热带气旋眼墙倾斜结构的理论分析

发布时间：2020-06-11 20:24

【摘要】：关于热带气旋(TC)眼墙倾斜的结构,前人的观测研究存在一些争论。从热成风平衡建立的TC理论模型包含有TC眼墙坡度的方程,但这些理论模型的部分前提假设也受到了一定质疑。这些问题的存在,表明现有的TC眼墙倾斜理论并不完善,机制尚不清楚。本文从饱和假绝热上升气块的体积膨胀效应出发,分析了气压下降、潜热释放和水汽损失对气块体积膨胀的影响,并分析了垂直速度发生变化时气块的垂直厚度变化和水平面积变化的规律。结果表明:气压下降对气块体积膨胀的贡献占比达80%以上;并且上升气块的水平面积变化与垂直速度廓线有关,即垂直加速(减速)引起气块垂直拉伸(压缩),从而导致水平面积收缩(扩张),或者水平面积的扩张被抑制(放大)。将这一关系应用到轴对称柱状气块中,可建立气块半径的垂直变化廓线与垂直速度廓线的关系;应用到轴对称管体状气块中,则可建立气块厚度的垂直变化廓线与垂直速度廓线的关系。在假绝热条件下,气块相当位温守恒,轨迹构成等相当位温面,因此,后一关系可以用于TC眼墙内的相当位温结构估计。利用WRF模拟的理想TC对这一关系和估计方法进行了验证,估算结果与模拟结果接近,表明上述关系是成立的,同时也表明垂直速度与TC眼墙的相当位温结构存在关联。这种关联启发了连续方程对TC眼墙结构是否存在约束的问题。基于定常、轴对称和可逆绝热假设,从连续方程推导出了TC次级环流与TC眼墙熵分布的关系。结果表明:在定常、轴对称和可逆绝热条件下,TC次级环流的流线与等熵面重合,流函数可以用熵函数表示。根据这种关系,建立了从熵分布诊断TC次级环流的方法。利用模拟TC对诊断方法进行的验证表明,诊断方法能有效重现TC次级环流特征。该方法比用Sawyer-Eliassen(SE)方程诊断次级环流的方法更简洁。这些结果进一步表明,TC次级环流与TC眼墙的结构存在关联。为了寻找次级环流与TC眼墙结构的关联,从控制方程展开了一系列推导,并取得了一系列发现:在无摩擦、无耗散、轴对称和可逆绝热条件下,等熵面与等角动量面(等M面)重合;当等熵面弯曲的时候,静力平衡与梯度风平衡无法同时精确满足;水平气压梯度径向分量的垂直变化由垂直加速度的径向梯度和斜压性引起,由于TC眼墙外的边界层垂直速度接近于0,且等熵面接近水平,斜压性小,因而水平气压梯度的垂直变化较小。这些发现与部分较新的前人研究结果一致,并为边界层模式的水平气压梯度垂直均匀假设提供了理论基础。从控制方程进一步推导得到热成风平衡与次级环流之间的关系式。这个关系式表明,次级环流在一定程度上可以破坏热成风平衡。根据热成风平衡与次级环流之间的关系式,进一步推导得到等熵面坡度方程。与前人理论中推导得到的等熵面坡度方程相比,新的方程多了一个次级环流项。这表明次级环流参与了TC眼墙倾斜的约束机制。这与前面的分析结果一致。根据新的等熵面倾斜坡度方程,斜压性导致气压梯度随高度递减,从而使TC眼墙向外倾斜,而次级环流通过连续方程的约束对TC眼墙倾斜坡度产生影响。
【图文】：

气块,膨胀率,因素,体积膨胀效应

图 2.1 各项因素对气块膨胀率的贡献沿高度的变化（a）上升气块的体积膨胀率廓线；（b）凝结项（实线）及潜热项（虚线）分析结果表明，气块在上升过程中的体积膨胀效应十分明显。上述分做饱和假绝热上升的结果，，但由于凝结过程对气块体积的贡献占比很

气块,廓线,垂直运动

0=326.3K（对应于 T=35 ℃的气块从地表上升至 2 km 的干位温）的气块半径变化廓线也在图2.2 中展示作为对比。结果表明， 0越高，半径变化廓线越倾斜，但这种差别几乎可以忽略。图 2.2 不同参考半径的气块在匀速垂直运动过程中的半径变化廓线（灰线：绝热匀速下沉；黑线：饱和假绝热匀速上升，实线对应 0=319.1 K，虚线对应 0=326.3 K）通常对流中的气块垂直运动始于加速，终于减速。假设气块的垂直速度廓线具有如下表达式： = sin + , ≤ 0, > (2.23)由于的取值大小对 0 的值并无影响，故不妨令 = 1。令 = 14 km。当 a, b, c 取不同的值时，由（2.23）式可以得到位于不同高度的垂直速度廓线（见图 2.3a）。用、和分别表示位于低、中、高处（即 3.5、7.0 和 10.5 km）的垂直速度廓线。在这三种垂直速度廓线背景下
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P444

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