大涡模拟的热带气旋眼墙极端垂直运动和精细结构分析

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极端垂直运动对热带气旋强度和结构变化有重要作用。实际观测中发现,热带气旋内部伴有极端上升运动,但与之相联系的小尺度系统尚未可知。本文分析了边界层大涡技术下,三组不同水平分辨率(333 m、111 m和37 m)的WRF模拟结果,给出了热带气旋眼墙附近的极端垂直运动时空分布,并对相关小尺度精细结构进行了定性分类追踪。其主要研究成果如下:(1)三组试验中,热带气旋眼墙垂直运动特征与观测一致,均近似满足对数正态分布,约70%的垂直运动集中在-2~2 m s-1之间,但也存在极端垂直运动。气流(>0.5 m s-1)与核(>1 m s-1)均呈现为低(高)层个数多(小)、半径小(大)的统计特征。随着模式水平分辨率的提高,极端垂直运动速度增加,统计得到的气流与核的个数增多,但半径减小。(2)在更高分辨率的两组试验中,发现极端垂直运动主要出现在眼墙强对流一侧的低层(750 m)、中层(6.5 km)和高层(13 km),并且对应不同的小尺度系统。极端上升运动在低层主要与龙卷尺度涡旋相联系,高层与沿着切向风分布的一对反向旋转水平涡旋相关,而中层的极端上升运动与相对复杂的小尺度系统有关,可分为环状涡旋,水平涡旋对和单个倾斜涡旋三类。(3)在水平分辨率为37 m的数值试验中,对边界层不同区域的小尺度系统进行分类:强对流眼墙内侧,龙卷尺度涡旋、类滚涡的水平涡旋和更小尺度垂直涡旋共同作用,可产生约70 m s-1的局地大风,垂直运动振幅达10 m s-1;强对流眼墙外侧,局地大风强度为40~50 m s-1,垂直运动振幅仅为4 m s-1,这主要由波长约3~4 km,长度10 km的滚涡造成;弱对流区的垂直运动振幅较弱且对地面局地大风影响不大,呈现沿着切向风方向并向外倾斜的条带状分布,与波长约2~3 km,长度5~6 km的滚涡系统相联系。(4)边界层的龙卷尺度涡旋多伴有极端上升运动和局地大风,在水平分辨率为37m的试验下,对龙卷尺度涡旋演变进行了定性追踪。结果表明,均经历了从更小尺度涡旋不断合并、分裂的过程最终达到龙卷尺度涡旋强度,根据演变的过程可归为三类:第一类为逐渐合并型,第二类是快速增强型,第三类在演变过程中可一直保持多涡度中心。
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