南海台风近海快速增强的观测和数值模拟研究

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热带气旋(Tropical Cyclone,TC)的快速增强(Rapid Intensification,RI)通常与高海温、弱垂直风切变(Vertical Wind Shear,VWS)以及较高的对流层中低层湿度等大尺度环境因素相关。近期研究发现,在有些偏强的垂直风切变(VWS200-850 h Pa>10 m s-1)环境下TC仍可发生RI。由于中国南海地区的登陆TC强度预报经常受到RI的挑战,本文目的在于研究中国近海RI的分布以及环境特点,特别是切变型RI事件对应的大尺度环境场,为近海RI的预报提供参考;同时以超强台风“威马逊”(Rammasun 2014)为代表,利用数值模拟研究切变下的非对称性RI发生的结构特点,更好地理解南海台风发生非对称RI的动力学过程。通过研究登陆中国大陆TC的近海RI的空间分布,我们发现1973-2017年南海地区的登陆TC发生近海RI过程的频率相当高,占所有发生近海RI的80%。通过大尺度环境场对南海区域近海RI过程的影响分析,环境场中主要有3个因子的影响明显,分别是VWS、中层水汽以及季风涡旋。本研究着重关注在较强切变(>10 m s-1)环境下的南海RI事件,研究结果发现这类RI事件常常发生在梅雨结束前的大环流调整之际,这期间西南季风的加强、南亚高压的西退和副热带高压的北上共同促进了RI的发生,为登陆TC的RI预报提供一定参考。为了研究RI内部动力学特点,本研究以Rammasun为切变条件下的RI事件为例,通过数值模拟获得高分辨率(667 m)模拟数据,并通过观测资料的验证。在较大的VWS(11-15 m-1)环境下,Rammasun在7月18日7:30登陆海南省文昌市之前经历了36 h非对称性近海RI过程,具有四个重要特点。第一,西南季风的输送通道与Rammasun西侧和南侧的眼墙对流运动有密切联系,西南季风提供了Rammasun中低层充分的水汽条件,有助于激发南侧的眼墙对流;第二,高度不对称的内核结构贯穿整个RI过程,低层仅在顺切变对应的西侧和南侧对应入流,而在逆切变侧中层下沉入流明显,相应地产生中低层不闭合的眼墙对流结构;第三,切向风和暖心的分布相对比较对称化,南侧的眼墙高层对流爆发活动和眼墙附近的暖心对应较好,且有加强Rammasun中心暖心的趋势;第四,Rammasun中心向西南侧的垂直倾斜在RI过程中存在逆时针旋转的现象,并在旋转过程中呈阶段式减小,且RI发生时倾斜较大(20 km),上下涡旋垂直对齐并不是RI发生的必要因素。结合以上非对称性动力结构特点,本研究为南海地区非对称性RI提出物理机制的假设:暖心对称化和直立是非对称性RI的重要原因,通过环境和内部过程共同实现:西南季风流有助于TC在其南侧(顺切变左侧)激发眼墙对流,而与眼墙相关的对流爆发与中高层的暖心密切相关,又通过高层向眼区的气流向眼区输送暖心,致使中高层暖心增强;同时TC不断通过调整中心的垂直倾斜来促进暖心对称化且直立,促使TC中心气压下降而发生RI。
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