热带气旋内眼墙及螺旋雨带结构与强度突变的中尺度机理研究

热带气旋内眼墙及螺旋雨带结构和强度突变是热带气旋研究的重要科学问题。本项目利用动力学分析和数值试验对此进行中尺度机理研究，应用热带气旋中尺度波动及不稳定理论，探索与眼墙及螺旋雨带紧密联系的"管状位涡塔"（Hollow Potential Vorticity Tower: HPVT）建立和崩溃的机理。主要内容包括：根据对具有中尺度涡散运动共存特征的混合型波动的结构演变及稳定性问题的研究，分析热带气旋内中尺度波动发生发展对HPVT建立和崩溃的动力学作用；诊断HPVT建立和崩溃过程中热量和水汽分布变化规律，分析HPVT建立、发展和维持的热力条件，探索HPVT内部和外侧位涡输送造成的眼墙及螺旋雨带结构突变的动力和热力原因；利用准平衡分片位涡反演技术，考察不同高度和区域的位涡异常对热带气旋动量、热量和水汽再分配的影响，建立伴随HPVT整个生命史过程的热带气旋内眼墙及螺旋雨带结构和强度突变的概念模型。

揭示热带气旋发生发展过程的中尺度结构演变基础上，探索热带气旋内眼墙及螺旋雨带结构与强度突变的机理。主要内容和进展为: (1) 根据课题组原创性理论研究基础，分析中尺度混合涡旋Rossby－重力波的频散关系、结构演变和稳定性问题,创新进展是:用线性浅水方程的特征矩阵问题讨论正压涡旋系统中的自由波动的波谱特征, 揭示了混合波在整个频域内共有特征频率的性质，表现了物理性质上的不可分特性,证明了位涡守恒约束下，环境位涡的径向分布是这类混合波形成的物理机制,得到三类波动（涡旋Rossby波、 重力惯性波和混合波）的形成和传播的动力学特征，分析了强旋转和位势运动共存的混合波不稳定的原因。(2)研究了热带气旋内“管状位涡塔''（Hollow Potenti al Vorticity Tower: HPVT）建立和崩溃过程中,由于 PV 混合所造成的眼墙及螺旋雨带结构和强度突变的中尺度动力学物理机制。 基于热带气旋中尺度波动动力学和不稳定研究，讨论热带气旋不同生命史过程中，造成局地HPVT建立和崩溃的动力学原因，构建HPVT建立和崩溃过程的概念模型；主要进展是：诊断研究单极位涡塔（Monopole PVT: MPVT)和中空位涡塔（Hollow PVT: HPVT)分别对涡旋系统动力稳定性的影响,热带气旋增强过程中，在高层增温、潜热释放和对流垂直混合作用下， MPVT和HPVT的相互转化，造成了涡旋系统动力稳定性的变化.(3)用高分辨率数值模式结合微物理过程参数化，研究登陆台风内水成物配置变化对降水增幅的影响。通过物理场配置、水成物的分布和收支演变的诊断分析表明：登陆后台风内部次级环流运动减弱，台风内六种水成物粒子（水汽、云水、云冰、雪、雨和霰）在眼墙和螺旋雨带区域发生配置变化，对于维持台风系统整体降水强度具有重要作用,是台风登陆后降水维持或增幅的直接原因。(4) 利用牛顿急动度函数对惯性稳定度判据进行了理论分析，讨论了绝对涡度(ζg)的经向变化和β效应对判据的影响。结果表明:绝对涡度的经向变化对惯性运动的动力学特征起到决定性作用,仅考虑β效应（假定ζg为常数时），气流的稳定度判据和动力性质都不会发生变化,当两者相结合后，非线性项作用明显增强。