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台风风神的外中尺度对流系统持久性的起源与维持

B UO -F U C HEN^1-4，R USSELL L.E LSBERRY^2-4，

C HENG -S HANG L EE^3-4

（1．台湾台北大学大气科学系，2．加利福尼亚州蒙特雷海军研究生院气象系，

3．台湾大学大气科学系台湾台风和洪水台，4．台湾台北国立应用研究实验室研究所)

（2014年1月27日收到稿件，截至2014年3月21日）

摘 要：外中尺度对流系统（OMCS）是持续的，强降水过程与内核降雨过程分离时，内核降雨过程发生的概率为北太平洋西部热带气旋（TC）的22％。62个OMCS的发展伴随的环境条件与不包括OMCS的TC的条件形成对比。通过天气研究和预测模型模拟研究了台风风神（2008）的西南部发生的OMCS的维护机制、运动结构和发展。快速散射仪（QuikSCAT）观测和模拟表明低水平TC循环在吕宋岛地形周围偏转，造成一个细长的南北水分带向西移动，使得OMCS发展在风神的外部区域而不是螺旋进入中心。强东北风垂直风切变促进了边界层的摩擦收敛，然后当该带与季风流相互作用时，该水分带中的大的水分通量收敛导致OMCS的下游发展。由于OMCS在低层季风西风带与风神外循环相关的中间水平区域发展， 建立了沿交线方向（朝南）首要层状降雨区的后馈流入物的特征结构。与大的层状沉淀区域相关的冷空气（△theta;〈—3K）导致在冷空气的前缘处连续形成新的细胞，这有助于OMCS的长持续时间。

1. 引言

虽然热带气旋的眼壁区有关的强降雨是水灾预报的主要重点，但在外部地区也可能发生持续的强降雨。例如，台风Morakot（2009），这是在记录的历史中影响台湾最致命的台风，在中心南部产生破纪录的降雨量3000毫米。由于台风Morakot与热带气旋（TC）环流，台湾南部台风在2009年8月6日至10日期间的累积降雨量和西南季风的相互作用有关（Chien and Kuo 2011; Lee等（2011）检查了Morakot灾害中涉及的几个因素，例如西南季风带来的潮湿和不稳定的空气，提供快速起飞的陡峭地形，以及Morakot的缓慢运动。

预报一个东西方向准稳定和持久且在超过台湾海峡距离TC中心以南约300公里的对流带Morakot降水是巨大挑战。值得注意的是，在这个雨带（图1a）内发展的中尺度对流系统（MCS），以及随后的雨带与陡峭地形的相互作用产生了从8月8日12：00 UTC至2009年8月9日03：00 UTC的大约1500mm的极强降雨。由于其长持续时间和地形增强，这种MCS在Morakot缓慢通过期间占总降水的很大一部分。

图1.嵌入在（a）台风Morakot（2009），（b）Typhoon Mindulle的外循环中的OMCS的红外卫星图像（2008），（d）台风Hagupit（2008）和（e），（f）台风风神（2008）。 粗红色表示TC中心和三个白色圆圈表示150,450和750公里的半径。

Lee等（2012）将外层MCS（OMCS）定义为在TC遥远雨带中形成的对流系统，具有大的冷云盾（208-K冷云盾的面积必须超过72000），并持续超过6小时 。Lee等（2012）基于每小时红外通道-1（IR1）云顶温度和被动微波（PMW）图像，记录了1999年至2009年在北太平洋西部发生的TC的22％的109个OMCS。除了Morakot台风（图1a），其他OMCS如Typhoons Mindulle（2004;图1b），Bilis（2006）和Kalmaegi（2008; 图1c）都撞击台湾，产生了“意想不到的”暴雨，因为它们远离内核区域。当OMCS与地形相互作用时，预测降雨量是一个巨大的挑战。因此，理解OMCS的启动过程，运动结构和维护是重要的。

许多研究（Willoughby等1982,1984; Barnesetal.1983; Powell1990b; May和Holland1999; Wang 2002,2009; Moon和Nolan 2010）已经表明TC雨带在降雨分布，动力学，尺寸， 和TC的强度扮演着重要角色。Houze（2010）将TC的雨带复合物分为主雨带，次雨带和遥远雨带。主要雨带可能由于涡流和环境之间的收敛而发展（Willoughby 等，1984）。Powell 1990a; Hence和Houze 2008; Didlake和Houze 2013a，b）基于飞机观测已经表明，云南结构在上风向的部分是对流的，但下风部分的云通常由衰变的对流细胞组成，往往是由层状降水占主导地位。

图2（a）SSMIS所提供的被动微波图像 （b）OMCS的QuikSCAT海洋表面风观测嵌入在台风风神（2008）。 粗黑线表示基于QuikSCAT风的零相对涡度的轮廓观察，红色虚线表示-75C冷云屏蔽的外部MCSs从IR1图像在10：00 UTC 22 6月2008; （a）是来自Naval Research Laboratory（NRL）TC_PAGES网站。

这些研究还报告了具有源自凸（外）侧的过度转弯循环、流入与主雨带相关，并且对流细胞分布在雨带轴的凹（内）侧附近。此外，经常观察到中层和主雨带次水平风最大值（Willoughby等人1984; May等人1994; Samsury和Zipser 1995; Hence和Houze 2008）。然而，Ishihara 等。（1986）和Tabata 等。（1992）已经显示了源自凹面的流入，Li和Wang（2012）已经表明对流细胞可能在螺旋带的凸面上形成。

而主雨带和次雨带的主要部分位于TC的内核区域，远程雨带在“外部区域”发展。Cecil和Zipser（2002）提出，外雨带区域通常从旋风中心开始约150至200公里，内部雨带通常在附近的自由降水通道。Cecil和Zipser（2002）定义了最小外部雨带半径100km，最大半径350km。Corbosiero和Molinari（2002,2003）将“外带区”定义为距飓风中心100-300公里。Houze（2010，第324页）指出，“遥远的雨带由浮动的对流细胞组成，它们与大规模低风场中的汇流线对齐，并旋转到TC涡流中，在径向上远离风暴眼其中对流的垂直结构相对不受旋风的内核旋涡的动力学的约束。

具体来说，台风风神（2008）外循环开发的OMCS在这项研究中是发生在一些西北太平洋TC的外部区域的另一种类型的对流系统（Lee等人2012）。上述内核雨带与典型的雨带相比，这些OMCS通常具有比典型雨带中更大的层状降水区域。OMCS（图1f，2）有一个大的层状降水区和一个中度（215-230K）PMW 91-GHz偏振校正温度（PCT）、亮度TB和具有线性排列的对流细胞的对流降水区域（近似为极低PMW TB的面积lt;215K）（图2a）。此外，快速散射仪（QuikSCAT）卫星表明在层状区域下存在表面风射流，其为零相对涡旋线（图2b，粗黑线）。还要注意，对流细胞位于射流的气旋切变侧。

虽然选择风神OMCS部分是因为它发生在南海附近的天气尺度观测区域内，但是没有观测到用于分析OMCS的中尺度特征或保持延伸的对流机制 OMCS的持续时间。在这项研究中，分析了台风风神（2008年）（图1f，2）天气研究与预报模型（WRF）模拟。这些模拟提供与对流细胞，对流系统的多细胞周期和OMCS的发展相关的三维风场。 案例，WRF和验证的描述分别在第2节和第3节中提供。OMCS的启动描述在第4节，OMCS的运动结构和多细胞周期在第5节。讨论和结论是见第6节。

图 3. JTWC台风风神（2008）和从TRMM 3B42数据集的累积降雨量从2008年6月23日美国国家航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心网站（http//trmm.gsfc.nasa.gov/trmm_rain /Events/fengshen_rain_16-23june08.jpg）。虚线椭圆表示相关的降雨最大值与OMCS是本研究的重点（左上）加上一个早期OMCS（左下）。

2.台风风神概述（2008）和天气环境

风神的轨迹和累积的降雨量由热带降雨测量任务估计（TRMM）2008年6月16日至23日在图3。热带风暴（TS）风神迅速加剧成为台风（TY），然后才第一次登陆菲律宾的萨马岛。6月21日00：00 UTC，TY 风神转向西北方向，6月22日00：00 UTC通过马尼拉，风力为45.8ms-1。在TY风神离开吕宋岛后，它向北移动，后来在6月24日22：00 UTC在广东深圳做了第二次登陆。由于地形的影响，TC中心附近的强降水和地形的降雨增强，但风神也产生了两个OMCS（图1e，f），它是北方OMCS（图3，黑色虚线圆）的研究。

图 4.（a）-（c）没有OMCS控制情况下的纬度/经度相对于TC中心绘制的环境变量，（d）-（f）为南方型OMCS的62 TCs样本，（g）（左）850-mb流线和风速（ms -1，阴影）;（中间）850-500-mb VWS矢量和幅度（ms -1，阴影）和850-200-mb深层平均VWS（ms -1，红色粗箭头）; 和（右）850-mb相对湿度（％，阴影）以及在850-和700-mb表面（K，轮廓）之间的等效电位温度的差。（d）和（g）中的黑框表示南北400-1200公里，东到1200公里到TC中心以西800公里的区域。（a）-（f）的彩色条和单位在面板（d）-（f）之下，并且面板（g ）-（i）的彩色条和单位沿着底部。

根据Lee等人（2012）确定OMCS的方法，第二OMCS（图1f，2）在6月22日UTC时间约6:00时发展，在风神刚离开吕宋岛时在UTC约15：00时 UTC时终止。风神的OMCS是一个“南方型”通常具有向南的季风（Lee （2012）。在对1999-2009年期间与62个TC相关的南型OMCS起始时间的最接近的6小时分析中的一些环境因素与对照样品的1192倍相比，TC没有OMCS，并且在这些环境因子之前存在 风神的OMCS（图4）。这些环境因子相对6月至9月在145E以西和26N以南的TC中心进行合成，并从最终国家环境预测中心（NCEP）的全球运行（FNL）分析。

与没有OMCS的对照样品（图4a）相比，更大的尺寸和更强的TC外循环，加上更强的西风的存在中心西南部，是表明南部有OMCS的TC样品（图4d）。对于风神情况（图4g），环境流动的不对称性更加明显，西南西风最强的风起源于南半球。图4d和4g黑框中的平均风速约为11m.s-1表明南部强烈环境风和南型OMCS包围TC的东侧的重要性。还注意到最大偏北风带（图4g），其良好地移位到中心的西部，这是在风神中的OMCS的发展的一个因素。

垂直风切变（VWS）被假设具有与风神相关对流的方位角分布的作用。Corbosiero和Molinari（2002，2003）表明雷击最大值集中在外雨带区域的下倾右象限。 Lee等（2012）也指出，OMCS集中在下倾的象限。与对照样品（图4b）或南型OMCS样品（图4e）相比，风神的870-200 mb（1mb =1hPa）深层意味着VWS在2至8范围（图4h）也向西南方向，但具有非常大的幅度（14.3ms-1）。还注意到在风神西部以南的中国南海东部850-500 mb强VWS区域（图4h）。

与热带MCS相关的另外两个环境因素是具有低对流层水分和稳定性，其在图4c，4f和4i中被表示为850-mb减去700-mb的等效电位温度。南方OMCS的样本（图4f）与东亚夏季风（参见图4d）的西风相比（图4c）有更浓的水分带，并且区域为中心的西北部具有广泛的潜在不稳定性。由于该区域水平温度梯度较小，图4i中850〜700mb之间的非常大的意味着中层空气比风神外部区域的低层空气干燥得多。假设风神的外循环与吕宋岛地形的相互作用可能占到中心西部最大的北风带（图4g）。这个假设和水分的不对称分布及VWS对OMCS形成的动力学作用的影响将在第4部分使用高分辨率模拟进行研究。预计这种地形相互作用，不对称水分的组合分布和风神的VWS与其他导致台湾大雨的南方OMCS案例相关。

图5.（a）WRF的四个领域。 （b）台风风神（2008）的JTWC最佳航迹位置（灰色）和模拟（黑色）轨迹，每个12小时从2008年6月21日 00：00 UTC到6月23日12：00 UTC。

3.模拟的模型描述和验证

a．模型描述

使用高级研究WRF（Skamarock等人，2005），版本3.4.1的60-h模拟在6月21日00：00 UTC初始化，其中最内部区域从6月22日UTC 合并到6月23日UTC 以模拟中尺度风神OMCS的特点。WRF是一种完全可压缩，欧拉和非流体静力学模型。WRF使用地形跟随和静压力垂直坐标，坐标为从地表到20hPa的35个水平。在本研究中，使用在地理上固定的四个嵌套域，其在内部网格之间具有双向相互作用（图5a）。这四个域具有水平网格点间隔为36,12,4和1.33km，并且网格尺寸分别为229times;142,391times;316,646times;631和400times;400。该模型的初始和横向边界条件来自NCEP FNL分析，其可在表面上和在从1000到10mb的26个垂直水平处，并且这些分析也被用作在整个模型模拟中的第一和第二域中的WRF四维数据同化网格推进技术中。

所有网格上的对流运动物理学利用新的Thompson等人 （2008）微物理学方案，方案包括冰，雪和霰的过程。在外两个域中使用Grell和Devenyi（2002）集合对流参数化方案。使用延世大学（YSU）行星边界层（PBL）方案（Noh等人，2003）计算在下边界处的显热，湿度和动量的垂直通量。Dudhia短波辐射方案（Dudhia，1989）和快速辐射。转移模型（RRTM）长波辐射方案（Mlawer等人，1

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