研究生讲课教案_2天气动力学与诊断分析课件

1、天气动力学与诊断分析(2)第一部分：热带气旋生成过程主要教学内容1、热带气旋生成过程研究进展（2学时）2、热带气旋生成过程多尺度相互作用机制（3学时）热带气旋生成过程多尺度相互作用机制1985-2005年全球热带气旋路径图（/wiki/熱帶氣旋）热带气旋生成过程多尺度相互作用机制热带气旋等级描述超强台风（Super TY）底层中心附近最大平均风速51.0 米/秒，即16级或以上强台风（STY）底层中心附近最大平均风速41.5-50.9 米/秒，即14-15 级 台风（TY）底层中心附近最大平均风速32.7-41.4 米/秒，即12-13 级 强热带风暴(STS)底层中心附近最大平均风速24.5

2、-32.6 米/秒，即风力10-11 级热带风暴(TS)底层中心附近最大平均风速17.2-24.4 米/秒，即风力8-9 级 热带低压(TD)底层中心附近最大平均风速10.8-17.1 米/秒，即风力为6-7 级热带扰动热带气旋生成过程多尺度相互作用机制生成前期生成后期关于生成期的定义（Zehr 1992)热带气旋生成过程多尺度相互作用机制CISK机制WISHE机制多尺度相互作用机制 大尺度扰动：季风槽、东风波等 中尺度对流系统(MCS或MCC） 中层中尺度涡旋(MCV) 积云对流热塔热带气旋生成过程多尺度相互作用机制台风“榴莲”生命期最优观测路径及强度变化等值线为2001年6月29日12时（

3、UTC）地面气压2001年6月29日06时（UTC）TD生成7月1日12时,加强成为台风(TY)，地面最大风速约33m/s6月30日06时，TD发展加强为热带风暴(TS)7月1日19时30分在广东湛江市沿海地区登陆7月2日06时减弱为TS，并在广西钦州市沿海地区再次登陆7月3日12时在越南北部地区消亡热带气旋生成过程多尺度相互作用机制清晰的台风眼2001年07月01日15UTC卫星云图热带气旋生成过程多尺度相互作用机制台风榴莲生成前期850hPa绝对涡度（阴影）和流线. (a) 26日12时（UTC）；（b）27日12时（UTC）；（c）28日12时（UTC）；（d）29日12时（UTC）。图

4、中粗实线为等风速线，点线代表季风槽切变线。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制生成前期，热带对流层低层为一支大范围的较强偏西风气流，西起55E，东至125E，南北宽约20个经度，源头是索马里越赤道低空急流；该偏西气流与副热带高压东南侧较强的偏东气流，在南海及菲律宾附近海域形成季风槽辐合区。26日12时，南海呈现弱季风槽，季风槽切变线附近为带状正涡度区；27日12时，105E越赤道气流活跃起来，两支越赤道气流合并，季风槽切变线以南的低空急流（对流层低层水平风速12m/s的强风速带）强度增强，范围增大。28日12时,南海地区西南急流前锋到达13N附近,另一方面，西太副高加强西伸，14N以北南海地区基

5、本被东南气流控制，南海地区季风槽显著加强。29日12时，一个闭合气旋性环流系统已经在南海建立，最大风速呈收缩态势，涡旋结构紧凑，与涡度中心基本重合，台风榴莲初步形成。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制台风榴莲生成前期卫星云图. (a) 26日12时（UTC）；（b）27日12时（UTC）；（c）28日12时（UTC）；（d）29日12时（UTC）热带气旋生成过程多尺度相互作用机制26日12时，随着南海季风槽的逐步建立，热带西风带中孟加拉湾、中南半岛及南海北部上空不断有云系生消发展。 到27日12时，中南半岛上空季风云系有所合并加强，特别是南海中南部地区上空的对流云系开始发展加强；28日12时

6、，中南半岛上空季风云系变化不大，而南海中南部呈现出一个MCC（TBB资料分析显示，符合MCC定义），南海北部为晴空区；29日12时，台风榴莲的涡旋云系在南海中部形成，涡旋云系南侧为强MCS系统，需要注意的是台风涡旋云系和MCS云系有明显分界线，表明涡旋云系不是由MCC直接转化而来。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制850hPa温度场（单位：）.（a）27日12时；（b）28日12时；方框表示南海平均区域，字母T表示台风榴莲初生位置台风榴莲是一个在正压环境下生成的台风。在生成前期，既没有明显的高空槽影响，也没有地面锋面系统活动。南海地区温度等温线稀少，温度梯度较小，逐日变化不大。从图看到，南海

7、地区27日12时与28日12时的850hPa的温度场基本相似，19等温线沿西南-东北对角线的走向基本没有变化，南海地区西北略偏暖，东南略偏冷。LEE（2006）在气候统计分析中同样把台风榴莲划定为正压环境下TC发生的个例。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制2001年6月26日29日的海温和相对湿度演变显示，南海地区（10-20N，110-120E）平均海温为29.2，700-500hPa层的平均相对湿度为85%，逐日变化很小。因此在台风“榴莲”生成前期，环境场已经具备了TC发生所需的海温条件和较厚的湿层，但由于其变化很小，因此对台风生成的指示意义并不大。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制弱水

8、平风垂直切变是TC发生发展的关键条件之一。垂直切变是影响风暴发展的主要因子。垂直切变弱，则对流层上下层空气相对运动小，可以使得积云单体群释放的凝结潜热集中在一个相当小的区域内，加热同一气柱使其中上层增温，从而有利于暖心结构建立、中心气压下降和低层气旋性环流加强。高、低层大气之间的垂直耦合是热带气旋发生的重要因素，弱的风垂直切变也有利于垂直耦合。垂直切变小，从另一角度看，就是基本气流斜压性小，而台风有在近于正压环境中发展的倾向。不同海区的垂直切变临界值可能是不同的，Zehr（1992）得到西太平洋TC生成的垂直切变临界值是10m/s。Gallina 和 Velden（2002）得到TC发生发展的

9、临界值在大西洋是7-8m/s，而西太平洋是9-10m/s。西太平洋地区的临界值略大，可能与经常有MCS或MCC活动，造成大量凝结潜热释放有关。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制南海地区水平风垂直切变时间演变（单位：m/s）和不同尺度天气系统发生时间.热带气旋生成过程多尺度相互作用机制200hPa流场（a）27日12时；（b）28日12时. 等值线为风速（单位：m/s，阴影15 m/s），字母T表示台风榴莲初生位置造成垂直切变转折变化的主要原因是南海地区高层环流形势的变化，28日12时以前，南海地区主要受南压高压外围的东北大风控制，与低层偏西南大风产生强垂直切变；从28日12时开始，高层环流形势

10、发生显著变化，南亚高压向东伸展，向北收缩，南海地区转为受弱偏东风控制，而此时对流层低层偏西风速变化相对较小，垂直切变减弱。由此可见，南亚高压对南海TC生成的影响因其与垂直切变的紧密联系而变得十分重要。统计分析同样表明发现（张燕霞等，2004），西北太平洋TC数量的年际及年代际变化和南亚高压有密切关系。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制季风槽南侧较强的偏西气流将孟加拉湾暖湿空气不断向南海地区输送，同时也增强了南海地区洋面的水汽蒸发。26日12时至29日12时南海地区对流层低层满足条件性对流不稳定，CAPE（对流有效位能）基本维持在1400J/kg左右。能够满足积云对流发展的需求。条件性对流不稳

11、定为季风槽中小尺度单体对流的发生发展提供了重要的不稳定机制。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制28日12时（UTC）相当位温.（a）沿116E的剖面；（b）850hPa.热带气旋生成过程多尺度相互作用机制台风榴莲生成前期850hPa绝对涡度（阴影）和流线. (a) 26日12时（UTC）；（b）27日12时（UTC）；（c）28日12时（UTC）；（d）29日12时（UTC）。图中粗实线为等风速线，点线代表季风槽切变线。在不稳定条件满足的情况下，低层辐合就成为决定对流是否产生的关键性因子。低空急流的加强活动（或称“风涌”）可以强迫低层辐合增强。27日12时28日12时，季风槽南侧的低空急流经历

12、了一次增强然后减弱的振荡过程，提供了低层辐合机制。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制沿经向（116E）剖面纬向风速(单位：m/s)、位势高度的环境场偏差（-1，阴影），水平风风向杆.（a）27日12时；（b）28日12时 27日12时，季风槽切变风场主要在600、700hPa以下，14N附近。高度场尚没有出现显著负偏差；28日12时，季风槽切变风场达到500hPa，仍位于14N附近。高度场呈现出显著负偏差。季风槽南侧是比较宽广深厚的西风，在对流层700hPa以下表现出12 m/s的强风速带。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制沿经向（116E）剖面风矢量（单位：m/s,垂直速度扩大了50倍）和相

13、对湿度（90%，阴影）及绝对涡度（细实线，810-5s-1）（a）27日12时；（b）28日12时 27日12时，季风槽中深对流发展尚不明显，到28日12时，深对流在季风槽中得到显著发展，饱和空气柱、垂直上升气流及正涡度中心位置接近于重合。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制正压不稳定正压不稳定被认为是热带辐合区扰动发展的一种机制。设基本纬向气流具有水平切变，即，正压不稳定判据是： 即要求绝对涡度在切变气流的宽度区间内有极大值，或绝对涡度梯度在区间内变号。基本气流越强，切变区域越窄，越容易发生正压不稳定。台风“榴莲”生成前期，南海地区没有明显的冷空气活动，属于正压环境。热带气旋生成过程多尺度相互

14、作用机制900hPa沿116E剖面 (a) 纬向风速（实线：西风；虚线：东风；单位：m/s）及水平风（风向杆）随时间演变. (b) 绝对涡度经向梯度随时间演变. 虚线：负值；实线：正值. 图（a）中阴影表示绝对涡度（810-5s-1） 榴莲生成前期，槽线南侧西风风速在27日00时增强到约12m/s，28日12时接近14m/s，西风不断增强导致纬向风切变不断增大，低层绝对涡度相应不断增大，绝对涡度大值带出现在强风速切变区以内。从28日00时开始，在12-15N切变气流区间内，绝对涡度经向梯度增大，并且在14N附近经向梯度由正变负，说明季风槽在发展过程中逐步满足正压不稳定条件。 热带气旋生成过程多

15、尺度相互作用机制28日12时绝对涡度的经向梯度（a） 700hPa层；(b) 900hPa.虚线表示负值. 700hPa，在南海14N附近环境场满足正压不稳定条件，即经向绝对涡度梯度改变符号；900hPa，梯度符号改变的所占区域更广，占据了南海的大部地区。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制Molinari（1997）曾经用位涡经向梯度讨论东风波的正压不稳定，并指出深对流是产生位涡经向梯度变号的主要原因。下图给出了28日12时位涡以及位涡经向梯度的垂直剖面。与深对流对应，在对流层的700-400hPa出现了位涡高值中心,与该正位涡中心相对应，在700-400hPa出现了经向位涡梯度变号区。分析表

16、明正压不稳定可能是28日00时之后中尺度扰动维持或发展的一种重要的动力不稳定机制，而且最不稳定波长与MCC的尺度相当。（a） 28日12时900hPa层沿116E位涡剖面，(b) 28日12时900hPa层沿116E位涡经向梯度剖面.图中三角形表示MCC发生位置。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制季风槽的条件性对流不稳定特征和低层辐合为对流的发生提供了条件；而在季风槽显著增强后，正压不稳定可能为MCC的维持或发展提供不稳定机制。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制MCC演变过程云图 （a）27日12时；（b）27日15时；（c）27日18时；（d）27日21时；（e）28日00时；（f）28日

17、12时.“V”代表MCC28日00时,TC发生地南侧，以（12.5N 、117E）为中心形成了一个直径约500km的强对流云团，云团近于圆形，是一个MCC系统。对流云团一方面通过潜热释放导致一个有利于紧凑气旋性涡旋发展的较小区域，另一方面其层状云降水区可能产生MCV，形成TC环流的“胚胎”。28日12时，MCC边缘变得不清晰，表明MCC经过旺盛发展阶段后开始进入成熟或逐渐减弱阶段，尤其是北部边缘出现明显扰动，可能有中层MCV生成。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制（a）27日12时；（b）27日15时；（c）27日18时；（d）27日21时；（e）28日00时；（f）28日12时.“V”代表

18、MCC27日12时（a），710 N、108114E，有一条西南东北走向弱带状云系（云系1），3小时后该云带发展加强并东移到116 E（b），同时其北侧1114 N、115-118 E的西南东北带状地区有点状对流发展；27日18时（c），云系1东端发展东移到117.5 E,并向北移动到11N，同时北侧点状对流群发展加强为另一带状云系2，长约400km，宽约200km，两条云系的间隔约为100km。3小时后（d），云系2向东北移动约80km，移速约8m/s，并有所加强，同时云系1向东移约160km，向北移动约100km，移动速度约16m/s,两条云系相遇，构成一个多边形对流云团。28日00时，两

19、条云系合并而且对流明显加强，同时注意到两条带状云系的尺度相近，长度为宽度的2-3倍，合并后云团在形状上正好接近椭圆形，形成了MCC云团。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制900hPa层散度和风。（a）27日12时；（b）27日18时；（c）28日00时；（d）28日12时. 细实线表示等风速线，断续线表示散度.（b）中A、B分别表示与云系1及2对应的辐合区. “V”代表MCC27日12时28日12时，季风槽南侧低空急流最大风速由16增大到20m/s，然后又减小到16m/s，这次低空急流加强活动（风涌）导致南海中南部对流活动增强。南北宽度约6个经纬度的低空急流由两支气流汇合而成，南侧部分与10

20、5E越赤道气流相联系，北侧部分与中南半岛偏西气流（源头是索马里越赤道气流）相联系。由于两支气流分别受到更大尺度环流控制，因而低空急流南北部分气流加速时间可以不同步。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制900hPa层散度和风。（a）27日12时；（b）27日18时；（c）28日00时；（d）28日12时. 细实线表示等风速线，断续线表示散度.（b）中A、B分别表示与云系1及2对应的辐合区. “V”代表MCC27日12时，12m/s等风速线向南伸展到5N，表明105E越赤道气流加强，但辐合区不明显；27日18时，急流中心在112E附近分别向南和向北伸展，表明105E越赤道气流和中南半岛偏西气流都加

21、强，9-16N ,113-118E辐合区经向度较大，在9-12N和12-15N形成了两个较强辐合区，分别对应云系1和2，可见云系2生成加强，是由中南半岛偏西气流增强引起的。这样在不同时间、不同纬度先后产生了云系1和2，两条云系尺度大致相当。急流加强引起的低层辐合主要发生在槽线以南，对流首先在槽线以南发展。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制900hPa层散度和风。（a）27日12时；（b）27日18时；（c）28日00时；（d）28日12时. 细实线表示等风速线，断续线表示散度.（b）中A、B分别表示与云系1及2对应的辐合区. “V”代表MCC由于季风槽南部以12N为界南北部分有明显风速差异，产

22、生不一致的引导气流，使得云系2移动相对缓慢，而云系1向东北相对快速移动，出现两条云带追赶，直到合并。低空急流主要活动在700-950hPa，12N以南深厚的西风急流的速度约为16m/s，12N以北风速约6-8 m/s，与通过云图分析得到的云系1及2的移动速度相当。28日12时，与云团对应的辐合区处于槽东端（底部），正压不稳定可能为MCC的进一步发展提供了动力不稳定机制，MCC进入成熟阶段，同时由于槽底部引导气流的旋转性加强，MCC移动不明显。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制沿116E绝对涡度（阴影4）和水平风垂直剖面. （a）27日12时；（b）27日18时；（c）28日00时；（d）28

23、日12时；（e）29日12时27日12时，在8N、12 N分别有涡度中心，此时季风槽的风场切变比较零乱；27日18时, 8N的对流增强，12 N的对流减弱，14 N对流发展起来；28日00时, 8N的对流北移到9N，同时14 N对流南移到13N，呈现合并特征；28日12时, 两个对流合并为一个强对流，此时季风槽的风场切变显著加强；到29日12时, 一个与从地面到对流层中高层的强烈的绝对涡度柱建立起来，表明TC初始涡旋环流已经生成。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制季风槽中MCC形成概念模型（灰色椭圆表示云系1，长箭头表示云系1移动速度；绿色椭圆表示云系2，短箭头表示云系2移动速度；红色椭圆表

24、示MCC云系；黑色曲线表示季风槽；棕色直线表示季风槽切变线）季风槽中MCC形成过程概述如下：首先季风槽切变线南侧存在南北宽度约6N的低空急流，低空急流由中南半岛偏西气流与105E越赤道气流汇合而成。第一阶段，105E越赤道气流加强，产生云系1；第二阶段，中南半岛偏西气流加强，产生云系2，两条云系长度约为2-3经纬度；第三阶段，由于季风槽切变线南部偏西引导气流的经向分布不均匀，导致两条云系“追赶合并”，形成椭圆形MCC。其后由于槽底部引导气流旋转性加强，MCC稳定少动，逐渐成熟和消亡。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制热带气旋生成过程多尺度相互作用机制位势高度（单位：位势什米）和风矢量（单位：m

25、/s ）对比。左边为NCEP再分析资料，右边为粗网格（54km）模拟资料。（a）、（b）6月28日12时，850 hPa； （c）、（d）6月29日12时,200 hPa 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制海平面气压对比。左边为NCEP再分析资料，右边为粗网格（54km）模拟资料。（a）、（b）为6月 29日12时；（c）、（d）为7月1日12时；（b）中的矩形方框内闭合等压线的值为1000hPa. 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制榴莲的最优观测路径（实心圆圈）、模拟路径（实心方框）以及28日00时的海平面气压（实线，单位：hPa）热带气旋生成过程多尺度相互作用机制模拟的TC的闭合低压中心出

26、现在6月29日9时，位于（15.6N，116.8E），与最优观测报告相比，生成时间的误差在3小时以内，生成地点的误差在50km以内。但是应注意到，中国气象局和JTWC（Joint Typhoon Warning Center）发布的台风榴莲最优观测报告在热带低压阶段的差异相对较大，这与这一阶段TC环流偏弱有关。TC初生位置的模拟成功的最重要的标志是反映出了TC初生位置与MCS的关系。西太平洋季风槽类型TC生成的观测研究表明，TC生成于季风槽切变线北侧的弱垂直切变区，同时也处于MCS北侧边缘的层状云降水区。在模式初始场中，MCS位于9-13N、114-119E，基本呈东西走向的季风槽切变线位于1

27、4N以南，模拟的TC初生地点恰好位于MCS北侧，因此它们之间的位置关系与已有观测研究结果一致。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制模拟结果表明，TC生成以后的移动方向、未来登陆地点和移动速度与最优观测报告基本一致。在模拟的第36-60小时期间，即2001年6月29日12时-30日12时，TC向偏北方向移动，反映了TC在季风槽的东端（底部）生成后，尚没有完全摆脱季风槽的影响，而受槽底部的偏南气流引导，这期间移动路径的最大误差在150km以内。在模拟的第60-84小时期间，即2001年6月30日12时-7月1日12时，TC不断加强，南海地区的季风槽形势逐渐被TC环流和副热带高压的东南气流取代，TC的

28、移动主要受副高外围的东南引导气流影响，以偏西方向为主，进入到湛江附近海域，预示未来登陆地点也基本准确，这期间路径误差在50km以内。TC生成以后的移动速度约15km/h，接近最优观测报告。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制中心最低气压(单位：hPa)和地面最大风速(单位：m/s)时间演变。实线和虚线为模拟值，点虚线和点线为最优观测值。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制卫星云图（左侧）和模拟的900hPa层雷达回波（dBZ）（右侧）对比.（a）、（b）为6月28日18时；（c）、（d）为6月29日00时 28日18时，卫星云图上MCS有所减弱，同时其北部扰动发展成一个较强的中尺度对流云团；模拟

29、的相同时刻雷达回波反映出在11-15N、115-120E的区域有与MCS对应的对流云团存在，但此时由于最细网格仅积分了6小时，所以模拟的雷达回波还不够细致。到29日00时，云图显示出MCS北部扰动云系有气旋性旋转迹象，同时在15N 附近MCS云系和扰动云系出现了分离现象；模拟结果也基本反映出这条分界线，分界线呈西北偏西走向，大致位于15-16N附近。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制卫星云图（左侧）和模拟的900hPa层雷达回波（dBZ）（右侧）对比.（e）、（f）为6月29日12时；（g）、（h）为7月1日09时，C代表与TC相关的涡旋云系观测显示，6月30日00时之前TC云系不断发展，但还

30、没有出现明显螺旋云系,但随着TC逐步加强，开始有不对称的螺旋云带出现，随后又出现台风眼，表明台风登陆前达到最强。29日18时-30日18时，模拟的TC云形不够稳定，结构比较松散，没能形成大的浓密云团，但从7月1日00时开始，模拟的台风螺旋云系显著发展，较好地再现了卫星云图特征，模拟的螺旋云带与实况比较吻合,而且成功地模拟出了台风眼。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制中层中尺度涡旋（MCV）与积云对流“热塔”的基本特征中层MCV是理解TC生成过程中多尺度相互作用的重要环节。然而，因为常规观测资料的分辨率不足和海上资料稀缺，使得揭示与TC生成相联系的中层MCV现象十分困难。有关中层MCV讨论的文献

31、主要是少数的飞机观测个例和理想数值试验。TCM-93（Tropical Cyclone Motion）通过飞机观测得到中层MCV水平尺度约200km。Ritchie 和 Holland（1997）得到的中层MCV水平尺度约150-400km，主要活动在700-500hPa，中层MCV的生命期大致在12-24小时。Zhang (1996) 模拟研究中，MCV水平尺度约200km，具有暖心结构，并与对流层中层正涡度中心相对应，位于800-600hPa，中层MCV下方对流层低层为冷心。Bister 和 Emannuel （1997）在其理想试验中设计的中层MCV的尺度约300km，主要强调了对流层中

32、上层相对湿度80%，目的在于反映层状云连续降水由雨滴蒸发引起的增湿效果。Montgomery （2006）在其理想试验的初始场中，构造了一个中层MCV，该MCV的水平尺度约为200km，位于对流层中低层，具有中层暖心、低层偏冷的位温场结构，最大切向风速6m/s，位于4km高度。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制对流层低层和中层流场 （分辨率18km）(左侧为900hPa层 ,右侧为600hPa层). （a）、（b）为28日00时； （c）、（d）为28日18时；（e）、（f）为29日00时 模拟初始时刻，南海地区对流层低层和中层均为典型的季风槽流型，中、低层都没有闭合的气旋性环流存在；积分至1

33、8小时，即28日18时，在对流层中层，季风槽东端（底部）在14-16N，114-118E区域出现一个闭合的气旋性涡旋，而此时低层仍然维持切变流场，这是中层MCV存在的明显标志。其椭圆形状可能是中尺度涡旋与季风槽相互作用的结果。模拟至第24小时，中层气旋性环流中心又分裂成两个更小的涡旋，低层虽然呈现出气旋性环流迹象，但仍未真正出现闭合环流。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制对流层低层和中层流场 （分辨率18km）(左侧为900hPa层 ,右侧为600hPa层). （g）、（h）为6月29日06时；（i）、（j）为6月29日12时模拟第30小时，低层气旋性环流建立起来，在对流层中低层实现了气旋性环

34、流的垂直耦合，这与最优观测报告TD出现的时间恰好对应；至第36小时，即29日12时，低层气旋性环流明显增强，表现出低层环流强于中层的典型的TC涡旋垂直结构，同时涡旋由以前受槽影响而形成的椭圆形环流，演变成轴对称形态，说明涡旋的独立性增强，将逐步进入自主发展阶段。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制28日18时 650hPa风矢量和涡度，阴影为2010-5s-1的涡度 28日18时沿14.5N经向风(单位：m/s) 和涡度（2010-5s-1，阴影）剖面650hPa风矢量与涡度场上，13-15N，115-117E，有一个圆形闭合环流，并且和一个气旋性涡度中心对应。剖面图进一步看到，800-450h

35、Pa，115.5-117.2E区域内，南风和北风基本呈现对称分布，风速为2-4 m/s ,与Montgomery在理想试验中假设中层MCV的切向最大风速为6m/s相当。考虑到在季风槽南侧存在西风同时北侧存在东风，可以推断在对流层中层存在闭合气旋性环流，水平尺度为200km左右，与MCS尺度属于同一量级。和Zhang模拟得到的中层MCV尺度相近，属于比较典型的中层MCV。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制模拟的6月28日18时中层MCV区域平均特征（6km分辨率）（a）涡度扰动；（b）位涡扰动；（c）区域平均相当位温；（d）相当位温扰动；（e）区域平均比湿； （f）比湿扰动对流层中层400-70

36、0hPa,为正的涡度扰动最大值，对应中层MCV；位涡扰动垂直结构和涡度扰动的形式相似，最大中心出现在400-600hPa，对流层整层基本为正的位涡扰动；中层MCV区域内低层为对流不稳定，中上层为对流稳定区，中层MCV在900hPa以下，200hPa以上为冷心，在900-200hPa之间为暖心，这和中层涡旋的观测事实一致。MCV区域的比湿特征和季风槽内整个区域的平均状况相似，低层水汽充沛，最高达20g/kg。比湿扰动在中层最大，这可能是由于降水蒸发引起的。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制积云对流“热塔”也是当前TC生成研究的热点之一。深厚积云对流是热带对流层质量和能量垂直输送的主要形式。20世

37、纪50年代末，Riehl 和 Malkus 首次提出对流热塔(hot tower)的概念：对流热塔是水平尺度小但很强盛的积雨云对流核心体，能够通过几乎不被环境空气稀释的上升运动到达对流层顶。理解积云对流的作用是深化对台风生成过程认识的关键。热塔是一个强烈的对流云塔，具有强烈的垂直上升运动，能达到或穿透对流层顶，它远比环境空气热，具有不被环境空气稀释特性，具有强烈的涡度，以及具有较小的水平尺度和时间尺度。Montgomery等采用非静力模式RAMS，研究了在理想初始环境条件下MCV向台风涡旋转变过程中对流热塔的作用，特别提出了热塔引起的偶极涡度对现象。 对流热塔不仅是能量、质量从对流层低层（包括

38、从海洋吸收的能量）向对流层上层输送的载体，而且它到达甚至穿透对流层顶对理解对流层顶附近重力波的产生以及臭氧浓度变化均具有重要意义。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制6月28日18(左)、21时(右)的垂直速度（1m/s,阴影）和流线.（a）、（b）900hPa；（c）、（d）600hPa；（e）、（f）300hPa600hPa可以看到明显的中层MCV，而900hPa还没有出现气旋性环流。6月28日18时，中层MCV区域东南部，存在许多点状的垂直上升速度，水平尺度约20km，符合热塔尺度特征。除了可以看到的在三层等压面上均存在垂直上升速度的热塔外，有些热塔可能处于新生期或衰亡期，因而在三层高度上

39、可能不能同时观察到垂直速度；同时考虑到热塔具有10-30km的水平尺度，实际可能存在由于分辨率限制而没能分辨的热塔。因此推断在这一阶段，热塔开始大量发生。这些对流云塔在空间上相对间隔比较均匀地随机发生，这与台风榴莲发生在正压环境条件下有直接关系。在中层MCV气旋性环流的中心区域只有零星弱对流发生，主要是由于这里低层有冷心存在，对流有效位能相对较小，也可能由于对流云塔在环流外围的发展切断了向中心的能量供给。28日21时，3小时前的热塔基本消亡，反映了热塔时间尺度较短的特征。 热带气旋生成过程多尺度相互作用机制6月28日18时典型热塔A的经向剖面（a） 剖面风矢量和垂直速度；（b） 相当位温（虚线

40、）和垂直速度（实线）；（c） 雷达回波（阴影）和相当位温（实线）；（d） 热塔温度与环境温度的偏差，虚线方框内表示1K的正温度偏差区成熟热塔上升运动强烈，1 m/s的垂直速度廓线水平尺度约20km，呈直立柱状，从边界层顶（约1km）直达甚至穿透对流层顶(约14km)，最大垂直速度中心出现在300 hPa(约9km)高度，最大垂直速度约10 m/s。热塔侧边界相当位温面十分陡立，表明热塔中的空气块在上升过程中，基本没有被环境空气稀释；热塔两侧相当位温呈对称分布，表明热塔发生在均匀正压环境场里，热塔顶部为对流层顶的强烈逆温层；热塔底部为强对流不稳定层，热塔将边界层暖湿空气从云底向对流层高层迅速输送

41、，并且由于强烈潜热释放，在250 hPa附近形成了相当位温高值中心，这使得气块能够从环境获得足够的浮力，进而向上冲击对流层顶。地面到200 hPa之间，具有强雷达回波的对流云塔垂直耸立，形状如同保龄球，边界光滑；热塔顶部，对流层顶存在负温度扰动，可能是热塔冲击对流层顶造成的结果；热塔附近对流层低层的负温度扰动中心，可能是由于降水物升华和蒸发冷却作用而形成的湿下沉气流。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制6月28日18时（左）、21时（右）的相对涡度（实线表示正涡度，虚线线表示负涡度）（a）、（b）900hPa；（c）、（d）600hPa；（e）、（f） 300hPa在中层MCV区域内，不同时间、

42、不同地点、不同高度层，几乎都有偶极涡度对出现，这些涡度对与热塔基本一一对应。偶极涡度对现象不仅存在，而且具有普遍性。每个涡度对的强度有所差异，这不仅与热塔所处的发展阶段有关，也与其所处背景场的涡度有关，成熟热塔更倾向于产生强烈的偶极涡度对。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制6月28日18热塔A的垂直相对涡度（阴影）、垂直速度（实线）和扰动水平风矢量（a）500hPa；(b) 经向垂直剖面（沿115.9E）。与热塔A相对应，存在一个南北基本对称的偶极涡度对，从相应的垂直剖面图上同样可以看到一个明显的偶极涡度对，而且涡度对在垂直分布上也基本对称。垂直上升速度位于偶极涡度对之间，垂直上升速度与正涡度

43、中心并不重合。这与传统的垂直上升速度与正涡度柱基本重合的概念和模拟结果存在显著差异。这种差异是由于产生涡度的拉伸和扭转两项作用对涡度生成的贡献大小不同造成的。当有热塔存在时，其强烈的垂直上升气流使得扭转项的作用增大，特别是在边界层以上垂直上升速度中心附近的对流层内，扭转项对涡度生成的作用更为显著，因而倾向于在垂直上升气流两侧产生强烈的偶极涡度柱。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制6月28日21时热塔B的垂直相对涡度（阴影）、垂直速度（实线）和扰动水平风矢量（a）600hPa；(b) 经向垂直剖面（沿115.6E）热带气旋生成过程多尺度相互作用机制偶极涡度对概念模型（ Montgomery等（J

44、AS 2006） ）热带气旋生成过程多尺度相互作用机制偶极涡度对概念模型（ Montgomery等（JAS 2006） ）热带气旋生成过程多尺度相互作用机制中层中尺度涡旋(MCV)的组织化作用中层MCV及其附近区域热塔发生数量随时间演变以600hPa垂直速度1 m/s作为衡量热塔的指标。台风榴莲生成前期存在着热塔发生数量的显著变化，28日18时00分到29日03时00分为热塔大量发生阶段；29日03时20分到29日12时00分，为热塔数量减少阶段，并与热塔的局部聚集、合并及轴对称化阶段相对应。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制热塔大量发生阶段6月28日21时、29日00时、29日03时600h

45、Pa（左侧）流场及垂直速度（1m /s,阴影）；900hPa（右侧）流场及垂直绝对涡度（阴影210-4s-1） 28日21时00分，MCV十分明显，只有一个独立环流中心，除去其东南部区域外，大量热塔较均匀的发生；29日00时，MCV环流分裂为两部分，MCV中心半径200km区域内热塔存在合并现象；29日03时00分，MCV区域东南象限热塔活动再次增多，其它象限活动进入减弱期。热塔随着平流在MCV区域内旋转，并有向中心移动的趋势，而不像中层MCV外的热塔容易被季风槽的偏西或偏东气流向远处输送。28日21时，对流层低层季风槽切变流场不强，切变线处于MCV东北象限，低层气旋性涡度均匀发生，与热塔均匀

46、发生相对应；29日00时，对流层低层切变流场逐渐明显，切变流场的加强，与中层MCV范围内的热塔合并加强有关，29日03时，经过热塔合并加强和潜热释放的结果，低层季风槽进一步加强，切变线更加显著。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制热塔局部聚集、合并与轴对称化阶段6月29日06时、29日09时、29日12时600hPa（左侧）流场及垂直速度（1m/s,阴影）；900hPa（右侧）流场及垂直绝对涡度（阴影210-4s-1）。29日06时00分MCV环流有所减弱，MCV区域内有热塔在局地较明显聚集，而整个环境场内热塔活动数量减少；29日09时，MCV区域内热塔合并为两个较强热塔，MCV环流再度得到加强

47、；29日12时，MCV区域热塔呈现出轴对称分布形式，这可能导致了TC的产生，此时整个环境场内热塔活动明显减弱。29日06时（b），对流层低层季风槽切变流场向涡旋性流场开始转变，表现为一椭圆型涡旋，其西部，与600hPa中层MCV相对应，有正涡度聚集和发展，中低空系统在垂直方向上实现了初步耦合。29日09时，低层涡旋轴对称化趋势显著，环流向TC环流形态转变，环流西部有两个正涡度中心与MCV中的热塔相对应，涡旋东部的南北地区各发展起来一个正涡度中心，这三个涡度中心初步构成轴对称化态势；29日12时，一个近于圆形的TC环流已经形成，正气旋性涡度在TC环流中心附近基本呈现轴对称分布，并与600hPa轴

48、对称分布的热塔相对应。此阶段中层MCV与低层涡旋进入垂直耦合阶段，同时处于中层MCV与热塔、对流层低层涡旋相互作用阶段。热带气旋生成过程多尺度相互作用机制TC生成的主要标志是切向风的加大和暖心形成。下面对中层MCV做沿方位角平均的物理量诊断分析，以观察中层MCV影响下，垂直方向的次级环流、非绝热加热等特征。对任一物理量，在柱坐标系中分解为沿方位角平均和扰动（或称非轴对称）两部分:对次级环流进行甄别，一般以在构成次级环流的沿方位角平均的切向风、径向风、垂直速度来加以描述；同时通过沿方位角平均的非绝热加热率反映中层MCV范围内对流“热塔”的群体效果。非绝热加热率在P坐标系的计算公式为: 热带气旋生

49、成过程多尺度相互作用机制28日18时沿方位角平均的（a）切向风速；（b)径向风速；（c）垂直速度；（d）非绝热加热率28日18时00分，对流层中层出现MCV，但低层尚无闭合气旋性环流。取中心为（14.5N，116.2E）。对流层中层有一个显著的中层MCV,最大切向风速位于600-500hPa，半径60-80km，最大切向风速5m/s；对流层低层和高层切向风速，在2m/s以下，相对较小，径向风表现为从边界层和对流层顶部200-100hPa流出，在对流层中层附近主要表现为流入，垂直速度在中层MCV半径60-80km处较强，最大平均上升速度0.3m/s,在中心到60km半径范围内，中层MCV区域主要为下沉，最大下沉-0.3m/s，这与此阶段热塔的活动状况一致，此时热塔主要活动在中层MCV区域距离中心较远的地方，在中心附近很少热塔。中层MCV区域内的非绝热加热主要由于垂直运动造成的潜热释放引起，非绝热加热正负中心基本和垂直速度正负值中心对应，最大加热区位于900-200hPa，半径60-80km处，中心位于600-500hPa；在中心-60km半径区域内，对流层的中低层的非绝热加热率为负值，可见此时尚不利于TC生成所需的暖心结构的形成。中层MCV区域内，