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台风Megi（2010）强度和结构变化的数值研究

作　者: 王慧
导　师: 徐海明
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 气象学
关键词: 台风数值模拟动力初始化快速增强内核尺度眼墙替换
分类号: P444
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文基于中尺度ARW-WRF模式,将一个新的台风涡旋循环动力初始化的方案与大尺度谱逼近(spectral nudging)相结合有效地改进台风涡旋的初始结构和强度,进而提高对台风路径,结构和强度变化的数值模拟能力。该方案的有效性在台风Megi(2010)的动力初始化和数值模拟中得到了很好的体现。利用ARW-WRF模式和所提出的新方案对台风Megi进行了7天的模拟,很好地再现了台风Megi在登陆吕宋(Luzon)岛前后及进入中国南海后的路径,强度和结构变化。敏感性数值试验结果表明,循环动力初始化能有效地改进台风的初始结构和强度进而改进台风结构和强度的模拟,而大尺度谱逼近能有效地减小对大尺度环境流场模拟的偏差进而改进对台风路径的模拟。因此本文所提出的的新方法便于获得真实台风的高时空分辨率数值模拟资料用于台风强度和结构变化的内核动力学和物理机制的研究。台风Megi (15W)是2010年西北太平洋上最强和生命史最长的台风,它和穿越吕宋岛的其他台风有许多相似之处,但却又有着自身独特的强度和结构变化特点。台风Megi在有利的海洋和大气条件下经历了快速增强的过程。控制性试验的结果表明台风Megi的快速增强是由对流爆发激发的,对流爆发能够穿透到对流层高层,有利于对流层高层的增暖,从而导致高层暖心的形成。诊断分析结果表明对流爆发起源于眼区边界层中倾斜对流有效位能(SCAPE)的积累。在快速增强的过程中,尽管内核中对流区域增加,但对流层高层的垂直速度减小,对流爆发的数量也逐渐减少。同时与大部分经历快速增强的台风不同,台风Megi在快速增强过程中并没有明显的眼墙收缩过程,其内核尺度反而随台风的快速增强而增大。分析结果表明这种内核尺度的增加是台风与对流层低层大尺度低压环流的相互作用有关。一方面互旋合并使台风尺度增大,另一方面这种相互作用有利于台风螺旋雨带的活动,雨带中的凝结潜热有效地驱动底层的入流,向内输送绝对角动量,增加眼墙外的切向风使台风内核的尺度增大。本文还基于敏感性试验的结果研究了吕宋岛地形以及陆地下垫面对台风Megi登陆后眼墙演变的影响。结果表明地面摩擦的增加和地面熵通量的减小都减弱台风的强度,并导致眼墙的收缩和崩溃。在台风穿过吕宋岛和进入中国南海之后,外围两个螺旋雨带的轴对称化形成了一个大的新的眼墙。另外一个比较有趣的现象是台风进入中国南海后原眼墙的重新出现,从而导致了典型的双眼墙结构的形成及随后的眼墙替换过程。地形敏感性试验结果表明眼墙的演变受到了吕宋岛西边山脉地形的影响。当山脉地形被平原所替代后,尽管台风登陆后期一个大的新的眼墙仍然形成,但模拟台风的原眼墙依然存在,而且新的大的眼墙的尺度比控制性试验的减小了约25%。这表明新的大的眼墙的形成部分与吕宋岛西部的山脉地形有关。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-9
第一章绪论  9-27
  1.1 研究目的与意义  9-10
  1.2 研究进展  10-25
    1.2.1 模式初始场改进  10-12
    1.2.2 台风快速增强  12-18
      1.2.2.1 非对称强迫  13-15
      1.2.2.2 微物理过程  15-16
      1.2.2.3 对流爆发(convective burst)  16-18
    1.2.3 台风的尺度变化  18-22
    1.2.4 地形作用对登陆台风的影响  22-25
      1.2.4.1 地形对于台风路径的影响  22-23
      1.2.4.2 地形对于台风强度的影响  23
      1.2.4.3 地形降水  23-24
      1.2.4.4 地形对于眼墙演变的影响  24-25
  1.3 主要研究内容和拟解决的问题  25-26
  1.4 章节安排  26-27
第二章资料、模式和方法  27-42
  2.0 资料  27-29
  2.1 模式介绍  29-31
    2.1.1 WRF模式的系统组成和程序结构  29-31
    2.1.2 WRF嵌套网格方案  31
  2.2 方法介绍  31-35
    2.2.1 涡旋分离技术  32-33
    2.2.2 积分循环和涡旋重造  33-34
    2.2.3 涡旋重定位  34-35
    2.2.4 Spectral Nudging  35
  2.3 台风Megi(2010)的介绍及模式方案选择  35-42
    2.3.1 Megi的增强过程及其条件  37-39
    2.3.2 物理方案选择  39-42
第三章台风Megi的初始化方案与模式结果验证  42-59
  3.1 台风Megi的初始化方案  42-47
    3.1.1 一次循环过程的流程图  42-43
    3.1.2 初始场的改进  43-47
  3.2 实验设计与结果  47-56
    3.2.1 实验设计  48
    3.2.2 实验结果  48-51
    3.2.3 台风结构变化  51-54
    3.2.4 Spectral nudging的影响  54-56
  3.3 讨论  56-59
第四章台风Megi的快速增强和尺度变化  59-85
  4.1 台风Megi的快速增强过程  60-77
    4.1.1 大尺度环境场  60-62
    4.1.2 涡旋尺度的演变  62-66
    4.1.3 涡旋尺度的演变  66-74
    4.1.4 高层暖心结构的发展  74-77
  4.2 台风Megi内核结构的增加  77-82
    4.2.1 天气尺度的条件  77-78
    4.2.2 螺旋雨带的非绝热加热  78-82
    4.2.3 切向风方程  82
  4.3 结论和讨论  82-85
第五章 Luzon地形对登陆台风结构及眼墙的影响  85-103
  5.1 引言  85-87
  5.2 地形敏感性实验  87-88
  5.3 登陆Luzon岛屿时眼墙收缩,崩溃以及消散  88-97
  5.4 新的大眼墙的产生  97-100
  5.5 原始眼墙的重新出现  100-101
  5.6 结论  101-103
第六章结论与讨论  103-107
  6.1 主要结论及讨论  103-104
  6.2 本文的创新点  104-106
  6.3 存在的问题和不足  106-107
参考文献  107-127
致谢  127

台风Megi（2010）强度和结构变化的数值研究

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