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地形对涡旋Rossby波传播和台风强度变化影响的研究

余锦华  
【摘要】: 热带气旋路径及强度变化是台风预测的两个主要方面。近几十年来,热带气旋路径预测取得了显著进展,相对来说,其强度预测技术提高得较慢。二十世纪九十年代以来,热带气旋强度变化的物理机制成为国际台风动力学的一个研究热点。Montgomery和Kallenbach提出,涡旋Rossby波传播可使热带气旋加强,这一新的物理机制得到了广泛的研究。 本文首先设计了一个极坐标系正压涡度方程的半谱模式、一个准地转格点模式对涡旋Rossby波传播和热带气旋强度变化进行了较为系统的研究。之后设计了一个浅水模式较详细地研究地形对涡旋Rossby波传播以及热带气旋强度变化的影响。 主要结果可归纳如下: 1.涡旋Rossby波传播对热带气旋强度变化的影响,与初始扰动相对涡旋中心的位置、初始扰动尺度大小及强度等关系密切。初始圆形扰动涡度场转化为螺旋臂涡量带的现象是初始扰动位于涡旋最大风速半径(RMW)外围最显著,其次是RMW附近,当扰动位于涡旋内核区时几乎没有螺旋臂结构形态出现,表明,初始扰动离TC中心越远,其强迫涡旋Rossby波形成的螺旋带结构越明显,反之越弱。RMW附近扰动使最大平均切向风速增大最明显,其次是内核区,而且这种增强表现出显著的震荡特征,震荡周期约为6~7h,内核区的震荡较弱,震荡周期略短。RMW外围扰动使TC强度减弱,这种减弱作用也表现出震荡形态,震荡周期约13h,其震荡强度随时间具有减弱的趋势。初始扰动尺度减小,涡旋Rossby波减弱,对TC强度增强作用减弱;扰动尺度增大,波动增强,向内传播的涡量显著增大,但转化为涡量带现象变化不大,风速变化的震荡性增强。台风内核区和眼壁附近扰动的减弱(加强)使台风最大切向风速的增幅减小(增大),且强度增强,风速变化的震荡性加强,震荡的周期缩短;强度减弱,风速变化的震荡性减弱,震荡的周期加长。外缘扰动强度的减弱使台风最大切向风速的减弱明显地减小,扰动强度增强,平均切向风速变化的震荡加剧。双涡分布条件下,RMW外围区的扰动使近眼臂区扰动对TC的加强作用减弱,东-西分布的两涡类似于方位2波的扰动,比其他形式分布的对TC强度的加强作用要强,但这种类 博士学位论文:地形对涡旋R。SSby t和台风强度影响的研究 似二波分布扰动使TC强度的增幅并没有实际二波扰动的增幅大。非线性平流的 引进使涡旋平均最大切向风速的增大减小,且这种减小与初始扰动方位波数及强 度有关。 2.设计了一个高分辨率的f平面的准地转正压涡度方程模式,用以研究两个 径向距离不等的中尺度涡旋共存条件下,台风环流内涡量传播的特征,以及非线 性在此传播过程中的作用。10组试验的结果指出:与单涡条件相比,涡量内传 的强度显著加强,涡量滞留在台风内区的时间加长,内区局域最大风速增大的现 象更加清楚。非线性平流的引进,使涡量向内区传输以及向外传输的强度均减弱: 但内传的涡量更加接近于台风中心。 3.首次将地形引进到浅水模式,在涡旋ROSSby波动力学框架中,研究地形卢 效应对涡旋ROSSby波传播以及热带强度变化的影响。无地形控制试验的结果表 明,涡量传播主要受涡旋ROSSby波传播的控制,重力惯性波的存在,并不阻碍 涡旋ROSSby波对扰动涡度分布的影响。轴对称化过程的快慢与初始中尺度涡相 对TC中心的距离有关,初始中尺度涡位于RMW附近及内核区域,其非对称性 可较快地通过轴对称化过程调整到准轴对称环流运动状态,而RMW外围区的非 对称环流的轴对称化过程相对较慢,延后。圆形地形的引进,(1)减慢了挑动沿 方位角方向逆时针传播的速度,沿径向向内传播增强,扰动能量增大;()涡旋 内核区非对称性的轮对称化过程加快,涡旋外围区的减慢;()初始扰动异常位 于RMW外缘,最大局域风速的增幅增强,但最大平均切向风速的增幅减小,甚 至小于初始时刻对应的值,当扰动位于涡旋RMW内区时,最大局域风速减小, 最大平均切向风速的增强加大;(4)初始双涡条件下,圆形地形使局域最大风速 的增强减弱,但最大平均切向风速的增强与无地形条件下相近。 4.利用浅水模式,进行了大量地形敏感性试验。首先比较了类似于台湾岛大 小及形态的椭圆地形与圆形地形条件下,涡量传播特征及热带气旋强度变化的差 异,结果表明,椭圆地形条件下,涡量向内传播加强,更趋近于主涡旋中心,向 外传播减弱,扰动能量增大;局域最大风速以及平均切向风速在各个时刻都大于 圆形地形。其次实施地形与热带气旋间距离变化产生的效应,当两中心靠近时, 扰动能量沿径向向内传播加强,涡量更趋近于涡旋中心,距离增加,能量向外传 播得较远;扰动涡度场环绕地形中心顺时针方向旋转的趋势在*C靠近地形时更 11 摘要 加明显:*C相距地形一定距离时,可在其西南坡诱生出一小涡旋:当*C与地 形间距减小时,地形的影响使TC局域风速增强显著,其增幅的震荡性也加大, 最大平均切向风速减小,距离增加风速?


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