西北太平洋热带气旋和副热带高压相互作用对热带气旋云系热力学过程的敏感性研究

As a major large-scale circulation system over the western North Pacific, the western Pacific subtropical high (WPSH) is one of the most important system affecting the track of the tropical cyclones (TC) over this region. Lack of correct and in-depth understanding of the interactions between TC and WPSH limits the skills of numerical models in simulating and forecasting TC track and WPSH intensity. This study employs the latest version of the Weather Research Forecasting model (WRF) to carry out high resolution simulation and sensitivity experiments on the interactions between TC and WPSH. Using a variety of dynamic and thermodynamic diagnosis method (including the potential vorticity and temperature tendency diagnosis techniques), cloud thermodynamic processes associated with the TC and WPSH interaction will be comprehensively investigated to reveal the underlying mechanisms. Meanwhile, the cumulus convective parameterization and cloud microphysics parameterization will be tuned and diagnosed, and sensitivity experiments will be conducted to reveal the reasons for the limited skills of models in simulating TC track and WPSH intensity. Results from this study will help to uncover mechanisms for the interactions between TC and WPSH, shed new light on the physical parameterization schemes in the WRF model in simulating TC and WPSH, and improve the capability of the model in simulating and forecasting TC track and WPSH intensity.

作为西北太平洋上主要大尺度环流系统的西太平洋副热带高压（WPSH），是影响该区域热带气旋（TC）路径的最重要系统之一。对TC与WPSH之间相互作用过程机理认识不够是制约数值模式对TC路径和WPSH强度模拟和预测性能的重要因素。本项目利用新版本的天气研究预测模式（WRF），对西北太平洋TC和WPSH的相互作用过程进行高分辨率数值模拟，并进行敏感性试验。采用位涡和温度倾向诊断等多种动力学和热力学诊断方法，从TC云系热力学效应观点揭示TC和WPSH相互作用机理，同时尝试对模式积云对流和云微物理过程的参数化方案进行相应调整，分析模式不能准确模拟TC路径和WPSH强度的原因。本项目的研究有望深化对TC与WPSH相互作用机理的认识，为改进模式方案及其配置方式以及提高模式对TC路径和WPSH强度的数值模拟和预测能力提供科学依据。

由于区域模式模拟热带对流系统的能力存在着明显的不足，所以在西太平洋热带气旋（TC）活跃时期模式模拟东亚夏季风结果往往会存在很大的偏差。模式不能很好地刻画TC和西太平洋副热带高压（WPSH）等大尺度环流系统的相互作用，特别是TC云系热力学过程对大尺度环流（如WPSH）的反馈作用，是区域数值模式在TC活跃期内模拟WPSH强度和TC路径效果不佳的主要原因。与TC云系内水物质相变有关的潜热释放可以通过改变温度垂直分布对WPSH靠近TC一侧边缘区域的强度造成不可忽视的影响。一些较强的TC往往伴随着大量的水凝物随眼墙上升气流在对流层高层形成砧云并向外扩散，在TC成熟阶段外围高层可以向外围延伸至800 km以外区域，当TC与WPSH距离较近时，部分砧云可以到达WPSH边缘区域。在砧云内部，由于凝结释放潜热的作用出现了一个强大的热源，造成500 hPa以上温度增加；在砧云下方，由于降水蒸发的吸收潜热作用出现了一个强大的冷源，导致500 hPa以下温度偏低。在静力平衡条件下，这种上暖下冷的温度垂直分布特征会使得500 hPa位势高度降低。随着TC靠近WPSH的过程，这种温度垂直分布会逐渐减弱WPSH，最终使得WPSH从中间断裂并造成TC向北转向。.在明确模式模拟TC路径和WPSH强度性能不佳的主要原因和理解TC云系热力学过程影响TC与WPSH相互作用的物理机制的基础上，结合各种模式参数化方案（包括微物理、积云和边界层等参数化方案）、TC初始尺度、初始强度、下垫面海表温度的特点，研究了模式使用不同参数化方案和模式设置对TC热力学结构造成的变化，并结合多源观测资料分析了这种变化造成的TC路径和WPSH强度的误差以及其中的物理过程，并提出了有针对性地改进模式参数化方案（如改变方案的触发机制、闭合假设、水汽热量转换效率等）和模式设置（如订正TC初始强度和初始尺度，使用海气耦合模式实时计算下垫面海表温度等）的方法，以提升模式模拟TC云系热力学结构的能力，达到提高模式模拟TC和WPSH相互作用过程能力的效果，并进而实现提高模式模拟TC路径以及WPSH强度性能的目的。.本项目成果为加深对TC与WPSH相互作用理论的理解，发展适合西北太平洋地区的参数化方案和大气环流数值模式，提高模式对TC路径以及WPSH乃至整个东亚大尺度环流系统的模拟能力，提供理论支持和科学依据。