热带气旋内核区深厚对流的特征及其与迅速增强的关系研究

热带气旋内核区深厚对流的特征及其与迅速增强的关系研究 本文利用热带降水测量卫星（TRMM）的微博成像仪（TMI），降水雷达（PR），和可见光和红外线扫描仪（VIRS）测量的对路强度参数来研究深厚对流与热带气旋（TC）强度改变之间的关系。使用1998-2011年的全球热带气旋最佳路径资料（best-track）统计出24小时强度改变的累积分布函数，利用这一图像定义了TC五个强度改变类别：快速增强阶段（RI），缓慢增强阶段（SI），中性阶段（N），缓慢减弱阶段（SW）和快速减弱阶段（RW）。利用TRMM卫星探测的1998-2011年全球TCs的对流特性参数，统计出了内核区不同强度改变类别各个对流特性参数的分布规律，定义出了深厚对流，以此检验热带气旋迅速增强的与深厚对流的关系，深厚对流定义为20dBZ雷达回波高度达到累积分布值的95%的值。 通过统计资料充分研究热带气旋的五个强度改变阶段（RI，RW，N，SW，RW）之间的差异后，可以发现所选取的各个参数在热带气旋内核区RI和非RI阶段存在着明显的差异。通过显著性检验分析，其中RI阶段与非RI阶段的37GHz最小极化修正亮温（37-GHz PCT）和85GHz（85-GHz PCT）最小极化修正亮温之间存在着显著性差异，RI阶段与SW阶段的11微米最小红外亮温（TB11），37-GHz PCT，85GHz（85-GHz PCT）以及20dBZ最大雷达回波顶高皆存在显著性差异，这表明内核区对流强度确实与热带气旋强度改变有关。也表明通过研究这些对流参数在内核区的活动，对内核区对流强度变化以及RI发生的因子的研究可以得到进一步的发展。 基于前面的研究，我们证明了所选取的对流参量的可靠性，在本文第四章，通过对热带气旋内核区RI发生期间，RI发生前12小时与RI发生后12小时三个阶段各个对流参量以及是否达到深厚对流标准的统计，验证了内核区深厚对流为热带气旋迅速增强的成因。关键词：热带气旋，内核区，RI，深厚对流 第一章 引言 热带气旋的登陆常常给沿岸的国家和地区带来严重的洪涝、暴雨及大风等气象灾害。虽然热带气旋（TC）的路径预报在过去的 20 年已经取得了显著的进展，但是TC 的强度预报进展缓慢，特别是对快速增强过程(RI)的预报一直是一个难点1-3。早期对热带气旋强度的研究主要关注环境大气影响作用和下垫面强迫作用。研究表明热带气旋迅速增强的必要环境条件包括：高的水面温度、低层充足的水分和较低的垂直风切变。DeMaria 等4发现大西洋上弱垂直风切变、弱上层强迫和离最大可能强度(MPT)较远是增强个例的有利环境，之后，Kaplan 等5还发现暖SST 和较大的低层相对湿度有利于发生RI，其中，在西北太平洋上充足的水汽随西南气流卷入TC 内部，供给TC 能量，使其迅速加强6。梅双丽等7也研究发现TC前12小时强度变化(DVMX)、海表面温度(SST)和垂直风切变(SHR)是影响迅速增强的主要因子。然而Hendricks 等8研究了在北太平洋和北大西洋的西部发生的热带气旋中环境参数与气旋突然增强的关系，发现热带气旋的增强级别只是非常微弱的取决于环境控制的参数；Kelley9的研究表明，当内核区有1个或者多个热塔存在的时候，TC强度增大的机率增加。Vigh 和Schubert10 发现如果内核区有深对流存在，则TC的热核会迅速发展。Rogers11 也强调了内核区的热塔和对流爆发对于TC迅速增强的重要作用，然而Haiyan Jiang12有研究表明，热塔既不是TC迅速增强的充分条件，也不是TC迅速增强的必要条件。而阎俊岳13等研究表明眼壁区深对流的加强及对流层上层眼区急剧增暖，是热带气旋迅速加强的前兆。 由此可见，前人对于TC强度变化的影响因子研究前期主要集中在环境方面，近年来研究内核区特征与RI过程的关系的逐渐增多，但并没有得到定量的确切的结论，两者之间是否有关仍存在争议。本项目利用热带降水测量卫星（TRMM）的卫星雷达、微波和红外资料与热带气旋的BEST TRACK资料研究TC 内核区深厚对流的强度和气候特征，并进一步探究内核区深厚对流和TC迅速增强过程是否有关，如果有关，定量研究出其具体关系，以加深对TC迅速增强问题的认识，希望能为RI过程的预报提供一种新的方法。第二章 数据和方法2.1 TRMM卫星TCPF数据项目所利用的数据为19982011年间的TRMM卫星TCPF数据集和联合台风预警中心（JTWC）提供的全球最佳路径资料。需要对资料进行初步的筛选。 （1）为了更好的研究热带气旋内核区的深厚对流特征与其迅速增强阶段的关系，首先要排除其他因素的干扰，故首先需要排除从海洋登陆导致的热带气旋的变性，或者其它有变性趋势（ET）的气旋。 （2）受TRMM卫星的热带降雨测量雷达带宽的限制，并不是所有扫面的片段都能包含内核区，所以我们首先要根据内核区的定义筛选出包含大部分或者完整内核区的片段。根据best track 提供的每6小时热带气旋的中心经纬度，我们采用线性内插的方法求出在卫星扫描过境时刻的中心经纬度，以100公里为半径，筛选出了内核区的片段。如图1所示，为卫星扫描片段的一个例子。图中的十字为热带气旋中心的位置，虚线为热带降水测量雷达的带宽。图1 TRMM卫星在2006年9月30日10:24 UTC对热带气旋Isaac的观测，其中（a）近地面降水率（mm h-1），（b）近地面雷达放射率（dBZ），（c）风暴高度（km），（d）11m红外亮温（K），（e）85 GHz最小极化修正亮温（K）和（f）37 GHz最小极化修正亮温（K）,“+”为热带气旋中心的位置，圆圈为内核区范围区，虚线为PR的边界Fig.1 Examples of (a) near-surface rain rate(mm h-1), (b) near-surface reflectivity (dBZ), (c) storm height (km), (d) VIRS TB11 (K), (e) TMI 85-GHz PCT (K), (f) TMI 37-GHz PCT (K) from Hurricane Isaac, TRMM, at 1024 UTC 30 Sep 2006. The cross at the center of (a)-(f) is the hurricane center location. The circle in each indicates the outermost radius of inner-core convection. The dashed line in each is the edge of the PR swath.2.2 TRMM卫星降水特征片段及对流参数的选择选用20dBZ的雷达回波顶高，对所有在内核区的降水特征（PFS）作出累积概率分布函数，如图2所示，图中虚线为其概率密度分布函数，实现为其累计概率分布函数。以累积概率达到90%的回波顶高值作为深厚对流的阈值（13.25km，）筛选出内核区满足深厚对流的对流云区域。图2 降水特征最大20 dBZ顶高的概率密度函数（PDF）及累计概率分布函数（CDF）Fig.2 Probability density and cumulative distribution functions for Maximum 20 dBZ Echo height.2.3 热带气旋强度改变类别的筛选利用1998-2011年间的JTWC的每六小时最佳路径资料，画出24h风速变化累积分布图，如图3所示。以风速变化累积分布函数的95%为标准，定义为气旋发展的迅速增强（Rapidly Intensifying，RI)增强阶段。其余按照表1的标准将热带气旋的发展分为，缓慢增强(Slowly Intensifying，SI)，中性(Neutral，N)，缓慢减弱(Slowly Weakening，SW)，迅速减弱(Rapidly Weakening，RW)共五个阶段。（1kt=0.5144m/s）图3 1998-2011年间全球热带气旋24小时近地面风速变化的概率密度函数（PDF）及累计概率分布函数（CDF）Fig.3 Probability density and cumulative distribution functions for 24-h overwater intensity changes of global TCs during 1998-2011.表1，为统计所得的五个阶段的24小时风速变化的阈值和各个阶段的扫描片段数以及热带气旋的个数。发生RW的热带气旋仅有120个，发生RI的热带气旋有128个，说明在这两个阶段在一般的热带气旋中是不容易出现的。可能出现最多的阶段为N，出现N阶段的热带气旋一共有339个。表1 热带气旋5个阶段的阈值Table 1 TCs threshold of intensity change categoriesCategoryMax wind speed range(kt)No.of TRMM PFSNo.of TCSRWVmax24 28.26289120SW28.26 Vmax24 14.911444275N14.91 Vmax24 4.312891339SI4.31 Vmax24 24.66867236RIVmax24 24.66291128Tot57821098将热带气旋根据强度不同分为7个类别：热带低压、热带风暴、1-5级飓风，其划分标准如表2所示。并将1-2级飓风合为一类，3-5级飓风合为一类，分别统计TC五个不同的发展阶段在不同等级的热带气旋下发生的频数，概率及其总的平均地面最大风速，结果如表3所示。表2 热带气旋的划分标准热带低压（TD）热带风暴（TS）一级飓CATEGORY 1，简称CAT.1二级飓风CAT.2三级飓风CAT.3四级飓风CAT.4五级飓风CAT.5135KT（155MPH）Table 2 The Classification standard of TCs可以看出，在所有的RI样本中，贡献最大的就是热带风暴（TS）为139/289，其次就是1-2级飓风，为103/289，贡献最少的就是热低压。在所有RW的样本中，贡献最大的就是3-5级飓风，其次就是1-2级飓风，在热低压中没有出现，可以看出，热带气旋的强度越大，RW出现的概率也就越大。在所有的热带气旋中，其最常出现的发展阶段就是N和SI，而RI和RW出现的概率最小。从地面最大风速的平均值来看，迅速减弱的地面风速值（90）要远高于迅速增强的地面风速值（61kt）。这可能是由于要达到迅速减弱的标准需要其有一个较高的风速起点造成的。地面最大风速的平均值，从大到小依次为RW，SI，RI，N，SW。表3 不同的发展阶段在四个等级热带气旋下的统计Table 3 Statistics in the fourgradeof tropical cyclonesunder different intensity change categoriesCategoryTropical depression (TD)Tropicalstorm (TS)Category 1-2 hurricane (CAT12)Category 3-5 hurricane (CAT35)Totcases (%)AvgVmax (kt)RW059106126291(5)90SW1354125658867(15)37N111213462991342891(50)43SI5954982291221444(25)78RI2013910327289(5)61Tot cases(%)1740(30)2583(44.7)993(17.2)467(8.1)5782(100)50第三章 与热带气旋强度改变有关的对流特性3.1 最大雷达反射率扩线（1） 3.2 最小亮度温度和20-dBZ最大雷达回波高度 a.10.8m的最小极化亮温（TB11）图4给出了由VIRS得到的10.8m的最小极化亮温（TB11）在五个不同阶段的累积概率分布图。最小TB11可以指示在内核区的对流云可以到达的最大高度，从而来表征其对流的强度。在满足深厚对流的范围内，各个阶段的累计概率分布函数图多有交叉，但是总体上来看，RW, SW, N三个阶段的TB11要小于RI和SI阶段的TB11，说明其总体上的对流云顶更高，对流强度更强。RI在深厚对流的条件下，其对流强度相对较弱。在RW阶段，TB11的变化为: 171.6-195.2K；在RI阶段，TB11的变化为177.50-199.6K。并且大约有70%的RI发生在当TB11小于195K时，而SI大约有有80%发生在该范围内，N大约有86%的概率发生在该范围内，SW, RW发生在该范围内的概率均大于90%。故在深厚对流的条件下，RI阶段与其他阶段相比，对流云顶较低，对流强度较弱。 b.20-dBZ最大回波顶高图5给出了20-dBZ最大回波顶高的累积概率分布图。最大雷达反射率是随高度变化的，它取决于粒子的大小，相态和最大降水粒子在一个特定高度的集中程度。在冰冻层以下，高的反射率表明高的液态水含量和降水率。在冰冻层以上的混合层（6-9千米），高的反射率指示由于强的对流上升运动而产生的过冷水滴或者打的冰晶凝结体。如果没有强的上升运动，在冰冻层以上雷达反射率会随着高度迅速减小。在9千米以上高反射率表征着更强的对流。因此，最大20-dBZ的回波顶高可以指示风暴的高度，它和对流强度有关。可以看到在满足深厚对流的范围内，除了在累计概率分布函数值较低时RI具有较高的雷达回波顶高以外，RI在内核区都基本上具有比其他阶段更低的回波顶高。并且有大约70%的RI过程发生在回波顶高大于13.5km时，而大约有80%的其他过程发生在回波顶高大于 13.5km时。深厚对流条件下，20-dBZ回波顶高从小到大依次为RI、RW、SI、N、SW。所以，在深厚对流的条件下，RI的20-dBZ回波顶高相对较低，对流强度相对较弱。 c.最小85 GHz PCT85GHz和37 GHz的微波亮温与有降水粒子大小的冰粒上升中的散射辐射有关，因为它可以减小观察到的亮温。但是由冰散射造成的低亮温，会受到海表面的干扰，因为海表面在85 GHz和37 GHz通道发射辐射小，也会造成低亮温。为了移除这种干扰，前人定义了极化亮温。最小85GHz和37 GHz的极化亮温取决于大的水汽凝结体的光学路径长度。通常，最小极化亮温代表着风暴内最深厚旺盛的对流。但是在这些通道内，液态水的发射对高的极化亮温仍然有贡献，尤其是在37 GHz。图6给出了內核区最小85 GHz PCT在深厚对流的条件下累积概率分布图。可以看到RI除了与RW有小范围的交叉以外，与其他的发展阶段相比。RI均具有最大的85 GHz PCT，说明其对流强度最弱，其次依次为RW，SW，N，和SI。但是后三个阶段的差别不大，其累积概率分布曲线基本重合。 d.最小37 GHz PCT图7给出了內核区最小37 GHz PCT在深厚对流范围内的累积概率分布图。图7所得结果与图6基本一致。都是RI阶段与其他阶段相比，37 GHz PCT最大，说明其对流强度相对最弱。图4 Min TB11 各阶段累积概率分布函数 图5 Max 20 Echo height 各阶段累积概率分布函数图6 Min 85 PCT 各阶段累积概率分布函数 图7 Min 37 PCT 各阶段累积概率分布函数表4给出了（图中*为通过95%可信度的独立样本T检验）各参数在不同阶段的均值和其差异性检验结果。最小TB11的均值在SI阶段最大，其次为RI，然后依次是N、RW、SW，说明RI阶段具有除SI外最低的云顶高度，其对流较弱。最大20-dBZ的回波顶高，RI阶段是最小的，最小85-GHz、 37-GHz的极化亮温，RI阶段均为最大的。说明在深厚对流的条件下，RI阶段与其他阶段相比对流强度最弱。但是最小 TB11值和最大20-dBZ回波顶高在RI与非RI间没有通过95%可信度的显著性差异T检验，说明这两个参数不能很好的区别出其对流强度的特征。综合所有反映对流强度的参数的图表，可以看出，在深厚对流的情况下，RI发生时的云顶高度相对较低，回波顶高较低，说明其对流强度较弱。可以推测，深厚对流应该不是与RI伴随而产生的，它应该更多的出现在RI出现之前或者之后。表4 热带气旋不同强度阶段各参数的平均值及相关性检验Table 3 The average value and thecorrelation testof tropical cycloneintensityparametersunder different intensity change categories Sample sizeMin TB11(K)Max 20-dBZEcho height (km)Min 85_GHz PCT (K)Min 37-GHz PCT (K)RI17186.8414.53 161.86254.56SI92187.3414.98 139.50242.75N274184.5115.20 140.31245.94SW152183.2715.25 144.53 247.21 RW87183.5514.85152.34250.95 NonRI605184.4915.12142.98246.49RISI-0.5-0.4522.36*11.81*RIN2.33-0.67*21.55*8.62*RISW3.57*-0.72*17.33*7.35*RIRW3.29*-0.329.523.61RINon-RI2.35-0.5918.88*8.07* （2） 热带气旋内核区深厚对流与其迅速增强的关系 图8给出了在满足深厚对流、不满足深厚对流以及所有样本下RI、SI、N、SW、RW发生的概率。表4给出了其具体的数据。在满足深厚对流的条件下RI发生的概率只有2.73%，小于其气候平均值5.03%，说明在深厚对流时RI出现的概率要较小。N与RI相似，SI与SW在满足和不满足深厚对流时发生的概率差距不大。只有RW阶段，是在满足深厚对流时出现的概率明显高于一般情况的，分别为13.99%和5.00%。 图8 不同对流强度下各强度改变阶段出现的概率表5 不同对流强度下RI发生的概率RISINSWRWTot总样本291867289114442895782满足深对流的样本179227415287622不满足深对流的样本274775261712922025160满足深对流强度改变的概率2.7314.7944.0524.4413.99100气候学概率5.0314.9950.0024.975.00100不满足深对流强度改变的概率5.3115.0250.7225.043.911004. 内核区深厚对流和TC迅速增强之间的关系 通过BEST-TRACK选出RI的时间段后，在卫星数据中找出相应的RI期间的片段的数据，以及RI发生前、后12小时的片段的数据。（1） 平均值 对这三个时段，四个反映内核区对