热带气旋形成过程中对流的活动特征及相应的动力和热力响应

Convection is indispensable to tropical cyclone (TC) formation. The increasingly enriched high-resolution satellite data and improved numerical techniques make it possible to achieve a comprehensive understanding of convective evolution during the tropical cyclogenesis. In this project, the convective processes and relevant dynamical and thermodynamical responses leading to TC formation are to be examined via the satellite data and numerical simulations. According to the time evolution of the convection during the TC formation, the tropical cyclogenesis occurred in the Northwester Pacific during 2010-2016 will be divided into several groups with the K-means cluster analysis. Based on the classification, the favorable environment and follow-up development of TC precursors in each group will be analyzed firstly. Then the most frequently occurred tropical cyclogenesis, during which convection burst with the period of about one day，will be picked out for further investigation on the mechanism associated with the convective diurnal cycle and how the TC precursors transfer from the phase with periodic convection to the phase with persistent convection. Through the above-mentioned studies, it is anticipated to obtain the scenarios of the whole evolution of convection and relevant dynamical and thermodynmaical responses during the tropical cyclogenesis, and then to facilitate the understanding of the dynamic and thermodynamic processes leading to TC formation.

对流是热带气旋（TC）形成过程中不可或缺的因子。日益丰富的卫星观测资料和日渐发展的数值模拟技术使得人们全面认识TC形成过程中的对流活动及其作用成为可能。本项目将利用卫星资料和数值模拟技术对TC形成过程中对流的活动特征及相应的动力和热力响应开展系统深入的研究。首先，将对2010-2016年西北太平洋地区TC形成过程中对流的活动特征进行统计分析，并以此为依据，确定西北太平洋地区TC形成过程的主要类型，如对流非周期性爆发型、对流周期性爆发型（脉冲式型、非脉冲式）等，讨论每个类型对应的大尺度环境场及TC形成后的发展特点。在此基础上，进一步分析最常见的一类TC形成过程，即对流周期性爆发型，探讨其中对流周期性爆发的物理机制和对流周期性爆发向持续稳定爆发转变的条件及对流在其中的作用。通过上述研究，项目将进一步揭示TC形成中对流的活动特征及作用，加深人们对TC形成过程的认识，为其监测和预报提供参考依据。

近年来，观测资料的丰富和高精度数值计算技术的发展，为人们深入认识热带气旋(TC)形成中的关键过程从而提高TC形成的监测和预报能力提供了可能。本项目从统计、典型个例高精度数值模拟、理想试验和能量学分析等角度，对西太TC形成中的对流和动热力结构演变进行了系统研究，主要研究结论如下：.1）多数TC形成过程中，对流活动具有明显的周期性，大约有一半的活动周期在12-28小时，即具有明显的周期性特征，对流旺盛时段主要发生于凌晨至清晨，对流间歇期主要发生于午后至前半夜；西太地区TC多源自低层或中低层深厚中尺度涡旋。.2）TC形成过程中，两次深对流爆发期间依次出现层云降水、浅对流和深对流。深对流及层云降水导致对流层中层涡旋的发展，而浅对流和深对流则导致低层涡旋的增强。中层涡旋在TC形成早期主要作用是触发对流，在后期则显现出保护涡度和对流的“育儿袋”作用。.3）在中等垂直切变的影响下，在对流和涡度柱进动的共同作用下，TC涡旋将首先由倾斜的状态调整为具有紧实涡度核的竖直涡度柱，随后在对流和边界层过程的共同作用下发展为具有以对流环、涡度环为特征的主眼墙。与此同时，TC内核区的中底层逐渐接近饱和。此后，TC进入快速增强的阶段。能量学特征的分析表明，在TC发展初期，系统汲取的能量主要是先建立深厚的垂直环流，随后才逐渐转为用来增强或维持近地面水平环流，即TC的发展是先发展垂直环流再发展水平环流。对于初始涡旋垂直伸展较低的TC而言，其建立深厚次级环流通常需要更长的时间。.本项目研究加深了我们对西太地区TC形成过程的认识，对于改进TC生成的预报和监测具有一定的理论指导意义。完成项目资助论文14篇，其中正式发表13篇，有10篇在本学科重要国际学术期刊JAS, JGR-Atmos和GRL等上发表，项目主持人作为第三完成人获得2019年高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖。