Powell, M. D., 1990a: Boundary layer structure and dynamics in outer hurricane rainbands. Part I: Mesoscale rainfall and kinematic structure. Mon. Wea. Rev., 118, 891-917. 報告：陳心穎
1.背景與目的 HPBL (hurricane planetary boundary layer)是暴風得以維持及發展的要件。HPBL定義為初始是由下地表的風切所產生的持續擾動。 一般飛行觀測只侷限於飛行高度1500公尺以上，很少低於500公尺。通常HPBL資料只有一層，除了一些多層HPBL實驗外，如Moss and Merceret1979; Moss 1978。 此研究的目的在於增進大家對於HPBL結構及它與雲帶及對流的交互作用。 1.HPBL 3D概念架構(包含眼強附近的風、溫度、溼度氣象場) 2.中尺度及對流尺度的影響 3.延伸至影響雲下層(subcloud layer)藕合上層對流區 4.暴風邊界層的動力腳色(包括他對雨帶及暴風強度的發展及維持)
早期飛行觀測研究只穿越雨帶一層高度，在HPBL上方，而且缺乏高品質的雷達及溼度觀測資料。
2.使用儀器、採樣及研究區域 此篇研究，使用NOAA機載遙感儀器，飛行資料系統是慣性導航系統(INE)，提供準確位置、加速度、狀態等飛行必須資訊以及取得風速。 雨帶降水結構由機底(LF)(水平面)與機尾(TA)(垂直面)雷達觀測(60~90KM)。 另外還有一組是機載都普勒雷達(20km*20km)，測得10分鐘的雨帶風速。 Stepped-descent crossband
颶風Josephine形成於巴哈馬群島東方1984年10月10日。 綜觀環境及實驗年表 颶風Josephine形成於巴哈馬群島東方1984年10月10日。 HPBL實驗時間1030~1230UTC，此時Josephine颶風以7m/s速度向北北東 移動至福羅里達-喬治亞港東方600km處。 飛行高度測得最大的風速為50m/s。 最小海平面中心氣壓970mb(由飛行高度推估)。 海平面溫度23~24.5℃ 研究的雨帶位於暴風中心東北方225公里處(箭頭所指) 實施4個穿越雨帶(crossband)及 2個步降(stepped-descent)實驗
綜觀環境及實驗年表 HPBL實驗時間13日1500~2000UTC，此時Earl颶風以5m/s速度在百慕達西南方1000公里處轉向北北東。 最小海平面中心氣壓983mb(由飛行高度推估)。 當南北方同時完成穿越雨帶實驗 北方飛行實施2個步降於雨帶外側 南方則實施都卜勒北向北方穿越雨帶實驗區 1430-1638 1545-1638 研究的雨帶位於暴風中心東南東方230公里處(箭頭所指)
3.中尺度雨帶降水結構─雨帶位置及移動的判別 利用Stationary Band Complex (SBC, Willoughby et al. 1984)模式去套配主要雨帶 根據Willoughby et al. 1984， SBC的主要雨帶Rossby number等於1，透過暴風移動時分離內部慣性穩定暴風中心與外部環境 在Josephine與Earl颶風雨帶都位於離暴風中心230KM，Rossby number分別是1.8及1.4。 雨帶邊界定義為穿越雨帶之機尾雷達掃垂直面，25dBZ線。也用機底雷達確認30dBZ線。 雨帶軸定義為兩邊界的中心點 雨帶以5-8m/s東移 雨帶軸維持離暴風中心225km
中尺度降雨結構與胞移動 胞與胞間皆有層狀降雨連接 Josephine Earl 有細長狀層狀降水在胞外側 有11胞估計平均移速19m/s 胞間較為分離， 有長達12公里較低回波分離胞與胞間 有37個胞估計平均移速17.6m/s
Inflow 2km以下 inflow 3km以下 胞的移動速度只有低層(0.2-6km)雨帶80%(Josephine)、90%(Earl)
垂直面 Josephine 一些研究指出雨帶隨高度會傾向上風處 由於雨帶低層移速大於上層移速，但在此2個颱風觀測上沒有明顯傾斜。 8.5km Earl >3km mamatus 飛機觀測平行於雨帶inner side 8km
4.運動結構與動力- Hurricane Josephine 垂直剖面圖 diver. max conv. downward max. upward max. min. max. max. min. max. inflow
500m平面圖 max. max.
div. conv. downward
在4次穿越雨帶中，有觀測19上下衝流 其中13個(68%)上衝流 6個(32%)下衝流 當下衝流在雨帶inside10公里處， 上衝流頂點在雨帶軸 雖然在橫越雨帶採樣中有一些強勁的下衝流(-7m/s)，但沒有明顯大尺度(10km)下衝流 由圖9與圖10(500m平面) 顯示，在沿雨帶(alongband)方向的資料是非常相似。
Hurricane Earl 飛行觀測時間由1638-1721(50分鐘) 穿透1350m、770m、450m、260m和150m。雖然Y型雲帶形狀與特性的維持時間長達0.5-1.5小時 (根據颶風研究指出小雨胞生命期6-10分鐘面積約10-100平方公里 中尺度雲帶生命期則為45-90分鐘面積約100-1000平方公里。) 地面觀測雷達顯示，雨胞會在上風處生成隨著移向下風處成長且增強。 mamatus 7-10km 10km
inflow fig12b fig12e
颶風Josephine 與颶風Earl有共通的結構特徵 有很強的氣旋式風切橫越雨帶(雨帶軸外圍有風速極大值，風速極小值在軸內側) 垂直向上風速極大值與輻合極大值在軸內側. D值極小值在雨帶軸 在14次穿越雨帶中，有觀測38上下衝流 其中23個(60%)上衝流 15個(40%)下衝流 上下衝流的比例與Josephine(68%，32%)很接近。
飛機航行位置 O指HPBL在雨帶軸外側(outer side)40公里以外。 I1指在雨帶內側15-20公里。 I2指雨帶軸內側(inner side)30-40公里離暴風中心最近~180km。
雨帶動力與降水的概念模式
很多研究中觀測出雲帶的氣壓極小值，但是對於此位置回波特徵卻不清楚。 擾動氣壓極小值在Earl 與Josephine18個穿越雨帶實驗中有17個可以清楚的定義出。 其中9個位於上衝流外側，2個在內側，1個是同時發生，其餘6個是由於D值擾動場平滑或沒有明顯的上衝流無法定義其位置。 由圖中，可以看出D值極小值位置與上衝流核心及雨帶邊緣有相關。 在Jorgensen et al 1985指出在1500m層的上衝流強度為颶風上衝流的10%，風速極值4.6m/s，直徑3km。在Earl 與Josephine 6次1500m層穿越雨帶實驗中，5次的風速極值>8m/s，直徑2-4km。較為強勁。 推測是由於氣壓擾動場及其影響的水平流場。
a.氣壓場的靜力強迫 其中在BZJM與LeMone發現在150m有明顯弱高壓區，位置幾乎是在雨帶中尺度低壓(由冷飽和下衝流行成)正下方。 在Earl雨帶150m與260m有明顯中尺度高壓(與下衝流相關) 但是在颶風Josephine與(Barnes and Stossmeister 1986)Irene的150m穿越雨帶實驗都沒有此現象。 b.氣壓場的動力強迫 根據Rotunno and Klemo 1982，擾動氣壓極小值與上衝流水平風的垂直風切關係 此關係式算出在上衝流逆風切處會有氣壓擾動極大值，順風切處會有極小值。可以解釋為何上衝流軸與擾動氣壓最小值會分開。
c. 氣壓加速度影響在穿越雨帶向風場 橫越雨帶風通常在經過雨帶軸會加速(氣壓梯度力強迫)通過或環繞豪雨(有時會與下衝流混合衝向地面)，軸西側則會因擾動氣壓場而減速。 d. 渦度生成影響在沿雨帶向風場
總結 颶風Josephine與Earl在中尺度降雨及運動結構有許多特徵呈現颶風外圍經典的健全組織對流雨帶 1.雨帶寬15-20km(用25bBZ等值線)，由個別雨胞強回波生命期15-30分鐘(發展、成熟到消散)所組成。雨帶軸與水平風的垂直風切垂直。雨胞位置先坐落於雨帶軸逆風處，在沿著雨帶軸移動。雨胞的強回波高度~7-9km且層狀回波延伸到軸外側20km遠。 2.穿越雨帶150-1650m觀測在雨帶軸內側對流尺度的上衝流比例60%，下衝流40%。此與BZJM中颶風Floyd(1981)同。中尺度穿越雨帶之上衝流軸在雨帶軸內側，擾動D值極小值在軸上。相對雨帶風場有很強的氣旋式水平風切橫越雨帶，雨帶外側有橫越雨帶及沿雨帶方向的風速極大值，內側有極小值。最大幅合接近上衝流軸，最大渦度在上衝軸與雨帶軸之間。幅散則是延伸到離軸20km的下沉區。 3. 極小值的位置與上衝流軸呼應。其相關位置可以用Rotunno and Klemp (1982)論證解釋，也就是上衝流軸上的風切與垂直風速梯度交互作用。穿越雨帶氣壓梯度力強迫可以解釋(穿越雨帶向)風速極大值。HPBL的相對渦度產生在雨帶軸，(橫越雨帶向)水平渦度管向上傾斜。此證明當氣旋式風切橫越雨帶增強，(沿雨帶向)風速極小值在雨帶軸內側，極大值在外側。