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螺旋雨带是什么意思 螺旋雨带气候特征

2024-07-11  来源:天气网  【字体:  

导语:螺旋雨带是什么意思?螺旋雨带,这一术语常见于气象学中,主要用于描述热带气旋或台风内部的一种特殊云系结构,其核心思想是描述雨带围绕热带气旋中心,以螺旋状分布的特点,具体来说,当热带气旋或台风形成时,其内部的气流会形成一个低气压中心,周围的气流则会向这个中心汇聚。下面就一起去看看螺旋雨带气候特征吧!

螺旋雨带是什么意思

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降雨

从台风云墙区向外一直到台风外缘是台风螺旋雨带或螺旋云带)存在的地区,降雨的带状结构是热带风暴的主要特征之一,飞机、雷达观测早就证明,台风内的云是成环状或螺旋状围绕着台风中心的,以后卫星观测进一步证实了这一点。

雷达和卫星照片可以清楚地看到台风中螺旋带结构,一条或几条螺旋云带从外围一直向内旋向中心云区。有些情况下,卫星照片上的螺旋云带结构并不一定能看得出来,这是由于风暴中心区附近高空卷云连接成片,遮盖住云带的结果。当一个热带风暴接近本站时,雷达萤光屏上出现的第一个征象就是外雨带,它具有跑线的外形,所以又叫台前跑线。在外雨带与台风眼之间是内雨带,雨带的条数各个台风不同。例如在Marge台风中,就曾观测到6条螺旋雨带。这些雨带在风暴的成熟期大多围绕着台风中心对称分布,并呈气旋式旋转向内。

但在发展和衰减期,分布则不太对称,常常表现为一条或几条螺旋云带从台风某一部位卷入。在外雨带和第一条螺旋雨带之间可有80公里左右的间距。螺旋雨带的宽度差别很大,一般为几十公里到上百公里,愈近中心愈宽些。各条雨带间相距30—40公里。到了风暴中心附近,向内旋入的螺旋雨带与眼壁的云系逐渐混合在一起,因而根据螺旋云带的曲率常可决定台风眼或台风中心的位置。在实际业务中,一般用对数螺旋曲线法估计台风中心的位置.台风的螺旋雨带近于等角螺旋线,它们与等压线交角在10°—20°之间,因而常采用15°角的对数螺旋曲线表示。

在螺旋雨带中有显著的上升运动,对流活动旺盛,这是台风内部热量垂直输送和位能转换为动能的主要地区。螺旋雨带是台风内一种中尺度系统,根据常规的观测资料,尤其在海洋上记录十分缺少的情况下,不易确定它的结构,特别是高空结构了解得更少。过去的工作大多根据地面的一些要素变化来分析雨带的低层结构。Deppermann曾经指出,在台风中气压变化曲线上常有短周期的振动重叠,它们可能是由降雨带造成的。Simpson(42)曾仔细地观测降雨带附近的气压变化,发现降雨带上气压确实有急变,这种情况甚至可被误认为是台风中心。地面天气也是呈带状分布,可出现骤然的大暴雨带。

雷达对研究螺旋带的结构很有帮助,不少人根据雷达观测并配合常规资料分析雨带的结构,结果表明螺旋雨带具有低空辐合区、上升运动、中尺度低压槽、温度下降,风速风向改变等一些明显的特征,Tatehira[43]发现,当1958年Helen台风的一条雨带过境时,气压计记录到一明显的谷点,气压槽出现在雨带的前缘。地面有辐合气流存在,并位于雨带下方。在飓风Carrie(1957年)的外雨带中曾观测到对流层中层风速的增加,有时风力可增加50%。风向也有改变。风一般是顺转而不是逆转。在雨带内有较大的温度梯度,例如在Daisy飓风的一条外雨带中,600毫巴附近的温度变化是2.5℃。不少入研究过螺旋雨带的运动。主要有两种形式的运动:一是整条螺旋雨带的运动,一是螺旋雨带内回波单体的运动。过去人们认为螺旋雨带是产生在台风的前半圆,尤其是在运动方向的右前象限,因为该处辐合最强。

人们还认为螺旋雨带是向内旋进的。最后围绕着眼区旋转,使云墙得到经常的更替。后来的工作表明,螺旋雨带不是向内运动的,Senn等人,Ligda⁴4]指出飓风中的雨带是围绕中心顺时针运动的,并且许多螺旋雨带在风暴中心产生以后是沿径向向外传播,传播速度是10米/秒左右。Senn和Hiser1451根据雷达资料研究了一些飓风中的螺旋雨带,指出螺旋雨带的向外运动显然与对流层低层的风向(是流入的)是相反的。在螺旋雨带中有许多对流回波单体,各个单体的运动与整个雨带的运动不同。Ligda在研究了1949年8月23—28日飓风雨带回波后指出,个别小的降雨回波是沿着外螺旋带向中心运动。Senn和Hiser指出,雷达回波带中的个别回波是按气旋环流形式向中心传播的。

上述螺旋带的向外运动和个别回波的向中心运动显然都不能以简单的平流机制来解释。Hardy,Atlas,Brown-ingl⁴61研究了飓风螺旋带结构时,给出了一种螺旋雨带和其中回波运动之间的关系,其模式如图2.27所示。他们指出,在雨带中各个对流单体间围绕着眼作气旋式切向运动。新的单体趋于在螺旋雨带的上风方向的一端处形成和发展,愈往下风方向去,其外形逐渐变成层状结构,最后在雨带的下风一端消失。如果跟踪各个单体(在各雨带末端或雨带之间的单体)达15分钟左右,则可对风暴内的风速风向作出估计。在台风数值试验中也研究了台风的带状结构,其特征和演变与实际雨带十分相似,这对了解螺旋雨带的结构和起源很有益处。

Anthes等人研究了不对称性对台风雨带发展的影响。他们取的初始状态是轴对称涡旋。在台风阶段对流层下层的水平气流分布近于保持对称,但一旦当高空流出在负涡度区附近出现时,在对流层上部有明显的不对称发展,强螺旋雨带形成在对流层上部对称气流崩溃之后。而在这以前,都无螺旋雨带出现。后来Kurihara等利用三维模式对台风螺旋带结构作了进一步研究,Kurihara等人的工作表明,地面附近的气压场和风场分布与实际观测一致。概括图还给出了雨带的高空结构,由于高空资料稀少,这在以前是没有人给出的。模式中的雨带是沿径向向外传播,这与实际分析相同。但Kurihara的模式与Anthes的模式一样,都是在对流层下部(即在边界层或边界层上方一些层次中)有垂直运动最大值,因而无辐散层也是位于对流层下部。并且在雨带上方对流层上部是下沉运动,这些与实际情况是有差别的,因为用实际资料对台风垂直运动作的诊断分析表明,台风中最大的垂直运动出现在对流层中上层。

最近Mathur'50详细研究了台风中的带状结构。他利用Isbel飓风的实际资料模拟了台风螺旋雨带的结构和起源,得到的结果与实际更为接近。例如边界层中的辐合、中尺度低压槽、温度下降、风向风速变化等这些外雨带的观测特征都在模式中被模拟出来。在雨带中,最大垂直运动在各层近于同时出现,这说明雨带是垂直的。与前面结果不同,这些雨带中的垂直运动在对流层上部强、在对流层下部弱。在高低层(375毫巴和725毫巴),当雨带接近时位温上升,通过时下降,因而地面气压在雨带接近时下降,过境时上升。高低层位温下降约1.5℃,气压上升约3毫巴。相应地面气压分布表明,在雨带之前有一低压槽,后部是一弱脊。根据传播性螺旋带高中低三层气流场分布表明:在对流层下部,在雨带前缘,风吹入带区。在后缘,风沿雨带吹(向南)。低空辐合区接近对流层中上层最大垂直运动轴线。

在对流层中层,风通过雨带吹向高压区。在对流层上部,前缘风沿雨带吹,后缘有强辐散气流。雨带以东较暖的空气产生雨带前缘的低压槽。低空辐合区正东的东风吹向气压略高的一方,以西的北风带吹向低压一方。这意味着:辐合区以东的东南风带是减速的,以西北风带是加速的,因而新的辐合区应不断在原辐合区东南位置上重新形成。根据第二类条件不稳定机制,潜热的对流释放与边界层顶的垂直运动成正比。因为边界层顶的最大垂直运动出现在低空最大辐合区,故在东南位置上形成的新辐合区应导致最大对流区向东南方向移动,结果带状的垂直运动区(即雨带)和辐合区都向东南移动,这相对于风暴中心是顺时针运动的,移速为8—12米/秒,与实际Isbel飓风的运动相一致。螺旋雨带的起因曾有不同的解释。

早期,Wexler认为,螺旋雨带的形成与热带云排有关。在热带地区,在热力稳定度和垂直风切变作用下常有云排(或云线)存在。如果一圆涡旋引入到这种沿风排列的云排区,则这些云排将变成圆形。如果是台风涡旋,这些云排将呈螺旋状旋向台风中心。这种解释显然与许多观测事实不符。后来Tepperl⁵2]提出大气重力波是螺旋雨带发展的机制。Anthes的工作表明,螺旋带确实是一种重力波,它受到了潜热释放的影响,但激发这些重力波的机制并不清楚。Kurihara的模式也表明,螺旋雨带的变化很象重力波,在数值模式中,其传播速度为100公里/时,实际重力波的传播速度是96公里/时。根据Mathur的研究,螺旋雨带的发展与潜热释放的性质和垂直分布有密切关系。

在上部对流层有大量潜热加热(包括对流加热和非对流加热)和中部对流层发生冷却的地区会产生向外传播的螺旋带,其结构与台风中外雨带相似。当由垂直运动造成的冷却大于对流层上部凝结加热时,这些螺旋带消失。如果模式中不包括非对流性潜热释放(加在375毫巴),则模式中不形成传播的螺旋雨带,而形成静止的螺旋雨带,这表明带的形成与非对流性潜热释放有关。非对流性潜热释放的作用是增强对流层上层的辐散,以此激起边界层中的辐合加强,使对流层上部加热增强,雨带发展。虽然传播性的雨带只形成在包括有非对流性潜热释放的情况下,但这些带中的对流性潜热释放比非对流潜热释放大几倍,带中的降水主要是对流性的。Syōno,Yamasakil⁵3在分析对称扰动的扰动方程的稳定度时指出:扰动的特性受潜热释放分布的制约。当潜热释放在对流层上部大、中部弱时,有传播的重力波发展,结果对流层上部发生净加热,对流层中部发生冷却,结果与Mathur的结果相近。

螺旋雨带是什么意思 螺旋雨带气候特征

暴雨

螺旋雨带气候特征

螺旋雨带是台风有别于温带气旋的主要特征之一。同时又与台风的主要灾害之一——暴雨紧密关联。所以螺旋雨带的形成和维持的机理以及它与台风强度和路径等的关系都是台风研究中受到关注的科学问题。因为螺旋雨带存在一些类似于重力惯性波的特征。

螺旋雨带的水汽主要来自1km以下,而且来自外侧的空气具有明显的对流性不稳定, 它为螺旋雨带的发展提供了不稳定能量;而螺旋雨带内侧的空气属于中性层结,说明不稳定能量已经释放。 螺旋雨带外侧辐合气流中气压梯度力使气流加速在螺旋雨带的外侧形成中尺度强风带。

在9~13 km高空范围内,冰晶的非均质核化非常活跃,冰晶转化率高于台风眼壁暴雨数倍,但是冰晶通过贝吉龙过程生长为雪、雪通过凝华增长生长为霰的过程相对台风眼壁很弱,螺旋雨带雨水形成微物理机制以霰粒子融化成雨水(pgmlt)为主,冰相粒子转化率大值区位于垂直上升气流大值区,8 km高度霰收集雪(dgacs)干增长是最主要的冰相粒子生长过程,与北方层状云比较,螺旋雨带暴雨冷云中的凝华过程和撞冻过程非常活跃。螺旋雨带云水凝结过程呈双峰型,位于7~8 km高度冷云区的云水凝结峰值较大,暖云区0.5~1.5 km高度云水凝结峰值次之。

螺旋雨带内部强回波区的低层有强辐合区,最大辐合超过-15×10-4 s-1;雨带的高层以辐散气流为主。雨带内部上升和下沉气流共存,最大上升气流为4 m/s,最大下沉气流超过-1 m/s。在沿着风暴中心的垂直剖面内,螺旋雨带外侧低层有较强的内流,气流从雨带外侧低层进入,最强内流位于1 km高度以下;雨带内侧有明显的外流。两支气流在雨带强回波区辐合,水汽在此处辐合抬升;这种动力结构对于强降水的维持具有重要作用。切向速度呈逆时针旋转,最大速度在3 km高度层,速度值随高度的增加逐渐减小。

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