西北太平洋双眼墙台风的结构和强度演变及其物理机制研究

Typhoon spiral rainbands may evolve into a new eyewall surrounding the original eyewall, and this double-eyewall structure often ends with the original eyewall replaced by the new one, which is known as concentric Eyewall Replacement Cycle (ERC). Satellite remote sening is one of the effective measurements on typhoon monitoring, by which the ERC is discussed with particular emphasis during the concentric Eyewalls Evolution Cycle (EEC). Since the applications of microwave satellite data, we discovered that there were other eyewall evolution patterns which are different from the ERC mode, and the environmental conditions and the intensity variations of each pattern are distinctive. In previous studies, little work has been done on the questions above. Actually, it may be the reason for the inconsistency of the intensity changes between the observations and thoeries that we mistook the ERC for EEC and ignored other evolution patterns. Consequently, we plan to investigate the characteristics of typhoons with concentric eyewall (CE) of Western North Pacific Ocean during 1997-2011, by using all available satellite microwave data, NCEP reanalysis and typhoon Best Track data. Firstly, typhoons with concentric eywalls will be recognized by the microwave satellite imagery, and the spatial and temporal characteristics of CE typhoons are recorded. Secondly, classify concentric eyewall evolution types with the help of microwave satellite observations, and set up the conceptual model for concentric eyewall evolution. The intensity changes among each evolution types are also analized. Then favorable conditions and particular characteristics of CE foramtion and evolution are revealed from the internal and external factors. At last, high resolution numerical model is used to investigage the physical mechanism of struture and intensity changes of CE typhoons.

已有研究表明,某些台风的螺旋雨带能够发展并在原台风眼墙外侧形成新眼墙，这种双眼墙结构往往以新眼墙替代原眼墙而结束，即眼壁置换过程。卫星遥感是观测双眼墙台风最有效的手段之一，根据卫星微波资料，我们发现双眼墙结构演变过程还存在着不同于眼壁置换的型态，且不同演变型态所对应的台风强度变化和环流形势特征不同，这在以前的研究中较少。人们往往将双眼墙结构演变过程理解为眼壁置换,却忽略了其它的演变型态，这可能是造成眼壁置换理论描述的台风强度变化特征与观测事实不符的原因之一。因此，本项目拟采用多种卫星微波资料，以近十几年西北太平洋双眼墙台风为研究对象。按照双眼墙演变型态的不同将台风归类，提出双眼墙结构演变的概念模型，研究不同双眼墙结构演变型态所对应台风强度的变化特征。从台风内部动力学和外界环境场两方面，揭示不同双眼墙演变型态的特征物理量场及其影响因子，分析不同型态双眼墙台风形成和强度变化的物理机制。

某些台风的螺旋雨带能够发展并在原台风眼墙外侧形成新眼墙，这种双眼墙（CE）结构往往以新眼墙替代原眼墙而结束，即眼壁置换（ERC）过程。一方面，我们发现CE演变过程还存在着不同于ERC的型态，且不同演变型态所对应的台风强度变化和环流形式特征不同，这在以前的研究中较少。另一方面，虽然人们初步分析了CE形成的有利条件，但是还没有分析CE形成的三维环流配置。. 本研究基于微波卫星亮温资料，建立了CE定义和分类的标准，建立了1997-2011年西北太平洋地区的CE台风卫星云图库，及其特征描述表集。此外，建立了一种基于台风移动坐标系的合成分析方法。主要研究结论：.1、建立不同类型CE台风强度变化的规律。识别25个经典ERC台风（T-ERC），其中22个（88%）在CE形成时达到强度极大值。识别30个非经典ERC台风（N-ERC），其中27个（90%）在CE形成之前就已经达到极大值；.2、构建不同类型CE台风三维环境场概念模型。T-ERC台风出现在安静的环境中，而N-ERC台风则与外界环境存在强烈的相互作用，伴随强烈的西南和东南入流，活跃的低空槽，强副高和南亚高压；.3、探讨CE生成和消亡机制。边界层入流增强、切向风外扩，垂直运动的产生均与外眼墙的形成有关，可以作为CE形成的表征因子。不同于T-ERC，N-ERC台风在CE形成后，强对流会在其东北象限发展，导致CE结构非对称化，中断眼壁置换；.4、数值模拟表明，采用高空间分辨率的再分析资料，选择合适的double-moment模式物理方案及其它参数组合，完全能够模拟出真实大气的CE演变过程。. 本研究从不同类型CE台风入手，首先，从台风结构影响强度变化角度，建立了不同CE台风强度变化的规律；其次，从环境场影响台风结构演变角度，建立了不同CE台风的三维环境场概念模型；最后，从数值模拟角度，成功模拟了苏迪罗两次CE演变过程。本研究的应用价值在于：1、从当前CE台风环境场出发，可以预判CE结构演变，从而预判CE台风强度变化特征，为台风强度预报业务提供参考；2、成功模拟真实大气中的CE演变过程，为CE形成及其消亡理论提供参考。