（气象学专业论文）双眼墙台风wilma的数值模拟及分析.pdf

摘要 摘要 本文利用高分辨率数值模式w r f 模拟了台风w i i m a 双眼墙结构的形成以及双 眼墙为单眼墙取代的整个过程，在此基础上首先分析了环境垂直切变对台风强 度和结构的影响，接着对台风眼区，内外眼墙和m o a t 区等进行了较细致地分析， 重点分析了台风的眼墙涡旋、双眼墙结构、m o a t 区的特征以及眼墙取代过程等， 并试图通过异常位涡的演变来解释外眼墙的形成原因。最后，还在台风的上述 不同区域放置示踪粒子，通过分析这些粒子的运动来进一步研究台风内部各个 区域( 结构) 之间的相互关系以及外眼墙形成的可能原因。 分析表明：环境垂直切变对w i l m a 的结构有重要影响，对流旺盛区，大的径 向外流区等都主要集中在垂直切变的下风及下风方向的左侧；w i l m a 存在明显的 眼墙涡旋，眼墙涡旋以类似涡旋r o s s b y 波的形态围绕台风中心逆时针旋转，同 时产生眼墙内的局地径向内流和径向外流的交替分布；最大垂直速度和最大加 热中心位于最大切向速度的内侧是台风加强过程中眼墙内缩的主要原因；眼墙 之间的m o a t 区具有强烈旋转差异特性，m o a t 区中主要以弱的上升运动为主，在 3 - 5 k m 高层上有下沉运动分布；外眼墙的形成可能与中层正的位涡下传有关，绝 对角动量等值线的向下弯折，有利于高层和中层的异常位涡下传，然后在流入 层中向台风中心辐合。向内输送的异常位涡在眼墙外侧的某一个半径处累积、 加强，在w i s h e 机制下得到发展，最终形成外眼墙。外眼墙形成的位置可能与低 层眼墙位涡的外传和眼墙外位涡的内传的相遇位置有关。 w i l m a 内部各区域间存在明显的相互作用，这种相互作用与垂直切变有密切 关系；外眼墙形成后会对低层空气进入内眼墙起阻挡作用，且但这种阻挡作用 表现出明显的方位向选择性，这可能与垂直切变有密切联系；自眼墙低层和内 眼墙流入外眼墙的空气对外眼墙的发展起正作用，而中高层环境流场的侵入带 来的“通风作用”对外眼墙发展起负的作用，强烈地“通风作用”作用主要发 生在垂直切变的上风方向；m o a t 区中的粒子主要来自于低层输入和双眼墙的供 给；两眼墙之间存在明显的相互作用，这种相互作用在对流层中层( 7 k m ) 最明 显，m o a t 区中的粒子更容易与外眼墙作用，其属性也与外眼墙更接近。 关键词：双眼墙，w i s h e ，示踪粒子分析，m o a t 区，眼墙取代过程 摘要 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y ，ah i g hr e s o l u t i o ne x p l i c i ts i m u l a t i o no fh u r r i c a n ew i l m ai s p e r f o r m e du s i n gt h ew e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t i n g ( w r f ) m o d e l i n gs y s t e m t h e c o n c e n t r i ce y e w a l l sa n di t se y e w a l lr e p l a c e m e n tp r o c e s sa r es i m u l a t e ds u c c e s s f u l l y o nt h eb a s eo fm o d e lr e s u l t s ，t h ee f f e c to fe n v i r o n m e n t a lv e r t i c a ls h e a ro nh u r r i c a n e s i n t e n s i t ya n ds t r u c t u r ew a sa n a l y z e df i r s t t h e nad e t a i l e di n v e s t i g a t eo ft h ee y e ， i n n e re y e w a l l ，o u t e re y e w a l la n dm o a tr e g i o ni sp e r f o r m e d w es h o wh i g h l i g h t i n go n t h ea n a l y s i so ne y e w a l lv o r t i c e s ，d o u b l ee y e w a l l s ，c h a r a c t e r so f m o a ta n dt h ee y e w a l l c y c l e s a n d t r y t o e x p l a i no u t e y e w a l l s f o r m a t i o n b yt h e e v o l u t i o no fp v a n o m a l y f i n a l l y ，w ep u tas e r i e so ft r a j e c t o r i e si nd i f f e r e n tr e g i o no fh u r r i c a n et o h a v eal o o ka tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e s ed i f f e r e n tr e g i o i l sa n dt oa n a l y z et h e p o s s i b l em e c h a n i s mo f f o r m a t i o no f o u t e re y e w a l l t h ea n a l y s i ss h o w s ：t h ev e r t i c a ls h e a rh a sn o t a b l ee f f e c to nw i l m a ss t m e t u r e b o t ht h ev i g o r o u sc o n v e c t i o na n dl a r g er a d i a lo u tf o wa r el o c a t e da tt h ed o w n s h e a ra n dd o w ns h e a rl e f t t h e r ea r es e v e r a le y e w a l lv o r t i c e si nw i l m a se y w a l l t h e s e e y e w a l lv o r t i c e sw i l lr o t a t ea r o u n dt h ec e n t e ro fh u r r i c a n ea n t i c l o c k w i s ea n dc r e a t e l o c a lr a d i a li n f o wa n do u t f o wi nt h ee y e w a l l t h em a x i m u mv e r t i c a lv e l o c i t ya n d m a x i m u mh e a t i n g j u s tt ot h ei n s i d er a d i a l l yo f t h em a x i m u mw i n d sm a yb et h em a i n r e a s o no ft h ee y e w a l l sc o n t r a c t s m o a tr e g i o ni sc h a r a c t e r i z e db yi n t e n s er o t a t i o n d i f f e r e n t i a la n dw e a ku p w e h ，w h e r e a st h e r ei ss u b s i d e n c eb e t w e e n3 5 k i nl e v e l s o u t e re y e w a l l sf o r m a t i o nm a yb er e l a t e dt ot h ed o w n w a r dt r a n s p o r to fm i d d l ep v t h ed o w n - w a r dc u r v e do fa b s o l u t ea n g u l a rm o m e n t u mf a v o rf o rt h ed o w n w a r d t r a n s p o r to f m i d d l ep va n o m a l y ，w h i c hw i l lc o n v e r g et oh u r r i c a n ec e n t e ri nt h ei n f o w l a y e rs u b s e q u e n t l y t h ep va n o m a l yt r a n s p o r t i n gi n w a r dw i l ls t a c ka tar a d i u sa n d i n t e n s i f y ，t h e ni n d u c et h ew i s h em e c h a n i s mt os t r e n g t h e na n du l t i m a t e l yc r e a t et h e o u t e re y e w a l l t h u st h eo u t e re y e w a l l sl o c a t i o n sm a yd e t e r m i n e db yt h ep o s i t i o n w h e r et h eo u t w a r dt r a n s p o r ta n di n w a r dt r a n s p o r tp vm a k eae n c o u n t e r m a r k e di n t e r a c t i o n s c l o s e l yr e l a t e d i n 也ev e r t i c a ls h e a r , e x i s tb e t w e e nd i f f e r e n t r e g i o n so fw i l m a ；a st h eo u t e re y e w a l li sf o r m e d ，i tb l o c kt h el o wl e v e li n f o wa i rt o 摘要 i n n e re y e w a l la n d s u c hb l o c k i n gp e r f o r m a n c eo b v i o u ss e l e c t i v i t yo fa z i m u t h a l p o s i t i o n , w h i c hm a ya l s ob er e l a t e dt ot h ev e r t i c a ls h e a r t h ea i rf r o ml o w e rl e v e l e y e w a l la n di n n e re y e w a l lh a sp o s i t i v er o l et oo u t e re y e w a l l se v e l o p m e n t h o w e v e r t h e i n t r u s i o no fm i d - a n dh i g h - l e v e le n v i r o n m e n t a la i rh a sn e g a t i v er o l eb yi t s v e n t i l a t i o n i n t e n s e v e n t i l a t i o n m a i n l yl o c a t e da tt h eu p s h e a rd i r e c t i o no f v e r t i c a l s h e a r m o a ta r e ap a r t i c l e sm a i n l yf r o ml o w e rl e v e li m p o r ta n de y e w a l ls u p p l y ；t h e r e i si n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ei n e n e ra n do u t e re y e w a l l ，w h i c hm o s to b v i o u si nt h e m i d d l et r o p o s p h e r e ( 一7 k m ) c h a r a c t e ro f m o a ta r e ap a r t i c l e si sm o r ec l o s e rt ot h eo n e o f o u t e re y e w a l lb e c a u s ee a s e l i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e s et w or e g i o n k e yw o r d s ：d o u b l ee y e w a l l s ，w i s h e ，l a g r a n g i a nt r a j e e t o r y ，i n o a t ，e y e w a l lc y c l e s m 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 储签名：兰垦塑： 日期：型：! 兰 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 、柄易 作者签名：生丝竺： 日期：丝2 ：竺 第一章前言 1 1 引言 第一章前言 一系列观测研究( w i l l o u g h b ye ta 1 1 9 8 2 ，h e r e a f t e rw c 8 8 2 ；w i l l o u g h b y1 9 9 0 ：b l a c k a n d w i l l o u g h b y ，1 9 9 2 ) 表明，在一些强度较强的台风发展过程中，眼墙外侧的螺旋雨带( 云 带) 会形成一个围绕服墙的部分或完整的集中降水带，这种同时存在内外两个环状强对流带 的结构称为台风的双眼墙结构( c o n c e n t r i ce y e w a l l s ) 。从观测到的飓风g i l b e r t ( 1 9 9 8 ) 的 双眼墙结构，可以看到双眼墙结构中，内眼墙对应高涡度区，有一风速极大值，两眼墙的 强对流带之间有一弱的回波区，称为m o a t 区。m o a t 区涡度较小，风速较弱，其外围有一涡 度环，台风的次风速极大值即出现于此涡度环之涡度大值的外侧，因此m o a t 区域具有强烈 的旋转差异特性( r o z o f f ，2 0 0 4 ) 。 双服墙结构是引起台风强度和结构突变的重要原因之一。双眼墙结构出现后，外眼墙 逐渐增强并内缩，此时往往表现为台风强度减弱，如海平面中心气压升高、最大切向风速 减小，眼墙半径增大等。随着外眼墙进一步加强、内缩。内眼墙逐渐变弱，最后外眼墙取 代内眼墙。台风重新回到单眼墙状态后，在有利的环境下，又会进一步加强、发展。一般 而言，上述过程在2 4 h 内即可完成，因此常常伴随着台风强度和结构的突变，给预报带来困 难。 1 2 研究进展 自从有了雷达回波在台风观测中的应用，双眼墙结构就常常在强台风中被观测到。随 着多普勒雷达和微波遥感卫星的广泛应用，越来越多的双眼墙台风被观测到。如t y p h o o n l l a e m i ，t y p h o o nd u j u a n 和t y p h o o nb i l l s 等都是近几年来观测到的发生在西太平洋的双眼 墙台风。h a w k i n sa n dh e l v e s t o n ( 2 0 0 4 ) 利用微波资料分析表明，绝大多数情况下，双眼墙 结构仅在台风最大切向风速达到1 2 0 k t s 以上时才有可能出现。h a w k i n s ( 2 0 0 6 ) 综合运用机载 雷达、地面雷达、飞机探空等资料，对1 9 9 7 2 0 0 5 年间发生在太平洋和大西洋上的最大切 向风速达到或超过1 2 0 k t s 的台风进行统计，结果表明：各大洋的强台风中出现双眼墙结构 的比例均很高，其中大西洋为7 0 ，东太平洋为5 0 9 6 ，西太平洋为8 0 。虽然双眼墙结构在强 台风中出现的频率很高，但其占每年所发生台风总数的比例却较低。k u o ( 2 0 0 6 ) 对 第一章前言 1 9 9 7 2 0 0 4 年间西北太平洋上发生的1 3 5 个台风个例的分析表明，在达到c a t e g o r y 5 ( 1 3 5 + k t s ) 的强台风中，出现双眼墙结构的概率为7 7 ，c a t e g o r y 4 ( 1 1 4 - 1 3 5k t s ) 的 比例为5 2 ，c a t e g o r y 3 ( 9 6 1 1 3 k t s ) 的比例为2 4 ，而强度为c a t e g o r y l 的台风均未出现双 眼墙结构。自w i l l o u g h b y ( 1 9 8 2 ) 首次提出双眼墙结构这一概念至今，仅过了二十多年，我 们对双眼墙是如何形成的，以及外眼墙如何取代内眼墙等问题都不是很清楚，还需要更多 的研究。 1 2 1 双眼墙形成的研究进展 w c s 8 2 把外眼墙的生成与螺旋雨带( 云带) 相联系，认为外眼墙是由外围的螺旋雨带( 云 带) 在轴对称过程中形成的。但s a m s u r ya n dz i p s e r ( 1 9 9 5 ) 的观测显示，并不是所有的螺旋 雨带( 云带) 都能很好得对应风速大值，而双眼墙结构中的外眼墙除了具有明显的强对流外 还存在次最大风速。m o l i n a r ia n dv o l l a r o ( 1 9 9 0 ) 认为涡动角动通量可能与双眼墙的形成 有关，在他们的概念模型中，高空槽与热带气旋相互作用过程中能够向热带气旋输送正的 角动量( p f e f f e ra n dc h a l l a ，1 9 8 1 ) ，此涡动角动量通量可以引发低层对流加强，在有利的： 条件下即可形成双眼墙结构中的外眼墙。n o n ga n df a n u e l ( 2 0 0 3 ) 进一步指出，初始扰动 的存在是双眼墙形成及其眼墙取代过程发生的必要条件。他们首先用一个两层平衡模式进 行试验，结果表明当对流层中层有足够充分的水汽时，双眼墙总可以形成，否则必须施加 一个初始的扰动才有可能引发双眼墙的形成；接着他们又用一个包含全物理过程的对称模 式来模拟双眼墙的产生，结果表明一定振幅的初始扰动的存在是双眼墙形成的前提。他们 认为上层涡动角动量通量的下传可以引发低层对流加强，从而有利于对流组织成眼墙。该 涡动角动量通量的下传起初有利于台风的加强，随着台风逐渐加强，台风外眼墙通过w i s h e 过程不断向内收缩、加强。 k o s s i ne ta 1 ( 2 0 0 0 ) 在平流动力学框架内，用一个二维正压涡度方程模式研究了双眼 墙的正压稳定性问题。在他们的模式中，模式中心为一强涡旋，该强涡旋被一个相对较弱 的涡量环包围。该涡量环有两种可能发展：( 1 ) 当中心涡旋较弱，涡量环距离中心较远且涡 量环宽度较宽，涡度水平梯度较小，中心涡旋与环绕涡量带的相互作用的结果是形成三极 涡旋，三极涡旋可以看成是单眼墙与双眼墙之间的一种中间状态；( 2 ) 当涡量环距离中心涡 旋较近且涡量环较窄时，该涡量环会由于两类不稳定的存在而破裂，并最终通过轴对称化 过程将涡量输送到中心涡旋，形成单极涡旋。 2 第一章前言 k u oe ta 1 ( 2 0 0 4 ) 在k o s s i ne ta 1 ( 2 0 0 0 ) 的基础上更进一步。他们将双眼墙的形成 理想化为一个小而强的涡旋( 代表台风中心涡旋) 和一个大而弱的涡旋( 代表非对称对流 区) 的双涡交互作用。通过改变涡旋强度比、涡旋尺度比以及两者之间的距离等参数进行 多组实验，结果表明中心涡旋强度在双眼墙形成过程中起关键作用。在中心涡旋强度足够 强( 涡旋强度比大于等于6 ) 的情况下，中心涡旋有能力将外围的扰动涡量旋转拉伸，并通过 轴对称化过程形成双涡环结构( 对应于台风的双眼墙结构) ；当中心涡旋减弱( 涡旋强度比为 5 ) ，双涡相互作用的结果不是生成双涡环结构，而是类似k o s s i n ( 2 0 0 0 ) 模式中的三极涡旋； 中心涡旋进一步减弱( 涡旋强度比小于等于4 ) 时，外围涡量环不能维持，最终被吸入中心， 与中心涡旋合并。 罗哲贤( 2 0 0 3 ) 研究t t c 轴对称基流与其上叠加的非轴对称扰动之间的相互作用，发现 非对称扰动并不是在任何情况下都会被基流吸收，而是有可能维持或发展。罗哲贤( 2 0 0 4 ) 进一步阐明，轴对称化只是t c 涡旋与相邻中尺度扰动相互作用的一种类型，同时还存在另 一种类型，即扰动发展和涡合并。 最近的研究似乎与双眼墙的形成必需存在初始扰动的观点( n o n ga n de m a n u e l ，2 0 0 3 ) 有所不同。t e r w e ya n dm o n t g o m e r y ( 2 0 0 6 ) 用一个包含全物理过程的复杂模式再现一个台风 从生成到登陆的整个过程，在他们的模拟中，在没有类似n o n ga n de m a n u e l ( 2 0 0 3 ) 文中的 初始扰动的情况下，双眼墙结构及其眼墙取代过程都出现了。e - - p 通量分析表明，在眼墙 取代过程发生之前，有明显的e p 通量辐合出现，这意味着扰动从基流中获得能量，得到 发展，当扰动发展到一定强度后便可通过w i s h e 机制进一步加强、维持。因此。他们认为台 风双眼墙结构的形成并不一定需要外界强迫( 海表温度梯度、涡动动量通量等) 的存在。 1 2 2 眼墙取代过程及m o a t 区形成的研究 双眼墙台风形成以后，外眼墙会切断低层内眼墙的水汽来源，并且外眼墙在高空的辐 散下沉能够抑制内眼墙垂直运动的发展。因此内眼墙会逐渐被外眼墙所取代 ( w i l l o u g h b y ，1 9 8 2 ) 。 在雷达回波图形上，经常可以看到两个眼墙的强回波区之间有一个明显的弱回波区， 这一弱回波区称为m o a t 区。w i l l o u g h b y ( 1 9 8 2 ，1 9 9 0 ，1 9 9 2 ) 认为两眼墙之间在高层强迫的下 沉运动是m o a t 区形成的主要原因。在一些双眼墙台风个例的观测中，我们确实可以看到在 两眼墙之间有明显的下沉气流存在，这种下层运动可以出现在从对流层低层到对流层高层 3 第一章前言 台风顶的整层空气内，但是最大的下层运动不是出现在对流层上层，而是位于对流层中低 层( k u o ) 。双眼墙台风g i l b e r t 的观测表明( d o d g ee ta 1 ，1 9 9 9 ) ，其m o a t 区内有弱的层状云 降水，在5 k m 高度以下主要为0 5 1 0 舢“的下沉运动，5 k m 高度以上则为0 5 舢1 左右的 上升运动。上述_ m o a t 区的特征显然不能用眼墙强迫下沉气流来解释。k o s s i n ( 2 0 0 0 ) 指出在 正涡量环( 类似于台风眼墙) 外侧存在强烈的旋转差异，这种强烈旋转差异的存在使涡量迅 速被拉成丝状而不能维持和发展。r o z o f f ( 2 0 0 4 ) 通过计算形变效应和旋转效应，定义了旋 转区和拉伸区，在拉伸区涡量会由于其形变作用被拉成丝状而不能维持，他们还计算了涡 量被拉成丝状的时间( f i l a m e n tt i m e ) ，结果表明两个同心正涡量环之间的f i l a m e n tt i m e 最小，表明该处低层发生的对流最容易被消散掉而不能发展。他们还对双眼墙台风g i l b e r t 的风速廓线进行理想化后计算其f i l a m e n tt i m e ，结果表明m o a t 区与大的旋转差异( 小的 f i l a m e n tt i m e ) 相对应，因此他们认为m o a t 区的形成与强烈的旋转差异有关。同时，r o z o f f 也指出他们的结果是在简化条件下得到的，在实际大气中，眼墙强迫的下沉运动和强烈旋 转差异对m o a t 区的形成和维持应该都有作用，但两者作用的大小如何，哪个更重要，这还 需要通过更复杂的三维的包含各种物理过程的模拟来研究。 张庆红( 1 9 9 7 ) 分析了台风w i n n i e 的双眼墙的相互作用，认为w i n n i e 的双眼墙之间通过 螺旋雨带以v r w 或其他形式相互作用，他分析低层和中层的位涡沿径向的分布后指出，在低 层( 1 k m ) ，位涡径向梯度指向内，双眼墙相互作用的结果是有利于内眼墙加强，在中高层 ( 5 k i n ) ，位涡径向梯度指向外，双眼墙相互作用的结果是有利于外眼墙加强。 1 3 已有研究的不足和问题的提出 在过去的几十年中，世界各国的热带气旋( t c ) 路径预报准确率都在不断提高( c h e ne t a 1 ，2 0 0 4 ；m a n n o j i ，2 0 0 4 ；h o l l a n d ，2 0 0 4 ；b r y a n t ，2 0 0 4 ) ，我国的t c 路径预报2 4 小时平均误差 也从1 9 8 5 年的2 3 0 8 k m 减小到了2 0 0 2 年的1 3 0 5 k m 。然而，t c 强度预报却进展缓慢，t c 强度 的业务预报相对于气候持续性预报几乎没有技巧可言( e l s b e r r y ，2 0 0 2 ) 。这一问题已经受 到广泛关注。在1 9 9 8 年，美国气象学会专门召开了“热带气旋强度变化研讨会”，会议主 席h w i l l o u g h b y 博士指出。t c 强度变化是当前热带气象领域最具挑战性的课题 唧i l l o u g h b y ，1 9 9 8 ) 。对影响t c 强度变化的物理过程进行细致地研究，加深对t c 强度变化机 理的认识，是提高t c 强度预报能力的根本途径( w a n g 和w u ，2 0 0 3 ) 。 由于缺乏完整而连续得关于台风双眼墙结构的观测资料，因此关于台风双眼墙的研究 4 第一章前言 主要集中于对双眼墙结构的描述和双眼墙形成机制的假设上( w 订1 0 u g h b y ，1 9 8 2 ，1 9 9 0 ， 1 9 9 2 ) ，k u o ( 2 0 0 4 ) 用二维正压涡度方程模拟了中心强涡漩把外围大而弱的涡量旋转拉伸， 轴对称化为外眼墙的过程。但是他用的模式是正压的二维模式，而实际大气则是斜压的三 维复杂模式，而且k u o 的模式中没有水汽、摩擦等作用，双涡环( 双眼墙) 形成后能一直维持 到模式积分结束，即双涡环是稳定的，因而不可能出现双涡环的取代过程。n o n g ( 2 0 0 3 ) 用 简单模式和复杂模式详细地研究了双眼墙的形成问题，但无论是简单模式还是复杂模式都 是轴对称的，而双眼墙的形成往往与外围非对称扰动的轴对称化有关。所以，要想更好的 理解双眼墙的结构和形成机制，必须用高分辨( 时间、空间) 的资料作细致得、多角度得分 析。包含全物理过程的高精度的数值模拟结果是这些资料的一个主要来源。 因此，本文的问题是：( 1 ) 在真实的大气中，双眼墙的结构是如何的，内、外眼墙及两 者之间的o a t 区分别有什么特征? ( 2 ) 外眼墙来源于哪里，其形成的可能原因是什么? ( 3 ) 为什么会发生眼墙取代过程? 1 。4 本文的主要研究内容和创新点 针对提出的问题，确定了以下研究内容： ( 1 ) 进行包含多种物理过程的高精度数值模拟，再现台风的双眼墙结构。 ( 2 ) 分析内眼墙、外眼墙、m o a t 区的特征以及双眼墙的形成。 ( 3 ) 从拉格朗日的观点出发，采用示踪粒子法，分析台风眼区、眼墙( 内、外) 、m o a t 区以 及环境之间的相互作用情况，增加关于台风内部动力、热力机制的更多认识，并分析 双服墙中外眼墙形成的可能原因。 本文的创新之处在于：用包含全物理过程的高时空分辨率的模式输出资料分析台风双 眼墙结构及其相关问题，并采用示踪粒子法定量的研究台风内部各个不同区域、不同结构 之间的相互联系和作用，增加了对台风动力、热力结构的认识，也增加了对台风外眼墙的 形成这一问题的理解和认识。 本文主要内容安排如下：第2 章为双眼墙台风w i l m a 的数值模拟设计，其中2 1 为对台风 w i l m a 简要回顾，2 2 为本文模式简介，2 3 为本文模拟方案设计和方法介绍。第3 章为数值 模拟的主要结果，主要分析了环境垂直切变对台风强度和结构的影响( 3 2 ) 、台风眼区特征 及眼墙和眼墙涡旋特征( 3 3 ) 、双眼墙结构及眼墙内缩现象( 3 4 ) 以及m o a t 区的特征及外眼 墙形成过程异常位涡的演变情况( 3 5 ，3 6 ) 。第4 章用示踪粒子法分析了台风眼区与眼墙的 5 第一章前言 相互作用( 4 2 1 ) 、台风热机能量的重要来源( 4 2 2 ) 、外眼墙的阻挡作用( 4 3 1 ) 、外眼墙 的能量来源及空气组成( 4 3 2 ) 和内外眼墙的相互作用( 4 4 ) 。第5 章为本文的总结。 6 第二章双眼墙飓风w i h n a 的数值模拟设计 第二章双眼墙飓风w i l m a 的数值模拟设计 2 1w l i m a 概况 飓风w i l m a 是大西洋上出现的强度最强的飓风之一，0 6 0 0u t c1 7o c t o b e rw i l m a 在加 勒比海域加强发展成为热带风暴，到1 8o c t o b e rw i l m a 开始转向西北方向移动，并加强成 飓风。0 6 0 0u t c1 9o c t o b e rw i l m a 的最大风速达到1 5 0 k t ( 达至l j c a t e g o r y 5 ) ，w i l m a 的风速 由6 0 k t 增大至l j l 5 0 k t 。仅仅用了不到2 4 小时，这在有记录的大西洋飓风中也是绝无仅有的。 至t j l 2 0 0u t c1 9o c t o b e rw i l m a 的强度达到最大，最大风速达至t j l 6 0 k t ，最低海平面气压为 8 8 2 h p a 。w i l m a 维持c a t e g o r 5 的强度一直到2 0o c t o b e r ，此后最大风速下降至f j l 3 0 k t ，并出现 一个半径在4 0 6 0 m i ( 6 4 9 6 k m ) 的眼墙。到2 1o c t o b e r ，一对流层中层高压在w i l m a 的东北 侧开始加强，同时一系列短波槽随着西风急流开始侵入墨西哥湾上空的高压系统内，w i l m a 转向西北和北一西北方向移动，此时w i l m a 的最大风速仍然维持在1 3 0 k t ( c a t e g o r y 4 ) 直到其 登陆墨西哥y u c a t a n 半岛。w i l m a 经过短暂登陆( 一6 h ) 又返回洋面。此过程中没有明显的强 度减弱发生，当w i l m a 离开y u c a t a n 半岛海岸线时其强度仍然为c a t e g o r y 4 。到2 2o c t o b e r ， w i l m a j l 侧的高压系统开始减弱，最终消失，w i l m a 缓慢的向西北方向移动，n 2 3o c t o b e r w i l m a 进入南墨西哥湾。此后由于受到来自北美上空白西向东移动的中层槽影响，w i l m a 迅 速的向东侧方向移动，于1 5 0 0u t c2 4o c t o b e r 左右在佛罗里达再次登陆。 w i l m a 形成了巨大的灾害，在y u c a t a n 半岛附近时，其2 4 , j 、时降水达n 1 5 8 厘米，在登陆 佛罗里达州的期间又引发出1 0 个龙卷系统。w i l m a 造成了2 3 人死亡，不完全统计，其带来的 经济损失达2 0 6 亿美元。 2 2 模式简介 积f ( w e a t h e rr e s e a r c hf o r e c a s t ) 模式系统是新一代中尺度天气预报及研究模式，他 是由美国多组织机构联合开发的，其主要特点包括：先进的数字化和数据同化技术、多重 可再定位的嵌套能力、优化的参数化方案以及高空间分辨率( 模拟的空间分辨率可以从几米 到几千公里) 。参与该系统开发的机构主要有：美国大气研究中心( n c a r ) 、美国大气海洋局 7 第二耄双眼墙飓风w i l m a 的数值模拟设计 ( n o a a ) 的国家环境预报中心( n c e p ) 、预报系统实验室( f s l ) 、国家强风暴实验室( n s s l ) 、地 球物理流体动力实验室( g f d l ) 、美国国防部空军天气司( a f w a ) 、海军研究实验室( n r l ) 、高 性能计算现代化办公室( h p c m o ) 、联邦航空局( f a a ) ，俄克拉荷马州大学暴风雨分析预报中 心( c a p s ) ，环保局大气模式分部，国家航空和宇宙航行局戈达德太空飞行中心( n a s a g o d d a r ds p a c ef l i g h tc e n t e r ) 大气科学分部和美国大学大气研究联合会( u c a r ) 。 w r f 模式w r f 模式主要分成以下几个模块： w p s ：w r f 预处理模块( 包括骶f s i ) ，主要是将规则经纬度上得地形高度和下垫面参数插值 到中尺度模式预报区域内以及把气压层上的数据插值到瞅式得垂直坐标上( 如野坐标) ， 为模式运行提供初始资料等。 盯- v 口：三维变分模块。 邓s l o v e r ： 主程序模块，根据用户设定的积分时间、物理参数方案等对输入资料进行 积分运算。 即p o s ：后处理模块，主要对职f 模式的输出结果进行分析和图形化输出，目前主要包 括骶f 2 g r a d s ，r r f 2 v i s 5 d ，r i p 4 和n c l 这几个处理模块。 3 3 本文模式方案设计 本文采用w r f ( v 2 l2 ) 对2 0 0 5 年大西洋飓风w i l m a 进行显式模拟。模拟区域采用四重嵌 套，最外层网格( 网格a ) 水平分辨率为5 4 k m ，8 2 x 6 5 个格点，第二层网格( 网格b ) 水平分辨 率为1 8 k m ，格点数为1 2 7 x 1 0 6 ，第三层网格( 网格c ) 水平分辨率为6 k m ，格点数为1 9 6 x 1 7 2 ， 最内层网格( 网格d ) 水平分辨率为2 k m ，格点数为2 5 9 x 2 3 8 。垂直坐标为玎坐标( m a s s t e r r a i nf o l l o w ) ，垂直方向分为不等距的3 l 层，其刀分别1 0 0 0 ，0 9 9 3 ，0 9 8 0 ，0 9 6 6 ，0 9 5 0 0 9 3 3 ，0 9 1 3 ，0 8 9 2 ，0 8 6 9 ，0 8 4 4 ，0 8 1 6 ，0 7 8 6 ，0 7 5 3 ，0 7 1 8 ，0 6 8 0 ，0 6 3 9 ，0 5 9 6 ，0 5 5 0 ， 0 5 0 1 ，0 4 5 1 ，0 3 9 8 ，0 3 4 5 ，0 2 9 0 ，0 2 3 6 ，0 1 8 8 ，0 1 4 5 ，0 1 0 8 ，0 0 7 5 ，0 0 4 6 ，0 0 2 1 ，0 0 0 0 。 对应模式层顶气压值为5 0 h p a ，地面气压为1 0 1 3 h p a 。网格a 和网格b 参数化方案包括l i ne t a 1 微物理方案，r r t m 长波辐射方案，d u d h i a 短波辐射方案，m o n i n 一0 b u k h o v 地面层方案 ( s u r f a c e - l a y e r ) ，t e r m a l 陆面方案( 1 a n d s u r f a c e ) ，y s u 边界层方案，b e t t s - 埘i 1 1 e r j a n j i c 积云对流参数化方案。网格c 和网格d 除了不包含积云对流参数化方案以外，其余方 案均与网格a 和网格b 相同。模式初始资料采用n c e p n c a r1 。l o 的再分析资料，模拟时间从 8 第二章双眼墙飓风w i l m a 的数值模拟设计 0 6 0 0l t c1 9o c t o b e rn 0 6 0 0u t c2 3o c t o b e r2 0 0 5 ，其中弼格a 和网格b 从0 6 0 0v r c1 9 o c t o b e r 开始积分，时间步长分别为2 7 0 s 和9 0 s ，每隔1 4 , 时输出一次模式结果；网格c 和网格 d 从0 0 0 0u t c2 1o c t o b e r 开始积分，初始资料和边界条件均来自区网格a 和网格b 的模式结 果，时间步长分别为3 0 s 和1 0 s 。网格c 每隔1 0 分钟输出一次模式结果，网格d 每隔3 分钟输出 一次模式结果。 台风结构的最大特征是其轴对称性，因此，在柱坐标系统下分析台风比较方便。因此， 本文以下所有模式输出变量的计算均在柱坐标下完成，格点坐标到柱坐标的转换见附录a 1 。 在柱坐标下，对于任何一个变量x ，均可分成轴对称和非对称两部分 x = x s + x ， 其中，x ，为轴对称分量，x 。为非对称分量。x ，可以表示为 舶 z ) = 去r ”砘即矽曰 非对称部分x 。可表示为 x 4 r ，8 ，z ) = x x t 无特别说明，本文内提到的沿方位向平均均是指x 。 9 第三章主要模拟结果 第三章主要模拟结果 3 1 模式结果验证 为了验证模式是否能较好的模拟出飓风w i l m a 的情况，我们从网格b 的每小时输出资料 中计算逐时飓风路径，飓风中心的定位方法参见附录a 2 。图3 1 是模拟得到的飓风w i l m a 的 模拟路径与最佳路径( b e s tt r a c k ) 的比较。总体上模式模拟的路径与实况比较接近，由于 没有对初始场进行订正( 如台风b o g u s ，资料同化等) ，初始台风中心位置偏离实况( b e s t t r a c k ) 中- o , l b k m ，随着模式开始积分，该距离迅速增大( 4 h 内增2 n n 5 0 k z ) ，此后模拟的台 风中心于实况之间的距离维持在4 5 k m 2 5 右，这种状态持续到模拟积分2 4 h 。此后两中心距离 快速增大，到模拟第3 6 h ，两者距离已达到1 3 0 l 锄，到第4 8 h ，达到最大误差( 1 6 4 k m ) 。第4 8 h 的误差最大可能与网格c 和网格d 的启动有关。加入网格c 和网格d 的积分以后，路径误差迅 速下降，从1 6 4 k m ( 第4 8 h ) 下降到9 5 k m ( 第5 4 h ) 。此后路径误差维持在1 0 0 k m 2 h 右直到第7 5 h ， 第7 5 h 以后，误差开始快速增长直到积分结束。对比官方给出的预报误差，发现本次模拟的 路径误差在前4 8 h 要明显高于官方误差，而6 0 h d 、时以后的误差则小于官方误差。这可能说 明对于强度较强的台风而言，高分辨率( 1 0 k m 以下) 的模拟有利于提高其路径预报的准确性。 造成本次模拟路径误差较大的原因有( 1 ) n c 口n c a r1 。l 。分辨率的资料对于强台风中心的 定位较差，而本次模拟中没有采用资料变分同化和台风b o g u s 等技术来进行有效的订正；( 2 ) 根据实况，1 9 0 6u t c2 1o c t o b e r 时w i l m a 已接近其生命史中最强阶段( w i l m a 的最大强度出 现在1 2 0 0u t c2 1o c t o b e r ) ，因此本文模拟的初始时刻位于w i l m a 达到最大强度的前期，这 可能加剧了资料分辨率过低引起的预报误差。此外，从图中还可以看到，模拟的飓风移动 速度要快于实况，如实况表明，w i l m a 路径发生转折是在1 2 0 0u t c2 2o c t o b e r ，而模拟的 路径转折发生在1 8 0 0u t c2 1o c t o b e r ，两者相差了1 8 h ；实况路径表明w i l m a 在2 2o c t o b e r 发生了登陆，而模拟则没有表现出登陆现象。 图3 1 模拟路径与最佳路径的比较 1 0 第三章主要模拟结果 虽然，模式模拟的飓风路径并不是很理想，但是，上述模拟过程成功地再现了w i l m a 双眼墙的形成和眼墙取代过程。且实况表明，w i l m a 双眼墙维持和取代过程中其中心强度约 为9 1 0 h p a ，本次模拟过程中出现双眼墙结构时，最低