南大洋夏季爆发性气旋的统计特征与数值模拟研究

摘要

爆发性气旋是指一个气旋的中心气压值（将其规范化到60oN）在24小时内下降24 hPa以上，即气旋中心气压降低率大于1hPa/小时（贝吉龙）的快速发展的气旋。由于其发展迅速，破坏力大，有“气象炸弹”之称。过去已有的关于爆发性气旋的研究多集中在北半球，对南半球爆发性气旋的特征知之甚少。本文首先利用美国国家环境预报中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction）提供的 FNL（Final Analyses）格点资料分析了南大洋2004~2008年4个夏季（12月、1月、2月）的气旋和爆发性气旋的特征，并利用尽可能多的观测资料和WRF（Weather Research & Forecast）模式的高分辨率数值模拟结果，对2008年2月25日发生在南印度洋的一个强爆发性气旋（中心气压加深率大于1.8贝吉龙）和2007年12月10日发生在南太平洋的一个弱爆发性气旋（中心气压加深率大于等于1小于1.3贝吉龙）的形成和发展过程进行了详尽的刻画，同时对其形成与发展机制进行了数值模拟研究。 统计分析发现，1月为南大洋夏季爆发性气旋发生发展的高峰月。南大洋夏季爆发性气旋一般生成于中纬度，在南大西洋和南印度洋海域较多，在南太平洋海域相对较少，一般在45oS～60oS纬度内爆发，中心气压在60oS~70oS的纬度内达到最低值。弱爆发性气旋在三类爆发性气旋中所占比例最大，约为56%，强爆发性气旋数量最少。爆发性气旋中心气压加深率最大为2.9贝吉龙，中心气压最低为923 hPa。路径大多为东-东南走向，个别气旋有向东北方向移动的过程。生命周期一般为3~5天，水平尺度平均约为3000 km。通过对中心气压加深率大于1.3贝吉龙的爆发性气旋的合成分析发现，气旋的爆发性发展总是伴随有高中低空急流和斜压带。 2008年2月发生在南印度洋的强爆发性气旋生成于25日06 UTC，于29日00 UTC消亡，共90小时，有强烈的连续24小时爆发性发展过程。25日12 UTC中心气压加深率达到2.9贝吉龙，为4年夏季爆发性气旋最大加深率。通过对各种观测资料的分析和WRF高分辨率模拟结果发现，该气旋的结构在爆发前后有明显的变化。气旋爆发时刻涡度、位势涡度以及垂直上升速度增加并达到最强，气旋在爆发结束后即进入成熟稳定状态。气旋爆发性发展过程中，500 hPa有高空槽相伴随，气旋生成时位于高空槽前。气旋上空有比较强的斜压带，斜压能量是其初期生成和发展的主要能量来源。大尺度高空槽通过槽前负涡度输送和槽后槽前冷暖平流对斜压不稳定的加强作用为气旋发展和维持提供有利的环境。同时，250 hPa高空急流出口区的辐散和暖平流，以及850 hPa西北风急流所提供的强的暖平流和水汽通道也对气旋初期爆发性发展和维持极为有利。敏感性数值试验结果表明潜热释放是影响气旋爆发性发展的关键因子，但爆发性气旋的发展与海表温度的大小关系不大，可以在一个很宽泛的温度范围内发生发展。 2007年12月10日18 UTC生成的气旋属于弱爆发性气旋，中心气压最大加深率为1.2贝吉龙，气旋自生成至消亡历时114小时，有两个不连续的弱爆发性发展过程。爆发性发展阶段，气旋中心对应850 hPa以上有急流，风速在第一次爆发性发展阶段达到最大，风向以北向风为主，生成时对应500 hPa有高空槽位于气旋地面中心西侧，在槽迅速向气旋接近并与其中心重叠后，气旋即达成熟状态。潜热释放仍是影响其爆发性发展的重要因子。FNL资料分析和WRF数值模拟结果都表明，对流层顶的高位涡能量下传以及低空急流自北向南带来的暖湿气流为气旋第一次爆发性发展提供了能量，500 hPa高空槽与斜压带的有利配合，也对其初期的迅速发展有一定影响。利用WRF三维变分数据同化系统和 COSMIC GPS RO（Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate Global Positioning System Radio Occultation）数据进行的几组同化试验结果表明，COSMIC数据对模拟结果有很好的订正作用，弥补了非同化试验中无法正确模拟第一次爆发性发展过程以及后期模拟结果不准确等缺陷。 通过对强、弱爆发性气旋的对比发现，两者都有较长时间的快速发展过程，气旋生成时位于500 hPa高空槽前，潜热释放是影响两个气旋爆发性发展的重要因子，高低空急流和对流层顶的高位涡能量下传在其快速发展不同阶段起到重要作用。但前者较后者爆发性强，生命周期短，水平尺度大。前者生成于南大洋爆发性气旋频发区南印度洋海域南半球西风带内，此区域常年存在的中低空急流为爆发性气旋的发展提供了有利的环境。后者出现在爆发性气旋较少发现的区域罗斯海，南极海冰的存在对气旋的爆发性发展不利。强爆发性气旋爆发时位于高空急流出口辐散区，气旋中心200~300 hPa高空急流风速比弱爆发性气旋大20 m/s，且有明显向下传输的现象。而弱爆发性气旋则处于高空急流附近辐合区，不利于气旋的爆发。强爆发性气旋的发展伴随着气旋上空斜压性的明显增强。易于气旋发展的地理环境、地面气旋与高空急流的合理配置和有利的斜压环境是引起气旋“强”爆发的原因。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

第二章 资料和方法

第三章 南大洋夏季气旋及爆发性气旋的统计特征分析

第四章 2008年2月强爆发性气旋的观测分析及数值模拟

第五章 2007年12月弱爆发性气旋的观测分析及数值模拟

第六章 对比分析

第七章 讨论和结论

参考文献

致谢

个人简历、发表的学术论文