“彩虹”台风螺旋雨带内致灾中尺度系统回波演变和机理研究

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:gavin_18
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登陆的台风(飓风)系统往往是致灾严重的天气系统之一。台风系统由台风眼、眼壁(云壁)和外围螺旋雨带组成,而眼壁和外围螺旋雨带又由多个强对流系统组成且是台风致灾影响的重要展现部分。台风系统及其诸多子系统的发生发展机制和分析预报理论及方法一直都是大气科学学科中最受关注的领域之一。本研究通过对2015年晚秋登陆中国的少有的强台风“彩虹”致灾性螺旋雨带内的中尺度系统的分析和研究,为台风外围螺旋雨带的分布机理、强对流单体内强度参数的演变特征、中气旋内钩状回波演化特征和形成机理进一步提供了可能的解释和归因,给出了可供参考的更为精细的相关参数和指标。(1)“彩虹”台风在登陆前后过程中,其右前象限距离其中心300—500km左右的外围螺旋雨带内多个由强对流单体增强生成的超级单体发生并造成了致灾性的危害。其中在汕尾海丰近海衍生了1个水龙卷,在佛山顺德和广州番禺各衍生了1个陆龙卷。如果将“彩虹”台风的中心和台风眼壁看成一体作为内核(Inner core),那么自内核之外且一定距离阈值R之内的切向风风速分布先随径向距离的增大而增大,当距离达到阈值R之后,切向风速随着距离的增大而减小。螺旋雨带内风速大的区域激发的对流发展更强。因此“彩虹”台风外围强螺旋雨带的形成符合Rankine涡旋模型的空间分布结构,进而可以用Rankine涡旋模型来解释远离台风中心出现强风区和强的螺旋雨带的机理,从而进一步验证了 Rankine涡旋模型的适用性。(2)外围螺旋雨带大值区域(>50dBZ)内中气旋不同发展阶段统计特征来看,在中气旋非相关切变(UNSHR)阶段广州和汕尾两地平均低高(BASE)、顶高(TOP)和切变最大高度(HGT)数值相同,都为1.5km;在三维相关切变(3DSHR)阶段,广州平均底高在1.8km,顶高在3km,切变高度在2.5km,汕尾平均底高和切变高度在1.8km,顶高在3.1km;在中气旋(M)阶段,广州平均底高在1.1km,顶高在2.4km,切变高度在1.7km,汕尾平均底高在1.3km,顶高在2.7km,切变高度在2.1km左右,汕尾平均底高、顶高和切变高度比广州的分别高0.2km、0.3km、0.4km。从识别涡旋的径向直径和切向直径来看,两站的径向直径在三阶段的值有大—小—大变化,而切向直径则是小—大—小的变化;从风切变值来看两站的风切变强度都在0.01/s左右,中气旋阶段最大,非相关切变和三维相关切变值相对略小。(3)参照超级单体持续时间分类标准,3个衍生龙卷的超级单体持续时间都在1.5-1.6h左右,属于短生命史的超级单体。参照中气旋旋转强度标准,衍生水龙卷中气旋最大转速为19.5m/s为中等强度中气旋,2个衍生陆龙卷的中气旋最大转速>27m/s为强中气旋。3个衍生龙卷的超级单体移经自动站前后,自动站风向有近180°转换,同时伴随的局地小时雨强超过20mm,都为强降水型超级单体。(4)速度谱宽是多普勒雷达的三个基本物理量之一,速度谱宽在强对流风暴阶段—超级单体阶段—龙卷阶段发生发展中有先兆预示意义,对提前发现强对流的发展提供了演变预警作用。在以衍生龙卷的三个超级单体所在位置为中心,通过对多普勒雷达速度谱宽特征的逐时次逐层分析可知,谱宽变化对中气旋和龙卷的产生能够提前10—30分钟给出指示作用,并建立了强对流风暴不同发展阶段速度谱宽值演变对强对流风暴单体指示作用的概念模型。速度谱宽增大时,强对流风暴处于各阶段的发展(或减弱)期;速度谱宽减小时,强对流风暴处于各阶段的稳定期。(5)3个衍生龙卷的超级单体都生成在各自所在回波段的尾部。以50dBZ的回波强度和0.5Ro的涡旋结构作为它们的代表特征,通过细致分析3个衍生龙卷的超级单体的三维空间回波结构演变特征。在中气旋阶段,0.5Ro涡旋主体位于回波穹隆和悬挂回波右前侧附近;在龙卷阶段,涡旋主体呈向移动方向倾斜的“涡管”结构,分析了中龙卷涡旋的可能旋转尺度。根据空气动力学和伯努利能量守恒方程,进一步精细地推导分析了在同一高度层上运动的中气旋的受力作用情况,从而完善了超级单体内的钩状回波形成机理,并详细推导出了某高度上超级单体内阻碍中气旋向前运动的空气阻力f和周围压强差所造成的压力差δF的共同作用合力F是钩状回波形成的原因。通过实际个例验证了北半球东风带和西风带内超级单体中钩状回波的演变模型的适用性。通过对比分析“彩虹”螺旋雨带的超级单体内中气旋正负速度对的强度数据,进而详细推导出同一高度上中气旋由压强差所造成的压力差δF和空气阻力f之间可能的倍数量化关系。
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