热带气旋生成过程中不同类型降水的特征分析

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每年在热带洋面上都会生成上百个热带扰动,但是只有其中的一小部分可以发展成为热带气旋(TC),TC生成的准确预报是业务中的难点。关于TC生成的中尺度发展过程主要有两种理论:“top-down”发展和“bottom-up”发展。在降水特征方面,这两种理论则是分别强调层云降水和对流云降水在TC生成方面的作用。层云降水和对流降水有着截然不同的动力和热力特征,将这两类降水分别进行研究是十分有意义的。本文旨在研究西北太平洋(WNP)中的TC在生成过程中不同类型降水的分布特征,并联系两种生成理论,探究层云降水和对流降水对TC生成过程的影响。
  首先,WNP洋面上的扰动可以分为两类:未来可以发展成为热带气旋的扰动(Dev)和不能发展成为热带气旋的扰动(Nondev)。Dev扰动在发展过程中,内核区(距离扰动中心200km范围内)层云降水的覆盖面积和对流降水的强度会比外核区(距离扰动中心200-400km范围)经历更明显的振荡发展过程。相比之下,Nondev扰动的消散过程则较为平缓。对于不同类型的降水来说,Dev扰动在内、外核区中的层云降水和对流降水的覆盖面积、对流降水的强度都要大于Nondev扰动。如果WNP中的热带扰动未来想要发展成为TC,那么该扰动的降水特征需要满足两个条件。第一,扰动中心400km范围内需要覆盖广阔的层云降水。第二,扰动内核区有强的对流降水发生。
  随后本文挑选了典型个例“杜鹃(1521)”从生成前3天开始进行高分辨率数值模拟,并提出判据识别数值模式中的中尺度对流系统(MCS)以及层云降水和对流降水。在“杜鹃”生成前期阶段,新生成更多的MCS有利于“杜鹃”的增强,同时对流层中层有一个明显的涡度向下发展的过程,属于“top-down”发展过程。“杜鹃”生成过程的中后期阶段,对流爆发导致MCS单体发生合并,使得MCS个数减少。并且在合并过程中,MCS变得更加紧凑,面积最大的MCS逐渐向内核中心收缩,符合“bottom-up"理论提出的观点。MCS中层云降水覆盖面积较大,是对流云降水的4倍以上,更能体现扰动和降水的组织化程度。层云降水百分比的增加与“杜鹃”的增强关系密切,对流云降水的降雨率增加有利于MCS总降雨率的增加。数值模拟实验进一步证明了高百分比的层云降水与强的对流降水对TC生成的积极贡献。
  在“杜鹃”的生成过程中,“top-down”发展只出现一次并且是一个连续的过程,而“bottom-up”发展出现多次且是一个间歇发展的过程。涡度方程的诊断结果表明,虽然层云降水对垂直涡度的拉伸作用可以使对流层中层涡度增大,但是在“top-down"发展过程中也不能忽略其他降水的作用。对流降水在对流层低层正的涡度水平平流可以抵消层云降水负的涡度水平平流,在涡度的垂直平流项对涡度增大的贡献中起主要作用的也是对流降水和“其他”(非层云且非对流)降水。在“bottom-up”过程中,对流降水涡度的垂直平流以及拉伸作用在边界层以上对于局地涡度的增大起着主要的作用,而在边界层内为“其他”降水的拉伸项起主要作用。因此,某一类型的降水只是在对流层特定的高度对涡度增大起主要贡献,从边界层到对流层中层整层涡度的增加需要所有降水的共同作用。
  最后通过一系列敏感性实验可以发现,在“top-down”过程前几小时爆发的浅对流是MCS内涡度“top-down”发展的先决条件,并且层云降水的加热率和冷却率不会明显影响扰动最终的强度,只会影响扰动强度增加的速率。在“杜鹃”生成前期,弱对流降水加热率的增强有利于扰动中的上升运动和切向风增强,增强的、倾斜的上升气流的下方会产生下沉运动,从而导致低熵空气侵入。但下沉气流量级小,后期扰动边界层中的熵恢复快,使得增强的上升运动带来的有利影响得以持续。在“杜鹃”生成后期,虽然对流降水加热率的降低会短时间内削弱扰动中上升运动,降低扰动的强度,但是这一过程积累的水汽和能量会在后期释放,产生的强上升运动有利于最大风速半径的收缩,从而增强TC强度。而若将这一时间段内的对流降水加热率增强后,过强的上升运动产生的冷池需要很长的时间恢复,并且被过多地消耗的大气中的水汽也会对扰动的发展产生不利影响。
  本文的创新性在于:(1)将WNP中的扰动分为两类,利用最先进的卫星产品探究两类扰动的降水特征差异;(2)在模式中提出识别MCS、层云降水和对流降水的判据,并将TC生成理论与MCS和降水相结合;(3)通过动力学诊断方法探究在TC生成过程中,不同类型降水对涡度增大的贡献;(4)利用敏感性实验探究TC强度对不同类型降水加热廓线的敏感性。
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