摩擦耗散加热及其对热带气旋结构和强度变化的影响研究

Part of frictional work can be converted to the dissipative heating within the atmospheric surface layer, and roles of such heating in tropical cyclone (TC) structure and intensity changes are one of hot issues of TC dynamics. We wonder about two fundamental questions regarding TC dissipative heating in this study according to the unique observations of the China lanfalling typhoon field experiment and numerical experiments. One is what the quantitative and qualitative characteristics of dissipative heating within the TCs making landfall in China are, and the other is how dissipative heating in the whole TC circulation, eyewall region, rapid filamentation zone, and outer core influences TC structure and intensity. Results of this study will reveal the features of TCs making landfall in China which may differ from those in other regions, provide TC numerical models with observation-based hints of dissipative heating, and deepen the knowledge of physical mechanisms by which dissipative heating affects TC structure and intensity changes.

热带气旋环流中摩擦所做的功可以转化为大气中的耗散加热，其对热带气旋结构和强度的影响是热带气旋动力学的关注焦点之一。本项目拟通过基于我国登陆台风外场观测试验资料的观测研究和高分辨率数值试验诊断分析回答如下基本科学问题：（1）登陆我国的热带气旋摩擦耗散加热具有怎样的定量和定性特征？（2）热带气旋整体环流以及眼壁区域、快速涡丝化带和外核区等的耗散加热对气旋结构和强度变化有怎样影响，相关物理机制是什么？通过对这两个问题的研究，一方面力争揭示登陆我国热带气旋摩擦耗散加热的相较于其他地区不同的特征，为热带气旋数值预报中考虑耗散加热提供具有观测依据的参考，另一方面力争揭示热带气旋环流不同区域的耗散加热影响气旋结构和强度的基本动力学过程。

热带气旋环流中摩擦所做的功可以转化为大气中的耗散加热，其对热带气旋结构和强度的影响是热带气旋动力学的关注焦点之一。本项目通过我国登陆台风外场观测试验资料的观测研究和高分辨率数值试验诊断分析回答如下基本科学问题：（1）登陆我国的热带气旋摩擦耗散加热具有怎样的定量和定性特征？（2）热带气旋整体环流以及眼壁区域、快速涡丝化带和外核区等的耗散加热对气旋结构和强度变化有怎样影响，相关物理机制是什么？主要的研究结果包括：（i）台风登陆过程中，由于下垫面性质的突然改变会形成内部边界层，内部边界层的局部耗散显著增大，内部边界层以上湍流谱分析方法估算的耗散率显著大于BE方法估算的耗散率，且积分的耗散加热存在随风速增加而增大的趋势。（ii）发现热带气旋环流不同区域的耗散加热会导致热带气旋强度变化的不同，例如，积分一段时间后气旋强度发生了减弱，但减弱的程度各不相同；在经历更长时间的积分后的不同时间段内，试验中热带气旋均发展出了环形飓风结构，且强度的变化相较之前有所减小。（iii）不同热带气旋区域耗散加热对热带气旋外眼墙形成的影响显著不同，主要由于耗散加热影响下不同的内、外雨带活动特征，如果内雨带较为活跃，内雨带轴对称化对外眼墙的形成起着重要作用；如果外雨带较活跃，因此外雨带的轴对称化促进了外眼墙形成；如果内、外眼墙均较活跃，则内雨带向外移动以及外雨带轴对称化均对外眼墙的形成起着重要作用。通过项目的研究，一方面揭示登陆我国热带气旋摩擦耗散加热的相较于其他地区不同的特征，为热带气旋数值预报中考虑耗散加热提供具有观测依据的参考，另一方面揭示热带气旋环流不同区域的耗散加热影响气旋结构和强度的基本动力学过程。除此之外，基于项目的支持，还在环境垂直风切变对外雨带活动和外眼墙形成的影响，热带气旋丰满度特征，双眼墙相互作用等方面开展研究，取得新的研究发现。