边界。虚线箭头表示环境风切变。直线AB是图2理想化的横截面。

图1和2并没有呈现雨带的个性特征或一定尺度的对流特征，因此不可能从数据分离其特征，相反，大部分复杂的雨带概念隐藏在统计分析之后，大的阴影代表主次雨带。在外核，复杂的雨带是TC周围螺旋状的对流单体。正如Houze(2010)描述的“较远雨带”，越接近风暴中心，反射率更大，回波覆盖更连续，更多的层状降水，尤其是顺风地区。内外核交界处，对流激烈频繁，回波在最深处消亡。眼墙最近的雨带是厚的层状降水，宽度均匀，伴有弱的对流降水，眼墙（1区）显示为强度连续的非对称对结构，与Hence 和 Houze (2011, 2012)研究一致，未给出。

图1 ，雨带的非对称考虑环境风切变（示意图顶部），在外核，右象限的对流最强，在上切象限紊乱的对流单体在UR组成更大的雨带，移动时沿雨带的低层等成熟，并在雨带边缘，一旦到达DR象限，就达到最大强度开始消亡。虚线所指的是反射率峰值，在DL,消亡的单体导致强烈的层状回波，持续到UL象限。

图2 显示了里相互垂直截面沿图一AB路径，由TRMM PR观测到，显示了云轮廓及回波垂直分布，在左切变一侧，在融化层亮带，雨带内部回波为层状和雷达回波一致，In Hence 和Houze (2011, 2012)研究中，发现眼壁的左切变强烈， 在高层产生小冰晶向外围绕风暴旋转，眼壁的对流同样强烈，但不如左切变一侧，冰云垂直和水平程度低，雨带右切变也有强烈对流，尤其是内部边缘（Barnes 等人1983; Powell 1990a,b; Hence 和Houze 2008; Didlake 和 Houze 2009)。降水物分离边缘对流和其它单体，层状降水占主导地位。

图2.图1中直线AB理想化界面。圆齿状区域代表了与边界的对流特征。阴影值为25,30,35,37.5,和40dBZ.两边的箭头代表冰粒从眼墙流出。

图3.TRMM PR数据CFAD 1998-2007年,风暴最大达到4或5级的强度（CAT12345，见表一），（a）眼壁(1区），（b）内雨带（3-5区），（c）远雨带（6-9区）。轮廓代表相对于CFAD展示的最大绝对频率发生的频率，5%，纬度是海拔高度(公里 MSL)相对于地球椭球面。纵坐标是高度（250m),横坐标是反射率（dBZ;1 dB)。8 km和25 dBZ层次是黑实线，5km和30dbz是黑虚线以供参考。20%，50%，80%轮廓是黑色供参考。

下面看到TRMM数据符合这个模型,它们提供了的每个地区的风暴的细节回波结构。

1. 一般雨带和眼壁对比

雨带不同于眼壁的强度，深度。如Hence 和 Houze (2011)讨论中，雨带是由各层较深的高频对流和在高海拔地区出现可检测的反射率值所识别。眼壁回波更强，但高度叠加的不连续的回声指的是结构，研究中，所有风暴眼壁的反射率在CFADs数据中都可见到该结构（图3a）。

雨带的CFADs和眼壁的CFADs有明显区别，首先,雨带浅,超过50%的最大频率分布8公里高度（图3a的黄色到红色轮廓),以下简称为模式分布。低于50%的最小平率分布在10km高度（蓝色到绿色）。由此雨带回波如图2，不及眼壁扩展的高度。

其次，分布并不广泛，在5Km的回波值在14-17dbz，而眼壁为18-22dbz.有一个异常值达到45dbz，而眼墙达到52dbz.这些结果和比较眼壁和雨带在海洋和陆地对流反射率累积密度函数的Cecil 等人 (2002)一致。

第三，CFAD数据的雨带在融化层（5km）分为两个区域，上层的冰粒与低层降雨模式相比强度随高度降低。融化层和两个频率最大值增加的方差相关。上层模式强度在融化层随高度大幅下降，异常值任然接近模式分布。雨带的双峰性和高层模式的均匀性，标志着雨带的微物理结构和动态学与眼壁截然不同。高低层扩大了眼壁雨带，因为比较接近。雨带内核高层的冰粒从眼壁流进，和局地对流产生的雨带过程不同。

图4.(a)降水物的覆盖率作为3-9区的函数（CAT12345;见表一）内雨带是红线，远雨带是蓝线.(b) 不同分类分数和距离的函数。样品是黑色，分类定义见表一。

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