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台风海面风场的动力分析、四维同化及数值试验

马艳  
【摘要】: 台风是最具破坏性的海洋-大气系统。台风及其引起的沿海强风暴潮和海上巨 浪不仅给沿海地区人民的生命财产造成严重的损失,而且对海上交通运输、军事活 动、海洋工程和渔业都带来严重影响。准确的台风海面风场是获得比较真实的海浪、 风暴潮等海洋现象的关键所在。由于不准确的海面初始场和台风海面风场数值模式 中物理过程不完善等问题,模拟预报台风海面风场的精度达不到要求,极大的影响 了海浪、风暴潮等海洋过程的模拟预报精度。因此获得准确真实的台风海面风场不 仅对国民经济的顺利健康发展起到至关重要的作用,而且会很好地促进海浪、风暴 潮等过程的研究。 中尺度大气数值模式MM5在灾害性天气的预报研究方面具有重要的地位,并 在暴雨研究方面取得了成功。在本论文中,我们结合气象工作者和海洋学者在台风 研究中的不同侧重点,耦合自由大气和边界层过程,考察海气相互作用对台风海面 风场的作用,首次将MM5应用于台风海面风场的研究之中,这对台风海面风场的 研究来说是一个新的起点。本论文在MM5中,将中国国家气象中心中期预报谱模 式T63/T106分析和预报场与常规地面和探空观测资料相结合,合理调整模式参数(海 面粗糙度等参数),建立了一套适用于中国区域的台风海面风场的模拟、预报系统。 本论文利用改造过的中尺度大气数值模式MM5对两个台风个例:9608号台风 (HERB)和9711号台风(WINNIE)进行数值试验。对海面风场而言,海气热通量 交换对海面风场发挥着重要作用。因此本论文研究海面热量通量交换对9608号台风 的强度和中心位置的影响,这也是以前国内台风数值模式中疏于考虑的方面。最后 将模式模拟风场用于波浪的模拟研究之中,考察模拟海面风场在海洋环境研究中应 用的有效性;并与目前国内较先进的LAGFD-WIN海面动力风场模式对比,检验MM5 在台风海面风场研究中的性能。研究结果表明,MM5较好的反映出台风特性,并 且优于LAGFD-WIN海面动力风场模式结果。 在考察台风不稳定扰动特征时,我们区别于以往的本征值方法,利用中尺度二 维扰动模式,由MM5提供9711号台风数值试验结果作为扰动模式的初始场,从动 力学角度研究台风过程的扰动特征。 初始资料问题对台风模式的预报模拟精度来说是一个最大、最重要的问题。因 此改善、弥补模式初始场所造成的不足是本研究论文的重点工作之一。目前,在国 内关于MMS中的四维资料同化(FDDA)方案试验刚刚起步。在本论文中,我们成 功的启动MMS的四维资料同化方案:分析逼近和观测逼近。我们改造模式,同时 启动这两种逼近方法,充分发挥探空资料和地面观测资料各自的优越性*探索不司 尺度、不同类型的资料在台风海面风场的应用。尝试卫星高度计风场资料溶于MMS 中的同化方案中,这是本研究论文的另一个创新之处。 本文的主要结论是: (l)对两个台风个例:9608号台风(HE朋)和9711号台风(W删IE)进行了 控制试验(CNTL)研究,分析台风模拟过程的温度距平、海平面气压及海面风场 分布特点。研究表明,两个台风过程分别在不同高度上具有暖中心结构;模拟出的 两个台风环流都呈现出台风的非对称及涡旋型态,模拟出的台风强度令人满意。对 移动路径来说,对9608号台风过程,12h模拟台风路径误差为1.3个纬度,0.7个经度, 而24h的模拟误差则为 0.4个纬度,0.2个纬度;而对于9711号台风过程,其 12h模拟 台风路径误差为1二个纬度,1石个经度;24h路径误差为1.9个纬度,1.5个经度:36h 模拟路径误差为 3二个纬度,2.8个经度。我们认为,山于9711号台风过程不准确的 初始场,9711号台风模拟路径精度逊色于9608号台风过程的结果。 p)9608号台风过程中感热通量和潜热通量交换,在台风中心附近,热通量较 小,但在台风周围,存在热通量的高值压,随着台风强度的减弱,热量通量交换也 随之减小。在海面上始终是海水给大气提供热量。海面潜热通量总为正通量,并且 都大于相应时刻的感热通量,表明水汽通量对台风系统比感热通量更重要。在分析 热通量在不同下垫面演变特征时发现,感热通量在陆地下垫面上最大,其峰值出现 在下午Zh左右,在水陆交界处的次之,而在水域上的最小,对于潜热通量则是水域 上最大,陆地上最小。 o)应用9608号台风的模拟海面风场到海浪的数值模拟研究中,发现山于台风 海面风场分布的不对称性(在台风前进方向的右侧风速最大),也因此造成了海浪 有效波高分布的不对称性,同时在台风影响的右前方也传播得较远。随着台风海面 风场减弱,风浪能量也逐渐消耗,有效波高也逐渐降低。 K)在台


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