我国近海热带气旋风-压关系的动力学研究

The common measures of tropical cyclone (TC) intensity are the minimum sea level pressure and maximum surface wind speed. Study on the pressure - wind relationship would not only help to understand the dynamic of TC boundary layer, but also provide information about the estimation of TC intensity and climatology of TC intensity. Previous frameworks for the pressure – wind relationship were based on the cyclostrophic or gradient wind approximation. However, these approximations are not valid in the planetary boundary layer of some extreme cases of TCs (off-shore, intense and rapid-intensification TCs) accurately. Therefore, this project will adopt dynamical diagnosis and high-resolution numerical simulation to do research on the pressure-wind relationship of these extreme cases. The key research areas include: 1) the dynamical constraints underlining the pressure-wind relationship; 2) the relative contribution and their combined effect of predictors related to pressure-gradient force, the Coriolis force, the general centrifugal force, the turbulent frictional force, and the intertial deviation on the pressure – wind relationship. At last, a parametric equation will be given based on analysis of the conventional and non- conventional data. The results would provide scientific basis for TC intensity and disaster forecasts.

衡量热带气旋（简称TC）强度的两个常用指标为TC近中心最大风速和中心最低气压，研究两者的关系（即风-压关系）不仅有助于理解TC边界层运动，并且对确定TC强度和研究TC强度的气候变化特征具有举足轻重的意义。以往的风-压关系主要是基于TC边界层运动满足旋衡风或梯度风平衡的基础上建立的，但在TC边界层，尤其是近海TC、强度较大的TC以及快速增强的TC等极端情况下，旋衡风或梯度风平衡已经不能很好的描述TC边界层运动。因此，本项目拟通过动力学诊断分析和高分辨率数值模拟对两个关键问题进行研究：1）在这些极端情况下，TC的风-压关系满足的动力学约束；2）与气压梯度力、科氏力、广义离心力、湍流摩擦力和惯性力有关的各项因子对风-压关系的贡献。最后利用多种常规和非常规资料在边界层动力学框架下建立TC风-压关系的参数化方程。研究成果将为提高TC强度和灾害预报的准确率提供一定的科研依据。

研究热带气旋中心附近最大风速（MSW）和中心最低气压（MSLP）的关系，即风-压关系，不仅有助于理解热带气旋（TC）边界层运动，并且对确定TC强度和研究TC强度的气候变化特征具有举足轻重的意义。本项目采用常规及非常规资料统计分析、典型个例分析、动力学诊断方法，主要研究内容及研究成果如下：1）对TC的风-压关系的动力学约束研究表明，离心力是占绝对重要作用的，当MSW为90 m/s时，离心力可导致MSLP下降90 hPa；其次是摩擦力的作用，对MSLP较离心力小一个量级；柯氏力的作用较小，贡献在10-1量级。2）对各项因子对风-压关系影响的研究表明，在MSW一致时,快速移动的、TC尺度较小的、环境气压较高的、TC纬度较低的样本对应的MSLP更高；TC中心所在纬度对风-压关系不是简单的线性关系，对于强度弱于强台风的TC，TC中心纬度增加时，MSLP减小；而对于更强的TC则相反，随着TC中心纬度的增大，MSLP增大。3）新建了台风风压关系的参数化方程，较其他几种参数化方程有明显优势，即更大的解释方差，更小的偏差和平均绝对误差。新的参数化方程解释方差为71%，平均绝对误差为9.15 hPa，偏差为0.13 hPa。4）对飞机资料和最佳路径资料中风压关系的研究表明，CMA最佳路径资料中1965年之前MSW较后一时期偏大，主要与当时参考的飞机资料及使用的风-压关系有关。研究成果将有助于加深台风风压关系动力学的认识，为提高TC强度预报提供一定的科学依据。