环境场和边界层对近海热带气旋结构和强度变化影响的研究

论文摘要

热带气旋（简称TC,以下同）结构和强度变化常常伴随着强烈的高影响天气,给实际预报工作带来了困难,这主要是因为我们对TC结构和强度变化机理了解不多,因此,TC结构和强度变化也被国际台风研究界视为一个难点问题。在过去三十年中,由于观测技术、模式发展和理论认识的不断进步,TC路径预报精度稳步提高。但是,先进的数值模式和卫星探测技术,却未能提高TC结构和强度的预报能力。其原因很多,例如,洋面观测资料不足、模式分辨率不高、模式物理过程和初始场存在着不确定性,其中尤以对TC结构和强度变化物理过程认识不足为最重要。影响TC结构和强度变化的物理机制究竟是什么?它们又是如何影响和作用的?这是本文研究的目标所在。本文使用WRF模式和TCM4模式数值模拟方法、涡度方程诊断、滤波技术和统计分析等方法,分别从环境场和边界层入手对这些问题进行较为系统和深入的研究,研究它们对热带气旋结构和强度变化的影响和作用,以便提高对这一难题的科学认识。本文使用的资料主要是来自美国台风联合警报中心（JTWC）和美国国家飓风中心/热带预报中心（NHC/TPC）最佳路径资料。海温（SST）资料可以从CDC网站（www.cdc.noaa.gov）获得,是由美国国家海洋大气局-环境科学研究合作研究所（NOAA-CIRES）气候诊断中心（CDC）提供的雷诺SST再分析（Reynolds SST reanalysis）资料,其水平分辨率为1°经度/纬度的周平均（weekly mean）的海洋表面温度。采用美国国家环境预报中心-国家大气研究中心（NCEP-NCAR）的再分析产品来计算大尺度要素场,这些资料为一天四次,水平分辨率为2.5°经度/纬度,共17层。采用美国全球模式GFS（Global Forecast System）和FNL（Global Final Analysis）的分析场作为模式计算的大尺度背景资料。也部分采用中国气象局整编的《台风年鉴》《热带气旋年鉴》资料作为TC最佳路径资料。首先,研究了环境场（诸如移速和垂直切变）对TC强度的影响。研究发现,无论是西北太平洋上还是大西洋上,快速移动和强垂直切变都对TC增强和生命史最大强度起负作用。无论是最强TC还是迅速增强TC仅出现在一个较窄的移速范围（10-25 km h-1）内或出现在相当弱的风切变条件下,这表明TC移速太慢或太快都不利于TC增强,因为TC移动太慢,会使TC混合层湍流混合引起的海洋冷却（海水上翻）加强,抑制TC增强：而TC移动太快又将导致TC非对称结构迅速增强,进而限制TC变强。研究还发现,当TC的移速快于15 m s-1或其环境垂直切变大于20 m s-1时,TC很少增强。在上述统计分析基础上发展了一个西北太平洋上新的TC最大潜在强度Maximum Potential Intensity （MPI）经验公式,它包括了作为环境负效应因素的移速和垂直风切变Vertical Wind Shear （VWS）影响以及作为热力正贡献因素的海温SST作用。这个新的经验MPI可以更好地解释TC最大强度的观测结果以及环境和热力因子对TC强度的影响。本研究分析结果还表明北大西洋上热带气旋平均强度要稍微弱于西北太平洋。1981-2003年资料统计的由海温决定的MPI要略高于DeMaria和Kaplan对1962-1992年资料所得的结果。还建立了一个适用于大西洋TC包括热力因子的新的MPIM公式,该公式对实际热带气旋的最大强度估计有所改进；又考虑了热带气旋强度的环境动力因子的负作用,建立了一个适用于大西洋TC的新的经验最大强度Empirical Maximum Intensity（EMI）公式,该公式不仅包含有海温的正贡献,而且包含热力和动力因子作用,它能更精确估计热带气旋的最大强度。而且,该新EMI能够以明显和直观的方式解释热力和动力因素如何影响热带气旋强度,是对西北太平洋上MPI的发展和完善。本研究统计分析了不同层次、不同方向的水平风垂直切变VWS对不同强度、不同移速和不同纬度TC强度变化的作用。结果表明强的、移速慢的TC和低纬度的TC深受整个对流层深层VWS的影响,尤其是受TC边界层的影响。而弱的、移速快的TC和高纬度的TC,除了受深层VWS的影响,还受到中低层（或中高层）对流层VWS的影响。总体来看,东风切变（尤其是在中低层的东风切变）对TC强度变化作用比西风切变小。其次,研究了边界层过程对TC结构和强度变化的影响。依据全球定位系统下投式探空资料观测最新成果,设计了一个适合于TC强风背景下的海表面动量粗糙度长度的新的参数化方案,它可以使得拖曳系数在风速大于40 m s-1时有所下降,更加真实反映实际大气中TC边界层过程变化。使用高分辨率、非静力热带气旋模式TCM4,评估了这个新的边界层参数化对热带气旋结构和强度的作用。结果表明,采用新方案后,尽管TC的增强幅度变化不大,但其模式最终最大强度比传统的简单外推插值方案有显著增加,其中使用（未使用）耗散加热时最大表面风速增加10.5%（8.9%）,最大海平面气压降低8.1 hPa（5.9 hPa）。该强度变化主要是由于下垫面摩擦耗散引起的,也与TC眼墙外表面通量或对流潜热释放有关；由于拖曳系数的不同主要出现在TC眼墙附近,所以该新参数化对热带气旋的内核结构影响很大,它使得TC眼墙切向风增强,眼的“暖心”结构增强。使用多重嵌套、单向反馈的理想WRF模式研究了海洋飞沫（Sea Spray,以下同）过程对模式TC结构和强度的作用,分析了海洋飞沫对模式TC边界层结构的影响。结果表明,当模式TC加入海洋飞沫作用后,TC强度显著增强,其强度增强作用不仅表现在模式TC的边界层风的结构变化,也反映在模式TC的表面层的总体风速变化上。当模式TC引入海洋飞沫后,边界层动力作用增强,摩擦速度逐渐减小,辐合不断增强,边界层径向和切向风显著增加,径向风最大水平梯度也增强。通过涡度收支诊断表明,当TC引入海洋飞沫后,由于边界层动力辐合增强,使得涡度增大,最终使TC强度增强。改进了高分辨率、非静力数值模式WRF中海表面动力粗糙度长度参数化过程,评估了上述参数化对2006年超强台风“桑美”结构和强度的影响。使用新的边界层参数后发现,在最强平稳强度阶段,该台风平均切向风速、径向风速、垂直风速、温度距平、涡旋动能和绝对角动量轴对称垂直结构上得到明显增强；主要变化均出现在台风的20-40 km半径的眼墙附近,与TCM4理论模式研究结果一致。研究还表明,大尺度环境垂直风切变无论在增强还是减弱阶段都对此台风强度变化具有负作用。使用高分辨率WRF大气模式耦合简单的海洋混合层模式,设计了不同海洋初始混合层厚度条件下的数值试验,研究了不同海洋混合层厚度对TC结构和强度的影响。结果发现,当TC临近海洋混合层厚度较小海域时,TC对应的海洋深层的冷水更易上翻,其右后方的总表面热量通量交换减少加剧,最终使得TC强度显著变弱；海洋冷却作用还会增强TC结构的非对称性,而这与海洋冷却作用的非对称造成TC在边界层附近的涡度和散度平流分布不均密切相关。最后,在各个部分研究的基础上提出了热带气旋结构和强度变化机制概念模型（Conceptual Model）,分析和总结了环境场和边界层过程对近海热带气旋结构和强度变化可能影响,这对实际预报有一定参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 热带气旋结构和强度变化研究意义
• 1.2 热带气旋外场观测试验
• 1.3 影响热带气旋结构和强度变化的物理过程
• 1.3.1 大尺度环境强迫作用
• 1.3.2 内核动力作用
• 1.3.3 下垫面边界层作用
• 1.4 热带气旋结构和强度变化的科学问题
• 1.5 近海热带气旋结构和强度变化研究问题
• 1.6 论文研究的问题和全文结构
• 1.6.1 本文拟解决的的科学问题
• 1.6.2 全文的结构
• 第二章 研究资料方法和模式简介
• 2.1 引言
• 2.2 资料和研究方法
• 2.3 WRF模式介绍
• 2.3.1 基本方程组
• 2.3.3 时间分裂积分方案
• 2.3.4 物理方案
• 2.4 TCM4模式介绍
• 2.4.1 基本方程组
• 2.4.2 主要物理过程
• 第三章 大尺度环境动力因子对热带气旋强度的影响
• 3.1 引言
• 3.1.1 热力因子
• 3.1.2 动力因子
• 3.1.3 问题提出及研究目的
• 3.2 西北太平洋观测资料分析
• 3.2.1 西北太平洋资料数据和分析方法
• 3.2.2 TC强度与SST关系
• 3.2.3 TC移速影响
• 3.2.4 垂直风切变的作用
• 3.2.5 MPI的动力因子
• 3.2.6 小结和讨论
• 3.3 大西洋观测资料分析
• 3.3.1 大西洋资料与方法
• 3.3.2 MPI的热力因子
• 3.3.3 TC强度的动力因子
• 3.3.4 小结和讨论
• 3.3.5 新EMI在太平洋应用的改进
• 3.4 不同水平风垂直切变廓线的资料分析
• 3.4.1 资料和方法
• 3.4.2 结果分析
• 3.4.3 小结和讨论
• 3.5 对比分析和初步结论
• 第四章 边界层过程对热带气旋结构和强度变化的影响
• 4.1 引言
• 4.1.1 相关科学问题
• 4.1.2 国内外主要进展
• 4.2 海表面粗糙度对热带气旋结构和强度变化的影响
• 4.2.1 海表面粗糙度参数化
• 4.2.2 模式说明与试验设计
• 4.2.3 结果分析
• 4.2.4 拖曳系数变化对TC结构和强度作用的物理解释
• 4.2.5 讨论与小结
• 4.3 海洋飞沫对热带气旋结构和强度变化的影响
• 4.3.1 试验设计
• 4.3.2 海洋飞沫方案特点
• 4.3.3 结果和分析
• 4.3.4 涡度变化分析
• 4.3.5 海洋飞沫对边界层作用的物理解释
• 4.3.6 小结和讨论
• 4.4 超级台风"桑美"（2006）结构和强度变化的数值研究
• 4.4.1 天气概况和简介
• 4.4.2 数值试验
• 4.4.3 结果分析
• 4.4.4 登陆前后结构和强度变化
• 4.4.5 小结和讨论
• 4.5 海洋混合层厚度对热带气旋结构和强度变化的影响
• 4.5.1 模式与试验设计
• 4.5.2 海洋过程响应
• 4.5.3 TC过程响应
• 4.5.4 小结和讨论
• 4.6 讨论和总结
• 第五章 总结与讨论
• 5.1 引言
• 5.2 热带气旋结构和强度变化的物理概念模型
• 5.3 环境场和边界层过程对近海热带气旋结构和强度变化可能影响
• 5.3.1 环境场对近海热带气旋结构和强度变化可能影响
• 5.3.2 边界层过程对近海热带气旋结构和强度变化可能影响
• 5.4 特色和创新点
• 5.5 讨论
• 附录 TC螺旋雨带对模式垂直分辨率的敏感性研究
• 1.1 引言
• 1.2 方法与试验设计
• 1.3 结果与分析
• 1.4 小结与讨论
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读博士学位期间完成和发表的论文、论著目录
• 致谢