海洋暖涡对台风快速强化过程作用机制的数值研究

发布时间：2020-06-25 13:49

【摘要】：台风快速强化的预报和分析是当前台风研究的重点和难点。西北太平洋台风快速强化多发生于富有海洋涡旋的海域,现有关于海洋涡旋对台风快速强化作用的研究工作多是从初步定性了海洋涡旋对台风强化的促进作用,而海洋涡旋引起的台风区域海气相互作用机制仍然不明确。本研究利用数值分析方法,针对西北太平洋超强台风Megi,发现了台风经过海洋暖涡期间的动力和热力过程,探讨了海洋暖涡对其快速强化过程的影响机制问题,填补了目前关于海洋涡旋对台风快速强化作用机制问题研究的空缺。基于良好台风环境场建立海气耦合数值模拟是本研究工作的基础。西北太平洋台风快速强化主要发生在海洋涡旋聚集带,与海洋涡旋结构直接相关的海平面高度场统计分析体现了海洋涡旋具有时间多尺度变化特征,而且这些海洋涡旋的再现依赖于海洋三维环境场建设。本研究利用再分析系统和海洋观测资料评估了该海域海洋环境场状况,定性分析了Argo观测资料对海洋环境场优化效果指标。该指标为,同化Argo资料可以使海洋温度、盐度的均方根误差降低10%,海洋流场的降低18%;海洋温度和流场的优化效果在海洋上层最优,而海洋盐度的在水深500~1000米处最优。可见,由于海洋环境的时间多尺度变化,构建海洋环境场需要使用分布均匀而且观测剖面延伸到深水的观测资料,这些为研究海洋涡旋对台风快速强化过程作用机制奠定了基础。在对台风环境场进行全面了解的基础上,本研究基于WRF数值模式,利用气象模块与海洋混合层模块的耦合模拟技术,设计和实现了台风快速强化过程的高分辨率数值模拟。数值模拟结果显示,96小时路径模拟的平均误差为55km,强度模拟的平均误差为6.9hPa,且台风结构模拟合理,说明该数值方案能够较好呈现台风Megi快速强化过程的路径、强度及结构的演变。基于此,运用敏感性试验分析方法,定量诊断了海洋暖涡对台风快速强化的作用,结果显示,台风快速强化速度在海洋暖涡作用下提高了17.6%,由此证明了海洋暖涡对Megi快速强化的重要促进作用。在此基础上,开展了海洋暖涡对台风快速强化机制的数值研究工作,本研究首次以海洋暖涡对台风快速强化的定性分析为切入点,通过对比分析暖涡试验和无涡试验条件下的热收支过程和切向风倾向方程,发现了海洋暖涡条件下的台风快速强化过程大气增暖和台风尺寸增大的热动力机制,主要结论:一是海洋暖涡对台风区域大气输入的更多热通量(主要是潜热通量),是通过增大低空大气的温度垂直输送和感热加热而实现低空大气的增温;二是海洋暖涡通过促进水平角动量的输入和垂直对流项的正贡献,使得台风眼墙附近风速增大;三是暖涡主要通过促进垂直对流项在台风外围高空的正贡献,引起台风内核尺寸的增大。由此可见,台风区域对流运动对台风大气的热力和动力过程,都起到关键作用,研究台风对流尺度过程显得尤为重要。台风区域对流尺度过程非常复杂,已有相关的此方面研究仅是探讨了对流运动的演化过程,为了更好的理解海洋暖涡对台风快速强化过程中对流运动的作用效果,本文选取对流运动和潜热释放相对应的台风降水过程进行分析,表明海洋暖涡是激发内核区对流降水的主要因素。本研究将台风半径200km以内的降水进行分类,主要分析了暖涡试验和无涡试验的对流降水和层结降水分布和演变特征。分析结果显示,海洋暖涡主要激发了更多的内核区对流降水,在数量上提高了3%~14%。较多的对流降水,一方面可以促进生成对流风暴,另一方面,引发大气对流层中部和低部的较高位势涡度。所以暖涡试验相对于无涡试验,其在台风快速强化期间,生成了更多更强的对流风暴,对应了更暖的高空暖核,而且暖涡试验的台风区域大气惯性稳定度更大,有利于促进台风快速强化。通过分类分析的方法,实现了关于海洋暖涡对台风快速强化期间对流尺度过程作用效果的深入研究。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P732.3
【图文】：

第 10 页图 2.1 2010~2014 年西北太平洋快速强化台风路径图（图中红色实线表示台风快速强化阶段）快速强化环境条件风生成和发展理论，台风快速强化的环境条件与台风生成就是说，台风快速强化需要弱风速垂直切变、高空槽强迫条件及能够提供较多热通量的海洋环境。件主要使得台风环境场较稳定，从而促进对流潜热的有效释风垂直切变有利于台风发展，因为在这种“不通风”的条件下平流很小，整个扰动的温度和湿度可以显著增加，大大超已经给出了发生台风快速化的风速垂直切变最大阈值，西北太平洋为 9~10ms-1[83]，而在一些情况下，西北太平洋至要小于 5.3ms-1[10]。此外，低空高相对湿度可以抵制干空

所以其在海洋研究领域有着较普遍的应用。由于研究将针对西北太平洋海域快速强化台风进行分析，所以首先对该海域观测资料的分布情况进行了解。如图2.3所示，自2005年1月至2008年12月，总的来说，观测的稠密区主要集中在日本附近，其他海域的观测则相对较少。这种差异在常规观测资料中更加明显，而Argo观测资料的分布相对均匀一些，从西北太平洋到琉球群岛都有所分布。由于研究需要探讨西北太平洋海域的快速强化台风，所以该海域观测资料对于海洋环境场的构建是非常重要的，直接关系到研究的开展。

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8 钱永甫,王谦谦,朱伯承;南海风生冷暖涡的数值模拟[J];大气科学;2000年05期

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本文编号：2729232