对流活动在热带气旋强度与风圈半径变化中的作用

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热带气旋(Tropicalcyclone)的强度预报在过去几十年间进展缓慢。强度预报的瓶颈在于人们对于热带气旋强度变化的物理机制认知不足,其中包括对流活动如何影响热带气旋的强度和结构变化的认识不足。对流活动如何影响热带气旋强度变化的不足至少体现为以下三个方面:(1)对流活动对热带气旋强度增强的影响仍未量化;(2)对流活动是否能够影响热带气旋最大风速半径的变化;(3)在热带气旋初期,强度增强与最大风速半径收缩之间存在一定的关联,对流活动对这种关联起着怎样的作用。为此,本论文针对这三个方面分别开展研究。首先,论文分析了不同的对流活动对热带气旋强度与强度变化的影响。根据不同日变化特征将对流云划分为超强对流云(红外亮温≤208K)与高云(红外亮温在208 K-240 K间),分别研究了两类对流云及降水对西北太平洋2000-2017年间热带气旋的强度以强度变化的作用。结果显示,降水量以及降水面积,高云对流程度与高云面积,随着热带气旋强度的增强而增大,这个关系并不能说明降水量以及高云的变化会引起热带气旋强度的变化。超强对流云的对流程度与热带气旋强度变化速率密切相关。当超强对流云的面积足够大,能够引起热带气旋在24h内快速增强,表明超强对流云的面积可以作为是引起热带气旋强度快速增强的潜在前兆因子。对比非快速增强,热带气旋在快速增强时无论在初始时刻或后续强化过程中,均需要更大的超强对流云面积。其次,论文研究了对流活动对最大风速半径快速收缩的作用。超强对流云的分布位置是引起最大风速半径收缩的原因,当超强对流云主要分布在最大风速半径内更靠近热带气旋中心时,热带气旋最大风速半径在较大概率上发生快速收缩(最大风速半径在24h内收缩超过20nmi)。最大风速半径收缩到足够小(通常小于30nmi)的尺度有利于热带气旋快速增强(强度在24h内增强超过30kt)发生。当初始的最大风速半径比较大(通常大于30nmi)时,热带气旋发生快速增强需要更多的超强对流。这些观测的统计结果验证了前人的理论研究,即最大风速半径内的深对流加热引起的底层径向输入是热带气旋增强的主要原因,而最大风速半径内的风速增强比其外围大,热带气旋的增强伴随着最大风速半径的收缩。最后,论文分析了成熟热带气旋强度与外围风圈半径间的相关性。成熟热带气旋在“成熟期”间的强度与大风半径间的负相关增加了热带气旋强度与大风半径间的非线性关系。角动量分析结果显示,在初始至强度达到最大期间,角动量的贡献主要来自相对角动量,在“成熟期”间,地球角动量的贡献大于相对角动量的贡献。此外,在北大西洋成熟热带气旋“成熟期”后期,大风半径处的相对角动量减少,然而由于地球角动量的增加使得绝对角动量仍为增加,这一过程将北大西洋成熟热带气旋的“成熟期”延长大约12 h。
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