稳定眼壁的大小与快速加强的飓风相关关系的统计分析外文翻译资料

 2022-12-08 03:12

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稳定眼壁的大小与快速加强的飓风相关关系的统计分析

秦楠楠

气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际联合研究实验室

气象灾害预测评价协同创新中心/太平洋台风研究中心，南京信息工程大学

南京，中国，大气与海洋科学系，马里兰大学，学院公园，学院公园，马里兰州

张大林，李莹

马里兰大学理学研究科学院，马里兰大学，学院公园，学院公园，马里兰州

中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京，中国

（2016年1月25号初稿，2016年2月29号终稿）

摘要：众所周知，飓风加剧往往伴随着最大风速半径（RMW）和眼壁尺寸的连续收缩。然而，最近一些研究表明，在快速增强的飓风（RI）发生之前和早期阶段，RMW 和眼壁分别快速，然后缓慢收缩，但是在RI的后期阶段，眼壁大小和RMW处于稳定状态（S-RMW）。在本研究中，使用1990年至2014年间的最佳路径集对与快速增强的飓风相关的S-RMW进行统计分析，以检查其发生频次，以及在什么强度和大小的S-RMW结构下快速增强的飓风更倾向于发生。结果显示，与55个快速增强的飓风相关的24小时持续时间的139个RI事件中约53％表现出S-RMW。重新定义RI速率为10m/s 每12小时，并且当以12小时间隔评估RI事件时，S-RMW事件的百分比增加到69％。这两个结果都满足置信水平区间超过95％的t检验。一般来说，S-RMW倾向于在强度更强的飓风中出现更频繁，并且此时它们的RMW收缩到50km以下。这项工作表明伴随S-RMW出现的飓风中的RI可能是一个热点的研究领域。

1引言

尽管对热带气旋（TC）的研究取得了相当大的进展，但我们对TC结构和强度变化的理解非常有限，特别是在其快速强化阶段（RI），其中RI是由Kaplan和DeMaria（2003，以下简称KD）定义为最大持续表面风（V MAX）每天增加率大于15m/s的TC。 长期以来已知的是，增强TC通常是通过在行星边界层（PBL）中增强径向流入的最大直径（RMW）或目镜尺寸的半径的连续收缩来实现的。（Shapiro和Willoughby 1982; Willoughby等人1982;Schubert和Hack 1982; Willoughby 1990; 刘等人 1999; Yau 等人 2004; Rogers 2010)）Ooyama（1982）理论上证明，径向流入由眼墙中的双轴加热引起，通过向内平流更高的绝对角动量（AAM）来发挥切向流动的重要作用。 张等人（2001）通过使用模拟飓风安德鲁（1992）的数据通过AAM预算显示，AAM在物理上被配置为PBL。在PBL处，AAM由于摩擦而不保守，其向内平流仍然是切向流的扩大。 （张等人2001; Yau 等人2004; Montgomery and Smith 2011年）。显然，TC的强度变化与RMW变化呈负相关，如Carrasco（2014）和许和王（2015，以下称为XW）统计所示，RMW的快速收缩可能先于TC的RI。（刘等人 1999；Sitkowski和Barnes 2009; 陈等人 2011）。然而，最近的一些研究表明，加强TC并不总是伴随着RMW。 例如，Vigh（2010）和Stern 等人 （2015年）提到了几个主要的飓风（例如，1992年的安德鲁，2002年的莉莉和2005年的艾米丽）在强化期间表现出RMW的快速收缩，但是收缩在它们达到峰值强度之前就已经停止了很长时间， 在RMW（以下称为S-RMW）中显示几乎稳定状态。Chen等人的沃尔玛飓风（2005）的数值预测表明，在RI阶段期间，RMW先是缓慢收缩，然后呈现S-RMW，随着沃尔玛达到其最大强度，RMW增强。Kieu（2012）记录了突然减速的飓风强化中间的RMW收缩，从卡特里娜飓风（2005）的一系列集合模拟RI期间S-RMW的出现，结果显示即使在模拟台风Megi（2010）的60小时周期RI中，仍然有S-RMW发生。Stern等人 （2015）在强化TC的想象化模拟中展示了类似的情景。 然而，很少有观察性研究进行系统地确认S-RMW结构在快速增强的TC中发生的频率和显着性。由于许多内核结构的成功复制和TC的演化模式通过今天的数值模型，我们可以假设S-RMW往往发生在迅速增强的TC中，特别是在达到3类阶段后，惯性阻抗到径向运动较大。 因此，本研究的主要目的之一是通过检查从25年观测数据集多大程度上在统计学上是有效的来测试上述假设。在这项研究中，我们只关注强烈的TC（即V MAX至少为33m/s 的飓风），因为我们认为较弱的TC可能具有不良定义的RMW 和眼壁并且随着RMW和眼壁的收缩而强化。

下一节描述用于测试上述假设和数据处理的观测数据集。第3节统计检验快速增强的飓风表现出S-RMW的频率，以及在24小时间隔频繁发生什么强度和半径的S-RMW。第4节的过程重复上述过程，但是修订的RI标准为12小时间隔。概括和包含标记最后一节中给出。

2、数据描述和处理

本研究中，扩展轨道（EBT）数据集北大西洋TC的6小时间隔，用来研究某些气候条件下TC的强度和大小，以及RMW和在1990 - 2014年的25年期间迅速增加的飓风的主要数据（例如，Kimball和Mulekar 2004; Demuth等人2006; Carrasco等人2014; XW）。这个数据集是利用飞机侦察数据，船舶和其他地面报告以及卫星图像构建的（Sampson和Schrader 2000; Kimball和Mulekar 2004）。 EBT数据集中我们需要的变量包括V MAX，在5kt（或2.57m/s 21）间隔离散化，和RMW以5n mi（或9.26km）的间隔进行。有必要提及的是，TCs是以6个小时间隔的以不同于上述离散化间隔的量改变其张力和RMW。另外，某些观察误差可能进一步限制可以获的VMAX和RMW的精确估计程度（Uhlhorn和Nolan 2012; Torn和Snyder 2012; Landsea和Franklin 2013）。 由于存在大惯性稳定性的结果，RMW在RI期间缓慢变化或保持几乎恒定，这也已经通过上述建模研究，我们认为相关的观测误差应当小于离散化间隔5n mi。另一方面，很有可能在一些缓慢收缩的飓风中的RMW被处理为具有5n mi离散化间隔的S-RMW。为了使数据离散化的影响最小化，记录的RMW的航海里程单位不转换为公里单位，并且避免任何插值或平滑。 由于我们的假设只涉及飓风，任何6小时事件，其中V MAX比33m/s小（类别1飓风）和任何登陆暴风雨，都被排除在我们的分析之外。 由于缺少RMW信息，一些记录也被丢弃。因此，为本研究确定在25年期间发生的总共175次飓风。

3.S-RMW和RI以24小时间隔评估

a、统计结果

作为第一步，尝试确定是否在S-RM​​W和满足KD的RI标准的快速增强的飓风之间存在统计学显着的关系。通过计算VMAX的24小时变化率，我们发现与55个飓风相关的24小时持续时间的139个事件满足KD的RI标准，53％的事件（即73个事件）显示S-RMW，这里以后称为S-RMW RI事件。请注意，在RI期间，RMW可能会略有增加。（图11在Chen 2011）。所以这些事件，虽然只有很少，但已经包括在分析中。检查RI和S-RMW RI事件的学生t检验表明，对于所有175个选定的风暴，后者在超过95％的置信水平上具有显着差异，而前者具有约定的RMW。在确保上述结果的统计学意义后， 图1a示出RI的频率分布和S-RMW RI事件V MAX的函数。我们看到，随着飓风从类别1增加到4（即，分别为33,44,51和59m/s 21），两个频率都减小，这符合预期。也就是说，大约70％的RI和S-RMW RI事件被限制在类别1风暴。 这一结果与XW的结果一致，XW表明TC的峰值强度往往发生在VMAX在36和41m/s之间的那些风暴中。作为RMW的函数的RI和S-RMW RI事件的频率分布在图2中给出。图1b，显示24小时RI事件主要发生在RMW范围在10和30nmi（1nmi = 1.852km）之间，类似于S-RMW RI事件的结果， RI和RMW关系与Carrasco等人所阐述的关系一致。 （2014）和XW，他们表明，RMW为20-60公里的TC更容易加剧。 对频率分布的进一步研究表明，具有较小RMW的快速增强的飓风往往更可能显示S-RMW，特别是对于RMW小于15nmi的那些。

图1 作为（a）V MAX（m/s 21）和（b）RMW（n mi）的函数的24小时S-RMW RI事件（橙色列，

总和为73）和对应的RI事件（绿色列，总和为139）的频率（数量）分布。

注意，这里显示的RI事件在KD之后计算，而不考虑在所关注的24小时间隔内发生的任何强度变化。

在55个迅速增强飓风的总共139次RI活动中，24小时持续时间内共有73次S-RMW RI活动，。

b、限制

上述结果表明，KD倾向于偏向1类飓风的RI，部分原因是它是考虑了所有强度变化，甚至弱化的TC。正如Ventham和王（2007）指出的那样，TC的增强率应该是其初始强度的函数。这就是说，非常敏感的TC不太可能以高于弱TC的速率加强。 图2a显示了不同飓风强度类别的24小时强化率的累积百分比。仅考虑飓风类别，应使用对应于15m/s每24小时的RI率的第85个至第90个百分点，以获得相当于在第95个百分点处取得的KD的RI标准。很明显，随着暴风雨从初始类别3增加到类别5，第90-95百分点的24小时强化率降低。也就是说，强风暴趋于以较慢的速率增强，这可能部分归因于24小时间隔的RI评估时间太长，以致不能解决飓风的RI。此外，在一些快速增强的TC中的S-RMW结构可能不能持续24小时。在这方面，非常希望能获得高时间分辨率数据以便在飓风的RI期间捕获S-RMW结构。另一方面，6小时数据离散化时间太短，不能真实地揭示S-RMW的性质。因此，RI和S-RMW事件的持续时间问题必须在RI和S-RMW的评估之前被考虑，事件应在较短的持续时间之内。

图2 （a）初始强度为33m/s（1类），44m/s（2类），51m/s（3类），59m/s （4类）和69m/s（5类）的24小时增强率的累积百分比分布。（b）S-RMWs事件的持续时间（h）。(c）如（a）所示，但在1990—2014年的25年期间，大西洋飓风的增强率为12小时。（a）和（c）中的24和12增强率是在没有考虑在所关注的飓风在24和12小时间隔内的任何强度变化的情况下进行计算的。

4.S-RMW和RI以12小时间隔评估

a、12小时标准

为了确定我们分析的适当的持续时间，所有强化飓风的S-RMW事件的持续时间的累积百分比绘制在图1中。2b显示24小时间期仅可包括小于5％的事件。在这方面，可能提到飓风艾萨克（2000）具有15小时的48小时持续S-RMW，飓风Gert（1999）和Alberto（2000）具有42小时的持续S-RMW 25n mi，相比之下台风Megi（2010）进行了60小时的持续S-RMW 40km的模拟。再次地，可能的是，上述观察到的S-RMW的长持续时间可能包括在其RI阶段期间缓慢地收缩RMW的周期，正如在第2节中提到的那样，使用5nmi间隔。显然，如果使用更短的时间间隔，则将包括更多的情况（图2b）。 我们分别研究147和302 S-RMW事件，此时V MAX和RMW分别以18小时和12小时的间隔评估。这表明使用12小时间隔来识别S-RMW事件是合适的，因为其相关联的样本大小是使用18小时间隔时所发现的样本大小的两倍以上。图2b表示12小时间隔对应于约78％的百分位数，这对于我们的统计分析是可接受的。现在，需要定义12小时RI标准以检查RI和S-RMW之间的关系。显然，KD的24小时RI准则不能简单地减少到12小时，但是可以遵循其在寻找RI准则时的理念。为此，图2c以与图2相同的方式绘制。但作为12小时强化率的函数，可以看到曲线中的显著偏移，随着时间间隔从24小时减少到12小时，在左下方具有较高的百分位数的较小增强率（参见图2c和2a）。具体地，所有强度的百分比从15m/s每24小时速率下的约90降低到7.5m/s每12小时速率下的约80。对于第24小时和第24小时的第4和第5级飓风，由于其样本量较小，应该排除在检查之外，但是它们的曲线是以12小时的间隔与类别1到3的风暴收敛的。显然，第80个百分点似乎错误表示KD的RI标准。然而，如在3b中所示，如果12小时RI被定义为V MAX的第85到第90百分点，则10m/s每12 小时速率将在统计上等同于15m/s RI 每24小时速率，并且很好地反映1-3级飓风的累积百分比。因此，在下一部分中使用前一速率来以与24小时RI事件相同的方式来识别12小时RI事件

图3 如图1所示，12小时S-RMWRI（橙色列，总和为113）和相应的总RI事件（绿色列，总计至164）。在总共12小时持续时间内有113个S-RMW RI事件 的164次RI事件，

12小时持续时间与71次快速增强的飓风相关。

b、S-RMW事件以12小时的间隔

通过应用上述程序，鉴定了与71种相关的12小时持续时间的总共164个RI事件，其中约69％（即113个事件）具有S-RMW，该结果满足在95％置信水平以上的信号t检验。值得注意的是，尽管12小时间隔的总RI事件增加18％，但是12小时S-RMW事件与其24小时S-RMW事件相比增加了55％ 。我们可以推测，如果更高的时间分辨率观测值可用，则可以更频繁地看到S-RMW事件。此外，我们发现12小时强化但非RI事件中约66％（680个）显示S-RMW的发生，其中S-RMW事件的相当大部分与具有经历RI但具有缓慢的增强率。结果表明一些S-RMW事件可能不同于一些模型研究（例如，参见陈等人2011中的图11和图8

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