热带气旋转向：自身原因？外文翻译资料

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热带气旋转向：自身原因？

Kelvin T. F. Chan1 and Johnny C. L. Chan1

香港城市大学，能源与环境学院

摘要：北半球的热带气旋（TC）典型路径是起初西北行，随后转为向东方向。这种改变被称作转向，并且常常受TC的环境引导气流的变化影响。在这里，我们表明即使在缺少背景气流的时候，初生在足够高纬度上TC的也能够自行发生转向。不同垂直高度的TC环流对行星涡度水平平流的差异导致了垂直风切变，对流层高层的反气旋，以及对流的不对称分布的发展。在TC赤道侧与对流层高层反气旋相关的气流以及非对称流相关的非绝热加热联合作用造成了TC转向。通过这些知识了解到，当环境气流很弱的时候，TC内在的转向属性对TC路径的预报很重要。

1. 介绍

热带气旋（TC）的移动很大程度上是受到了周围环境气流（也被称作引导气流）以及其他两个因素控制，即由于地球自转引起的beta;效应和对流造成的大气非绝热加热 [Chan, 2005]。

在北半球，一个新生的TC通常开始向西北移动，这是由于与副热带高压系统相关的东风气流引导其向西行，同时beta;效应也使它向西北偏西移动[Chan, 2005]。当TC接近副热带高压西端并到达更高纬度时，它将通过与副热带高压西边缘气流和西风气流相关的气流北上，并最终转向东边 [Burroughs and Brand, 1973; Evans et al., 1991; Hodanish and Gray, 1993; Holland and Wang, 1995; Chen et al., 2009]。TC是西行或从西向东行或东行，这样运动方向的改变被称为转向。因此，预报TC何时，何地，以及是否会发生转向，很大程度上等同于预报副热带高压或者TC西侧西风气流的演变。除此之外，季风系统[Chen and Chang, 1980]，对流层中上层的纬向风 [Burroughs and Brand, 1973; Hodanish and Gray, 1993]，冷空气的侵入[Peng et al., 2014]，以及海表温度的不均匀性[Choi et al., 2013] 都已经被认定为是可以导致或者改变TC转向的其他因素。换句话说，TC转向问题已经被认为是它所处的大气或海洋环境造成的。

然而，在本文中通过数值模拟表明，在静止环境的足够高纬度新生成的TC能够自行发生转向，这主要是beta;效应随高度变化造成的。接下来，首先展示的是使用WRF模式得出的模拟结果。运用位涡倾向(PVT)方法 [Wu and Wang, 2000]来诊断各种因素对TC整体的运动的贡献。

2、方法

2.1. 模式和实验设计

采用的是WRF-ARW（3.7.1）版本。这个模式采用双向四层交互嵌套，和移动网格。水平网格分辨率分别为81、27、9和3km，相应的区域大小分别为8100times;8100、2916times;2916、1296times;1296和720times;720km^²。物理模型采用五层热扩散，MM5相似表面层物理[Jimeacute;nez et al., 2012]和延世大学的行星边界层方案 [Hong et al., 2006]。牛顿辐射冷却[Rotunno and Emanuel, 1987] 被用来模拟长波辐射物理学。Tiedtke积云参数化方案 [Tiedtke, 1989; Zhang et al., 2011]仅用于两个外部区域 (81 and 27 km)。改进的表面体积阻力 [Donelan et al., 2004] 和焓系数[Brutsaert, 1975]适用于所有区域。

将初始涡旋设计成处于流体静力和梯度风平衡的可解析轴对称气旋 [Rotunno and Emanuel, 1987]。最大风速、最大风速半径、零风速半径和涡旋厚度分别设定为20m/s、80km、800km和20km。TC起始于中心区域，在静止的环境中，28℃恒定的海表温度和15°N f平面旋转69h，使得对称的涡旋到达台风/1类强度（最大风速~34m/s,中心最小海平面气压~980hPa）,同时达到了全球平均尺度（地面风17m /s方位角平均半径~210km）。对不同强度和大小的涡旋进行了敏感性试验。虽然转向的纬度确实随着TC（没有展示）的结构变化，但本次研究的主要结论依然有效。为此，仅给出一组实验结果。

在28℃恒定海表温度的开放水域上，这个自旋涡旋建立在球形地球的三个纬度上：25, 30, 和 35°N （被标记为 L25，L30和L35实验）。环境有着乔丹[Jordan, 1958] 所谓的飓风探测的静止状态。虽然恒定的海表温度和飓风探测可能不是中纬度TC的最佳近似，但不同的海表温度或大气探测不太可能改变本次研究的结论。所有实验均模拟6天。横向的边界条件是在f平面中自旋涡旋为双周期的，同时在球形地球的主要模拟为开放的。

2.2 位涡倾向诊断

位涡倾向诊断是使用吴和王老师 [2000]的方法。

Sigma;坐标系中位涡P被定义成：

其中 sigma; = (p-pt)/(ps-pt); p, ps. 和pt分别是气压，地面气压和模型层顶气压；g是重力加速度；zeta; 和 f 相对涡度和行星涡度；theta;是位温；u和v是纬向风和经向风分量。

先前的研究表明，TC向PVT的1波非对称分量向最大值的方向移动，其中PVT₁是由：

其中⋀1 表示1波分量的算符，sigma;: 是Sigma;坐标下的垂直速度，Q是非绝热加热率，Fx和Fy是x和y方向上的摩擦分量。

方程（2）表明PVT₁由位涡水平平流（HA₁；前两项之和）、位涡垂直平流（VA₁；第三项）、非绝热加热（DH₁；第四项）和摩擦（最后一项）的1波分量。

采用最小二乘法通过最小化，在特定高度去预测TC走向 (cx和cy)：

其中cx和cy是涡旋运动速度的纬向分量和经向分量，Ps是位涡的对称分量，i是网格点迭代，N是距TC涡旋中心半径150km内的总网格点的数目。由于摩擦项对TC运动的贡献小到可以忽略不计，因此在本研究中被忽略。有关详细信息，请参见吴和王老师文献（2000）。

图1：在各种实验中六天的TC轨迹。每个轨道的标志物之间的时间间隔是6小时。通过定位涡旋的中心最小海平面气压来跟踪轨道。

1. 结果

图1显示了一个最初在没有背景气流25°、30°和35°N对称自旋涡旋的轨迹。由于beta;效应，正如预期的那样，L25向西北方向移动[Chan, 2005]。相比之下，在向西北移动36小时后，L30涡旋开始向西北偏北方向移动。L35涡旋的前36小时运动与L30涡旋相似。然后，它开始向北转向。大约36小时后，它开始向东转向，并继续沿着一条向东的轨道运行，非常类似于一个真正转向的TC。

在所有三个实验中，初始转向来自与beta;效应相关的通风气流[Fiorino和Elsberry，1989]。如图2a所示，因为TC循环的强度随高度而减弱，通风气流流量的大小也随之减小。

在对流层低层，正如预期的那样，在所有的三个实验中，通风气流都指向西北方向。还应注意，由于纬度越低beta;值越大，所以L25实验中对流层低层的通风气流最强。在对流层中层，通风气流趋于减弱。在对流层高层，通常与TC有关的反气旋流将产生指向东方的通风流。因此，这种垂直风分布造成了从东向东南的垂直风切变（VWS；图2a），它被标记为beta;切变[Ritchie and Frank, 2007; Fang and Zhang, 2012]。

大气通过向上(对流)和向下(抑制)运动的发展，分别在涡旋中心的的顺切变左侧和逆切变的右侧，来适应这一beta;切变 [Wang and Holland, 1996b, 1996c]，以此来维持气流平衡和保证其涡旋的垂直结构 [Wang and Holland, 1996a, 1996b; Ritchie and Frank, 2007; Fang and Zhang, 2012]。与这种对流非对称性相关的非绝热加热改变垂直速度和相当位温，然后反馈到风场，从而改变VWS。这一系列的相互作用过程被概括为垂直耦合机制[Wang和Holland，1996a，1996b；Ritchie和Frank，2007；Fang和Zhang，2012]。

三维风场和非绝热加热的这些变化将改变PVT₁，从而改变TC运动 [Wu and Wang, 2000; Chan et al., 2002; Wang et al., 2013]。 因此，研究PVT₁方程中各种项的贡献是有用的。在L25实验中，虽然HA₁项在对流层的大部分区域具有最大的数值（图2b和2c），但是VA₁和DH₁项的贡献在对流层的中上层是显著的（图2b）。不管HA₁项指向东部和东北部，但确实，这两个项使PVT₁与对流层低层的运动方向相同，因此产生了图1所示的运动。对于L30和L35实验来说，HA₁项指向东部和东北部的原因更加明显，将在后面进一步讨论。

对于L30和L35实验，HA1项一般在对流层中上层占主导地位，并指向东部（图2b）。在对流层中下层，虽然HA1项指向北或西北，但VA1和DH1项也有贡献，从而使得PVT1在后期指向北和东北（图2c）。结果，TC转向了（图1）。

图2：在各种实验中，根据不同的PVT₁项估算的风、VWS和TC运动的时间序列。(a)Vlow、Vmid和Vup是距涡旋中心半径300km内的3小时风场和方位平均风场，sigma;值分别为在、0.684-0.843(~700-850hPa)、0.351-0.637(~350-700 hPa)，0.195—0.324（～200～350 hPa）。VWS＝Vup Vlow。(b)TC平均3小时运动矢量由PVT1方程中各项在距对流层中上层涡旋中心半径150km内(sigma;值在0.276和0.476之间；~300-500hPa)贡献的。(c)和图2b一样，但是是在对流层中下层中发生的(sigma;值在0.513—0.843;~500-850hPa）。

图3：（a–c）L25和（d–f）L35实验中的对流层高层的简要说明。有色风矢量(m s-1)是sigma;值0.195～0.276(~200～300hPa)之间的层平均风。左边（图3a和3d）、中间（图3b和3e）和右边（图3c和3f）列分别显示了模拟36、72和108小时。反气旋的位置由标签A标明。

那么，是什么使得对流层高层的转向流（图2a中的Vup）以及HA1项指向东边，特别是在L30和L35实验中？ 在TC赤道侧的对流层高层强反气旋的发展（图3）似乎提供了答案。对流层高层的反气旋性流出和Rossby波频散使得对流层高层的反气旋逐渐向赤道和西传播，从而导致其总体上从TC的东南向西南移动[Wang and Holland, 1996a, 1996b; Ritchie and Frank, 2007; Fang and Zhang, 2012]。鉴于较高纬度TC的发展较慢 [Li et al., 2012; Smith et al., 2015]和更大的科氏力，因此较高纬度TC的反气旋性流出的平流输送不利于对流层高层反气旋的气流流出(参见图3a-3f)。 结果，在较高纬度的TC对应的对流层高层反气旋更靠近此涡旋，因此通过HA1项（图2B）对TC运动有更大的影响，并能发展更强的垂直风切变（图2A），随后导致VA1和DH1项（对流和非绝热加热）不对称（图2b和2c）改变了TC移动方向。

1. 结论

这些数值模拟的结果表明，即使没有背景气流，在较高纬度初生的TC也可能自行转向，如果靠近赤道一侧与TC有关的对流层高层的反气旋很强并且足够接近TC，就能产生向东气流来克服因beta;效应而导致向西的TC运动。因此，这些结果显示，转向可能是某些TC的内在属性。当转向流动较弱时，这种概念在真实大气中的应用也是可能的。

例如，当飓风Maria 2005在一个区域(支持信息中的图S1)，它发生了转向。当然，这种情况不能直接与本研究的模拟进行比较，因为它们与飓风Maria的强度和大小不同，这可能是造成其转向纬度不同的原因，而海表温度和环境探测的差异则为次要的。尽管如此，这个例子确实表明，尽管缺乏转向流，但由于beta;效应，TC仍然可能发生转向。因此，本研究为进一步了解TC转向的机制提供了依据，有助于提高TC轨迹预测的准确度。

参考文献

Brutsaert, W. (1975), A theory for local evaporation (or heat transfer) from rough and smooth surfaces at ground level, Water Resour. Res., 11, 543–550, doi:10.1029/WR011i004p00543.

Burroughs, L. D., and S. Brand (1973),

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