在季风环境下热带气旋尺度和强度变化与两种持久雨带的关系外文翻译资料

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在季风环境下热带气旋尺度和强度变化与两种持久雨带的关系

Buo-Fu Chen1, Cheng-Shang Lee1,2, and Russell L. Elsberry3

摘要：季风环境下热带气旋可能产生分离于眼壁降水之外的大型降水。1999-2009年间西北太平洋热带气旋的两种持久雨带与东亚夏季风相互作用是明显的，并且这些雨带对于热带气旋尺度和强度变化的影响被证实的。正如我们先前研究中对于所有南部型外部中尺度对流系统的定义，热带气旋增强速率减小但是并没有模拟尺度变化速率。半径发展到100至300km并周期性移动的持久的南部型增强雨带（ERBs）与热带气旋明显尺度增长有关。百分之七十的大型台风在由热带风暴发展成台风阶段过程中有增强雨带。

1、介绍

强度1（最大持续风速），强度2（半径100-200km范围的平均风），尺度（34kt风速半径）是由Holland和Merrill[1984]确定的描述热带气旋风的结构的三个性质。由于风破坏力与最大表面风的最小直角是成比例的，强度1是十分重要的。然而，外部风速廓线（与强度2和尺度有关）对于热带气旋的预报和风破坏预警也是很重要的[Powell和Rwinhold，2007]，风暴潮[irish 等，2008]，表面海浪高度[Sampson 等，2013]，强风到达时间[Stenger和Elsberry，2013]。早期的观测研究记录了导致尺度变化和强度变化动力过程的不同之处，[Merrill，1984；Weatherford和Gray，1988；Cocks和Gray，2002]。然而，Chan和Chan的一个近期的研究[2012]显示尺度与外核强度有密切关系（Gamma; =0.9）。这个研究的核心是西北太平洋热带气旋中两种持久雨带的出现过程中和之后强度和尺度变化与夏季风的相互影响。

大体上，热带气旋外部风结构会由于与不同环境场相互作用而有所不同。对于西北太平洋热带气旋，强底层西南夏季风和东北秋季风是大型热带气旋发展的主要原因[Liu 和 Chan，1999; Lee 等， 2010]。水平风的垂直切变（VWS）可能在通过引起不对称对流特征而影响热带气旋发展和结构中有重要作用[Frank和Ritchie，1999]，热带气旋中心的湿度和能量输出[Tang和Emanuel，2012], 低熵空气输送至边界层入流[Riemer 等， 2010]。

热带气旋雨带的发展由于与多个热带气旋/环境相互作用也可能导致结构变化。Wang[2009]做的一个定量模拟显示雨带热量可以增大热带气旋尺度但减小热带气旋强度。还有，雨带活动是环形飓风形成的一个重要原因[Knaff 等，2003，2008 ]，同心眼墙[Wang，2009]，紧凑型台风[Chen等，2011，2012]。

雨带对热带气旋强度的影响的不同物理机制已被证实。第一，雨带的低层辐合上升可能阻挡边界层入流并因此减少眼墙附近的对流和热带气旋增强的负作用[Willoughby 等， 1982； Shapiro and Willoughby，1982]。第二，低的等位温（theta;e） 空气通过雨带发展时对流尺度下沉运动注入边界层入流同样对热带气旋增强有负作用[Barnes et al., 1983; Powell, 1990]。Riemer等[2010]更深入揭示了雨带（对流不对称性）可以与VWS联系在一起。此外，当气旋位势涡度（PV）在中对流层层状云降水区域对内核自旋加快构成一个重要的PV源雨带可能增加热带气旋强度变化 [May和Holland，1999;；Hill和Lackmann，2009]。

卫星无源微波亮度温度观测(a) 2008年6月21日1300UTC发生在台风“风神”外围环流的OMCS，以及(b) 2009年9月26日1000UTC发生在台风“卡特里娜”环流范围内的ERB。黑点线表示OMCS和ERB的对流带。这些数据来自海军研究实验室网站(www.nrlmry.navy.mil/tc_pages/tc_home e.html)。

第一种持久雨带与热带气旋/季风相互作用[Chien和Kuo，2011； Lee 等，2011] 是一个外部中尺度对流系统（OMCS，图1a），是一个生命时间长、冷顶线型对流系统，在热带气旋外部有深厚强大的降水区域[Lee等，2012]。第二种被称作增强雨带（ERB，图1b），在这个研究中可见到热带气旋主要雨带转化为一个更大的冷云幛并由于与季风环境的相互作用维持更久。一些由深对流中心分离的持久对流同样是一个重要的预报和预警问题，因为他们可导致“不可预测的严重降水事件”[Lee等，2012]。

鉴别OMCS和ERB的方法和及其与气候学相关的特征在第二部分中陈述。热带气旋尺度和强度变化与OMCS和ERB的出现基于联合台风预警中心（JTWC）最佳路径的联系在第三部分中阐述。ERB事件与更大的热带气旋相联系的趋势在第四步分中阐述。总结和讨论在第五部分。

2、外部中尺度对流系统和增强雨带

Lee等[2012]通过两步过程在1999-2009年间发现了西北太平洋的109个OMCS，首次证实了每小时红外1云顶温度数据（IR1）并二次实现了被动式微波图像（PMW）。IR数据的优点是对于追踪生命期长的对流系统与热带气旋的联系每小时持续、高频红外成像[Maddox，1980；Williams和Houze，1987]。 Lee等首次发现有面积超过72000平方千米、IR1亮温低于-65摄氏度的相邻冷云幛（CCS）的603个持久（gt;6小时）对流系统。在第二步，Lee等[2012]实现了PMW成像在这些有-55摄氏度PMW亮温（图1中黄色）的603个持久CCS中识别109个OMCS，至少距内核对流200km。另外，带状轴半径长度（图1a中黑点线）应比方位角长度短。

此研究中，603个持久CCS中90个被归为ERB基于以下标准：（1）雨带顺风端应与内核相连。（2）ERB对流轴半径应比方位角长度更长（图1b中黑点线）；并且（3）ERB中心距离热带气旋中心至少要小于100km。这些标准区分了ERB和其他404个与眼墙或者台风中心附近不对称对流的持久CCS。OMCS平均维持10.3小时，ERB平均维持12.2小时，足以说明他们具有可能产生相当大的社会影响的持久雨带系统的特点。

图2 (a)径向平移速度，(b)方位平移速度，(c)从OMCS (ERB)中心到TC中心的距离，(d)相对于VWS向量的方向，其中D.S.L.,D.S.R.， D.S.R.代表顺切变左侧、顺切变右侧和逆切变右侧。

此研究中，重点是发生在当热带气旋环流与季风气流相作用时的南部半圆的85个南部型OMCS和80个ERB。在这些南部型OMCS和ERB中82%的OMCS和75%的ERB在7-9月发生，并常发展至140°E，ERB的另一个特点是他们最常发生在热带风暴阶段。总之，这些南部型ERB和OMCS在相似的天气条件下发展（如：低层强西南气流、强东北深层平均VWS、湿低层季风环境）。

然而在距热带气旋中心200至700km的远距离雨带中发展的OMCS（图2c），并有一个主要的向外输送（图2a和2b），ERB从一个半径100-300km的初始雨带（图2c）发展起来并有个主要的气旋输送（图2b）。与之前Corbosiero 和Molinari [2003] 、Riemer 等 [2010] 的研究一致，不对称对流有利于OMCS在雨带区域的右侧象限顺切变和在内核区域的ERB左侧顺切变关于850hpa-200hpa深层平均（距中心半径200-800km的圆环）VWS（图2d）。因为这些切变矢量的方向与低层季风西气流有关，VWS方向可能是决定这些持久雨带发展和方位变化的一个重要原因。

3、持久雨带对正常热带气旋强度和尺度的影响

尽管南部型OMCS和ERB经常发生在夏季风环境交合处，假设他们不同的距离和移动与热带气旋中心的关系是与热带气旋涡旋周围的热源及PV生成热和涡旋环流的相互作用有关。因此，不同热带气旋尺度和强度的演变可能与OMCS和ERB的出现有关。

图3 TC-groups OMCS-TC和ERB-TC的(a)归一化强度和(b)归一化大小的平均值、上四分位数(75%)和下四分位数(25%)的时间系列，其中“0”表示OMCSs和ERB的起始时间。(c)参考时间为0的TC-groups OMCS-TC和ERB-TC以及弱西南风(WSW)和强西南风(SSW)季风流样本的(c)平均归一化强度和(d)平均归一化大小的时间序列(线颜色定义见图中)。

常规强度和尺度变化与OMCS/ERB群体的初始刻值的关系基于联合台风预警中心（JTWC）2002-2009年热带气旋的最佳路径文件，因为在2001年8月之后JTWC才开始提供风速35kt的半径。四个象限内的35kt风速半径被称为热带气旋的尺度。

在这个样例中，OMCS-TC或ERB-TC自初始24h至结束后24h至少距陆地200km并在此期间至少达到热带风暴强度（gt;35kt）。对于平均值的变化，热带气旋产生的OMCS（OMCS-TC，18个）或ERB（ERB-TC，22个）常规强度和尺度的上四分位数（75%）和下四分位数（25%）如图3a和3b所示。发现在初始时刻前ERB-TC的常规强度和尺度与OMCS-TC的值相似。在ERB发生之后，热带气旋尺度（图3b）增长速率比在发生OMCS之后更快。在OMCS（ERB）发生之后，强度增长速率（图3a）减小（基本保持不变）。

为了探究VWS最可能的环境影响，对与强西南季风气流相遇的29个热带气旋的第二样本（标记为SSW）和与弱西南气流相遇的29个热带气旋（标记为WSW）进行了强度和尺度演变的检验，但均未产生OMCS和ERB。西南气流强度被定义为850hpa以南400km-1200km、以东1200km至以西800km的台风中心的平均风速。这些案例发生在六月至九月并符合以下标准：（1）热带气旋在在北纬26度以南和东经145度以西。（2）在参照时间前24h至之后36h台风中心距陆地200km，并且（3）热带气旋强度对这两个副本和热带气旋存在相似贡献，都有OMCS和ERB。

图4 （a）热带气旋的15m/s风速半径（R15）的箱形图由30-40kt（R15TS）增强至60-70kt（R15TY），而在其TS阶段没有产生ERB（39例）和产生ERB（15例）。(b)所有TCs样本中的54个TCs(灰色条，左纵坐标)和产生ERBs的15个TCs(黑色条，左纵坐标)中R15TY大小(纬度)的直方图。粗黑线表示eb -TCs与所有TCs的比值(百分比，右纵坐标)。

WSW比SSW季风气流中热带气旋强度应更大因为SSW比WSW季风气流中VWS更大。尽管在t=0时西南气流的大小与OMCS-TC，ERB-TC和SSW有关是相似的（分别为10.6 m s1, 11.9 m s1, and 11.9 m s1 ），ERB-TC和WSW季风气流中的热带气旋强度增长速率相似（图3c）。相反，OMCS-TC的出现导致强度增长速率的一个明显减小而随后与SSW季风气流中热带气旋相似。

正如第一部分Liu and Chan [1999] and Lee等[2010] 发现了一个强西南季风气流是夏季大型热带气旋发展的主要原因。ERB-TC出现后比WSW季风气流中热带气旋尺寸增长更大，平均比常规尺寸增加了百分之七十（图3d）。因为在t 36h的ERB-TC和WSW的正常强度基本相同，假设35kt风速半径修正Rankine涡vrx = 常数，图3d中ERB-TC的更大尺度可能说明ERB-TC更大的最大风速半径或者更均匀的外部风廓线（更小的指数x）。OMCS-TC与SSW季风有相同热带气旋尺度趋势（图3d），正如同它也有相同的热带台风强度趋势（图3c）。因此，在尺度增大方面，内区雨带ERB的出现有更大更统一的风结构影响。然而，此研究中一个持续强度增长ERB实例可能与Willoughby et al. [1982], Shapiro and Willoughby [1982], Barnes et al. [1983], and Powell [1990] 的研究中发现的强度减弱有冲突。即使在Wang [2009]数值模拟中热带气旋强度同样也减小了，而非像ERB实例中那样增大，而导致中尺度增大。

4、热带风暴阶段产生的ERBs可能与大型台风有关

这部分基于快速散射计数据检验了热带气旋对实际尺度的依赖，与Lee et al. [2010] 用相同的方法，估算了2000-2009年54个增强至台风强度及以上的热带气旋的15 m/s风速半径（R15）。将这54个热带气旋分为两组：按R15分为15个产生了一个南部型ERB从30-40kt（标记为TS）增强至60-70k（标记为TY）的热带气旋和39个不产生ERB的热带气旋。

图4a是这两组R15TS 和R15TY 的箱形图。热带气旋在TS阶段产生的ERBs与无ERB的样本通常有固定的较大中值和上、下四分位数。因此，ERB的出现可能是产生更大的TS的原因。还有，与没有ERB的热带气旋R15尺度增长（~ 0.6° ）相比有ERB的热带气旋从TS阶段至TY阶段R15尺度增大的更多（~ 1.2° ）。因此，ERB的出现可能促使更大的热带气旋的出现。

图4b证实了ERB伴随更大的台风出现的趋势与所有没有ERB的热带气旋的样本的尺度(R15TY) 分布的有关。63%的大型热带气旋的R15TY大于3.2° (所有热带气旋样本的54个实例中占67%)，R15TY大于3.6°的大型热带气旋中的70%在他们从TS阶段增强至TY阶段过程中有ERB。在所有样本中的54个热带气旋，只有6个热带气旋在他们从TS增强至TY时

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