（气象学专业论文）双涡旋自组织现象和台风暴雨预测研究.pdf

中文摘要 目前，台风异常路径和暴雨的机理，以及如何开展精细预报是气象学家研究的难点。 双涡相互作用使台风路径变得异常和复杂，也使暴雨预报难度增加。 双涡相互作用动力学和双涡自组织动力学理论的成果，可以为这类灾害性天气的预测 提供科学认识，提高台风异常路径和暴雨顶报能力，开展精细预报。 本论文要研究的问题是:首先。从双涡旋相互作用的动力学途径去研究双涡合并，以 及特别是涡合并的临界距离判据问 题; 其次， 从双涡自 组织的动力学途径来研究涡旋自 组 织组织问题，就是一个较大尺度的涡是如何一步一步地组织起来的，以及组织以后涡的结 构及其特征;最后， 通过两个个例诊断分析，初步建立应用涡自 组织成果预报台风路径和 暴雨的思路。 研究结果表明，双涡相互作用可导致两者的气旋性互旋、相互吸引或排斥、西涡旋的 停滞打转、东西双涡的合并增强等，使涡旋运动变得异常、 复杂。影响双涡合并的条件不 只是初始双祸中心之间的临界距离，还可能与初始涡旋的非轴对称结构有关。线性条件下， 准对称分 布状态的临界 距离是3 0 0 k in : 非线性条 件下， 准对称分 布状 态的 临界 距离是4 0 0 k m ; 在非轴对称状态 ，同样的临界距离双涡并不一定合并。在准轴对称和非轴对称二类初始 涡旋条件 ， 经过祸自 组织的演变，终 态涡的内 核区和 外区的祸 量来源不同， 过程也 不同。 在台风、暴雨系统中存在涡自组织现象。本文通过对 9 8 0 2号和 9 9 0 9号热带气旋个例 诊断分析， 初步建立了 以涡自 组织理论 指导 预报的思路， 就是预报对象从大尺度环流系 统、 大气尺度系统转到涡系统的转变。 预报对象空间尺度的精细化，对气象信息资料的分辨率 提出了 更高的需求，也使精细预报成为可能，具有挑战性。 实际预报工作中，从犬气尺度 和物理诊断角度开展精细预报， 缺乏有力的理论支撑。祸相互作用和自 组织动力学可能会 成为揭示异常天气气候事件的一个新的理论基点和切入点，也可能带来预报思路的革新。 本论文的结果对提高预报异常台风的能力和准确率是有益的，有非常重要的理论意义 不 1 1 应用价 值。 关键词。双涡旋，合并，自组织，台风预测 第 t页 共 3页 a bs tr a c t t h e in t e r a c t i o n o f b i n a r y v o r t i c e s c a n r e s u lt in e i t h e r t h e a b n o r m a lo f t r o p i c a l c y c l o n e ( t c) o r t c- r e l a t e d t o r r e n t ia l r a in f a l l , b o t h o f wh i c h a r e d i ff i c u lt t o f o r e c a s t . t h ree i s s u e s a r e a d d r e s s e d i n th i s d i s s e rt a t io n t o u n d e r s t a n d t h e p h e n o m e n a i n t h e c o n t e x t o f b in a ry v o r t e x i n t e r a c t i o n a n d v o r te x s e l f - o r g a n i z a t i o n d y n a m ic s f i r s t o f a l l, t h e b i n a ry v o r t e x i n t e r a c t i o n i s s t u d i e d w i th a s h a l l o w - w a t e r m o d e l t o f i n d o u t t h e t h a t c a n a ff e c t t h e m e r g e n c e o f t w o v o rt i c e s . s ix n u m e r i c a l a r e c a r r i e d o u t w i t h d i ff e r e n t v o r t e x s t r u c t u re , s tr e n g t h , h o r i z o n t a l s iz e o r d i s t a n c e b e t w e e n t h e t w o v o rt ic e s re s u l ts t h a t t h e i n t e r a c t io n o f t w o v o rt i c e s c a n ma k e t h e m c y c l o n i c a l l y ro t a t e a r o u n d e a c h o t h e r , f r o m e a c h o t h e r , c l o s e - u p o r me r g e in t o o n e s t ro n g e r v o rt e x . t h e i n it i a l d i s t a n c e b e t w e e n t h e t w o v o rt i c e s a n d t h e i n it i a l a s y mm e t r i c d i s tr i b u t i o n s a r e f o u n d t o b e t h e t w o k i n d s o f f a c t o r s a ff e c t i n g v o rt i c e s t h e c r i t i c a l d i s t a n c e f o r m e r g e n c e i s 3 0 0 k m f o r s y m m e t r ic v o rt i c e s a n d 4 0 0 k m f o r q u a s i - s y m me tr i c v o rt i c e s , w h i l e th e s i t u a t io n b e c o m e s c o m p l i c a t e d f o r as y m me t r i c v o rt i c e s w i t h t h e c r i ti c a l d i s t a n c e w i t h t h e asy m me t r i c d i s t r i b u t i o n s . s e c o n d l y , n i n e t e e n e x p e r i m e n t s a r e c h a n g i n g p e r f o r me du s in g th e q u a s i - g e o s t rop h i c b a r o t r o p i c v o rt i c i t y e q u a ti o n i n t h e c o n t e x t o f a d v e c t i o n d y n a mic s t o e x p l o r e h o w a l a r g e r s c a l e v o r t e x s e l f - o .r e s u lt s s h o w t h a t t h e s e lf - o p r o c e s s c a n b e c l a s s i f i e d i n t o t w o t y p e s o n e i s t h a t t h e r e la t iv e v o r t i c i t y o f t h e me r g e d v o rt e x b a n k i n g i n th e in n e r r e g i o n is c a u s e d妙 i n i ti a l l y t w o a x i s y m me tri c v o rt i c e s w h i l e i t s s p i r a l b a n d r o o t e d i n t h e s t r e tc h o f t h e r e l a t i v e v o rt i c i t y f r i n g e w i n g . t h e o th e r is t h a t i n i t i a l e l l i p t i c a l c o n t r ib u t e s t o th e r e l a ti v e v o rt i c i t y p il i n g - u p in t h e m e r g e d v o r t e x i n n e r re g i o n a n d i n i ti a l e c c e n t ri c v o rt e x s t r e tc h a n d r u p t u r e t im e a n d a g a in g i v e s r i s e t o th e s p i r a l b a n d i n t h er e g i o n t h ir d l y , t w o t y p i c a l c ase s a r e d ia g n o s e d t o e x p lo r e t h e v o r t e x s e l f - o r g a n i z a t i o n p h e n o m e n o n a n d it s r o le i n t h e t c a b n o r m a l tr a c k o r t c - r e l a t e d h e a v y r a i n . a n e w w a y o f t h i n k i n g in t h e i s e s t a b l i s h e d w i t h t h e p r e d i c t a n d c h a n g i n g fr o m l a r g e - , o r s y n o p t i c s c a l e s y s t e m to 第 2页 共 3页 v o rt e x s y s t e m o n t h e b a s is o f v o r t e x d y n a mi c s , w h ic h m a k e s t h e f i n e f o r e c a s t p o s s i b l e b y s c a l in g d o w n t h e p r e d i c ta n d . i n c o n c l u s i o n , t h e v o rt e x s e l f - o r g a n iz a t i o n d y n a m i c s p r o v i d e u s a n e f f i c i e n t t o o l t o u n d e r s t a n d t h e m e c h a n i s m o f t c a b n o r m a l t r a c k a n d t o r r e n t i a l r a i n f a l l . t h e o u t p u t o f t h is s t u d y c a n b e h e l p f u l i n i mp rov i n g t h e f o r e c a s t s k i l l . k e y w o r d s : b in a r y v o r t ic e s , me r g e n c e , s e l f - o r g a n i z a t i o n , t r o p i c a l c y c lo n e 第 3页 共 3页 沈武博士学位论文:双涡自 组织现象和台风暴雨预铡研究 第一章绪论 1 . 1 引 言 地球上自 从有了人类，就一直受到自 然灾害的袭击.人类在和自 然灾害的不断斗争中 发展了自己 。自 然灾害可分为慢性和急性两类， 慢性灾害 是日 积月累、逐步发展而形成: 急 性灾害犹如排山倒 海，具有短时爆发性并来势凶的 特征。 常见的 急性自 然灾害可划分为 1 0 余种，即台风、 地震、 洪水、 雷暴、 龙卷风、 雪暴、 雪崩、 火山 爆发、热浪、山体滑坡 ( 泥石流)和海潮 ( 海啸) 等。 据统计， 这1 0 余种自 然灾害中台风造成死亡人数最多。 西北太平洋是全球热带气旋 发生频率最高的 海域， 亚洲地区所受台风之灾也为 全球之冠。 e s c a p i w m 。台风委员会年 度报告 ( a n n u a l r e p o r ts ) 的 统计显 示，中国 又是世界 上登陆台 风 频率 最高 的国 家，台 风灾 害居于亚太诸国之首。 异常台风成为人们研究台 风灾害的重点。 例如， 在西北太平洋洋面上生成一个台风， 这个台 风偏西方向 移动， 称之为台 风a , 如果台 风a沿正常路径向 偏西方向 移动时， 在其 后方又新生一个台风， 称之为台 风b 。由 于台风a和b 之间的相 互作用， 就可以 使台风a 本 来正常、 简单的移动路径变得复杂， 异常路径的出 现， 大大增加了 对台风a的路径预报 难度， 这是预 报台风a的难点。 这是异常路径的 产生原因 之一， 也是认清其机理较为困 难 的 一种。 例如8 8 0 7 号台 风在浙江近海生成后， 突折西向 运动， 在杭州附近登陆，由 于未即 时防范，台 风携带的 暴雨、 大风将西湖边的 千年古树连根拔起， 造成7 亿人民币的 财产损 失。 9 8 0 2 号 热带气旋登陆前， 路径多次出 现明显偏折， 给预报带困 难。 9 9 0 4 号台 风在相距 1 0 0 0 k m左右外围 地区造成特大暴雨， 温州站三个小时最大降水量值达到3 4 7 . 1 m m , ，引 发了山 洪和泥石流等次生灾害，该地区受灾严重; 这场暴雨来得快、强度强， 分布不均， 而前期征兆不明特点。防不胜防。 双涡相互作用与双涡自 组织动力学的 研究， 可以 为这类灾害性天气的预测提供科学 认 识，研究新的预报方法，提高异常台风、暴雨预报能力。 第 1页 共 1 0 8页 第一章绪论 1 . 2 双涡相互作用现状 双热带气旋相互作用的问题一直为国内 外气象界所关注。 从普遍意义来看， 双热带气 旋相互作用即为两个大尺度气旋性涡旋间的 相互作用， 这种相互作用是造成热带气旋异常 路径的 重要原因 之一，可导致两者的 气旋 性互 旋、 相互吸引或排斥、 西热带气旋的 停滞打 转、东西热带气旋的 合并 增强等现象， 从而使路径变得很复杂。在历史个例中，有的 年份 双热带气旋出 现的概率较大，这给热带气旋预报工作带来很大困难。因 此， 双热带气旋的 相互作用一直是国内 外气象工作者研究的 一个重要课题。目 前， 一 些学者已 进一步研究了 较小尺 度涡旋对热带气旋的相互作造成热带气旋异常路径机制问题，并取得一些结果。 热 带 气 旋 相 互 作 用最 早 于2 0 世 纪2 0 年 代 初 期由 藤 原 a .2 通 过实 验 和 观 测发 现: 两 个 气 旋性涡旋在较近距离内 具有反时 针方向 互旋的特点和彼此逐渐接近的趋势，这就是著名的 “ 藤原 效应” 。 之后， 一些国内 外学者对双热带 气旋相互作用开展了 天气学和统计学， 实验 室模拟实验以 及数值模拟理论分析等方面的 研究工作， 取得了 可喜成果。 1 . 2 . 1 天气学和统计学研究 h o o v e r )根据3 8 对个 例研究了 北 大西洋的 双热 带气旋， 发 现双热带 气旋间的 相互作 用 多半是在作反 气旋式旋转。 实际 上， 这个结果是在双热带气旋中 心间 距大于1 0 个纬距情况 下， 受 环境 流场影响的 结果，与 副高 尺度 基本吻 合。 b r a n d 根据2 2 对个例 研究了 北 大平 洋的双热带气旋， 发现相互作用明 显的距离在7 0 0 海里以内， 指出 双热带气旋的旋转依赖 于 其中 心距 离d ， 牟惟 丰等阁 对西 太平洋 双热带 气旋的 路 径类型作 过分 类并 分析了 有关形 势特点;染宝储等16 1 讨论过双热带气旋中西热带气旋的 预报问 题;上海气象台fr l 曾 用 r a n k i n e 涡 旋的 假定， 对一对双热带 气 旋的 相互旋 转进行 过 计算; 上 海和中 央 气象台 18 1 。 则 对双热带气 旋的 签本 路径 及西热带 气旋的 移动预 报进行 过技术总 结。 王 作述等19 1 采 取大量 资料统计分 析的办法和着重考虑双热带气旋靠近的 一段以 尽可能消除环境因 子的 影响，给 出了 双热带气旋相互旋转的角度与其中 心距离的经验关系式。 1 . 2 . 2 模拟实验 众所周知， 大气系统极为复杂，而海洋上的 气象观侧记录又十分 稀少， 造成了 研究有 第 2页 共 1 叱 页 第一章绪论 1 . 2 双涡相互作用现状 双热带气旋相互作用的问题一直为国内 外气象界所关注。 从普遍意义来看， 双热带气 旋相互作用即为两个大尺度气旋性涡旋间的 相互作用， 这种相互作用是造成热带气旋异常 路径的 重要原因 之一，可导致两者的 气旋 性互 旋、 相互吸引或排斥、 西热带气旋的 停滞打 转、东西热带气旋的 合并 增强等现象， 从而使路径变得很复杂。在历史个例中，有的 年份 双热带气旋出 现的概率较大，这给热带气旋预报工作带来很大困难。因 此， 双热带气旋的 相互作用一直是国内 外气象工作者研究的 一个重要课题。目 前， 一 些学者已 进一步研究了 较小尺 度涡旋对热带气旋的相互作造成热带气旋异常路径机制问题，并取得一些结果。 热 带 气 旋 相 互 作 用最 早 于2 0 世 纪2 0 年 代 初 期由 藤 原 a .2 通 过实 验 和 观 测发 现: 两 个 气 旋性涡旋在较近距离内 具有反时 针方向 互旋的特点和彼此逐渐接近的趋势，这就是著名的 “ 藤原 效应” 。 之后， 一些国内 外学者对双热带 气旋相互作用开展了 天气学和统计学， 实验 室模拟实验以 及数值模拟理论分析等方面的 研究工作， 取得了 可喜成果。 1 . 2 . 1 天气学和统计学研究 h o o v e r )根据3 8 对个 例研究了 北 大西洋的 双热 带气旋， 发 现双热带 气旋间的 相互作 用 多半是在作反 气旋式旋转。 实际 上， 这个结果是在双热带气旋中 心间 距大于1 0 个纬距情况 下， 受 环境 流场影响的 结果，与 副高 尺度 基本吻 合。 b r a n d 根据2 2 对个例 研究了 北 大平 洋的双热带气旋， 发现相互作用明 显的距离在7 0 0 海里以内， 指出 双热带气旋的旋转依赖 于 其中 心距 离d ， 牟惟 丰等阁 对西 太平洋 双热带 气旋的 路 径类型作 过分 类并 分析了 有关形 势特点;染宝储等16 1 讨论过双热带气旋中西热带气旋的 预报问 题;上海气象台fr l 曾 用 r a n k i n e 涡 旋的 假定， 对一对双热带 气 旋的 相互旋 转进行 过 计算; 上 海和中 央 气象台 18 1 。 则 对双热带气 旋的 签本 路径 及西热带 气旋的 移动预 报进行 过技术总 结。 王 作述等19 1 采 取大量 资料统计分 析的办法和着重考虑双热带气旋靠近的 一段以 尽可能消除环境因 子的 影响，给 出了 双热带气旋相互旋转的角度与其中 心距离的经验关系式。 1 . 2 . 2 模拟实验 众所周知， 大气系统极为复杂，而海洋上的 气象观侧记录又十分 稀少， 造成了 研究有 第 2页 共 1 叱 页 沈武博士学位论文 双渴自 组织现象和台风暴雨预测研究 关双热带气旋相互作用问 题的极大难度， 其中 包括双热带气旋相互作用的 起始距离、 互旋 速度、双热带气旋流场和温度场结构、双热带气旋相互吸引合并的 物理过程等等，仍很不 清 楚。 对 此， 魏鼎 迁 等 1 0 用动 力 学 和 热 力 学 均 与自 然 热 带 气 旋 相 似的 模拟 方法， 在 实 验 室 内 对双热带气旋相互作用进行了 实验研究，结果表明， 双热带气旋互旋的起始距离与参数 l ( l = r / r ) 有关， 两个热带气旋各自 垂直环流圈的 破裂所导致的 质量、 动量尤其是角动量 的 迅速交换是造成双热带气旋互旋及吸引的基本物理原因之一。 1 . 2 . 3 数值模拟理论研究 c h a n g 1 的 研 究 结 果 表 明 ， 双 热 带 气 旋 的 藤 原 效 应 是 由 比 涡 度 平 流 更 复 杂 的 机 制 所 造 成的， 而非绝热效应及两个相互作用风暴质量中心的垂直径向 剖面上平均次级环流的发 展 对双热带气 旋的 气旋性 互旋、 吸引 及合 并是 至关 重要因子。 d e m a r ia t 和c lha n 1 2 1则认为 双涡 相互作用的关键距离与祸旋相对涡度径向 梯度改变符号的 半径距离有关， 如果另 一涡旋位 于这一涡旋的关键距离之内 将被吸引， 在这一距离之外 将被排斥，他们还指出 涡度平流是 双 涡 相 互作 用中 最 基本 的 物 理 过 程。 王 玉 清、 朱 永 澎1 3 ,1 4 在无 大 尺 度 环 境流 场的 情 况 下， 利 用正 压无辐散 模式对 双涡的 相互作 用及p 效 应的 影响 进行了 数值 模拟， 结果 指出， 双涡 的相互作用存在一种临界距离效应， 双涡的“ 合并”实际上是 其中 一个涡旋减弱消失而另 一 涡 旋 维 持的 过 程， p效 应 对双 涡 的 相 对 运 动 具 有 显 著 影响 。 进一 步 研 究 还 指出 ， 一 个 涡 旋的切向风场对另一涡旋涡度场的平 流相互作用可造成两者气旋性互旋， 而一个涡旋的切 向 风场与另一涡旋涡度梯度间的 相互作用所引起的次级环流可造成双涡中心间距的 增大或 减 小( 吸 引 或 排 斥) 。 田 永 祥 等1 5 ,1 6 1应 用 无 基本 气 流的 无 辐 散 正 压 模 式 模 拟了 西 热 带 气 旋 打 转，东热带气旋转向 等类型的双热带气旋路径;认为双热带气旋中的 每个热带气旋主要由 通 过其中 心的 非对 称气流( 即 通风 气流 ) 作用而移 动。 这股非对称气 流是由 其自 身的 线性 和 非线性效应产生的非对称涡旋与 其配对热带气旋形成的 非对称涡旋相叠加而引起的。 进一 步说， 线性y 效 应 产生 大尺 度p 涡 旋对，并为 小尺 度涡 旋 对的 形成 提供背景条 件: 非 线 性 效应， 即 对称气流对非对称涡度的平流产生小尺度涡旋对: 小尺度涡旋的强 度、 方位位相、 及其绕热带气旋中心的 逆时针旋转对热带气旋的 移动有重要的 影响。 第 3页 共 1 0 8页 沈武博士学位论文 双渴自 组织现象和台风暴雨预测研究 关双热带气旋相互作用问 题的极大难度， 其中 包括双热带气旋相互作用的 起始距离、 互旋 速度、双热带气旋流场和温度场结构、双热带气旋相互吸引合并的 物理过程等等，仍很不 清 楚。 对 此， 魏鼎 迁 等 1 0 用动 力 学 和 热 力 学 均 与自 然 热 带 气 旋 相 似的 模拟 方法， 在 实 验 室 内 对双热带气旋相互作用进行了 实验研究，结果表明， 双热带气旋互旋的起始距离与参数 l ( l = r / r ) 有关， 两个热带气旋各自 垂直环流圈的 破裂所导致的 质量、 动量尤其是角动量 的 迅速交换是造成双热带气旋互旋及吸引的基本物理原因之一。 1 . 2 . 3 数值模拟理论研究 c h a n g 1 的 研 究 结 果 表 明 ， 双 热 带 气 旋 的 藤 原 效 应 是 由 比 涡 度 平 流 更 复 杂 的 机 制 所 造 成的， 而非绝热效应及两个相互作用风暴质量中心的垂直径向 剖面上平均次级环流的发 展 对双热带气 旋的 气旋性 互旋、 吸引 及合 并是 至关 重要因子。 d e m a r ia t 和c lha n 1 2 1则认为 双涡 相互作用的关键距离与祸旋相对涡度径向 梯度改变符号的 半径距离有关， 如果另 一涡旋位 于这一涡旋的关键距离之内 将被吸引， 在这一距离之外 将被排斥，他们还指出 涡度平流是 双 涡 相 互作 用中 最 基本 的 物 理 过 程。 王 玉 清、 朱 永 澎1 3 ,1 4 在无 大 尺 度 环 境流 场的 情 况 下， 利 用正 压无辐散 模式对 双涡的 相互作 用及p 效 应的 影响 进行了 数值 模拟， 结果 指出， 双涡 的相互作用存在一种临界距离效应， 双涡的“ 合并”实际上是 其中 一个涡旋减弱消失而另 一 涡 旋 维 持的 过 程， p效 应 对双 涡 的 相 对 运 动 具 有 显 著 影响 。 进一 步 研 究 还 指出 ， 一 个 涡 旋的切向风场对另一涡旋涡度场的平 流相互作用可造成两者气旋性互旋， 而一个涡旋的切 向 风场与另一涡旋涡度梯度间的 相互作用所引起的次级环流可造成双涡中心间距的 增大或 减 小( 吸 引 或 排 斥) 。 田 永 祥 等1 5 ,1 6 1应 用 无 基本 气 流的 无 辐 散 正 压 模 式 模 拟了 西 热 带 气 旋 打 转，东热带气旋转向 等类型的双热带气旋路径;认为双热带气旋中的 每个热带气旋主要由 通 过其中 心的 非对 称气流( 即 通风 气流 ) 作用而移 动。 这股非对称气 流是由 其自 身的 线性 和 非线性效应产生的非对称涡旋与 其配对热带气旋形成的 非对称涡旋相叠加而引起的。 进一 步说， 线性y 效 应 产生 大尺 度p 涡 旋对，并为 小尺 度涡 旋 对的 形成 提供背景条 件: 非 线 性 效应， 即 对称气流对非对称涡度的平流产生小尺度涡旋对: 小尺度涡旋的强 度、 方位位相、 及其绕热带气旋中心的 逆时针旋转对热带气旋的 移动有重要的 影响。 第 3页 共 1 0 8页 第一章绪论 1 . 2 . 4 不同尺度涡旋相互作用理论分析和数值研究 非 对 称 理 论 和 数 值 研 究。 蔡 蕃 等阴 通 过 数 值 模 式 对比 试 验认 为， 小 涡 旋 与 热带 气旋 环 流的相对位置不同， 相互作用的表现也不相同。 如小祸旋 位于热带气旋流的东北方向。则 小涡旋或小涡旋环流是从大涡旋中 逐渐分离、 独立出 来;小祸旋 位于热带气旋环流的 西南 方向， 则涡 旋或小涡旋 环流逐渐被大涡 旋所“ 吸收，。 陈 联寿 和罗 哲贤 (1 8 1及马 镜 娴等(1 9 在 热带气旋涡旋与其边缘区域较小尺度的系统之间存在相互作用的数值模拟试验研究工作作 用中， 得到相似结论，认为在热带气旋 环流的 不同 象限分别加上较小尺度的 涡旋，两者的 相互作用对热带气旋结构和移动的影响可以 大不相同。 有能力激发出时间 尺度为1 天左右、 振幅为1 0 0 k m的蛇形路径:有能力导致热带气旋的平均移动方向 偏离正常路径 ( 路径偏 移) ; 也有能力引起热带气旋的快速移动和突然减速。 不同 尺度涡旋的相互作用使热带气旋 的非对称结构随时间 非规则变化，改变热带气旋环流原有的 非对称结构， 是引起上述变化 的直接原因。 涡 旋动 力学 理论 和 数 值 研究 。 罗 哲 贤 2 4 2 2 1将动 力 学的 理 论分 析 和 数 值 研究 结 合 起 来， 研究了 在非 线性系统中， 偶极子流型的 移动规律， 清晰认识了涡旋相互作用的 大气动力学 性质。 结果指出，东移偶极子与热带气旋祸旋的相互作用，可以使原有偶极子结构逐渐消 失，同 时可以 激发出 一种新的 拟序结构。 它由 一个位于东 南的反 气旋祸旋构成。 这个涡旋 对作为一个整体移动。 这种结构形成后，热带气旋路径移向 右偏。 临界点现象的特征在新 的 拟序结构形 成中也有体现。 双 热 带 气 旋间 接 相互 作 用的 数 值 模 拟. 高 栓 柱 等 浏讨 论热 带 气 旋周 围 环境 场 对 热带 气 旋 运动的 影响， 得到以 下 结论: 两个相 隔甚远 间 距超过临界 距离 ) 而 无直接相互作 用的 热 带气旋 可以以 环境场的 变化为“ 媒介” ， 而使一个热带气旋对另一个热带 气旋的 移动产生间 接影响， 如东热带气旋的向北移动将使副热带 高压的 轴向 发生偏转， 进而使西热带气旋有 折向西南运动的趋势。 1 . 3 涡旋自 组织动力学研究现状 以 往双涡相互作用的 研究主要关注线性系统中 双涡互旋， 双涡合并以 及合并的临界距 第 4页 共 1 0 9页 第一章绪论 1 . 2 . 4 不同尺度涡旋相互作用理论分析和数值研究 非 对 称 理 论 和 数 值 研 究。 蔡 蕃 等阴 通 过 数 值 模 式 对比 试 验认 为， 小 涡 旋 与 热带 气旋 环 流的相对位置不同， 相互作用的表现也不相同。 如小祸旋 位于热带气旋流的东北方向。则 小涡旋或小涡旋环流是从大涡旋中 逐渐分离、 独立出 来;小祸旋 位于热带气旋环流的 西南 方向， 则涡 旋或小涡旋 环流逐渐被大涡 旋所“ 吸收，。 陈 联寿 和罗 哲贤 (1 8 1及马 镜 娴等(1 9 在 热带气旋涡旋与其边缘区域较小尺度的系统之间存在相互作用的数值模拟试验研究工作作 用中， 得到相似结论，认为在热带气旋 环流的 不同 象限分别加上较小尺度的 涡旋，两者的 相互作用对热带气旋结构和移动的影响可以 大不相同。 有能力激发出时间 尺度为1 天左右、 振幅为1 0 0 k m的蛇形路径:有能力导致热带气旋的平均移动方向 偏离正常路径 ( 路径偏 移) ; 也有能力引起热带气旋的快速移动和突然减速。 不同 尺度涡旋的相互作用使热带气旋 的非对称结构随时间 非规则变化，改变热带气旋环流原有的 非对称结构， 是引起上述变化 的直接原因。 涡 旋动 力学 理论 和 数 值 研究 。 罗 哲 贤 2 4 2 2 1将动 力 学的 理 论分 析 和 数 值 研究 结 合 起 来， 研究了 在非 线性系统中， 偶极子流型的 移动规律， 清晰认识了涡旋相互作用的 大气动力学 性质。 结果指出，东移偶极子与热带气旋祸旋的相互作用，可以使原有偶极子结构逐渐消 失，同 时可以 激发出 一种新的 拟序结构。 它由 一个位于东 南的反 气旋祸旋构成。 这个涡旋 对作为一个整体移动。 这种结构形成后，热带气旋路径移向 右偏。 临界点现象的特征在新 的 拟序结构形 成中也有体现。 双 热 带 气 旋间 接 相互 作 用的 数 值 模 拟. 高 栓 柱 等 浏讨 论热 带 气 旋周 围 环境 场 对 热带 气 旋 运动的 影响， 得到以 下 结论: 两个相 隔甚远 间 距超过临界 距离 ) 而 无直接相互作 用的 热 带气旋 可以以 环境场的 变化为“ 媒介” ， 而使一个热带气旋对另一个热带 气旋的 移动产生间 接影响， 如东热带气旋的向北移动将使副热带 高压的 轴向 发生偏转， 进而使西热带气旋有 折向西南运动的趋势。 1 . 3 涡旋自 组织动力学研究现状 以 往双涡相互作用的 研究主要关注线性系统中 双涡互旋， 双涡合并以 及合并的临界距 第 4页 共 1 0 9页 沈武博士学位论文:双涡自 组织现象和台风寨雨预侧研究 离 等， 很 少 注 意 涡旋 动力 学 与 非 线 性 科学 之 间的 联系 。 周 秀 骥 12 4 1 在 展 望2 1 世 纪 大 气 科 学 的 进展时， 特别强调了大气科学和数值预报等应该建立在非线性科学的 基础之上。 他认为， “ 必 须建立 新的以 非线性系统动力学为理论基础的 数值预报预测方法。 这是2 1 世纪将要取 得突破的 科学难题。 ” 涡自 组织的动力学研究， 考虑非 线性作用引起的自 发的 或自 组织的行 为。 在此 类前 沿研究中， 罗 哲贤12 4 发 现规则分 布的 涡旋 之间的 相互作 用， 可以 激 发出 一个 非 规则的 貌似混乱的涡度分布区域:在这个区域内， 系统又自 行组织起来一个新的 相对有 序的 反气 旋涡旋 环流。 在 此基础上， 罗 哲贤 等12 5 1还研究了多 个涡 旋同 时 存在的 条件下涡 旋 合并的问 题，认为涡旋合并的因子除了涡旋之间的距离之外， 还取决于涡旋的数目 、涡旋 排 列 的 方 式 和 涡 旋 强 度 的 分 布 状 况 。 w u 等 (2 6 1人 ， z iv b 和a lp e r t p ( 1则 从 位 祸 的 兔 度 分 析 了 双 涡合并的 过程。 m e u n i 曰 2 8 1就 双涡作 用过程中的 稳定性问 题作了 专门 研究。 尽管涡合并是涡自 组织的 重要方式， 但是， 两者研究的 侧重点是有区别的。 涡合并研 究主要关注的是涡合并的 条件，特别是初始临界 距离的 判别;涡自 组织研究主要关注的 是 一个较大尺度的涡是如何一步一步地组织起来的，以 及组织以 后涡的结构 及其特征。 本研究将重点在此领域提出一些新的结果，有着非常重要的作用与竞y e 1 . 4 台 风暴雨与预报方法现状 台风暴雨长期以 来一直是人们关心的 焦点。 我国 热带气旋的 灾害往往是由 热带气旋引 发的暴雨 拱涝所致。 通常 预报暴雨的角度就是在把握大尺度大气环流背景，分析具体影响天气系 统，结 合 单站气象要素的 连续变化反映，作动力条件、 水汽条件和层结不稳定条件分析，并 利用卫 星云图 和雷达探测资料加以 追踪监视其强度变化和移动状态。当 今， 数字化雷达资料也已 经在日 常预报业务中起到 作用， 使人们对从雷达回波反演资料中更多、 更即时获取影响降 水的因子信息， 准确了解降水系统的 状况， 成为短时跟踪预报主要有效方法之一。 热带气旋 通常 有4 块雨区 (2 9 1 ， 分 别位于: ( 1 )内 核眼 壁积雨云区; ( 2 ) 螺旋 云带区; 3 ) 台 风倒槽或切变区; ( 4 ) 与台风相距遥远的 西风槽前区。 台 风暴雨的强度与水汽辐合 第 5页 共 1 0 8页 沈武博士学位论文:双涡自 组织现象和台风寨雨预侧研究 离 等， 很 少 注 意 涡旋 动力 学 与 非 线 性 科学 之 间的 联系 。 周 秀 骥 12 4 1 在 展 望2 1 世 纪 大 气 科 学 的 进展时， 特别强调了大气科学和数值预报等应该建立在非线性科学的 基础之上。 他认为， “ 必 须建立 新的以 非线性系统动力学为理论基础的 数值预报预测方法。 这是2 1 世纪将要取 得突破的 科学难题。 ” 涡自 组织的动力学研究， 考虑非 线性作用引起的自 发的 或自 组织的行 为。 在此 类前 沿研究中， 罗 哲贤12 4 发 现规则分 布的 涡旋 之间的 相互作 用， 可以 激 发出 一个 非 规则的 貌似混乱的涡度分布区域:在这个区域内， 系统又自 行组织起来一个新的 相对有 序的 反气 旋涡旋 环流。 在 此基础上， 罗 哲贤 等12 5 1还研究了多 个涡 旋同 时 存在的 条件下涡 旋 合并的问 题，认为涡旋合并的因子除了涡旋之间的距离之外， 还取决于涡旋的数目 、涡旋 排 列 的 方 式 和 涡 旋 强 度 的 分 布 状 况 。 w u 等 (2 6 1人 ， z iv b 和a lp e r t p ( 1则 从 位 祸 的 兔 度 分 析 了 双 涡合并的 过程。 m e u n i 曰 2 8 1就 双涡作 用过程中的 稳定性问 题作了 专门 研究。 尽管涡合并是涡自 组织的 重要方式， 但是， 两者研究的 侧重点是有区别的。 涡合并研 究主要关注的是涡合并的 条件，特别是初始临界 距离的 判别;涡自 组织研究主要关注的 是 一个较大尺度的涡是如何一步一步地组织起来的，以 及组织以 后涡的结构 及其特征。 本研究将重点在此领域提出一些新的结果，有着非常重要的作用与竞y e 1 . 4 台 风暴雨与预报方法现状 台风暴雨长期以 来一直是人们关心的 焦点。 我国 热带气旋的 灾害往往是由 热带气旋引 发的暴雨 拱涝所致。 通常 预报暴雨的角度就是在把握大尺度大气环流背景，分析具体影响天气系 统，结 合 单站气象要素的 连续变化反映，作动力条件、 水汽条件和层结不稳定条件分析，并 利用卫 星云图 和雷达探测资料加以 追踪监视其强度变化和移动状态。当 今， 数字化雷达资料也已 经在日 常预报业务中起到 作用， 使人们对从雷达回波反演资料中更多、 更即时获取影响降 水的因子信息， 准确了解降水系统的 状况， 成为短时跟踪预报主要有效方法之一。 热带气旋 通常 有4 块雨区 (2 9 1 ， 分 别位于: ( 1 )内 核眼 壁积雨云区; ( 2 ) 螺旋 云带区; 3 ) 台 风倒槽或切变区; ( 4 ) 与台风相距遥远的 西风槽前区。 台 风暴雨的强度与水汽辐合 第 5页 共 1 0 8页 第一章绪论 能 量、 位势不稳定 层结、 边界层辐合和垂 直运动等有关。 特大暴雨 还和台 风在某地的 停滞 和维持有密切关系。台凤中的中小尺 度环流系 统往往是造成特大暴雨的 主角。另外，台 风 与中纬度环流系统的 相互作用、冷空气的 侵入和变性、 地形辐合作用等都会加剧台 风中的 暴雨。 总之，目 前在暴雨预报中 始终使预报员感到暴雨动力机制很难定性，只能从引起暴雨 的 动力条件、水汽条件和能量条件等三个条件 基础上采用统计天气学、 天气学概念模型和 物理诊断场的方法，与精细预报要求有距离。 从云图 分析中 可以 发 现， 暴雨区 配合多 云团 活 动. 据c h e n 和、 a u 13 0 1 ， 云 块与涡 块相 当，因 此， 作为一种近似， 对流单体群的 合并与涡块群的 合并相当。 这样， 暴雨问 题的 研 究就是涡的研究，实际上转换成了从涡旋角度研究暴雨动力机制问 题， 建立了一个全新的 思维方式. 也就是说，预报对象是涡， 动力学的 研究对象也是涡， 在理论研究与实际 预报 之间有了 一个共同点，就是具有同样的 对象。 必然需要信息在时空尺度上更精细。 在精细 预报方法研究领域，具有应用前景。 1 . 5 研究的主要问题 1 . 5 . 1 双涡合井的 条件问题 在 双 祸 合 并 动 力 学 的 研 究 1 1 ,1 3 ,14 ,2 8 ,3 1 3 4 1 中 ， 初 始 涡 旋 分 别 为 常 值 涡 ， 兰 金 涡 ， m y e r s 涡 ， 对数廓线祸等。 这些涡的 相对涡度廓线均与方位角无关，系 轴对称分布。实际大气中的 涡 廓线大多呈非轴对称分布。本论文考虑两类初始涡旋。 1 . 5 . 2 双涡自 组织现象 己 有的 双涡相互作用动力学研究最关心的 是双涡是否有合并 趋势这个问 题，以 及互旋 运动对其中 某一个涡的路径影响，并不关心双涡合并起来以 后的 情形。实际 上， 双涡相互 作 用合 并结 果这一 变 化终态特征是最重 要的 ， 例如在大洋 洋面上 有两个中p 尺度的 祸旋 之 间存在相互作用。这种相互作用的合并结果出现了一个较大尺度的涡旋，这个涡就是著名 的台 风oliver,的 前期 演化过 程 造成了 重大自 然灾害。 第 6页 共 1 0 8页 第一章绪论 能 量、 位势不稳定 层结、 边界层辐合和垂 直运动等有关。 特大暴雨 还和台 风在某地的 停滞 和维持有密切关系。台凤中的中小尺 度环流系 统往往是造成特大暴雨的 主角。另外，台 风 与中纬度环流系统的 相互作用、冷空气的 侵入和变性、 地形辐合作用等都会加剧台 风中的 暴雨。 总之，目 前在暴雨预报中 始终使预报员感到暴雨动力机制很难定性，只能从引起暴雨 的 动力条件、水汽条件和能量条件等三个条件 基础上采用统计天气学、 天气学概念模型和 物理诊断场的方法，与精细预报要求有距离。 从云图 分析中 可以 发 现， 暴雨区 配合多 云团 活 动. 据c h e n 和、 a u 13 0 1 ， 云 块与涡 块相 当，因 此， 作为一种近似， 对流单体群的 合并与涡块群的 合并相当。 这样， 暴雨问 题的 研 究就是涡的研究，实际上转换成了从涡旋角度研究暴雨动力机制问 题， 建立了一个全新的 思维方式. 也就是说，预报对象是涡， 动力学的 研究对象也是涡， 在理论研究与实际 预报 之间有了 一个共同点，就是具有同样的 对象。 必然需要信息在时空尺度上更精细。 在精细 预报方法研究领域，具有应用前景。 1 . 5 研究的主要问题 1 . 5 . 1 双涡合井的 条件问题 在 双 祸 合 并 动 力 学 的 研 究 1 1 ,1 3 ,14 ,2 8 ,3 1 3 4 1 中 ， 初 始 涡 旋 分 别 为 常 值 涡 ， 兰 金 涡 ， m y e r s 涡 ， 对数廓线祸等。 这些涡的 相对涡度廓线均与方位角无关，系 轴对称分布。实际大气中的 涡 廓线大多呈非轴对称分布。本论文考虑两类初始涡旋。 1 . 5 . 2 双涡自 组织现象 己 有的 双涡相互作用动力学研究最关心的 是双涡是否有合并 趋势这个问 题，以 及互旋 运动对其中 某一个涡的路径影响，并不关心双涡合并起来以 后的 情形。实际 上， 双涡相互 作 用合 并结 果这一 变 化终态特征是最重 要的 ， 例如在大洋 洋面上 有两个中p 尺度的 祸旋 之 间存在相互作用。这种相互作用的合并结果出现了一个较大尺度的涡旋，这个涡就是著名 的台 风oliver,的 前期 演化过 程 造成了 重大自 然灾害。 第 6页 共 1 0 8页 第一章绪论 能 量、 位势不稳定 层结、 边界层辐合和垂 直运动等有关。 特大暴雨 还和台 风在某地的 停滞 和维持有密切关系。台凤中的中小尺 度环流系 统往往是造成特大暴雨的 主角。另外，台 风 与中纬度环流系统的 相互作用、冷空气的 侵入和变性、 地形辐合作用等都会加剧台 风中的 暴雨。 总之，目 前在暴雨预报中 始终使预报员感到暴雨动力机制很难定性，只能从引起暴雨 的 动力条件、水汽条件和能量条件等三个条件 基础上采用统计天气学、 天气学概念模型和 物理诊断场的方法，与精细