边界层垂直混合和陆面参数化对登陆飓风数值模拟的影响研究

发布时间：2020-04-25 10:47

【摘要】：登陆热带气旋(飓风或台风)是重要的灾害性天气之一,常伴随大风和强降水,对沿岸及内陆地区造成严重危害。一般来讲,热带气旋登陆后会迅速减弱并消亡;但是,少数热带气旋向中高纬地区移动时,在有利条件下会维持较长的时间甚至再度发展。提高登陆热带气旋及其在内陆地区演变的预报水平是数值天气预报的难点和前沿性科学问题,理解热带气旋在登陆过程中热动力结构的变化特征是提高数值天气预报水平的关键。迄今为止,国际上大部分对热带气旋演变的研究以气旋在洋面的发展为主,针对登陆气旋的研究相对较少。热带气旋边界层及其与下垫面的相互作用在登陆热带气旋的结构演变中扮演着重要的角色,因此,探索并改进数值模式中影响登陆热带气旋的关键性边界层和陆面物理参数化过程,对于改善登陆飓风的预报有重要的科学意义。本文选择了发生在美国中部地区的两类典型登陆热带气旋作为研究对象。第一类个例选择发生在2005年的三次大西洋登陆飓风Dennis、Katrina和Rita,和大多数登陆热带气旋相同,这三个飓风在登陆后均迅速减弱并消亡;第二类个例选择发生在2015年的登陆热带风暴Bill,该热带风暴虽然在登陆阶段强度较弱,但它在登陆后的衰减过程很慢并在陆地上维持了较长的时间。本文利用美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的区域飓风业务与研究系统模式HWRF(Hurricane Weather Research and Forecasting),通过对现有边界层参数化方案的修改,数值模拟对陆面参数化方案的敏感性试验以及模式初始场土壤湿度对登陆热带气旋的预报影响等一系列数值模拟试验,研究了影响登陆热带气旋演变和发展的边界层及陆面参数化中的关键性过程,并探讨了登陆热带气旋的热动力结构变化特征。得到了如下主要结论:边界层中的垂直混合过程决定着飓风与下垫面和环境场的动量、热量和水汽等的交换,因此边界层垂直混合对登陆飓风的演变有着决定性的作用。通过修改HWRF模式中边界层垂直混合强度,本文首先分析了边界层垂直混合作用对登陆飓风Dennis、Katrina和Rita的影响及相应的结构演变特征。结果表明,登陆飓风的模拟对边界层内的垂直混合非常的敏感。当飓风边界层内的垂直混合增强时,其登陆后的减弱过程较为明显,相应的飓风路径、强度和降水的模拟也得到了有效的改善。反之,减弱飓风边界层内的垂直混合则会导致模式高估登陆飓风的强度,使模拟结果变差。进一步的诊断分析表明,增加边界层内的垂直混合会导致飓风边界层内的垂直风切变减弱,虚位温垂直梯度增强,从而破坏飓风边界层内的湍流动能,进而有效地减弱了登陆飓风的强度。换言之,飓风边界层内的强垂直混合作用使飓风边界层大气趋于稳定,从而抑制了飓风在陆地上的维持。边界层垂直混合作用和边界层垂直湍流扩散系数的参数化有密切关系。本文对HWRF模式中边界层垂直湍流扩散系数Km和Kh的计算方案进行了修正,Km和Kh参数分别决定了大气中动量和热量、水汽的垂直传输。结果表明,修正后的边界层垂直湍流扩散系数可以有效地增强陆地上飓风内部的垂直混合,而对飓风外部环境场的垂直混合影响不大。由于HWRF边界层参数化中Kh参数的估计主要取决于Km参数的估计,表明改进HWRF模式边界层参数化中的Km参数的计算是改善登陆飓风预报的关键。由于HWRF中的原方案使飓风在很大程度上延续了其在海洋上的边界层垂直混合特征,因此造成飓风在登陆过程中衰减不明显;本文提出的修正方案计算的Km参数可以有效地增大陆地上飓风边界层内的垂直混合,使飓风在登陆过程中有效地减弱,从而改善了登陆飓风的路径、强度和降水的预报。一般而言,飓风边界层内的强垂直混合作用导致飓风在陆地上的强度减弱,飓风内部干冷空气增强,飓风半径及其眼墙的垂直坡度增大;此外,飓风边界层内的强垂直混合还会导致飓风暖心结构、旋转风结构和二级环流减弱,边界层高度降低,飓风云带逐渐松散并远离飓风中心。本文的研究深化了飓风边界层垂直混合作用对登陆飓风热动力结构演变过程的认识。边界层的发展和消亡过程和地面感潜热的变化有密切的关系,此外,地面感潜热对飓风的维持和演变也具有重要的影响。本文在以上研究基础上,以登陆热带风暴Bill(2015)为例,对比分析了SLAB和NOAH两种不同陆面参数化方案对该风暴在内陆地区演变的影响。结果表明,相比SLAB方案,运用NOAH方案模拟的风暴强度较弱,对此次登陆风暴的强度和降水结构有较好的模拟能力,尤其在风暴转向美国中部大平原并和中纬度西风相互作用过程中;此外,由于使用NOAH方案模拟的风暴具有较为明显的旋转和对称性结构,使风暴周围向东的引导气流减弱,从而有效地改善了风暴在内陆地区的移动路径。通过诊断分析表明,相比SLAB方案,风暴内部边界层的垂直混合在使用NOAH方案的模拟中较强,导致登陆风暴强度较弱;风暴环境场中地表温度、地面感潜热通量和边界层垂直混合在使用NOAH方案的模拟中存在显著的昼夜交替变化特征。尤其是白天风暴环境场中地表温度升高所伴随的强烈的非绝热加热作用造成了强烈的向上输送的地面感潜热通量;同时,地表温度的上升也使风暴外部环境场的边界层大气趋于不稳定状态,从而使风暴外部环境场的边界层高度和垂直混合增强。因此,白天地表的非绝热加热作用使地表感潜热对风暴外部环境场的能量输送增强,从而对风暴在陆地上的维持产生积极的作用。在夜间,由于地表逐渐冷却,造成风暴环境场的边界层趋于稳定状态,此时,风暴环境场的边界层高度降低、湍流动能减弱、边界层垂直混合减弱、地面感潜热通量减小,不利于风暴在陆地上的维持。模式土壤湿度对地表感潜热的模拟和对流的发展、演变具有重要的意义。本文在比较3种不同土壤湿度资料的基础上,通过在模拟初始时刻增加土壤湿度,进一步讨论了模式初始土壤湿度对登陆风暴Bill(2015)的模拟影响。结果表明,增加初始时刻的土壤湿度使风暴在登陆过程中的强度减弱,主要是因为增加土壤湿度使风暴内部边界层内的垂直混合增大以及风暴外部环境场的地表非绝热加热效应减弱造成的。本文的模拟结果揭示出数值模式中陆面参数化方案和初始土壤湿度是影响登陆飓风预报的关键因素,白天飓风环境场的非绝热加热效应有利于飓风在陆地上的维持;土壤湿度的增加不仅使飓风内部边界层垂直混合作用增强,同时还导致飓风环境场地表非绝热加热效应减弱,不利于飓风在陆地上的维持。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P444
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本文编号：2640160