三维空间涡旋自组织动力学的研究

The study of self-organized vortex is a leading project. How to describe the self-organized processes in the weather and climate systems is a challenge for developing the next weather and climate model. At present, the research of self-organized vortex is still in the underway stage. At the same time, the phenomenon of self-organization can be revealed by the facts that the intensity of tropical cyclone abruptly change in the west pacific ocean and the hazard weather occur in the east of Tibet plateau and the Yangtze river valley. The exploration in the international leading problem will be combined with the illumination of the characters of hazard weather in this research. The study about two-dimension self-organized vortex will be explored in the new research of tropical cyclone. The mechanism of self-organized vortex will be revealed from the study of the self-organized energy of three-dimension vortex, the transfer between different spatial scales, and the mutual effect between synoptic environment and self-organized vortex. Furthermore, the primary criterion of self-organized vortex will be pointed out. Hence it can be expected that the new research results about three-dimension self-organized vortex can be made and the self-organized content of geosciences can be enriched and the new scientific knowledge can be understood in the project research.

三维涡旋自组织研究是当前国际涡旋动力学一个前沿课题，如何描述天气或气候系统中的自组织过程，是下一代天气模式或气候模式发展面临的一个重大挑战，目前该课题的研究尚处于起步阶段；同时，西太平洋上热带气旋强度突变、在青藏高原及其东南侧、长江上、中游及东南沿海灾害性天气的形成中均揭示出涡旋自组织的一般现象。 本研究拟将此国际前沿问题与灾害性天气中富有特征的现象结合起来；拟在我国台风界专家最新研究成果基础上，拓展以往取得的二维涡旋自组织动力学的结果，从三维涡旋的能量自组织→尺度传递→与天气尺度环境场相互作用等各研究环节，揭示涡旋自组织物理机制，给出三维涡旋自组织的初步判据。本研究将在涡旋动力学、大气动力学和积云动力学学科交叉的层次上，取得三维涡旋自组织动力学的创新结果，丰富地球科学自组织动力学的内容，并为灾害性天气的预测理论提供新的科学认识

三维空间涡旋自组织的动力学是针对国家重大需要、亟待探索的重要科学问题。正如Miura et al[35](2007),Sperber et al [36] (2008) 和 Slingo et al[37] (2009)分别在Science Focus上指出:如何描述天气或气候系统中的自组织过程，是下一代天气模式或气候模式发展面临的一个重大挑战。三维空间涡旋自组织动力学的硏究可望増进对天气系统中自组织过程的科学认识,有助于模式发展。本项目拟研究的三维空间涡旋自组织动力学，是近几年来己取得结果的二维空间涡旋自组织动力学的拓展, 也是位于学科前沿，有科学价值和应用前景, 值得认真探索。. 主要研究内容包括以下三个方面：（1）三维涡旋自组织发生、发展过程的研究。主要利用近年来热带气旋的典型涡旋自组织个例资料，分析并提取三维涡旋自组织的信息（云团或雨带合并、环境气流调整）,揭示三维涡旋自组织过程发生、发展的动力、热力及水汽场的宏观特征，提出三维涡旋自组织的观测证据。（2）三维涡旋自组织机理的研究。主要研究三维涡旋自组织的升尺度过程，数值再现了Gama中涡层次上涡作用改变beta中涡层次上涡作用，以及beta中涡层次上涡作用改变主涡路径及强度的过程，揭示了升尺度传递过程的机制。（3）三维涡旋自组织判据的初步研究。在热带气旋的三维空间涡旋自组织过程及机理研究基础上，初步给出三维涡旋自组织的可能判据。. 本项目取得如下研究成果：（1）实现了多种观测资料的综合诊断分析，发现三维涡旋强度突变的基本特征； （2）揭示了不同路径登陆我国热带气旋的环境场特征及机理；（3）模拟了云尺度过程对台风强度突变的影响；（4）给出了三维涡旋强度变化的云尺度判据；（5）推导出加速度迁移项散度的表达式；（6）揭示了对流爆发过程对眼区组织化的影响机制；（7）研究了不同地形高度、陆面参数化方案、积云参数化方案影响涡旋自组织化的可能机制。上诉研究成果均已论文形式发表，共发表论文21 篇论文，其中SCI 论文16 篇，课题部分研究成果获得中国气象学会自然科学二等奖。