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环境垂直风切变对澳大利亚地区飓风强度的影响

Linda A. Paterson, Barry N. Hanstrum*, Noel E. Davidson , and Harry C. Weber

西澳大利亚地区办事处，气象局

摘要：采用NCEP-NCAR 再分析方法，研究了环境风切变对澳大利亚地区强热带气旋强度变化的影响。从客观分析中分离出对称涡流的方法是分离环境流的一种方法。记录了风切变和强度变化之间的关系。风切变与强度变化之间的相关性为0.4。典型的临界风切变值是100000s^-1代表了从强化到耗散的变化。小于10米的风切变值有利于强化，在2到4 m s之间的值有利于快速强化。大于1000米的切变值与变弱有关，值大于12 m /s ，有利于快速变弱。垂直风切变和变弱的开始之间似乎存在时间差，通常在12到36之间。在大多数情况下，在弱垂直切变的情况下，TC加强，在强垂直切变的情况下，TC减弱。在此基础上，根据风切变弱但不发生强化的情况，提出了弱垂直切变是TC增强的必要条件，而非充分条件。结果表明，高层位涡异常的远程动力影响可能抵消了环境垂直切变的负面影响。

1 引言

飓风在海洋中加剧或消散，和在陆地上转变为热带气旋，这是澳大利亚地区的一个重大预测问题(see, e.g., Dare and Davidson 2004)。理解和预测这种行为对于研究和预测操作很重要。虽然热带气旋路径预测有稳步的改善，但强度预测的改善并没有跟上步伐，而大的预测误差也会发生在72小时。目前的研究是由于对TC强度变化的理解和预测的需要而进行的。

人们普遍认为，垂直风切变是热带气旋强度变化的一个主要因素(e.g., DeMaria and Kaplan 1999; Fitzpatrick 1997; Hanley et al. 2001)。这与澳大利亚地区的运营经验相一致。在 Jones (2000), DeMaria (1996), Wang and Holland (1996), Frank and Ritchie (2001), Corbosiero and Molinari (2002, 2003), Zehr (2003), Rogers et al. (2003)以及其中的参考文献中，讨论了风切变的动力影响的各个方面。总之，认为风切变的结果是在垂直风切变的顺切变，条件不稳定的变化，以及在对流中有相关不对称的上升切变和下降切变。最近，由雷特等人(2004)提出了在切变中发生的TC漩涡的弹性。他们认为二级循环间接地促进了弹性，但是涡罗斯波阻尼机制抑制了与直立状态的背离。因此，了解(i)环境风切变的大小(和变异性)，TC可以在衰退前承受是很有意义的(2)风切变的变化通常是如何发生的。

Gallina和Gallina(2002年)的一项观察研究表明，一个关键的切变值(200到850个hPa)，上面的TC是在大西洋和西太平洋的9-10米1。帕默和巴恩斯(2002)也发现单一的最大切变值35至40 kt(sim;17 - 20 m/s)在7°TC中心可以在12到24 h触发衰变。TC形成,泽尔(1992)观察到热带气旋奔迈公司时没有出现切变超过12.5-15m/s。Hanley等人(2001)发现了风切变和强度变化之间的清晰关系，尽管他们的数据集包含了一些(深化)的(强)切变的例子。

在澳大利亚盆地，垂直风切变影响TC的类似定量评估还没有进行。本文提出的研究(i)采用了一种独特的数值分析方法，研究了环境垂直风切变对飓风强度热带气旋强度变化的影响，以及(ii)与澳大利亚地区风切变和强度变化相关的文献资料。关于(二)，我们认为随着风切变的增加，强度的增加通常会发生。这种增长通常与高层槽的方法有关，虽然表面上看起来是为集约化提供了有利的环境，但最终却演变为一种有利于消散的高切变环境。槽相互作用问题正在进行中，并且已经在许多研究中得到了解决(例如:Molinari等人1998年)。

2 数据和方法

2.1 数据

1999年11月至1999年4月期间，热带气旋数据从澳大利亚国家热带气旋数据库中提取。虽然数据从1910年开始就可以在数据库中找到，但10分钟的平均风速是用来计算强度变化的，直到1984年11月才被记录下来。此外，这一时期是卫星时代的一部分，我们可能会期待更严格的强度估计。

为了这个研究的目的，澳大利亚地区被定义为介于10-30和105-160之间的区域。南纬限制被应用于排除可能经历过外转移的系统。一些TC案例的最佳轨迹是在之前划定的澳大利亚区域以外的地方开始或结束的，这些记录仍然包括在内。这些病例也仅限于澳大利亚地区的官方热带气旋季节，即11月至4月的几个月。从这个数据集，我们选择了TC在其生命周期的某个阶段达到飓风强度(10分钟的平均风速大于34米1)，随后在24小时内减弱了30%或更多。该标准定义了本研究中使用的TC数据集。在24-h减弱期间登陆的TC被排除在外，因为它被认为这是减弱而不是垂直风切变的主要原因。从141个系统中，29个符合标准，并得到了大约1050个风切变和中心压力值用于统计处理。

尽管对这些区域和月份应用了一些限制，但是数据集仍然存在一些限制。国家数据库中的“最佳跟踪”数据是通过对每个特定系统的所有可用数据进行分析生成的。从历史上看，这主要是将Dvorak技术应用于红外(IR)和可见光(VIS)卫星图像，这是一个在澳大利亚地区几乎没有验证数据的主观过程。近年来，这一技术得到了被动微波数据和散射计风数据的有效利用。对于绝对强度的估计，误差可能是风速的10%-20%，我们认为这主要是一种偏差，而不是随机误差。由于我们在这里处理的是强度的变化，如果估计是内部一致的，偏差错误就会被消除，而净误差也会减少。Dvorak方法应用程序的操作经验和约束表明，在快速削弱(发展)的情况下，我们的强度估计过高(低)。但是，在进行更多的研究之前，最好的跟踪数据的估计对这里的应用程序仍然是有用的。

一些质量控制已经应用于数据集，以减少可能影响强度变化的其他因素的影响。热带飓风“弗兰克”、“快乐”和“Daphne”在很长一段时间内都接近陆地，而由于温度较低的缘故，“贾斯汀”被削弱了，这可能与非常缓慢的运动或两极运动有关。两个系统(TC尼古拉斯和TC雅各布)被国家环境预测中心国家大气研究中心(ncepn-ncar)重新分析方案分析得很差，也被排除在数据集之外。

为了隔离风切变效应，我们只取了数据点，中心压力在990 hPa以下。这么做有几个原因。1）在热带气旋的生命周期的早期和晚期阶段(即:弱风暴)由于风暴结构的不确定性和卫星图像上的不确定的云特征，很难获得准确的Dvorak强度估计。消除中央压力高于990 hPa的数据点，消除了质量差的估计。2)在系统发展的早期阶段，当中心压力在1010到990 hPa之间时，风切变通常很低到中等，但是中央压力的变化通常非常小。在早期阶段，除了风切变(例如:对流和系统级强化)可能扮演着更重要的角色。3)在最后一个衰减阶段，当中央压力超过990 hPa时，风切变通常很高，但中央压力的变化又非常小。在这个后期，风切变的影响可能已经发生了。因此，为了分离风切变的影响，我们选择从数据集中过滤这些点。然而，我们将在下一节中展示，这种处理只会增加大约0.1的风切变和强度变化之间的相关性。

2.2 方法

ncep-ncar再分析领域(Kalnay等人1996)，基于一种多变量的客观分析方法，可以对风的分析进行影响，用于计算垂直的风切值。虽然在澳大利亚的海洋中缺少实时的风数据，但是在多元客观分析中使用卫星检索和云运动矢量应该能部分抵消观测的不足，并定义我们感兴趣的大规模环境。

风切变是计算在两个方面:(i)作为一个向量差异200 - 850 hpa风,平均在3°经度广场,集中在风暴的最佳历史位置(消除循环的对称分量),和(2)计算环境垂直风切变网格点从风暴环流的分析通过涡被规范在热带气旋有限区域预报系统(TC-LAPS)。结果表明，使用传统方法(i)和无涡方法(ii)的结果是相当一致的，但是该方法(ii)具有一些有用的优点，并且将在这里使用。在(ii)中采用的技术精确地跟踪了戴维森和韦伯(2000)详细描述的涡流增强方法，并在图1中阐述了该方法，它显示了850-200 hpa风场，并没有分析TC Rewa(1994-1994年12月)的环流，以及200-850-hpa风切变。删除后的环境(大规模)纬向和经向风场,计算应用程序修改巴恩斯的方案结合低通滤波器(巴恩斯韦伯和史密斯1964),从相应的总风字段(无花果。1中的示例所示,c)强制压力水平,其余剩余风字段用于定位涡中心(定义为相对涡度的最小/最大/北半球南部)。如果发现了这样的中心，则将这些区域和子午线的风场转换为相对于该中心的径向和切向的风场。否则，在上述压力水平和以上所有压力水平上都不会采取进一步的行动。与涡中心相对应的方位傅里叶分析产生了轴向的径向和切向的风场，然后将其转换回区域和子午线的风场，并从相应的剩余场中减去。在最后的步骤中，最后一个操作产生的字段被添加到前面计算的环境风字段中，并表示环境风场，如图1a中的例子所示。虽然分割成对称的漩涡和环境是绝对不可能的，但这个图形说明了该方法消除对称循环的效率，并表明该方法提供了一种相对现实的暴风雨环境的表示。然而，我们想强调的是，我们不可能确定，TC环流的残余是否仍然是这里所定义的环境的一部分。一种可能的解释是，风切变的变化可能与风暴强度的变化有关。然而，我们将说明，风切变的变化可与邻近的同步尺度系统相关联，因此，我们被诊断出的风切变大多是环境而非TC相关的。

由于观测网络和短期模型预测都存在不足，因此，同化方法不能准确地定位风暴的准确位置。与最佳轨道位置相比，有些系统的分析比较差(1985年的TC尼古拉斯和1996年的TC雅各布)。人们注意到，如果重新分析的区域在某种程度上与观测到的位置有一定的距离，那么这两种切变计算之间的差异是可以理解的。利用涡流提取的切变计算被认为是比较可靠的，而且将主要用于此。该方法可以在观察到的位置进行搜索，并消除分析的涡流，即使它与最佳路径的位置有明显的不同。然后对观测到的风暴位置进行了切变计算。该方法具有消除与风暴位置不正确分析相关联的虚假风切变的显著优点。最后我们注意到，切变值是地球相对的。我们并没有试图使用风暴相对的切变，这对于TC来说是很重要的，因为它加速了波向，而当运动与切变的方向相同。我们决定将大部分的风暴排除在经纬度限制之外的地区，这一决定基本上排除了这些病例。

图1所示。1994年1月2日(a)850-hpa风场和涡流。TC标志标志着观察的位置;(b)850-hpa无涡流的风场;(c)200-hpa风场与涡流;(d)200-hpa风场无涡流;(e)200-850-hpa垂直风切。等高线间隔是10米s 1。在850 hPa上，光阴影表示有超过10米的风的区域。在200的hPa中，光和暗的阴影显示区域的风速大于20和40米的1。

表1 原始数据的相关数据,这里DP(6)=hPa的压力变化超过6 h。

3 统计结果

使用上面的方法,风切变的值被计算在名义时间t,并与中央的压力变化和风速变化* t 6,t 12,t 18 t 24日t 30,和t 36 h。这些都是在与DP(6)表和图表,DP(12)等。仅供一致性与其他研究结果将呈现中央的压力变化。表1显示了原始数据的相关系数，没有飓风或其他数据点被移除，因为没有涡流的切变值。结果表明，垂直风切变与中央压力(CP)变化之间的相关性约为0.30-0.40。表2显示了过滤后的数据集的相关系数，因为有且没有涡流切变值。结果表明，垂直风切变与CP变化之间约0.35-0.50之间的相关性，也就是说，在使用过滤数据集或使用涡流提取时，两者之间的相关性仅略有增加。结果表明，垂直风切变与风速变化之间的相关系数约为0.40-0.55。基于与时间的相关性越来越高，在垂直风切变和强度变化发生之间的时间间隔为12-36小时。这一延迟将在4c的第4节中进一步讨论。

重要试验表明，在中央压力和风速数据中，风切变参数对95%的时间都有显著的影响。相关数据显示，在热带气旋的强度变化中，风切变可以占到四分之一的变化。其余因素可能由其他因素引起，如内部漩涡过程、sts的变化、陆地相互作用、干燥空气的内部对流、分析数据和最佳轨道估计误差。此外，垂直风切变和强度变化之间的时间间隔有一定的时间间隔，这就意味着风切变的值与压力变化的值有一定的相关性。例如，如果风切变增加到10米以上，中央的压力可能会继续下降，这意味着风切变的很大的值仍然与压力变化或TC强化的负值相关。也就是说，由于涡流结构的变化(重新分配)，可能是由于涡流结构的变化而引起的。

表2和表1中一样，但是是过滤后的数据

4 风切变和强度变化，风切变的临界值和时间滞后

4.1 风切变和强度变化

摘要为了评价风剪与强度变化关系，并确定了一种TC削弱(强化)的垂直风切变的临界值，并将其与不受涡流影响的切变数据划分为1 m/s。表3显示了风切变的范围和随后的平均中心压力变化每6-36 h，而没有涡流。还显示了每个分区中的数据点的数量。

从表3和图2可以看出,随着垂直风切变达到9米sminus;1中央大约24小时内压力增加。这也表明,随着剪力的大小增加超过10 m sminus;1之间的时间差减少发病增加的风切变和中央的压力增加。结果表明，风切变与强度变化之间存在着一种关系。表3显示，小于9米的垂直风切变值倾向于强化，在2到4 m s之间的值倾向于显著的强化。大于9米的切变值与变弱有关，值大于11 m s 1，有利于显著减弱。

结果表明，该方法具有一定的相似性，但具有较高的临界垂直风切变值，在10-11米1之间具有较高的临界垂直

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