垂直风切变如何影响热带气旋强度变化的概述

李维撒切尔夫人和Zhaoxia Pu

美国犹他大学

1。介绍

在过去的30年中,热带气旋(TC)强度预测,为各种(但仍然有点莫名其妙)的原因,没有达到改善TC水平附近的跟踪预测。虽然TCs研究集中在整个20世纪,社会已经很少的定量知识这些风暴是如何与他们的环境,特别是对核心结构的变化(弗兰克&里奇,1999)。罗杰斯et al。(2006)指出,缺乏技能的数值预测TC强度可以部分归因于TCs对物理学的理解不足,他们与环境交互的方式。事实上,TC结构和强度变化是受一系列庞大而复杂的物理过程,管理内部核心结构和风暴之间的交互和底层海洋和大气环境(王&吴,2004)。引用其他问题,原油参数化,困难在治疗多尺度相互作用,并与初始化所涉及的不确定性模型在稀疏数据覆盖的地区得到了大量的关注。

为了预测TC强度,其中一个重要的问题是如何准确地预测TC最大可能强度(MPI)。尽管各种方法预测风暴的MPI已经提出,NWP社会现实的失败预测TC强度很大程度上在于有各种无法解释的过程保持TCs到达它们的理论MPI。而无数的机制,主要有两种,被确认为对TC强化产生最大的影响:1)内部动力学和2)外部强迫从环境流。下面这两个标题秋天大多数TC intensity-related主题:垂直风切变全身的不对称在核心区域,海洋表面的冷却由于海洋上涌下眼壁区域,内外雨带的角色,涡罗斯比波(VRWs),嵌入式mesovortices,眼壁周期。热带气旋往往无法达到理论MPI因为杰出的MPI计算使用TC轴对称的基本假设(营&蒙哥马利,2001),而很少TC结构是对称的,即使在成熟的风暴。而切向风场和其他TC特性是轴对称的,许多重要的功能,如VRWs、眼壁周期,降雨,对流,径向风,和外围雨带往往高度不对称属性影响TC强度变化;因此毫不奇怪,几乎所有TCs无法达到他们的MPI。

风暴的影响不对称在TC强化一直是有争议的问题,而TC强度变化相当基础的关系问题。的许多asymmetry-related主题影响TC强度、环境垂直风切变的TC强度最突出的有争议的文学,也许部分是因为它的明显的风暴不对称的关系。然而,这当然不是唯一的原因,因为背后的基本物理机制剪切对TC强化的影响仍不清楚。由于shear-intensification关系的重要性和仍然存在的问题,尽管许多其他问题与TC asymmetry-intensification问题,这是一场期间,我们将讨论这一章。首先,早期作品讨论剪切对TC强度的影响进行综述。后,这将是一个描述的两个最著名的理论提出:首先,中层变暖(1996),然后假设DeMaria发泄假说的灰色(1968)和弗兰克和里奇(2001)。后来一个视图将最近的研究,最后,一些结论。

2。早期的工作

温和的垂直风切变的影响在TC强化现在公认非常微妙,早期文学更关注于他们的一般影响TC强化没有很多争论的本质关系;当前讨论的种子,播种是非常早。尽管缺乏适当的大气观测的海洋,到1950年代科学界已经达到一些一般性结论TC的形成。除了上述需要太平洋26°C和纬度大于5 - 8°,是决定高水平的垂直风切变是禁止TC强化(鲸,1959)。在他的论文在TCs的频率各种热带盆地、拉梅奇继续描述缺乏TCs中国海,孟加拉湾、阿拉伯海是由于垂直剪切与夏季季风的发行量。

到1960年代还没有共识的一般环境流特性和动力学过程与TC形成(灰色,1968)。刚刚使用海洋上层空气数据成为可用的,灰色的发表了一篇重要论文(灰色,1968),不仅给了实质性讨论伴随TC的大气状况的形成,也标志着“发泄”假说的开始(核心水分和能量的TC的核心)在解释垂直剪切的方法抑制TC的增长。

全球达成,这项研究观察了300多个TC发展情况,分析了现行公认的TC盆地的环境特征,并始终发现一个强大的协会之间的区域极小值在气候垂直切变和地区频繁的风暴形成。压缩数据,灰色的发现,这种关系很好暂时以及空间举行。在解释这些结果他说大水平的垂直切变产生的热量相当通风发展障碍。考虑TC核心,收缩释放热量通过对流在对流层上部流水方向不同相对于中心在较低的水平。他指出,这种不对称性,对TC增长是致命的,它使热透整个对流层的浓度非常困难(灰色,1968)。形成了鲜明的矛盾的结果灰色(1968)和社区一般,Tuleya两和栗原市(1981)发现,小(非零)的水平垂直剪切,剪切或中度伊斯特里,TC发展是有益的。他们做他们的研究使用一种11-level原始方程模式,在这种模式中,简单的环境流叠加在一个浅微扰类似东风波。他们解释这些结果,形成一个相对温暖的地方上的水平,和重要的水分收敛在较低的水平,对TC增长是非常必要的。如果这两个事件是强耦合在垂直然后强化反馈两者之间可能发生。他们发现,表面东风是有益的(随着东风切变)TC发展因为他们提升较高层和较低层之间的强耦合。虽然后来的研究没有多大提到东风切变对TC的好处,这种早期研究是引人注目的,它强调的重要性较高层和较低层的耦合力学强度的变化。后来这个话题将命令的关注许多他们努力解释背后的过程,TCs经常保持这种耦合尽管垂直剪切的影响。

TC强度最大潜能越来越浓的兴趣,美林(1988)出发来确定剪切的作用保持TC达到这个理论上限。这样做他使用复合国家飓风中心(NHC)上层对流层从探空观测数据,卫星,和商用飞机研究TC环境开发和nondeveloping风暴而有所不同。他的研究包括了28个飓风从大西洋盆地是根据1)隔离强度变化在24小时内,2)风暴的接近其最大潜在强度(或效率),和3)中相应的气候太平洋风暴的附近。考虑垂直剪切是主要成分的保持一定的风暴远低于他们的MPI,美林从这样的风暴和分析数据得出结论,正如所料,为加强飓风垂直切变低;有趣的是,他发现这是特别是在半径1000公里或更多。

有足够建立剪切在TC加剧的不利影响,后来的研究进入交互背后的机制。这些研究主题采取许多形式和包括诸如剪切的影响在TC运动(夏皮罗,1992;Flatau et al ., 1994;王&荷兰,1996),剪切的影响分布对流(Corbosiero &莫利纳里2002;罗杰斯et al ., 2003;陈et al ., 2006), TCs的方式与某些特征(即、一定强度、水平程度或纬度)能更好的抵抗剪切和TC如何维持其涡近垂直领域的不良环境条件(琼斯,1995;DeMaria, 1996)。

由于不同的研究发现,许多研究人员在1990年代进行的垂直切变影响风暴的运动相对于通常的环境转向流将决定什么。Flatau et al。(1994)娴熟地开始他的研究基于观察,Gryanik和tev(1989),当考虑到低层气旋的中心的位移和上层反气旋相对于另一个,低,上层漩涡可以被认为是互动的方式类似于二维涡流在水平面之间的交互。用他semispectral,原始方程模型来模拟斜压涡的运动,Flatau et al。(1994)发现,在西风线性剪切模拟TC涡向北移动,在东风切变涡向南传播。这些结果对比与夏皮罗(1992),他在执行类似的测试与可压缩流体使用三层多重嵌套模型,发现在向西向南传播剪切环境流。Flatau et al。(1994)认为这些差异1)的传播方向取决于上下PV异常的位置相对于彼此;2)两篇论文差异各自的风资料;和3)背景潜在的涡度梯度的影响。虽然这些细节讨论TC集约化,看似不相关的原因Flatau等人,夏皮罗画他们的特定结论预示着后来的研究者解释说TCs应对垂直剪切机所使用的方法和倾斜涡。首先,Flatau等的运动的解释取决于之间的相对运动和相互作用较高层和较低层的漩涡。在西风垂直剪切上层反气旋推动东部的低层反气旋。cyclone-anticyclone对朝着北方因为低级PV异常(TC中心经常被描述的)用平流输送上层- PV异常,反之亦然。 Despite the contradicting results, Shapiro (1992) and Flatau et al.'s (1994) work both involved TC propagation as caused by a similar interaction between TC layers and the same horizontal transport of potential vorticity. Using a 5-layer primitive equation model on both an f-plane and P-plane, Wang and Holland (1996) also found that under most circumstances the surface vortex was advected to the left of the vertical shear. They too noted that the leftward or rightward enhancement of propagation relative to the vertical shear depended on the relative magnitude of the different motion tendencies. The fact that all three of these motion studies (Shapiro, 1992; Flatau et al., 1994; Wang & Holland, 1996) relied all or partially on the interaction of the upper and lower PV anomalies as a means to explain TC movement lent credence to the importance of vortex tilt and the myriad consequences and complications that arose from this phenomena. The interesting part of the Wang and Holland (1996) paper is the fact that they started to attribute a significant amount of倾斜降低耦合(特别是强和大漩涡)的相对定位较高层和低层气旋,低层气旋和上层反气旋,大多数以前的研究已经完成当寻求解释的方式剪切影响TC结构。

今天的讨论围绕的行为和特征倾斜的气旋TC的核心的一部分。微分平流垂直剪切结果的PV,这种倾斜可以变得相当明显,通常用于衡量总体影响垂直切变对TC的核心。倾斜往往是一种有效的分析方法shear-intensity关系不仅在TC的核心动力,因为它的核心作用,还因为它的普遍性。例如,亨特利和Diercks(1981),观察TC核心差异在500年和700年hpa水平,指出,有证据显示11倾斜超过100公里的23个名叫TCs在1979年西太平洋台风季节。此外,他们指出,倾斜延伸到更高的水平,并且,预示的大部分研究,说倾斜是高度相关的垂直切变的大小和方向。

尽管与其他突出研究的相似之处,尤其是Flatau et al .(1994)指出前进的方向涡层的耦合通过说明涡的倾斜程度上减轻非绝热加热存在的向上的高PV空气平流中心和下行平流低PV更大的半径。王先生和李(1992),Flatau et al。(1994)认为这漩涡的主要手段仍然是垂直耦合,尽管他们不讨论如何垂直循环导致这种耦合(琼斯,1995)。这种耦合是剪切的解释如何影响核心TC强化,因为它似乎是一个主要的方式垂直剪切(和一般环境影响)与TC交互结构。解释和确定这些垂直耦合机制的能力大小不同,强度,TCs的位置基本上决定了他们的能力抵抗垂直切变和因此给我们提供了充分的理由包括TC运动看似没什么深交的讨论。

这背景使我们能够讨论这个内部耦合的方式发生,以及它如何与持续的水平剪切TC强化产生负面影响。虽然光伏和德“发泄”理论对于shear-intensification关系不太精细,重要的中层变暖理论确实需要一些背景。

3所示。中层变暖假说

如前所述,小王和荷兰(1996)提到观察的重要性的倾斜气旋涡本身,没有明确考虑上层反气旋的定位的影响,低层气旋。到1990年代中期这新方法分析剪切的影响在TC强度已经变得相当普遍。文献现在更关注所使用的应对机制仅仅TCs的气旋(反气旋现在忽略)承受垂直切变和为什么这些应对机制往往对某些TC特征;剪切的影响已经不可避免地与气旋的倾斜涡和其上部和下部之间的交互水平。

这种精制shear-intensity关系的思维方式或许最重要的是琼斯的一项里程碑式的论文(1995)。尽管广泛的相关研究在这一领域,她的论文是一个标准,奠定了相当牢固的基础在中层变暖的假设。琼斯(1995)论文是基于她的研究通过观察initially-barotropic漩涡环境流的行为。她计算进行使用干燥、静压f-plane本原方程数值模型。尽管她执行正压模拟TC漩涡和检查反击垂直切变的动力和绝热机制,她解释的太shear-intensity关系的基础,即使后来传热的描述,比如中层变暖理论,欠她的研究。

广泛,琼斯的工作是密切与Flatau et al。(和其他同时代的),她是用三维原始方程模型的结果表明,垂直剪切环境流的结果鉴别潜在的涡度平流的风暴。她的方法是独一无二的,然而,在这一点上,为了孤立垂直涡之间的耦合机制的水平,她表现的研究没有包含传热过程,她认为所有的TC剪切应对机制依赖于这些过程的存在固有的热带气旋。琼斯指定剪切,这样没有潜在的涡度梯度;结果没有杜绝上层反气旋的发展传热的影响。部分原因在于这种技术,未来研究人员几乎完全气旋倾斜解释shear-intensity关系没有停留在反气旋的复杂影响。

琼斯(1995)的兴趣垂直耦合机制激怒时,指定一个向西流4米/秒风速在模型的表面下降到0(10公里),她发现随行的垂直倾斜涡小得多,这将暗示了简单的平流的基本流程。想象,低层涡旋首次流离失所的东上层漩涡。调查后,她发现表面的后续运动中心向北有一个组件,而上层的运动中心向南有一个组件。这导致了这一事实,而中心5公里高度几乎向东移动,较高层和较低层中心旋转cyclonically。24小时后这导致下级涡位于西部的漩涡在上层,倾斜是相反的,这将是预期的方向垂直剪切。

这个响应TC的垂直切变可以解释首先考虑初始流组成的两个相同的potential-vorticity异常,由最初的上部和更低的异常在垂直和正在上面指定的风况。低水平异常是流离失所的东部,由于剪切,上层异常仍在其之前的位置。向下的投影上异常了气旋环流在表面;因为低异常是流离失所的东部,因此有一个向南的组件在其中心,因为上异常的影响。这往往用平流输送低异常向北直到线加入两个异常的中心不再是东西方向;这导致向下的投影来创建一个东风风的组件在低水平异常。这样的上半部分和下半部分都异常气旋的方式继续围绕着彼此。一旦这个气旋革命的结果较高层和较低层的异常被排列在南北方向,向下的投影上层异常的组件在一个纯粹的伊斯特里降低异常;因此,考虑到剪切被指定为低层西风流,这个特定的垂直方向的PV异常作为一个重要的应对机制的TC计数器垂直风切变的影响。第二个相关应对机制是相互异常后是革命已经把低级异常西方上层的异常。现在倾斜倾斜到风,环境剪切,在这种情况下,有效减少涡流倾斜,从而促进TC结构稳定。当然,这些效果可以,,逆转。当低级异常南上,向下的投影停止对抗剪切,从而停止促进涡流对齐;同样的,当低层异常东上,垂直剪切是加剧了垂直涡倾斜。

更直接相关文章的中心主题是琼斯(1995)讨论了垂直剪切环境的影响而导致的发行量流动。基本来说,垂直环流的发展可以与平衡的维护。垂直循环倾斜PV异常后,热调整所需的流量平衡;这是由冷却down-shear up-shear变暖。这冷却down-shear提高等熵线,后来导致绝热垂直运动,当包裹TC中心移动无关地跟随的等熵线向上通过down-shear风暴的一部分。

由于她没有传热过程模型能够产生热异常,琼斯(1995)认为这些偏离初始位温场只能由于平流的出现环境温度由涡流场。她正压旋风模拟进行分析后指出,cyclonically-rotating-upper-and-lower-PV-anomaly机制后,垂直运动的第二个主要是她认为TC在显著水平剪切中保持着正直的漩涡。为维护所需的温度异常的力量热的风平衡的大小取决于垂直倾斜,垂直速度的强度也取决于倾角的大小。建模时漩涡的行为,这些都是非常可测量的参数,至少绝热地,有一个看似明确的关系。耐久性的分析这种关系将使研究人员能够确定通用TC特征改变风暴的能力承受垂直剪切。

虽然琼斯(1995)讨论了TC绝热反应,Flatau et al。(1994)检查的重要性传热的二次循环TC抵抗剪切的能力。他解释说,这是体现在高PV空气从下面的运输中心和向下的低PV空气平流大半径;然而,琼斯(1995)指出,这并不足以解释导致涡耦合传热的影响。TC的传热和绝热组件垂直循环的反应垂直切变发挥核心作用与TC强度变化的关系。如何解释这是一个重要的论文DeMaria(1996),谁是主要作者的中层变暖假说对TC强度垂直剪切的影响。从本质上说,他的理论来自于一个分析的后果shear-induced PV倾斜。如上所述,涡倾斜伴随着热的涡结构的变化,这样质量和风能领域保持quasi-balanced。他的假设是这些倾斜相关热结构变化影响大气稳定在风暴中心附近,因此风暴强度。

本质上,上下PV的水平位移异常引起热转变有寒冷的气温相对down-tilt,和温度的方向低级PV异常(或up-tilt)。虽然这已经注意到之前(琼斯,1995),DeMaria(1996)敏锐的观察,低涡中心附近的中层温度升高。他还观察的相对温度变化与涡倾斜不仅会导致减少在低级中心附近的对流(因为变暖的),但它也将导致对流风暴眼壁外将进一步破坏对称和循环。

为了测试他的假设,DeMaria(1996)使用一个简单的、决定的两层的正压模式,因为这是最简单的上下文中可以说明垂直切变的影响。预测方程,他用两个水平动量方程和连续性方程的高度。他还雇了一个光伏模型流分析方法。这通常是一个有效的方法来一个两层的模型,作为整个流场可以确定从PV分配合适的边界条件和质量之间的平衡和风能领域。

正压的方法,根据定义,忽略了上层反气旋,可以很准确模拟强烈风暴,因此TCs往往气旋发行量在对流层的深度扩展。因为这个事实,最近发表的研究,DeMaria(1996)决定专注于积极的PV异常模型层。他做出这个决定部分基于夏皮罗和富兰克林(1995),在格洛丽亚飓风研究,表明有一个核心的高PV值150公里半径内的风暴中心,延长到至少200 hpa。这个重要的研究(1996),从DeMaria从琼斯(1995)均产生涡模拟使用至少在最初阶段,正压涡,从而基本上忽视了上层反气旋,演示了社区的方式改变了它的思考方式TC倾斜。只考虑到十年前的被广泛接受的方法查看TC应对风暴倾斜与上层反气旋和低层气旋之间的交互,这是一个显著的变化的分析TC shear-intensity关系。为了模拟TC倾斜中层变暖的影响,DeMaria(1996)进行了几个实验,他把低级PV异常域中心的上层异常流离失所。使用上层向东位移为0后,20、40、60公里,他观察到低层涡旋中心附近的中层温度不断增加,以保持平衡。他发现的最大中层温度异常增加了大约3 k上层PV异常时取代60公里(半径最大风力)东部的低级的漩涡中心。这种级别的中层变暖,如果经历过在一个真正的TC,足以抑制对流,从而削弱TC强度。从本质上讲,在60公里的水平位移,经向风的组件每一层有其极大值的定位相对于相反的中心层。 DeMaria (1996) hypothesized that not only would the tilt-induced midlevel warming prove inhibitive of convection and TC intensification, but the increase in asymmetry due to the increased convection down-tilt of the storm's low-level axis of rotation also appeared to hinder coherent storm structure and intensification.

正如前面提到的,对于一个纯粹的东方位移,PV异常的中心重叠的风会越来越子午;DeMaria(1996)的作品,这最大的经向风()和最大光伏异常交互发生在60公里的位移。DeMaria(1996)回声琼斯(1995)在解释,由此产生的较高层和较低层气旋革命PV异常努力抵抗垂直风切变的影响。然后他继续执行一个名叫TCs的回归分析对所有从大西洋盆地之间的关系来确定剪切为各种类型的TCs和加强,这将在下面讨论的原因。

在检查的机制在垂直剪切TC削弱这一章的主题感兴趣,感兴趣的也知道为什么这些过程偶尔打破,见TCs的出现能够加强在不利的环境中。这种兴趣主要体现DeMaria阵营,因为各种环境参数的影响在TC垂直耦合的程度,因此现在将作为一个中层的延伸讨论气候变暖的假设。

漩涡的抗垂直剪切罗斯比穿透深度的函数(D),这是一个测量的垂直耦合TC。这个参数可以解释的许多不同的因素可以影响倾斜和旋转的漩涡。其中的几个主要因素包括科里奥利参数、涡的强度,静态稳定、涡的高度和宽度的漩涡。因此,DeMaria(1996),在他的TC回归分析,用TC纬度,强度,和大小在分析shear-intensity关系的可预测性。他断定,TCs更能减轻剪切的影响当他们强,大,在高纬度地区。前一年,琼斯(1995)执行几个渗透depth-related测试用她干,最初f-plane同时模拟正压原始方程模型漩涡。具体地说,她用模型来看看垂直穿透深度的大小依赖于科里奥利参数,涡流强度、静态稳定、规模和水平长度。她发现一个较弱的涡流(最大切向风的20米/秒,而不是30 m / s)导致较慢的较高层和较低层相对革命率和更大的垂直倾斜。然而,值得注意的是她的解释为什么这发生;尽管它使一种直观的感觉,她呈现机制特别清晰。看到,在一个较弱的漩涡,切向流的上层PV异常降低,由于下行流投影也较弱。这导致减少平流在给定水平将在其他级别异常(琼斯,1995)。 The weaker vortex cannot counter the shear because its upper-level and lower-level PV anomalies cannot revolve (cyclonically) sufficiently for the resulting tilt to counter the prevailing shear.

同样进行实验通过改变科里奥利参数时她发现通过增加纬度,从12.5°20°N, N的f-plane坐落,涡体现更倾斜,更大的革命。这是归因于这样一个事实:一切不变的情况下,更高的科里奥利参数会导致更强烈的等熵线倾斜;自TC的方法来对抗剪切取决于动态和热力学过程必须适应这些倾斜等熵线,这个革命率预计将增加。琼斯(1995)也进行类似的实验相关长度规模和高度的漩涡,发现越来越TC宽度导致较小的垂直倾斜和更大的革命,而更高的涡流导致更大的漩涡倾斜和较小的革命,随着垂直耦合将明显降低垂直规模增加。

虽然琼斯(1995)(1996)的模拟和DeMaria六年案例研究证实了假设的穿透深度的影响,他们的工作做的更进一步,他们通过运行模型,量化这些影响多年分析,和穿透深度的发展方程。琼斯(1995)第一次试图使用quasi-geostrophic理论来定义穿透深度,f是科氏参数,L是长度尺度,N是静态稳定性。使用典型的尺度为她特定的模型,她想出了一个930米的深度。承认这是不合理的,很大程度上是因为,TCs经验重要ageostrophic垂直运动,然后她转向的工作Hoskins et al .(1985)和夏皮罗和蒙哥马利(1993),世卫组织制定另一个表达式为轴对称涡流的穿透深度和Z是涡度的垂直分量。指出这样一个事实:她涡的涡度剖面强烈见顶,她担心如何使用上面的公式,但最终使用平均值的相对涡度和切向风和发现一个合理罗斯比14公里的穿透深度。尽管如此,她仍然对这些方法和承认,不满意的参数参与她的实验,这是不完全清楚穿透深度应该是如何定义的。DeMaria(1996)尝试类似的琼斯(1995)以定义为他的特定模型设置和穿透深度似乎享有更大的成功。开始,他引用夏皮罗和蒙哥马利(1993)的他看起来定义罗斯比穿透深度一般大气;这是通过解决当地的定义罗斯比半径垂直刻度的轴对称涡流,使

(fic (f + Z)) 1/2 L / N,在絮状物= f + 2 v ^ / r

LR是水平扩展,N是我是惯性稳定的静态稳定性和参数定义的

V是切向风和r是半径。方程2和3显然表明,D随纬度,长度范围强度(V和Z)和减少与静态稳定;DeMaria(1996)接着使用quasi-geostrophic参数,定义维他的两层模型,虽然聪明,不相关。方程2和3就足够了,知道什么类型的垂直剪切阻力某个热带气旋将展览。

4所示。发泄假说

而灰色的核心de发泄假说(1968)有点简单,其效果,但是,不是很好理解,因为有些人会看到上层冷却(理论基础)的不稳定因素有利于TC发展(DeMaria, 1996)。虽然建模(弗兰克&里奇,2001)和观察性研究(Knaff et al ., 2004)令人信服地表明,TCs削弱从上到下通过一个垂直降低上层温暖的核心和伴随的漩涡,也仍然不清楚这个核心发生侵蚀。因此,有关理论及其背景的开端,发展,和治疗将是有益的,以了解当前状态的研究。

灰色(1968),在他的全球大气条件周围TC发展的观察研究,指出作为第一阐明发泄假说作为一个方法来解释在TC剪切强度的影响。他得出结论,TC的动态发展最好视为静压temperature-pressure-wind调整的问题。在他看来,形成和维护TC,意味着必须增加对流层温度和集中。这是一个典型的发泄阵营的观点;TC的力量被视为集中和维护上水平的核心,主要表现在高水平的等效势温度和潜在的涡度。灰色(1968)解释了剪切的影响作为一个大型通风的热量生产发展障碍。他发现收缩所释放的热量积云对流对流层上层是流水方向不同释放热量相对较低的水平。核心的损失的热量会导致液压调整提高最低压力,因此TC走软。

通过下面的几十年里,几乎没有在文献中讨论发泄假设大多数TC人员更关心剪切对TC跟踪的影响(夏皮罗,1992;Flatau et al ., 1994;王&荷兰,1996),TC结构(Bender, 1997),与指定不同类型的剪切的影响在TC强度(Tuleya两&栗原市,1981;美林,1998),而不是如何剪切产生的这些影响。然而,如前所述,一般解释这些过程如何发生一般集中在动态过程(琼斯,1995),中层变暖(DeMaria, 1996),以及表面通量之间的不对称和水分融合(彭et al ., 1999)。

2000年左右,有兴趣重燃发泄假说,因为有趣的结果由弗兰克·里奇(1999 & 2001)。在他们讨论关于这个方法解释TCs的剪切反应,一些通用原则的争论中心。首先是德的通量和光伏核心负责TC

削弱;第二个是定位的PV和de最大值相对于核心;第三是基于事实,TCs削弱从上到下,在与前两个密切联系。

在他们一份2001年的论文,使用MM5和三个嵌入式网格,网格间距5公里,和一个完全湿对流过程的显式表示,他们检查的反应成熟,理想化的左图是漩涡各种类型和大小的垂直风切变。MM5解决非线性、原始方程使用笛卡尔坐标在水平和垂直地形跟踪σ坐标。这种新型的模式是至关重要的目标研究热带cyclone-shear交互需要的数值模拟模型与一个非常大的领域,能够解决风暴的环境和外部循环特性,以及高分辨率能够解决的核心区域小,强烈的风暴的核心流程(弗兰克&里奇,1999)。他们的模拟进行f-plane集中在15度,所以不会出现并发症从风暴流之间的相互作用和行星子午绝对涡度梯度,因为这些往往可以改变风暴的核心地区的平均流量(弗兰克&里奇,2001)。

看风的1)政权没有大规模流,2)东风流,3)5 m / s剪切,4)10 m / s剪切,和5)15 m / s剪切(其剪切风变化从表面到对流层上部辐合),他们发现,在剪切涡的情况下,而不是一个漩涡嵌入在均匀带状流,削弱风暴的发生通过一个定义良好的,多步过程。首先,风暴核心发展一个强大的、波数一个不对称垂直运动,降雨,和云水最多的水平,剪切后不久。的不对称是足够强大,然后上层de和PV失去浓度的风暴之眼和完全集中在眼壁部分和其他雨带;发生这种情况主要通过向外艾迪通量。这个损失核心温暖导致表面压力的增加,减少各级流通。这种不对称模式然后向下移动随着时间的推移,伴随着倾斜的进展,这样结构继续减弱。在某种程度上这是停止的,因为下级强循环有所保留了对称涡,这样达到平衡在一个强度远低于风暴的MPI。这些风暴如何能够避免这个过程和承受剪力,弗兰克和里奇(2001)报告说,在5 m / s剪切涡能够保持强劲,垂直对齐结构大约一天半,而在10 m / s剪切涡减弱之前继续加强对18 - 24小时。虽然剪切15 m / s撕一个强烈,理想化的风暴在一天,暴风雨下光的延迟反应剪切表明过程倾向于保持暴风雨轴对称能够暂时克服剪切不到10 m / s。

DeMaria随后与Knaff et al。(2004)进行复合分析TC温暖的核心与各级剪切。本研究的独特之处在于,他们使用温度试探的高级微波探测装置(AMSU)仪器分析的特点,186年各级剪切TCs TC从1999 - 2002赛季在大西洋和东太平洋盆地和老少2002事件上的北太平洋西部。定义剪切的24小时平均向量差异水平风在200年和850年之间hpa,他们创建了两个TC复合材料。一个是强烈的风暴(46-52m / s最大表面风速),显示良好的剪切条件(< 7.5 m / s)和其他包括强烈的风暴,正在经历重大剪切(> 7.5 m / s);比较这两种复合材料,他们分析了内部核心温度异常,希望找到一个一致的TC轴对称热结构的变化由于剪切变化。

Knaff et al。(2004)计算了TC温度异常相对方位和径向平均温度从500 - 600公里半径和发现,随着剪切的增加,平衡飓风漩涡的高度降低。确认的结果弗兰克和里奇(2001),Knaff et al .(2004)得出结论,一般垂直切变对一个成熟的TC的影响是其温热的内核结构的自顶向下侵蚀由于向下传播水平通量的潜在温度,虽然他们承认他们不确定如何发生。

5。最近的进展

最近的工作在这一领域,除了直接寻址或确认上面的结果(琼斯2000;黄和陈2004),看起来,大规模参数随TC强化(帕特森et al ., 2005;曾et al ., 2007年,2008年;加纳et al ., 2009;亨德瑞et al ., 2009),讨论了TC不对称影响风暴强度(杨et al ., 2007;唱et al . 2008),检查的作用湍流通量强化(朱,2008;布莱恩和Rotunno, 2009;Rotunno, 2009),并提出了一些新的机制和框架来描述TCs的切变的不利影响(Reasor et al ., 2004;Riemer et al ., 2009;唐和伊曼纽尔2010)。使用一个模型来研究斜压原始方程f-plane漩涡,琼斯(2000)发现,相反的工作DeMaria (1996), TC shear-induced倾斜的核心区域可能会减少稳定在某些地区的漩涡,尽管对TC强度并不完全清楚。类似于弗兰克和里奇的研究(1999、2001),王、陈(2004)使用MM5 4公里分辨率分析理想化的TCs的反应在一个f-plane各种水平的垂直切变。他们发现,尽管TCs的剪下6-8m / s不如TCs在任何强烈的剪切,剪下只有10米/秒以上时TC显著减弱。证实琼斯(1995)的结果,他们发现,TCs抵制由不同层次之间的相互旋转倾斜;他们还发现,有明显的变暖的下半部分对流层TC的中心附近,这可能会证实(1996)的一部分DeMaria看到发生在TCs的中层。

在过去的五年中已经有几次试图区分环境最有利于TC强化特征。使用NCEP-NCAR可利用,帕特森et al。(2005)发现,在澳大利亚地区,剪2-4m / s实际上支持显著强化,上面剪12 m / s青睐迅速减弱;使用相同的数据时,曾庆红et al。(2007)研究了过渡的影响速度和垂直剪切TC强化在北太平洋和北大西洋(曾庆红等人。,2008)1981 - 2003。时他们发现一些TCs加剧环境风切变是20米/秒以上,他们开发了一种新的经验最大潜在强度(MPI)包括平移速度和垂直剪切合并后的负面影响。亨德瑞et al。(2009)同样TRMM NOGAPS全球分析和使用微波成像仪(剧情)检查环境和气候热带气旋的特点发生不同的强度变化在北太平洋西部和北部大西洋盆地。有趣的是,他们发现环境的迅速加剧TCs和适度强化TCs非常相似。例外的是在大西洋快速强化(RI)事件发生在环境较弱的深层剪切比适度强化均等的;一个重要的发现是,TC的速度

强化并不是极度依赖于太平洋。使用可压缩流体静力学、动力学模型嵌套在全球分析领域研究的相对剪切的影响热分层现象TC可变性,加纳在al。(2009)发现,模型的灵敏度的热带风暴活动预期的变化在垂直剪切是可观的;预测在21世纪根据IPCC的aib场景中,发现模型的大西洋热带气旋活动的减少主要是由于增加季节平均垂直剪切在西大西洋和加勒比海(加纳et al ., 2009)。而所有这些服务确认垂直剪切TC强化的重要性,也有很多最近,前瞻性的论文帮助解释关系的性质。

在过去十年里最独特的研究之一是Reasor et al。(2004),使用布西涅斯克PE模型来模拟正压f-plane漩涡,发现VRWs,而非传热的二次循环,主要是负责TC的剪切阻力。值得注意的是,这种阻力是持续剪10 m / s以上没有积云对流的直接援助。虽然他们的工作解释一些被忽视的主题(例如,TC的似稳倾斜状态的存在剪切和径向的突出和方位传播VRWs源自TC迫于剪切),他们承认传热过程在TC弹性的备受争议的作用仍不清楚。随后,Riemer et al。(2009)开发的一个新解释垂直shear-intensity关系。他强调下降气流的作用及其传输的低de空气mid-troposphere在眼壁边界层及其影响能量从卡诺的角度来看。同理,Tang和伊曼纽尔(2010)稳定性的基础上,建立了一个理想化的框架轴对称,倾斜的中立评估shear-related通风如何影响TC强度通过眼壁外的下降气流和中层涡通量直接进入眼壁。Riemer et al。(2009),唐代和伊曼纽尔(2010)解释机制的不利影响在TC强度通过考虑卡诺热机的风暴;当这些shear-related过程减少最大熵在TC的核心,从而减少热力学效率,其结果是一个总量的减少工作,可以执行的TC在打击摩擦耗散。如上所述,许多以前的论文,TCs与更高的潜在强度(π)能更好地承受风切变稳态强度增加,而可持续发展所需的最小强度随增加潜在强度(Tang和伊曼纽尔2010)。因此也证实垂直剪切导致降低TC可用的能量作为工作,然而,究竟在哪里以及如何发生这种情况仍在争论。

如前所述弗兰克和里奇的研究(2001),看来湍流漩涡发挥关键,但知之甚少的作用shear-related发泄工作降低TC的热力学效率。这种湍流通量的重要性在TC强化最近脱颖而出由于涉及理查德Rotunno的2篇论文。首先,布莱恩和Rotunno(2009),他们感动的间接当使用一个轴对称数值模型来评估热带气旋的最大π。他们表明,湍流在径向方向上限制最大强度的径向梯度减弱角动量和熵;最大风速是非常依赖水平混合长度(Bryan和Rotunno, 2009)。呼应弗兰克和里奇(2001),随后宣布,很难实时预测相关的强度可能是动荡NWP模型的规范和/或普遍缺乏对湍流的影响在飓风(Bryan Rotunno, 2009)。考虑典型的中尺度模式的分辨率1-3km和临界通风通过湍流漩涡发生订单100的重要性湍流模型解决或近似的能力是至关重要的。

基于这一事实,Rotunno et al。(2009)发表了一项研究,研究的重要性的TC建模使用大涡模拟湍流传输使用高级研究WRF热带气旋。采用六个嵌套网格的水平分辨率62,他们分析了湍流漩涡的分辨率的影响最大的TC风速。他们发现风暴强度显著增加栅格间距时减少湍流参数化时(从1.67公里到185美元),但实际上平均风速下降时增加分辨率从185到62,在动荡的漩涡正在解决(Rotunno et al ., 2009)。特别有趣的是,这项研究证实,有强烈的湍流内边缘的强烈的飓风眼壁;考虑湍流重要作用在几个假设关于发泄在这部分的TC(弗兰克和里奇,2001;唐伊曼纽尔,2010),这一领域的研究是能够解释的关键TCs与环境进行交互。进一步的明确的依赖意味着TC强度和TC眼壁半径的影响解决湍流演示正确的重要性近似建模TC强化时湍流扩散。最近,撒切尔(2010)进行的研究试图解决TC是否负面影响通过垂直剪切中层变暖(DeMaria, 1996)或一个上层熵发泄(弗兰克&里奇,2001)。使用WRF-ARW 3公里网格间距而模拟台风Jangmi(2008),发现TC的强化结束在中等剪切(~ 7米/秒)由于建立theta-e极大值从200 - 300 hpa在眼壁;在此之前,浓度相对统一在TC的核心在上层。 It was found that Jangmi's mean sea-level pressure (MSLP) was most sensitive to theta-e values from 200-300hPa in the inner part of the eyewall (30-50km). The end of the intensification appears to be due to two factors related to upper-level core venting: 1) the MSLP is affected through a hydrostatic adjustment to reduced inner eyewall energy values and 2) the upper part of the eyewall stabilizes due to outward energy flux. However, due to the 3km resolution of the model, it was difficult to determine the role venting-related turbulence played in the end of Jangmi's intensification.

6。结论

过去4年的研究已经证实环境力量大半径对热带气旋强度产生重大影响。它还建立了环境垂直风切变对TC强度有不利影响。这甚至一再被证实在过去5年(帕特森et al ., 2005;曾et al ., 2007年,2008年;加纳et al ., 2009;亨德瑞et al ., 2009)。虽然少量的垂直切变被视为有利于TC开发(Tuleya两&栗原市,1981;帕特森et al ., 2005),上面剪8-12m / s (DeMaria卡普兰,1999;黄和陈,2004;帕特森et al ., 2005)已被证明有害TC强度和结构。 The question is how this works. Generally accepted is the fact that, overall, the TC approximates a Carnot heat engine. These storms convert heat into work. Any interaction that inhibits this (e.g., internal dynamics, large-scale environmental flow, or ocean welling) will keep a TC from reaching its maximum potential intensity. Theories as to how vertical shear keeps a TC from its MPI are myriad, yet they generally are seen as either relating to the dynamics or thermodynamics. The theories based on a fluxing of low-entropy air into the core of a TC have found support (Frank and Ritchie, 2001; Tang and Emanuel, 2010), as have the theories stating that down drafts of low entropy-air into the near-core boundary layer lessen eyewall buoyancy and thus TC intensity (Riemer et al., 2009; Tang & Emanuel, 2010). Works on the dynamical aspect have mostly concentrated on the ways by which TCs are able to cope with high levels of vertical shear (Jones, 1995; Schecter et al. 2002; Reasor, et al., 2004) rather than how the TC's intensification is detrimentally affected; it thus appears that a TC's intensification is ultimately inhibited through mostly thermodynamic processes.

然而,尽管经过数十年的努力,垂直风切变的本质关系和TC强化不是正确理解。以及缺乏适当的模型初始化,TC背后的永恒的神秘与环境的相互作用的一个主要问题在社区缺乏预测能力的TC强度变化。解决这个谜团被无数的挫折表示。例如,尽管他执行一项被广为引用的建模研究中,DeMaria(1996)表达的需要详细观察来确定真正的剪切对TC中层温度扰动的影响。他显然与显式状态需要三维模型模拟解决对流为了辨别垂直温度之间的反馈过程结构和TC中心附近的对流,这过程是理解shear-intensity关系的关键。尽管自信声明导致综合分析TC, Knaff et al。(2004)作出了让步,他们对称分析不能确定温热的内核侵蚀发生,部分由于粗解决AMSU(50公里)。甚至Rotunno et al。(2009)表达的需要更高的分辨率和计算资源,然而哀叹的计算成本开采实验)。

的方法之一似乎是适当的参数化,或显式解决湍流漩涡在不久的TCs的核心地区,尤其当他们与熵的运输的TC的眼睛(弗兰克和里奇,2001;布莱恩和Rotunno, 2009;Rotunno et al ., 2009)。这种动荡的影响很大,为参数化的时候,它看起来一直影响眼壁的半径和TC的最大切向速度(Rotunno et al ., 2009)。看来,大量的这些漩涡发生的100 (Rotunno et al ., 2009),然而,经常模拟TC的计算成本,解决目前过于昂贵。因此,大涡模拟(LES)将主要用于确定适当参数化这些运动所必需的涡流扩散系数在使用网格间距的一公里。

前进,增加风观察和这些风力测量到的同化模型将改善模型初始条件的准确表示风的剪切机,从而提高数值模型产生准确的TC强度预报的能力(例如,Pu et al . 2008年)。shear-intensity的研究领域的未来看起来特别依赖于计算机处理能力的提高,它将使科学家能够研究上述问题没有依赖的参数化。看来,上述许多问题最终不会得到解决,直到模拟能够明确解决小规模的对流和湍流漩涡填充(影响)的TC内涡,同时正确模拟环境影响在500公里半径TC中心。

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