海气相互作用对Sinlaku台风(2008)双眼墙形成与演变过程的影响研究

来源 :国防科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lioutao2009
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台风双眼墙(CEs),又名同心眼墙,是强热带气旋(TC)发展演变过程中一种常见的结构特征,双眼墙的形成(SEF)以及内外眼墙的替换过程(ERC)会导致TC强度和结构发生突变,大大增加了 TC强度预报和风雨预报的困难。海气相互作用是影响TC发展的重要物理过程,TC经过后引起的冷尾流和强烈的海浪直接影响海气间的能量交换。为了研究海洋对CEs的影响,本文利用高分辨率的区域海-气-浪耦合模式,成功模拟出Sinlaku(2008)台风的SEF和ERC过程,并基于不同的海洋状态开展了四组数值模拟对比试验,分别包括两组非耦合大气试验、一组海气耦合试验(OA试验)以及一组海气浪耦合试验(OAW试验)。根据敏感性数值试验结果,对比分析了不同海况条件下SEF成因和ERC特征,在此基础上,重点研究了双眼墙条件下的海温响应和海浪响应特征以及它们对ERC演变过程的反馈和影响,完善了海气相互作用条件下SEF和ERC过程的概念模型。对比试验结果表明双眼墙的结构和强度特征对于下垫面海洋的变化非常敏感。四组试验均成功模拟出了Sinlaku的SEF和ERC过程,其中海气浪耦合试验模拟的TC路径、强度与台风最佳路径集、飞机观测最为接近,且成功再现了Sinlaku台风维持31小时的ERC过程,与经典双眼墙概念模型不同的是,该组试验中的外眼墙形成后并没有持续加强向内收缩,而是始终位于90-110km半径区间内。相比之下,仅考虑海洋降温的OA试验模拟的CEs整体偏弱,内眼墙消亡速度较快,ERC仅维持了 20小时。若不考虑海洋影响,单一大气模式模拟的CEs过强,ERC的演变特征与实际偏差更大。若不考虑海洋降温和海浪响应的影响,经过TC轴对称动力学和热力学分析,SEF和ERC的发展过程可总结如下:在双眼墙形成之前,SEF区域上空有外雨带生成和发展,外雨带释放的凝结潜热形成的次级环流促进了 SEF区径向入流的增强,这一方面增加了相当位温的径向梯度,造成SEF区域局地增温,热力不稳定加剧,自由对流高度降低,从而有利于高空发展的对流向边界层内下传;另一方面增强了切向风的向外扩张,在这些因子的共同影响下,外眼墙形成。边界层顶的超梯度风的存在是对外雨带的一种动力响应,超梯度风突然增强的时间与切向风第二个大值区何时形成无关,而与外眼墙内延伸至地面的对流何时增强有关。在SEF之后,第二个切向风大值区的存在有利于外眼墙从海洋中获取更多的能量,同时超梯度风的形成也有利于边界层内产生强的辐合上升运动,加深对流的发展,释放更多的非绝热加热能,进一步促进外眼墙的发展。随着TC的增强,外眼墙向内收缩,内外眼墙之间的下沉气流区域(moat区)宽度减小,垂直发展增强的外眼墙不仅切断了内眼墙的高熵供应,同时也抑制了内眼墙高层的通风效应,因此内眼墙迅速消亡,ERC结束。当考虑海洋响应后,虽然SEF的物理机制并未改变,但却明显影响了 ERC的发展和维持特征。TC引起的强的风应力和海洋湍流扰动动能主要集中在眼墙下方,受到地转偏向力和TC移动的影响,TC移动的后侧的表层洋流速度强于其它象限,在水平平流和垂直平流的共同作用下,SEF之前,TC移动右后方moat区内的海洋降温显著,直接影响外眼墙的形成位置和强度。在SEF之后,TC两个风应力的大值区不仅通过夹卷效应使海表面出现两个降温中心,同时也导致海洋混合层底层垂直速度呈现类似TC两个螺旋雨带的分布特征,增强了冷水上涌的程度和范围,导致在模拟后期,整个TC环流下方都存在较强的冷尾流,这与单眼墙TC冷尾流的响应特征有明显的不同。台风引起的冷尾流,减小了海气间感热通量和潜热通量的输送,降低了 TC的整体能量,因此耦合试验中的外雨带较弱,对内眼墙的抑制作用有限;同时,冷尾流增强了局地边界层的稳定性,抑制该处对流的发生发展,外雨带位于强海表降温的外侧边缘,从而扩大了 moat区的宽度;此外,冷尾流造成TC对流的非对称分布,对流主要集中在路径前侧,TC后侧的径向入流增强,为内眼墙提供更多的能量。因此相比于单一的大气试验,耦合试验中的ERC维持时间较长。当考虑海浪后,ERC的维持时间延长了约两倍,分析表明海洋对内眼墙的能量供应是OAW试验中ERC维持较长时间的原因。SEF之后,在海浪四波非线性作用下,有效波高的大值区主要位于内外眼墙之间的moat区内。由于高海浪和低波陡的存在,即使在风速较弱的眼心和moat区内,海表热量交换系数也可以保持在较高值,有利于海表面热焓通量极大值的维持,减缓内眼墙的消散速度;直到冷尾流过强,海洋温度过低时,内眼墙从海洋中获得能量无法继续维持弱对流的发展,内眼墙消失。
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