内核及外围尺度对热带气旋强度影响的初步研究

【摘要】：强度预报是当前热带气旋业务预报中的难点,虽然实际业务中时常根据眼的收缩来定性的判断热带气旋强度增大,但并非所有的热带气旋在任何时候都会出现明显的眼。有鉴于此,本文将眼的变化扩展到热带气旋的内核,并用热带气旋中心附近的最大风速半径来度量热带气旋的内核尺度,因此,如果内核区的缩放会引起热带气旋强度的变化,则可以普遍地应用于日常的热带气旋强度预报业务中。此外,结构及其变化是影响热带气旋强度变化的三大因素之一(其余为环境场和下垫面及伴随的物理过程),而热带气旋外围的尺度本身就是热带气旋结构的重要方面,其大小的变化反映了热带气旋动、热力条件状态,势必与热带气旋的强度有密切联系,揭示这一联系及其内在的物理机制,无疑将有助于对热带气旋强度变化机制的理解和业务预报。 本文首先依据热带气旋的基本特征定义了其内核和外围尺度及其计算方法,并利用高分辨率的再分析资料(日本气象厅20 km分辨率区域谱模式(RSM)的再分析格点资料),计算了2001—2007年西北太平洋热带气旋逐6小时的2174组的内核和外围尺度并与美国联合台风警报中心(JTWC)整编的年鉴资料进行了比较,验证了本文设计的计算方法得到的尺度样本资料的可用性与本文对热带气旋尺度描述方法的合理性。 然后,本文利用该计算所得的资料,统计分析了热带气旋内核及外围尺度的基本特征,发现:西北太平洋的热带气旋外围尺度平均约为263.7 km,内核区尺度平均约为141.8 km;在5、7、8和10月热带气旋尺度较大,而在4月则较小;同时8月出现大热带气旋的几率最高,4月最低,反之4月出现小热带气旋的几率最高;30°N以南比以北区域的热带气旋平均尺度大;从远海到近海地区热带气旋尺度明显减小,内核区则是先减小后增大。 此外,本文重点分析了热带气旋内核区及外围尺度变化与强度的可能关系,结果表明:尺度较大(小)的热带气旋通常较强(弱),而强度较强(弱)的热带气旋更容易成为大(小)热带气旋;热带气旋强度用中心最大风速或中心最低气压表征得到的统计结果基本一致;当热带气旋内核区较大时,内核区的收缩(放大)有利于热带气旋的增强(减弱);而对于较小内核区的热带气旋,其内核区的收缩(放大)反而易导致热带气旋的减弱(增强);热带气旋尺度的增大(减小)有利于热带气旋的增强(减弱);尺度与强度的相关性在热带气旋衰亡阶段表现更好,而内核区与强度的相关性则在热带气旋发展阶段表现较好。 在此基础上,本文利用高分辨率的台风数值模式设计了5组数值模拟试验,以验证上述统计分析结果的可靠性,并对热带气旋内核及外围尺度的变化对强度影响的可能机制进行了诊断分析,结果表明:角动量守恒是内核较大时的缩放导致TC强衰的原因;眼区次级环流的破坏是内核区较小时的收缩导致TC减弱的原因;水汽供应和低层向TC中心径向辐合范围的增减是外围尺度缩放影响TC强度的原因。即:热带气旋内核区较大时,内核区收放引起的角速度变化,是其影响热带气旋强度的机制之一;热带气旋内核区较小时,内核区收放造成的眼区次级环流变化是其影响热带气旋强度的一项机制;外围尺度变化会造成热带气旋上升至高层的水汽总量变化,使得热带气旋内水汽释放的潜热总量改变,从而影响热带气旋强度;热带气旋外围尺度的变化会影响低层气流向热带气旋内的辐合,而使热带气旋强度发生改变。