不同科氏参数对台风发展过程的影响

论文总字数：16245字

目 录

摘要 ………………………………………………………………………I

Abstract …………………………………………………………………II

1 引言……………………………………………………………………1

2 数值模式试验…………………………………………………………2

3 数值试验模拟结果与分析……………………………………………2

3.1 高科氏参数值和低科氏参数值试验中热带气旋径向入流的区别……………………4

3.2 高科氏参数值和低科氏参数值试验中热带气旋正切风的区别………………………5

3.3 高科氏参数值和低科氏参数值试验中热带气旋相对湿度的区别……………………8

4 理论研究分析 ………………………………………………………10

4.1 各数值试验中边界层的正切风速与径向入流的关系 ………………………………11

4.2 各数值试验中边界层顶部的垂直速度与相对涡度的关系 …………………………12

5 总结与讨论 …………………………………………………………14

参考文献…………………………………………………………………15

致谢………………………………………………………………………17

论科氏参数对热带气旋加强的影响

邓力源

，China

Abstract：Hurricane in an ideal model for tropical cyclone (TC) strengthens the Coriolis parameter dependencies. Through the vortex in f Specifies the initial balance in the plane, we observe that the faster development of topical cyclone.When the initial vortex made

intensification under lower planetary environment,due to surface friction,super gradient wind

balance was destroyed.Under the environment of low planetary vorticity, gradient into the development of stronger and deeper because of Ekman extraction effect, resulting in greater boundary layer moisture convergence and reduce heat. Further strengthening of heating by lower central pressure accelerated inflow. This positive feedback loop that eventually led to the evolution of unique features.(By Gale radius) dimensions and final State of tropical cyclone's eye also on the Coriolis parameter. Tropical cyclone tend to have larger (smaller) size and high (low) planetary vorticity under eyes.It is noted that according to the relationship between tangential wind component and radial inflow in the boundary layer,a larger Coriolis parameter leads to a more rapid intensification.However,according to the relationship between vertical velocity and vorticity at the top of boundary layer,a smaller Coriolis parameter leads to a more rapid intensification.By examining these two interdependent relationships,we build a theoretical model to explain why a big Coriolis parameter or a small Coriolis parameter cannot lead to a

best rapid intensification,but in a ideal simulation model, maximum tropical cyclone intensification in the F05 experiment.

Key words：Coriolis parameter ;RI ;tropical cyclone ;planetary vorticity environment

1. 引言

国内外许多研究阐述了理想数值模式模拟热带气旋在一个静止理想环境下的强化过程，并且着重讨论了纬度对涡旋演变的影响作用。例如，DeMaria和Pickle等人1988年在大气科学杂志发表的《一个方程简化模拟热带气旋的系统》^[1]；Smith.R.K等人2003年发表的《一个飓风边界层的简单模型》^[2]；Rappin等人2011年在大气科学杂志发表的《出流环境对热带气旋强度和结构的影响》^[3]以及李等人2012年发表的《热带气旋加强对科氏参数的依赖性》^[4]等。这些研究发现，模式模拟的台风，当模式中的纬度降低时，被发现会强化的更快速，达到一个较高的成熟强度。这些研究成果具有重要的现实意义也亟待一个完整的理论解释。

热带气旋一般生成于离赤道几度的温暖洋面上，非零的科氏参数对于初始涡旋的起转机制是至关重要的。在低的行星涡度的限制下，我们尚不清楚科氏参数在热带气旋发展过程中的动力条件。从一个纯热力学观点而言，行星涡度可以调制罗斯贝波的变形半径，而变形半径可以决定地转适应过程，同时在热力强迫的响应下，影响最后的平衡流场作用。通过一个简化模型，发现在更高的行星涡度环境下，从初始扰动发展成台风是更慢的，并归因于半径越大的入流进入漩涡中心越慢。利用在f-平面上轴对称模型 ，Bister等人^[5]2001年的工作提出，发现在 30°N 位置的初始扰动需要两倍时间来发展入流进入飓风中心，相比在 10°N位置时的情况。这项研究表示当长时间在一个较高的科氏参数环境下，内部核心对流发展较弱，故因此减慢水汽滋润台风中心，不利于台风快速增强。

王和周^[6]在2008年发现，初夏，在西部北太平洋地区，11 月发展的台风相比8月发展的台风拥有更大的快速强化的机会，即使在 8月生成的台风频率大于在 11月生成台风的频

率。8月的台风的平均生成地区比11月的台风平均生成地区偏北8度。行星涡度以及其他环境因素在对热带气旋的快速发展起到重要影响作用。

Smith等人^[7]研究了热带气旋的旋转约束在大小和强度上，通过使用一个最小、 三层、 轴对称的热带气旋模型，但制定了在坐标和与不同的表示形式深对流换热。在实验中，相同的斜压涡习惯初始化该模型，研究自旋向上过程在静态环境中具有不同级别的背景旋转，特点是常量值f。接着发现，在短时间发展(大约 15 h)后，强化的速率随着纬度的降低的旋流器的环境中呈现单调增加。其主要重点被针对在理解周围成熟旋转阶段控制的强度和尺寸，而不是自旋向上阶段，而更大的自旋向上率在纬度较低的原因没有被明确调查。在强度成熟的结果看来是符合那些经典的实验室实验结果，例如Shu S和J Ming等人^[8]在2012年的研究结果，但被发现其比喻有一定的局限性，包括事实上，最大切向旋转在这个模型的内在核心的风在发生边界层。

总之，在系统范围内，新的自旋向上范例有两个动力组件。第一个是常规的自旋向上机制。第二个包括边界层自旋向上机制在上述讨论中总结。相关和新的自旋向上范例的关键因素是维护的内部核心的对流不稳定性区域的涡旋的表面水分通量的增强，虽然不需要维持风速继续增长的通量，正如Montgomery等人在2009年^[9]和2015年^[10]发表的研究成果。同时，东风和西风环境下对于热带气旋的快速增强也有影响，王伟和余锦华等人在2013年^[11]也发表过类似的研究成果，

出于上述观测，我们打算调查特定理想的动态模型来研究，通过哪些热带气旋发展取决于改变的科氏参数，尝试为项科学研究所解决的具体科学问题是: 怎样的环境下行星涡度影响热带气旋的加强化吗？通过模式模拟结果，辨别不同科氏参数即不同行星涡度参数的影响下，热带气旋的内部核心眼区、边界层厚度以及台风外部大小的不同？构建一个简单理论模型解释为什么较大的科氏参数值（较高纬度）和较小的科氏参数值（较低纬度）不能使得台风快速加强。

1. 数值模式试验

本研究使用的数值模式是ARW-WRF（Weather Research Forecasting）数值模式。该模式包含垂直方向27层从=0到=1（此处的是海表面气压相关的标准化气压）伴随在行星边界层上更高的分辨率。数值模式的物理过程包括一种改进Monin-Obukhov机制用来计算海表通量（Fairall等人，1996年^[12]），在海表层上方的次网格尺度的垂直混合的E-湍流闭合方案（Langland和Liou等人，1996年^[13]），一个混合相云微物理（Lin等人，1983 年^[14]）和横向扩散变形相依扩散系数的明确处理。本试验中的数值模式的边界条件设置为循环边界条件。模型预后变量包括纬向和经向风、 表面压力、 温度、湍流动能与其耗散率，和混合比率的水汽，云水、 雨水，云冰、 雪、 霰。

这个数值模式在台风研究中被多次使用。本研究所使用的模式包含二重嵌套网格，一个分辨率为9km的粗网格系统，嵌套一个分辨率为3km的相关细网格系统。整个网格呈现正方形，分别为4050km和1530km。内部区域没有使用积云参数化。海表温度被设置成均一29℃。环境温度和相对湿度等配置文件与Holland在1997年研究^[15]所配置的文件相同，代表着是夏季西太平洋上空的条件。

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