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台风“麦莎”的动力学特征与台风强度对台前飑线发展过程影响的研究

作　者: 刘佳
导　师: 沈新勇
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 气象学
关键词: 正压波动特征值问题稳定性粘性摩擦台前飑线位涡反演
分类号: P444
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文利用中尺度WRF模式对2005年台风“麦莎”(Matsa)进行了精细的数值模拟。通过与实况资料的对比验证,此次模拟结果很好的再现了台风“麦莎”从登陆前最大强度时刻到登陆后一直北上进入山东半岛的过程。根据台风登陆前后下垫面的不同,分别推导出两组大气运动方程组,利用模式输出资料,研究台风登陆前的正压波动结构的特征及登陆后摩擦对正压波动特征的影响。台风登陆前,对推导出的柱坐标系下(不考虑地形和摩擦)的正压浅水方程组进行数值差分计算,求得特征波动解,计算得到相角速度和增长率。分析它在最大强度时刻的正压特征波动结构和稳定性,结果表明：台风“麦莎"内部包含有沿逆时针方向传播的重力惯性外波和涡旋Rossby波,两种波动的结构和稳定性存在显著性差异。前者主要存在于台风外围,增长率随波长的减小而增加,台风外围的波动相速度为48.9～68.5m/s；后者主要位于距离台风中心200km内,表现为3波最不稳定,半径100km处相速度约为5m/s。此外,重力惯性外波的扰动风场与高度场基本相垂直,扰动散涡比值大于3倍,甚至达到103倍,运动以辐合、辐散为主；涡旋Rossby波的扰动风场基本平行于高度场,扰动散涡比值为10-1～10-2,涡旋运动是其主要运动,与内螺旋雨带沿着切向圆周方向的传播具有密切关系。对比实际情况下,在据台风中心半径200km范围内,1波、2波、3波的非对称风场基本沿着非对称位势高度场运动,表现出了明显的涡旋运动特征。与之前分析的正压波动特征一致。2波非对称的雷达回波规则的围绕台风中心,以定常角速度进行气旋式旋转,平均切向速度为27m/s。为同高度层的最大切向风速的1/2。2波非对称的雷达回波从距离台风中心半径50km处向外传播到半径200km处,径向传播速度约为6.9m/s。台风登陆后,选取台风“麦莎"登陆浙江过程中的主体位于陆地上的6日15时的模式输出资料,根据推导出的柱坐标系下含有粘性摩擦项的正压方程组,利用数值差分方法对该正压方程组求特征波解,计算得到相角速度和增长率。从结果可以看出重力惯性外波在粘性摩擦的影响下,最不稳定波的波数为45左右,波动在摩擦的影响下衰减,波动沿逆时针传播,在半径1000km处,1波波速为47.43m/s,在半径r>800km的范围内,径向风分量扰动加大,辐合辐散运动增强；而摩擦影响下的涡旋Rossby波,2波最不稳定,波动增长率减小,在半径r=200km处波动相速度为4.282m/s-29.172m/s,扰动涡度大值区范围减小,涡旋Rossby波的波动区域沿着径向向台风中心收缩。分析包含所有波动时,考虑摩擦后,最不稳定波数在45左右且波动衰减,1波波速在r=1000km处(外螺旋雨带)为26.374m/s；在半径r=200km(内螺旋雨带)为5.275m/s,考虑径向基本气流后,最不稳定波的波数保持不变,半径r=1000km处的波速增加为30.324m/s, r=200km(内螺旋雨带)处波速为6.065m/s,摩擦使得径向风分量扰动明显增大,辐合辐散运动加强。同时利用模式输出资料研究了发生在螺旋雨带前沿的一次台前飑线的发展过程及其成熟时期的三维结构特征。这次台前飑线在母体台风和副高之间的湿区生成。台风为这次台前飑线过程提供了有利的条件,包括强的低空急流输送充沛的水汽,强的不稳定环境产生大的对流有效位能以及强的地表辐合,使得初始的离散的对流单体组织发展形成台前飑线。成熟时期的台前飑线虽然比中纬度和热带飑线的变压强度小,但是具有更强的低层暖湿空气入流,中层的入流范围也更加宽广。利用位涡反演方法,设计了一种构造台风初始涡旋的新方案。并利用这种方案设计敏感性试验。敏感性试验结果表明：台风强度越强,其台前飑线的回波强度越强,移动速度更快,生命史也更长。强台风使得低空垂直风切变更大,有利于台前飑线的生成和发展,在台前飑线发展成熟后,低空垂直风切变强度减小,不利于台前飑线的维持,加之低空水汽输送的减少,使其逐渐趋向衰亡。

全文目录

目录  3-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-21
  1.1 螺旋雨带的观测事实  10-11
  1.2 重力惯性波理论  11-13
  1.3 涡旋Rossby波理论  13-16
    1.3.1 涡旋Rossby波的提出  13
    1.3.2 涡旋Rossby波理论的发展  13-14
    1.3.3 涡旋Rossby波理论的应用  14-16
  1.4 个例选择  16-17
  1.5 拟解决的关键科学问题  17-18
  1.6 本文研究内容和章节安排  18-21
第二章台风“麦莎”的数值模拟研究  21-35
  2.1 资料、模式和方法  21-27
    2.1.1 资料  21
    2.1.2 模式介绍  21-24
    2.1.3 位涡反演方法介绍  24-27
  2.2 台风“麦莎”概况  27-32
  2.3 模式参数设置及模拟结果验证  32-35
    2.3.1 模式参数设置  32
    2.3.2 模拟结果验证  32-35
第三章台风“麦莎”的正压特征波动结构及其稳定性  35-59
  3.1 引言  35-36
  3.2 线性化小扰动正压方程组  36-38
  3.3 考虑切向基本气流为线性切变(仅有重力惯性波)  38-43
    3.3.1 常微分方程组的简化及数值差分方法  38-39
    3.3.2 波动结构特征和稳定性  39-43
  3.4 考虑水平扰动散度为零(仅有涡旋Rossby波)  43-48
    3.4.1 常微分方程组简化及数值差分方法  43-44
    3.4.2 波动结构特征和稳定性  44-48
  3.5 考虑一般的情况(包含了所有波动)  48-52
    3.5.1 常微分方程简化与数值差分方法  48
    3.5.2 波动结构特征和稳定性  48-52
  3.6 台风“麦莎”的涡旋Rossby波结构特征  52-57
  3.7 本章小结  57-59
第四章台风“麦莎”登陆后粘性摩擦对正压特征波动的影响  59-81
  4.1 引言  59-60
  4.2 线性化小扰动正压方程组  60-61
  4.3 考虑切向基本气流为线性切变(不考虑径向基本气流)  61-66
    4.3.1 常微分方程组简化及数值差分方法  61-63
    4.3.2 粘性摩擦对波动结构特征和稳定性的影响  63-66
  4.4 考虑水平扰动散度为零(不考虑径向基本气流)  66-72
    4.4.1 常微分方程组简化及数值差分方法  66-68
    4.4.2 粘性摩擦对波动结构特征和稳定性的影响  68-72
  4.5 不考虑径向基本气流下的包含了所有波动的情况  72-76
    4.5.1 常微分方程简化与数值差分方法  72-73
    4.5.2 粘性摩擦对波动结构特征和稳定性的影响  73-76
  4.6 同时考虑径向基本气流和切向基本气流下的包含所有波动的情况  76-80
    4.6.1 常微分方程简化与数值差分方法  76
    4.6.2 粘性摩擦对波动结构特征和稳定性的影响  76-80
  4.7 本章小结  80-81
第五章台风“麦莎”的强度对台前飑线发展过程影响的研究  81-99
  5.1 引言  81-82
  5.2 台风“麦莎”台前飑线系统的数值模拟验证  82-83
  5.3 台前飑线的生成条件和典型结构特征  83-88
    5.3.1 台前飑线生成环境条件  83-85
    5.3.2 成熟飑线的发展过程及其三维结构  85-88
  5.4 台前飑线影响因子敏感性试验  88-98
    5.4.1 位涡反演方法和敏感性试验设计  88-91
    5.4.2 台前飑线影响因子敏感性试验  91-98
  5.5 本章小结  98-99
第六章全文总结与展望  99-103
  6.1 全文总结  99-100
  6.2 研究特色与创新点  100-101
  6.3 研究展望  101-103
参考文献  103-110
博士期间发表或接收的文章  110-111
致谢  111-112

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