【摘要】：登陸熱帶氣旋(颶風或臺風)是重要的災害性天氣之一,常伴隨大風和強降水,對沿岸及內陸地區(qū)造成嚴重危害。一般來講,熱帶氣旋登陸后會迅速減弱并消亡;但是,少數(shù)熱帶氣旋向中高緯地區(qū)移動時,在有利條件下會維持較長的時間甚至再度發(fā)展。提高登陸熱帶氣旋及其在內陸地區(qū)演變的預報水平是數(shù)值天氣預報的難點和前沿性科學問題,理解熱帶氣旋在登陸過程中熱動力結構的變化特征是提高數(shù)值天氣預報水平的關鍵。迄今為止,國際上大部分對熱帶氣旋演變的研究以氣旋在洋面的發(fā)展為主,針對登陸氣旋的研究相對較少。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構演變中扮演著重要的角色,因此,探索并改進數(shù)值模式中影響登陸熱帶氣旋的關鍵性邊界層和陸面物理參數(shù)化過程,對于改善登陸颶風的預報有重要的科學意義。本文選擇了發(fā)生在美國中部地區(qū)的兩類典型登陸熱帶氣旋作為研究對象。第一類個例選擇發(fā)生在2005年的三次大西洋登陸颶風Dennis、Katrina和Rita,和大多數(shù)登陸熱帶氣旋相同,這三個颶風在登陸后均迅速減弱并消亡;第二類個例選擇發(fā)生在2015年的登陸熱帶風暴Bill,該熱帶風暴雖然在登陸階段強度較弱,但它在登陸后的衰減過程很慢并在陸地上維持了較長的時間。本文利用美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的區(qū)域颶風業(yè)務與研究系統(tǒng)模式HWRF(Hurricane Weather Research and Forecasting),通過對現(xiàn)有邊界層參數(shù)化方案的修改,數(shù)值模擬對陸面參數(shù)化方案的敏感性試驗以及模式初始場土壤濕度對登陸熱帶氣旋的預報影響等一系列數(shù)值模擬試驗,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)化中的關鍵性過程,并探討了登陸熱帶氣旋的熱動力結構變化特征。得到了如下主要結論:邊界層中的垂直混合過程決定著颶風與下墊面和環(huán)境場的動量、熱量和水汽等的交換,因此邊界層垂直混合對登陸颶風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度,本文首先分析了邊界層垂直混合作用對登陸颶風Dennis、Katrina和Rita的影響及相應的結構演變特征。結果表明,登陸颶風的模擬對邊界層內的垂直混合非常的敏感。當颶風邊界層內的垂直混合增強時,其登陸后的減弱過程較為明顯,相應的颶風路徑、強度和降水的模擬也得到了有效的改善。反之,減弱颶風邊界層內的垂直混合則會導致模式高估登陸颶風的強度,使模擬結果變差。進一步的診斷分析表明,增加邊界層內的垂直混合會導致颶風邊界層內的垂直風切變減弱,虛位溫垂直梯度增強,從而破壞颶風邊界層內的湍流動能,進而有效地減弱了登陸颶風的強度。換言之,颶風邊界層內的強垂直混合作用使颶風邊界層大氣趨于穩(wěn)定,從而抑制了颶風在陸地上的維持。邊界層垂直混合作用和邊界層垂直湍流擴散系數(shù)的參數(shù)化有密切關系。本文對HWRF模式中邊界層垂直湍流擴散系數(shù)Km和Kh的計算方案進行了修正,Km和Kh參數(shù)分別決定了大氣中動量和熱量、水汽的垂直傳輸。結果表明,修正后的邊界層垂直湍流擴散系數(shù)可以有效地增強陸地上颶風內部的垂直混合,而對颶風外部環(huán)境場的垂直混合影響不大。由于HWRF邊界層參數(shù)化中Kh參數(shù)的估計主要取決于Km參數(shù)的估計,表明改進HWRF模式邊界層參數(shù)化中的Km參數(shù)的計算是改善登陸颶風預報的關鍵。由于HWRF中的原方案使颶風在很大程度上延續(xù)了其在海洋上的邊界層垂直混合特征,因此造成颶風在登陸過程中衰減不明顯;本文提出的修正方案計算的Km參數(shù)可以有效地增大陸地上颶風邊界層內的垂直混合,使颶風在登陸過程中有效地減弱,從而改善了登陸颶風的路徑、強度和降水的預報。一般而言,颶風邊界層內的強垂直混合作用導致颶風在陸地上的強度減弱,颶風內部干冷空氣增強,颶風半徑及其眼墻的垂直坡度增大;此外,颶風邊界層內的強垂直混合還會導致颶風暖心結構、旋轉風結構和二級環(huán)流減弱,邊界層高度降低,颶風云帶逐漸松散并遠離颶風中心。本文的研究深化了颶風邊界層垂直混合作用對登陸颶風熱動力結構演變過程的認識。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系,此外,地面感潛熱對颶風的維持和演變也具有重要的影響。本文在以上研究基礎上,以登陸熱帶風暴Bill(2015)為例,對比分析了SLAB和NOAH兩種不同陸面參數(shù)化方案對該風暴在內陸地區(qū)演變的影響。結果表明,相比SLAB方案,運用NOAH方案模擬的風暴強度較弱,對此次登陸風暴的強度和降水結構有較好的模擬能力,尤其在風暴轉向美國中部大平原并和中緯度西風相互作用過程中;此外,由于使用NOAH方案模擬的風暴具有較為明顯的旋轉和對稱性結構,使風暴周圍向東的引導氣流減弱,從而有效地改善了風暴在內陸地區(qū)的移動路徑。通過診斷分析表明,相比SLAB方案,風暴內部邊界層的垂直混合在使用NOAH方案的模擬中較強,導致登陸風暴強度較弱;風暴環(huán)境場中地表溫度、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。尤其是白天風暴環(huán)境場中地表溫度升高所伴隨的強烈的非絕熱加熱作用造成了強烈的向上輸送的地面感潛熱通量;同時,地表溫度的上升也使風暴外部環(huán)境場的邊界層大氣趨于不穩(wěn)定狀態(tài),從而使風暴外部環(huán)境場的邊界層高度和垂直混合增強。因此,白天地表的非絕熱加熱作用使地表感潛熱對風暴外部環(huán)境場的能量輸送增強,從而對風暴在陸地上的維持產生積極的作用。在夜間,由于地表逐漸冷卻,造成風暴環(huán)境場的邊界層趨于穩(wěn)定狀態(tài),此時,風暴環(huán)境場的邊界層高度降低、湍流動能減弱、邊界層垂直混合減弱、地面感潛熱通量減小,不利于風暴在陸地上的維持。模式土壤濕度對地表感潛熱的模擬和對流的發(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上,通過在模擬初始時刻增加土壤濕度,進一步討論了模式初始土壤濕度對登陸風暴Bill(2015)的模擬影響。結果表明,增加初始時刻的土壤濕度使風暴在登陸過程中的強度減弱,主要是因為增加土壤濕度使風暴內部邊界層內的垂直混合增大以及風暴外部環(huán)境場的地表非絕熱加熱效應減弱造成的。本文的模擬結果揭示出數(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預報的關鍵因素,白天颶風環(huán)境場的非絕熱加熱效應有利于颶風在陸地上的維持;土壤濕度的增加不僅使颶風內部邊界層垂直混合作用增強,同時還導致颶風環(huán)境場地表非絕熱加熱效應減弱,不利于颶風在陸地上的維持。
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P444
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本文編號：2640160