美国东北气旋冷季带状降水的观测研究外文翻译资料

 2022-12-03 11:37:34

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美国东北气旋冷季带状降水的观测研究

DAVID R. NOVAK

Scientific Services Division, National Weather Service Eastern Region, Bohemia, New York

LANCE F. BOSART AND DANIEL KEYSER

The University at Albany, State University of New York, Albany, New York

JEFF S. WALDSTREICHER

Scientific Services Division, National Weather Service Eastern Region, Bohemia, New York

（手稿于2003年11月13日收到，最终形式为2004年4月30日）

摘要

本文介绍了美国东北部寒冷季节（10月 - 4月）的带状降水的气候和综合研究。美国东北部1995年4月和1996年10月至2001年4月的降水系统显示降水量超过25.4毫米（1英寸）或相当于12.7毫米（0.5英寸）的液态降水，被确定为研究的个例。在此期间共确定了111个个例，其中88个个例有雷达数据。在这些个例中，75个出现了带状结构，而13个没有。带状分类方案是从一系列的个例研究得到的。分类方案在88例中的应用揭示了带状个例在其演变过程中可能出现各种各样的带状降水。单个带状降水是最常见的（48），其次是短暂型（40），狭窄冷锋型（36），多带状（29）和无法定义的（9）。对单带降水的进一步研究突出了风暴逗号头部分的带状结构，其中81％的这些降水在地面气旋的西北侧范围内。

计算了地面气旋西北部出现带状降水的情况以及非带状情况下的合成，以区分与带状个例和非带状降水相关的天气和中尺度气流状态。带状合成的成因是环流作用和闭合中层环流的发展。这种结构与地面气旋中心西北部的变形场和强中层锋生相关，这与平均的带状位置一致。非带状合成表现出位于上层射流合流入口区域的更弱的气旋分离器。在地面气旋西北部的非带状组合有限变形和相关锋面中，没有封闭的中层环流。通过各自合成锋生发生最大值的横断面分析表明，带状合成锋区比非带状合成锋区具有更强更深的锋生和更弱的条件稳定性。

美国东北部的个例研究证实了综合结果，突出了与弱条件稳定一致的深层锋生的重要性。这些结果与Sawyer-Eliassen方程定性一致，该方程预测在存在弱（强）湿对称稳定性的情况下，锋生效应将会增强（减小）。

1. 引言

温带气旋中的中尺度波段形成可以显着影响降水的强度，时间和次生积累。 在寒冷季节，中尺度带的影响尤其明显，当与带相关的降雪可能会在相对较轻的降雪中产生局部“白掉”的情况，导致极端降雪梯度。这种中尺度特征使得降水带的诊断和预测具有挑战性。

许多理论和观测研究（如Thorpe和Emanuel，1985; Sanders和Bosart，1985; Moore和Lambert，1993; Nicosia和Grumm，1999）指出中尺度带主要是在潮湿对称稳定性较小的情况下由锋生提供动力。 虽然条件对称稳定性（CSI; Bennetts和Hoskins 1979）经常被认为是带状降水的条件，但据CSI的理论公式和观测到，与锋生对流的共同作用并结合了升高的直立对流（例如Reuter和Yau 1990年;Martin1998年a，b）往往使操作诊断困难（(Schultz and Schumacher1999年）。 无论是否在个例中发现纯粹的CSI，都成为次要的事实，即在潮湿对称稳定性较小的情况下，锋生作用可导致一个集中的上升带，就像Thorpe和Emanuel（1985）和Emanuel（1985）的数值模拟。

美国东北部的几个个例研究已经记录了与锋生和小潮湿对称稳定性有关的中尺度带状个例的发生。 Sanders和Bosart（1985）在对美国东北部沿海一个强烈雪带的个例研究中发现，在潮湿对称性弱的稳定性条件下，带状区域经历了一个强干涉的强迫作用，导致了一个狭窄而强烈的上升气流 位于锋生最大值的赤道侧翼。 Sanders（1986）在另一个美国东北部的一场暴风雪的个例研究中发现，在风暴的逗号头部观察到的带状与强烈的锋生作用和弱的潮湿对称稳定性共同作用。 Nicosia and Grumm（1999）在一项关于美国东北部的三次暴风雪的研究中发现，在他们的个例中观察到的雪带与深层潮湿对称稳定的深层中的锋生相互作用。

上述个例研究中的许多频段都在气旋的逗号头部观察到。 Martin（1998a，b）在一个美国中部气旋的个例研究中证明，在暖空气槽内的变形和暖空气平流[trowal; 定义为发展中气旋的上部冷锋（Godson 1951; Martin 1998b）]之前的最高潜在温度（u）的轴线可能有助于气旋的逗号头部的锋生。 Nicosia and Grumm （1999）表明，在发展中的中层气旋北部发现的变形促成了强烈的中层锋生，这与他们所观测到的雪带一致。 Nicosia and Grumm（1999）也表明，在地面气旋中心西北部的潮湿和干燥气流的并列会降低潮湿的对称稳定性。 这些结果表明天气和中尺度流环境的演变可能影响中尺度带的形成。

虽然有许多关于中尺度降水带的个例研究，但观测气候学相对较少（SchultzSchumacher，1999）。 Houze等人 （1976年）在11次影响西部华盛顿州的海上飓风的雷达调查中，确定并确定了6种类型的雨带（暖锋，暖区，冷锋，冷锋，窄波和后额锋） ，提供当代带状分类方案。 Byrd（1989）利用8个气象服务雷达1957（WSR-57）站点和观测资料观测，在南部平原降水带综合研究中发现，非带状合成声波表现出更冷和更稳定的边界层，与强烈的带状合成声波相比，中等强度的剪切作用更小。 作为加拿大大西洋风暴计划（CASP; Stewart 1991）的一部分，Reuter和Yau（1990）一直在加拿大大西洋地区观测到的7个降水带区域发现了一个以倾斜中性为标志的锋面环境。

尽管上述研究提供了对中尺度波段观测到的频率，变化和特征锋面环境的了解，但它们受限于研究个例的数量以及缺乏带状降水结构尺度的观测资料。随着国家气象局（NWS）天气监视雷达1988年多普勒（WSR-88D）国家雷达网络（Klazura和Imy 1993）的实施，美国雷达观测的覆盖范围和灵敏度显着提高，为建立大型研究带状个例数据库。这种与中尺度网格数据集相结合的数据库促进了对普通波段环境和相关天气流演变的研究。

本研究利用WSR-88D在五个寒冷季节的观测数据建立了美国东北部带状个例的气候学。所得到的个例数据集用于通过综合分析来比较与带状和非带状个例相关的特征性前缘环境。这些合成还用于说明天气气流演变如何影响气旋子结构。本研究的这一部分建立在Nicosia和Grumm（1999）的结果基础上，将中尺度分带放入天气流演变的背景下。

本文分如下几个部分：第2部分描述用于发展带状气候学和综合研究的数据集和方法；第3部分介绍气候学结果，记录在美国东北部观测到的带状地貌的频率和多样性；第四部分通过综合分析研究影响带状形成的共同天气和中尺度动力学；第5部分对个例研究分析综合结果进行说明；第6部分提供了气候，综合和个例研究结果的讨论；第7部分总结。

2. 数据和方法

  1. 数据源

统一降水数据集（UPD; Higgins等，1996）被用来识别在美国东北部出现大量降水的个例。这一国家数据集包括美国国家海洋和大气层管理局（NOAA）一级站降水量测量，日常合作观测站测量以及来自NWS河流预报中心（RFCs）的数据，代表了邻近联合国超过13 000个台站 状态。 降水量代表在UTC1200结束的24小时积累，内插为0.25゜纬度 - 经度网格。

NOAA每日天气图（DWMs）每周系列（NOAA 1995-2001）被用来证实UPD测量结果并确定主要的预降水类型（液体/冷冻）。 本出版物每天提供北美地面锋面分析，表面积雪和500 hPa位势高度地图，每天有效时间为1200 UTC。 另外，美国超过120个台站绘制了UTC结束时间为24小时的最高和最低气温以及降水量。

本研究中使用的镶嵌雷达数据由来自每个雷达站点的0.58仰角扫描的反射率返回组成，具有2公里的空间分辨率和5分钟的时间分辨率。归档数据来自业务气象，教育和培训合作计划（COMET），并于1995年4月，然后从1996年10月至2001年4月提供，尽管1996/97年冬季的大部分时间缺失。

国家环境预测中心 - 美国国家大气研究中心（NCEP-NCAR）的再分析（Kalnay等，1996; Kistler等，2001）被用于最初的合成研究。该全球数据集具有2.58纬度 - 经度空间分辨率和6-h时间分辨率。本地存档的NCEP Eta模型（黑色1994）分析和6小时预报场作为一个更高分辨率的合成和个例研究数据集。尽管在研究期间埃塔模型分辨率和物理学发生了变化（请参阅http://www.emc.ncep.noaa.gov/mmb/research/eta.log.html获取更改列表），但Eta Mod -el由于具有相对较好的分辨率而被选中，可用于整个研究阶段，并且是当前的运营预测模型。模型网格重新映射到CONUS 211网格（兰伯特共形投影），水平分辨率为80 km，垂直分辨率为50 hPa，提供网格化的场，可以进行平滑的诊断计算。

  1. 方法
    1. 气候

研究领域定义为纬度 - 经度 - 纬度网格，覆盖36.58-508N和658-858W。 虽然加拿大东南部的一部分被纳入该领域，但该研究仅限于美国雷达网络覆盖的数据（Maddox et al。2002）。 在冷冻降水的情况下，仅在寒冷季节（10月 - 4月）的降水系统出现大于25.4毫米（1英寸）的雨量或12.7毫米（0.5英寸），在24小时的时间点 在研究领域进行了检查。 符合这些标准的降水系统被定义为“个例”。在三个时间段内，同时在研究范围内观察到两例病例。 在这些场合，两种情况都是独立评估的。

图1.研究方法和术语表。 每个元素的数量标注在括号中。

在1995年4月，然后从1996年10月到1998年12月（当数据集结束时），UPD用于确定个例。 UPD和DWM降水报告之间的比较表明，使用DWM识别的所有个例都在UPD中捕获，而在UPD中只有少数个例情况未被DWM捕获。这一结果支持使用DWM确定剩余研究时段（1999年1月至2001年4月）的个例。在研究期间共有111例符合降水标准，其中88例有可用的马赛克雷达数据（称为“研究个例”，图1）。

多带状被定义为一个区域，其具有相似的空间取向和周期性间距的三个以上的细带。细度带被定义为宽度在5到20千米之间,间隔不大于40公里，强度大于背景反射率10 dBZ。 这种结构必须保持至少2小时对1996年10月至1998年4月期间研究个例的雷达数据（45个研究个例）进行了审查，以对美国东北部观察到的多种带状结构进行取样。虽然一些中尺度（200-2000 km，.6 h; Orlanski 1975）拉长的降水区域可能被认为是波段，但本研究侧重于中尺度尺度（20-200 km，6 h）的波段。基于这种雷达回顾，文献中的先前的分类方案（例如Browning和Harrold 1969; Houze等，1976; Byrd 1989）以及与操作预报员的讨论，形成了主观分类方案。由此产生的分类方案（表1）定义了单个，多边，狭窄冷锋型和短暂带结构。单个带状被定义为20-100公里宽的线性反射特征，长度大于250公里。带状结构必须沿其大小的最小强度保持30 dBZ，至少2 h。这些标准与Houze等人使用的3：1纵横比类似。 （1976）和Byrd（1989）使用的0.5-3-h寿命标准。图2a提供了马赛克雷达图像上显示的单个波段的示例。

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