爆发性气旋的统计分析和最新研究的气候学特征外文翻译资料

 2022-12-18 03:12

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爆发性气旋的统计分析和最新研究的气候学特征

Paul J.Roebber

麻省理工学院气象和物理海洋学系，剑桥，MA 02139

（手稿于1983年6月21日收到，最终形式为1984年4月9日）

摘要

对于所有地面上气旋的12h和24h加深率的统计学分析，是基于至少两个连续的国家气象中心的12小时what 半球地面天气图，运用了一年的数据。12h和24h的气旋加深的分布都通过了显著性检验，尾部最大的偏离伴随着气旋的最快加深。通过不同的方法和标准得到的两个正态偏差曲线的和可以很好的符合气旋加深的分布，表明了爆发性气旋产生的最大可能，除了平常的斜压不稳定之外，是一些额外的物理机制。

爆发性气旋的气候特征的最新研究包括了1979-82年的冷季，并且对比了之前三年的个例。另外，一年里所有气旋气候态的形成，最快加深的状态，以及消亡的状态都被收集。这些研究表明，爆发性气旋产生更可能的原因是大气的斜压性；气候和统计学的结果也表明爆发机制是大气的斜压过程和一些其他的物理机制共同作用形成的。

引言

这篇文章所研究的气旋爆发性发展，涵盖了一些统计上的结果，这类风暴的过程基于斜压不稳定。Gyakum和Bosart通过额外的个例研究解决了这一问题。统计学提供了一种从总体上解决同一类问题的方法，而不是具体的研究某一个例。数据覆盖的不充分通常是一个严重的问题。统计学的分析在这个方面是有优势的，因为它不需要详细的数据。然而，这种方法需要放弃对于实际气旋加深过程的物理解释。

如果找到了统计学的证据，那么将会是研究代表爆发性气旋的真实物理机制的支持，比如说对流潜热释放的角色。气候学上的风暴，最新研究来自于Sander和Gyakum,，并且涵盖了更小的气旋，提供了一种严格评估气旋加深和更温和的斜压不稳定之间关系的基础。

资料

为了对气旋的加深进行统计分析，并且总结气旋的气候学特征，首先需要足够的数据来源。所有具有显著斜压性质的地面低压都通过至少两个有效的NMC12小时北半球地面场分析，从而追踪它们的范围情况。数据从1980年2月开始，到1981年1月结束。这一年用于减少数据缺失带来的影响，但造成了1979-1980年和1980-1981年冷季的连续性的破坏，

使其不能通过显著性检验。

当在NMS天气图上分析经纬坐标和中心气压时，间隔12小时，只要每个风暴是清晰存在的。空间范围从130°E到10°E。移出这个区域的低压或者从对流风暴转变成中纬度斜压不稳定的都被特殊标记。原始数据按以下顺序排放：层次、最大气旋加深处海温最快消亡处都有记录，以及最大变压梯度。

形成的位置最先被用于风暴位置的分析，说明它不是简单的从地图上移动。任何超出这个范围形成的系统都不被统计。在性质上从对流风暴转变成斜压扰动的风暴同样不会被记录生成的位置。

最大气旋加深率的位置被当作气旋的中心；如果加深最快发生在12时到24时，那么气旋的中心就位于气旋0时刻经过的位置，如果加深最快发生在0时到0时，那么气旋的中心就位于气旋12时经过的位置。

每月天气的回顾

图1 12小时气压加深分布，一年数据：AP和a是样本均值和标准差; N是案件总数; gamma;1和gamma;2分别是偏度和峰度的系数，是相对中心度和分布峰值的度量。实线表示最小二乘拟合高斯分布

图2 二十四小时加深率的分布，一年的数据。 虚线表示伯杰龙对炸弹气旋的定义; 指向线右边的是炸弹气旋。

图3 二十四小时加深率分布，一年的数据。 实线表示

两条正态曲线的总和，虚线表示两条单独的曲线。

气旋开始消亡的位置，是气旋失去它的特性之前所要分析的最后一个位置，不论是被其他风暴吸收了还是彻底消失了，低压中心不再被分析。每个气旋持续的时间也会被记录。每个移出覆盖范围的的系统都不会被记录消亡或者持续的时间，因为数据没有办法确定它们。

图4 一年样本中所有风暴和爆炸性气旋的加深期累积分布。还给出了分布的统计：T是平均加深期：sigma;是标准差; gamma;1和gamma;2分别是偏度和峰度的系数。 所有时间都是几个小时。

图5 形成位置的地理分布，（a）暖季，（b）年度，（c）爆发性气旋。 根据中心频率的四倍加上四个相邻频率中的每一个的公式，从原始数据的fvc度纬度/经度tessera网格中消除频率。

所有的气压梯度需要地转适应到42.5°N，这是爆发性气旋最容易出现的位置。因此，在“Bergeron”的定义下，更低的标准是24h下降19mb。这是一个无端的定义，只是为了把加深最快的气旋包括进来。统计分析加深率是利用一年观测得来的数据区检验这个定义的充分性成为可能。

统计分析

分析的基础是中区限制定理，在一定的条件下，统计的分布接近与一个正态分布曲线。如果我们让Xn，n=1,2，hellip;,N是N个随机变量，并且让j代表这个过程的单独的结果，然后我们可以定义一个变量Yj，比如

Yj=X1,j X2,j hellip;XN,j

因此，整个过程都在相加，并且随机变量Yj是所有影响因子的和。当N趋于无穷的时候，提供的随机变量Xn，j是独立的，Yj的分布可以由正态分布来代表。在这个分析当中，可以期待加深率的分布是一个正态分布曲线。因此，我们可以把加深率Yj看作确定的潜在过程的一个线性组合， 每一个部分都有特定的权重。这不需要把每一个过程都单独的描述，但这些过程的权重系数必须是相同的。独立性的检验需要接近正确，尽管一些很靠近的风暴可能会相互作用；对于气旋间的相互作用、气旋对上层流场的影响以及随后系统的影响我们知之甚少，但我们能合理的假设在长时间内这些影响在统计学上是不可忽略的，因为统计学可以独立于大多数发生的事件。

图1和2 显示了整整一年内12h和24h内气旋加深情况的分布。对于在暖季、冷季和平均情况的加深分布，显示出了具有统计意义的与正态分布偏离曲线，最大的偏差和加深曲线的尾巴联系起来。这个分析用了5%的检验标准，有5%的可能不遵循正态分布。

从图中可以清晰的发现，这些气旋的平均加深率要大于模型给出气旋。事实上，平均的加深率已经被正态分布的尾巴拉到快的一边。不同平均值和偏离标准的两个曲线适合于气旋加深的分布。两个正态分布曲线的和很好的符合了5%的检验标准。也就是说，不再有和已经发现的分布有偏差的具有统计学意义的分布。这些曲线是反复挑选出来的。合适的正态分布曲线与最快的加深有关，平均22.3mb，便离标准为6.9mb，显示出Bergeron的对于一个炸弹气旋定义是很充分的；68%的爆发性气旋都被这个定义涵盖了，而只有2%的非爆发性事件包括在样本中。

这些结果提供了有力的统计学的证据，即快速加深的气旋的发展区别于缓慢加深的气旋。如果做一个合理的假设，缓慢加深的气旋很大程度上是由于斜压不稳定而产生的，证据表明，爆发性发展的气旋的产生源自于一种物理机制，或是区别于斜压过程的物理过程。这个分析基于NMC的海洋表面气压分析数据，可以描述这一特征，验证这个结论。

气旋的气候学特征

从一年的数据样本中，可以得到许多气旋生命过程的气候学信息；在这个过程之中，我们还可以额外得到一些关于爆发性气旋的信息。 人们也许期待对于快速加深过程有一个区分，基于少的可怜的太平洋数据。在数据样本中的加深率时间倾向问题被研究。没有人尝试根据海洋的洋流区给气旋分层，这是却最有潜力的。Sander和Gyakum研究了这个内容，在爆发性气旋的个例中没有发现倾向。表一中显示了这个结果，当然表明了没有在12小时和24小时的样本中统计学上的倾向；然而，12小时的样本室友启发性的。

在数据的12小时分辨率的限制之下，气旋加深时间的长短的问题被人们探究。加深的时间是12小时有效的分析数据所标明的风暴中心气压持续降低的一个间隔。结果被显示在图4上。到了36小时，超过75%的样本中的低压停止了加深，与少于一半的爆发性气旋形成了对比。平均的低压加深的时间时24小时，然而爆发性气旋的加深时间是45小时。在这些结果中，需要注意的是，加深率超过标准值的时间只是整个加深过程中的一部分。

一系列的地图被用于观察气旋形成的低点，最大加深率的低点以及消亡的地点。原始数据的经纬度都为5°，并且通过四次中心值加上四次的中卫值做1/8平滑。

5a和5b对比发现一个明显的形成地点位于西太平洋的海面上大致42°N，155°W，在暖季不会出现，在冷季才会建立。图5c显示了一年的样本中爆发性气旋的形成位置。尽管数据的样本很少，但是也可以证明气旋的发生地点和美国西海岸以及日本还寒的暖水相关。

大多数气旋加深的地点与气旋初生的位置有关。然而，在150°W和160°W之间的太平洋海域，发现了气旋最大加深率的地方。这不是气旋初生位置的下游，并且强度更大，显示了其他气旋经过这片海域的时候会变的更强。这片海域没有黑潮暖流，但它是斜压的，这是由于爆发的北极空气穿过了暖水域。特别的，不是在这片海域形成的风暴都渐渐地移动到了黑潮暖流区域或者消失。风暴在经过这个区域时由于斜压性增强会中心气压会加深。

表1 最大加深率的分布时间。 1980---81样本中事件的数量和百分比 其最快速加深的时期始于格林尼治标准时间1200和格林尼治标准时间0000。

图六 最大加深率的地理位置分布 （a）暖季 （b）冷季

图7 最大深化位置的地理分布，（a）1976-7900格林威治标准时间-1200 GMT炸弹，

（b）1979-8200 GMT-1200 GMT炸弹，（c）1976 -82 1200 GMT1200 GMT炸弹。

图7中绘制了所有24小时气象炸弹（格林尼治标准时间1200格林威治标准时间1200）（1970年至1979年）（Sanders和Gyakum，1980年），1979-82和1976-82的最大深化位置。 最大值的分布与暖洋流的位置密切相关，主要是黑潮流和墨西哥湾流。 图6和图7之间的比较揭示了这些区域中炸弹事件的集中定位，这一观察与Sanders和Gyakum的气候学相符。

两个三年爆炸性气旋样本中存在一些小但不可忽略的差异。在美国对天气的影响方面，最值得注意的是美国东海岸的最大值，后者越来越接近粗略检验平均季节性上层流场与沿线爆炸事件分布之间的关系。在两个三年期间的卡斯特拉海岸被制作。图8显示了平均冬季700 mbflow油田，从1976年82年的Weatherman年历问题中获得。图8a，22年正常700mb高度，表明该区域的流量平均几乎是纬向的。图8b，1976年79个冬季的平均700 mbheight异常，显示出流量中西南偏西异常显着。相比之下，1979-82冬季的平均高度异常（图8c）

图8 平均冬季（12月至2月）700 mb高度场，（a）22年正常（1948-70）dm，（b）1976-79高度异常（米）和（c）1979-82高度异常（米）

图9 1月船舶观测数量，15年平均值（1965-79）

非常弱，我在流动中只有一个非常轻微的西 - 西南异常。这些模式表明，该地区爆发性环化的分布只有微弱的相关性。

如在Sanders和Gyakum（1980）研究中那样，判断上层和强烈表面特征之间的关系的Abetter方法将进行分析，其中每个爆炸气旋个例相对于500 mb进行单独检验。在该研究中，作者发现爆炸性旋风与上部低谷之间的关系是加深斜压低点的典型典型特征，大多数风暴在最大500 mb风和斜压带的区域内或仅在极向上增强。这些结果也与弗雷德里克森（1979）线性稳定性分析的结果一致。其中优先发展的位置位于行星波槽的下游。另外他们发现爆发气旋的发生与黑潮和墨西哥湾流有关。这个地区的现有数据增加了这个地区的可用数据的优势是图9显示了在1979年结束的15年期间的船舶观测数量的平均值。最小数据覆盖范围似乎从170°E扩展到140 °W虽然这个证据不是决定性的，但它的确表明最大值只是数据覆盖的技巧。在炸弹事件发生的时候，风暴正从一个“数据覆盖率低的区域”转移到“良好”覆盖范围之一。因此，有可能已经发现已经很好的旋风只是通过该区域发现的。

图10 （a）暖季和（b）年度的耗散位置的地理分布。

减弱消失的位置的分布如图10所示。虽然有人建议偏向于阿拉斯加湾地区，以及纽芬兰和格陵兰之间的地区，以及南部的地区，但是暖季的模式有点不同。美国中部的最大值表明了对热流的零星分析年度模式极大地突出了阿拉斯加海湾地区风暴特征的消失。

总结

爆炸性气旋生成作为一种不同于普通斜压的过程的问题，并且发现支持这一假设的统计证据。风暴的气候学表明，爆发性气旋生成的优选区域主要是斜压带，这些区域支持普通低压系统的发展和持续存在。这一发现与Sanders和Gyakum（1980）的结果一致，爆炸性旋风与上层流动有关，质量上与强度较小的风暴相似。因此，他证明了爆发性气旋生成中的机制是斜压过程的一些组合。这与Gyakum（1983b）和Bosart（1981）的结果完全一致，他们详细研究了爆炸性气旋生成的特殊情况，并提出积云结合与斜压过程相结合的体积效应。爆炸强迫机制。一项研究设计进一步研究这种机制将在suosequentpaper中详细说明。

致谢。 这项工作是基于myMaster of Science论文，在麻省理工学院弗雷德里克桑德斯博士的指导下完成的。 我要感谢Jane Hsiung提供有关船舶观测分布的数据。谢谢Isabelle Kole女士起草这些数据

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