西北太平洋热带气旋对流与降水特征研究

摘要

热带气旋（TC）可以通过大风，强降水和风暴潮导致灾难性的破坏和重大的生命损失。与洋面上的其他天气系统相比，TC中的对流和降水（特别是内核区）不但具有独特性，而且它们的发展和演变与TC强度变化和迅速增强密切相关。然而，关于TC的对流和降水特征仍然缺乏完整和系统的认识，并且TC迅速增强的充分必要条件存在争议。本论文利用长时间（1998–2013）的TRMM卫星多传感器资料研究了西北太平洋不同TC区域和强度阶段的对流和降水特征，并进一步分析了不同强度和强度变化阶段以及迅速增强前后TC内核区深对流系统的特征，以期为TC模拟和强度预报提供一定的理论基础。主要得到以下结论： （1）TC最强的对流信号通常出现在内核区（IC），其次是内雨带（IB），最后是外雨带（OB）。IC和IB的对流强度随TC强度的增加而加强。当TC强度增强时，深对流系统出现的频率增加，而对流强度呈减小趋势（CAT35阶段除外）。OB的闪电密度是IC（IB）的1.2（2.7）倍。对于面积大于1000 km2的降水特征，IC的闪电密度是OB（IB）的1.4（4.8）倍。IC发生闪电的阈值最高，外雨带最低，而且闪电的发生与强对流系统的面积关系不大，主要由强对流系统的强度所决定。 （2）TC以层云降水为主，占总降水面积的78%以上。层云降水比例最高发生在IB，并且随着TC强度的增加而增大（从80%到93%）。相对于IB和OB的对流性降水，IC的层云降水具有更强的冰散射特征以及更高的20 dBZ雷达回波高度。随着TC强度的增加，弱的对流减少明显，导致对流强度增加。层云（对流性）降水占总TC体积降水的61%（39%），占总TC闪电频数的25%（75%）。而且，随着TC强度的增加，层云降水对总TC体积降水和闪电频数的贡献增加，这表明更强的TC有利于维持更多的层云降水。不同TC区域和强度阶段的层云和对流性降水特征随着二级环流在IC增强的上升分支和上部的径向传输协同变化。 （3）TC中IC的深对流系统（最大20 dBZ雷达回波高度>10 km、11 km、12 km、13 km、14 km）发生概率随TC强度的增强而增加。迅速增强（RI）阶段的TC IC深对流系统的发生概率高于其他强度变化阶段。相对于其他强度阶 段，CAT35阶段TC的最大30 dBZ雷达回波高度最高，对流强度最强。对于最大20 dBZ雷达回波高度大于13（14）km的深对流系统，RI阶段在90%（95%）显著水平上具有比其他强度变化阶段更低的30 dBZ雷达回波高度，表明RI阶段对流强度最弱。TC的强度越强，深对流系统的面积越大，越趋近于成熟（对流性降水比例比较小）。相对于其他强度变化阶段，RI阶段深对流系统面积更大，更成熟。 （4）RI前深对流系统的垂直发展深厚（最大20 dBZ的雷达回波比较高）。RI前和RI后的深对流系统的对流强度（最大30 dBZ的雷达回波高度）比较强，RI期间对流强度最弱。在RI前，IC的深对流系统随时间趋于成熟，在RI期间，深对流系统基本处于稳定状态。在RI后6 h的深对流系统比较成熟，但随时间这种稳定的状态被打破。在RI前，深对流系统的潜热变化很小，在RI期间迅速增加，RI后减小。RI期间大量的潜热释放可能会使TC眼壁浮力增大，加强了动能的产生，从而迅速加强了系统。

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西北太平洋热带气旋对流与降水特征研究

ABSTRACT

中文摘

第一章 绪论

1.2 国内外研究进展

3.3.3 闪电密度与频数27

6.4 面积特征68

致谢95

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 热带气旋对流和降水特征的研究

1.2.2 热带气旋对流和降水与强度变化关系的研究

1.3 拟解决的科学问题

1.4 本论文的研究内容

第二章 数据来源及处理方法简介

2.1 TRMM卫星及探测器

2.3 TRMM数据集及处理方法

第三章 西北太平洋热带气旋降水特征和对流单体特征

3.1 热带气旋过境的筛选

3.2 热带气旋降水的气候特征

3.2.1 降水特性和对流单体的面积

3.2.2 深对流系统对热带气旋的贡献

3.3 热带气旋的对流强度特征

3.3.1 最大雷达反射率廓线

3.3.2 最大 20 dBZ回波高度与最小85 GHz PCT特征

3.3.3 闪电密度与频数

3.3.4 发生闪电降水特征和对流单体的特征

3.4 本章小结

第四章 西北太平洋热带气旋层云和对流性降水特征

4.1 热带气旋过境的筛选

4.2 层云和对流性降水的对流特征

4.2.1 平均降水率和对总降水面积的贡献

4.2.2 雷达反射率特征

4.2.3 微波亮温特征

4.3 层云/对流降水对总降水面积、体积降水和闪电频数的贡献

4.3.1 不同区域和强度阶段

4.3.2 不同降水率的贡献

4.3.3 不同20 dBZ雷达回波高度

4.4 本章小结

第五章 热带气旋内核区深对流系统活动特征

5.1 数据处理及分析方法

5.2 发生概率

5.3 最大20/30 dBZ雷达回波高度

5.4 面积特征

5.5 潜热分布

5.6 本章小结

第六章 迅速增强热带气旋内核区深对流系统活动特征

6.1 数据处理及分析方法

6.2 发生概率

6.3 最大20/30 dBZ雷达回波高度

6.4 面积特征

6.5 潜热分布

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本论文的主要结果

7.2 论文的创新与特色

7.3 存在的问题及下一步工作展望

参考文献

在学期间的研究成果

致 谢