台风移动规律的研究 Ⅱ．小地形与边界层的动力作用

从支配台风中心移动的基本方程出发，着重分析了小地形（地形高度与台风系统的垂直厚度相比为小量）的抬升作用和边界层的摩擦作用对台风移动影响的定性特征。结果表明，较高地势对台风有“吸引”作用；边界层摩擦辐合引起的艾克曼抽吸有利于台风产生沿局地流场引导速度方向的加速度。     

不同尺度涡旋相互作用对台风的结构和移动的影响

根据大气运动原始方程组导出一个支配台风中心移动的基本方程，方程中包括了非绝热加热，温度场分布，地形与摩擦等各中能影响台风移动的强迫因子。对非绝热加热与水平温度分布的使用所作分析表明，非轴对称的非绝热引导作用可使台风加速、减速或转向运动；温度场上的准区对台风有吸收作用。     

地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度影响的研究

采用准地转的正压模式, 研究了无非绝热加热时地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度的影响.结果表明: 地形作用对登陆热带气旋西北移动路径的影响比较明显, 而对登陆热带气旋强度的影响不明显; 边界层摩擦可以通过改变热带气旋X方向上和Y方向上的移动速度以及改变热带气旋水平环流结构对登陆热带气旋西北移动路径产生一定的影响, 边界层摩擦对登陆热带气旋强度的影响非常明显, 其中摩擦是造成登陆热带气旋强度迅速减弱的一个重要因素.     

成熟台风边界层作用的数值研究

利用ＴＬ６模式，在对一次台风过程成熟阶段进行成功模拟的基础上，通过各种对比试验，研究了成熟台风边界层的作用。结果表明：在２４小时内，台风边界层内各种通量的垂直输送对其路径影响很小而对成熟台风的维持却有非常重要的作用。其中，潜热输送成为成熟台风的主要能源，其影响最为重要。感热输送对成熟台风几乎无影响。边界层的动量垂直输送具有双重作用，摩擦辐合使上升运动增大，但明显对下层涡旋有削弱作用，这近似于在台风     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验——Ⅰ．对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场，表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换，并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气。对台风Dan的模拟个例表明。由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同，风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异。不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异，与此相对应，在不同边界层方案下，Eta方案模拟的台风强度偏大；而Burk—Thompson和Blackadar方案略次之，在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱，体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响。     

台风移动规律的研究 Ⅰ.非绝热加热与水平温度分布的影响

根据大气运动原始方程组导出一个支配台风中心移动的基本方程。方程中包括了非绝热加热、温度场分布、地形与摩擦等各种可能影响台风移动的强迫因子。对非绝热加热与水平温度分布的作用所作分析表明,非轴对称的非绝热引导作用可使台风加速、减速或转向运动;温度场上的冷区对台风有吸引作用。      

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。     

台湾岛地形对台风“海棠”(0505)移动路径影响的数值试验研究

利用非静力模式MM5模拟台风“海棠”（0505）穿过台湾岛再次登陆的移动路径，分析了“海棠”登陆台湾岛前后结构特征变化。结果表明：台风自身的非对称结构与台风异常移动路径密切相关。另外，就台湾岛地形对台风“海棠”登陆台湾前打转和在台湾海峡出现“V”型移动异常路径影响进行数值试验表明：台湾岛地形不但可以直接影响台风移动路径，而且通过影响台风非对称结构来改变台风移动路径，因此，登陆台湾前逆时针打转异常路径是在弱引导气流中台风自身非对称结构和台湾岛地形共同作用的结果；台湾岛地形有使台风东北-西南向非对称增大趋势，而在台风进入台湾海峡前后对东南。西北向非对称有明显不同影响。     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验I.对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场, 表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换, 并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气.对台风Dan的模拟个例表明, 由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同, 风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异.不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异, 与此相对应, 在不同边界层方案下, Eta方案模拟的台风强度偏大; 而Burk-Thompson和Blackadar方案略次之,在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱,体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响.     

边界层急流在粤东暴雨中心两次极端强降水过程中的作用

基于广东省气象观测资料、汕尾多普勒天气雷达产品和全球再分析资料CSFR,分析了2013年8月和2018年8月发生在粤东暴雨中心的破纪录极端强降水过程,阐明边界层急流的作用。结果表明:(1)两次过程的主要影响系统分别为长时间缓慢移动的1311号台风尤特残余环流和季风低压外围环流,当粤东暴雨中心处于台风环流东南侧和季风低压东侧时,边界层急流在该区域辐合抬升,形成的中尺度能量锋利于强降水的触发;(2)边界层急流为强降水提供了充沛的、源源不断的水汽条件,同时配合特殊地形的摩擦、阻挡等作用,在粤东暴雨中心内形成了明显的水汽通量辐合;(3)持续性强降水发展期间,大气层结长时间处于不稳定状态与对流层低空暖湿平流的不断输送密切相关。两次过程中不同点主要表现为边界层急流强度和风向不同,由此带来的气流辐合方式和强降水范围有明显的差异,季风低压影响过程中边界层急流作用更显著。     

A STUDY ON TYPHOON MOVEMENT PARTⅡ:DYNAMICAL ROLE OF SMALL TOPOGRAPHY AND THE PLANETARY BOUNDARY LAYER

The dynamic effects of small topography (in the sense of the characteristic height of the topography as compared with the vertical thickness of the system of motion) and the Ekman pumping caused by the frictional convergence in the bounary layer on the motion of a typhoon have been qualitatively discussed in this part based on the governing equation of typhoon motion derived in part I of this paper. The results show that a topographical ridge tends to attract the typhoon approaching it and this explains at least partially the phenomenon that the typhoon over the western Pacific tends to accelerate just before their making land fall over the coastal areas. It is also shown that the Ekman pumping at the top of the boundary layer favors the typhoon acceleration along the local steering current.     

An Approximate Analytical Solution For The Baroclinic And Variable Eddy Diffusivity Semi-Geostrophic Ekman Boundary Layer

The WKB method has been used to develop an approximate solutionof the semi-geostrophic Ekman boundary layer with height-dependenteddy viscosity and a baroclinic pressure field. The approximate solutionretains the same simple form as the classical Ekman solution. Behavioursof the approximate solution are discussed for different eddy viscosityand the pressure systems. These features show that wind structure inthe semi-geostrophic Ekman boundary layer depends on the interactionbetween the inertial acceleration, variable eddy viscosity and baroclinicpressure gradient. Anticyclonic shear has an acceleration effect on theair motion in the boundary layer, while cyclonic shear has a decelerationeffect. Decreasing pressure gradient with height results in a super-geostrophicpeak in the wind speed profile, however the increasing pressure gradient withheight may remove the peak. Anticyclonic shear and decreasing the variableeddy viscosity with height has an enhanced effect on the peak.Variable eddy viscosity and inertial acceleration has an important role in thedivergence and vorticity in the boundary layer and the vertical motion at the top of the boundary layer that is called Ekman pumping. Compared to the constanteddy viscosity case, the variable eddy diffusivity reduces the absolute value ofEkman pumping, especially in the case of eddy viscosity initially increasing with height. The difference in the Ekman pumping produced by different eddy diffusivity assumptions is intensified in anticyclonic flow and reduced in cyclonic flow.     

地形与Ekman边界层中的气流

利用σ坐标讨论地形与边界层气流是有很多方便的地方,因为,在此坐标中,下边界条件较为简单。在本工作中,首先将混合长理论加以推广并将它用于σ坐标,于是导得了用以描述地形上空边界层气流的控制方程,对边界层气流的特征,特别是对于Ekman抽吸作用进行了详细分析。指出有三种因子影响边界层顶部的垂直运动,第一种因子是边界层内涡度分布,这是与边界层中由于摩擦作用所引起的辐合辐散有直接联系;第二种因子是由于边界层顶部的气流爬坡运动所引起的;第三种是由于边界层中跨越等压线的分量爬坡所引起的,它出现于当等压线与地形等高线相平行时,或地转风呈现绕流情况时,这一作用最为明显。     

斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征

本文利用Ekman动量近似研究了斜压性对Ekman层动力学的影响,得到了一些新的结果。大气斜压性对Ekman层的水平风速分布及近地面的风速矢的水平分量夹角有重要的改变作用。斜压边界层顶部的非线性Ekman抽吸(垂直运动)由三个不同的物理因子决定,第一、正压性的地面地转涡度,第二、斜压性作用产生的热成风涡度,第三、正压性的地面地转涡度与斜压性的热成风涡度的非线性相互作用。这些理论结果为边界层的参数化及数值模拟结果的解释提供物理基础。     

台风的数值模拟研究——积云动量输送作用

本文用一个考虑积云动量垂直输送作用的二维轴对称原始方程模式,模拟了台风的生成和发展过程。数值试验所得到的“模式台风”比考虑Ekman抽吸作用所得结果在其结构上更接近实际台风。因此,同Ekman抽吸一样,积云动量垂直输送作用也可以激发第二类条件不稳定(CISK),促使台风的生成和发展。而且,积云动量垂直输送作用,在台风的形成和维持中可能比Ekman抽吸更为重要。     

Ekman动量近似下中间边界层模式中的风场结构

发展了一个准三维的、中等复杂的边界层动力学模式，该模式包含了EKman动量近似下的惯性加速度和Blackadar的非线性湍流粘性系数，它进一步改进了Tan和Wu(1993）提出的边界层理论模型。该模型在数值计算复杂性上与经典Ekman模式相类似，但由于包含了Ekman动量近似下的惯性项，使得该模式比传统Ekman模式更近于实际过程。中详细地比较了该模式与其他简化边界层模式在动力学上的差异，结果表明：在经典的Ekman模式中，由于忽略了流动的惯性项作用，导致在气旋性切变气流（反气旋性切变气流）中风速和边界层顶部的垂直速度的高估（低估），而在半地转边界层模式中，由于高估了流动惯性项的作用，结果与经典Ekman模式相反。同样，该模式可以应用于斜压边界层，对于Ekman动量下的斜压边界层风场同时具有经典斜压边界层和Ekman动量近似边界层的特征。     

经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性

本文首先利用变分方法,考察了边界层运动能量的变化,指出经典Ekman流是在不可压缩条件下,能量积分达最小值时的一种平衡运动。这对Ekman层运动的物理本质有了进一步的认识。其次,讨论了Ekman动量近似下的Ekman层的平衡风场特征,研究了该平衡风场附近扰动的稳定性问题,结果表明,在自由大气气压场不发生扰动条件下,Ekman层中存在一类新的与惯性不稳定相类似的动力不稳定,且其不稳定性可与Ekman抽吸相联系,还讨论了一般性条件下的扰动不稳定性问题。     

Linear momentum approximation and frontogenesis caused by baroclinic ekman momentum flow

A method of linear momentum approximation is proposed that deals with weak nonlinear problems in an ap-proximate manner. A motion of nonlinear nature is obtained in the system by assuming the motion to be in the form of linear momentum flow in the corresponding space introduced, followed by the transformation from the specified into a physical space. Significant results have been thereby derived in examining the effects of baroclinic Ekman mo-mentum flow upon Eady-type baroclinic waves and frontogenesis. Also, this technique can be applied to investigate the dynamic characteristics of the weak nonlinear boundary layer including topography, stratification and non-Ekmantype friction for gaining further insight into the influence on the boundary layer inner parameters of ter-rain, baroclinicity and inhomogeneous process so that the classic theory is revised.     

The Ekman boundary layer over orography: An analysis of vertical motion

A model of the planetary boundary layer is used to determine the field of vertical motion over large-scale orography. This model represents Ekman boundary-layer dynamics modified by the inclusion of accelerations of the geostrophic wind under the geostrophic momentum approximation. The orography is represented by a circular mountain. The inviscid solution is provided by the sum of a constant translation and a steady, uniform potential vorticity, anticyclonic vortex. The boundary-layer solution vanishes on the mountain, but is matched to the inviscid solution as the top of the boundary layer is approached. The vertical velocity field at the top of the boundary layer is determined by integration of the continuity equation. The field of motion is largely determined by descent from above into the anticyclonic circulation, as in the classical Ekman model. Contributions that arise from the inclusion of accelerations are associated with boundary-layer advection and ageostrophic divergence that produce vorticity tendencies. Finally, the boundary-layer vertical motion is shown to be comparable in magnitude to the vertical motion forced by inviscid flow over the orography, although the distributions of each are significantly different. Effects of mountain asymmetry and a changing pressure field, that can be treated more fully by numerical model simulations, are not considered in the present study.On leave at the University of Colorado, 1990.