英语原文共 20 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

飓风卡特里娜和丽塔雨带

的对流尺度元素的运动学结构

在飓风雨带和强度变化的实验中收集的机载多普勒雷达数据表明对流尺度空气运动嵌入飓风卡特里娜和丽塔的主要雨带中。这些嵌入式对流单体有上升气流和低级下沉气流进入雨带径向向外一侧和彼此交叉雨带以及强大的气流来自上层水平径向向内的一面。这些垂直运动结构重复从一个对流单体到另一个单体。由此产生的净向上垂直质量输运在雨带逆风部分向上并且在主要雨带的中间部分是最强大的,这部分的上升气流运动通常使得3 - 4公里水平以下的位涡增加。因为中间部分的对流单体系统地位于径向且内部次级水平风速最大（SHWM），对流质量输运体现的当地涡度的增加表明在中层SHWM的强度增加。对流单体的上升气流倾斜,拉伸,垂直运输涡度,垂直涡度通量的融合增强与SHWM相关联的涡度异常。这一过程可能会加强SHWM几米每秒每小时,也许可以解释多波数对流尺度特性会影响低波数特性就像主要雨带,随后影响主要的涡度。

1. 介绍

热带气旋通常包含风暴的眼壁的螺旋雨带。威洛比等描述了不同类型的雨带会持续在一个成熟的热带气旋中。通常一个或两个雨带主导风暴眼壁以外的地区。根据威洛比等，这些主要雨带标记外部和涡度环境的边界。这些主要雨带有开放螺旋几何学与准圆形眼壁几何学。雨带往往包含更多的对流降水逆风和层状降水顺风。理论和建模的研究表明,中尺度雨带的模式至少部分由从眼壁向外扩展的负位涡(PV)梯度而产生的涡度罗斯贝波决定。无论如何，雨带被划分成分层尺度，从中尺度到对流尺度，建模研究通常不解决对流尺度空气运动的细节。

巴恩斯等指出,雨带的低层径向流入和观察表明,雨带可能提供一个“部分障碍”的潮湿流入风暴。从原位收集飞行高度数据每隔1 s和多层(150 - 6500m),他们进一步推断,雨带中的对流元素包含两个循环:径向向外倾斜上升气流和下行径向流入气流带来低theta;到空气较低层。他们和其他先前的调查人员严重依赖从地面和机载雷达获得的雷达反射率和从调查结果和飞机惯性导航系统的辅助信息。没有充分利用多个多普勒雷达观测来推断对流尺度循环。鲍威尔和巴恩斯等推导雨带小尺度循环方面使用复合材料的伪双多普勒数据,通过飞越目标在两个不同的轨道上获得两个视角，它介绍了错误由于无同时性测量风的组件。BZJM概念模型所描述的对流尺度到目前好没有被完全验证，被暂时看好的雨带中个别对流单体空气运动的多普勒观测。

在这项研究中,我们利用一组独特的高分辨率机载多普勒雷达数据检查飓风雨带中的对流尺度空气运动。这些数据从国家大气研究中心(NCAR)依勒克拉多普勒雷达(ELDORA),海军研究实验室P-3飞机上(NRL)获得,在2005年飓风雨带和强度变化的实验，RAINEX旨在了解热带气旋影响风暴的内部结构的强度变化。图2 b中的对流尺度循环有可能影响热带气旋的强度。首先,他们可能在两个方面削弱风暴:(1)在它进入眼壁区域之前上升气流将低层潮湿气流径向流入风暴中心;(2)气流减少低层径向流入的潮湿的静力能量。伊曼纽尔表明包含湍流混合的边界层以及在区域外的最大风速半径(RMW)下降气流对theta;边界层眼墙是重要的。鲍威尔展示了气流如何携带低潮湿的静力能量空气到边界层。由于边界层的一个足够大的修正,这些过程构成眼墙强度的负反馈。然而,雨带也有可能有其他的方式反馈到风暴结构和强度。雨带中的对流和层状加热过程产生的位涡（PV)可能提供一个位涡重要的来源来增加风暴的强度。May和Holland使用垂直指向雷达数据来检查风暴漩涡中层状区域的位涡效应。Franklin等延伸到May and Holland 通过全物理建模，发现层状区域内的位涡可能影响整体涡的强度。对流尺度过程可能也很重要。陈和邱发现在对流层内螺旋雨带中对流模型模拟生成位涡异常, 位涡生成是一个热带气旋的强化过程的关键。这高档反馈可能驻留在小规模的对流循环和次级水平风力最大雨带(SHWM)之间的相互作用,一种尚未广泛调查的交互作用。Samsury和Zipser发现一个中尺度的反射率特性往往是在靠近一个中尺度SHWM,这表明雨带过程有可能生成和维护SHWM。Ryan等发现SHWM雨带在发展中气旋的对流活跃。Barnes 和Stossmeister发现SHWM消散伴随在雨带削弱的对流中。富兰克林等表明层状过程所产生的气旋位涡导致建立一个中层喷气(SHWM)以及提供罗斯贝波传播所需的涡度梯度。鲍威尔暗示对流尺度上升气流径向倾斜的潜在作用是剪切诱导水平涡度为垂直涡度，但不是文中的SHWM。Montgomery and Kallenbach通过建模研究中发现一波数为2可以反馈,通过涡度风加强罗斯贝波。如果雨带的表现是一个低波数罗斯贝波,有可能对流嵌入雨带可以提高罗斯贝波及其与大规模的漩涡的交互。因此获取和分析直接观察的反射率和雨带的运动结构以解决空气对流运动可能影响较大的热带气旋的强度似乎至关重要。本研究使用ELDORA数据检查卡特里娜飓风于2005年8月28日的对流尺度降水元素的主要雨带，类似于2005年9月21日飓风丽塔的大型雨带。5级飓风都是规模观察，在这些任务中,海军研究实验室WP-3D飞机与NOAA P3协调任务提供进一步的多普勒雷达覆盖。

本研究的目的如下:

验证由BZJM假设对流尺度循环特性的存在。

说明这些结构特性如何不同于雨带。

确定这些特性可能影响主要雨带和飓风的整体的结构强度。

2 - 4节将概述RAINEX任务分析和描述分析的数据和方法。第5节识别和描述卡特里娜和丽塔主要雨带。6 - 12节将描述雨带的对流尺度特性,ELDORA数据透露,比较BZJM模型并提出ELDORA 对流尺度循环特性可能的动态影响。13节将对这些影响得出结论并提出未来的研究方向。

1. 飞机的任务

Houze等描述了在RAINEX中飞机的参与。飞机的时间和地点任务检查摘要如图3所示。美国国家海洋和大气管理局43 P-3(N43)在2005年8月28 - 29日16点30 - 0点

进行了飞行到卡特里娜飓风 。N43飞行轨迹被国家飓风中心(NHC)任务所限制。在18点23 - 21点41 N43飞行用于这项研究被停止。海军研究实验室P-3在18点45 - 23点00 加入了任务。集中在飞行模式的映射的基础上被认为是卫星和雷达主要雨带,根据威洛比等视觉标准是最大和最主要的螺旋雨带在雷达的证据。在20点26 - 21点45海军研究实验室调查。NRL的任务期间,N43稍微偏离其运营模式与NRL协调任务。ELDORA在主要雨带的中间部分获得非常详细的观察,以及观察层状顺风雨带部分。在2005年9月21日14点00 - 21点00 N43进行了到飓风丽塔的任务，其中大部分操作不受限制因为风暴远未登陆。这次航班是密切配合NRL飞行模式针对雨带。从15点00 - 21点40 NRL加入了任务。在18点45 - 19点27期间NRL用于这项研究获得。ELDORA再次获得非常详细的观测逆风和主要雨带中间部分以及部分雨带层状顺风部分。

1. 飞机仪表和数据集

N43是配备了一个x波段多普勒雷达系统,使用一个天线之间迅速交替视角前20 °和后20 °。ELDORA 是一种X波段双多普勒雷达。扫描技术和其他设计规格N43和ELDORA 允许沿约1.5公里和0.5公里的轨道，这些允许被8和2公里的水平波长检测到，大大提高分辨率的ELDORA允许在这项研究中对流循环的测定。

8ELDORA多普勒速度数据和8N43使用NCAR SOLO II软件编辑为了消除噪声，海杂波，和其他工件，如雷达旁瓣回波。超过了雷达各自的奈奎斯特速度展开进行的巴尔根和布朗包含在SOLO II算法。平台运动从删除的数据集采用泰丝特等人和bosart等人的技术概述。BLW方法需要考虑到海洋表面的运动以及变化的漂移和地面雷达数据的每个的速度。

窗体底端

1. 机载双多普勒风场反演和分析

飞机的雷达数据被映射到一个利用NCAR排序软件三维直角坐标网格，与ELDORA数据被映射到一个0.5公里的水平，用Cressman 0.5公里垂直网格滤波半径在垂直的0.5公里和水平0.75公里。最低网格为0.5公里。N43的数据映射到一个1.5公里的水平，用Cressman过滤半径2.25公里的在水平1公里和垂直1公里的垂直网格。 最低网格为0.5公里。

这些数据被输入到笛卡尔编辑和显示的雷达数据交互控制软件下，通过三维莱塞滤波器适用于ELDORA和N43数据。通过二维莱塞滤波器应用于ELDORA的数据和通过二维莱塞滤波器应用到N43数据。ELDORA参数选择允许波长gt; 7公里和N43参数选择允许波长gt; 10公里。21时为风暴运动，风暴被假定在整个过程是恒定的，从风场中拆除。

对双多普勒合成结果数据分析的主要工具是NCAR zebra分析和可视化软件，它允许多个数据参数的水平和垂直覆盖以及快速交互创建垂直切片。此分析工具允许同时分析整个飞行的反射率和运动结构。在整个分析中等高频率的高度图和垂直剖面质量运输也产生帮助测定反射率等参数的分布。

5.卡特里娜和丽塔的主要雨带

图3展示了飓风卡特里娜的路径，从NHC的最优路径数据集可以推导出来，这些数据在http://www.nhc.noaa.gov/pdf/TCR-AL122005_Katrina可以使用。8月25日卡特里娜作为1型飓风在弗罗里达的迈阿密登陆，8月26日通过弗罗里达南部，27日通过墨西哥湾时快速增强为3型飓风，28日进一步增强为5型飓风在3点和20点之间。在2005年8月29日卡特里娜作为3型飓风在路易斯安那州的奥尔良东部二次登陆。

图3的阴影部分突出2005年8月28日RAINEX飞机调查的区域。在这次过程中卡特里娜达到最大强度。在21点，飓风有75m/s的最大持续风速，中心气压为902hPa，以6m/s穿过西北部。图4a展示了85-92千兆赫的极化修正亮度温度（PTC）的水平模式。在风暴的上层冰的散射是最强的然而数量是最低的。作为CIMSS产品的演变集成微波图像（MIMIC），图像定性代表眼墙和雨带的降水模式。最亮的部分代表冰的散射在上层是最明显的对应风暴中降水最强的区域。围绕风暴中心的亮窄环对应风暴眼周围的眼墙降水。在图1中眼墙区域外部的更低的PTC的大的螺旋区域是主要雨带的典型说明。在风暴周围它延伸不止一个循环。

图5a结合NRL飞机上的ELDORA数据和N43上的雷达数据提供了一个接近完美的主雨带雷达回波映射。映射的分辨率因各飞机的距离不同而不同。在NRL飞机轨迹附近对流尺度子结构最详细的观察是可能实现的，这些要通过ELDORA的检测。随后将在本文K1-K4部分讨论。

图3b展示NHC关于飓风丽塔最优轨迹数据。风暴在2005年9月21日以2型飓风通过弗罗里达海峡进入墨西哥湾。从2005年9月21日0点到21点飓风丽塔快速的从2型增强到5型。丽塔在2005年9月22日3点达到它的最大强度，风速77m/s中心气压897hPa，6小时后完成了那天的RAINEX任务。丽塔在2005 年9月22日曲线的通过西北部，期间经历了一次眼墙循环。在2005年9月23日风暴减弱，在2005年9月24日丽塔作为3型飓风在德克萨斯州的休斯顿东部登陆。

图3b的阴影部分突出了2005年9月21日飞机调查的区域。在2005年9月21日21点，飓风丽塔有75m/s的最大持续风速和914hPa的中心气压，以6m/s的速度通过西部，2005年8月28日PTC的MIMICD的产品表明在雨带中有更低对流相比于飓风卡特里娜。就卡特里娜来说，丽塔的主雨带在风暴附近是完全螺旋的，在东边有最强的部分。在这个区域获得ELDORA雷达数据也暗示丽塔在这个区域有更少的活跃因素相比于卡特里娜。主雨带雷达回波的条纹暗示它有多个子雨带。在2005年8月28日丽塔的主雨带相比于卡特里娜更加紧密的围绕风暴。

6.雨带中的对流尺度的上升气流：bzjm概念模型验证

图6是2005年8月28日位于风暴东部的卡特丽娜主雨带的一部分特写。在3.5公里的雨带图显示强对流单体位于雨带内边缘。一个垂直的横截面通过一个特别强烈的对流单体。图6b放大和显示该单元格中的垂直速度。ELDORA数据表明上升气流大于14米M/S。一个较弱的下沉气流位于单体的迎风面。图6C是一个垂直的横截面显示反射率分布图表。对流单体的反射率中心与高度呈径向向外倾斜。显示在图6b的风矢量出现强烈的上升气流的垂直结构。气流从附近的底部约8公里。流线图6C表明径向向内流在较低的水平，通过反射细胞在曲折向上，上升，和回流向外约8–10公里水平。在一个小的、局部的规模，这一循环的模拟，并在眼流转循环，产生雷达向外倾斜的方式类似于一个发达的眼壁回波。ELDORA数据显示对流尺度上升气流循环嵌入在卡特丽娜雨带。此外ELDORA数据表明其他单体沿卡特丽娜主雨带发现单体循环，图6c所示。这是要记住这些都不是重要的流线，轨迹，而是叠加在三维结构下二维表面。这些和下面的数字说明循环是不同的，而雨带横截面可能有一个组合，这些在以后讨论。此外，在丽塔飓风的主雨带RAINEX ELDORA数据显示单体结构类似于卡特丽娜的主要雨带。图7是2005年9月21日一个发生在丽塔主雨带的对流尺度环流的一部分。在3.5公里这个雨带来看，这可能在图6a卡特丽娜类似，显示在丽塔的主雨带存在整体较小的对流。模拟图像显示对流雨带更活跃。然而，那些单体，在分析时分别位于这个特殊的子带和层状云降水的主雨带向延伸的内边缘 。在3.5公里的水平，垂直速度场的特写镜头显示选定的垂直截面分析出单体的上升气流。横截面流线和截面的垂直流动速度表明在3.5公里以上水平垂直速度更强，它们显示出，向上和向外流动与一个相关的径向向外反射的反射率中心。这些

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[28506]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word