热带气旋眼墙中普遍的龙卷尺度涡旋外文翻译资料

英语原文共 4 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

热带气旋眼墙中普遍的龙卷尺度涡旋

Liguang Wu^a,b,1, Qingyuan Liu^a,b, Yubin Li^a,b

^a太平洋研究中心，南京信息工程大学，南京210044，中国

^b气象灾害教育部重点实验室，南京信息工程大学，南京210044，中国

摘要

穿过飓风眼区的载人研究飞行获取数据的分析以及热带气旋的破坏调查强烈地表明在TC眼墙中的湍流边界层中存在龙卷尺度涡旋。但是，它们的小水平尺度、快速移动以及与强烈的湍流相联系使得龙卷尺度涡旋很难直接观测到。为了了解TC眼墙中的龙卷尺度涡旋及其对TC涡旋、中尺度雨带和对流云的影响，我们设计了7层嵌套区域，并且最小水平网格间距为37m，采用了大涡模拟技术的WRF模型进行数值试验。我们发现在WRF-LES框架中可以逼真地模拟出与龙卷尺度涡旋相联系的大多数观察到的特征。数值模拟证实了在TC眼墙的湍流边界层中有模拟的龙卷尺度涡旋的存在。我们的数值试验表明龙卷尺度涡旋普遍存在眼墙的强对流内边缘。

关键词： 热带气旋眼墙； 大涡模拟； 龙卷尺度涡旋

基于穿透飓风眼区的载人研究飞行数据和热带气旋（TC）破坏调查的观测研究推测在TC边界层（TCBL）中存在龙卷尺度涡旋。释放至TC中的下投式探空仪的数据分析表明，在TCBL中可能出现低层（0km至3km）的极强的上升气流，这些上升气流有时会与极端水平风速相联系，这也表明了在TCBL中存在小尺度涡旋。然而，它的水平尺度小，会随着TC尺度的气流快速移动以及与剧烈的湍流相联系使得它很难直接被观测到。到目前为止，TC眼墙的龙卷尺度涡旋尚未被数值模拟，并且它在TCBL中是否常见仍然未知。

尽管在许多TC中记录了极强的上升气流，但是国家海洋和大气管理局（NOAA）的研究飞机在穿越飓风Hugo的眼墙时遇到的小尺度的特征是第一次对眼墙中的龙卷尺度涡旋或者是所谓的眼墙涡度最大值区（EVM）的相关分析。1989年9月15日，一架NOAA的研究飞机在执行任务时以最低安全高度穿越飓风Hugo的眼墙。在第一次以450米高度穿越时，飞机在眼墙的内侧遭遇了强烈的湍流。随着一台发动机熄火并且关闭了四台发动机中的一台，飞机突然失去了高度，在试图重新获得高度并且在眼区内游荡了两个小时后，美国空军的WC-130J进行了救援，从而安全的引导着NOAA的WP-3D通过了眼墙的“软点”，让它回到了基地。后来的分析表明，这次危险的湍流与EVM有关，它的水平尺度和估计的气旋涡度的峰值与弱龙卷相当。因此，从1989年在飓风Hugo中遭遇了危险的湍流后，NOAA禁止飞机在飓风的边界层穿越眼墙。此外，在飓风Isabel（2003年）800hPa以下观测到25m/s的上升气流与在飓风Felix（2007年）的飞行高度（~3km）上观测到的31m/s的上升气流被视为一个EVM的迹象。这些研究表明，具有极强上升气流和风速极值的龙卷尺度涡旋沿着眼—眼墙界面发生，在此处雷达反射率具有很强的径向梯度。

中尺度模型和计算能力的进步使得我们有可能在数值上模拟出TCBL中的小尺度特征及其对TC演变的影响。在WRF模型中进行了TC模拟，采用了大涡模拟技术，明确地解决了TCBL中三维大气湍流的能量产生尺度，而湍流较小尺度的部分利用参数化。这些研究表明了WRF模型在次公里尺度上模拟TCBL特征的能力。建议需要用次百米的网格来模拟TCBL中三维湍流涡旋的发展。

在这项研究中，我们给出一个TC在西

图1 (A) 第30h在500m高度上模拟的雷达反射率（阴影）和数值为28.2km的最大风速半径（虚线圆圈）。TC中心用用加号标出。(B) A中矩形区域内的10m高度的风速（阴影）和500m高度的扰动风场（流线）。黑线表明了图2中垂直剖面的位置。

北太平洋典型大尺度背景场下演变的数值试验结果。为了模拟TC眼墙中的高能三维扰动涡旋及其对TC涡旋、中尺度雨带和对流云的影响，该模型包含了最内层水平网格尺寸为37m的6个双向相互作用的区域。特别地，我们将讨论模拟的小尺度特征在模拟的TC眼墙中是否常见。

数值试验

在这项研究中进行的数值试验与参考16中的类似，在台风Matsa（2005）的大尺度背景场中嵌入一个初始的涡旋。我们采用WRF模型，在分辨率为27km的最外层区域以30.0°N、132.5°E为中心，具有6个双向相互作用区域，来解释各种尺度之间的复杂相互作用。水平间距由每个域级降低3倍。最里面的区域（90times;90km2）包含眼区和眼墙，分辨率为1/27km（~37m）。LES用在水平网格尺寸小于1km的区域内代替PBL参数化方案。模式在垂直方向上有75个层次（19个层次在2km以下），顶部为50hPa。模型在海表温度恒定为29°C的开放海洋上运行。对于嵌套LES的模拟来说，将模拟的湍流从粗网格调整到细网格是一个挑战。在WRF模型中，据报道通过使用相对较大的最内层区域和嵌套区域边界处的松弛区，可以有效地降低沿着嵌套边界产生的数值噪声。在我们的模拟中，最内层区域覆盖面积为90times;90km2，远远大于边界层高度的5倍。松弛区域用于WRF模型中的嵌套域。

模式运行36h，并且在24h触发1/9km分辨率和1/27km分辨率的区域。我们的分析重点是最后10h内最内层区域的输出。模拟得到的TC沿着西北西路径移动，最后10h内10m处的瞬时最大风速在61.8m/s到76.6m/s范围内波动，而方位角最大风速相对较小，位于43.5m/s到48.8m/s之间。模式输出以1h间隔定期储存，但一些变量从第三十小时开始的22分钟时段内以3s间隔储存。

模拟的龙卷尺度涡旋

图1A展示了模拟的第30小时500m高度上的雷达反射率，指明了模拟的TC中的眼墙，以及剧烈的对流主要位于眼墙的北侧。

图2 (A) 沿着图1B中黑线关于扰动风场（箭头）和垂直速度（阴影）的垂直剖面。最强的上升运动在400m高度上为35.8m/s。(B) 沿着图1B中黑线的500m高度（蓝色）和10m高度（黑色）的风速。横坐标表示到湍流风场内侧的相对距离。

图3 与龙卷尺度涡旋有关的水平扰动风场的流线以及10m高度的风速（阴影）。流线的暖（冷）色调表示上升（下沉）垂直运动。箭头展现了近地面的风场。TC中心位于最左边拐角。垂直坐标和水平坐标分别表示了相对于地表的高度（千米）以及到最左边拐角的相对距离（千米）。

由于200hPa至850hPa之间的环境气流的垂直风切变在该期间是指向西北的，因此在

10h期间反射率图案保持相似。图1B显示了第30h在10times;12km2区域内TC眼墙的10m高度的瞬时风速和500m高度的扰动风场。需要指出的是扰动风场是风场与3km高度上平均分风场的差值。与先前的观测一致，高低风速交替的条带状风速带较为清晰，并且大致随着TC尺度的气流排列。在500m高度的扰动风场中，强眼壁对流的内缘存在几个明显的气旋性环流。10m高度的强风速出现在气旋环流的径向外侧。

我们沿着图1B中的直线绘制了气旋环流的剖面图。500m高度上的气旋环流与向上伸展至2km高度的强上升气流一致。最强上升气流出现在400m，速度达到了35.8m/s，并且与径向向外的水平滚涡有关。在穿过水平距离约为1km的强上升气流区，风速有明显的跃变。500m高度的风速急剧变化了45m/s。10m高度的风速从上升气流中的30m/s急剧上升到下沉气流中的60m/s，这表明了小尺度特征对近地面阵风的影响。虽然强阵风是由垂直动量输送引起的，气旋环流的扰动叠加可以进一步增强径向向外的阵风。

图3中的水平扰动风场的流线可以清晰地显示模拟的小尺度特征的三维结构。其水平气流绕着强上升气流作气旋式旋转，气旋环流主要位于约1.5km以下的TCBL中。相对涡度的垂直分量的距平在300m高度上有最大值0.48s^-1，这与飓风Hugo的估计值相当。我们可以看出，上升与下沉气流对、风速的突然跃变、径向位置和水平尺度表明模拟的小尺度特征与真实飓风中观测到的龙卷尺度涡旋非常相似。结果表明，在最细水平分辨率为37m的WRF-LES框架下，观测到的龙卷尺度涡旋可被数值模拟。

普遍的龙卷尺度涡旋

龙卷尺度涡旋是模拟的TC眼墙中普遍特征吗？为了解决这个问题，我们分别使用间隔1h和3s输出的模型来检测龙卷尺度涡旋。根据前人的研究，龙卷尺度涡旋被定义为位于3km高度以下，最大上升气流不小于15m/s或20m/s，最大相对涡度不小于0.2s^-1的小尺度气旋性环流。满足垂直运动阈值和相对涡度阈值的网格点在水平和垂直方向距离1km以内属于同一涡旋。

图4表明在10h期间内以1h间隔输出的模型中，当最大垂直运动设置为20m/s和15m/s时分别有24次和89次龙卷尺度涡旋。我们研究了以3s间隔输出的龙卷尺度涡旋的持续时间。持续时间估计为在最大垂直运动和相对涡度不小于阈值期间的连续时间。当垂直运动的阈值为20m/s时，平均持续时间为40s，最长的为138s。这种短的持续时间可能是导致观测样本稀少的原因。因此我们可以推断在间隔1h输出的模型中识别龙卷尺度涡旋没有被重复计数。

图4B中显示了间隔3s输出的模型中检测到的龙卷尺度涡旋。需要注意的是在22min期间每隔3s输出的龙卷尺度涡旋会被重复计数。在22min时段内，识别出的垂直速度达到15m/s和20m/s标准的龙卷尺度涡旋分别为3597和499个。我们可以发现这些龙卷尺度涡旋随着TC背景场的气流运动。图4表明大部分探测到的涡旋出现在最大风速半径（RMW）的内侧或接近RMW的区域。这些与涡旋相联系的垂直运动最大值主要被发现在200-1500m高度上，这其中

图4 在(A)间隔1h和(B)间隔3s模式中检测到的龙卷尺度涡旋(点)的水平分布和(A)11h和(B)22min时段内的平均500m高度的风速(阴影)。蓝（红）点为最大垂直运动不小于15（20）m/s的龙卷尺度涡旋。用实线圆和虚线圆分别表示(A)29.4km和(B)28.2km的RMW和间隔10km绘制的至TC中心的距离。

主要位于500m高度上。图4表明，龙卷尺度涡旋在强烈的眼壁对流的内边缘是常见的。值得注意的是，参考文献3显示，飓风Hugo中真实的龙卷尺度涡旋似乎嵌入在沿眼壁边缘运动的中尺度涡旋中，其时间尺度为15min至20min，大约围绕眼壁旋转一周。在我们的模型中，图1A所示的矩形南侧的气旋曲线向穿透的反射率丝状处有典型的中尺度涡旋的特征。

总结

登陆的热带气旋经常在外围雨带中产生龙卷风，但是基于穿越飓风眼区的载人研究飞行、热带气旋破坏调查和GPS探空仪获取的有限数据推测，在TC眼墙强对流区的湍流边界层有龙卷尺度涡旋存在。本文利用采用LES技术的WRF模式，对大尺度背景场、TC涡旋、中尺度组织系统，小至细尺度湍流涡旋之间的复杂相互作用进行了数值试验。结果表明，在最细的水平分辨率为37m的WRF-LES框架下，观测到的龙卷尺度涡旋可以被数值模拟出。模拟的龙卷尺度涡旋的特征与观测到的上升下沉气流对、风速突然跃变、径向位置和水平尺度非常相似。

尽管与龙卷尺度涡旋相关的风场扰动值比在龙卷超级单体中的小很多，但是由于这些涡旋随着眼墙附近的强背景场气流运动，加强了地表阵风从而导致了重大的破坏。伴随的强湍流会对穿越眼墙的载人研究飞行造成严重的威胁。此外，在眼墙对流内缘的龙卷尺度涡旋在将眼区的空气混合至眼墙中可以起到重要作用，尽管这种混合对提高TC强度的影响仍然存在争论。因此，了解热带气旋特别是登陆的强热带气旋的眼墙中的龙卷尺度涡旋对减灾、结构和强度预测具有重要意义。

致谢

我们感谢佛罗里达国际大学的Ping Zhu教授对WRF-LES框架的帮助。本研究由国家重点基础研究发展计划（2015CB42803）、国家自然科学基金（41730961, 41675051，41675009）、江苏省自然科学基金项目（BK20150910）共同资助。数值模拟由广州国家超级计算机中心的天河二号超级计算机运行。三维图像由ParaView制作。

1. Wakimoto RM, Black PG (1994) Damage survey of Hurricane Andrew and its re- lationship to the eyewall. Bull Am Meteorol Soc 75:189–200.

2. Aberson SD, Black M, Montgomery MT, Bell M (2006) Hurricane Isabel (2003): New insights into the physics of intense storms. Part II: Extreme localized wind. Bull Am Meteorol Soc 87:1349–1354.

3. Marks FD, Black PG, Montgomery MT, Burpee RW (2008) Structure of the eye and eyewall of Hurricane Hugo (1989). Mon Weather Rev 136:1237–1259.

4. Aberson SD, Zhang JA, Ocasio KN (2017) An extreme event in the eyewall of Hurri- cane Felix on 2 September 2007. Mon Weather Rev 145:2083–2092.

5. Wurman J, Kosiba K (2018) The role of small-scale vortices in enhancing surface winds and damage in Hurricane Harvey (2

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[18762]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word