本文關(guān)鍵詞：南海熱帶氣旋迅速增強(qiáng)的數(shù)值模擬　出處：《中國(guó)氣象科學(xué)研究院》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近年來,熱帶氣旋(TC)的強(qiáng)度預(yù)報(bào)進(jìn)步緩慢,成為TC研究領(lǐng)域亟待解決的問題。迅速增強(qiáng)(RI)一直是TC強(qiáng)度預(yù)報(bào)的難點(diǎn),因而備受關(guān)注。南海海域位于熱帶及副熱帶地區(qū),是TC的多發(fā)區(qū)域。由于靠近東亞大陸,南海TC發(fā)生RI后會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)影響我國(guó)南部地區(qū),給我國(guó)的防臺(tái)減災(zāi)造成重大挑戰(zhàn)。因此,針對(duì)南海TC的RI過程研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí),RI過程中南海環(huán)境場(chǎng)與TC之間常存在顯著的相互作用,其背后蘊(yùn)藏著豐富的科學(xué)問題。因此研究南海TC的RI過程對(duì)于加深對(duì)TC增強(qiáng)問題的理解大有裨益。本文選取南海超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”(2014)作為研究個(gè)例,利用高分辨率數(shù)值模擬,研究RI的觸發(fā)機(jī)制、RI過程中TC內(nèi)核結(jié)構(gòu)演變及環(huán)境場(chǎng)和TC內(nèi)核多尺度相互作用機(jī)制,希望借助針對(duì)個(gè)例的機(jī)理研究增進(jìn)對(duì)南海TCRI的理解。本文利用WRF-ARW模式和動(dòng)力初始化方案對(duì)“威馬遜”進(jìn)行了高分辨率數(shù)值模擬,模式水平分辨率最高為2km。模擬過程自“威馬遜”進(jìn)入南海開始,至登陸我國(guó)大陸為止,模擬時(shí)長(zhǎng)共72h。模擬路徑與強(qiáng)度均與美國(guó)臺(tái)風(fēng)聯(lián)合預(yù)警中心(JTWC)最佳路徑資料相近,最大路徑誤差小于90km,最大強(qiáng)度誤差小于8m/s,RI過程能夠被成功再現(xiàn)。利用常規(guī)及遙感觀測(cè)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明TC周圍熱帶季風(fēng)云團(tuán)、副熱帶高壓、梅雨準(zhǔn)靜止鋒及熱帶低壓“麥德姆”(2014)模擬均較為準(zhǔn)確,模擬“威馬遜”結(jié)構(gòu)合理,表明模擬結(jié)果具有較高的可信度�；诟叻直媛誓M結(jié)果,分析了RI過程的觸發(fā)因素。研究發(fā)現(xiàn)“威馬遜”RI期間環(huán)境場(chǎng)穩(wěn)定緩變,因此RI的觸發(fā)機(jī)制源于RI前后TC內(nèi)核的結(jié)構(gòu)變化。這些結(jié)構(gòu)變化主要包括TC軸對(duì)稱化和最大風(fēng)速半徑(RMW)的收縮、內(nèi)核底層對(duì)流有效位能的積累及TC中、高低層環(huán)流中心的迅速對(duì)齊過程。TC內(nèi)核結(jié)構(gòu)變化激發(fā)了深對(duì)流活動(dòng),從而觸發(fā)了RI過程。研究發(fā)現(xiàn)“威馬遜”RI期間內(nèi)核出現(xiàn)“雙暖心”(DWC)現(xiàn)象。其中,中層暖心(MWC)位于3-9km高度,隨著TC增強(qiáng)過程出現(xiàn);高層暖心(UWC)位于13-17km高度,出現(xiàn)于RI的中后期。UWC的出現(xiàn)晚于MWC,且強(qiáng)度略弱。利用位溫收支方程診斷可知眼區(qū)下沉運(yùn)動(dòng)為DWC形成的主要原因,其中UWC的形成還伴隨平流層的高熵空氣下沉進(jìn)入對(duì)流層。UWC的生成與對(duì)流爆發(fā)(CBs)有重要聯(lián)系。UWC生成階段,8km高度RMW內(nèi)CBs數(shù)量迅速增加。CBs突破對(duì)流層,其逸出氣流沿著眼壁形成補(bǔ)償性下沉氣流,有利于眼區(qū)高層增暖;同時(shí)CBs有利于向上輸送角動(dòng)量,提高高層慣性穩(wěn)定度,從而提高加熱效率。高層增暖和下沉氣流增加了對(duì)流層高層的靜力穩(wěn)定度,導(dǎo)致CBs活動(dòng)減弱。然而此后UWC仍繼續(xù)增強(qiáng),表明CBs及補(bǔ)償性下沉氣流并不是UWC增強(qiáng)的唯一機(jī)制。利用軌跡追蹤發(fā)現(xiàn)眼區(qū)高層部分氣團(tuán)來源于TC內(nèi)核以外平流層低層。這些氣團(tuán)隨平流層低層淺薄入流進(jìn)入TC內(nèi)核并旋轉(zhuǎn)下沉進(jìn)入眼區(qū),促進(jìn)了高層眼區(qū)的增暖。利用Sawyer Eliassen(SE)方程診斷可知該淺薄入流是由出流層的動(dòng)力強(qiáng)迫導(dǎo)致。利用地表擾動(dòng)氣壓診斷方程,證明MWC和UWC在TC增強(qiáng)的前期和后期分別占主導(dǎo)地位。從地表氣壓的下降來看,二者貢獻(xiàn)相當(dāng)。研究表明DWC結(jié)構(gòu)對(duì)維持TC增強(qiáng)速率有重要意義。此外,南海夏季風(fēng)對(duì)“威馬遜”RI過程具有重要影響。利用大氣可降水量收支方程證明夏季風(fēng)對(duì)水汽的水平輸送是“威馬遜”的主要水汽來源。敏感性實(shí)驗(yàn)表明改變環(huán)境水汽含量能夠顯著影響RI過程。受季風(fēng)環(huán)流影響,RI過程中環(huán)境垂直風(fēng)切變(VWS)較大,平均超過12m/s。強(qiáng)VWS引起TC內(nèi)核出現(xiàn)明顯的非對(duì)稱結(jié)構(gòu),其中雨帶主要集中在順風(fēng)切左側(cè)(DL)象限,同時(shí)上下層中心發(fā)生顯著傾斜。TC傾斜軸的進(jìn)動(dòng)過程是TC抵御VWS的有效途徑。研究發(fā)現(xiàn),TC的增強(qiáng)過程首先伴隨著傾斜軸的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)TC傾斜軸旋轉(zhuǎn)到逆風(fēng)切方向時(shí),TC上、下層環(huán)流中心距離最小,此時(shí)TC開始增強(qiáng);當(dāng)TC傾斜軸旋轉(zhuǎn)至DL象限時(shí),內(nèi)核區(qū)域VWS最小。此時(shí)CBs迅速增加,UWC開始建立。表明進(jìn)動(dòng)過程是環(huán)境VWS與內(nèi)核結(jié)構(gòu)相互作用的關(guān)鍵機(jī)制。通過敏感性實(shí)驗(yàn)證明,TC抵御環(huán)境VWS的能力與TC自身強(qiáng)度有關(guān),當(dāng)TC較弱時(shí),由于慣性穩(wěn)定度較小,TC無法抵御環(huán)境VWS,增強(qiáng)過程受到抑制。此外研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境VWS在上午最大,而上半夜最小,同時(shí)雨帶在后半夜開始組織,上午達(dá)到最活躍的狀態(tài),下午消散。輻射日變化是造成環(huán)境VWS和雨帶準(zhǔn)周期變化的原因。改變輻射日變化的相位不僅可以改變環(huán)境VWS,還可以改變TC雨帶的活躍時(shí)間,從而影響TC內(nèi)核的深對(duì)流活動(dòng)。輻射日變化對(duì)RI過程有顯著影響,其中夜間更有利于TC增強(qiáng)。最后研究了TC增強(qiáng)過程中的平衡動(dòng)力學(xué)問題。利用SE方程對(duì)TC次級(jí)環(huán)流進(jìn)行了診斷分析,研究證明TC內(nèi)核RMW以內(nèi)的相變潛熱加熱是TC次級(jí)環(huán)流最重要的強(qiáng)迫項(xiàng),因此RMW內(nèi)側(cè)深對(duì)流活動(dòng)對(duì)TC加強(qiáng)過程有重要影響。同時(shí)證明云頂輻射冷卻并不足以解釋平流層低層淺薄入流,而出流層的渦動(dòng)渦度通量才是關(guān)鍵強(qiáng)迫因子。結(jié)合切向風(fēng)收支方程研究了邊界層摩擦的作用,發(fā)現(xiàn)摩擦傾向于增大眼區(qū)的切向風(fēng),而減弱眼區(qū)外圍的切向風(fēng),表明底層摩擦的凈作用仍是減弱TC強(qiáng)度。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P444

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

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本文編號(hào)：1318287