近海台风边界层滚涡的螺旋结构及其变化机制研究

大量研究发现热带气旋边界层（TCBL）的结构对于TC的维持发展有非常重要的意义。但是TCBL内部结构一直不清楚。近年来，高分辨率多普勒雷达等非常规观测发现TCBL中存在着滚涡（roll vortices）结构 。最新研究表明滚涡结构的存在意味着过去对于TCBL中忽略滚涡结构的传统概念大大低估TC近地层最大风速和边界层湍流输送作用。而这种低估可能导致对TC的结构强度、风雨分布的研究和预报出现偏差。因而作为TCBL一个重要组成部分，滚涡及其对TC影响机制的相关研究成为TC研究中一个新兴的热点。本研究拟通过将观测资料的分析与动力学研究相结合，侦测影响我国的近海台风边界层滚涡分布、结构特征及其发生发展机制，从而加深对滚涡结构以及变化机制认识。本研究将主要研究三个问题：1）我国近海台风边界层内部的滚涡存在和分布特征；2）滚涡的动力结构及发生发展机制；3）滚涡的结构变化对于近海台风维持发展影响。

大量研究发现热带气旋边界层结构对于热带气旋的维持发展有非常重要的意义。但是台风边界层内部结构一直不清楚。近年来，高分辨率多岁的非常规观测发现TCBL 中存在着滚涡（roll vortices）结构。本研究通过将观测资料的分析与动力学研究相结合，侦测影响我国的近海台风边界层滚涡分布、结构特征及其发生发展机制，从而加深对滚涡结构以及变化机制认识。本项目研究主要研究三个问题：1）我国近海台风边界层内部的滚涡存在和分布特征，通过合成孔径雷达，多普勒雷达，边界层风塔，GPS探空等多元观测数据，通过研究首次证实了在靠近我国大陆的近海及登陆台风（即近海台风）边界层内部有大量滚涡在活动，进一步研究发现并确认在台风边界层附近同时伴有大量的结构更精细的发卡涡（Harpin vortex ）以及较大尺度的小尺度雨带（small scale rainband） 在活动；研究工作进一步利用台风近地层风塔以及雷达资料，对于登陆台风的定强问题进行了讨论，分析结果确认了台风边界层滚涡的存在，会导致台风近地层的风速随垂直方向分布相对均一，而衰减较少。这意味着传统单纯利用卫星资料进行定强的方法并不完全可靠，而位于海岛山上的自动站似乎有更大的利用潜力。这一研究成果的意义在于为人们利用非标准的海岛高山自动站资料为近海台风定强提供了较为有理的理论依据。2）通过观测资料讨论滚涡的动力结构及发生发展机制，发现在台风边界层内部不同尺度的螺旋结构存在相互作用、能量串级及反向串级现象；并在此基础上，修改了已有的经典边界层能量串级模型； 3）通过数值模拟，分析讨论了台风边界层内部精细结构（包括小尺度雨带及滚涡）的结构变化，利用新定义的切变梯度螺旋度（SGH），发现在正负涡度中间往往为强降水和极端大风所在区域，并且在这附近区域台风结构往往变化迅速。