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【闲聊娱乐】简述Scholemer-Holland模型

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萌新初开帖,希望各位大佬多多包涵


IP属地:浙江来自Android客户端1楼2022-01-24 16:04回复
    我们先谈谈Holland在其中的观点【翻译(bushi】


    IP属地:浙江来自Android客户端2楼2022-01-24 16:05
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      前言:台风的风速与气压是评价台风的强度的重要标准之二。20世纪70年代美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的Dvorak在多年预报经验及气象侦察飞机观测资料的基础上,建立了一种基于当时可见光(VIS)和红外(IR)云图的台风云型特征与台风强度的统计关系,并逐渐发展出一套基于卫星图像台风云型特征的台风强度估计技术,称为“Dvroak技术”或“德沃夏克分析法”,并于1984年为世界气象组织(WMO)所使用。但由于此种技术是在假定台风在特定阶段内的对应关系及统计中建立的,并不能涵盖所有台风的特点,故在一些操作,如小尺度台风中低估其强度,笔者这里不再一一举例。本次介绍的吗Scholemer-Holland模型,是在有气象实测的基础上提出的,相较于德沃夏克分析法(以下简称“德法”)的纯卫星云图分析可能会有更强的说服力与准确性,但误差也同时存在,下面会有具体说明。接下来笔者准备与大家共同讨论此模型中的一方面,由于笔者较为萌新,故错误也难免会出现,望诸位看到后指出,谢谢!


      IP属地:浙江来自Android客户端3楼2022-01-24 16:06
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        1.
        模型前的说明
        1979年至1980年,澳大利亚气象局(Bureau of Meteorology,BoM)科学与环境部(Department of Science and Environment)人员格雷格(Greg.J.Holland)提出了模型,该模型包含飓风的中心海平面气压与风的径向廓线,设定两个参数,可根据飓风观测经验估算。同时该模型被有力地运用到业务中,是较有价值的辅助定强工具。分析飓风通常考虑海平面气压与风廓线分析模型,但此分析法可以在两者范围内进行插值处理,使估计范围扩大至两者,从而更客观的估计台风中心强度与海平面气压的关系,通过对朗肯涡旋(Rankine vortex)和施洛埃默的负指数关系(Scholemer's negative exponential relation)的修正与扩展,建立了一个通用模型。通过对三次澳大利亚飓风的应用,描述和说明了该模式的一些用途和局限性。首先,简要讨论了利用气候参数建立标准模式的过程。该标准模式优于修正的朗肯涡和施洛埃默关系。


        IP属地:浙江来自Android客户端4楼2022-01-24 16:06
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          建立模型
          Greg首先对不同类型的飓风剖面进行参数归一化,目的为消除不同台风的中心气压与背景气压对台风产生的变化,得到如下公式:(P-Pc)/(Pn-Pc),我们把此公式定义为“公式1”此公式中,P表示气象站与台风中心的距离,Pc表示台风中心气压,Pn表示台风背景气压,但在实践中,Greg使用了第一个反气旋弯曲等压线的值。参照许多飓风的剖面图轮廓,类似于一系列矩形双曲线,Greg把他们近似于如下公式:rBln[(Pn-Pc)/(Pe-Pc)=A,我们此公式定义为(公式2)其中,A与B表示缩放参数,取反对数与重新排列后,得到公式:P=Pc+(Pn-Pc)exp(-A/rB)(公式3),Greg在此基础上加入了梯度风方程:Vg=[AB(Pn-Pc)exp(-A/rB)/ρrB+r2f2/4]1/2-rf/2(公式4),在此方程中,Vg表示半径r处的梯度风,f为科里奥利参数,ρ为空气密度(假设常数为1.15kg/m-3),在最大风区,科里奥利力与压力梯度和离心力相比较小,空气处于循环平衡状态。可以转化为如下公式:Vc=[AB(Pn-Pc)exp(-A/rB)/ρrB]1/2(公式5)因此,通过设置dv/dr=0,最大风半径(RMW)为Rt0=A1/B(公式6),RMW独立于环境压力和中心压力的相对值,如预期的那样,完全由缩放参数A和B定义。将(6)替换回(5)给出最大风速:Vm=C(Pn-Pc)(公式7),此式中,C=(B/ρe)1/2(公式8),e表示自然对数的底数。Greg提到,C值广泛用于估算飓风近中心最大风速,但此处的强度与RMW无关,值得注意到反倒是通过参数B看到的气压剖面形状的信息。结合公式6,公式7和公式8可见,在物理上,B定义轮廓的形状,A确定其相对于原点的位置。对于特定轮廓形状,A在RMW上提供径向缩放。由此可见,Scholemer-Holland模型可用梯度风推估台风近中心最大风速。
          接下来的部分,Greg表示,对于恒定的压降,使用(7)和(8),最大风速与B的平方根成比例,与RMW无关。这是因为增加B会改变压力分布的形状,从而使更多的压降集中在RMW附近。下图会给出了说明,(注意,RMW保持不变,因此A也会变化)。当B从零开始增加时,风眼扩张,压降集中在RMW附近(梯度显著增加),风场调整以在RMW附近产生更强的风,在更大半径处产生较弱的风。


          IP属地:浙江来自Android客户端5楼2022-01-24 16:07
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            IP属地:浙江来自Android客户端6楼2022-01-24 16:08
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              从图2a中注意到,对于较小的B值,最大压力梯度与RMW很好地分离。二者不能重合(因为梯度或环流风依赖于半径和压力梯度),但是这样大的分离似乎不现实,应该给B一个下限。从(3)中,最大压力梯度(Rp)的半径是:Rp=[AB/(B+1)]1/B(公式9),使用公式6可推出下列公式:Rp/Rw=[B/(B+1)]1/B(公式10),Rp/Rw随B的变化如图3所示。对许多飓风的研究表明,这些飓风的相对辐射强度和相对辐射强度的合理估计值基本一致,如果有的话,相对辐射强度小于相对辐射强度的一半的飓风很少。因此,B=1的下限似乎是合理的。Greg通过进一步的研究发现,增加B会增加最大风,并在较大处减少风,流入飓风的低层空气不会获得相对角动量,事实上,会由于表面摩擦消散失去角动量,所以根据相对角动量守恒,在B上会有上限,根据台风中心气压与背景气压,以及RMW来看,B的上限为3,但由于相对角动量守恒把气旋角动量减少,B值应下推至2.5左右。如果除去背景气压,则台风中心气压及风速的剖面会发生显著变化,且与这两者相关的参数亦会发生变化。Greg指出,如果有足够的实测,可以用此模型确定。以下用飓风Tracy,Joan,Kerry说明。


              IP属地:浙江来自Android客户端7楼2022-01-24 16:08
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                滋磁楼主


                IP属地:上海来自iPhone客户端9楼2022-01-24 16:09
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                  Tracy:环流小,强度强,于1977年12月24日-12月25日袭击了澳大利亚达尔文市,取950mb台风中心气压,背景气压为1004mb,RMW为7km。通过以2.5km的间隔将其误差降至最低。同时,当A=23,B=1.5时公式(3)可以获得最佳拟合,从公式4中提取出到风廓线与阵风包络线有着较好的近似关系,但RMW附近除外,由此可得出结论:平滑的气压廓线无法解决显著的峰值气压梯度。Neal估计,在RMW处,5.5 mb km-1的压力梯度维持在2 km以上,而模型方程只能解析4.2 mb km-1。



                  IP属地:浙江来自Android客户端10楼2022-01-24 16:10
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                    Joan: 1975年12月8日,飓风Joan横扫澳大利亚西北部海岸。在距德黑兰港西偏南50公里处,取930mb的台风中心气压与1004mb背景气压,当A=49.5,B=1.05时,从公式3中可以获得与Mundabullangana气压分布最佳拟合(此举假设热带气旋从陆上移动到Mundsbullangana时,中心气压只下降了5mb(filling of the 5mb)。但雷达上并未直接观测到RMW,但40km的计算值与到35km时的计算值没有较大区别。但观测到的风通过一定现象表明并不理想。


                    IP属地:浙江来自Android客户端11楼2022-01-24 16:12
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                      Kerry:Kerry美国国家气象局的“WP-3D猎户座”进行侦察的飓风,1979年2月22日,飞机在西南航段,沿平均540m处的高度飞行,假设到地面的移动速度恒定,取958mb的台风中心气压与1005hPa的背景气压,当A=225,B=1.4时,代入公式3,得到良好的近似值,然而由此产生的风廓线明显低估了台风近中心最大风速,其原因是在观测风场中一个较大的超梯度分量引起的,只有将模型直接用在风场中,才能适应超梯度风。总之在飓风观测中,气压的观测误差通常更小些,与直接使用风力估测相比,对气压参数进行拟合后再进行推估或许更好些。这种方法会低估峰值风,因为超梯度风和急剧的气压会无法得到解决,因此如果有高质量的实测,应考虑实测优先。上述描述都是在飓风单象限内的观测结果,如果总的起来,还要考虑移动等等因素。



                      IP属地:浙江来自Android客户端13楼2022-01-24 16:14
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                        3.总结
                        作为Schloemer(1954)提出的关系的推广,提出了飓风中海平面气压和风的径向剖面的分析模型。该模型已应用于三个澳大利亚飓风和九个佛罗里达飓风,并准确地再现了这些飓风的剖面,具有两个条件。如果将其应用于压力观测,则可能无法解决小距离上的非常强的压力梯度,而且超梯度风不能被广泛使用,这将导致对最大风速的低估。将模型应用于风观测将缓解这一问题,但前提是风观测是可靠的。物理推理表明,指示气压或风廓线形状的参数B应介于1和2.5之间。这一点得到了气候学讨论的支持,该讨论将B限制在1.5和2.5之间。从气候学角度得出的剖面图的一个重要结果是,它们的形状随着中心气压的降低而不断变化。随着中心气压的降低,风廓线变得更加“尖峰”,RMW处的风成比例增加,破坏性风的范围减小。这可以通过RMW处压降(来自环境)的增加、更强的超梯度风分量或这些效应的组合来解释。


                        IP属地:浙江来自Android客户端14楼2022-01-24 16:14
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                          Scholemer的观点将于笔者整理几天后更新,不知大家是否有耐心


                          IP属地:浙江来自Android客户端15楼2022-01-24 16:15
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                            我不配当萌新了……


                            IP属地:辽宁来自Android客户端16楼2022-01-24 16:18
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                              我们还需继续学习,字词楼主。
                              另外,风吧装萌新成风,这是什么风气?!


                              IP属地:广东来自Android客户端18楼2022-01-24 16:45
                              收起回复