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本文利用中尺度数值模式WRF对台风“黑格比”(2008)进行了3km高分辨率的多个模拟试验。主要分析了台风内核的精细结构、各个微物理转化项和潜热收支的三维结构特征,并探讨了潜热释放和不同云微物理过程对台风结构、强度和降水的影响。主要结论如下:
(1)控制试验较好地再现了台风环境场、实况路径、移动速度、强度变化和风雨分布特征。
(2)台风云墙有明显的热塔特征,热塔水平尺度约30km,垂直尺度约13km。热塔内是无辐散层,有强的上升运动,最强的上升运动在对流层上层。最大风速轴随高度往外倾斜递减,而上升运动沿最大风速轴随高度增强。台风眼区直径约60km,暖心结构深厚,最大暖偏差约7℃,在4km高度。
(3)不对称结构主要体现在前进方向的左右侧:一是强对流强雨出现在台风前进方向的左侧,暖心结构向左侧倾斜;二是大风和强降雨的分布并不一致,大风出现在台风前进方向的右侧,而强降雨出现在台风前进方向的左侧。
(4)台风内核平均总潜热加热廓线峰值出现在7km高度。凝结加热主要位于云墙内侧,2-5km高度最大;0.5km高度以下雨水蒸发冷却。融化冷却是在零度层下方的云墙外侧,而冻结加热是在零度层上方的云墙里。凝华加热作用主要在8-14km,升华冷却相对较小。
(5)热塔对于台风生成后的强度、结构变化和雨量都有明显的影响,并通过释放潜热来实现。潜热释放的多少对台风路径没有明显的影响,但对台风强度、结构和降水量有明显的影响,增加潜热,台风变强,暖心增厚,雨量增多;减少潜热,台风变弱,暖心变薄,雨量减少。
(6)潜热释放对台风云微物理过程有反馈作用。增加潜热,各种水成物含量一致增多;减少潜热,各种水成物含量也一致减少。当增加(减少)潜热释放时,除了部分冷却过程减弱(增强)外,大部分云微物理转换过程会增强(减弱);特别是与霰有关的过程对港热的改变比较敏感。
(7)不同云微物理过程对台风强度和降水有明显的影响,没有凝华和升华潜热释放,台风强度变弱,降水明显减弱;没有冻结和融化潜热释放,台风强度略有加强,降水略有增加;而不考虑雨水蒸发冷却作用,台风强度显著加强,降水明显增加。
(8)潜热与对流的正反馈作用影响台风的强度变化。当没有凝华和升华潜热释放时,台风高层的潜热释放减少,对流活动减弱,相应低层径向流入和高层径向流出减弱,台风气旋性环流减弱。没有了低层雨水的蒸发冷却,使得台风获得更多的能量,低层空气更为暖湿,眼墙区对流活动增强,进而使得径向流入和高层径向流出增强,台风气旋性环流增强。
(9)不同微物理过程转化项的大小与潜热释放的大小并不一致,微物理转化大项主要是雨水被霰收集、霰的融化、雨水被雪收集和水汽凝结成云水。而使台风加强的主要微物理过程是水汽凝结成云水、雪的凝华增长和云冰的凝华增长;使台风减弱的主要微物理过程是雨水的蒸发、雪的升华和霰的融化。