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在过去三十年,热带气旋(TCs)路径预报水平显著提高,但强度预报能力提升缓慢,特别是快速加强TCs(定义为24小时最大地面风速增强15ms-1)的预报。南海是中国近海TCs活动最活跃的海域,在此发生发展的TCs常常几天内就登陆,预警时间较短,因此,提高南海快速加强TCs的预报能力既具有很强的科学意义,又符合实际业务需求。本文结合统计分析、高分辨率数值模拟和多普勒雷达观测,对南海快速加强台风的大尺度环境特征以及相关的内核动力机制进行系统分析,提取南海台风快速加强型和显著的天气因子,建立南海快速加强台风的概念预报模型,并揭示快速加强天气型下的主要物理过程以及动力机制。 首先,本文指出了南海快速加强TCs发生的天气型和天气学因子,并建立南海快速加强台风的概念预报模型。通过对1981-2011年南海生成的所有TCs样本统计分析,提取出18个南海快速加强TCs样本。这些样本由4.9%的热带低压和2.3%的热带风暴组成。在此基础上,归纳出6种典型的南海快速加强台风天气型。南海季风强盛期的环境风切变较大,故发生快速加强的TC个例很少。快速加强的个例主要发生在季风后期,低层气候环流背景为中纬度南伸的西风槽和南海强盛的季风涌。与非快速加强个例相比,快速加强TCs所处的环境垂直风切变更小,并伴随相对较强的高层槽与TCs相互作用。基于发现的高、低层快速加强型以及显著的天气因子,提出具有统计意义的快速加强标准,并发展出南海快速加强TCs的经验预报模型。经回报检验,在非快速加强的91个TCs中,没有TC能够同时满足高、低层快速加强型和天气因子相关的快速加强标准,反映出本文建立的经验预报模型的有效性。 其次,在揭示出的南海TCs的快速加强型基础上,选取符合季风强盛期快速加强型的南海台风个例Vicente(2012),结合高分辨率数值模拟和我国新一代多普勒天气雷达观测,分析环境和内部动力过程对快速加强的贡献。经模式验证发现,ARW-WRF成功模拟出Vicente突然转向及快速加强的过程、内外核以及螺旋雨带结构。利用本文发展的MGBVTD单多普勒雷达反演方法,定量验证Vicente登陆前模拟的内核轴对称反射率因子、主环流随时间的演变,结果表明数值模式较准确地模拟了Vicente的内核结构。 观测和模拟结果均显示,Vicente的快速加强包括两个阶段:1)非对称加强阶段(快速加强启动阶段),其眼墙快速内缩,风速增长缓慢;2)轴对称快速加强阶段,其眼墙内缩速率减慢,最大风速快速增强。经轴对称切向风倾向方程诊断发现,作用于第一阶段的主要加强机制为径向扰动动量的内传,其主要角色在于增强眼内切向风并推动眼墙的内缩;而第二阶段的首要加强机制为次级环流与主环流的相互作用,即眼墙内非绝热加热和海面摩擦所驱动的边界层平均径向入流有效地将外围绝对角动量向内辐合,进而通过眼墙区轴对称上升运动向上输送动量。通过尺度分离以及进一步诊断分析,定性揭示出环境背景场与涡旋尺度扰动涡度之间的相互作用主导了第一阶段的主要加强机制。同时,高层一直存在有利的高层槽与TC之间的相互作用。在快速加强开始时刻,高层东风倒槽的槽线控制了TC环流区域,大尺度环境风切变显著减小,高层“双出流通道”开始建立,辐散较强,这些理想条件均有利于TC增强。 内核部分的分析结果指出涡旋垂直结构的调整为造成Vicente快速加强最直接的原因,其主要包括两个阶段:1)顺风切辐合切变线中的深对流活动激发出多个中尺度涡旋,它们的平面配置使得低层涡旋中心向顺风切方向(中层涡旋位置)靠近;2)低层顺风切方向最强中尺度涡旋启动了“顺风切生成”机制并快速向内卷入,中层涡旋通过轴对称化中、小尺度扰动涡度而不断增强,中、低层涡旋相互作用随之增强,进动加速,等中层涡旋移入逆风切区域时,风切变本身使得涡旋倾斜减小,同时局地风切变快速减小。另外,第二阶段涡旋倾斜的减小也是该时段内内核涡度“自下而上”爆发性增长的原因。 综上所述,南海季风强盛期快速加强型典型个例Vicente(2012)的快速加强是高、低层环境场以及涡旋内核动力过程协同作用的结果。