發(fā)布時(shí)間：2020-04-25 10:47

【摘要】：登陸熱帶氣旋(颶風(fēng)或臺(tái)風(fēng))是重要的災(zāi)害性天氣之一,常伴隨大風(fēng)和強(qiáng)降水,對(duì)沿岸及內(nèi)陸地區(qū)造成嚴(yán)重危害。一般來講,熱帶氣旋登陸后會(huì)迅速減弱并消亡;但是,少數(shù)熱帶氣旋向中高緯地區(qū)移動(dòng)時(shí),在有利條件下會(huì)維持較長(zhǎng)的時(shí)間甚至再度發(fā)展。提高登陸熱帶氣旋及其在內(nèi)陸地區(qū)演變的預(yù)報(bào)水平是數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的難點(diǎn)和前沿性科學(xué)問題,理解熱帶氣旋在登陸過程中熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)的變化特征是提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平的關(guān)鍵。迄今為止,國(guó)際上大部分對(duì)熱帶氣旋演變的研究以氣旋在洋面的發(fā)展為主,針對(duì)登陸氣旋的研究相對(duì)較少。熱帶氣旋邊界層及其與下墊面的相互作用在登陸熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)演變中扮演著重要的角色,因此,探索并改進(jìn)數(shù)值模式中影響登陸熱帶氣旋的關(guān)鍵性邊界層和陸面物理參數(shù)化過程,對(duì)于改善登陸颶風(fēng)的預(yù)報(bào)有重要的科學(xué)意義。本文選擇了發(fā)生在美國(guó)中部地區(qū)的兩類典型登陸熱帶氣旋作為研究對(duì)象。第一類個(gè)例選擇發(fā)生在2005年的三次大西洋登陸颶風(fēng)Dennis、Katrina和Rita,和大多數(shù)登陸熱帶氣旋相同,這三個(gè)颶風(fēng)在登陸后均迅速減弱并消亡;第二類個(gè)例選擇發(fā)生在2015年的登陸熱帶風(fēng)暴Bill,該熱帶風(fēng)暴雖然在登陸階段強(qiáng)度較弱,但它在登陸后的衰減過程很慢并在陸地上維持了較長(zhǎng)的時(shí)間。本文利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的區(qū)域颶風(fēng)業(yè)務(wù)與研究系統(tǒng)模式HWRF(Hurricane Weather Research and Forecasting),通過對(duì)現(xiàn)有邊界層參數(shù)化方案的修改,數(shù)值模擬對(duì)陸面參數(shù)化方案的敏感性試驗(yàn)以及模式初始場(chǎng)土壤濕度對(duì)登陸熱帶氣旋的預(yù)報(bào)影響等一系列數(shù)值模擬試驗(yàn),研究了影響登陸熱帶氣旋演變和發(fā)展的邊界層及陸面參數(shù)化中的關(guān)鍵性過程,并探討了登陸熱帶氣旋的熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化特征。得到了如下主要結(jié)論:邊界層中的垂直混合過程決定著颶風(fēng)與下墊面和環(huán)境場(chǎng)的動(dòng)量、熱量和水汽等的交換,因此邊界層垂直混合對(duì)登陸颶風(fēng)的演變有著決定性的作用。通過修改HWRF模式中邊界層垂直混合強(qiáng)度,本文首先分析了邊界層垂直混合作用對(duì)登陸颶風(fēng)Dennis、Katrina和Rita的影響及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)演變特征。結(jié)果表明,登陸颶風(fēng)的模擬對(duì)邊界層內(nèi)的垂直混合非常的敏感。當(dāng)颶風(fēng)邊界層內(nèi)的垂直混合增強(qiáng)時(shí),其登陸后的減弱過程較為明顯,相應(yīng)的颶風(fēng)路徑、強(qiáng)度和降水的模擬也得到了有效的改善。反之,減弱颶風(fēng)邊界層內(nèi)的垂直混合則會(huì)導(dǎo)致模式高估登陸颶風(fēng)的強(qiáng)度,使模擬結(jié)果變差。進(jìn)一步的診斷分析表明,增加邊界層內(nèi)的垂直混合會(huì)導(dǎo)致颶風(fēng)邊界層內(nèi)的垂直風(fēng)切變減弱,虛位溫垂直梯度增強(qiáng),從而破壞颶風(fēng)邊界層內(nèi)的湍流動(dòng)能,進(jìn)而有效地減弱了登陸颶風(fēng)的強(qiáng)度。換言之,颶風(fēng)邊界層內(nèi)的強(qiáng)垂直混合作用使颶風(fēng)邊界層大氣趨于穩(wěn)定,從而抑制了颶風(fēng)在陸地上的維持。邊界層垂直混合作用和邊界層垂直湍流擴(kuò)散系數(shù)的參數(shù)化有密切關(guān)系。本文對(duì)HWRF模式中邊界層垂直湍流擴(kuò)散系數(shù)Km和Kh的計(jì)算方案進(jìn)行了修正,Km和Kh參數(shù)分別決定了大氣中動(dòng)量和熱量、水汽的垂直傳輸。結(jié)果表明,修正后的邊界層垂直湍流擴(kuò)散系數(shù)可以有效地增強(qiáng)陸地上颶風(fēng)內(nèi)部的垂直混合,而對(duì)颶風(fēng)外部環(huán)境場(chǎng)的垂直混合影響不大。由于HWRF邊界層參數(shù)化中Kh參數(shù)的估計(jì)主要取決于Km參數(shù)的估計(jì),表明改進(jìn)HWRF模式邊界層參數(shù)化中的Km參數(shù)的計(jì)算是改善登陸颶風(fēng)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。由于HWRF中的原方案使颶風(fēng)在很大程度上延續(xù)了其在海洋上的邊界層垂直混合特征,因此造成颶風(fēng)在登陸過程中衰減不明顯;本文提出的修正方案計(jì)算的Km參數(shù)可以有效地增大陸地上颶風(fēng)邊界層內(nèi)的垂直混合,使颶風(fēng)在登陸過程中有效地減弱,從而改善了登陸颶風(fēng)的路徑、強(qiáng)度和降水的預(yù)報(bào)。一般而言,颶風(fēng)邊界層內(nèi)的強(qiáng)垂直混合作用導(dǎo)致颶風(fēng)在陸地上的強(qiáng)度減弱,颶風(fēng)內(nèi)部干冷空氣增強(qiáng),颶風(fēng)半徑及其眼墻的垂直坡度增大;此外,颶風(fēng)邊界層內(nèi)的強(qiáng)垂直混合還會(huì)導(dǎo)致颶風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)風(fēng)結(jié)構(gòu)和二級(jí)環(huán)流減弱,邊界層高度降低,颶風(fēng)云帶逐漸松散并遠(yuǎn)離颶風(fēng)中心。本文的研究深化了颶風(fēng)邊界層垂直混合作用對(duì)登陸颶風(fēng)熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)演變過程的認(rèn)識(shí)。邊界層的發(fā)展和消亡過程和地面感潛熱的變化有密切的關(guān)系,此外,地面感潛熱對(duì)颶風(fēng)的維持和演變也具有重要的影響。本文在以上研究基礎(chǔ)上,以登陸熱帶風(fēng)暴Bill(2015)為例,對(duì)比分析了SLAB和NOAH兩種不同陸面參數(shù)化方案對(duì)該風(fēng)暴在內(nèi)陸地區(qū)演變的影響。結(jié)果表明,相比SLAB方案,運(yùn)用NOAH方案模擬的風(fēng)暴強(qiáng)度較弱,對(duì)此次登陸風(fēng)暴的強(qiáng)度和降水結(jié)構(gòu)有較好的模擬能力,尤其在風(fēng)暴轉(zhuǎn)向美國(guó)中部大平原并和中緯度西風(fēng)相互作用過程中;此外,由于使用NOAH方案模擬的風(fēng)暴具有較為明顯的旋轉(zhuǎn)和對(duì)稱性結(jié)構(gòu),使風(fēng)暴周圍向東的引導(dǎo)氣流減弱,從而有效地改善了風(fēng)暴在內(nèi)陸地區(qū)的移動(dòng)路徑。通過診斷分析表明,相比SLAB方案,風(fēng)暴內(nèi)部邊界層的垂直混合在使用NOAH方案的模擬中較強(qiáng),導(dǎo)致登陸風(fēng)暴強(qiáng)度較弱;風(fēng)暴環(huán)境場(chǎng)中地表溫度、地面感潛熱通量和邊界層垂直混合在使用NOAH方案的模擬中存在顯著的晝夜交替變化特征。尤其是白天風(fēng)暴環(huán)境場(chǎng)中地表溫度升高所伴隨的強(qiáng)烈的非絕熱加熱作用造成了強(qiáng)烈的向上輸送的地面感潛熱通量;同時(shí),地表溫度的上升也使風(fēng)暴外部環(huán)境場(chǎng)的邊界層大氣趨于不穩(wěn)定狀態(tài),從而使風(fēng)暴外部環(huán)境場(chǎng)的邊界層高度和垂直混合增強(qiáng)。因此,白天地表的非絕熱加熱作用使地表感潛熱對(duì)風(fēng)暴外部環(huán)境場(chǎng)的能量輸送增強(qiáng),從而對(duì)風(fēng)暴在陸地上的維持產(chǎn)生積極的作用。在夜間,由于地表逐漸冷卻,造成風(fēng)暴環(huán)境場(chǎng)的邊界層趨于穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí),風(fēng)暴環(huán)境場(chǎng)的邊界層高度降低、湍流動(dòng)能減弱、邊界層垂直混合減弱、地面感潛熱通量減小,不利于風(fēng)暴在陸地上的維持。模式土壤濕度對(duì)地表感潛熱的模擬和對(duì)流的發(fā)展、演變具有重要的意義。本文在比較3種不同土壤濕度資料的基礎(chǔ)上,通過在模擬初始時(shí)刻增加土壤濕度,進(jìn)一步討論了模式初始土壤濕度對(duì)登陸風(fēng)暴Bill(2015)的模擬影響。結(jié)果表明,增加初始時(shí)刻的土壤濕度使風(fēng)暴在登陸過程中的強(qiáng)度減弱,主要是因?yàn)樵黾油寥罎穸仁癸L(fēng)暴內(nèi)部邊界層內(nèi)的垂直混合增大以及風(fēng)暴外部環(huán)境場(chǎng)的地表非絕熱加熱效應(yīng)減弱造成的。本文的模擬結(jié)果揭示出數(shù)值模式中陸面參數(shù)化方案和初始土壤濕度是影響登陸颶風(fēng)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素,白天颶風(fēng)環(huán)境場(chǎng)的非絕熱加熱效應(yīng)有利于颶風(fēng)在陸地上的維持;土壤濕度的增加不僅使颶風(fēng)內(nèi)部邊界層垂直混合作用增強(qiáng),同時(shí)還導(dǎo)致颶風(fēng)環(huán)境場(chǎng)地表非絕熱加熱效應(yīng)減弱,不利于颶風(fēng)在陸地上的維持。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P444
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本文編號(hào)：2640160