海气相互作用在台风双眼墙形成过程中的作用机理研究

Concentric eyewall has been widely observed associated with typhoons, the second eyewall formation (SEF) and replacement process often cause the abrupt changes in intensity and structure of typhoons, so the mechanism of SEF become one of the most important scientific problems. The air-sea interaction has important influence on typhoons development, and the mechanism of air-sea interaction on SEF process will be studied in the way of combining the air-sea couple model and dynamic diagnostics. The main research contents including (a) the instability due to the precipitation from typhoon as well as the associated ocean response, including air-sea temperature difference and ocean density stratification, (b) the re-distribution of potential vorticity in outer zones due to the vertical stretching of horizontal vortex tube under the interaction between small-scale convection and vertical wind shear, (c) differences in both intensity and distribution of new convections formed during the axisymmetrization process of typhoon, which is closely related to air-sea interaction. In particular, the first two factors promote the formation of concentric eyewalls, whereas the third factor affects its radius of external eyewall, the lasting of concentric eyewall, as well as the replacement time. Then a conceptual model will be presented to show the formation of concentric eyewall, which is affected by outer spiral rainband evolution and ocean response in the condition of air-sea interaction.

台风双眼墙的形成和发展经常伴随台风强度和结构的突变，给台风强度和风雨预报带来很大困难，是当前台风研究和预报领域的重要科学问题之一。海气相互作用对台风发生发展具有重要影响，本项目拟利用海气耦合模式模拟结果和动力学诊断方法，研究海气相互作用在台风双眼墙形成过程中的作用机理。主要内容包括：一是台风降水引起的高层大气蒸发冷却和表层海水密度层化现象对海气边界层稳定度的影响，及在双眼墙形成过程中的作用；二是海气边界层强的不稳定条件下，新生对流与环境场垂直风切变相互作用，对台风外围位涡扰动的重新配置过程及对外眼墙形成的影响；三是海气相互作用下台风外围位涡扰动的分布差异对内外眼墙生消过程的影响机理。从而得到基于海气相互作用理论的台风双眼墙形成过程物理概念模型，进一步加深对台风发展过程的认识。

双眼墙是强台风发展演变过程中的一种常见现象，双眼墙的形成（SEF）以及内外眼墙的替换过程（ERC）会导致TC强度和结构发生突变，大大增强了TC强度和风雨预报的困难。TC移动过程中强烈的海气相互作用对TC的发展有着重要的影响，是开展台风双眼墙形成和替换过程研究必须要考虑的重要物理过程。.本项目评估了西北太平洋地区三家主要的台风预报中心（中国、美国和日本）的路径和强度官方预报结果，重点分析了预报误差的变化趋势、分布和来源；研究了海洋冷尾流、海洋冷涡等对台风强度和结构的影响机理；利用高分辨率海-气-浪耦合模式，分别开展了非耦合大气、海-气耦合和海-气-浪耦合模拟对比试验，重点分析了台风外围雨带降水分布差异与外眼墙形成过程的关系、双眼墙台风moat区的形成机理研究；双眼墙条件下的海温和海浪响应特征以及它们对ERC演变过程的反馈和影响。.研究发现，台风的结构和强度对于海洋下垫面的变化非常敏感，海-气-浪耦合模式模拟结果与实况最为接近。在双眼墙发展过程中，当TC外围降水分布密集，强度较大时，形成的外眼墙强度和半径均更大。而不同强度的外眼墙导致的补偿下沉气流强度差异是影响moat区宽度的关键。研究成果完善了海气相互作用条件下台风SEF和ERC过程的概念模型，认为海温和海浪响应对于SEF和ERC过程都起着双重作用。海洋冷尾流的降温效应削弱了内外眼墙的强度，外眼墙的削弱使部分高熵空气向内眼墙流入，有利于内眼墙的维持，部分弥补了海洋降温对内眼墙的抑制作用。同样，海浪响应一方面为内眼墙提供更多的能量供应，另一方面它对外眼墙的增强作用反过来抑制内眼墙的发展。.因此海气相互作用对台风外眼墙形成和眼墙替换的影响是复杂的非线性过程，只有准确了解海洋和海浪的中小尺度精细化结构，采用海-气-浪耦合模式，才能更加深入了解台风SEF和ERC过程的动力学机理，并提升台风双眼墙过程的预报效果。