对一次突袭纽约西部暴雪的分析外文翻译资料

 2022-11-16 02:11

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对一次突袭纽约西部暴雪的分析

GARY M. LACKMANN

Department of Marine, Earth, and Atmospheric Sciences, North Carolina State University,Raleigh, North Carolina

摘要

尽管纽约的罗契斯特市不是位于极端湖泊效应降雪的多发区，但是强大的湖泊效应降雪在特殊的天气机制下仍可在此发生。这次研究的目的是证明天气条件与发生在纽约罗契斯特市的具有重大意义的降雪是有关联的，并分析在1996年11月26-27日在高层扰动与低层槽的结合的影响下产生的这次突袭纽约西部的暴风雪。

一个包含127个事件的数据库是由1963年到1992年的为期两天的ROC降雪超过15厘米的事件构成的。每个事件根据大气湖水温差、风向和天气设置的不同被归类为“LES”或者“non-LES”。在这127个事件中，有32个被归类为“LES”。综合了这32个个例中从西方大湖移动来的高空槽在缅因州北部降雪事件前48小时和后24小时的移动，得出这32个个例都是伴随着一个移动的高空槽或是一个在500hpa的闭合低压。

在1996年11月26-27日，一次意外的暴风雪在纽约西部的部分地区的12小时降雪深度超过了30厘米。在关于高空强烈扰动的文章里表征了非典型的“LES”结构在快速变化的天气环境中得到发展。模式预报低估了这个扰动的强度，也低估了在安大略湖北部的低空槽的强度。这个高空槽被假定已经升高了逆温层的高度和低层的相对湿度，并很可能对安大略湖附近的低空槽的强度做贡献。气旋等压表面曲率随低空槽增强而通过埃克曼抽吸增强，增加了边界层上的的通过安大略湖的水上的获取。比较埃塔模型的预测和分析表明：模型初始化和边界传热过程的问题都会导致预报错误。

1 引言

在北美洲五大湖附近的冬季预测与随着冷空气经过相对暖的湖面而发展的天气尺度扰动和中尺度环流间的相互作用是并发的。在暖的下垫面附近的北极气团的不稳定扰动能够导致局部地区发生强降雪这样的对流天气；这种对流带的性质可以在同等量级的降水量下生成很深的积雪深度。降雪带性质对环境因素微小变化的敏感性加重了预报的难度。这导致Dole在1928年评论说“对公众来说，湖泊效应的降水是最难预报的”。我们在纽约西部发现了一个不定期被湖泊效应降雪影响的人口密集地区；LES代表着在纽约的罗契斯特市和布法罗市存在一个领先的冷季型预测问题。

海岸线形状的变化保护了冰层覆盖的地形范围，相对于湖轴运动的定向风造成了LES定位专一的行为。例如：在纽约罗契斯特有利于LES的天气条件与在布法罗和锡拉库扎市的是不同的。正如Niziol与他人记录下来的：在有利于布法罗强LES过程的盛行风向是不支持在ROC发生LES的。作者并没有意识到以前的气候研究特殊为ROC地区的LES定义的有利的天气设置，这个城市在1994年的都市统计区域超过了一百万人。因为在北极气团爆发时上游水上的获取的缺乏导致了ROC并不是位于有利于极端LES发生的气候背景下。Ellis和Leathers认为五个天气模式与纽约西部和宾州的LES有关。降雪总量与频率的空间节点伴随着这五个模式中的每一个揭示了ROC位于相对于其他地区的发生LES的气候最小值区。无论怎样，LES总可以在ROC被观测到，它不同的天气条件把它和那些产生一些微妙降雪的个例区分开。

Niziol等人提出了一个分类方法来描绘五种不同湖泊效应降雪的结构。在这些方法中，当盛行风对准湖的长轴导致一个宽度在20至50千米之间的强烈的湖中央风速带为第一种。ROC的位置使它免受在安大略之上的类型一的影响，但在一些特定形势下，第一种类型会从伊利湖延伸到ROC的附近。第二种也是平行风，但当盛行风与湖泊长轴垂直时会发展，它的典型宽度是5至20千米。这种类型的经常影响安大略湖的南岸包括ROC，但很少会产生强降雪。有时，许多不同的第二种风带会沿着湖岸的顺风方向结合成一个。第三种平行风带包含了超过一座湖。例如：当第一种风带在休伦湖之上建立时，它可能延伸至穿过安大略湖并在安大略湖之上加强。上游休伦湖和乔治海湾的存在会造成安大略湖的上游气团有较大的湿度和不稳定度。源于水体的第三种已经被观测到会影响ROC及它附近地区。第四种是与在微弱天气流动期间的地表微风环流相对应而建立的海岸平行风带比如当北极高压系统在此区域上空存在时。由于伴随着北极高压系统的下沉逆温的存在，与第四种风带相关联的暴雪的强度会有一些局限。在第四种风带存在期间可以有较大降雪量的过程在空间上限制在几英里海岸线以内。第五种就是在弱的天气强迫下发展的中尺度涡旋。它们经常局限于近海水域，很少影响到罗契斯特地区。

因为LES的中尺度性质，传统的天气数据网络的观测密度不足以解决很多重要的LES特点。甚至早期的旨在描绘LES期间的物理过程的研究项目也受到不充分的观测数据分解的局限。最近，学者利用多普勒雷达、卫星影像和仪表化的航空器已经记录了LES系统的结构和动力过程。

随着高速计算的出现，越来越多的气象学家开始借助于数值模式来提供分析LES所需的时空分辨率。伴随着计算优势而来的，运行LES预报系统的熟练度和准确性也提高了。近年来高分辨率的数值模拟已经证明了具有分辨LES中尺度特性的能力，而且对于一些预报员来说中尺度数值模式现在已经适用于真实个例。因为预报员使用此工具获得了经验，所以中尺度数值模式在LES预报过程中的作用会继续演变。虽然致力于环境预报模式（如：坐标模式）的国家中心目前不决定要做个别的LES,预报员们仍然很依赖这些模式去精准的预报LES事件中的天气尺度设置。

1996年11月26日下午，在上层扰动之前的降水覆盖了安大略湖南部的许多地区和纽约州西侧的部分地区。预测会有大约一英寸的积雪深度。然而，在日落之后，降雪从轻微增强到适中，直到世界时11月27日3点22分才被报出发生在ROC及其附近地区的大雪。在11月27日早晨降雪依然发生在纽约的中部和南部。在ROC地区早晨出门工作的人面对着高达30厘米的积雪深度。这篇文章的目的是：在历史的ROC地区LES事件和之前的LES分类研究的气候背景环境下，分析与此次暴雪相关联的天气机制，并对在26至27日坐标模式的天气尺度误差的原因进行一个初步调查。下面是对数据资料的一个概述，第二部分是方法论，第三部分是对发生在ROC地区的LES进行一个简要的总结，第四部分是对此次暴雪的天气尺度和中尺度方面进行分析，第五部分是对坐标模式关于此次事件的预报进行评估。第六部分 是结论和对未来的研究的一些建议。

2 数据和方法

历史的ROC地区的LES事件作为样本，来提供1996年11月事件的环境背景。下面是对气候研究的一些粗略的方法介绍，然后是对数据来源的描述和对研究此次个例的分析技术的说明。

a气候背景

逐日降水和温度数据获取自国家气候数据中心（NCDC）数据集的TD-3220的存储光盘（CD）上。 这个数据集被用来确定从1963年1月至1992年12月所有事件中1或2天的累积超过15厘米（6英寸）的ROC降雪。 这个搜索产生了127事件。具有不少于一天总计15厘米的为期2天的积累期允许横跨连续62事件列入。由湖泊引起的对流事件主要对应被归类为“LES”的降雪，和所有被冠以非“LES”其他事件。下面将详细讨论此分类中使用的标准。

Rothrock（1969）和霍尔罗伊德（1971）确定的有利于LES的条件，包括湖面和850百帕级之间的138oC临界温差。此值通常可被引用为LES发生的临界值，并因此可用来从原来的127例样本中鉴定“LES候补”。从韦伯那知道安大略湖的月气候温度分布是由时间和空间上的平均线性内插形成的每双周的气候温度值。接着，再把从纽约布法罗得到的850hpa温度值来计算其和湖泊表面温度的差异。把在活动期间显示出的天气时间中的至少一个个例确定为LES候选。

接下来，ROC的LES事件被限制只包括在这些情况下，来自西北的对流层下层风向（如通过BUF风廓线检查确定表面和反演基地）中至少有一个时次的满足温度差异的标准。如果安大略湖南部空气足够的冷，当一个气旋通过时，东北气流能产生“湖增强”的降雪。然而，对于安大略湖，缺乏天气尺度气旋的纯东北风气流的LES虽不是闻所未闻的，但也是很不寻常很少显著的。在这些情况下，一部分原因是伴随着东北气流反气旋的低反转。在边界层的强西南气流和高海拔反转期，从伊利湖来的一型累积降雪可以到达ROC，但这些也是很少见。因此，只有西北气流个例可被认为是ROC的LES事件。

对海平面气压场、850hpa位势高度和温度场及500hpa位势高度场和地转涡度的网格分析来自一个包含水平分辨率为381公里的“八角格子”的NCEP光盘。从CD读取的网格被提取到常规气象包进行存储和显示。对序列分析的主观检查是为了确定天气尺度气旋是否在降雪期间位于ROC的250公里以内。然后那些没有伴随着气旋的候选事件被确认为“LES”。

在原始的127个ROC降雪事件中，47个确认为候选，15个由于天气尺度气旋的存在而被淘汰，剩下的32个“真”LES事件有如下的月爆发数统计：十一月，1；十二月，10；一月，9；二月9；三月，2；四月，1.3。

没有根据天气类型对LES样本进行进一步分型的尝试。很可能的是，在这样规定的选择标准的情况下，消除了一些LES事件，尤其是是那些遵循天气尺度气旋活动的。然而，这与分析一组发生在ROC的LES为了给96年11月个例的研究提供背景的目的是一致的。每一次个例的起止时间都要与第一次天气时间会议的标准比较。综合领域源自于在LES事件之前48小时与t148事件后的48小时之间的时间。对32个个例中的每一个的表面和高空的分析表明在综合演变与这些个例间有很大的相似性。

b个例研究方法

从纽约州立大学当地的数据管理库得到的沿着数值预报网格输出的地面和高空观测提供给了96年11月26-27日个例。坐标模式的输出值存储在一个标准纬度为25.8oC、水平分辨率约为80公里的等角投影网上。运行此时的坐标模式分辨率为48公里，模式数据集的垂直分辨率为50hpa。参见Rogers看模式的完整说明。

动态对流层顶4的压强和风的显示为总结对流层动态提供了一种严谨的方法。为了讲述天气预报在传统的对流层顶领域的应用，还提出了500hpa位势高度和绝对涡度。还通过海平气压场和海表温度的图的补充来说明对流层低层的条件。

3 在纽约罗契斯特市湖泊效应雪灾的天气环境

虽然对于大湖的LES伴随的天气条件在此之间已经被分析，但作者没有看到之前有专门对ROC地区的专题研究。与第四部分和和第三部分提出的为个例研究提供背景的和分析ROC地区的LES事件的天气设置的目的一致，一组特征鲜明的LES事件首次被发现。

图2

图2是500hPa位势高度和地转相对涡度及海平面气压场的综合演变。500hPa高度场可看出在北美西海岸有一高压脊，在美国中部有一槽。北极反气旋在海平面气压场的明显

加拿大西北地区，阿尔伯塔省，萨斯喀彻温省和和弱槽位于过大湖泊。经t 224的北极高压系统已经愈演愈烈并移动向南。地面气旋集中在安大略南部领先于500hpa低压槽。此时，地转风涡度最大值位于密歇根州。在t 0地面气旋加剧移到缅因的海岸。在海平面气压场上，气旋与北极间有很大的梯度。一个来自密歇根州北部的槽向东延伸至安大略湖南部。在500hpa封闭低压居中在魁北克省南部。经t 124北极反气旋已经减弱，并向东南移动当缅因州低压加强并向东北移入加拿大沿海各省。

业务预报员很早就意识到，缓慢移动的詹姆斯湾附近的500hpa低压往往伴随着长期的东大湖的LES。这种复合呈现出一个越过大湖东部的移动的高压槽，到t0时，在Quebec南部有一闭合低压。高层涡度最大值的移动是明显的。这样扰动作用能解除通常在北极气团发现的反转层，并和天气尺度气旋曲率和上升有关联。这样的环镜相比其他情况是更有利于引起对流发展的。对32个个例500hpa位势高度和地转相对涡度的分析表明：所有个例都伴随着一个移动槽或是在500hpa有一个闭合低压。在每一种情况下其特征都在于天气尺度上的干扰的事实下，可以说这些都不是纯粹的LES事件。然而，当高空槽在寒冷的北极气团上空移动时，直到扰动越过五大湖，在路上往往很少由累积降雪。因此，伴随着ROC地区的LES事件的高空扰动是一个常见的特点。

在气旋西侧与北极反气旋东侧之间的海平面气压场上的槽与Petterssen和Calabrese确定的在大湖上的上限强度为6百帕的湖诱导槽是相似的。被大湖综合影响的槽已经被Sousounis和Fritsch进行数值模拟研究，并将其称为“lake aggregate”槽。这样的槽形可以起到增加边界层空气包裹的来自加拿大的向西气流偏转向南移动，并可能允许气流在到达安大略湖之前越过休伦湖或乔治亚湾。如前面所指出的，当气流流过乔治亚湾，横跨安大略省南部，然后在安大略湖上，从而有效地提高只安大略湖可以提供的在水上获取，在ROC地区LES与上述过程是相关联的。

图2c介绍的t0时的海平面气压场与 Ellis和Leathers的部分大体相似。这些模式的特征在于一个向东北向移动的气旋系统和向西部

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