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不同剪切和水分条件下飓风线强度对环境静态稳定性的敏感性

Tetsuya Takemi

东京理工学院环境科学和技术系，G5-7，4259长须田，横滨，神奈川226-日本8502

摘要:

在风切变、水汽、温度等不同环境剖面的不同气候区域，形成了几条飑线。为了探讨这些环境剖面的敏感性，我们在中纬度大陆和热带-海洋温度环境中进行了一系列广泛的数值模拟。通过灵敏度模拟和环境参数分析，发现在对流不稳定层中的静态稳定性是确定强风线强度的首要因素。具有相同静态稳定性、对流有效势能(CAPE)和可降水量(PWC)的低温环境很好地描述了强风线的强度.垂直剪切作用通过与地面冷库的相互作用，在确定飑线结构和强度方面也起着重要的作用。在诊断具有最佳切变条件的飑线强度时，应考虑非矢量不稳定层、CAPE和PWC的静态稳定性。

1.引言

热带飑线是局地产生强风和强降水的重要中尺度现象之一。由于它们是在世界各地发展起来的，其结构、演化和组织结构与其环境的动态和热特性有着密切的联系。通过对与环境垂直风切变相关的飑线动力学的深入研究，重新认识到低层风切变之间的相互作用环境切变和地面冷空气池是飑线增强和演变的基本机制(Rotunno等人，1988年，下称RKW；Weisman等人，1988年，下称WKR；Fovell和Ogura，1989年；Robe和Emanuel，2001年；Weisman等人，2004年，下称WR 04)。Takemi(下称T06)在各种环境水分条件下，通过每次形成敏感性模拟，检验了RKW关于环境剪切与冷库相互作用机理的理论，并证实了该理论在广泛的湿气条件下的有效性。

此外，我们还用大量的资料研究了热带飑线的热环境与风线动力学之间的关系观测和数值研究。在讨论飑线环境的热力学特征时，稳定性指标和参数以及湿度是有用的参数(例如，Bluestein，1993年；Emanuel，1994年)。换句话说，关于飑线的热力环境的中心论点之一是识别环境参数，这些参数最能描述或诊断旋风线的演化和强度。因此，对热带热力环境(Barnes和Sieckman，1984年；Lemone等人，1998年)、亚热带环境(Wang等人，1990年)以及美国(Bluestein和Jain，1985年)和日本(Chuda andNiino，2005年)的中纬度环境进行了这些参数的检验。然而，很难用单一的稳定指数或指数的组合来诊断飓风线的特征。造成这一困难的原因之一可能在于环境本身的定义，因为在定义飓风线的静态环境时，不能完全消除干扰的影响。此外，温度和水分剖面的形状应在飓风线特征中发挥作用，这将使稳定性指标的论证复杂化。因此，数值实验是识别参数以诊断飑线结构和演化的重要工具。

一些数值研究审查了对流云、风暴和中尺度对流系统在各种水分条件下的发展-不仅在行星边界层(Weisman和Klemp，1982年；Takemi和Satomura，2000年)，而且在自由对流层(Gilmore和Wicker，1998年；Lucaset al.，2000年；Redelsperger等人，2002年；Ridout，2002年；Takemi等人，2004年)。Weisman和Klemp(1982)证明，一个无量纲对流参数，即体积Richardson数，从广泛的数值实验中描述了中纬度环境中各种对流风暴结构的方案。T06通过一组强云分解模拟，研究了环境湿度对中纬度温度条件下污垢线演变的影响。数值模拟结果表明，降水水汽含量(PWC)和对流有效势能(CAPE)对中线的强度和组织有调节作用。剩下的一个问题是检验和比较不同温度环境下的飑线结构和强度对剪切和湿度环境的敏感性。

就美国平原上的超级细胞风暴而言，风暴结构和强度对环境温度的敏感性Profile由McCaul和Weisman(2001)、McCaul和Cohen(2002)和McCaul等人研究。(2005年)。在解释数值模拟结果时，他们使用了CAPE和PWC：这两个参数很受欢迎，也很有用，因为它们代表了对流不稳定程度和对流层湿度。由于飓风线不同于具有高度三维结构和旋转特性的超级细胞，因此需要描述飓风线对环境温度的响应。具体而言，在环境稳定性和水分参数的分析中，应研究不同温度和水分条件下飑线的结构和强度。这种敏感性研究将有助于了解全球大气模式中积云效应的诊断和积云效应的参数化。

本文的目的是通过对T06的扩展研究，研究在各种剪切和水分条件下，飑线的强度对环境温度剖面的敏感性。我们对形成于两种环境温度剖面中的飓风线进行了一系列云分辨率模拟：热带和中纬度环境。[在每个温度环境下，考察了切变和水汽廓线的影响，并在此基础上描述了飑线的敏感性，我们将讨论如何用环境参数来解释切变和水汽廓线的敏感性，从而为诊断飓风线的强度提供一种思路。

2.数值模型与实验设计

在本研究中，我们使用天气研究预报(WRF)模型(Skamarock等人，2001年)，版本1.3，并在Takemi andRotunno(2003、2005)中作了修改。对两种类型的垂直温度廓线进行了飑线模拟：一种是与T06完全相同的，即典型的中纬度对流风暴(Weisman和Klemp，1982)；另一种是基于热带西太平洋海洋的观测资料。中纬度环境的模型配置与T06完全相同。计算域在东西方向450公里，南北方向160公里，深度18公里.网格尺寸水平方向为1公里，垂直方向为500米。在这种环境下，500米的垂直网格尺寸被认为是足够的。解决了由降水蒸发引起的地面冷空气池问题，WR 04成功地应用于他们的全球大气模型。

另一方面，在热带环境中，旧池通常比中纬度环境浅得多(Zipser，1977；Lemone，1983)。因此，热带环境的垂直网格尺寸设置为更精细，即125米(Arakawa C网格系统上62.5米的最低标度网格水平)，而水平网格尺寸为1公里。为了降低成本和进行大量的模拟，南北维数减少到40公里。我们检验了热带和中纬度地区的飑线特征(如降水强度和冷池强度)对垂直网格间距和域大小的敏感性。结果表明，即使在寒冷的储集深度一般较浅的热带地区，也只有很小的差异，且网格越细和网格越粗的情况下，剪切剖面的响应也是相似的。然而，对于热带环境，垂直网格较粗的情况下，反应不太明显。因此，采用更细的垂直尺寸和较小的区域来模拟热带地区。

这两种环境的边界条件为T06中的SAMC：x边界处的一个开放条件；y边界处的一个周期性条件；12公里以上的刚性顶Wthan吸收层；以及自由滑移的底部边界。物理参数化包括Linet等人的暖雨微物理方案和冰相微物理方案。(1983)和1.5阶次网格尺度的Klemp和Wilhelmson湍流模型(1978)，Takemi和Rotunno的模化(2005)。没有考虑科里奥利力、陆面过程和大气辐射转移的影响。利用Weisman和Klemp(1982)提出的分析函数确定了环境温度和湿度的垂直廓线，这是基于中纬对流风暴的一种典型条件，在RKW、WKR和WR04中得到了广泛的应用。给出了Weisman和Klemp(1982)的环境势温度和相对湿度RH。

（-），z （1）

和

RH(z)=1-0.75，z （2）

当=12 km为对流层顶水平时，代表对流层顶温度， =300 K地面势温度。对于所有的模拟，表面压力最初设置为1000 hPa。中纬度温度环境定义为=343 K]，用于表示中纬度-大陆环境。为了定义对流层环境，我们对这一段米采用了一个不同的值：即=358 K，这个值是从与观测值的比较中选择的。图1显示了我们模拟的中纬度和热带环境的潜在温度的垂直剖面，以及美国标准大气(1992年，Holton)和在对流活动期间对西热带太平洋的平均观测(Yoneyama，2003年；Takemi等人，2004年)。0，=358 K的回波与观测者很好地吻合，代表了热带海洋环境.

观测到的热带对流层顶高度远高于12公里。然而，本研究将热带环境中的对流层设置为与中纬度情况相同的数值，因为在低对流层的稳定性被认为会影响对流层的发展，在比较中纬和热带的结果时，应尽量减少对流层顶可能产生的附加效应。实际上，我们已经通过模拟对流层顶高度的敏感性进行了检验，通过扩展由方程确定的热带温度廓线，模拟了具有16公里对流层顶的环境。(L)与其他条件相同，并确认对飓风线强度没有重大影响。

图表 1潜在温度在纬度（MIDLAT）和热带（TROPICS）模拟中的环境特征，美国标准大气（USSTD）

对于中纬度和热带地区的温度剖面，对各种类型的环境湿度进行了测试，如图2所示。在中纬度环境下，最低1.5km深度的混合比为10-18g，增量为2g，湿度由Eq确定。(2)(图2A)。这些配置文件与T06完全相同。对于热带环境中的基本情况，设置为18 g (图2C)。在引用这些基本情况时，值后面跟着字母lsquo;Qrsquo;（例如Q10)。相同值的热带与中纬度环境的混合比在2km和6km的深度上的差值为1-1.5g。

为了检验对水分的敏感性，在中纬度环境中，中高层相对湿度均匀降低(图2B)，相对湿度的恒定值从热带环境的上层逐渐降低到下层(图2C)。湿度剖面设置的想法是基于中纬度的T06和Takemi等人的考虑。(2004)对于热带地区；也就是说，在中纬度环境中，我们假设对流层中部有一个非常干燥的层，它是由干空气侵入产生的(Browning和Golding，1995年；Gilmore和Wicker，1998年；Curtis，2004年；在热带环境中，我们感兴趣的是边界层上方的干燥层用潮湿层逐渐恢复的情况(Redelsperger等人，2002年；Ridout，2002年)，并在此后检验对中、上层干层深度的敏感性。

由方程确定的基本轮廓。(2)干燥剖面下称基材和干型分别。在中纬度干旱地区，=16 g，2.5 km以上的相对湿度降低13%(称为干型1)和30%(干型2)；选择这些降值与值较低的情况进行比较，但与下文所述相同的可降水量(PWC)进行比较。在热带干旱的情况下，20%的相对湿度在2.5-公里高度(简称干型1)以上、高于5公里高度(干型2)和高于.7.5公里高度(干型3)时均匀下降。与Takemiet等人的灵敏度模拟相比，20%的下降幅度更小、更平滑。(2004)但很简单，足以检验湿度的影响。在这些温度和水分剖面确定，水平均匀的参考状态为目前的模拟重建。

中纬环境的表1和热带环境的表2概述了每个环境温湿度剖面的热力学和湿度参数。LCL、LFC和LNB(例如，见Emanuel，1994)是在最低栅格水平上以假绝热方式提出包裹，而CAPE和CIN则是通过垂直积分虚拟温度定义的浮力能来计算的(Bluestein，1993年)。中纬度地区的Q12和Q16DRY2和Q14和Q16DRY1的PWC值相同，因此有助于研究CAPE对相同水分含量的影响。将BASE与相同QVO值的干工况进行比较，验证了相同CAPE值的PWC的影响。此外，将中纬度和热带的温度剖面进行比较，将为深入了解在各种气候环境中形成的飓风线型对流系统的强度提供了一些见解。

图表 2（a）中纬度BASE情况，（b）中纬度DRY情况和（c）中相对湿度的环境分布

表 1中纬度环境的热力学参数：对流有效势能（CAPE），对流抑制（CIN），低水平最大等效电位温度（theta;emax），最小等效电位温度（theta;emin），提升冷凝水平（LCL）， 列出自由对流（LFC）水平，中性浮力水平（LNB）和可降水含量（PWC）

对于每个温度和水分剖面，通过在2.5km的恒定深度内改变震级和高度来检验各种西风切变剖面，如图3所示。这种剪切形状的定义是由WR04的研究推动的。中纬度环境中的剪切剖面是通过将我们设为10(称为弱切变)、15(中切变)和20(强切变)在0-2.5km水平(即低水平)、2.5-5公里水平(即，中等水平)，5-7.5km水平(即上层)，加上非剪切剖面(=0)(10层切变剖面，即三层 0切变的三层剪切强度)。热带地区的切变形状与中纬度地区相同，但减少了5(称为弱切变)、10(中切变)和15(强切变)，因为热带地区的环境风一般比中纬度地区弱。初始风廓线是通过将地面风速设置为来预编的，但中高层剪切机的情况除外，即在风廓线上增加恒定的风速，以防止对流扰动远离东西边界。应该指出，目前的参照系与伽利略变换是不变的。

中纬度五种不同基底水分剖面的10种剪切型(共50例) T06已经对环境温度进行了检测。本研究进一步探讨了具有张切变剖面的两个中纬和四个热带湿气环境：因此，在T06的情况下增加了60个新的模拟。因此，本研究对50 60模拟的结果进行了检验和比较。

本研究专门研究与线垂直的乌贼线。这样的飓风线在这里可以通过初始化模型，以x半径10公里，垂直半径1.5公里，置于区域中心，高度1.5公里的y取向线热(最大电势超限)为基础，使模型更容易实现。在有序中加入小的随机扰动，加速沿线变化的发展。这种暖异常的大小足以发展有组织的系统。计算时间为6h。

表 2与表1相同，但适用于热带环境

图表 3环境剪切剖面示意图

3.敏感性分析

中纬度环境中的飑线结构和演化被研究和描述。在以前的研究中，如RKW，WKR和WR04中详细记录了T06。本文给出了中纬度和热带地区的观测结果，并对两种情况下的飑线结构和强度进行了比较。

根据RKW的理论研究，风暴线的动力学和演化过程与剪切强度和高度密切相关。图4比较了中纬度和热带地区热带和中纬度地区的热带飑线的平均垂直横断面，结果表明，热带和中纬度地区的热带飑线在基本水分条件下有强、弱水平剪切，没有剪切作用。中纬度环境(RKW、WKR和WR04)的边界层水汽混合比为=14，热带环

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