飓风布雷特的结构和强度变化（1999）外文翻译资料

 2022-12-04 12:28:16

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飓风布雷特的结构和强度变化（1999）

第一部分：环境影响

Alexander Lowag* AND Michael L. Black Hurricane Division, NOAA/AOML, Miami, Florida

Matthew D. Eastin Department of Geography and Earth Sciences, University of North Carolina, Charlotte, North Carolina

摘要：飓风布雷特在1999年8月21日的世界时12时和2000年8月22日的世界时12时之间经历了迅速增强（RI），随后又减弱的过程，又在12小时后登陆德克萨斯州海岸。在24小时内，最小海平面气压从979降至944 hPa，降幅为35 hPa。在此期间，美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的飞机飞行了数个研究任务，对风暴的外围和内核去进行了采样观测。这些数据与美国国家环境预测中心（NCEP）全球模式和NCEP-国家大气研究中心（NCAR）再分析网格数据相结合，记录布雷特大气和海洋环境，以及它们与观测到的布雷特结构和强度变化的关系。 飓风布雷特的急剧增强与在墨西哥湾暖海洋涡流运动、高海表温度（SST）咦及同时减小的垂直风切变有关。风暴快速增强初期，海表温度约为29℃，随后在布雷特向北移动的过程中，海表温度逐渐升高到30℃。在此期间，垂直风切变减少至10节以下。在布雷特迅速增强的初期阶段风暴所在区域的海洋热含量（OHC）平均值比6小时前高约20％。随后，由于近海海域在增强的垂直风切变在的风暴垂直混合，导致该水域冷却（在25°C和26°C之间）进而引起布雷特强度减弱。现有的观测结果表明，引起布雷特强度变化的环流区没有干空气侵入。采用统计飓风强度预测方案（SHIPS）模型进行的敏感性研究，定量描述了环境条件对强度预报的影响。本文研究了四个不同的个例，每个个例具有不同的修改的垂直风切变和/或海表温度（SST）。根据模型设计，四种个例之间的差异相对较小，但强度变化最大的是在给定的海表温度最冷的个例中表现出来。这项研究的结果强调了海洋热含量（OHC）和垂直风切变在飓风强度快速加强过程中的重要性。然而，当有利的环境出现时，内部的动力过程似乎扮演着更为关键的角色。

关键词：飓风; 敏感性研究; 海表面温度

一、绪论

预测热带气旋（TC）强度的波动仍然是气象学家面临的主要挑战之一。 尽管预测模型一直变得更加复杂，但强度预测能力几乎没有改善。 虽然国家飓风中心（NHC）结合了动力学和统计计算机模型，但1997年至2006年期间大西洋洋面强度预报的平均误差没有显着改善（图1）。

图1 1997〜2006年大西洋洋面国家飓风中心（NHC）强度预报误差（节）

实线和虚线分别显示了12小时和36小时的误差

虚线表示72小时预测的误差。 （数据来源：国家飓风中心（NHC））

对影响气旋强度的物理机制的不完全理解造成了不准确的强度预报（Emanuel 1999）。影响气旋的物理机制可以大致分为三类：环境，海洋和内部。环境机制包括垂直风切变（DeMaria 1996; Frank and Ritchie 2001; Zehr 2003），风暴与上层大气的相互作用（Molinari and Vollaro 1989; DeMaria等1993; Hanley et al.2001），以及大气中层的含水量（Fink and Vincent 2003; Dunion and Velden 2004）。海洋是通过海-气相互作用来影响气旋的强度的（Chan et al.2001），因此对海洋上层的热结构的认识对于气旋的精确预测是必不可少的（Mainelli et al。2008）。从海洋到大气的热通量是影响热带气旋发展的内部动力。研究表明：由于热通量取决于海表温度（SST; Cione和Uhlhorn，2003），因此数值模式中更精确的海洋冷暖区位置应该有利于热带气旋预报（Walker et al。2005）。Lin等人2005年的研究表明，由卫星测得的海平面高度的异常引起的额外涡旋的信息导致了飓风强度预测耦合模式对超强台风鸣蝉的强度预测偏高。最后，影响气旋强度变化的内部过程包括眼壁置换（Willoughby等，1982; Willoughby 1990），涡旋Rossby波（Montgomery和Kallenbach，1997），台风眼-眼墙地区的中尺度涡旋（Schubert等1999; Kossin和Schubert 2001; Kossin和Eastin 2001; Eastin等人2005）和对流爆发（Heymsfield et al.2001; Kelley et al.2004）。任何给定的热带气旋所经历的强度变化可能都是这些机制协调一致的结果。

预测热带气旋强度一些较大的误差与迅速增强（RI）和减弱过程有关。各位学者对迅速增强的定义是不同的。Holliday和Thompson（1979）将其与24小时内最低海平面气压（MSLP）的降低大于42 hPa相联系，而Brand（1973）将其与风速增加50 节/天的联系起来。 DeMaria和Kaplan（1994a）统计的飓风强度预测方案（SHIPS）模型中的迅速增强过程与24 h内风速增加至少30节（Kaplan and DeMaria 2003），而快速减弱过程中每天风速降低超过20节（Brand 1973）。

尽管只有很少一部分的热带气旋经历了迅速增强（DeMaria and Kaplan 1994a），但是如果迅速增强发生在沿海地区，其中许多地区在近几十年内经历了近乎指数倍的人口增长，那么这些增强过程的后果可能会非常严重的（Pielke和Pielke 1997）。例如，飓风Andrew（1992年）在巴哈马达到了最大的每分钟持续风速，在18小时内从110 节增加到150 节，并在南佛罗里达海岸登陆，成为5级飓风。这次风暴直接导致15人死亡，造成250亿美元的财产损失（Mayfield et 等人1994；Rappaport 1994）。更近一点的，在2004年和2005年大西洋飓风季节活跃期间，共有六次飓风（Charley，Dennis，Emily，Katrina，Rita和Wilma）在登陆后的48 h内发生了迅速增强事件。

虽然在迅速增强发生之前或期间已经发现了几个环境因素（Holliday和Thompson，1979; Kaplan和DeMaria，2003），但引起热带气旋突然的强度变化的物理机制和相互作用尚不清楚。学者对飓风欧泊的典型的迅速增强过程已经进行了深入的研究。 1995年10月，欧泊在墨西哥湾迅速加强，其最低海平面气压（MSLP）在16小时内降低了47 hPa。在1995年10月3日18时至10月4日06时之间的初次强化期间，风暴受到低压槽的影响，这个低压槽增强了欧泊的流出，并增加了对流层上层的散度。 Bosart等人2000年的研究表明，这个增强过程导致了眼壁区域的对流增长和爆发的发生。低垂直风切变也促进了欧泊的初次强化（Shay等人2000）。当欧泊移动过洋流中一个暖性涡旋时，发生了第二次强化。在这段时间内，地面风速从35 m/s增加到60 m/s以上。尽管由于上层海洋中的上升洋流和垂直混合运动而导致洋面冷却，但暖性涡旋的影响仍占主导地位。飓风达到强度峰值后不久完成的眼壁置换导致了欧泊的减弱（Lawrence等1998）。2000年Bosart等人也发现垂直风切变增加和混合层深度较浅也是欧泊减弱的原因。

对迅速增强的飓风的环境和中心的详细观测分析数量非常有限。本文是两篇论文系列的第一部分，旨在通过记录飓风布雷特（1999）的大气和海洋环境在迅速增强期间和登录前减弱期间可获得的观测资料，从而减少这种不足。还讨论了与观测到的环境变化直接相关的风暴中心的观测结果。本文的结构如下：第二部分描述了布雷特飓风的历史，接下来第三部分详细概述了的可用数据，第四部分讨论了外部因素导致的变化和风暴的反应。第五部分是统计飓风强度预测方案（SHIPS）模型的敏感性研究，第六部分是研究结果总结。在第II部分中，将详细分析迅速增强过程和登录前的减弱过程的风暴中心的观测。

二、风暴发展过程

飓风布雷特起源于热带大西洋上的非洲西部的热带扰动（Lawrence et al。2001）。直到1999年8月18日晚，该系统成为位于坎佩切湾上的一个热带低气压，扰动才得以发展。24小时后，在墨西哥湾西部上空引起高空风切变的高空槽离开热低压，飓风布雷特才升级为热带风暴。风暴然后向北移动逐渐增强 。图2显示了NHC给出的布雷特最佳轨道的中心压力和风速。迅速增强发生的时间为8月21日12时至8月22日12时。在8月21日18时开始的6小时内，布雷特的最小海平面气压从975hpa降至954 hPa，降幅为21 hPa，24 h内最小海平面气压从979hpa降至944 hPa，降幅为35 hPa。热低压的加强使布雷特成为风速达125节的4级飓风。8月22日，墨西哥湾西北部的一个浅的高压脊和在格兰德河河谷上空对流层中层的气旋环流导致飓风向西北方向前进。尽管预测登录时强度不变，飓风布雷特在8月23日世界时0时沿德克萨斯州南部海岸登陆，减弱为3级风暴，最大持续风速为100节，最低海平面气压（MSLP）为951 hPa。系统在经过德克萨斯州和墨西哥之后，于8月25日消失。

图2 在1999年8月18日18时到8月25日0时之间国家飓风中心（NHC）的飓风布雷特的最佳轨迹

实线表示最低海平面气压（MSLP）（hPa），带有正方形的实线表示最大持续风速（节）。

每个点和方块分别表示压力和风速的单独值；两条坚实的垂直线表示布雷特迅速增强的时期

图7给出了布雷特中心的最佳轨迹位置。

至于许多其他风暴迅速增强，对布雷特强度的预报并没有很好地预测到迅速增强（RI）（图3）。 国家飓风中心（NHC）和统计飓风强度预测方案（SHIPS）的预测都与国家飓风中心（NHC）测得的最佳轨道进行了比较，包括6小时的风暴中心位置估计，1分钟的地面风速和最低海平面气压（MSLP）。值得注意的是，在这两种预测结果布雷特的强度都被低估了。然而，国家飓风中心（NHC）预测与最佳路径之间的差异大于统计飓风强度预测方案（SHIPS），特别是在迅速增强（RI）期间。8月19日03时国家飓风中心（NHC）的预报员预测：8月22日0时的最大持续风速为50节，而8月19日0时的统计飓风强度预测方案（SHIPS）预报为78节，而8月22日0时的最大持续风速实际是120 节。由于1999年的模式没有包含土地效应，统计飓风强度预测方案（SHIPS）预测得到较高的强度，而国家飓风中心（NHC）则是由于布雷特接近墨西哥湾西海岸。有趣的是，布雷特的弱化也没有被预测到。8月20日6时的统计飓风强度预测方案（SHIPS）预报8月23日0时的最大风速为131节，而8月22日03时的国家飓风中心（NHC）预报同日12时后的稳定风速为120节。但是，最佳轨迹表明8月23日0时的最大风速仅为100节。

图3 从（顶部）国家飓风中心（NHC）和（底部）统计飓风强度预测方案的最大持续风速（节）预测

这些符号表示1999年8月19日0时到1999年8月23日0时之间的不同预测；

带实心点的实线代表最佳轨道；

每个统计飓风强度预测方案（SHIPS）预测的第一个值对应最好的轨迹；

国家飓风中心（NHC）的每项预测从发布9小时后开始。

三、资料

美国国家环境预测中心 - 国家大气研究中心（NCEP-NCAR）的再分析和航空全球模式分析[AVN;现在的全球预报系统（GFS）]被用来描述飓风布雷特的周围大范围大气条件。 AVN分析的水平方向的空间分辨率为1°，每隔6 h获得28个垂直层次。NCEP-NCAR再分析也是基于AVN模型，数据可用于与AVN数据相同得大气压层次，但是分别具有2.5°和12小时的较大的水平和时间分辨率。

海表温度和上层海洋温度特性通过机载消耗深海温度测量器（AXBTs）进行测量。这些仪器将描绘水深350米的水温轮廓图。仪器进入海面后，释放一个温度探头，以1.5m/s-1的恒定速率下降。水温是由发送到飞机的信号的频率波动推断的。只考虑海表温度（SST）不能全面了解海洋在热带气旋强化过程中​​的作用。由最小的热带风暴强风造成的垂直混合过程导致水域冷却。因此，了解上层海洋的条件对于确定海洋对热带气旋强度变化的影响至关重要。除海表温度外，海洋热含量（OHC）也被用来描述海洋对布雷特强度变化的影响。它被定义为储存在海洋中的能量，可以通过蒸发和传导由风暴中获得，并且与海面和26℃等温线之间的温度差以及26℃等温线的深度成正比。用于评估海洋热含量OHC的方法是基于Shay等人于2000年的成果。海洋的垂直结构被认为是被20℃等温线分开的上下两层流体。根据包括海洋地形实验（TOPEX）/波塞冬（T/P）在内的高度表SHA数据，从气候态的温度和盐度场来估计平均海洋上层的厚度和减小的重力，能够确定海洋上层的厚度。2000年Shay等人的研究也发现26℃等温线的深度大约是上层厚度的一半。从高级甚高分辨率辐射计（AVHRR）可获得OHC估算所需的每周平均海表温度（SST）。 Huber（2000）提出了该方法的详细描述。

即使T/P数据在中尺度上的精度为2 cm（Cheney et al. 1994），应该注意的是从这个平台得到的OHC值可能与实际值有明显的差异。在暖心涡旋存在的情况下，T/P高度计估计的SHA值取决于涡流相对于平台地面轨迹的位置（Shay et al.2000）。轨道与涡旋中心之间的距离越大，测量值与实际SHA值之间的差异越大。由于T/P高度表的10

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