垂直风切变如何影响热带气旋强度变化综述

李维·撒切尔和朴朝霞

美国犹他大学

1.介绍

在过去的30年里，由于各种(但有些令人费解的)原因，热带气旋(TC)强度预报并没有达到接近TC轨迹预报的改进水平。尽管在整个20世纪，人们对tc进行了深入的研究，但令人惊讶的是，对于这些风暴如何与其环境相互作用，特别是核心结构的变化，人们的定量知识很少(Frank & Ritchie, 1999)。Rogers等人(2006)指出，缺乏TC强度数值预测技能的部分原因是对TC的物理特性及其与环境相互作用的方式了解不足。事实上，TC结构和强度变化受到大量复杂物理过程的影响，这些物理过程控制着内核结构以及风暴与底层海洋和大气环境之间的相互作用(Wang & Wu, 2004)。在引用的其他问题中，粗糙的参数化，处理多尺度相互作用的困难，以及在数据覆盖稀疏的地区初始化模型所涉及的不确定性已经得到了大量的关注。

为了预测TC强度，一个重要的问题是如何首先准确预测TC强度最大电位强度(MPI)。尽管已经提出了各种预测风暴MPI的方法，但NWP社区在现实地预测TC强度方面的失败主要在于存在各种无法解释的过程，使TC无法达到其理论MPI。虽然涉及的机制多种多样，但基本上有两种已被确定为对TC强化影响最大:1)内部动力和2)来自环境流的外部强迫。在这两个标题下面是大多数与TC强度相关的主题:垂直风切变-诱导的核心区域的不对称、眼壁区域下海洋上涌导致的海面冷却、内外雨带的作用、涡罗斯比波(VRWs)、嵌入的中涡和眼壁循环。热带气旋通常无法达到其理论MPI，因为著名的MPI计算使用了TC轴对称的基本假设(Camp & Montgomery, 2001)，而TC结构很少对称，即使在成熟风暴中也是如此。虽然切向风场和其他TC特征是轴对称的，但许多重要特征，如VRWs、眼壁循环、降雨、对流、径向风和外部雨带，往往是影响TC强度变化的高度不对称属性;因此，几乎所有tc都未能达到其MPI也就不足为奇了。

风暴不对称对TC强度的影响一直是争论的主题，似乎这种关系是TC强度变化问题的基础。在影响TC强度的许多不对称相关主题中，环境垂直风切变是TC强度文献中最突出的争议之一，可能部分原因是它与风暴不对称的明显关系。然而，这肯定不是唯一的原因，因为切变对TC增强的影响背后的基本物理机制仍然不清楚。由于剪切-强化关系的突出性和仍然存在的问题，但尽管与TC不对称-强化问题有关的许多其他问题，这是我们将在本章持续时间内讨论的领域。首先，概述了早期讨论剪切对TC强度影响的工作。接下来将描述已经提出的两个最突出的理论:首先是德玛利亚(1996)的中层变暖假说，然后是格雷(1968)和弗兰克和里奇(2001)的排气假说。然后，对最近的研究进行了展望，最后，将得出一些结论。

2.早期的工作

虽然现在普遍认为中等垂直风切变对TC增强的影响相当微妙，但早期文献更多地关注它们对TC增强的总体影响，而对其关系的性质没有太多争论;然而，目前讨论的种子很早就种下了。尽管对大部分海洋缺乏适当的大气观测，但到20世纪50年代，科学界已经对TC的形成得出了一些一般性的结论。除了需要高于26°C和纬度大于5至8°的sst外，还确定了高水平的垂直风切变不利于TC增强(Ramage, 1959)。在他关于热带盆地tc频率的论文中，Ramage继续描述了中国海上tc的缺乏，孟加拉湾和阿拉伯海是由于与夏季风环流相关的垂直切变。

直到20世纪60年代，人们对与TC形成相关的一般环境流动特征和动力过程仍缺乏共识(Gray, 1968)。Gray利用最近获得的海洋高空数据发表了一篇开创性的论文(Gray, 1968)，该论文不仅对TC形成的大气条件进行了实质性的讨论，而且还标志着“排气”假说(核心水分和能量从TC核心顶部流出)的开始，解释了垂直切变抑制TC生长的方法。

在全球范围内，该研究研究了300多个TC发展案例，分析了公认的TC盆地的普遍环境特征，并一致发现了气候垂直切变最小值区域与频繁风暴形成区域之间的强烈关联。Gray将数据按月份进行压缩，发现这种关系在时间上和空间上都很适用。在解释这些结果时，他说，大水平的垂直切变产生了相当大的热量通风，使其远离发展中的扰动。从TC核的角度来看，冷凝释放热量通过对流，上层对流层相对于低层中心的方向是不同的。他指出，这种不对称对TC的生长是致命的，因为它使得整个对流层的热量集中非常困难(Gray, 1968)。Tuleya和Kurihara(1981)的发现与Gray(1968)和整个社区的发现截然相反，他们发现小的(非零的)垂直切变水平，或中度的东切变，有利于TC的发展。他们使用11级原始方程模型进行了研究，其中简单的环境流叠加在一个类似于湍流的浅扰动上东风波．他们解释说，这些结果既形成了一个相对温暖的地区，在高层，和显著水分收敛在较低水平，是TC生长所必需的。如果这两个事件在垂直方向上强烈耦合，那么两者之间可能会发生强化反馈。他们发现了这个表面东风都有利于TC的发展，因为它们促进了上下层间的强耦合作用。虽然随后的研究没有过多提及偏东切变对TC的好处，但这项早期研究值得注意的是，它强调了上下层耦合对强度变化力学的重要性。后来，这个相同的主题引起了许多人的注意，因为他们努力解释了尽管受到垂直剪切的影响，tc仍然经常保持这种耦合的背后过程。

随着人们对TC最大势能强度的兴趣不断增加，Merrill(1988)开始确定剪切在阻止TC达到这一理论上限中的作用。为此，他使用了国家飓风中心(NHC)的综合对流层高空观测数据，这些数据来自探空仪、卫星和商用飞机，以研究TC环境在发展和非发展风暴方面的差异。他的研究包括来自大西洋盆地的28个飓风，这些飓风根据以下因素被分开:1)24小时内的强度变化;2)风暴与最大潜在强度(或效率)的接近程度;3)风暴附近相应的气候sst。考虑到垂直切变是使某些风暴远低于其MPI的主要因素，Merrill分析了这些风暴的数据，并得出结论，正如预期的那样，垂直切变对增强的飓风较低;有趣的是，他发现在半径为1000公里或更大的地方尤其如此。

在充分确定切变对TC增强的不利影响后，后续研究转向相互作用背后的机制。这些研究采取了多种形式，包括诸如剪切对TC运动的影响等主题(Shapiro, 1992;Flatau等人，1994;Wang & Holland, 1996)，剪切对对流分布的影响(Corbosiero & Molinari, 2002;罗杰斯等人，2003年;Chen et al.， 2006)，研究了具有一定特征(即具有一定强度、水平范围或纬度)的TC如何能够更好地抵抗剪切，以及TC如何在不利环境条件下保持其旋涡几乎垂直(Jones, 1995;DeMaria, 1996)。

由于不同的研究结果，许多研究人员在20世纪90年代调查了垂直切变影响风暴运动的方式，相对于通常的环境转向流。Flatau等人(1994)熟练地以Gryanik和Tevs(1989)的观测为基础进行研究，在考虑低层气旋中心和高层气旋中心的位移时反气旋相对于另一个，低层涡和高层涡可以被认为是相互作用的方式类似于相互作用的二维涡在水平平面上。Flatau et al.(1994)利用其半谱原始方程模型模拟斜压涡旋的运动，发现在西风线性切变中模拟的TC涡旋向北移动，而在东风切变中模拟的TC涡旋向南传播。这些结果与Shapiro(1992)的结果形成对比，Shapiro在使用可压缩流体的三层多层模型进行类似试验时，发现西风剪切环境流向南传播。Flatau et al.(1994)将这些差异归结为:1)传播方向取决于上下PV异常彼此相对的位置;2)两篇论文风廓线的差异;3)背景势涡度梯度的影响。虽然这些细节似乎与TC强化的讨论无关，但Flatau等人和Shapiro得出他们特定结论的原因预示了后来的研究人员解释TC用来应对垂直剪切和倾斜涡的方法。首先，Flatau等人的运动解释依赖于涡旋上下层之间的相对运动和相互作用。在西风垂直切变作用下，高层反气旋向低层反气旋以东推进。气旋-反气旋对北移的原因是低层PV异常(TC中心常用的描述方式)平流向高层负PV异常，反之亦然。 Despite the contradicting results, Shapiro (1992) and Flatau et al.'s (1994) work both involved TC propagation as caused by a similar interaction between TC layers and the same horizontal transport of potential vorticity. Using a 5-layer primitive equation model on both an f-plane and P-plane, Wang and Holland (1996) also found that under most circumstances the surface vortex was advected to the left of the vertical shear. They too noted that the leftward or rightward enhancement of propagation relative to the vertical shear depended on the relative magnitude of the different motion tendencies. The fact that all three of these motion studies (Shapiro, 1992; Flatau et al., 1994; Wang & Holland, 1996) relied all or partially on the interaction of the upper and lower PV anomalies as a means to explain TC movement lent credence to the importance of vortex tilt and the myriad consequences and complications that arose from this phenomena. The interesting part of the Wang and Holland (1996) paper is the fact that they started to attribute a significant amount of倾斜-将耦合(特别是强涡和大涡)减少到上低层气旋的相对位置，而不是低层气旋和高层反气旋，就像以前大多数研究在试图解释剪切影响TC结构的方式时所做的那样。

目前大部分的讨论都围绕着TC核心的气旋部分倾斜的行为和特征。由于垂直剪切导致了PV的差动平流，这种倾斜可以变得非常明显，并且经常被用作垂直剪切对TC核心的整体影响的代理。倾斜往往是分析的有效方法shear-intensity这不仅是因为它在TC核心动力学中的核心作用，而且因为它无处不在。例如，Huntley和Diercks(1981)在观察500 hpa和700hPa水平的TC核心之间的差异时指出，在1979年西太平洋台风季节，23个命名的TC中有11个有倾斜超过100公里的证据。此外，他们还指出，倾斜延伸到了更高的水平，而且，倾斜与垂直切变的大小和方向高度相关，这为后来的许多研究埋下了伏笔。

尽管与当时其他杰出的研究有相似之处，但Flatau等人(1994)特别指出了涡层耦合方面的前进方向，他们证明了高PV空气在中心向上平流和低PV空气在大半径向下平流的非绝热加热在一定程度上减轻了涡的倾斜。与Wang和Li(1992)一样，Flatau等人(1994)认为这是使涡旋保持垂直耦合的主要方法，尽管他们没有讨论涡旋是如何垂直耦合的垂直循环有助于这种耦合(Jones, 1995)。这种耦合是解释剪切如何影响TC增强的核心，因为它似乎是垂直剪切(以及一般的环境影响)与TC结构相互作用的主要方式之一。解释和确定这些垂直耦合机制对TC的不同大小、强度和位置的能力本质上决定了它们抵抗垂直剪切的能力，从而为我们提供了很好的理由，包括看似切线相关的TC运动讨论。

这一背景使我们能够讨论这种内部耦合发生的方式，以及它与持续水平的剪切性负面影响TC增强的方式之间的确切联系。虽然关于切变-强度关系的PV和de“vent”理论不太详尽，但重要的中层变暖理论确实需要一些背景知识。

3.中层变暖假说

如前所述，Wang和Holland (1996)提到只看气旋涡本身的倾斜，而不明确考虑高层反气旋和低层气旋位置的影响的重要性。到了20世纪90年代中期，这种分析剪切对TC强度影响的新方法变得相当普遍。文献现在更多地关注TC的气旋(现在忽略了反气旋)单独使用的应对机制来抵御垂直剪切，以及为什么这些应对机制经常因为某些TC特征而崩溃;这股切变的影响现在不可避免地与气旋涡旋的倾斜以及它的上下两层之间的相互作用联系在一起。

琼斯(1995)在一篇具有里程碑意义的论文中阐述了这种对剪切强度关系的精细思考方式。尽管当时在这一领域进行了大量的相关研究，但她的论文作为一个标准脱颖而出，为中等程度变暖假说奠定了基础。Jones(1995)的论文是基于她通过观察环境流动中初始正压涡的行为所做的研究。她的计算是在一个f平面上使用一个干燥的水静力原方程数值模型进行的。尽管她对TC涡进行了正压模拟，并研究了对抗垂直切变的动力和绝热机制，但她对这些现象的解释对于切变强度关系是如此重要，以至于后来的绝热描述，如中层变暖理论，在很大程度上都归功于她的研究。

总的来说，Jones的工作与Flatau等人(以及其他同时代人)的工作密切一致，因为她使用的是三维原始方程模型，其结果表明，环境流的垂直剪切导致了风暴潜在涡度的微分平流。然而，她的方法在当时是独一无二的，因为为了分离旋涡级别之间的垂直耦合机制，她在进行研究时没有包括非绝热过程，因为她认为TC剪切应对机制不依赖于热带气旋中固有的这些过程的存在。琼斯指定了剪切，这样就没有潜在的涡度梯度;因此，非绝热效应的缺失排除了高层反气旋的发展。部分由于这种技术，未来的研究人员几乎只关注气旋倾斜来解释剪切强度关系，而不考虑反气旋的复杂影响。

Jones(1995)对垂直耦合机制的兴趣是在指定a时引起的向西流当表面4m/s的风在模型顶部(10km处)下降到0时，她发现伴随涡旋的垂直倾斜比简单的平流和基本气流所暗示的要小得多。正如想象的那样，低层涡旋首先被转移到高层涡旋的东部。经过调查，她发现地表中心的后续运动具有向北的成分，而上层中心的运动具有向南的成分。这导致了这样一个事实，当5公里高度的中心几乎正向东移动时，上层和下层的中心围绕它旋转。24小时后，这导致低水平涡旋位于高水平涡旋的西部，其倾斜与垂直切变方向的预期相反。

TC对垂直切变的这种响应可以通过首先将初始气流视为由两个相同的位涡度异常组成来解释，这两个异常由一个上部异常和一个下部异常组成，它们最初在垂直方向上排列，并且处于上述风区之下。由于剪切作用，低层异常向东偏移，上层异常保持原有位置。上层异常的向下投影给出了一个气旋环流在表面;由于下部异常向东偏移，因此由于上部异常的影响，它的中心有一个偏南的分量。这使得异常下部向北平流，直到连接两个异常中心的线不再位于东西方向;这导致向下的投影在低层异常上产生了偏东的风成分。因此，上面和下面的异常都继续以旋风的方式围绕彼此旋转。一旦这个气旋革命的结果在上下异常呈南北向排列的情况下，上层异常向下投影跨越下异常呈纯东向分量;因此，考虑到切变具有较低的西风气流，PV异常的这种特殊垂直方向是TC利用的一个重要应对机制，以抵消垂直风切变的影响。第二种相关的应对机制是在相互异常旋转将低层异常置于高层异常以西之后产生的。在这种情况下，由于倾斜向风，环境切变减少了涡旋倾斜，从而促进了TC结构的稳定。当然，这些影响可以逆转，也正在逆转。当低层异常位于高层以南时，向下的投影不再对抗切变，从而不再促进涡旋排列;同样，当低层异常位于高层异常以东时，垂直切变加剧了垂直涡旋倾斜。

与本文中心主题更直接相关的是Jones(1995)对剪切环境流影响所导致的垂直环流的讨论。基本上，垂直环流的发展可以与平衡的维持联系在一起。一旦垂直环流使PV异常倾斜，就需要进行热调节来平衡流动;这是由冷却的下切变和升温的上切变组成的。这种冷却的向下切变提高了那里的等熵，后来导致绝热垂直运动，因为包裹在TC中心周围切线移动时，随着等熵向上通过风暴的向下切变部分。

由于在她的模型中不存在可以产生热异常的非绝热过程，Jones(1995)得出结论，这些偏离初始势温场的现象只能由于大气平流而产生环境温度场由旋涡流动。在分析了她的正压气旋模拟后，她指出，在气旋旋转-上下pv -异常机制之后，这些垂直运动是她认为TC在显著剪切水平下保持垂直涡旋的第二个主要方式。由于强度的异常温度需要维持热的风平衡取决于垂直倾斜的大小，垂直速度的强弱也取决于倾斜的大小。当对涡旋的行为进行建模时，这些是非常可测量的参数，至少在绝热条件下，它们之间有明显的关系。分析这种关系的持久性将使研究人员能够确定TC的一般特征如何改变风暴承受垂直剪切的能力。

Jones(1995)讨论了TC绝热响应，Flatau等人(1994)研究了非绝热二次循环对TC抗剪切能力的重要性。他解释说，这表现在高PV空气从中心向下输送，低PV空气在更大的半径向下平流;然而，Jones(1995)指出，这并不能充分解释非绝热效应是如何导致涡旋耦合的。TC垂直环流对垂直切变响应的绝热分量和绝热分量在其与TC强度变化的关系中起着核心作用。DeMaria(1996)在一篇重要的论文中解释了这是怎么回事，他是关于垂直切变影响TC强度方式的中层变暖假说的主要作者。从本质上讲，他的理论来自于对剪切引起的PV倾斜后果的分析。如前所述，涡旋倾斜伴随着涡旋热结构的变化，因此质量场和风场保持准平衡。他的假设是，这些与倾斜有关的热结构变化影响了风暴中心附近的大气稳定性，从而影响了风暴强度。

从本质上讲，上、下PV异常的水平位移引起了热位移，使得下倾斜的相对温度较低，而在低水平PV异常(或上倾斜)的方向上温度较高。虽然这一点以前已经注意到(Jones, 1995)，但DeMaria(1996)敏锐地观察到低层涡中心附近的中层温度升高。他还观察到，与涡旋倾斜相关的相对温度变化不仅会导致低层中心附近对流的减少(因为变暖)，而且还会导致眼壁外对流的增加，这将进一步破坏风暴的对称性和环流。

为了验证他的假设，DeMaria(1996)使用了一个简单的两层正压模型，因为这被认为是可以说明垂直切变影响的最简单的情况。对于预测方程，他使用了两个水平动量方程和高度连续性方程。他还采用PV方法进行模型流分析。对于两层模型，这通常是一种有效的方法，因为在适当的边界条件下，可以通过PV分布确定整个流场，并且在质量和风场之间保持平衡。

正压方法，顾名思义，忽略了高层反气旋，可以相当准确地模拟强烈的风暴，因为这样的tc经常有延伸到对流层深处的气旋环流。由于这一事实，以及最近发表的研究，DeMaria(1996)决定专门关注两个模型层中的正PV异常。他做出这一决定的部分原因是夏皮罗和富兰克林(1995)在研究格洛里亚飓风时指出，在风暴中心半径150公里内有一个高PV值的核心，该核心延伸到至少200hPa。DeMaria(1996)和Jones(1995)的这项重要研究都使用了至少最初的正压涡旋来进行涡模拟，因此基本上忽略了高层反气旋，这表明了社区已经改变了对TC倾斜的思考方式。考虑到仅仅在十年前，广泛接受的观察TC对风暴倾斜响应的方法与高层反气旋和低层气旋之间的相互作用有关，这代表了在分析TC剪切-强度关系方面的一个显著变化。为了模拟TC倾斜对中层变暖的影响，DeMaria(1996)进行了几次实验，他将低层PV异常放置在域中心，上层异常向东偏移。利用0、20、40、60km的高空向东位移，他观察到低层涡中心附近的中层温度持续升高，以维持平衡。他发现，当上层PV异常偏移到低层涡中心以东60km(最大风速半径)时，中层最大温度异常增加了约3K。这种中等程度的变暖，如果在真实的TC中经历，将足以抑制对流，从而削弱TC强度。基本上，在水平位移60公里处，来自每一层的风的子午分量在相对于对面层中心-à-vis的位置上有其最大值。 DeMaria (1996) hypothesized that not only would the tilt-induced midlevel warming prove inhibitive of convection and TC intensification, but the increase in asymmetry due to the increased convection down-tilt of the storm's low-level axis of rotation also appeared to hinder coherent storm structure and intensification.

如前所述，对于纯向东的位移，PV异常中心的重叠风将越来越向子午方向发展;在DeMaria(1996)的工作中，这种最大的经向风(以及最大的PV异常相互作用)发生在位移为60km的位置。DeMaria(1996)与Jones(1995)的观点一致，解释了由此产生的上层和低层PV异常的气旋革命能够抵抗垂直风切变的影响。然后，他继续对来自大西洋盆地的所有命名的tc进行回归分析，以确定各种类型tc的剪切和增强之间的关系，其原因将在下面讨论。

虽然本章的主题是研究TC在垂直剪切中减弱的机制，但也有兴趣了解为什么这些过程偶尔会中断，就像在不利环境中可以加强的TC所看到的那样。这种兴趣主要表现在DeMaria阵营，因为各种环境参数对TC垂直耦合程度的影响，因此现在将其作为中层变暖假设的延伸进行讨论。

涡对垂直剪切的阻力是罗斯比穿透深度(D)的函数，这是一个衡量TC中垂直耦合量的指标。这个参数可以解释许多不同的因素如何影响涡旋的倾斜度和旋转速率。这些主要的影响包括科里奥利参数，漩涡的强度，静态稳定，涡的高度，涡的宽度。相应地，DeMaria(1996)在TC回归分析中，在分析剪切-强度关系的可预测性时，使用了TC纬度、强度和大小。他认为，当tc强度大且处于高纬度时，它们更能减轻切变的影响。就在前一年，Jones(1995)在模拟初始正压涡时，在f平面上使用她的干燥、原始方程模型进行了几次与穿透深度相关的测试。具体来说，她用她的模型来研究垂直穿透深度的大小是如何取决于科里奥利参数、涡流强度、静稳定性和水平长度尺度的。她发现较弱的涡旋(最大切向风为20m/s而不是30m/s)导致较慢的上层和低层相对旋转速率和更大的垂直倾斜。然而，值得注意的是她对为什么会发生这种情况的解释;尽管直觉上讲得通，但她对相关机制的描述尤其清晰。可见，在较弱的涡旋中，上层PV异常处的切向流动减少，向下投影造成的流动也较弱。这导致由于其他水平面的异常导致某一特定水平面平流减少(Jones, 1995)。 The weaker vortex cannot counter the shear because its upper-level and lower-level PV anomalies cannot revolve (cyclonically) sufficiently for the resulting tilt to counter the prevailing shear.

当她通过改变科里奥利参数进行类似的实验时，她发现通过增加纬度，从北纬12.5°到北纬20°，f面所在的纬度，涡旋的倾斜度显著降低，旋转速率更高。这是因为，在其他条件相同的情况下，科里奥利参数越高，等熵的倾斜度越强;由于TC对抗剪切的方法依赖于必须调整这些倾斜等熵的动力学和热力学过程，因此增加的旋转速率是可以预期的。Jones(1995)也进行了旋涡长度尺度和高度的类似实验，发现旋涡宽度越大，垂直倾角越小，旋转速率越大，而旋涡顶部越大，垂直倾角越大，旋转速率越小，垂直耦合明显会随着垂直尺度的增大而减小。

虽然Jones(1995)的模拟和DeMaria(1996)的六年案例研究证实了关于渗透深度影响的假设，但他们的工作确实更进一步，他们通过模型运行、多年分析和发展渗透深度方程来量化这些影响。Jones(1995)首次尝试用准地转理论定义侵彻深度，其中f为科里奥利参数，L为长度尺度，N为静稳定性。她用典型的比例尺计算出了930米的深度。她承认这是不合理的，很大程度上是因为tc经历了显著的地转垂直运动，然后她转向了Hoskins等人(1985)和Shapiro和Montgomery(1993)的工作，他们为轴对称涡的渗透深度制定了一种替代表达式，Z是涡度的垂直分量。注意到她的涡旋的涡度廓线有很强的峰值，她对如何使用上述公式表示担忧，但最终使用了相对涡度和切向风的平均值，并发现了一个合理的Rossby穿透深度为14km。然而，她仍然对这些方法不满意，并承认，对于她实验中涉及的参数，如何定义穿透深度还不完全清楚。DeMaria(1996)做了类似Jones(1995)的尝试，试图为他的特定模型设置定义渗透深度，并且似乎取得了更大的成功。首先，他参考了Shapiro和Montgomery(1993)的工作，他试图为一般气氛定义Rossby穿透深度;这是通过求解局部的定义来实现的罗斯比半径对于垂直尺度的轴对称涡，得到

(fic (f + Z))1/2 L / N，其中floc = f + 2v^ / r

其中LR为水平尺度，N为静稳定性，I为惯性稳定性参数，定义为

V是切向风，r是半径。公式2和3清楚地表明，D随纬度、长度标度和强度(VZ)随静稳定度的增大而减小;DeMaria(1996)接着用准地转理论为他的两层模型定义了D，虽然这个理论很聪明，但在这里并不相关。公式2和3足以说明某一热带气旋对垂直切变所表现出的阻力类型。

4.发泄假说

虽然Gray(1968)的内芯降温假设有点简单，但其影响却没有被很好地理解，因为一些人认为上层的冷却(该理论的基础)是有利于TC发展的不稳定因素(DeMaria, 1996)。虽然建模(Frank & Ritchie, 2001)和观测研究(Knaff et al.， 2004)都令人信服地表明，tc通过上层暖核的垂直下降和伴随的漩涡从上到下减弱，但这种核心侵蚀是如何发生的仍然不清楚。因此，一些关于该理论及其起源、发展和治疗的背景知识将有助于了解目前的研究状况。

Gray(1968)在其围绕TC发展的大气条件的全球观测研究中，被认为是第一个阐明排气假设作为解释切变对TC强度影响的方法的人。他的结论是，TC发展的动力学最好被视为一个温度-压力-风调节的流体静力问题。他认为，要形成和维持一个TC，对流层平均温度必须升高和集中。这是一个典型的观点，那些在发泄营;TC的强度被认为集中并维持在地核的上层，主要表现为高水平的等效位温和位涡。Gray(1968)解释说，剪切作用产生了大量热量，使其远离发展中的扰动。他发现积云对流释放到对流层上层的冷凝热相对于低层释放的热以不同的方向平流。核心的热量损失将导致流体静力调整到更高的最小压力，从而减弱TC。

在接下来的几十年里，文献中很少讨论排气假设，因为大多数TC研究者更关心shear对TC轨道的影响(Shapiro, 1992;Flatau等人，1994;Wang & Holland, 1996)， TC结构(Bender, 1997)，并详细说明了不同类型剪切对TC强度的影响(Tuleya & Kurihara, 1981;Merrill, 1998)，而不是剪力如何产生这些效应。然而，如前所述，关于这些过程如何发生的一般解释通常集中在动力过程(Jones, 1995)、中层变暖(DeMaria, 1996)以及地表通量和水汽辐合之间的不对称(Peng et al.， 1999)。

大约在2000年，由于Frank和Ritchie(1999和2001)的有趣结果，人们对发泄假说重新产生了兴趣。在他们关于这种解释tc对剪切反应的方法的讨论中，争论集中在几个一般原则上。首先是核心外de和PV的通量导致了TC

削弱;二是PV和de maxima相对于核心的定位;第三种是基于这样一个事实，即tc被视为从上到下的削弱，这与前两种密切相关。

在他们2001年的论文中，他们使用带有三个嵌入网格、5公里网格间距和湿对流过程的完全明确表示的MM5，研究了成熟的、理想化的飓风状涡对各种类型和大小的垂直风切变的响应。MM5在水平方向上使用笛卡尔坐标，在垂直方向上使用遵循地形的西格玛坐标来求解非线性原始方程。这种新型模式对他们的研究目标至关重要，因为热带气旋-切变相互作用的数值模拟需要一个具有非常大的域的模式，能够解决风暴的环境和外部环流特征，以及一个高分辨率的核心区域，能够解决风暴的小而强烈的核心过程(Frank & Ritchie, 1999)。他们的模拟是在以北纬15度为中心的f平面上进行的，这样就不会因为风暴流和行星经向绝对涡度梯度之间的相互作用而产生复杂情况，因为这些通常会改变风暴核心区域的平均流(Frank & Ritchie, 2001)。

观察1)无大尺度气流、2)向东气流、3)5m/ s切变、4)10m/s切变和5)15m/ s切变(切变风从地面到对流层上层变化)的风区，他们发现，在切变涡旋的情况下，与嵌入均匀纬向气流的涡旋相反，风暴的减弱是通过一个明确的、多步骤的过程发生的。首先，在剪切作用后不久，风暴核心在垂直运动、降雨和云水方面在大多数水平面上形成了强烈的波数为1的不对称。这种不对称性足够大，以至于上层的de和PV在风暴眼中失去了它们的浓度，只集中在眼壁和其他雨带的部分区域;这主要是通过向外的涡流通量发生的。核心温度的损失导致地表压力的增加，从而降低了各个层面的循环。这种不对称的模式随着时间的推移而下降，伴随着倾斜的进程，这样结构就会继续减弱。在某种程度上，由于低层较强的环流在某种程度上保留了对称涡旋，因此在远低于风暴MPI的强度下达到了平衡。至于这些风暴如何能够很好地避免这一过程并承受切变，Frank和Ritchie(2001)报告说5m/s切变中的旋涡能够保持其强大的垂直排列结构约一天半，而10m/s切变中的旋涡在减弱前继续加强18-24小时。当15米/秒的剪切在一天内将一个强烈的理想风暴撕裂时，在轻剪切下风暴的延迟响应表明，倾向于保持风暴轴对称的过程能够暂时克服小于10米/秒的剪切。

DeMaria随后与Knaff等人(2004)合作，对TC温核进行了综合分析，因为它们与不同级别的剪切有关。这项研究的独特之处在于，他们使用了先进微波探测装置(AMSU) A仪器的温度测深，分析了大西洋和东太平洋盆地1999-2002年TC季节和北太平洋西部2002年5 - 12月186个TC在不同剪切水平上的特征。将切变定义为水平风在200和850hPa之间的24小时平均矢量差，他们创建了两个TC复合材料。一种是具有良好切变条件(<7.5m/ s)的强风暴(最大地面风46 ~ 52m/ s)，另一种是具有明显切变条件(>7.5m/s)的强风暴;比较两种复合材料，他们分析了内芯温度异常，希望发现由于剪切变化而导致的TC轴对称热结构的一致变化。

Knaff et al.(2004)计算了TC相对于500-600km半径的方位和径向平均温度的温度异常，发现随着切变的增加，平衡飓风涡的高度降低。Knaff et al.(2004)确认了Frank和Ritchie(2001)的结果，得出结论，垂直剪切对成熟TC的一般影响是由于潜在温度向下传播的水平通量对其暖核结构的自上而下侵蚀，尽管他们承认他们不确定这是如何发生的。

5.最近的进展

这一领域的大部分近期工作，除了直接解决或确认上述结果(Jones 2000;Wong和Chan 2004)，研究了伴随TC增强的大规模参数(Paterson等，2005;曾等，2007,2008;加纳等人，2009年;Hendricks等人，2009)讨论了TC不对称如何影响风暴强度(Yang等人，2007;Sang et al. 2008)，研究了湍流通量关于集约化(Zhu, 2008;布莱恩和罗通诺，2009年;Rotunno, 2009)，并提出了几种新的机制和框架来描述tc如何受到剪切的不利影响(Reasor et al.， 2004;Riemer et al.， 2009;Tang和Emanuel 2010)。Jones(2000)使用原始方程模型研究f平面上的斜压涡，发现与DeMaria(1996)的工作相反，TC核心区域的剪切诱导倾斜实际上会降低漩涡某些部分的稳定性，尽管其对TC强度的影响还不完全清楚。与Frank和Ritchie(1999,2001)的研究相似，Wang和Chan(2004)使用分辨率为4km的MM5分析了f平面上理想tc对不同水平垂直剪切的响应。他们发现，虽然6-8m/s剪切下的TC不如无剪切下的TC强度大，但只有在10m/ s以上剪切下，TC才会明显减弱。他们证实了Jones(1995)的结果，发现tc通过不同能级之间的相互旋转来抵抗倾斜;他们还发现，在靠近TC中心的对流层下半部分有明显的变暖，这可能部分证实了DeMaria(1996)在他的TC中层所看到的情况。

在过去五年中，人们曾多次尝试区分最有利于TC强化的环境特征。Paterson等人(2005)利用NCEP-NCAR再分析发现，在澳大利亚地区，2-4m/s的剪切实际上有利于显著增强，而超过12m/s的剪切有利于快速减弱;使用相同的数据，Zeng et al.(2007)研究了1981-2003年北太平洋和北大西洋的过渡速度和垂直切变对TC增强的影响(Zeng et al.， 2008)。他们发现，当环境风切变超过20m/ s时，很少有tc增强，他们开发了一个新的经验最大潜在强度(MPI)，其中包括平移速度和垂直切变的综合负面影响。Hendricks等人(2009)同样使用NOGAPS全球分析和TRMM微波成像仪(TMI)来研究在北太平洋西部和北大西洋盆地经历不同强度变化的热带气旋的环境和气候特征。有趣的是，他们发现快速强化tc和适度强化tc的环境非常相似。例外的事实是，在大西洋快速增强(RI)事件发生在较弱的深层切变环境中，而不是中等增强的均匀环境;一个重要的发现是TC的发病率

强度并不严重依赖于sst。利用一个可压缩的、流体静力的、动力学的模型嵌套在全局分析场中来研究剪切和应力的相对影响热分层现象在热带气旋变率方面，Garner等人(2009)发现模式的热带风暴活动对垂直切变预测变化的敏感性很大;根据IPCC的A1B情景对整个21世纪进行了预测，发现大西洋热带气旋活动的减少在很大程度上是由大西洋西部和加勒比地区季节性平均垂直切变的增加所驱动的(Garner et al.， 2009)。虽然所有这些都证实了垂直切变在TC强化中的重要性，但最近也有许多具有前瞻性的论文帮助解释了这种关系的本质。

在过去十年中，最独特的研究之一是Reasor等人(2004)的研究，他们使用Boussinesq PE模型来模拟f平面上的正压涡，发现VRWs，而不是非绝热二次环流，是TC对剪切阻力的主要原因。值得注意的是，在没有积云对流直接帮助的情况下，这种阻力在10m/s以上的剪切中持续存在。虽然他们的工作解释了几个被忽视的主题(例如，剪切作用下TC的准静止倾斜状态的存在，以及由剪切作用下TC产生的径向和方位传播的VRWs的突出)，但他们承认，备受争议的非绝热过程对TC弹性的作用仍然不清楚。随后，Riemer et al.(2009)提出了垂直剪切强度关系的新解释。他强调了下沉气流的作用，以及它们对低空气流的输送mid-troposphere从卡诺角度进入边界层及其对眼壁能量学的影响。与此相关，Tang和Emanuel(2010)建立了一个基于稳定性、轴对称和倾斜中性的理想化框架，以评估剪切相关通风如何通过眼壁外的下行气流和直接进入眼壁的中层涡流通量影响TC强度。Riemer et al. (2009)， Tang和Emanuel(2010)通过将风暴视为卡诺热机来解释机制对TC强度的有害影响;当这些与剪切相关的过程降低了TC核心中存在的最大熵，从而降低了热力学效率时，结果是TC在对抗摩擦耗散中所能执行的总功的减少。正如之前许多论文所提到的，随着稳态强度的增加，具有较高潜在强度(pi)的tc能够更好地抵御风切变，而可持续发展所需的最小强度则随着潜在强度的增加而降低(Tang和Emanuel 2010)。因此，垂直剪切会导致TC可用作功的能量减少，然而，这种情况究竟发生在哪里以及如何发生仍存在争议。

正如Frank和Ritchie(2001)的研究中提到的，湍流涡似乎在剪切相关的排气中起着关键作用，但很少有人了解这种作用，这种作用会降低TC的热力学效率。由于Richard Rotunno的两篇论文，这种湍流通量对TC增强的重要性最近得到了重视。首先，在Bryan和Rotunno(2009)中，他们在使用轴对称数值模型评估热带气旋的最大pi时间接地触及了这一主题。他们表明，径向湍流通过削弱角动量和熵的径向梯度来限制最大强度;最大风速很大程度上取决于水平混合长度(Bryan和Rotunno, 2009)。与Frank和Ritchie(2001)的观点一致，他们随后宣布，实时预报强度的困难可能部分与NWP模型中湍流的规范和/或对飓风中湍流效应的普遍缺乏理解有关(Bryan和Rotunno, 2009)。考虑到典型的中尺度模型的分辨率为1-3公里，并且大多数临界排气发生在100米量级的湍流涡流中，因此模型解决或近似湍流的能力至关重要。

基于这一事实，Rotunno等人(2009)发表了一项研究，该研究利用高级研究WRF对热带气旋进行大涡模拟，考察了湍流传递对TC建模的重要性。他们使用6个水平分辨率为62米的嵌套网格，分析了湍流涡的分辨率对TC最大风速的影响。他们发现，当湍流参数化(从1.67km到185m)时，网格间距减小时，风暴强度显著增加，但当分辨率从185m增加到62m时，平均风速实际上减少，因为湍流涡流现在正在被解决(Rotunno et al.， 2009)。特别有趣的是，这项研究证实，在强烈飓风眼壁的内边缘存在强烈的湍流;考虑到湍流在有关TC的这部分排气的几个假设中所起的重要作用(Frank和Ritchie, 2001;Tang和Emanuel, 2010)，这一研究领域是能够解释tc如何与环境相互作用的关键。此外，平均TC强度和TC眼壁半径对解决的湍流效应的明显依赖表明了在模拟TC强度时正确近似湍流扩散的重要性。最近，Thatcher(2010)进行的研究试图解决TC是否通过中层变暖(DeMaria, 1996)或上层熵泄漏(Frank & Ritchie, 2001)受到垂直切变的负面影响。利用WRF-ARW在模拟台风“强美”(2008)时，在3km网格间距处，由于眼壁200-300hPa的theta-e极大值的建立，TC的增强在中等剪切(~7m/s)下结束;在此之前，高层TC核心的浓度相对均匀。 It was found that Jangmi's mean sea-level pressure (MSLP) was most sensitive to theta-e values from 200-300hPa in the inner part of the eyewall (30-50km). The end of the intensification appears to be due to two factors related to upper-level core venting: 1) the MSLP is affected through a hydrostatic adjustment to reduced inner eyewall energy values and 2) the upper part of the eyewall stabilizes due to outward energy flux. However, due to the 3km resolution of the model, it was difficult to determine the role venting-related turbulence played in the end of Jangmi's intensification.

6.结论

过去40年的研究表明，大半径的环境力对热带气旋的增强有重大影响。此外，环境垂直风切变对TC强度也有不利影响。即使在过去的5年里，这一点也被反复证实(Paterson et al.， 2005;曾等，2007,2008;加纳等人，2009年;亨德里克斯等人，2009)。而少量的垂直剪切被认为有利于TC的发展(Tuleya & Kurihara, 1981;Paterson等人，2005)，剪切高于8-12m/s (DeMaria Kaplan, 1999;Wong and Chan, 2004;Paterson et al.， 2005)已证明对TC强度和结构有害。 The question is how this works. Generally accepted is the fact that, overall, the TC approximates a Carnot heat engine. These storms convert heat into work. Any interaction that inhibits this (e.g., internal dynamics, large-scale environmental flow, or ocean welling) will keep a TC from reaching its maximum potential intensity. Theories as to how vertical shear keeps a TC from its MPI are myriad, yet they generally are seen as either relating to the dynamics or thermodynamics. The theories based on a fluxing of low-entropy air into the core of a TC have found support (Frank and Ritchie, 2001; Tang and Emanuel, 2010), as have the theories stating that down drafts of low entropy-air into the near-core boundary layer lessen eyewall buoyancy and thus TC intensity (Riemer et al., 2009; Tang & Emanuel, 2010). Works on the dynamical aspect have mostly concentrated on the ways by which TCs are able to cope with high levels of vertical shear (Jones, 1995; Schecter et al. 2002; Reasor, et al., 2004) rather than how the TC's intensification is detrimentally affected; it thus appears that a TC's intensification is ultimately inhibited through mostly thermodynamic processes.

然而，尽管经过了几十年的努力，垂直风切变与TC增强之间关系的真正本质仍然没有得到正确的理解。除了缺乏适当的模型初始化，TC与环境相互作用背后的永恒之谜是社区缺乏预测TC强度变化能力的主要问题之一。在解开这个谜团的过程中，人们表达了无数的沮丧。例如，尽管DeMaria(1996)进行了一项被广泛引用的建模研究，但他表示需要详细的观测来确定切变对TC中层温度扰动的真实影响。他接着明确指出，为了辨别垂直温度结构和TC中心附近对流之间的反馈过程，需要明确求解对流的三维模型模拟，这一过程是理解剪切强度关系的关键。尽管Knaff等人(2004)从他们的TC复合分析中得出了自信的声明，但他们做出了让步，即他们的对称分析不能确定暖核侵蚀是如何发生的，部分原因是AMSU的粗分辨率(50km)。即使Rotunno等人(2009)也表示需要更高的分辨率和计算资源，但对当时实验的计算成本感到遗憾。

前进的方法之一似乎是适当的参数化，或在TC近核心区域的湍流涡的明确解决，特别是当它们与进出TC眼的熵输运有关时(Frank和Ritchie, 2001;布莱恩和罗通诺，2009年;Rotunno等人，2009)。这种湍流的影响很大，当参数化时，它似乎一致地影响眼壁半径和TC的最大切向速度(Rotunno et al.， 2009)。似乎有大量的涡流发生在1亿量级(Rotunno et al.， 2009)，然而，目前在该分辨率下常规模拟TC的计算成本过于昂贵。因此，大涡模拟(LES)将主要用于确定适当参数化这些运动所必需的涡扩散系数，当使用网格间距在一公里量级时。

展望未来，增加风观测数据并将这些风测量数据同化到模型中，将改善风切变准确表示方面的模型初始条件，从而增强数值模型产生准确TC强度预测的能力(例如，Pu et al. 2008)。剪切强度研究领域的未来似乎特别依赖于计算能力的提高，这将使科学家能够在不依赖参数化的情况下检查上述问题。看来，在模拟能够明确地解决小尺度的对流和湍流涡之前，上述许多问题最终都不会得到解决，这些对流和湍流涡分布(并影响)TC内部涡的大部分，同时也能正确地模拟距离TC中心500公里半径的环境影响。

7.参考文献

本德，文学硕士，1997:相对流动对飓风内部非对称结构的影响。j .大气压。科学通报，54,703-724。

罗通诺，2009:轴对称数值模式模拟中热带气旋的最大强度。星期一,我们。Rev.， 137,1770 -1789。

坎普，j.p.和M.T.蒙哥马利，2001:飓风最大强度:过去和现在。星期一,我们。Rev. 129,1704 -1717。

陈世生，J.A. Knaff和F.D. Marks Jr.， 2006:垂直风切变和风暴运动对热带气旋降雨不对称的影响。星期一,我们。Rev.， 134,3190 -3208。

柯波西罗，K.L. & J. Molinari, 2002:垂直风切变对热带气旋对流分布的影响。星期一,我们。Rev. 130,2110 -2123。

德玛利亚，M.， 1996:垂直切变对热带气旋强度变化的影响。j .大气压。科学。， 53, 2076-2087。

DeMaria, M.， & J. Kaplan, 1999:大西洋和北太平洋东部盆地的最新统计飓风强度预测方案(SHIPS)。我们。预测，14,326-337。

弗拉陶，M. W.H.舒伯特，和D.E.史蒂文斯，1994:斜压过程在热带气旋运动中的作用:垂直倾斜的影响。j .大气压。科学。， 51, 2589-2601。

傅志刚，李志刚，1999:环境流对热带气旋结构的影响。星期一,我们。启示录，127,2044 -2061。

Frank, w.m.， & e.a.， Ritchie, 2001:垂直风切变对数值模拟飓风强度和结构的影响。星期一,我们。启示录，129,2249 -2269。

加纳，s.t.， I.M. Held, T. Knutson， & J. Sirutis, 2009:风切变和热分层在过去和预测的大西洋热带气旋活动变化中的作用。克里姆的j。， 22, 4723-4734。

格雷，w.m.， 1968:热带扰动和风暴起源的全球观点。星期一,我们。启示录96,969 -700。

Gryanik, v.m.， & M.V. Tevs, 1989:大气n层模型中奇异涡的动力学。公牛。苏联科学学院大气压。海洋物理。， 25, 179-188。

彭敏生，傅波，李涛，2010:热带气旋强度变化的环境控制量化研究。星期一,我们。启示录，138,3243-3271。

霍兰德，g.c.， & R.T.梅里尔，1984:热带气旋结构变化的动力学。Q.J.R.满足。Soc。， 110, 723-745。

霍斯金斯，b.j.， M.E.麦金太尔，A.W.罗伯逊，1985:关于等熵势涡度图的使用和意义。Q.J.R.满足。Soc。， 雷竞技csgo111, 877-946。

亨特利，j.e.，和J.W. Diercks, 1981:热带气旋垂直倾斜的发生，星期一，Wea。Rev.， 109,1689 -1700。

琼斯，s.c.， 1995:垂直切变中涡的演化。I:最初是正压涡。Q.J.R.满足。Soc。， 121, 821-851。

琼斯，s.c.， 2000:垂直切变中涡的演化。斜压涡。Q.J.R.满足。Soc。， 126, 3161-3185。

Knaff, j.a.， S.A. Seseske, M. DeMaria， & J.L. Demuth, 2004:垂直风切变对对称热带气旋结构的影响。星期一,我们。Rev. 132, 2503-2510。

梅里尔，r.t.， 1988:环境对飓风强度的影响。j .大气压。科学。， 45,1678 -1687。

Paterson, L.A, B.N. Hanstrum, N.E. Davidson， & H.C. Weber, 2005:环境垂直风切变对澳大利亚地区飓风强度热带气旋强度的影响。星期一,我们。Rev.， 133, 3644-3660。

彭，m.s.， b.f。郑，& R.T.威廉姆斯，1999:热带气旋强度的数值研究。第一部分:Beta效应和平均流量效应。j .大气压。科学。， 56, 1404-1423。

聚氨酯,z;李,X;Velden c;刘天伟，刘志伟，2008:飞机下落探空和卫星风资料对TCSP期间两次热带风暴登陆数值模拟的影响。我们。预测。， 23, 62-79。

拉马奇，c.s.， 1959:飓风发展。气象学报，16,227-237。

雷瑟，p.d.， M.T.蒙哥马利，L.D.格拉索，2004:垂直切变流中热带气旋问题的新看法:涡旋弹性。大气科学。， 61, 3-22。

Riemer, M.， M.T. Montgomery, M.E. Nicholls, 2009:热带气旋强度修正的新范式:垂直风切变对流入层的热力学影响。大气压。化学。理论物理。讨论. .， 9, 10711-10775。

陈绍华，陈志伟，陈志伟，2003:垂直切变对土土结构影响的数值研究雨量分布《邦妮飓风》(1998)。星期一,我们。Rev.， 131,1577 -1599。

Rogers, R.， Aberson, S.， Black, M.， Black, P.， Cione, J.， Dodge, P.， Dunion, J.， Gamache, J.， Kaplan, J.， Powell, M.， Shay, N.， Surgi, N.， & Uhlhorn, E.， 2006:强度预测实验:NOAA用于改善热带气旋强度预测的多年实地项目。b。Meteorol。Soc。， 87, 1523-1537。

罗通诺，陈勇，王伟，C. Davis, J. Dudhia， & G.J. Holland, 2009:理想热带气旋的大涡模拟。公牛。阿米尔。流星。Soc。， 90, 1783-1788。

桑，n.v.， R.K.史密斯，M.T.蒙哥马利，2008:三维热带气旋强度和可预测性。Q.J.R. Meterorol。Soc 134, 563-582。

谢克特，d.a.， M.T. Montgomery， & P.D. Reasor, 2002:准地转涡旋垂直排列的理论。星期一,我们。启示录，59,150-168。

夏皮罗，L.J, 1992:飓风涡旋运动和演变在一个三层模式。j .大气压。科学。， 49, 140-153。

夏皮罗，L.J， &富兰克林，J.L, 1995:格洛里亚飓风的潜在涡度。星期一,我们。Rev.， 123, 1465-1475。

夏皮罗，L.J. & M.T.蒙哥马利，1993:快速旋转涡旋的三维平衡理论。j .大气压。科学。， 50, 3322-3335。

唐斌，2010:中部通风对热带气旋强度的影响。j .大气压。科学。， 67, 1817-1830。

撒切尔，L.， 2010。垂直风切变如何影响台风“强美”(2008)的快速增强。硕士论文，犹他大学，165页。

图莱雅，r.e.， & Y.栗原，1981:环境流对热带风暴发生影响的数值研究。星期一,我们。Rev.， 109,2487 -2506。

王永华，王永华，1996:热带气旋在垂直切变中的运动与演化。j .大气压。科学。， 53, 3313-3332。

王波，李晓霞，1992:三维涡旋的beta漂移数值研究。星期一,我们。启示录，120,579 -593。

王，Y.， & c . c。吴，2004:热带气旋结构和强度变化的研究进展。流星。和大气压。物理学报，87,257-278。

黄敏敏，陈俊良，2004:垂直风切变的热带气旋强度。大气科学。， 61, 1859-1876。

杨波，王赟，王波，2007:热带气旋内部核不对称对潜在强度的影响。j .大气压。科学。， 64, 1165-1188。

肖庆林，邹晓霞，王波，2000:基于变分的登陆飓风初始化与模拟

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