海洋及环境流场对热带气旋强度变化的影响研究

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自二十世纪90年代后期以来,热带气旋强度变化研究越来越受到人们的重视,随着研究的不断深入,热带气旋强度变化研究取得了可喜的进展,本文总结了近年来热带气旋强度变化的主要研究成果,主要包括(1)热带气旋的发生发展和最大可能强度;(2)环境流场的垂直切变以及热带气旋外流与热带气旋环流的相互作用对热带气旋强度的影响及其物理机制;(3)热带气旋结构与热带气旋强度的变化关系;(4)海洋热状况变化以及海洋飞沫对热带气旋强度的影响研究成果。分析认为,热带气旋强度变化研究领域还存在许多尚未解决的科学问题,如人们非常关注环境流场的垂直切变对热带气旋强度变化的影响,但忽视了热带气旋在均匀流中强度变化的这个基本问题。海洋对热带气旋强度变化的影响也是人们关注的另一个话题,以往的研究重点主要集中在海洋与大气之间的热量和水汽交换,但对海洋温度的水平非均匀性对热带气旋强度的影响缺乏进一步的研究,特别是这种非均匀性是否可以导致热带气旋的非对称结构,从而引起热带气旋强度的变化尚无定论。因此,本文将就均匀大气环境流场、行星涡度梯度、海洋的表面温度、海洋的层结变化以及海洋温度的非均匀性对热带气旋强度的影响展开研究。 1、利用一个有限区域大气模式研究行星涡度梯度和均匀流对热带气旋强度的影响。结果表明,在f-平面且考虑有均匀流背景时,模式热带气旋强度较f-平面不考虑均匀流时减弱;而在β-平面上,模式热带气旋强度也小于f-平面上的结果。当在模式中引入均匀流或行星涡度梯度时,得到一个非对称的热力和动力结构;而在f-平面上静止的大气背景下,模式得到的是一个较为对称的热带气旋。模拟的热带气旋强度与它的暖心的强弱以及与此有联系的下沉运动有关。在f-平面且无均匀流背景时,模式产生的对流分布也比较对称,因而在热带气旋上层的中心区有较强的辐合下沉运动而产生较强的暖心;而在β-平面上,由于β效应作用产生的温度平流,使得部分的非绝热加热被均匀流带离热带气旋中心,因而加热不再集中在热带气旋的中心,而大气有均匀流时的情况与其类似。这样,使得热带气旋强度减弱。因此,非对称的温度平流在热带气旋的温度分布中起着非常重要的作用。 2、利用POM(PrincetonOceanModel)建立了西太平洋海洋模式,并对该海洋模式进行了多种情景下的验证。结果表明,在给定的侧边界通量和初始月均海洋温盐场和大气平均风场作用下在模式海洋中,所得平衡态下的海洋的温度、盐度分布以及流分布与实际的海洋气候平均态比较一致。海洋对静止模型热带气旋、移动模型热带气旋响应的数值试验结果表明,海洋对静止和移动模型热带气旋的响应的主要特征,如降温的水平和垂直分布、降温的幅度与以往的研究结果基本一致,显示其合理性。在热带气旋强迫不变情况下,海洋对热带气旋的响应时间因不同的水深而有所差异,海洋的最大降温出现在海洋中50-70米处,这与海洋初始结构有关。这些结果同以往用二维海洋模式对模型热带气旋响应的模拟结果相比更具有合理性。利用所建立的的海洋模式,对一个热带气旋经过一个浮标测站所观测到的海洋表层降温过程进行了数值模拟,结果表明,模拟计算的海洋表层降温与实际观测基本一致,所产生的误差可能与用模型热带气旋代替实际热带气旋造成风场模拟精度不足有关。 3、采用MM5V3作为大气模式,多层的POM作为海洋模式,建立了热带气旋的海洋-大气耦合模式。在理想的f-平面上,所建立的大气模式可以将一初始涡旋发展成为一个成熟的、比较对称的热带气旋,模式产生的热带气旋具有实际观测到的热带气旋特征,如暖心结构、θse分布,低层辐合高层辐散等,这说明所建立的大气模式对热带气旋有较好的模拟能力。所建立的海-气耦合模式不仅能模拟出热带气旋的主要特征,而且,耦合模式正确地模拟出了热带气旋导致的海洋温度下降,海洋的负反馈引起的热带气旋中心最低气压的变化,以及其它一些反映海洋与热带气旋相互作用的特征。 4、利用建立的海洋-大气耦合模式,针对海洋的表层温度(SST)、海洋的层结结构、海洋的水平温度梯度设计了一系列的数值试验,研究了海洋状态的变化对热带气旋强度的影响,同时附带地分析了它对热带气旋路径的影响。研究结果表明,SST对热带气旋的发生、发展的影响再次通过数值模拟得到确认,并且热带气旋对SST的响应是非线性的,当SST超过一定值时,SST的升高使得热带气旋强度的增加幅度会减少。海洋的层结对热带气旋强度变化的影响很大,在海洋-大气耦合模式中,海洋层结越大,海洋的负反馈作用对热带气旋强度减弱越大;反之,则对热带气旋强度的减弱越小。计算表明,对于SST相同,而层结越小的海洋,其热含量越高,反之则热含量越低。这说明海洋对热带气旋强度的影响不仅与SST有关,而且与海洋的层结有关。试验还表明,海洋水平温度梯度对热带气旋强度和路径都有一定的影响。海洋的水平温度梯度对热带气旋强度的影响已经不能用海洋对大气的潜热和感热的输送来解释,这种影响很有可能是由于海洋下垫面对摩擦层大气的非均匀加热引发了热带气旋结构的非对称性,从而产生热带气旋强度和路径的变化。 海洋的水平温度梯度对移动热带气旋的强度和路径也有一定的影响。海洋水平温度梯度越大对热带气旋强度和路径的影响也越大,反之也真。但总体上,海洋对热带气旋强度影响较大而对热带气旋的路径影响不明显。 通过本文的研究达到了进一步认识环境流场以及海洋对热带气旋强度的影响机制目的,丰富了热带气旋强度变化研究内容,为进一步研究热带气旋强度变化奠定了基础。
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