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热带气旋尺度对其强度变化的影响
克里斯蒂娜·亚历山德拉·卡拉斯科1，克里斯托弗·威廉·朗诗2，林玉郎1
（1，北卡罗莱纳农工州立大学,格林斯博罗,北卡罗来纳州;2，国家飓风中心,迈阿密,佛罗里达州)
摘要：本文研究了过去二十年间（1990-2010）的热带气旋样本，以及热带气旋的尺度和其经历突然增强（RI）过程之间的关系。利用三个不同的参数来定义热带气旋的尺度：最大风速半径（RMW），34knots风速等值线半径（kt; 1 kt = 0.51 ms -1）（AR34），以及最外围闭合等压线半径（ROCI）。本研究的数据，来自于大西洋飓风第二代数据库（HURDAT2），以及扩展的最佳路径资料数据集，数据资料包括24小时间隔内任一RI过程或缓慢增强过程或恒定强度过程（即非RI过程）。每个区间包括过程开始时的强度（最大持续地表风速），RMW，AR34和ROCI以及随后24小时强度的变化。结果表明，RI过程的发生与初始尺度之间有显著的敏感性。通过RI与非RI气旋之间的比较证实，经历RI的热带气旋的初始尺度比没有发生RI的热带气旋的初始尺度更小。分析表明，RMW和AR34与强度的变化呈强烈的负相关。散点图表明RMW和AR34具有最大尺度阈值，在RI过程里这是非常罕见的。相比之下，由ROCI衡量的热带气旋整体尺度与随后的强度增强几乎没有关系。这项研究的结果表明，强度预报和RI的预测尤其可以通过由RMW和AR34测量的初始尺度来辅助。
1.介绍
过去的几十年里，对于大西洋盆地（包括北大西洋，墨西哥湾和加勒比海）地区的热带气旋的分析和预测已经有了显著发展（Sheets 1990 ; Rappaport et al.2009）。由于更精确的数值模型的建立和更多基于卫星的公海观测，国家飓风中心（NHC）发布的路径预测准确度有了显著提升。然而，近年来热带气旋强度（最大1分钟，10米风速）预报业务的发展提升则是更具挑战性的（Gall et al.2013）。NHC一直将快速增强的业务预测[RI; 定义为在24小时内30kt 或更高的强度;Kaplan和DeMaria（2003） ]视为需要提升发展的首要任务（Rappaport et al.2012）。由于普遍缺乏对罕见热带气旋事例的物理机制的理解，RI很难预测。先前的研究将热带气旋的RI过程与以下几个方面联系起来：低对流层垂直风切变，伴有深厚混合层的暖洋面，湿对流层和台风内区物理过程（如同心双眼循环和涡旋Rossby波）（Kaplan等.2010）。然而，关于热带气旋的尺度是否在强度变化中起作用的研究还很少。一个热带气旋的初始尺度可以帮助规定强度，这种观点遵循飓风预报员定性应用的一种概念：“预测[热带风暴莱斯利]强度加强是在切变松弛的时候开始的，但是由于大尺度环流的作用，强化率在初始时增长很慢。”如果热带气旋的初始尺度与强度变化之间确实存在一种强有力的联系，这些联系应该更好地被量化和客观地使用，以帮助预报员更好地预测RI过程。因此，本研究分析了1990 - 2010年大西洋盆地地区在24小时内经历RI的热带气旋在稳定状态下或缓慢加强状态下的尺度大小。这项研究的目标是调查热带气旋的大小与其强度变化之间是否存在联系。
2.之前关于尺度和强度变化的研究
热带气旋尺度对强度变化的作用一直是一些研究的对象。从理论的角度来看，根据Rotunno和Emanuel（1987）的研究结果，Emanuel (1989)得出结论：由最大风速半径（RMW）测量的涡旋的初始尺度对强度变化率起着实质性的作用。如果初始漩涡尺度太大，则强度不会发生变化。但是，尽管初始RMW在模型和尺度中逐步减小，强度变化率却在显著增加，最小的涡漩有着最快的强度变化率。值得注意的是，在他的研究中，中小尺度的涡旋最终都达到了同样的峰值强度，即使它们的增强速率不同。
从观测角度来看，还有更多关于这个课题的论文。DeMaria和Kaplan（1994）建立了一个统计模型——统计飓风强度预测方案（SHIPS）——用于预测大西洋热带气旋在12、24、36、48和72小时的强度变化。这个模型使用标准多元回归方法，包括气候持续性因子、天气因子，包括基于外部环流强度（距中心400到800公里半径之间测量的850-mb相对角动量）的模型。他们的结果显示外部环流强度与强度变化之间存在弱相关性，这在12,24和36小时的提前期内具有统计学意义。但是与此矛盾的是，DeMaria和Kaplan（1994）也发现，在48小时内强度变化最为剧烈的热带气旋的外部环流强度小于平均外部环流强度。他们把这种行为归因于热带气旋的外部环流在生命周期末期旋转加强的趋势，而这种趋势通常是发生在达到峰值强度之后。这一发现与大西洋的观测气候学研究（Merrill 1984）和理想化模型工作（Ooyama 1969）是一致的。尽管现在外部环流尺度是由0-1000公里半径，850-mb的相对涡度所代表的，但随后的统计飓风强度预测方案SHIPS更新（ DeMaria和Kaplan 1999 ; DeMaria et al.2005）仍然采用外部环流尺度，这种大尺度的涡度在12-120 h的预报方案中具有一定技巧性以及与强度变化之间存在正相关性。但是，值得注意的是，DeMaria等人（2005）认为这个尺度更能反映热带 气旋周围的天气学环境，而不是直接衡量气旋本身的尺度大小。
用快速增强指数（RII）方案（Kaplan和DeMaria 2003）——即一种概率预测RI的方法——进行测试，以观察0-1000km，850-mb的相对涡度是否有助于这些预测。然而这个特殊的尺度参数并不是预测RI的一个有效因子，因此这个尺度参数并没有包含在模型中，也没有包含在最新版本的RII中（Kaplan et al.2010 ）。
Kimball和Mulekar（2004）利用1988年到2002年的数据建立了北大西洋盆地地区的多个热带气旋尺度参数的气候学研究。他们发现，在平均约55海里（1海里= 1.852公里）的热带风暴， 40海里的第三类风暴， 30海里的第五类飓风中，RMW逐渐减小。相比之下，34-，50-和64-kt的风速等值线半径，以及最外层闭合等压线的半径（ROCI），随着强度的增加，这些尺度参数也在增大。Kimball和Mulekar（2004）也通过增强、稳态和弱化热带气旋对其数据集在未来6小时的时间段进行了分层。这显示34-，50-和64-kt风的半径与较弱的热带气旋相比在尺度上更小，而RMW和ROCI没有显示出显著差异。
Chen et al.（2011年）对比了西北太平洋台风中结构紧凑的台风与结构松散的台风在24小时内的强度变化。它们的“密实度” 尺度参数是基于RMW，以及与气候值相比的RWM两倍的切向风半径。他们发现，结构紧凑的热带气旋（或是小RMW，或是为RMW半径两倍的弱风速，或者两者兼具）相对于结构更松散的热带气旋有更高的增强速率和更频繁的RI过程。
这些研究的一个局限性是内核和外核的尺度参数对强度变化的影响都是不确定的，因为热带气旋的一般生命周期趋势是热带气旋在达到峰值强度后尺度也达到最大值（例如，Ooyama 1969 ; Merrill 1984 ; DeMaria和Kaplan 1994）。因此，本文的分析仅限于在未来的24小时内处于稳定状态或加强的气旋。希望这可以消除或者至少可以大大减少气候生命周期趋势对于热带气旋尺度与强度变化之间关系的影响。与此同时我们也会筛选出天气环境对强度变化有利，或者至少对强度变化没有影响的案例样本，这样可以更清楚地解释所得到的结果。
3、方法
a.数据来源：HURDAT 与扩展的最佳路径资料
国家飓风中心（NHC）自1851年以来一直维护和更新所有已知的大西洋热带气旋数据库——大西洋飓风数据库第二代（HURDAT2）。这个数据库包含纬度; 经度; 1分钟最大持续地表风速; 中心气压； 34-，50-和64-kt象限的最大半径范围; 以及在6小时间隔内每个气旋是热带，亚热带，或是温带气旋的信息，同时还包括非常规时间内登陆和峰值强度的信息(Landsea and Franklin 2013)。
为了完善这个数据库，Demuth et al.（2006
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