涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的数值研究

设计了一个高分辨率f平面准地转正压涡度方程半谱模式，用以研究非线性对台风切向风速变化，以及不同初始异常条件下台风环流内涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化特征。6类(14组)试验的数值结果表明：非线性使台风切向风速的增强减弱，可能使最大风速半径收缩。初始扰动中心位置对涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的影响明显。扰动中心在最大风速半径附近时，台风最大切向风速增强最多；异常中心在台风外区时，使最大切向风速减小。初始异常尺度(范围)减小对台风最大切向风速变化的影响减弱。双涡分布条件下，台风环流外区的涡旋使内区或近眼壁区对流涡旋对台风最大切向风速的影响减弱。     

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。     

两种类型中尺度涡旋Rossby波的相速度及其物理机制

本文使用正压浅水方程组以及纬向切变基流下二维中尺度横波型扰动的Bouss-inesq近似方程组,分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动的波动传播物理过程。研究结果表明,中尺度涡旋Rossby波划分为两种类型。由于纬向基本气流的方向的二阶水平切变或者基本气流的垂直涡度在南北方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用。如果考虑基流的二次垂直切变时,可以得到第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速-U的二次垂直切变或者基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于基本气流-U0也是单向传播的,其相速度与纬向波数k有关,能量是频散的,在纬向x方向存在群速度。在基本流场的风速-U存在二次垂直切变时,横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby-重力波的不稳定;而当基本流场的风速-U仅仅存在线性切变,不存在二次垂直切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,横波型扰动的不稳定则仅仅是重力惯性波的不稳定。最后利用横波型扰动的总涡度守恒方程对第二类涡旋Rossby波形成的物理机制做出了解释。     

Rossby参数β在涡旋Rossby波中的作用

利用尺度分析方法得到Rossby参数β在强涡旋中有着不可忽略的作用.在无基本气流径向切变的涡旋系统中,在Rossby参数β的作用下有涡旋Rossby波出现.由于涡旋Rossby波存在,从而破坏了涡旋系统的轴对称性,表现出非轴对称特征.在考虑切向基本气流的涡度径向变化时,涡旋Rossby波的频散关系同时包含了切向基本气流涡度径向切变项和β项的作用.一般情况下涡旋Rossby波在切向基本气流涡度径向切变的作用下有向外频散能量的特性,而β项的作用随方位角θ而变化,使涡旋能量频散不对称.     

基于WRF的高原低涡内波动特征及空心结构的初步研究

本文采用美国新一代非静力中尺度数值模式WRFV3．1．1版本对2006年8月14日的1次高原低涡过程进行了3重嵌套的数值模拟,分析模拟输出的高时空分辨率资料,发现涡度散度在各层次上均存在着正负值区域的相临交替分布,体现出一定的波动性,并随时间的变化而旋转,由此对高原低涡中的涡旋波的产生和发展进行详细分析,发现高原低涡中同时具有产生涡旋Rossby波与惯性重力波的条件,进一步粗略计算了涡旋波切向的移速介于涡旋Rossby波与惯性重力波的理论移速之间。由分析结果得出结论认为,在低涡中心区域,由于较高的涡度径向梯度,同时有较强的辐合辐散,波动表现出以涡旋Rossby波与惯性重力波混合的特性为主;低涡外围区域中涡度径向梯度大大减弱,失去了产生涡旋Rossby的条件,显现为惯性重力波的特性。同时高原低涡生命期相对较短,波动在圆周上的传播条件不均匀,这说明可能大多高原低涡螺旋形态的发展并不均匀或并不完整,较难形成如同海上热带气旋般比较均匀和完整的螺旋云带。另外,模拟也发现,在低涡成熟阶段,低涡呈现暖心结构,中心区域垂直运动较弱,表现为相对平静的眼区域。     

基于WRF的高原低涡内波动特征及空心结构的初步研究

本文采用美国新一代非静力中尺度数值模式WRFV3.1.1版本对2006年8月14日的1次高原低涡过程进行了3重嵌套的数值模拟,分析模拟输出的高时空分辨率资料,发现涡度散度在各层次上均存在着正负值区域的相临交替分布,体现出一定的波动性,并随时间的变化而旋转,由此对高原低涡中的涡旋波的产生和发展进行详细分析,发现高原低涡中同时具有产生涡旋Rossby波与惯性重力波的条件,进一步粗略计算了涡旋波切向的移速介于涡旋Rossby波与惯性重力波的理论移速之间。由分析结果得出结论认为,在低涡中心区域,由于较高的涡度径向梯度,同时有较强的辐合辐散,波动表现出以涡旋Rossby波与惯性重力波混合的特性为主;低涡外围区域中涡度径向梯度大大减弱,失去了产生涡旋Rossby的条件,显现为惯性重力波的特性。同时高原低涡生命期相对较短,波动在圆周上的传播条件不均匀,这说明可能大多高原低涡螺旋形态的发展并不均匀或并不完整,较难形成如同海上热带气旋般比较均匀和完整的螺旋云带。另外,模拟也发现,在低涡成熟阶段,低涡呈现暖心结构,中心区域垂直运动较弱,表现为相对平静的眼区域。      

台风"云娜"中的涡旋Rossby波研究

运用非静力平衡中尺度模式WRF(V2.03),对2004年14号台风“云娜”在登陆后产生强降水的过程进行了42h模拟,并对螺旋云雨带的涡度场结构进行了分析。分析结果表明,WRF能较好地模拟出台风在陆地上的移动路径,及其产生的台风暴雨的螺旋状分布。台风螺旋云雨带的形成与维持,可以用涡旋Rossby波理论来解释:可以通过改变局地相对涡度径向梯度分布,从而沿台风径向激发出“局地涡旋Rossby波”。     

β中尺度暴雨系统发生发展的一种可能物理机制I. 涡旋Rossby波的相速度

使用纬向基流下横波型扰动的Boussinesq近似方程组, 分析了这种沿着基本气流方向传播的中尺度扰动发生不稳定时, 大尺度背景流场在垂直方向上的各种分布特征.在大气层结比较稳定的情况下, 如果基本气流在低层和高层较大(有可能存在低空急流和高空急流), 此时产生的β中尺度不稳定扰动相对于基流向东传播, 甚至于快速向东传播.基本气流在垂直方向上的风速切变对于中尺度横波型的扰动起着不稳定的作用.如果考虑基流的二次切变, 可以得到涡旋Rossby波的相速度表达式, 涡旋Rossby波相对于基本气流是单向传播的.涡旋Rossby波产生的物理根源是基本流场的风速二次切变, 亦即基本流场y方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀所致.涡旋Rossby波的相速度与纬向波数也有关, 它的能量是频散的, 其在纬向x方向也存在群速度.在基本流场的风速存在二次切变时, 横波型不稳定可能是混合的涡旋Rossby重力波的不稳定; 而在基本流场的风速仅仅存在线性切变, 不存在二次切变时, 横波型扰动的不稳定则是重力惯性波的不稳定.     

台风麦莎的正压特征波动结构及其稳定性

利用中尺度WRF模式对2005年8月西北太平洋台风麦莎（Matsa）进行了精细的数值模拟。使用模式输出资料,对正压浅水方程组进行了数值差分计算,分析它在最大强度时刻的正压特征波动结构和稳定性。结果表明,台风麦莎内部包含有沿逆时针方向传播的重力惯性外波和涡旋Ross-by波,两种波动的结构和稳定性存在显著性差异。前者主要存在于台风外围,增长率随波长的减小而增加,台风外围的波动相速度为48．9～68．5m／s;后者主要位于距离台风中心200km内,表现为3波最不稳定,半径100km处相速度约为5m／s。此外,重力惯性外波的扰动风场与高度场基本相垂直,扰动散涡比值大于3倍,甚至达到10＾3倍,运动以辐合、辐散为主;涡旋Rossby波的扰动风场基本平行于高度场,扰动散涡比值为10＾-1～10＾-2,涡旋运动是其主要运动,与内螺旋雨带沿着切向圆周方向的传播具有密切关系。     

地形对涡量传播和台风切向风速变化的参数敏感性

设计了一个高分辨率的浅水模式，以研究地形参数和纬向基流在涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化中的作用。结果表明，无纬向基流条件下，岛屿地形的水平尺度对涡旋Rossby波传播的影响表现在：随地形水平方向尺度的增大，扰动涡度场环绕地形顺时针方向旋转的趋势增强，局域风速增幅减小，增强了平均风速的减弱。纬向东风基流条件下，热带气旋的局域风速及其平均切向风速的演变受台风与地形间距的改变以及地形作用时间长短的影响：当台风逐渐靠近地形时，局域风速增幅增强，平均风速逐渐减小；当台风逐渐远离地形时，出现相反的变化。     

A STUDY ON MESOSCALE VORTICITY PROPAGATION IN A TYPHOON-LIKE VORTEX*

By using an f-plane barotropic quasi geostrophic model in the rectangular coordinates with a grid spacing of 5 km,ten experiments whose integration time is 36 hours are performed in order to study the interaction between a typhoon vortex and a mesoscale vortex whose initial center position is located at 2 r_m northwest to the typhoon center,where r_m is the radius of maximum wind of the typhoon vortex. Results show that the interaction can create a pair of smaller scale vortices or lumps,which extend from the outside region of the typhoon to near its center,resulting in the inward propagation of mesoscale vorticity.In this process,the vorticity concentration of the mesoscale vortex may appear.The coexistence of the propagation and the concentration makes the increase of vorticity in the inside region i.e.a more intensive typhoon.Meanwhile,the intensity of the lump with positive vorticity oscillates with time,with the oscillation period being several hours,the distance from the typhoon center to the lump center also has a similar oscillation period,which reduces the oscillation of typhoon intensity.In the case of stronger circular basic flow,the interaction can make the intensification of typhoon more obviously. In addition,in some parametric conditions,the interaction may break down the continuous vorticity zone,exhibiting a cluster of smaller vorticity lumps.     

THE MESOSCALE WAVES AND THE FORMATION OF POLYGONAL EYE WALL IN TYPHOONS

Mesoscale waves in typhoons were diagnosed by using a simulated typhoon data in this paper. Through analyzing the structure of the waves in typhoons, we found that the waves possess the mixed features of gravity inertial waves and vortex Rossby waves. On the one hand, positive geopotential height perturbation is corresponding to negative vorticity perturbation and anticyclonic circulation. At the same time, negative geopotential height perturbation is corresponding to positive vorticity perturbation and cyclonic circulation. The maximum perturbation occurs near the radius of the maximum wind in the typhoon. On the other hand, the mesoscale waves possess the features of strong convergence and divergence and ageostrophic wind. Finally, the authors presented a concept model to explain a linkage mechanism between the mesoscale waves and the formation of polygonal eye wall in the typhoon.     

台风内部的中尺度波动与多边形眼墙的形成

用小波变换分析了1948～2003年南海夏季风强度指数序列振荡特征,并研究了Lanczos滤波器滤出的不同时间尺度上南海夏季风强度与SODA资料提供的海洋热力条件的关系。结果表明,南海夏季风强度变化存在准4年的年际变化、约9年周期的十年际变化和38年左右周期的年代际变化。年际变化最强,年代际变化最弱。不同尺度上的南海夏季风强度变化与海洋热力条件的显著相关区有很大的地域差异。南海夏季风强度的年际变化主要与近赤道地区的热带海洋变化有关,相关关系呈准2年变化。若前一年秋冬季节的赤道东印度洋、赤道西太平洋出现海温和温跃层深度正异常和赤道西印度洋、赤道中东太平洋出现海温和温跃层深度负异常时,对应于当年的年际尺度上的南海夏季风加强;反之则减弱。南海夏季风强度与后期海温的对应关系为:南海夏季风加强,秋季时,南海周边海区和澳大利亚东部海区海温显著负相关;冬季时,热带西印度洋、赤道中东太平洋和赤道大西洋海温出现显著的正相关。南海夏季风强度的年代变化受PDO的调制。年代际尺度上南海夏季风强度的变化即与全球变暖有关,也与PDO有关。     

三类物理过程对台风强度影响的研究

文中设计了一个极坐标系的准地转正压模式 ,一个直角坐标系定常台风环流条件下的准地转正压模式和一个直角坐标系非定常台风环流的准地转正压模式 ,其径向或水平格距均为 2km ,以研究三类物理过程对台风强度的影响 ,即沿方位角方向的线性平流 ,沿径向的线性平流以及非线性平流对中尺度涡旋涡量内传和台风强度变化的影响。结果指出 :沿方位角方向的线性平流可导致螺旋状涡带的形成 ;沿径向的线性平流在一定的参数集合可使涡量内传 ,台风略有增强 ;定常台风环流条件下扰动涡量的非线性平流可使内传涡量明显增加 ,台风明显增强 ;非定常台风环流条件下非线性平流的作用具有两重性 ,一方面可使内传涡量增多 ,有利于台风的增强 ,另一方面 ,在涡量内传过程中 ,原先呈同心圆轴对称的台风基流结构受到破坏 ,形成复杂流型 ,这又使台风趋于减弱。最后讨论了这些结果在台风强度预测方面的可能应用。     

A Study on the Dynamic Mechanism of the Formation of Mesoscale Vortex in Col Field

The mesoscale vortex associated with a mesoscale low-level jet(mLLJ) usually causes heavy rainfall in the col field.The col field is defined as a region between two highs and two lows,with the isobaric surface similar to a col.Using a two-dimensional shallow water model,the meso-β scale vortex couplets(MβVCs) induced by eight types of mesoscale wind perturbations in an ideal col field were numerically simulated.With the sizes of ～100 km,the MβVCs induced by northerly perturbation(NP) and southerly perturbation(SP) moved toward the col point.The sizes of MβVCs induced by southwesterly perturbation(SWP),southeasterly perturbation(SEP),northwesterly perturbation(NWP),and northeasterly perturbation(NEP) were relatively small for the perturbations moving toward dilatation axis.The MβVC induced by easterly perturbation(EP) and westerly perturbation(WP) could not develop because they quickly moved away from the col point,before the circulation could form.The size of the circulation was determined by the distance between the vortex and the col point.The closer to the col point the vortex was,the larger the size of vortex.The comparisons of maximum vorticity and vorticity root mean square error(RMSE) of the NP,the SWP,and the WP show that the maximum vorticity and the vorticity RMSE of the NP decreased slower than other perturbations.Therefore,the weak environment of the col field favors the maintenance of vorticity and the formation of vortex.When a mesoscale vortex forms near the col point or moves toward the col point,it may maintain a quasi-stationary state in the stable col field.     

Sensitivity of tropical cyclone intensification to inner-core structure

In this study, the dependence of tropical cyclone (TC) development on the inner-core structure of the parent vortex is examined using a pair of idealized numerical simulations. It is found that the radial profile of inner-core relative vorticity may have a great impact on its subsequent development. For a system with a larger inner-core relative vorticity/inertial stability, the conversion ratio of the diabatic heating to kinetic energy is greater. Furthermore, the behavior of the convective vorticity eddies is likely modulated by the system-scale circulation. For a parent vortex with a relatively higher inner-core vorticity and larger negative radial vorticity gradient, convective eddy formation and radially inward propagation is promoted through vorticity segregation. This provides a greater potential for these small-scale convective cells to self-organize into a mesoscale inner-core structure in the TC. In turn, convectively induced diabatic heating that is close to the center, along with higher inertial stability, efficiently enhances system-scale secondary circulation. This study provides a solid basis for further research into how the initial structure of a TC influences storm dynamics and thermodynamics.     

台风环流区域内中尺度涡量传播特征的研究

用一个高分辨率f平面直角坐标系的正压准地转模式,实施了10组积分时间为36 h的试验,研究了初始位于台风外区的一个中尺度涡旋与台风涡旋的相互作用。结果表明:这种相互作用可以激发一个从外区伸展到内区的较小尺度的涡旋对,以此方式将涡量内传至台风中心附近。同时,中尺度涡旋呈现涡量集中化的特征。涡量内传与涡量集中化共存,使内区涡量增多,导致台风增强。此外,在一定条件下,这种相互作用还可以使涡量带破碎和断裂,形成一系列空间尺度更小的涡块。     

EFFECTS OF THREE KINDS OF PHYSICAL PROCESSES ON TYPHOON INTENSITY*

This paper designs three quasi-geostrophic barotropic models with a radial/horizontal grid length being 2 kin,one in the polar coordinates,one on a stationary typhoon circulation condition and another on a non-stationary typhoon circulation condition in the Cartesian coordinates,to investigate the effects of azimuthal and radial linear advections,and nonlinear advection on the inward propagation of mesoscale vorticity and the changes of typhoon intensity.Results show that the azimuthal linear advection may result in the formation of spiral vorticity bands;the radial linear advection in a certain parameter set is able to transfer vorticity inwards,leading to a slight enhancement of typhoon;the nonlinear advection of perturbation vorticity on a stationary typhoon circulation condition may transfer more vorticities inwards,thus resulting in a distinct enhancement of typhoon;and the nonlinear advection on a non-stationary typhoon circulation condition possesses duality,i.e.on the one hand,the advection increases the vorticity of inward propagation,thus favorable to the intensification of typhoon,and on the other hand,in the inward propagation process of vorticity the originally concentric and axisymmetric structure of typhoon basic flow is damaged,and a complex flow pattern forms,which in turn tends to weaken the circulation of typhoon.At last the paper discusses the possible applications of those results in typhoon intensity prediction.     

中尺度涡旋和台风涡旋相互作用的数值研究

用一个高分辨率的正压涡度方程模式，实施了4组积分时间为24h的试验，研究了台风环流区域内中尺度涡旋的不同初始径向位置条件下与台风涡旋的相互作用，结果表明，中尺度涡旋初始径向位置不同，可以引起随后扰动相对涡度场演变特征的改变。