海气耦合对热带气旋预报的影响和机制研究

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在过去的四十多年中,热带气旋(TCs)的路径预报水平得到明显提高,但是TCs强度,尤其是快速增强过程的预报水平却提高缓慢。这主要是因为TCs的强度变化受到复杂的内部相互作用和外部应力的共同影响,如海气相互作用。作为中国近海中TCs最活跃的海域,南海的热动力结构复杂、观测不足,且经过的TCs发展和登陆时间很短,因此对其中快速变化TCs的预报造成了巨大挑战。所以,认识海洋与TCs之间的相互作用机制对提高快速增强TCs的模拟能力有很强的科学意义,也符合实际业务需求。本文结合高分辨率海气耦合模式和浮标观测资料,研究了快速增强TC内核结构变化与远海反馈的关系以及TC与近岸浅海的相互作用,揭示了南海不同区域中TC内核发展对海表湿焓通量分布变化的高度敏感性。在此基础上,结合浮标观测探究了海表热通量对拖曳系数(Cd)的敏感性。首先,通过高分辨率海气耦合模式(WRFROMS)和大气模式(WRF)研究台风Hato(2017)的内核演变与局地海表温度(SST)变化的关系。作为一个按照西—西北方向穿过南海北部并在登陆前快速增强的超强台风,Hato对下方海洋产生了显著影响。经验证,WRFROMS模式成功再现Hato的快速加强过程、内核结构特征以及下方海洋的响应。通过轴对称切向风倾向方程诊断发现,当TC内核区域中SST冷却(SSC)且径向梯度较大时,强烈的上升气流和蒸发伴随大量的表面潜热通量主要出现在眼墙外缘而非内部,因此次级环流的上升支阻止了入流向内核区域的物质和能量的输送,导致TC快速加强启动时间滞后。但是在径向均匀的热洋面上,主环流和次级环流之间的相互作用是Hato内核演变的主要机制。此时,几乎所有半径处都产生了大量的潜热通量,蒸发和强上升气流主要在眼墙内缘。入流随之加强并从外部向内穿透最大风半径,将径向涡动能和非绝热位涡输送到内核区域并因此更早触发TC的快速加强。这说明,即使对于强度较弱且移速较快的TCs,由局地SST分布控制的海表湿焓通量和次级环流特征依旧能对TC的内核演化有显著的影响。然后,基于耦合和大气模式对比验证了南海近岸浅水在登陆台风Hato驱动下的响应及其对台风强度的影响。耦合模式成功再现了观测中Hato在登陆前达到最强,并对近岸浅海产生显著的影响,导致台风路径右侧大陆架上方出现暖—冷SST组合的现象。分析表明,近岸的SST变暖与台风路径右侧受向岸风应力的驱动形成的垂直于海岸线的两层流场结构有关。通过诊断海洋温度倾向方程,发现台风前部向岸的表面流场引起了较远海面上暖SST的向岸输送以及近岸的下沉流,从而导致大陆架内侧的海温升高。为了排除海洋中由复杂地形、原海洋结构对近岸流场可能造成的影响,将台风的气旋扰动从初始场中移除并进行敏感性试验。试验结果证明台风路径右侧风引导的强向岸流是大陆架内侧海温增暖的原因。进一步,移除由Hato风驱动导致的近岸暖SST异常并在WRF模式下进行敏感性试验,证明了台风引起的近岸暖SST异常部分的贡献了台风Hato在登陆前的快速增强过程,同时解释了台风在登陆时以及登陆后短期内强度衰减变缓的现象。以上研究证明,海表焓通量对TCs强度和结构的演变具有重要作用。作为焓通量估计的关键因子,Cd因其在高风速下的不确定性和海洋观测的不足,导致目前尚无法在台风数值模拟中准确估计热通量。本研究的最后一部分结合锚碇浮标阵列对2014年台风Kalmaegi的现场观测和海气耦合模式,研究了模式对不同Cd计算方案的敏感性,重点讨论了Cd影响下的SST冷却(即SSC)和风场响应对海表热通量的作用。结果表明,耦合模式中使用Charnock计算方案对TC强度、2 m气温与SST的差及相应的热通量分布等要素的模拟更适合中等强度台风,其他两种方案会导致TC模拟强度过强。说明模式模拟的台风强度对Cd随风速变化的阈值高度敏感。通过进一步试验发现,海表热通量分布对SSC高度敏感。SSC显著降低了台风下方,尤其是内核区域的焓通量。仅当SSC强度弱于0.4℃时,热通量才与10 m风速的变化表现出微弱的正相关关系。因此,虽然不同Cd计算方案直接影响台风内核下低空风速的大小,但当对SST的影响不显著时,Cd(或Ch/Cd)的不同变化通过风致表面热交换间接影响焓通量的变化。此外,Cd还通过影响海洋深层的持续上涌(缓变过程)改变热通量的分布特征。更大的Cd促使更多动量被输送到下方水体中,导致台风过后深层冷海水的持续上涌并造成OML的持续冷却和海表热通量的进一步减少。该过程在台风的右侧更为剧烈,这与台风右侧更强的风场强度一致。综上,TCs的发展对海气间相互作用高度敏感。理解TCs结构和强度的变化需要同时考虑不同海洋区域与TCs的相互作用和相应的海气界面间通量变化特点。发展先进的海气耦合模式是预报快速增强台风的紧要需求,同时在数值模式中确定准确的Cd曲线并准确量化热通量的估计更是提高数值模拟水平的关键。
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