台风非对称结构分析和增强机制研究

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台风强度的预报是当前数值模式发展的重点和难点。台风中非对称对流活动与台风平均环流间复杂的相互作用是台风强度变化和路径突变的重要原因之一。目前,对于台风的非对称增强机制仍然存在争议。其中,非对称对流活动的非绝热加热被认为是台风强度维持和发展的重要能量源,但与对流活动相匹配的非对称风场对台风强度变化的动力机制仍然存在争议。本研究利用理想台风模型研究了中心定位偏差对于台风非对称特征强度和空间结构的影响;设计了一个更精确更可靠的台风中心定位算法,并提出了评价算法定位能力的定量化评价指标;最后,基于高分辨率数值模式分析了台风强度变化时台风对称和非对称特征的演变,探讨了台风非对称风场环流对台风强度影响的动力机制。基于理想类台风涡旋显式地研究了中心定位偏差对于台风非对称特征强度和结构影响。在对称的台风涡旋中,当存在中心定位偏移时,会出现涡度、切向风和径向风的非对称特征,同时其强度会随着偏移距离的增加而快速增长。当台风环流中存在特定的非对称扰动时,中心偏移的距离会影响非对称涡度的强度,而偏移的方向会对非对称扰动的径向结构产生显著影响。当台风中心定位存在不确定性时,相同距离的中心定位偏差下,波数越高的非对称特征对中心定位偏移方向的敏感性越小。构建了一个包含多尺度扰动的理想台风涡旋,研究了中心定位偏差对于认识台风非对称动力机制的影响。结果表明,当台风中心位置存在2km的定位偏差时,不同的偏移方向可能产生完全相反的结论。基于理想对称台风模型以及随机扰动方案,构建了包含多尺度扰动的理想台风数据集。提出了一个基于二维傅里叶变换滤波的台风中心定位算法(FVC)。该算法能够根据目标涡旋的尺度自动调整算法的参数,并能有效抑制非对称对流活动在台风对称环流中心定位时产生的影响。设计了一套用于评价台风中心定位算法性能的定量化评价指标—中心点风速值、台风路径平滑度以及垂直倾斜平滑度。基于高分辨率台风数值模拟数据对比检验了 FVC算法和五种常用的中心定位算法的定位性能。结果表明,由FVC算法计算的台风中心基本都能位于风速的低值区,且具有较平滑的台风路径以及较小的垂直倾斜变化,FVC算法的稳定性和可靠性均优于其他中心定位算法。推导了适用于研究台风非对称增强机制的非静力湿大气能量谱收支方程。利用高分辨率数值模式,研究了台风苏迪罗强度变化期间台风非对称特征强度和三维结构的演变以及非对称扰动能量谱的变化特征。台风中显著的非对称对流活动主要集中在台风眼墙区域,在对流层中低层主要表现为涡旋罗斯贝波-扰动气压和扰动风场接近准地转平衡,扰动涡度落后扰动气压约1/4个位相。然而,在平流层低层,非对称扰动主要表现为由惯性上升运动引起的重力内波-垂直速度的位相与虚位温的位相相反。对流层低层台风内核区的非对称扰动动能谱在台风的成熟阶段主要表现为波数-5/3次幂的指数形式,而当台风强度减弱且尺度增加时非对称扰动动能谱的斜率有所增加。台风外围区域非对称扰动动能谱斜率相对稳定,不随台风强度和尺度的变化而改变,且随着高度增加能量谱斜率越接近-3。研究了各个尺度上有效位能、垂直动能和水平动能的转化特征。结果表明,对称的垂直环流以及任意尺度的非对称扰动都能将有效位能转化为垂直动能,同时台风对称的水平环流会从对称的垂直动能中获得能量。然而,在眼墙区域的非对称扰动则表现为将扰动的水平动能转化为扰动的垂直动能。非对称扰动风场对平均切向风的影响表现为增强靠近台风中心一侧的对称切向风,并引起外侧切向风速的减弱。从能量的角度看,在对流活动中心外侧的非对称扰动将从台风对称环流中获得能量,而位于内侧的扰动则会将其扰动动能转化为平均环流的水平动能。由于非对称风场环流从对称台风涡旋中获得的能量大于向对称涡旋传递的能量,台风中非对称扰动的动力作用体现为减弱台风对称环流的强度。
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