大气中多尺度涡旋自组织的诊断分析与机制研究

围绕大气中多尺度涡旋自组织过程这一关键科学问题，基于卫星、雷达和自动地面站等多种非常规资料，采用位涡分析、云团演变和对流合并判别等方法，对登陆热带气旋维持过程中的中α、中β和中γ尺度涡旋自组织现象进行诊断分析，获得实际大气中的多尺度涡自组织特征，并利用其能量逆级串特征初步解释登陆热带气旋维持的原因。在观测诊断的基础上，利用一个高精度的三维多层准地转位涡拟谱模式，设计多组数值实验，研究多尺度涡自组织过程中，小尺度涡的初始位置、强度和结构对自组织终态的影响，并获得小尺度涡能够改变多尺度斜压涡自组织终态的初始条件。最后，进一步设计两组数值实验，并采用示踪点轨迹、位涡反演、非对称流场分离和拉格朗日流场结构演变等分析方法，获得小尺度涡影响多尺度涡自组织过程的物理机制。该研究将推动多尺度涡旋自组织理论在实际天气业务中的解释应用，并拓展目前的二维涡自组织理论到三维层结大气。

围绕大气中多尺度涡自组织过程这一关键科学问题，以0604号强热带风暴Billis为例，收集整理数值模式分析、卫星、雷达和地面自动站等观测资料，从位涡、云团、对流系统、涡旋结构等方面分析其登陆过程中的中α、中β和中γ三种尺度涡旋系统的自组织过程，结果表明：中α尺度涡旋系统的存在，为对流云的发展提供了有利的环流背景；不断生成的中γ尺度对流单体，自组织起来形成中尺度对流云团，在对流层低层产生了位涡；中尺度对流云团的自组织又对应位涡的合并，维持了中α尺度涡旋的强度，甚至发展，进而使登陆气旋在陆地上存在较长时间。. 采用中尺度数值模式讨论了不同尺度涡旋自组织过程对热带气旋Bilis产生局地暴雨的影响，发现引发强降水的对流系统不是来源于热带气旋螺旋云带内的对流云团，而是受热带气旋外围环流与局地地形影响下形成的多个中小尺度系统之间自组织的结果；局地多尺度涡旋之间的自组织过程，是0604号热带气旋Bilis陆上强降水发生的主要动力机制。. 最后发展一个高精度的三维准地转位涡拟谱模式，设计多组数值实验，研究斜压涡的自组织特征，结果表明：相对于二维正压涡旋自组织，三维斜压涡旋自组织表现出更丰富的结构特征；浮力频率N2和初始斜压涡的高宽比H/R对于涡旋合并的时间和临界距离有相同的效应，即大气层结越弱（强）或初始涡旋的高宽比越小（大），则斜压涡自组织的临界距离越短（长），合并时间越长（短），这也解释了低纬度地区较高纬度地区或垂直发展旺盛的系统更有利于涡旋得自组织；物理机制分析表明斜压涡合并的初始旋转坐标系流函数场的结构分布决定了涡旋是否能够自组织起来，外部环流区对涡旋形变拉伸作用，以及内部环流区的涡量交换的共同作用，使得涡核最终合并；小尺度涡仍能够改变斜压涡的自组织终态，且小尺度涡旋产生影响需具备4个条件与正压涡旋自组织相同，即初始位于敏感区内，有足够的强度，距离适当且生存时间足够长，但在三维空间中，敏感区还与垂直位置(vertical position)有重要关系。