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最新观测和模拟研究表明,发展成熟的热带气旋内核区域往往存在与眼墙区对应的高值位涡(Potential Vorticity:PV)区,在空间上表现为具有强烈向上伸展的中间空心的高值PV柱状结构,被称为“管状PV塔(PV tower,简称PVT)”。由于PVT以及外旋的PV带与TC内部眼墙和螺旋雨带的结构有很好的对应关系,且其径向分布和结构变化直接影响热带气旋内部波动特征及动力稳定性,因此PVT可以作为连接热带气旋内部动力学过程与系统结构和强度突变的重要纽带。本文对具有不同基态涡旋分布特征的热带气旋内部动力学机理的科学问题进行探索性研究。首先基于线性正压浅水模型,分析基态位涡(Potential Vorticity:PV)中空结构对热带气旋类涡旋稳定性特征的影响。通过引入基态PV结构参数:宽度δ(眼墙内外边界涡度发生陡变的半径长度之比)和中空度γ(眼心相对涡度与内核区域平均相对涡度之比),在基流最大切向风速以及最大风速半径相同的前提下设计170组具有不同基态PV中空特征分布的敏感性试验。讨论不同基态PV廓线下涡旋系统最不稳定波数(The most unstable wavenumber:MUWN)和系统最不稳定模态(The most unstable mode of System:MUMS)的特征频率及其不稳定增长率的大小。研究表明,当PV环较厚,系统表现为低波数最不稳定,相应的MUMS为低频波且增长率较小;当PV环较薄,系统表现为高波数不稳定,且PV环越实最不稳定波数越高;当PV环薄且空时,MUMS均为中高频波动,且不稳定增长率随PV厚度变薄中空度变空而明显增大。考虑到实际热带气旋发展过程中系统的结构和强度随时都在变化,为使我们研究结果更加完整,分析了三种典型基态PV中空结构下不同基态涡旋强度对系统稳定性的影响,结果表明基态涡旋的强度主要影响稳定性的强弱,强度越强,系统不稳定增长率越大;而基态PV的径向分布对系统最不稳定波数以及最不稳定波动性质起着决定作用。考虑到不稳定对波数具有选择性,对不同波数下增长最快模态的分布及其扰动动能发展进行分析表明,对于厚且实的PV环,系统稳定性较弱且主要取决于低波数不稳定,同时1波扰动动能呈代数型缓慢增长;对于厚度适中且较空的PV环,最不稳定波数的扰动动能出现快速指数型增长且扰动增长的优势地位明显;对于薄且空的PV环,系统稳定性主要取决于高波数不稳定且扰动增长率大,同时多个高波数下增长最快模态的不稳定增长率量值十分接近,使得多个波数的扰动增长相当。讨论不同基态PV结构下决定稳定性特征的MUMS的波动性质及扰动物理场的配置,发现对于弱不稳定的PV环来说,低波数波最不稳定的特征波动具有典型涡旋Rossby波(vortex Rossby waves:VRWs)的特征;而对于强不稳定的PV环来说,高波数不稳定的特征波动表现出明显混合波的性质。利用实际个例模拟资料分析飓风Wilma(2005)发展过程中基态PV径向分布及其变化对TC结构和强度的影响表明,TC内核区出现的多边形眼墙结构与当前时刻基态PV廓线决定的最不稳定波数有很好的对应关系,证实了基态PV径向分布对最不稳定增长的扰动波数具有选择性,有利于维持该波数下扰动的增长,从而对涡旋多边形结构产生影响。同时基态PV径向分布变化所反映出的系统动力稳定性强弱与TC强度发展阶段具有很好的相关性。在理论模型分析基础上,利用中尺度非静力数值模式WRF,模拟理想大气中具有不同初始基态涡旋结构的热带气旋及其生命史演变过程。模拟过程很好地反映了热带气旋眼墙区域高值PV柱状结构的崩溃过程,而且热带气旋涡度的水平分布还清晰地展示了与系统动力不稳定有关的非对称结构特征。从垂直结构的演变特征看,径向PV混合过程均在低层表现最为明显,使得垂直方向上2~3km高度附近形成了连接眼墙两侧的高值PV柱且贯穿眼心的桥状结构,说明系统动力不稳定对中低层热带气旋的结构变化影响更大。基于理想模式大气的数值模拟结果,采用非对称波分量分解的方法讨论多个不稳定波数的扰动以及对称涡旋的发展及其演变过程,发现非对称扰动的发展和衰减与热带气旋多边形眼墙结构的形成以及中空结构发生崩溃有很好的对应关系。在热带气旋多边形眼墙形成阶段,非对称扰动出现增长,与多边形结构有关的不稳定波数扰动增长最迅速且扰动强度大于其他波数。利用扰动涡度收支方程和平均涡度收支方程,分别讨论非对称扰动涡度以及对称涡旋涡度变化的动力学机理,结合二者的分析结论,进一步讨论影响热带气旋结构和强度变化的动力学机理。结果表明,具有中空结构的基态涡旋场,通过动力不稳定使得热带气旋低层扰动出现快速增长,随着扰动不断增长,热带气旋水平方向上逐渐出现了与最优扰动相对应的多边形结构,同时使得对称涡旋眼墙区域的高值PV不断向内输送,造成基态涡旋的动力学条件发生变化,不能继续维持高值PV柱状结构,中空发生崩溃,系统逐渐趋于稳定。最后,比较两种典型基态涡旋结构下,对称涡旋的结构和强度对非对称扰动发展的响应过程,发现初始中空基态涡旋的结构与对称涡旋对非对称扰动发展的响应周期及受影响程度密切相关。基态涡度(或PV)环越宽越实,系统不稳定性越弱,非对称扰动增长缓慢,对称涡旋对非对称扰动的响应周期越长,尽管对中心气压和最大风速变化具有一定的影响,但仍然无法改变中心气压升高且最大风速减小的变化趋势;反之,基态涡度(或PV)环越窄越空,系统越不稳定,非对称扰动发展越快,对称涡旋的结构变化对扰动发展的响应越迅速,且在扰动不稳定增长的影响下中心气压与最大切向风速短时间内呈等位相变化,即中心气压与最大切向风速均出现减小的变化趋势。