斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究.结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80 km的小涡旋,两个初始分离的半径为500 km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离.(2)在试验2中引进了一个半径为80 km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋.这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果.(3)试验3-8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用.它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的.     

斜压涡度的变化与台风暴雨的关系研究

台风暴雨作为台风引起的最主要灾害之一,一直被人们关注。台风常被认为是对称结构,但从实际状况来看台风的非对称性非常明显,所以有必要研究斜压性涡度在台风中的表现。在高分辨率数值模拟的基础上,通过引入斜压涡度的概念,分析和总结了斜压涡度在2009年台风“莫拉克”暴雨过程中的表现。通过模拟与分析得到如下的结果:斜压涡度和MPV对比,可以看出在登陆前和登陆后,明显低层斜压涡度有更强的异常信号,围绕台风内核呈现正负正的位相特点;从沿着台风中心时间剖面可以看出,登陆前斜压涡度低层多为负正负的位相,并且随着时间的推移,斜压涡度有从大气的高层向台风的移动中心传递的趋势,即在台风即将到达时原先的正涡度被替换为负涡度,所以对其移动有一定指示意义;在台风“莫拉克”过台湾岛时,其斜压涡度表现为负涡度消失,在山地附近有正涡度生成,完成过岛,台风中心被替换;斜压涡度的异常值主要位于大气的低层时,一般会产生较强的降水。      

斜压大气中环流非对称结构与台风移速关系的数值研究

采用4层准地转斜压模式,在无环境气流的情况下,进行了两次数值试验,研究了台风环流不同方位、不同半径处的非对称程度与其中心移速的关系,以及不同层次台风环流的非对称结构与台风移速的相关性。结果表明:(1)距台风环流中心100～300kｍ的东-西向和东北-西南向非对称程度与其东西向移速有稳定的强负相关,200～500kｍ的东南一西北向非对称程度与其南北向移速有稳定的强正相关。(2)模式最下层环流的非对称结构与台风移速的关系最密切。在该层,距中心100～400kｍ的东-西向和东北-西南向非对称程度与台风沿东西向移速密切相关,100kｍ以外的东南一西北向非对称程度与台风沿南北向移速密切相关。     

多涡自组织的初步研究

在涡旋自组织动力学的框架内,用f平面二维准地转模式研究了初始场上不规则分布的由12个β和γ中尺度涡构成的涡群如何自组织成一个较大涡旋的问题.结果表明,多涡自组织是一个逐次合并的过程,开始时是相邻双涡的合并,然后形成三涡流型,最后才形成一个α中尺度的终态涡.因此,多涡共存条件下的双涡作用,是多涡自组织的一个基本的物理过程.初始场上的每一个涡或涡块,主要有两类\     

华东地区强对流降水过程湿斜压涡度的诊断分析

湿斜压涡度(Moist Baroclinic Vorticity,MBV)、湿热力斜压涡度(Moist Thermodynamic Baroclinic Vorticity,MTBV)及湿位涡(Moist Potential Vorticity,MPV)是能够完整表征涡度三维信息的物理量,其中MBV代表切变风对湿比容的平流输送作用,MTBV反映了垂直气压梯度、对流稳定度、风垂直切变与湿比容水平梯度之间的耦合效应。本文利用这些物理量对2009年8月17日发生在华东地区的一次强对流降水过程进行了诊断分析。该过程是在高空急流、中层浅槽和低空切变线的密切配合下产生的,共经历了"团状结构—带状结构—团状结构"三个发展阶段。诊断结果表明,MPV、MBV和MTBV的异常值区与降水落区有较好的对应关系;随着强对流降水的发展演变,MPV、MBV和MTBV都产生了相应的变化,MPV、MBV和MTBV对降水和对流系统有追踪指示意义。相对而言,在反映降水强度变化方面,MBV和MTBV比MPV更具优势。     

对流涡自组织过程的数值研究

利用一个简化的浅对流模式，从非线性热力学观点出发，分析了热对流涡的自组织过程，揭示了系统熵收支与对流涡的形成及发展过程的关系。结果表明，系统失稳构成了对流涡形成的触发过程；在对流涡的发展过程中，涡的非线性自组织是对流涡组合兼并的动力学原因，而与这一过程相对应的负熵流是引起涡自组织并最终维持对流涡有序结构的非线性热力学原因。     

一个β中涡对双台风相互作用影响的物理过程

利用高分辨率f平面正压拟谱模式,分析一个β中尺度涡对双台风相互作用影响的物理过程。结果表明：β中涡的存在可以使原本排斥的两个DeMaria型台风涡旋合并;β中涡改变双台风相互作用终态的物理机制是：初始时段处于某一台风涡旋正影响区内的β中涡,构成了非对称涡度场,进而在该台风涡旋内部产生指向另一个台风涡旋的气流。该气流如果足够强,则会使两个台风的中心距离在短时间内下降到合并临界距离之内,触发双涡合并过程的发生。     

斜压大气中海面边界层摩擦偏角的动力学研究

本文在Ekman动量近似下，引入关于水面粗糙度的Charnock公式，求得了斜压大气中海面边界层的风速的解析表达式，进一步得到边界层摩擦偏角的公式，并获得了边界层摩擦偏角的有关结论。例如海面的摩擦偏角远小于陆地的摩擦偏角；低纬的摩擦偏角比高纬的要大：理论分析和个例计算均表明，垂直平流惯性力与水平平流惯性力对摩擦偏角分别起着减小和增大的相反作用，而且反气旋性涡度处与气旋性涡度处的摩擦偏角可相差达20多度。冷暖平流下的摩擦偏角相差很大，甚至可达七、八十度。这些结论对斜压大气中的海面边界层风场摩擦偏角的预后都具有指导性作用。     

旋转大气中地形对涡旋自组织影响的初步研究

用一个带有地形项的β平面准地转正压涡度方程,进行2组积分时间长度为48h的试验,分析旋转大气中地形对多涡自组织的影响。地球旋转作用的引入主要会引起以下的差别：无旋转大气中,多涡自组织的特征是准终态涡将初始多涡全部吸收或全部组织起来;旋转大气中,多涡自组织的特征是准终态涡将初始多涡部分吸收或部分组织起来,差别较明显。中尺度地形对准终态涡位置的影响不同。无旋转大气中,中尺度地形对准终态涡位置的影响较小,有无地形的两个准终态涡中心之间的距离约100km;旋转大气中,中尺度地形对准终态涡位置的影响较大,有无地形的两个准终态涡中心之间的距离约200km,两者相差一倍左右。     

多尺度系统中台风自组织的研究

在一个4种尺度（副热带高压、台风、β中尺度涡群和γ中涡尺度）共存的系统中,用压原始方程模式数值地研究台风自组织及其强度变化问题。结果指出：（1）由于多尺度的相互作用,在初始台风衰减的过程中,在该台风的西南方经自组织形成了一个新的台风,其尺度、强度与初始台风相同。在初始台风衰减消失后,新的台风维持一定的强度继续向偏西北方向移动。（2）初始γ中涡的个数和位置对自组织起来的台风的强度有显著影响。其影响机制是非线性相互作用的结果在不同尺度层次的传递。γ中尺度层次或γ中—β中层次的相互作用直接影响到β中层次涡作用的结果,或者使双β中涡合并,或者使双β中涡分离。\nβ中涡层次的相互作用直接影响到台风层次——新台风自组织的过程。这种影响最后反到自组织起来的台风的强度和路径变化的宏观行为。     

PRELIMINARY STUDY ON RELATIONSHIP BETWEEN DOUBLE VORTICES SELF-ORGANIZATION AND TYPHOON FORMATION IN BAROCLINIC ENVIRONMENT

The relationship between the self-organization of double vortices (SODVs) and the formation of typhoons was discussed based on six numerical experiments with the Fifth-Generation National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model (MM5) and further discussion was made with a real typhoon case. The results showed that there is a critical distance dc for SODVs in baroclinic atmosphere. When the distance between separated vortices is smaller than or equal to dc, the double vortices self-organize into a typhoon-like vortex with two spiral bands. But the double vortices cannot have such organization if the distance between them is larger than dc. The value of dc is about 380 km in the context of ideal conditions in this paper, larger than that achieved in a barotropic model. A typical typhoon case in 2005 (Haitang) was selected to verify the above-mentioned conclusions. It was found that the SODV is one of the important and typical ways for the formation of typhoons.     

涡旋自组织过程影响0604号热带气旋Bilis降水的数值研究

利用PSU/NCAR中尺度天气预报模式MM5,成功模拟了0604号热带气旋Bilis登陆后的移动路径和降水分布。在此基础上,讨论了不同尺度涡旋自组织过程对热带气旋Bilis产生局地暴雨的影响。结果表明:(1)引发强降水的对流系统不是来源于热带气旋螺旋云带内的对流云团,而是受热带气旋外围环流与局地地形影响下形成的多个中小尺度系统之间自组织的结果;(2)与0604号热带气旋Bilis登陆前后24小时的强降水相关的自组织过程是分阶段进行的,即第一阶段的双涡自组织过程和第二阶段的多涡自组织过程;(3)局地多尺度涡旋之间的自组织过程,是0604号热带气旋Bilis陆上强降水发生的主要动力机制。     

环流非对称结构与台风移速关系的数值研究

利用准地转正压模式,在无环境气流的情况下,对初始轴对称和非轴对称理想台风实施两组共13个数值试验,研究台风环流不同区域的非对称性与其移速的关系。结果表明：（1）台风环流某些区域的非对称性与其移速有稳定的强相关,如,大风半径外围50～100KM附近东—西向东北—西南向的非对称性;（2）大风半径的位角,使台风外围环流的非对称性与其移速相关增强,而最大风速和初始非对称方位用的变化对上述相关性几乎没有影响。     

随机分布的小尺度涡对涡旋自组织影响的研究

以往双涡相互作用的动力学一般都在决定性的框架内研究。文中用一个平流方程模式,实施积分时间为30 h的8组试验,分析决定性和随机性共存系统中双涡相互作用和涡旋自组织的问题。随机性通过以下方式引入模式:先用Iwayama方案生成随机分布的小尺度涡,再将这些小尺度涡加入初始场。试验中,初始随机分布小尺度涡的强度参数K分别取0.0、0.4、0.6、0.8和1.0。结果表明,没有小尺度涡的条件下(K=0.0),初始分离的两个β中尺度涡逆时针互旋,其准终态流型是两个分离的涡;引进小尺度涡后,K取0.8、1.0时,初始分离强度相同的两个β中尺度涡,逐渐形成主次之分。主涡将次涡拉伸成为螺旋带,其准终态流型是一个自组织起来的类似于台风环流的涡旋。准终态涡中心的相对涡度值随K值的加大而加大。结果还表明,准终态流型不仅与初始小尺度涡的强度参数有关,而且与初始小尺度涡的分布有关。此外,在相同初始场的情况下,还实施了3类不同边畀条件的试验:第1类,在东西边界取周期条件,在南北边界取固定条件;第2类,在所有边界均取固定条件;第3类,在所有边界均取周期条件。这3类试验的准终态流型相同,都显示出一个类似于台风涡旋的环流。根据这些结果可以初步认为,涡旋自组织的研究从决定性动力学向随机动力学的过渡是值得探索的。     

簡单斜压大气中热成风的建立和破坏(二)

本文第一部分的分析只是近似地反映大气运动的一个方面——起始非热成风怎样达到热成风平衡的,在实际大气中,还存在另外一些因子,不断促使热成风破坏,并在热成风不断破坏和不断适应的基础上,形成了天气系统的变化和发展,自由大气中,造成热成风破坏的因子是多种多样的,例如非绝热加热,非线性平流作用,垂直方向的输送(例如     

斜压大气中涡旋运动方程及其在天气预报中的应用

本文根据流体力学的基本理论,得出了斜压大气中的涡旋运动方程。并讨论了决定涡旋运动的六个基本因子。对日常应用的高空引导观念给予比较明确的物理解释并加以修正。文中对这方程在预报台风移动的应用作了初步说明,也附带简单地谈到了中纬度系统的移动。在附录中还指出了关于系统内力作用的误解,并简单地讨论了台风运动的摆动周期和振幅。     

PRELIMINARY STUDY ON STRUCTURE OF WINTERTIME TYPHOON NANMADOL IN 2004

Using NCEP/NCAR reanalysis, the structure of a wintertime typhoon named Nanmadol that landed on Taiwan 4 December, 2004 has been examined in this paper, it is found that Nanmadol looks similar in structure and time evolution to summer typhoons; the central part of it is warm and humid, and the convergence is observed in the lower troposphere while there is divergence in the upper troposphere. The differences between wintertime and summertime typhoons are found. The southwest stream flow in the lower troposphere and cyclonic disturbance in the upper troposphere seem significantly weaker in Nanmadol than in summertime typhoons. The EOF analysis performed for sea level pressure (SLP) of Nanmadol shows that about 90% of the total variance of temporal changes in typhoon circulation can be explained by two leading EOF modes of EOF1 and EOF2. EOF1 shows the structure and intensity variations of Nanmadol while EOF2 shows the changes in environmental SLP distributions that influences the moving direction of Nanmadol.     

簡单斜压大气中热成风的建立和破坏(一)

本文第一部分利用两层模式討論了热成风的适应問題.如果起始非热成风流場的热成风涡度大于溫度場的热成风涡度时,促使上升运动加强,反之,促使下沉运动加强。对于250—750毫巴之間的斜压系統,适应的特征尺度L_0,是决定流場向溫度場調整,还是溫度場向流場調整的临界水平尺度。 第二部分根据溫度場和流場的平流作用,分析了非热成风产生的机制.并由热成风适应速率和破坏速率的对比,討論了准地轉运动和非地轉运动的形成。 最后,用热成风不断破坏和建立的观点和方法,分析了长波斜压不稳定发展的过程,并进一步揭示了它的物理本貭。