[论文解读] Supercell low-level mesocyclones: Origins of inflow and vorticity

Brice E. Coffer, Matthew Parker+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2022

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 133被引用 12

一句话总结

本研究利用高分辨率超级单体模拟，表明低层中气旋的旋转主要源自近地面环境气流的顺流方向涡度，而非前侧雨区中风暴自身产生的涡度。供给中气旋的流入气流主要来自未受扰动的近地面环境（最低200–400米范围内），这解释了为何环境风暴相对螺旋度在最低几百度米范围内成为龙卷风生成的强有力预测因子。

ABSTRACT

The development of low-level mesocyclones in supercell thunderstorms has often been explained via the development of storm-generated streamwise vorticity along a baroclinic gradient in the forward flank of supercells. However, the ambient streamwise vorticity of the environment (often quantified via storm-relative helicity), especially near the ground, is particularly skillful at discriminating between nontornadic and tornadic supercells. This study investigates whether the origins of the inflow air into supercell low-level mesocyclones, both horizontally and vertically, can help explain the dynamical role of environmental versus storm-generated vorticity in the development of low-level mesocyclone rotation. Simulations of supercells, initialized with wind profiles common to supercell environments observed in nature, show that the air bound for the low-level mesocyclone primarily originates from the undisturbed, ambient environment, rather than from along the forward flank, and from very close to the ground, often in the lowest 200 - 400 m of the atmosphere. Given that the near-ground environmental air comprises the bulk of the inflow into low-level mesocyclones, this likely explains the forecast skill of environmental streamwise vorticity in the lowest few hundred meters of the atmosphere. The low-level mesocyclone does not appear to require much augmentation from the development of additional horizontal vorticity in the forward flank. Instead, the dominant contributor to vertical vorticity within the low-level mesocyclone is from the environmental horizontal vorticity. This study hopefully clarifies the development of low-level mesocyclones in supercells.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于低层中气旋旋转是否源自环境涡度或风暴生成涡度的模糊问题。
• 研究超级单体低层中气旋流入气流的来源，特别是其水平和垂直来源。
• 阐明环境涡度与风暴生成涡度在中气旋发展中的动力作用。
• 检验低层环境螺旋度在预测龙卷风生成方面具有预报能力的原因是否源于其对流入气流和涡度的直接贡献。
• 评估前侧雨区中风暴生成的涡度是否显著增强中气旋旋转，或仅起次要作用。

提出的方法

• 使用代表真实超级单体环境的理想化风廓线，通过CM1模型开展高分辨率、云分辨的超级单体模拟。
• 追踪流入低层中气旋的气块的反向轨迹，以确定其在空间和高度上的起源。
• 量化环境与风暴生成的顺流方向涡度对中气旋内垂直涡度的贡献。
• 使用风暴相对螺旋度（SRH）作为评估环境涡度的指标，特别关注地面以上0–1公里范围内的螺旋度。
• 分析垂直与水平涡度收支，以隔离低层中气旋中涡度的主要来源。
• 通过改变热力学与风切变廓线的模拟，评估流入与涡度来源的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 流入低层中气旋的空气主要源自环境还是风暴的前侧雨区？
• RQ2 低层中气旋内的垂直涡度在多大程度上源自环境顺流方向涡度，而非风暴内部生成的涡度？
• RQ3 为何低层环境顺流方向涡度是龙卷风生成的强有力预测因子？这与流入与涡度来源有何关联？
• RQ4 风暴前侧雨区生成的涡度是否显著贡献于中气旋的增强，还是仅起次要作用？
• RQ5 是否存在一个环境涡度阈值，超过该阈值后，风暴生成的涡度对龙卷风生成的必要性降低？

主要发现

• 流入低层中气旋的绝大部分空气源自未受扰动的环境，而非风暴的前侧雨区。
• 流入气流主要来自地面以上200–400米高度范围，表明近地面环境条件至关重要。
• 低层几百度米范围内的环境顺流方向涡度是低层中气旋内垂直涡度的主要来源。
• 前侧雨区中风暴生成的涡度对中气旋旋转的贡献微乎其微，挑战了既往认为其作用重大的假设。
• 低层环境螺旋度在预测龙卷风生成方面具有预报能力，其原因可直接归因于其向近地面富含涡度的流入气流提供支持。
• 本研究表明，环境顺流方向涡度为低层中气旋设定了一个基础强度下限，而风暴生成的涡度在低螺旋度环境中仅起补充作用。