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谈哲敏教授课题组在热带气旋动力学研究中取得新进展
阅读:462次 发布时间:2018-11-20 10:40

    谈哲敏教授课题组在热带气旋动力学研究中取得新进展


    近日,谈哲敏教授课题组在复杂垂直风切变影响热带气旋强度与结构的动力学研究方面取得新进展,成果以“The Evolution of Vortex Tilt and Vertical Motion of Tropical Cyclones in Directional Shear Flows”为题发表在美国气象学会(AMS) 动力学研究的著名期刊《Journal of the Atmospheric Sciences》。

 

大尺度流场的垂直风切变是影响热带气旋(TC)强度及结构变化的重要环境因子,其影响机理研究一直是热带气旋动力学研究中一个难点问题。在已往研究中,将垂直风切变高度简化为整层垂直风切变:即定义为距TC中心一定径向范围内200 hPa850 hPa高度上平均环境气流的的矢量差。整层垂直风切变的大小、方向是不随高度变化。观测与理论表明,中等强度的整层垂直风切变可以导致TC强度的减弱。实际大气中的环境气流非常复杂,环境气流的不同垂直结构导致真实的垂直风切变与简单整层垂直风切变有较大的差异,从而造成在不同垂直风切变环境下TC强度变化出现不同的结果。例如:在相同的整层垂直风切变条件下,随高度顺时针与逆时针旋转的环境风场下热带气旋的强度变化完全不一样。相关研究表明,前者比后者更有利于TC的增强,所以,在某些顺时针旋转垂直风切变条件,热带气旋强度仍可增强。然而造成这些差异的动力学机理并不完全清楚,有研究提出环境流螺旋度的不同是导致TC强度变化差异的根本性原因,但螺旋度在一定程度决定于大气流动动力学、热力学的结构,所以,热带气旋在无论哪种环境气流条件下其强度变化还是决定其本身的动力学-热力学结构的变化。研究提出一个旋转性垂直风切变条件下影响热带气旋强度变化的一种新的动力学机制。


为此,通过WRF模式的数值模拟探讨了干动力学下旋转切变气流造成热带气旋强度与结构变化的过程。结果表明,涡旋的倾斜在旋转切变气流中具有显著差异:在顺时针旋转的环境气流中,低层涡旋倾斜位于整层涡旋倾斜的左侧;逆时针旋转的气流中,低层涡旋倾斜位于整层涡旋倾斜的右侧;均一切变气流中,高低层涡旋倾斜方向一致。在顺时针旋转切变气流中,涡旋倾斜具有最快的进动速率,同时达到平衡时的整层倾斜方向位于顺风切变方向左侧。在逆时针旋转切变气流中,涡旋倾斜的进动速率最慢,且平衡时的整层倾斜方向稳定在顺风切变方向右侧。这表明TC在顺时针旋转的垂直切变气流中更容易进动至逆风切变方向,从而使得涡旋倾斜减小,有利于TC的增强。这些可以通过高低层涡旋之间的相互作用以及涡旋Rossby波理论得到完整的物理解释。


另外,干平衡动力学决定了各高度层上涡旋内核区域的动力场及热力场与涡旋倾斜的配置特征。在顺时针旋转的切变气流中,涡旋内核区的上升运动主要集中在顺风切变的左侧,相应低层上升运动位于涡旋进动方向的前侧;逆时针旋转的切变气流中,涡旋内核区的上升运动主要集中在顺风切变的右,相应低层上升运动位于涡旋进动方向后侧。在所有切变气流中,内核区上升(下沉)运动都与局地正(负)螺旋度区域高度重合,并且与暖(冷)平流对应。

 

             

3. 不同垂直切变气流中高低层涡旋倾斜(实线、虚线分别表示低层、高层的涡旋倾斜方向与大小)以及低层垂直上升运动(阴影区)的配置示意图。
 



    本研究揭示出复杂垂直风切变环境流下热带气旋强度变化一般性动力学机制:环境流强迫出的涡旋倾斜所驱动的平衡动力学是影响复杂切变气流中热带气旋结构变化的根本性因素,随之影响热带气旋强度的变化。该研究受到国家重点研发计划等项目的共同资助。论文第一作者为顾剑峰博士,谈哲敏教授为通讯作者,南京大学为论文通讯单位。



 

成果链接:


Gu, J.-F., Z.-M. Tan, and X. Qiu, 2018: The evolution of vortex tilt and vertical motion of tropical cyclones in directional shear flows. J. Atmos. Sci., 75(10), 3565-3578.

http://doi.org/10.1175/JAS-D-18-0024.1