（气象学专业论文）不同初始涡廓线对涡旋自组织影响的初步研究及敏感性试验.pdf

摘要 本文在涡旋自组织动力学的框架内对不同涡廓线的自组织问题进行了初步的研究。首 先，用带有地形项的鼻平面二维准地转模式数值的研究了地形影响双涡自组织的物理机制， 然后分析了初始场上不同涡廓线的双涡在自组织成单一的涡旋时的不同特点。结果表明： 高斯型、双对数型、双正弦型、抛物线型及压缩型的初始分离的双涡，在地形的作用下， 均能够自组织成为一个较大尺度的涡。初始涡廓线的不同，可以影响到涡自组织的过程， 包括自组织过程的快慢等，双正弦型和抛物线型涡旋的螺旋带出现较早，合并过程也较快， 而压缩型的涡廓线的螺旋带虽然也能很快出现，但却需要较长的时间才能合并成单一的涡 旋。初始涡廓线的不同，可以影响到自组织起来的准终态涡的属性，包括准终态涡结构轴 对称化的程度和复杂的程度，以及风速廓线的形状等。 其次，本文进行了不同强度的涡旋相互作用的试验以及地形的敏感性试验，分析了地 形和涡旋强度的变化对双涡自组织的影响。结果表明：对于高斯型的双涡的初始场，地形 范围的改变能够明显影响双涡互旋的速度；而地形高度的变化，可以影响到自组织起来的 准终态涡的位置。当初始双涡的强度分布不一样时，在与地形上空的负涡度区作用下，其 自组织的过程也不相同，对于东强西弱的初始涡度场，弱涡旋最终会合并入强涡旋中，而 对于东弱西强分布的初始场，较弱的涡旋不会完全合并入较强的涡旋中，而是移动到地形 的北面，形成一个弱的正涡度中心。 自组织是典型的非线性行为，体现了自然科学中的复杂性，本文的研究是在自组织动 力学的框架内进行的，没有考虑非绝热加热，也没有考虑涡的垂直结构和环境层结的稳定 性等，这些都有待继续研究。 关键词：涡旋，目组织，地形，敏感性试验 a b s t r a c t w i t h i nt h ef r a m e w o r ko f v o r t i c e ss e l f - o r g a n i z a t i o nd y n a m i c s ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n tv o r t i c e s p r o f i l ei n t e r a c t i o n s w a sp r e l i m i n a r i l yi n v e s t i g a t e d i nt h ef i r s t p l a c e ，t h e m e c h a n i s mo f t w i n - v o r t i c e sp r o f i l ea n dt e r r a i ni n t e r a c t i o n so nv o r t i c e s s e l f - o r g a n i z a t i o nw a sn u m e r i c a l l y s t u d i e db a s e do na b p l a n e2 - dq u a s i g e o s t r o p h i cb a r o t r o p i c a lm o d e lw i t ht h et o p o 口a p h i ct e r m a n dt h es e l f - o r g a n i z a t i o n s c h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n tt w i n v o r t i c e sf o r m i n gi n t oas i n g l ev o r t e x w a sc o n t r a s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev o r t i c e sw i t hg a u s e s ，d o u b l e - l o g a r i t h m ，d o u b l e - s i n e ， p a r a b o l aa n dc o n d e n s a t i o np r o f i l ec o u l dm e r g ei n t oam e s o - ds c a l ev o r t e xd u et ot h ei m p a c to f t e r r a i n d i f f e r e n ti n i t i a lv o r t e xp r o f i l e sc o u l di n f l u e n c et h ep r o c e s so fs e l f - o r g a n i z a t i o n ，s u c ha s i t ss p e e d t h es p i r a lb a n d sa p p e a r e de a r l i e ra n dt h em e r g ep r o c e s sw a sf a s t e r 、析t hd o u b l e - s i n e a n dp a r a b o l av o r t e xp r o f i l e o nt h eo t h e rh a n d ，a l t h o u g ht h es p i r a lb a n do fc o n d e n s a t i o nv o r t e x p r o f i l ea p p e a r e de a r l ya sw e l l ，i ts p e n tm o r et i m et om e r g ei n t oas i n g l ev o r t e x t h ed i f f e r e n t i n i t i a lv o r t e xp r o f i l ec o u l da f f e c tt h ea t t r i b u t eo fq u a s i t e r m i n a t i v ev o r t e x ，i n c l u d i n gt h ee x t e n to f a x i s y m m e t r i c ，c o m p l e x i t y , a n dt h es h a p eo f w i n dp r o f i l e i na d d i t i o n ，t h ee x p e r i m e n to ft w i n - v o r t e xi n t e r a c t i o nw i t hd i f f e r e n ti n t e n s i t i e sa n dt h e t e r r a i n ss e n s i t i v i t yt e s tw e r ec a r r i e do u tt oe x p l o r et h ei n f l u e n c eo ft e r r a i na n dt h ev a r i a b i l i t yo f v o r t e xi n t e n s i t yo nt w i n v o r t e xs e l f - o r g a n i z a t i o np r o c e s s t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a td i v e r s e t e r r a i ns c a l ec o u l di m p a c tt h ev e l o c i t yo ft w i n v o r t e xr o t a t i o nw i t hg a u s e sp r o f i l eo b v i o u s l y w h i l et h ec h a n g eo f t e r r a i nh e i g h tc o u l di n f l u e n c et h el o c a t i o no f q u a s i - t e r m i n a t i v ev o r t e x w h e n t h ei n i t i a ld i s t r i b u t i o n so fi n t e n s i t ya r ed i f f e r e n t ，t h es e l f - o r g a n i z a t i o np r o c e s s e sa r ed i s s i m i l a r l y b e c a u s eo ft h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt w i n v o r t e xa n dn e g a t i v ev o r t e xo v e rt e r r a i n f o rt h ei n i t i a l d i s t r i b u t i o no fe a s t e r ns t r o n g e rv o r t e xa n dw e s t e r nw e a k e rv o r t e x ，t h ew e a k e rv o r t e kw i l lm e r g e i n t ot h es t r o n g e ro n e ，a sf o rt h ei n i t i a ld i s t r i b u t i o no fe a s t e r nw e a k e rv o r t e xa n dw e s t e r ns t r o n g e r v o r t e x ，t h ew e a k e rv o r t e xw o u l dn o tm e r g ei n t ot h es t r o n g e ro n ec o m p l e t e l ) ；s o m ep a r to ft h e w e a k e rv o r t e xw i l lm o v et ot h en o r t ho f t e r r a i na n df o f i ni n t oal i t t l ev o r t e xa r e a s e l f - o r g a n i z a t i o ni s a t y p i c a ln o n l i n e a rp r o c e s sa n de m b o d i e st h ec o m p l e x i t yo fn a t u r a l s c i e n c e t h i sr e s e a r c hi sc a r r i e do u ti nt h ef r a m eo f t h ev o r t e xs e l f - o r g a n i z a t i o nd i a b a f i ch e a t i n g ， v e r t i c a is t r u c t u r eo ft h ev o r t e xa n de n v i r o n m e n t a ls t r a t i f i c a t i o na r en o tc o n s i d e r e d ，w h i c ha r e p e n d i n gf i a r r h e rs t u d y k e y w o r d ：v o g e x ，s e l f - o r g a n i z a t i o n ，t e r r a i n ，s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t 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。 作者签名：望煎 日期：2 塑。2 ：；! 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忙编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：望鸥 日期：2 卯兀爹，；o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 熟带气旋是一种发展于热带洋面的破坏性极强的大气涡旋，是自然灾害中对人类伤害 最为猛烈的灾种之一。西北太平洋是全球热带气旋发生频率最高的海域，而我国东部和南 部毗邻西北太平洋，经常受到台风的侵袭和破坏。台风灾害和旱涝灾害的性质有所不同， 后者有一个累积过程，逐步形成，呈现一定的慢性特征，而台风灾害来势凶猛，具有急性 突发性特征。据e s c a p w m o 台风委员会1 9 8 5 1 9 9 7 年年度报告( a n m h a lr e p o r t s ) 的统 计显示，中国平均每年有7 个台风登陆，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。 要减轻台风灾害，就要对台风的运动规律作出正确的预报，近l o 年来。由于电子计算 机的快速发展和观测手段的提高，目前对台风的预报准确率有了显著提高，但是对台风运 动的突变，例如打转、摆动、双台风互旋、路径尖锐转折等的预报能力仍不高，由此，异 常台风成为人们研究台风灾害的重点。例如在双台风的运动过程中，由于西侧台风和东侧 台风之间的相互作用，就可以使西侧台风本来正常、简单的移动路径变得复杂。出现异常 路径，大大增加了对西侧台风的路径预报难度，这是预报双台风的天气过程的难点，也是 认清其机理较为困难的一种。1 9 6 7 年7 月2 0 2 3 日，在马里亚纳群岛附近有两个距离很近 的台风。这两个台风的相互作用使路径复杂化，先是互旋，然后蛇行路径，最后在很偏北 的纬度正面登陆我国。1 9 7 0 年第9 ，1 0 号台风距离也较近，这两个台风的相互作用使台风 结构和强度变化复杂化，造成双眼结构，台风强度迅速增强，并且出现两个台风眼先后在 福建沿海登陆的异常情况【l 】口可见，双台风相互作用给台风路径和强度预测带来困难。而 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，从而提高异常台风、暴雨预报的能力。 1 2 涡旋相互作用的研究现状 双热带气旋相互作用的问题一壹为国内外气象界所关注。从普遍意义来看，双热带气 第一章绪论 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、东西热带气旋的合劳增强等现象，从而使路径变得很复杂。 热带气旋相互作用最早于2 0 世纪2 0 年代初期由藤原【”1 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”。此后些国内外学者对双热带气旋相互作用开展了天气学、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，取得了许多有意义的成果。 1 2 1 天气学和统计学的研究 b r a n d1 4 j 根据2 2 对个例研究了北太平洋的双热带气旋，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【日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；栾宝储等【6 】讨论过双热带气旋中西热带气 旋的预报问题；上海气象台【7 l 曾用r a i l 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；王作述等嘲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旅转的角度与其中心距离的经验关系式。 1 2 2 物理试验的模拟研究 由于天气系统极为复杂，而海洋上的气象观测资料又十分稀少，对于研究有关双热带 气旋相互作用的问题造成了极大难度，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，魏鼎迁等唧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 双涡相互作用的数值研究 m e l a n d e r , z a b u s h y 掣1 ”数值地分析和研究了二维对称涡旋合并的成因及初始条件，认 为：两个相似涡度区能够成对出现或合并成一个涡旋，这种现象在两个初始涡旋显著靠近 时会出现。王玉清、朱永提“4 2 1 在无大尺度环境流场的情况下，利用正压无辐散模式对双 2 第一章绪论 涡的相互作用及b 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，b 效 应对双涡的相对运动具有显著影响。朱复成等”1 通过正压原始方程模式的模拟指出。在无 环境风场条件下，双台风在某一临界距离内作明显的相互旋转运动，这个临界距离是随台风 强度以及风场分布的特征而改变的。双台风有明显的相互吸引作用的临界距离远小于相互 旋转的临界距离。双台风相互旋转速率与台风强度成正比、与台风切向风速向外减小率和 台风中心的间距成反比。田永祥等【“1 目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，效应产生大尺度，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。罗哲贤等f l o 用 正压原始方程模式，分析了西太平洋副热带高压南侧双台风的相互作用。指出：在一定的 参数范围，副热带高压南侧东风气流中的双台风作用，可以激发出台风路径的移向突变和 移速突变。 1 - 3 涡旋自组织研究概述 所谓涡旋自组织，指的是初始时刻两个或多个尺度较小的涡旋，经过一段时间的演变， 形成了一个尺度较大的涡旋。在此过程中，没有明显的非绝热加热作用。同时，较小涡旋 距离水平侧边界很远，边界强迫的作用也可忽略。因此，这个强度较大的涡旋不是强迫生 成的，而是自发生成的。自发生成的主要机制是非线性的相互作用。 涡旋合并是涡旋自组织的一种重要方式，大气科学领域涡旋合并的研究已取得一系列 的结果，但以往的双涡相互作用主要关注于线性系统中双涡互旋、双涡合并及合并的临界 距离等，很少注意涡旋动力学与非线性科学之间的联系。周秀骥【1 1 在对大气科学的展望中 强调，非线性科学将对未来的大气科学理论研究带来新的突破，因此在涡旋动力学中结合 3 第一章绪论 非线性科学理论对研究涡旋的相互作用意义重大。 在非线性框架内，罗哲贤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 1 9 】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。 m e u n i e r 等口o 】就双涡作用过程中的稳定性问题进行了专门的研究，指出在低r e y n o l d s 数条件下，两个相等的涡旋会合并成一个，而在高r e y n o l d s 数情形下，会出现三维不稳定。 i v l a a s s e n 等1 2 “2 】用模式试验和数值研究的方法分析了水平侧边界对自组织过程的作用。雷 正翠等1 2 3 1 对弱环境流与涡群环境流中双涡相互作用的异同进行了对比分析，指出：弱环境 流条件下双涡合并的过程，在涡群环境条件下不再存在；同时，涡群环境流的引进可使涡 强度显著增强。周嘉陵等口4 。1 分析了多涡自组织的演变过程以及初始涡结构和涡尺度对涡 旋自组织的影响，但这些研究均未考虑下边界条件对涡旋自组织的影响。 1 4 地形对热带气旋影响的相关研究成果 近3 0 年来，地形对热带气旋的影响闯题一直是气象学家们感兴趣的闯题。地形效应是 影响热带气旋移动、结构及强度等的一个重要因子。w a n g 2 6 1 利用1 9 4 6 - - - 1 9 7 7 对5 3 个台风 个例资料所进行的分类研究，指出台风从东面靠近台湾岛时，西行台风倾向于气旋式环绕 台湾岛北部移动，他同对又提出，弱台风越过台湾岛时，其路径可能保持连续也可能不连 续。对于连续的路径。他又将其分成三类，一是台风穿过山脉时，路径偏折很少；二是风 暴中心到达山脉东侧前，有一气旋式的环流移动，然后逐渐越过山脉；三是系统的上部穿 过山脉，在低层产生一新的中心，即使原低层中心在山脉东侧被地形阻挡。对于不连续路 径，当台风靠近山脉时，在山脉背风波产生2 3 个次生低压，其中的一个会发展成为主台 风中心，原主台风中心被山脉阻挡而填塞，台风似乎跳过山脉。次生低压的发展受多种因 素的影响，其中台风靠近岛的入侵角是一主要因素。入侵角大时。次生低压形成于台湾西 岸较北方，入侵角小时，次生低压生成于岛的西南方。 4 第一章绪论 y e ha n de b b e r 酽7 。”对台湾岛地形与台风的相互作用引起台风路径在上游的偏转进行 了详细的研究，他们的观测表明：中央山脉( c m r ) 使上游较弱风暴减慢移速，对强风暴 的影响较小；地形对上游慢移风暴的减速明显，但对移速较快的台风影响相对较小。当台 风靠近台湾岛时，上游路径的偏转是其靠近岛的部位、台风强度和移动速度的函数。从南 部靠近的台风，在山地上游4 0 0 k i n 左右开始向南偏，持续到离海岸线上游1 5 0 k i n 左右开始 向北偏转，在岛屿上游远处，向西移动速度减小，只在靠近岛屿时才增加。从北部靠近的 台风，以气旋式移动，中心登陆前4 9 h 开始折向北，过山脊后折向南( 这种路径偏转与前 面大多分析一致) 。然后他们通过模拟结果指出，台风路径的偏转与上游位置有关；路径是 连续还是不连续跟上游路径的偏转一样依赖于台风靠近台湾的位置。通常从北部穿过的台 风有较小的上游路径偏转，且倾向于连续地穿过岛屿北部；相反，靠近南部或中心区域的 台风有较大的上游路径偏转( 先向南，再向北，有时再向南) ，且大多倾向于以不连续路径 穿过台湾。 罗哲贤和陈联寿嗍利用一个b 平面准地转正压模式，得出台湾岛地形使台风路径向右 ( 向北) 偏移，并指出地形使台风环流的最大风速区向台风中心方向推移( 台风环流空间尺 度减小) 可能是台风路径右偏的一个可能原因。最近，c h e r ta n dl l l o p 0 1 分析了初始位于大 地形上空的偶极子在东移过程中与热带气旋的相互作用，指出：涡旋相互作用对热带气旋的 移速和移向有显著影响，一定条件下可以形成热带气旋异常路径。 1 5 已有研究的不足和本文的内容与创新之处 1 5 1 已有研究的不足 涡旋自组织是2 0 0 3 年国际涡旋动力学会议的第一优先课题，而双涡相互作用是涡旋自 组织的重要方面，具有重要的实际应用价值。早期的关于涡合并的研究关注的是涡合并的 条件，初始临界距离的判别，以及互旋运动对其中某一个涡的移动路径的影响。随后的研 究开始关注水平侧边界对涡旋自组织的影响【2 1 趋l 。最近的研究开始考虑加入中尺度地形这 种下边界条件以研究其对涡旋合并的作用，如周秀骥等【3 1 】研究了下边界强迫对涡旋自组织 的作用，通过数值模拟表明中尺度地形的引进可以使分离的涡合并为一个较大尺度的涡旋， s 第一章绪论 随后，马革兰等9 2 1 初步分析了地形对自组织形成的准终态涡形态的影响，结果指出，无地 形时，准终态涡是一个带有螺旋带的类似台风的涡旋；有地形时，准终态涡是一个无螺旋 带但有两个低涡量区的准圆形涡旋。但文献 3 1 。3 2 只使用了一种涡廓线进行研究，而地球 大气的实际涡旋有不同的涡廓线，如高斯型、双对数型、双正弦型、抛物线型和压缩型等， 因此，需要进行更全面的研究。 1 5 2 本文研究的内容与创新 涡旋自组织动力学是在物理学中研究分层流场中涡块涡团运动中发展起来的，大气运 动也可看作是旋转流体的运动。在已有的研究中，地形对t c 的路径、移速和结构等影响 的研究较多，而在涡旋自组织动力学方面的研究较少。鉴于以往研究的不足，本文将在文 献【3 1 】的基础之上，研究不同类型的涡廓线在地形条件下的双涡自组织过程，分析了自组 织过程涡的结构及其终态特征等，同时对各种进行试验的涡旋的初终态风速廓线进行了对 比。另一方面，进行了地形高度与尺度的敏感性试验，对比分析了不同强度的双涡的自组 织过程，通过以上研究，我们可以从一个全新的角度研究地形对双涡自组织过程的影响， 为预报应用提供新思路。 1 6 本文章节的安捧 全文章节安排如下： 第一章为绪论，介绍本研究领域的前沿动态，研究目的、研究方法及研究成果。 第二章采用高分辨率的，平面准地转正压涡度方程模式，实旖6 组积分时间为1 4 4 小 时的试验，研究地形条件下，不同的初始涡廓线的双涡相互作用问题，分析各涡廓线的终 态风速廓线的变化特征。 第三章在涡旋自组织动力学的框架内，实施7 组积分时间为1 4 4 h 的试验，研究初始的 地形高度与尺度对双涡自组织的作用。以及东弱西强与东强西弱两种初始涡度场的涡旋自 组织的过程。 第四章总结本文的主要研究成果和对今后工作的展望。 6 第一章绪论 参考文献 1 】陈联寿，丁一汇西太平洋台风概论 m 】北京：科学出版社，1 9 7 9 ：2 9 8 3 0 5 2 f u j i w l l a r as t h en a c u r a lt e n d e n c yt o w a r d ss y n u n e t r yo fm o t i o na n di t sa p p l i c a t i o na sa p r i n c i p l e i n m e t e o r o l o g y q u a nj r m e t s o e , 1 9 2 1 。4 7 ( 2 0 0 ) ：2 8 7 - 2 9 3 ， 3 】f u j i w h a m s o nt h eg r o w t ha n dd e c a yo f v e r t i c a ls y s t e m s m i d , 1 9 2 3 ，4 9 ( 2 0 6 ) ：7 5 1 0 4 【4 】4b r a n ds i n t e r a c t i o no f b i n a r yt r o p i c a lc y c l o n e so f 吐岵w e s t e r nn o r t hp a c i f i co c e 龃ja p p l i e d m e t e o r , 1 9 7 0 9 ：4 3 3 - 4 4 1 【5 牟惟丰，陆家琏西太平洋双台风路径类型气象通讯，1 9 6 2 。1 1 嘲栾宝储，陆善俊双台风中西台风移动的一些预报经验气象通讯，1 9 6 3 7 【7 上海气象台双台风作用对1 9 7 2 年3 号台风第三次打转的影响天气预报技术经验汇 编，1 9 7 3 ，第三集 8 】王作述，傅秀琴双台风相互作用及对它们移动的影响大气科学，1 9 8 3 ，7 ( 3 ) ：2 6 9 - 2 7 6 【9 】魏鼎文，张捷迁双台风相互作用的流体动力学模拟实验研究中国科学( b ) ，1 9 8 2 ，i ： 8 7 9 4 【1 0 】m e l m a d e rmvz a b u s k rnj ，m c w f l l i a m sjc s y m m e t r i cv o r t e xm e r g e ri nt w od i m e n s i o n s c b l l s e $ a n dc o n d i t i o n s j jf l u i d m e c h , 1 9 8 8 ，1 9 5 ( 1 0 ) ：3 0 3 - 3 0 4 1 1 1 王玉清，朱永提正压无辐散模式中双台风的相互作用叨热带气象，1 9 8 9 ，5 ( 2 ) ： 1 0 5 1 1 5 【1 2 】王玉清，朱永提双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究( 一) ( 玎大气科学，1 9 9 2 ， 1 6 ( 6 ) ：5 7 3 - 5 8 2 1 3 】朱复成，陆曼云，夏立新双台风涡旋运动及其相互作用的数值研究田气象科学， 1 9 8 9 ，9 ( 1 ) ：3 7 - - 4 8 【1 4 田永祥，寿绍文双热带气旋相互作用的研究明气象学报，1 9 9 8 ，5 6 ( 5 ) ：5 8 4 - 5 9 3 1 5 1 田永祥，江燕如，赵远东相同强度双台风相互作用的物理机制叨南京气象学院学 报，1 9 9 8 ，2 1 ( 2 ) ：2 1 5 2 2 2 1 6 1 罗哲贤，马镜娴副热带高压南侧双台风相互作用的数值研究田气象学报，2 0 0 1 ，5 9 7 第一章绪论 ( 4 ) ：4 5 0 - 4 5 8 【l7 】周秀骥2 1 世纪的大气科学纪念中国气象学会成立7 0 周年气象学报，1 9 9 4 ， 5 2 ( 3 ) ：2 5 7 - 2 6 0 0 s 罗哲贤涡旋相互作用拟序结构的形成田气象学报，1 9 9 8 ，5 6 ( 4 ) ：4 1 似2 3 19 】罗哲贤，徐祥德，陈联寿涡旋合并过程的数值研究大气科学，2 0 0 2 2 6 ( 6 ) ：8 0 弘8 1 6 【2 0 】m e u u l e rp l e w e k et t h r e e - d i m e n s i o n a li n s t a b i l i t yd u r i n gv o r t e xm e r g i n g j p h y s i c so f f l u i d s ，2 0 0 1 ，1 3 0 0 ) ：2 7 4 7 - 2 7 5 0 【2 1 】m a a s s e nsrc l e r c xhjha n dh e i j s tgjfv a n s e l f - o r g a n i z a t i o no f q u a s i - m , o - d i m e n s i o n a t u r b u l e n c ei ns t r a t i f i e df l u i d si ns q u a r ea n dc i r c u l a rc o n t a i n e r s 闭p h y s i c s o f f l u i d s ，2 0 0 2 ，1 4 ( 7 ) ：2 1 5 0 - 2 1 6 9 1 2 2 m a a s s 瞰src l m c xhjha n dh e i j s tgjfv s e l f - o r g a n i z a t i o no fd e c a y i n g q u a s i - t w o - d i m e n s i o n a lt u r b u l e n c ei ns t r a t i f i e df l u i d si nr e c t a n g u l a rc o n t a i n e r s j jf l u i d sm e e k 2 0 0 3 ，4 9 5 ：1 9 - 3 3 2 3 】雷正翠，马镜娴，代刊涡群中双涡相互作用的研究田南京气象学院学报，2 0 0 5 。 2 8 ( 3 ) ：3 6 9 3 7 5 【2 4 】周嘉陵，马镜娴，陈联寿等多涡自组织的初步研究阴气象学报，2 0 0 6 ，6 4 ( 4 ) ： 4 6 4 - 4 7 3 【2 5 】周嘉陵，马镜娴，陈联寿等初始涡的结构与尺度对涡旋自组织影响的研究田气象 学报，2 0 0 6 ，6 4 ( 5 ) ：5 3 7 - 5 5 1 【2 6 】w a n gst p r e d i c t i o no ft h eb e h a v i o ra n di n t e n s i t yo ft y p h o o ni nt a i w a na n di t sv i c i n i t y r e s e a r c hr e p 1 0 8 ，c h i n e s en a t i o n a ls c i e n c ec o u n c i l ，t a i l kt a i w a n , 1 0 0 p p 2 7 1y e htca n de l s b e r r yrl i n t e r a c t i o no ft y p h o o nw i t ht h et a i w a no r o 蹦a p h y p a r ti ： u p s t r e a mw a c kd e f l e e t i o m ，m o n w e a r e v , 1 9 9 3 ，1 2 1 ：3 1 9 3 3 2 0 8 【2 8 】y e htc a n de t s t b r r yrl i n t e r a c t i o no ft y p h o o nw i t ht h et a i w a no r o g r a p h y p a r t c o n t i n u o u sa n dd i s c o n t i n u o u st r a c k st h ei s l a n d ，m o r t w e a r e v , 1 9 9 3 1 2 1 ：3 2 1 3 3 2 3 3 【2 9 罗哲贤，陈联寿台湾岛地形对台风移动路径的作用m 大气科学，1 9 9 5 ，1 9 ( 6 ) 。 s 第一章绪论 7 0 1 - 7 0 6 3 0 c h e nl i a n s h o ua n dl u oz h e x i a i lt h ei m p a c to f t h ee a s t w a r ds h i f t i n go f d i p o l es y s t e m so v e r l a r g e s c a l et e r r a i no nl x o p i c a lc y c l o n ew a c k s 田a d v a n c e si na t m o s p h e r i cs c i e n c e ，2 0 0 2 ，1 9 ( 6 ) ： 1 0 6 9 1 0 7 8 3 1 】周秀骥，罗哲贤，高守亭涡旋自组织的两类可能机制川中国科学：d 辑，2 0 0 6 ，3 6 ( 2 ) 2 0 1 - 2 0 8 3 2 】马革兰，罗哲贤地形对涡旋自组织影响的初步研究阴南京气象学院学报，2 0 0 6 ， 2 9 ( 6 ) ：7 6 9 - 7 7 4 9 第二章不同初始涡廓线对涡旋自组织影响的初步研究 第二章不同初始涡廓线对涡旋自组织影响的初步研究 2 1 引言 涡合并和涡自组织是涡旋动力学的重要问题，在早期的有关双涡相互作用的研究中广 泛使用藤原效应的概念模型，该模型指出当双台风之间的距离d 小于临界值玩时，双台风 逐渐互旋合并，但这个模型不能解释痧喽条件下双台风仍存在相互作用的观测事实。后来， 陈联寿等“憎先指出，咖谴时，两个台风之间可以通过环境场产生间接作用，这是一个直 接、间接作用的概念模型。d o n g 等【2 1 深入分析了水平风切变环境场和藤原效应的共同作用。 王玉清等p q 使用正压无辐散模式研究了双台风的相互作用，朱复成等嘲用正压原始方程模 式得到了一系列双台风作用的有新意的数值结果。2 0 世纪9 0 年代前期，l a n d e r 等1 6 1 根据 1 9 4 5 1 9 8 8 年西太平洋双台风的观测事实，提出了非线性分支的概念模型，随后，田永祥 等u 1 分析了相同强度的双台风互旋的物理机制，余晖 s l 讨论了非对称环流结构与台风移速的 关系。 在最近的研究成果中，罗哲贤等 9 - 1 0 i 研究了多个涡旋中的涡旋合并问题和多尺度系统 中台风的自组织问题，马红云等“1 1 讨论了切向风速水平廓线的分布对台风强度和路径造成 的影响，m e u n i e r 等f 1 2 】就双涡作用过程中的稳定性问题进行了专门的研究，指出在低 r e y n o l d s 数条件下，两个相等的涡旋会合并成一个，而在高r 目n o l d s 情形下，会出现三维 不稳定。m a s 等 1 3 - i q 用模式试验和数值研究的方法分析了水平侧边界对自组织过程的 作用，雷正翠等旧对弱环境流与涡群环境流中双涡相互作用的异同进行了对比分析，周嘉 陵等1 1 6 - 1 1 分析了多涡自组织的演变过程以及初始涡结构和涡尺度对涡旋自组织的影响，但 这些研究均未考虑下边界条件对涡旋自组织的影响。最近，周秀骥等【1 研研究了下边界强追 对涡旋自组织的作用，随后，马革兰等【1 9 】初步分析了地形对自组织形成的准终态涡形态的 影响。 文献 1 8 】中，初始涡为准高斯涡，也就是说，只在高斯型涡廓线的条件下做了研究， 但是，地球大气的实际涡旋有不同的涡廓线。如高斯型、双对数型、双正弦型、抛物线型、 压缩型等( 见文献 2 0 - - 2 2 ) ，为了更全面的认识地形对涡旋自组织的影响，需要在文献 18 】 1 0 第二章不同初始涡廓线对涡旋自组织影响的初步研究 的基础上使用不同的初始涡廓线进行更一般的研究，本文将提出这方面的结果。 2 , 2 模式和试验概述 带有地形项和卢项的准地转正压涡度方程为： 妄v 2 ( 州v 2 + 每地+ 詈= o ) 式中：y 为地转流函数；f = v 2 为相对涡度：j 为雅可比算符；，0 = 2 ( 2 s i n 9 ：q 为地 球自转角速度；矿为纬度；h o 为均质大气高度；h 为地形面高度；，= 痧。其中地形项由 下式决定嗍： 刊“似2 励l 筹 晓：， 式中： 。为地形最大高度。= 4 ( ；- - x h ) + 一y ) 2 ，o ，) ， ) 为地形中心的坐标， r 为地形半径。 2 2 1 中尺度地形对涡旋自组织的作用1 q 首先需要说明的是地形对涡旋自组织的作用，当t - - 0 时，令相对涡度 善 ，y ，o ) = 磊1 0 ，y ，o ) + 磊2 0 ，y ，o ) 咯是 ( 2 3 ) 吃足 、7 式中t ；，。2 。岛。为初始涡的强度。吼，吼为形状参数。咯= i 二i j f 灭芦：j 万，x 。， 坳为两个初始涡中心的坐标。 在南北边界，令掣：0 ；在东西边界，取循环边条件。计算区域为1 0 0 0 k m 1 0 0 0 k m 饼 的正方形，设计算区域中心处( x o ，y o ) = ( 0 o ，o 0 ) 。水平格距d = s k m ，a t = 6 s ，( 2 2 ) 式中 第二章不同初始涡廓线对涡旋自组织影响的初步研究 k = 4 0 k m ，r = 1 5 0 k m ，o ，y ) = ( 一1 0 0 0 ，i 0 0 o ) k m 。( 2 3 ) 式中 磊l = 1 2 1 0 。s 一，缸= l 2 1 0 。s 一。口i ；口2 = 3 0 ，c i = c 2 = 6 5 ，r 1 = r = 7 5 k m 。 = 4 0 。 实施2 个试验，记为试验a 1 ，a 2 。试验a l ，。= 0 ；试验a 2 ， 。= 4 0k m 。这是 有无地形的对比试验。 在试验a 1 的初始场上，有两个半径约7 5k m 的中1 3 涡，分别记为西涡和东涡。两个 涡旋中心相距1 9 0 k m ( 图2 1 a ) 。t - - - 4 8h ，由于双涡逆时针互旋，东涡己移至西涡的西北方 向( 图2 1 c ) ，以后继续互旋( 图2 1 e ，2 1 曲。 在试验a 2 中，引进了半径为1 5 0 k m 的中尺度地形( 图2 t b ) ，t = 4 8 h 对，两个涡最外 两圈的等值线连在一起( 图2 1 d ) ，t - - 9 6 h 时，一个自组织的涡结构已经形成( 图2 1 f ) ，t = 1 2 0 h 时，演变为一个准轴对称的圆涡( 图2 1 h ) 。 图2 1 试验a 1 ( a c ，e ，g ) 和a 2 ( b ，d ，h ) 中，相对涡度场随时间的变化 ( a b t = o h ；c d ；t = 4 s h ；岛f t = 9 6 h ；g ，h lt 蕾1 2 0 h ) 实线：正值，虚线：负值。正值等值线间隔为2 1 0 。智1 ，负值等值线间隔为0 2 x1 0 吖s - i ，阴影为地形 区域。) 图2 1 清楚地显示了中尺度地形条件下涡旋自组织的现象，现在继续分析地形作用与 涡旋自组织之间的联系。 t = o 时，除了两个中口涡区域内相对涡度善o ，其余区域( 包括地形阴影区) f = o ， 注意到善