夏季西北太平洋多时间尺度的季风槽对热带气旋生成的影响及机理

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热带气旋(TC)的研究一直是大气科学领域的热点问题,它与人民的生活息息相关,其中目前仍未解决的一个核心问题是TC的生成。TC的生成是指海洋上若干无组织的对流尺度系统在大尺度有利的条件下发展为暖心的、可自我发展的气旋性环流的过程。由于海洋上观测资料的缺失和多尺度相互作用的复杂性,使得这个问题成为目前科研理论中的一个难点。本论文主要从不同的时间尺度上探讨了季风槽(MT)和TC生成的关系。首先利用再分析观测资料从统计上分析了西北太平洋(WNP)夏季MT的季节内振荡(ISO)和年际变化(IAV)的特征。然后通过中尺度数值模式(WRF-ARW)重点研究了本文的核心问题,即MT的ISO和IAV的异常场是如何影响TC生成的,特别是大尺度异常场中的动力因子和热力因子对TC生成的相对贡献是怎样的。最后利用观测数据和中尺度数值模式着重分析了一个由于MT的崩溃而引起两个TC生成的个例。通过对这些内容的分析,本论文得到了如下的主要结论:  (1) MT的ISO对WNP上TC的生成有明显的调制作用。根据区域(5°-20°N,120°-150°E)的30-80天滤波的OLR异常值作为判定ISO强度的条件,发现活跃位相下TC的生成频数是不活跃位相下的三倍,并揭示出其中起正贡献的主要来自于以下的大尺度变量:低层的相对涡度,中层的相对湿度,垂直切变的水平梯度。从能量角度的分析表明,纬向风的水平辐合是正压转换中最大的能量来源,并且通过诊断正压不稳定的必要条件发现活跃位相发生不稳定的可能性更大。从相关物理场的水平分布看出所有变量的最大值均一致地位于MT的中间区域,即(10°-20°N,130°-140°E)。  (2) WNP地区夏季MT强度的年际变化特征与大尺度环流场和前冬海温背景场有明显的关系。MT强年的出现伴随有副热带高压的偏北偏弱,对流层低层出现气旋性距平风场和高层出现反气旋性距平风场,同时整个太平洋前冬的海温(SST)的分布呈现类似La Ni(n)a的海温分布,而弱年则正好相反。进一步针对MT的对流强弱对TC的生成频数和移动路径作用的研究表明:在MT对流强年,WNP地区TC生成频数增加同时TC的移动路径更易于打转;而在MT对流弱年,TC生成频数减少和TC的移动路径更易于西北行。  (3)利用中尺度WRF-ARW模式对MT的ISO的大尺度异常场如何影响TC生成的进行了数值模拟研究。模拟结果显示尽管初始时刻给定的涡旋满足梯度风平衡,但由于摩擦作用在边界层产生入流,同时由于ISO大尺度场和涡旋的非线性作用,即2v(v)/r,此项在活跃位相下为正,因为ISO环流和涡旋均为气旋性环流,因此在涡旋的中层产生向外的出流;而此项在不活跃位相下为负,因为ISO环流为反气旋环流和涡旋为气旋性环流,因此在涡旋的中层产生向内的入流。此径向风的垂直特征在模拟的1小时有明显的表现,而随着模式往后模拟到第5小时,两个位相下中层以下的径向流差别不大,然而到模拟的第7小时,活跃位相由于有来自ISO的辐合场的强迫,在涡旋中心的边界层附近产生向外的出流,加上由于摩擦而产生的向内的入流,在135 km处有明显的辐合产生,从而引起强上升运动和非绝热加热,加热可以进一步降低地面气压从而增强边界层向内的入流,通过这样的正反馈过程而使涡旋加强。反之,由于不活跃位相下ISO的低层辐散的强迫,而不利于涡旋的低层辐合的产生,从而抑制了强对流和非绝热加热的发生。正是由于不能有强对流的发生,因此在模拟的最后不活跃位相下始终难有TC的生成。  进一步的敏感性试验揭示了活跃位相和不活跃位相下MT的ISO的动力因子和热力因子对涡旋发展的相对贡献。模拟结果显示活跃位相下热力因子相对于动力因子起了更重要的作用,即湿度异常相对于低层的涡度和辐合对TC的发生有更大的控制作用。ISO的动力因子主要对模拟的早期浅对流的产生有明显的作用,而ISO的热力因子主要对后期深厚的强对流的发展有重要作用,通过比较成熟阶段敏感性试验中涡旋的最小海平面气压(MSLP)和最大的轴对称风(MAMW)和对照试验中涡旋的MSLP和MAMW的强度差异,发现MT的ISO的热力因子对TC发展的作用大约是动力因子的2倍。而不活跃位相下动力因子相对于热力因子对于涡旋的发展起了完全地抑制作用。  (4)采用类似MT ISO的研究方法对MT IAV的大尺度异常场对TC生成的相对作用进行了数值模拟研究。模拟结果表明,MT IAV的大尺度背景场影响TC生成的物理过程大致与MT ISO类似,MT强年的大尺度条件为TC的生成创造了明显有利的环境,而弱年则不利于TC的生成。进一步的敏感性试验显示强年下MT IAV的动力因子和热力因子对TC生成的作用相当。  (5)与东太平洋和大西洋相比,MT或赤道辐合带(ITCZ)崩溃在WNP地区的研究不多,利用卫星资料、再分析资料和中尺度WRF-ARW模式针对WNP上发生在2006年8月的一次典型的个例分析表明,在本次MT/ITCZ崩溃的个例中,有两个TC生成,观测结果表明MT/ITCZ的崩溃与3-8天的天气尺度波列有关。进一步利用中尺度模式运行三组试验证实了3-8天的天气尺度波列对MT/ITCZ崩溃起了关键作用。一方面,位于MT/ITCZ区域内的天气尺度波列的气旋性环流信号增强MT/ITCZ的位涡(PV)异常;另一方面,MT/ITCZ区域以北的反气旋性环流有利于减少PV带的经向尺度,两个过程均可以增强PV的经向梯度而有利于MT/ITCZ发生正压不稳定,从而引起崩溃的产生,产生的若干扰动可以进一步发展为TC。
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