热带气旋边界层中的激波状动力结构对强度变化的影响

It is widely accepted that the boundary layer is very important for the development and intensification of tropical cyclone (TC), regulating the transfer of heat momentum and moisture from the underlying air-sea interface to upper levels. An aircraft observation of TC boundary layer reveals a specific shock-like structure. It was found that dynamical processes that associated with shock-like structures would significantly affect structures and intensity of tropical cyclones. By using theoretical boundary layer model and large eddy simulation on idealized TC, this project aims to reveal the conditions that benefits the formation of shock-like structure, and further to achieve a better understanding on the dynamical process that shock-like structure affects the intensity change. This project will enhance the understanding of the physical processes that affect the intensity change of tropical cyclones, and provide the theoretical basis to further improve the forecast skill of TC intensity change.

边界层物理过程强烈影响着热带气旋的强度变化，在海洋与大气之间的热量、动量与水汽的传输中起着重要作用。飞机观测中发现热带气旋边界层风场具有激波状动力结构，这可能是影响热带气旋眼墙形成和强度变化的物理机制之一。项目拟通过热带气旋边界层动力学模型及理想涡旋大涡模拟实验，针对热带气旋边界层中激波状动力结构开展研究，重点分析边界层激波状动力结构产生的条件，以及这种结构特征对热带气旋眼墙结构和强度变化影响的具体途径，从而增进了解影响热带气旋强度变化的物理过程，为有效地改进其强度预报准确率提供科学理论基础。

边界层物理过程强烈影响着热带气旋（TC）的强度变化，在海洋与大气之间的热量、动量与水汽的传输中起着重要作用，飞机观测中曾发现热带气旋边界层风场具有激波状动力结构，本项目主要针对这一结构特征开展分析。项目分别针对实际TC个例、理想TC个例开展百米分辨率的大涡模拟试验，利用试验结果识别出TC边界层中的激波状风场突变区，并重点分析了该区域的动力结构特征。结果表明，TC边界层中的激波状动力结构是与边界层中的湍流运动有关的小尺度精细结构，当水平分辨率达到百米及以下尺度时可分辨识别该特征，TC强度越强则出现该特征的区域越多。该激波状突变区易出现在台风眼墙周围，表现出径向公里尺度水平速度的激增、垂直速度和涡度出现公里尺度的大值中心特征。激波状运动区垂直湍流动量通量大，加强了TC边界层内的垂直动量输送，从而造成台风边界层低层局地的水平风速大值。项目还提出了热带气旋强度变化的初值场多变量集合敏感性方法，并提出模拟热带气旋精细雨带结构可供参考的水平湍流混合参数化方案，提出了在TC大涡模拟中水平分辨率与垂直分辨率的合理比例。到目前为止，尚未见其他研究工作在实际台风个例中开展TC边界层激波状运动特征的研究，也是首次在大涡模拟尺度下讨论TC边界层中垂直分辨率对公里尺度精细结构模拟的影响，为未来工作中进一步开展TC边界层的模拟和研究提供了理论基础。