副热带夏季涡旋气候动力学的初步研究

摘要

副热带涡旋具有多尺度和多种类的特点，其气候动力学研究也越来越受到科学工作者的关注。为对副热带涡旋气候动力学有较全面的了解，本论文从气候学特征、自组织现象观测诊断和自组织动力学三个方面进行了初步的研究。 首先，引入改进的环绕角涡旋识别方法，从ECVWF40年再分析资料(ERA40)和NCEP/NCAR再分析资料(NRA)中提取了副热带西北太平洋，东北太平洋，西北大西洋和东北大西洋4个区域18年夏季的对流低层850hPa涡旋数据集。根据该涡旋数据集，我们分析了副热带涡旋的空间分布和时间变化特征。结果表明：(1)两种资料在四个区域都有很好的一致性，其中西北太平洋的相关性最好。(2)西北太平洋区域是全球副热带涡旋活动相对活跃的区域，区域内分布有两个涡旋活动中心，其涡旋平均强度强，涡旋活动范围广。(3)涡旋活动的活跃区都位于近海或海陆交界处，向远海方向或向内陆方向，涡旋活动明显减弱。(4)不同区域的涡旋活动具有不同的年际变化特征。(5)划分弱涡和强涡两种尺度讨论表明：副热带弱涡主要活动在陆地上或较低纬度地区，强涡则主要分布在近海；除西北太平洋外，其余3个区域的强涡数量都有增加趋势；西北太平洋和东北太平洋的强涡平均强度有增强趋势；东北太平洋、东北大西洋和西北大西洋的弱涡平均强度有增强趋势。 其次，进一步从ERA40再分析资料中提取了西北太平洋区域垂直12层的涡旋数据集，分析三维空间内的涡旋活动。分析发现具有明显的400hPa分界层。400hPa．以下：各层涡旋活动的分布区域和年际变化与前述850hPa层相同；950～850hPa气压层内的涡旋活动最强烈；除中国南海外，其余地区随高度升高，涡旋的活动减弱；1000hPa上的涡旋个体强度有上升的趋势。在400hPa以上：250～200hPa层上的涡旋活动最为强烈；各层涡旋活动主要分布在15°～25°N纬度带内呈东西向带状分布，且太平洋中部的涡旋活动最活跃；300～150hPa层的涡旋个体平均强度有下降的趋势。 再次，使用高分辨率的TBB资料分析台风“麦莎”形成时期的自组织过程。结果表明有多种尺度的涡旋相互作用。典型的有：γ中尺度涡旋之间，β中尺度涡旋之间，γ中尺度与β中尺度涡旋之间，以及β中尺度涡旋与热带气旋之间的相互作用和自组织过程。基于上述观测事实，本文采用Gerris自适应网格模式模拟不同位置、强度和结构的小尺度涡对双涡自组织过程的影响。结果表明：存在一个“Z”形敏感区，当小尺度涡出现在这一区域时，越有可能改变双涡自组织的终态；小尺度涡旋的强度和结构对该“Z”形敏感区范围的大小有重要影响；归纳小尺度涡能改变双涡自组织终态的4个必要条件是：初始位于敏感区内，有足够的强度，与双涡的距离适当，且生存时间足够长。 最后，利用一个高分辨率的拟谱模式，进一步分析了双涡自组织，以及小尺度系统对双涡自组织影响的物理过程。结果表明，(1)双涡合并的物理机制是：在旋转参考系下，流函数场的异质双曲型固定流点进入涡旋内部，持续不断向外抛出涡量形成反气旋性螺旋臂；该螺旋臂构成的非轴对称涡度场，在双涡中心产生相向的气流，使得双涡逐步靠拢合并。(2)小尺度系统改变双涡相互作用的物理机制是：初始时段处于某一涡旋正影响区内的小尺度系统，构成非对称涡度场，进而在该涡旋内部产生指向另一个涡旋的气流；如果该气流足够强，则会使两个涡旋的中心距离在短时间内下降到合并临界距离之内，触发双涡合并过程发生，进而引起能量的逆级串。

目录

文摘

英文文摘

第一章前言

1.1研究背景

1.2涡旋气候学研究进展

1.2.1涡旋的时空分布特征

1.2.2资料使用概述

1.2.3研究方法概述

1.3涡旋动力学研究进展

1.3.1自组织及其研究概述

1.3.2涡旋自组织研究进展

1.4已有研究的不足和问题的提出

1.5主要研究内容和创新点

1.6全文结构框架

参考文献

第二章原理和方法

2.1引言

2.2涡旋气候学统计方法

2.2.1涡旋的定义

2.2.2基于物理标量阀值的涡旋提取方法

2.2.3基于流线几何特征的涡旋提取方法

2.2.4环绕角方法的改进及在大气数据中的应用

2.2.5涡旋统计方法

2.3涡旋自组织动力学及其数值模式

2.3.1涡旋自组织动力学

2.3.2数值模式

参考文献

第三章夏季副热带对流低层涡旋活动特征

3.1引言

3.2资料和方法

3.3涡旋的时空分布特征

3.3.1空间分布特征

3.3.2时间分布特征

3.4涡旋的个体属性特征

3.4.1强度分布特征

3.4.2面积分布特征

3.4.3形状分布特征

3.5不同尺度涡旋的气候活动特征

3.5.1空间分布特征

3.5.2时间分布特征

3.6本章小结

参考文献

第四章夏季副热带西北太平洋三维空间的涡旋分布特征

4.1引言

4.2资料和方法

4.3三种类型典型涡旋的三维结构

4.4平均三维空间分布特征

4.5多层涡旋强度的年际变化特征

4.6本章小结

参考文献

第五章副热带涡旋自组织现象的个例分析

5.1引言

5.2个例概况及资料说明

5.3“麦莎”形成过程中的TBB资料分析

5.4本章小结

参考文献

第六章小尺度系统对涡旋自组织的影响

6.1引言

6.2模式设置

6.3试验概述

6.4试验结果及分析

6.4.1双涡相互作用的敏感区域

6.4.2小尺度涡旋的强度对双涡相互作用的影响

6.4.3小尺度涡旋的结构对双涡相互作用的影响

6.5本章小结

参考文献

第七章小尺度系统影响双涡自组织的物理过程分析

7.1引言

7.2模式设置和分析方法

7.3试验设计

7.4试验结果及分析

7.4.1第一组试验结果分析

7.4.2第二组试验结果分析

7.4.3第三组试验结果分析

7.4.4第四组试验结果分析

7.4.5能量谱分析

7.5本章小结

参考文献

第八章总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

致谢

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