收藏本站
《南京大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

台风边界层中的尺度优化方法和不平衡流适应下台风眼的形成问题研究

黄文誉  
【摘要】:论文探讨了‘套适用于台风边界层内的动力学方案,这套方案是基于尺度优化的方法下做出的,即优先考虑大尺度运动,随后是中尺度运动,最后是小尺度运动。通过尺度优化的方法,很好的结合了前人对大尺度运动的贡献,即大尺度运动采用四力平衡的地转动量近似方案,在这个基础上,假定台风边界层内中小尺度运动中满足径向气流远小于切向气流,实现了尺度优化。 同时论文认为一些现存的方案没有处理好台风边界层动力学的原因在于,过分地强调了中小尺度动力学的研究,而忽略了中小尺度的背景场,即大尺度运动。只有在大尺度运动首先得到了最优化的处理的基础上,所处理的中小尺度运动才是有意义的。所得到的尺度优化后的台风边界层方案,经过与一些前人的大尺度边界层动力学方案的比较后,发现新的方案能够很好的处理大尺度动力学。 在处理好大尺度动力学后,论文将方案应用到台风类的涡旋中,研究其边界层内的结构,分别在轴对称和非轴对称的框架下进行了探讨。 在轴对称的边界层中,前人给出的简单形式的解析解可以适用。并且发现边界层内的径向气流表现出一些特征:在台风处于加强状态时,径向气流从上到下、由里向外依次是流入流出流入结构;在台风处于减弱状态时,径向气流表现为简单的下层流入上层流出的结构。而切向气流则是:对于同等强度的涡旋,处于加强状态时边界层内的切向气流不如处于减弱状态时的切向气流强,原因在于加强时一部分的切向动能转化为径向流入的气流动能。在轴对称的框架下,本文并没有发现任何的中心下沉气流,即没有很好的台风眼结构,这可能是由于本文的边界层模型无法考虑自由大气对边界层的中心补偿下沉气流造成的。 在非轴对称的框架下,简单形式的解析解的适用性是值得探讨的。作者给出了简单形式的解析解适用的条件,但是也指出在台风类涡旋中这个条件并非是处处适用的。作者给出了另外两种替代的数值解法,一种为超松弛迭代法:用原定的解析解作为猜测场;另外一种是五对角矩阵求逆解法。本文选用了计算量大、精度高的五对角求逆解法。给出了与数值模拟和观测事实比较吻合的结果:在边界层的上层,超梯度流现象与次梯度流现象并存,但是超梯度流现象略强,在方位平均后主要是超梯度流现象;在边界层的底部,最大风速半径附近处主要是超梯度流现象,此区域对应强的流出气流,最大风速半径外的区域主要是次梯度流现象,此区域对应为流入气流。在非轴对称的框架下,发现了中心下沉气流,即有很好的台风眼的结构。由于本文的模型是无法考虑自由大气对边界层的反作用补偿气流的,因此本文相信中心下沉气流可能是由于边界层内某种自发的机制形成的,并且这种机制与非轴对称的过程紧密联系。 与一些的数值模拟结果的主要区别在于边界层的底部的眼墙内:本文给出的结果是“超梯度流”,而其他学者给出的结果却是“次梯度流”,关于这一点无法确认谁是谁非,但是本文认为这个区域内的“超梯度流”的存在有利用形成倾斜的眼墙。如果本文的立论方案给出的结果是正确的话,那么相信他人数值模拟给出的结果可能是由于“中心定位问题”导致的“将外面的次梯度流现象搬运到眼内”。 此外,对于“超梯度流”和“次梯度流现象”,论文与之前的Euler方法略有不同,选择了用Lagrange的观点来进行解释。首先假定在整个边界层中,存在本文求出的切向风场中的“超梯度流”和“次梯度流”是背景场,当然在眼墙附近处的上升气流也是背景场的一部分。在边界层的底部,离眼墙很远处的一个气体微团(初始速度为零),由于处于“次梯度流”的背景场中,开始向中心作加速运动,但是在到达眼墙附近时进入了“超梯度流”的背景场,又开始作减速运动,在到达眼墙后这个微团基本上无径向运动;而在台风眼中心附近也存在一个微团,由于处于“超梯度流”的背景场,会向眼墙处作加速运动,这个微团与之前的从较远的外围区域过来的微团相互碰撞于眼墙附近,最后由于动量守恒定律,略有向外的径向运动,在眼墒处的向上运动的背景场下,新的微团会有向外倾斜的向上运动。用类似的方法也解释了在边界层中上部主要表现为“超梯度流”的现象。 为了研究边界层内是否能够通过自发的过程形成中心下沉气流,本文进行了一个高分辨率的三维数值模拟,水平格距为2.5千米,垂直格距为50米。给定的初始场为轴对称的,满足静力、梯度风平衡关系的台风类涡旋。在假定气压不变的情况下,研究在摩擦力的作用下,涡旋如何达到平衡态,称之为台风边界层内的不平衡流适应。发现结果中出现了很好的眼的结构,即中心有下沉气流,两侧都有上升气流。然而适应的过程却是非轴对称的,一开始的时候,由于摩擦力的不平衡作用,台风的一侧出现上升气流,另一侧出现下沉气流。中心下沉气流是通过一侧的下沉气流向中心收缩、并向另一侧移动形成,而原先的上升气流的则开始不断减弱,另一侧的下沉气流的位置上则慢慢由上升气流所占据,并不断增强。达到平衡态之前,中心下沉气流不断增强,强度较高的上升气流则不断减弱,强度较小的上升气流则不断增强,直到两支上升气流强度基本一致。 论文还利用Lagrange的观点分析了数值模拟中出现的边界层中心下沉气流的来源问题,当然主要研究的是从微团进入到边界层内的时间尺度问题。 本文认为台风边界层内的中心下沉气流可以分为两种:一种是自由大气的补偿气流:另一种是边界层通过非轴对称适应过程自发形成。其中自发形成的下沉气流比补偿气流来的强。这个结果可以用来解释目前的一些现存的边界层方案和轴对称的数值模式中出现的一些动力学特征:在没有考虑自由大气对边界层反作用强迫且没有考虑非轴对称因素的理论方案中,很难出现中心下沉气流:而非轴对称方案中往往出现的是台风边界层自发形成的中心下沉气流;一些现存的轴对称的台风的数值模式中出现的中心下沉气流比实际的结果是明显偏弱的。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P444

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 傅刚,郭敬天,张美根;High-Resolution Simulation and Analysis of the Mature Structure of a Polar Low over the Sea of Japan on 21 January 1997[J];Advances in Atmospheric Sciences;2004年04期
2 唐晓东;谈哲敏;;Boundary-Layer Wind Structure in a Landfalling Tropical Cyclone[J];Advances in Atmospheric Sciences;2006年05期
3 方娟;汤剑平;伍荣生;;The Effect of Surface Friction on the Development of Tropical Cyclones[J];Advances in Atmospheric Sciences;2009年06期
4 伍荣生;提高差分与微分逼近程度的一个新方案[J];大气科学;1979年02期
5 赵云武;宋金杰;王元;;中尺度地形对热带气旋边界层的影响[J];浙江大学学报(理学版);2010年06期
6 ;A Tangential Wind Profile for Simulating Strong Tropical Cyclones with MM5[J];Journal of Ocean University of China;2005年01期
7 谈哲敏,伍荣生;边界层动力学中的Ekman动量近似[J];气象学报;1991年04期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;Numerical Simulation of a Landfall Typhoon Using a Bogus Data Assimilation Scheme[J];Atmospheric and Oceanic Science Letters;2011年04期
2 陆汉城;高守亭;谈哲敏;周晓平;伍荣生;;The Major Research Advances of Mesoscale Weather Dynamics in China Since 2003[J];Advances in Atmospheric Sciences;2007年06期
3 胡邦辉;杨修群;谭言科;王咏青;范勇;;A New Method for Calculating the Wind Speed Distribution of a Moving Tropical Cyclone[J];Advances in Atmospheric Sciences;2010年01期
4 谈哲敏,伍荣生;β-GMA与边界层动力学特征[J];大气科学;1992年05期
5 孟智勇,徐祥德,陈联寿;一种适于较强台风的切向风廓线方案及其对异常台风路径的数值模拟研究[J];大气科学;2001年02期
6 沈新勇;刘佳;秦南南;冯琎;;台风麦莎登陆后粘性摩擦对正压特征波动的影响[J];大气科学;2013年06期
7 LIANG Jia;WU Liguang;ZONG Huijun;;Idealized Numerical Simulations of Tropical Cyclone Formation Associated with Monsoon Gyres[J];Advances in Atmospheric Sciences;2014年02期
8 刘磊;费建芳;程小平;;三维变分同化中不同物理量对台风预报的影响[J];气象与减灾研究;2008年01期
9 赵云武;宋金杰;王元;;中尺度地形对热带气旋边界层的影响[J];浙江大学学报(理学版);2010年06期
10 刘敏;郭鹏;;Ekman层风速随高度分布方程的数值解试验[J];中国科学院上海天文台年刊;2005年00期
中国重要会议论文全文数据库 前6条
1 丁伟钰;万齐林;;BDA方案及其对伊布都(0307)台风预报的影响[A];推进气象科技创新加快气象事业发展——中国气象学会2004年年会论文集(上册)[C];2004年
2 王亮;潘晓滨;李毅;张云;史荟燕;;对NCAR_AFWA方案风场改进及对“云娜”台风模拟研究[A];中国气象学会2005年年会论文集[C];2005年
3 黄小刚;费建芳;陆汉城;;消去分析台风方法的对比研究[A];中国气象学会2006年年会“灾害性天气系统的活动及其预报技术”分会场论文集[C];2006年
4 王亮;陆汉城;潘晓滨;;人造台风风场方案的改进及在WRF模式中动力初始化应用研究[A];中国气象学会2007年年会天气预报预警和影响评估技术分会场论文集[C];2007年
5 ;Tropical Cyclone Initialization with Dynamical Retrieval from a modified UWPBL Model[A];第七届全国优秀青年气象科技工作者学术研讨会论文集[C];2010年
6 王亮;潘晓滨;何宏让;李建良;;对NCAR_AFWA方案风场改进及对“云娜”台风模拟研究[A];第二届长三角气象科技论坛论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 胡邦辉;西北太平洋热带气旋气候特征及风场计算研究[D];南京大学;2011年
2 曾智华;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[D];南京信息工程大学;2011年
3 孙明华;GRAPES-ECOM-si区域海气耦合模式的发展及其对热带气旋强度预报的研究[D];中国气象科学研究院;2013年
4 刘佳;台风“麦莎”的动力学特征与台风强度对台前飑线发展过程影响的研究[D];南京信息工程大学;2013年
5 王慧;台风Megi(2010)强度和结构变化的数值研究[D];南京信息工程大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 温德垚;同化非均匀分布的雷达资料对台风路径模拟效果的影响[D];兰州大学;2011年
2 吴陈锋;台风多普勒雷达速度资料中提取环境风场信息的方法研究[D];南京信息工程大学;2011年
3 李波;龙卷风风场及其对建筑物风荷载影响的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2011年
4 谢鎏晔;台风风场与波浪场的数值模拟研究[D];上海交通大学;2012年
5 郭敬天;对一个日本海极地低压的观测与数值模拟研究[D];中国海洋大学;2005年
6 隋洪起;利用气象传真图反演风场和海浪场[D];中国海洋大学;2005年
7 李雪;基于数值模拟系统的台风涡结构模拟[D];哈尔滨工业大学;2009年
8 张雪婷;热带气旋的温带变性过程对中纬度下游环流的影响[D];南京信息工程大学;2012年
9 赵华睿;西北太平洋台风环流分离方法比较[D];南京信息工程大学;2013年
10 张艳辉;超高层建筑结构旋转风荷载效应研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 钟元;王东法;余晖;;热带气旋登陆后路径的客观预测方案[J];浙江大学学报(理学版);2007年05期
2 谈哲敏,伍荣生;DYNAMICS OF EKMAN MOMENTUM FLOW AND FRONTOGENESIS[J];Science in China,Ser.B;1992年01期
3 潘益农,伍荣生,王元;湍流交换系数的水平非均匀对Ekman抽吸的影响研究[J];南京大学学报(自然科学版);2001年06期
4 郑启康;王元;伍荣生;;地形和湍流交换非均匀对边界层Ekman抽吸的影响[J];南京大学学报(自然科学版);2007年06期
5 伍荣生;非线性Ekman层的动力特征[J];气象学报;1984年03期
6 伍荣生;地形与Ekman边界层中的气流[J];气象学报;1989年02期
7 伍荣生,顾伟;山地上空的Ekman抽吸[J];气象学报;1990年03期
8 谈哲敏,伍荣生;边界层动力学中的Ekman动量近似[J];气象学报;1991年04期
9 谈哲敏,伍荣生;斜压性与非线性Ekman抽吸的动力特征[J];气象学报;1992年04期
10 谈哲敏,伍荣生;经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性[J];气象学报;1993年02期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 廖其奠;热边界层相似性解条件及其相似性解方程[J];上海理工大学学报;1988年04期
2 许维德;三元船舶边界层理论的新进展[J];力学与实践;1983年02期
3 姜树海;;泄水建筑物中紊流边界层的发展厚度及其流速分布的计算[J];水利水运工程学报;1984年02期
4 廖其奠,王关根;任意旋成面叶栅边界层和损失计算[J];上海理工大学学报;1987年01期
5 单辉祖,黄明聪,施振东;含圆孔层合板层间应力分析的边界层理论[J];力学学报;1989年05期
6 胡坤宏;沃恒洲;;传递过程原理课程中边界层理论教学初探[J];广东化工;2010年02期
7 王婷婷;马庆元;郭继平;;平板层流边界层近似速度分布计算方法的改进[J];鞍山科技大学学报;2006年06期
8 张剑文;;不可压膨胀流边界层方程组变换问题整体弱解的存在唯一性[J];数学年刊A辑(中文版);2009年04期
9 唐荣荣;;一类非线性奇摄动问题的激波解[J];兰州大学学报(自然科学版);2006年03期
10 张艳;郑连存;张欣欣;;具有幂率速度移动表面边界层问题解析近似解[J];计算力学学报;2008年S1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨恺;高效伟;;高超声速气动热环境工程算法研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
2 陈学慧;郑连存;张欣欣;;幂律流体边界层流动和传热问题的解析近似解[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年
3 严硕;张晓天;刁晓伟;朱磊磊;单如月;;海豚减阻机理研究[A];北京力学会第17届学术年会论文集[C];2011年
4 王毅;罗永峰;沈惠申;;各向异性复合材料薄壁圆管在轴压下的屈曲性能[A];管结构技术交流会论文集[C];2001年
5 谢伟;陈材侃;程尔升;;船舶粘性流场计算的进展[A];第四届全国结构工程学术会议论文集(上)[C];1995年
6 陈良君;臧绍先;;地幔粘度结构的反演[A];1997年中国地球物理学会第十三届学术年会论文集[C];1997年
7 孙江龙;郭磊;杨文玉;石仲;;水下回转体线型的自动生成及优化研究[A];2007年船舶力学学术会议暨《船舶力学》创刊十周年纪念学术会议论文集[C];2007年
8 刘建军;裴桂红;薛强;;微流边界层对孔隙介质渗流的影响[A];第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集(上册)[C];2006年
9 阎秀华;梁思莹;李德坚;;飘球的流体力学分析[A];第四届全国运动生物力学学术会议论文集(四)[C];1983年
10 白以龙;;多尺度力学的案例和可能模式[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(上)[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前5条
1 记者 刘蓓蓓;“两弹一星功勋”郭永怀力学遗著出版[N];中国新闻出版报;2008年
2 厉秀昀;网上热论“中西医之长短”[N];中国中医药报;2005年
3 沈英甲;翱翔天际畅游宇宙[N];科技日报;2003年
4 敏丽 沈胜强 陈家骅 张志千;传热全仿真模拟是未来发动机研究的主要方向[N];中国汽车报;2000年
5 本报记者 秦延安;陕西:“U形渠道量水槽工艺改进及推广项目”通过验收[N];中国水利报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 纪艳菊;不同涡粘性湍流底边界层特征量研究[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2014年
2 朱玉才;离心式固液两相流泵的边界层理论及其在叶轮设计中的应用[D];辽宁工程技术大学;2002年
3 吴文平;水工建筑物中的紊流边界层问题[D];西安理工大学;2007年
4 苏锋;减小流体粘性对浮子流量传感器测量影响的研究[D];天津大学;2006年
5 孙江龙;绕潜艇三维厚边界层计算和二维自由面波动研究[D];华中科技大学;2006年
6 叶长兵;异波折流板厌氧反应器处理低浓度污水研究[D];吉林大学;2009年
7 成钧;同伦分析法在非线性力学和金融学中的应用[D];上海交通大学;2008年
8 孔令双;河口、海岸波浪、潮流、泥沙数值模拟[D];青岛海洋大学;2001年
9 张成春;旋成体仿生非光滑表面流场控制减阻研究[D];吉林大学;2007年
10 徐新英;Prandtl方程整体解的存在惟一性和一类退化抛物方程解的性质[D];厦门大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李龙;关于微流边界层方程的解[D];集美大学;2010年
2 戴瑞;粗糙元对边界层影响的数值模拟研究[D];浙江大学;2012年
3 孟博;基于边界层理论复合材料压力容器可靠性分析[D];大连理工大学;2010年
4 席本强;基于边界层理论的离心式固液两相流泵的研究[D];西安科技大学;2005年
5 马雷;边界层理论在低比转速离心泵叶片设计中的应用[D];兰州理工大学;2005年
6 冯贺军;限制航道内单船通过能力研究[D];大连海事大学;2008年
7 叶霞;O.A.Oleinik线性方法及其应用[D];集美大学;2013年
8 刘文;高效水解酸化废水处理技术功效与机理研究[D];吉林大学;2004年
9 吴品;旋转电极的电火花孔加工实验研究[D];上海交通大学;2007年
10 李夏云;低雷诺数圆柱绕流电磁控制的研究[D];南京理工大学;2007年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026