研究生讲课教案_1天气动力学与诊断分析课件

1、天气动力学与诊断分析(1)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）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）热带气旋生成过程研究进展1985-2005年全球热带气旋路径图（/wiki/熱帶氣旋）热带气旋生成过程研究进展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

2、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24.5-32.6 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研究进展1985-2005年全球热带气旋路径图（/wiki/熱帶氣旋）全球海温动态图（/Website/index.php?NewsID=453）热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源（东风波(easterly waves)；热带辐

3、合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)）3、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制（第二类条件性不稳定机制；风驱动的海气热量交换机制）5、TC生成过程的多尺度相互作用机制（对流云团、中尺度涡旋合并与大尺度扰动的相互作用；中层MCV与热塔的相互作用；多尺度相互作用的一种新假说“育儿袋(Pouch)”假说）热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源（东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)）3

4、、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制（第二类条件性不稳定机制；风驱动的海气热量交换机制）5、TC生成过程的多尺度相互作用机制（对流云团、中尺度涡旋合并与大尺度扰动的相互作用；中层MCV与热塔的相互作用；多尺度相互作用的一种新假说“育儿袋(Pouch)”假说）热带气旋生成过程研究进展TC生成需要满足一定环境条件。1960年代末，Gray指出TC发生频率与6个因子有关：大于平均的低层涡度和中层湿度；深厚的大气层结处于条件性对流不稳定；暖而厚的海洋混合层；弱水平风垂直切变；离开赤道几个纬度等。这6个因子不是完全独立的，TC生成关键因子可以概括为：(1) 与相对较深的海洋混合层相联系的暖海面温度(

5、一般在26 以上)；(2) 对流层低层有效的绝对涡度值；(3) 初始扰动区域水平风垂直切变较弱；(4) 扰动区域对流层中层潮湿。因为热力条件在热带大部分地区常常可以得到满足，而低层涡度和垂直切变在时间和空间上能够发生显著变化。TC的发生、发展要求垂直切变必须低于某个临界值，此临界值在不同海区不同。一般只有当初始扰动移动到低层大于平均气旋性涡度和高层反气旋涡度的大尺度环境中，才会有TC生成；能够发展成为TC的云团所处的环境场，与不发展的对流云团相比，在其对流层低层1 000-2 000 km尺度水平范围内，存在相对涡度的增强。热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成

6、过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）TC形成潜势区（预测）基于大尺度背景条件热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成过程研究进展（CHEUNG，JC, 2004）以上这些仅仅是有利于TC生成的基本大尺度环境条件，

7、满足条件，不一定有TC生成，同时，不满足条件，TC也有可能生成。热带气旋生成过程研究进展以上是有利于TC生成的基本环境条件，但针对条件本身也存在一些例外。例如，一般认为赤道两侧3 之间的地带是TC不会生成的地方，但2001年12月27日，Vamei(画眉，距离赤道1.4 N)的生成（主要原因为越赤道冷涌的作用，越赤道冷涌在赤道附近触发了背景场气旋性涡度的增加）和2004年11月28日Angi(阿耆尼，距离赤道0.7 N)的生成（其生成过程中经历了穿越赤道的过程），以及1956年台风莎拉(Sarah，北纬2.2度）。由于强烈的垂直风切变、较冷的海水及缺乏辐合场，热带气旋在南大西洋的生成个例十分罕

8、见，然而2004年3月24日南大西洋飓风Catarina（卡塔琳娜）却在较冷的25 海洋上空生成（其主要原因与对流层上层位涡发展有关）。2004年南大西洋卡塔琳娜2001画眉（LEE et al.，MWR, 2008）热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trou

9、gh)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)热带气旋生成过程研究进展东风波指副热带高压偏向低纬一侧的东风气流，在自东向西运动时，常存在槽或气旋性曲率最大区，呈波状形式自东向西移动。水平波长约2000-4000km，平均以约20km/h的速度向西移动，最大强度出现于700-500hPa等压面之间。东风波是北大西洋和东太平洋TC生成的主要扰动源之一。东风波在TC的形成中有两种作用：(1) 可以作为一种初始扰动，在适当环境条件下增幅，最后发展成TC；(2) 作为一种启动机制，能激发另外类型的扰动发展成TC。大西洋区域大多数TC的形成与天气尺度东风波有关，北大西洋约60%的热带风暴和中等

10、强度飓风，以及超过80%的强烈飓风起源于东风波。大多数研究强调东风波所经过的环境场的海温和垂直风切变的作用，不能形成TC的东风波显著特征是，在东风波槽前对流层中上层存在干空气。东太平洋地区，与TC生成相联系的大尺度系统主要是东风波，在TC生成过程中，正压不稳定机制发挥关键作用。热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)热带气旋生成过程研究进展热带辐合带(赤道辐合带，简称ITCZ)是有利于TC生成的地区，ITCZ包括季风

11、辐合带（季风槽）和信风辐合带（信风槽）。西太平洋地区和澳大利亚地区，多数TC生成在季风槽中，东风波作用不明显。季风槽的存在，伴随弱的垂直切变和强气旋性涡度，非常有利于TC生成。西太平洋TC生成之前，季风槽中有涡度发展加强。季风槽任意一侧气流的加强均能增大低层相对涡度，从而有利于TC生成。沿副热带高压向赤道一侧信风的强度，常被作为西太平洋TC发生可能性的一个指标，同时来自南（冷）半球“风（冷）涌”也有重要作用。热带气旋生成过程研究进展Ritchie and Holland（1999）研究指出，西北太平洋区域的TC生成与5种对流层低层的大尺度环流型（Patterns）相联系：季风槽切变线(Mons

12、oon shear line)、季风辐合区(Monsoon confluence region)、季风涡旋对(Monsoon gyre)、罗斯贝波能量频散(Rossby energy dispersion)、东风波(Easterly waves)等。其中前两种类型与71%的TC生成相联系(42%为季风槽切变线，29%为季风辐合区)，季风涡旋对和罗斯贝波能量频散属于季风辐合区的特殊情形。因此前4种类型TC生成的82%，剩余的18%为东风波类型。热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon

13、Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)热带气旋生成过程研究进展高空槽也可能触发TC生成，高空槽可以强迫出深厚的上升气流、增强对流，促使TC生成。McBride等指出，45%的澳大利亚附近TC生成时，在其周围5经纬距范围内有高空槽存在，80%TC生成时，其周围15经纬距范围内有高空槽存在。Briegel等对西太平洋TC生成前流场分析发现85%的个例，或者在对流层高层2500 km水平范围内有高空槽，或者有对流层低层风涌存在，TC生成归因于任何能够产生深对流运动的强迫机制。（CHEUNG，JC, 2004）热带气旋生成过程研究进展热带对流层上层槽(又称大洋中部槽，简称T

14、UTT，指夏季形成于热带太平洋中部和大西洋中部地区对流层上层的行星尺度低压槽，一般活动于5-25N之间，对流层300 hPa以上，在200 hPa最明显。)的强弱同低空热带辐合带的强弱或台风发生数量有密切关系，TUTT在一定条件下有利于TC生成。夏季西北太平洋暖水域刚好位于TUTT的西边和对流层高空热带东风急流的入口处附近，这两个特点可以促成有利于气旋发生的大范围高层辐散的出现。（SADLER，MWR, 1976）热带气旋生成过程研究进展（SADLER，MWR, 1978）热带气旋生成过程研究进展（SADLER，MWR, 1978）热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰

15、动源东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)热带气旋生成过程研究进展Madden-Julian oscillation(简称MJO)是一种振荡周期约40-50天，东传速度约5 m/s的热带大气低频扰动现象，是影响TC生成的一种更大尺度的扰动源。（Madden and Julian，JAS, 1972）热带气旋生成过程研究进展通过垂直风切变、低层涡度和垂直运动的变化，MJO能够增强或减少不同海域的TC的生成频数，MJO不同位相的垂直风切变和相对湿度是影响TC生成的直接因素。（KLOT

16、ZBACH，J Climate, 2010）热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源（东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)）3、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制（第二类条件性不稳定机制；风驱动的海气热量交换机制）5、TC生成过程的多尺度相互作用机制（对流云团、中尺度涡旋合并与大尺度扰动的相互作用；中层MCV与热塔的相互作用；多尺度相互作用的一种新假说“育儿袋(Pouch)”假说）热带气旋生成过程研究进展用于讨论热带气旋生成发展的描述性词语很多：g

17、enesis、cyclogenesis、formation、 development、intensification等。TC发展(development)包括两个不同阶段：生成阶段(genesis)和加强阶段(intensification)，由不同的动力和物理过程控制。前者包括了一个在组织松散的热带云团中的中尺度涡旋的生成，外强迫在其中发挥重要作用；后者则是能够依靠WISHE(风驱动的海面热量交换)机制或CISK(第二类条件性不稳定)机制自主维持的阶段。Zehr(1992)从内外强迫、持续时间、最大风速、中心最低气压等方面对TC生命史给出了明确定义和划分，其中将生成期又分为热带扰动和热带低压

18、两个阶段。此外，台风加强阶段(intensification)一般指从热带风暴演变为台风的阶段。对TC生成研究具有十分重要的意义，在此基础上，1990年代之后对TC生成的研究逐步进入到多尺度相互作用机制的研究。热带气旋生成过程研究进展生成前期生成后期关于生成期的定义（Zehr, NOAA Tech Rep, 1992)热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源（东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)）3、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制第二类条件性不

19、稳定机制；风驱动的海气热量交换机制热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源（东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Madden-Julian 振荡(MJO)）3、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制第二类条件性不稳定机制；风驱动的海气热量交换机制热带气旋生成过程研究进展Ooyama（1969）、Charney等（1964）提出第二类条件性对流不稳定(conditional instability of second kind，简称CISK)机制来解释TC的生成：在强条件性不稳定大气中，大尺度涡

20、旋通过Ekman次级环流提供给积云对流所需要的水汽，使对流发展；积云对流释放潜热加强径向环流，并通过科里奥利力使涡旋加强；小尺度积云对流和大尺度涡旋互为正反馈，最终导致TC生成。CISK机制的一个基本前提假设是：一个具有一定强度的地面涡旋已经建立。由于只有涡旋达到一定强度之后CISK机制才能发挥作用，因此CISK机制更适合于解释TC的发展，而难以解释一个热带扰动怎样演变成一个地面气旋性涡度集中的TC环流的过程。热带气旋生成过程研究进展1、TC生成的环境条件2、TC生成的扰动源（东风波(easterly waves)；热带辐合带(ITCZ)与季风槽(Monsoon Trough)；高空槽；Mad

21、den-Julian 振荡(MJO)）3、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制第二类条件性不稳定机制；风驱动的海气热量交换机制热带气旋生成过程研究进展观测表明，飓风边界层异常高的相当位温是和海洋热源紧密联系的。CISK机制过分强调了积云对流的作用，而真正重要的是发展的涡旋和海气之间的能量交换，积云对流仅仅是在垂直方向上输送和重新分配由海表获得的额外潜热。Emanuel（1986、1989），Rotunno等（1987）的研究表明，条件不稳定的层结大气并不是TC生成的必要条件，TC可能在中性层结大气中形成；风驱动的海气热量交换机制(wind induced surface heat excha

22、nge，简称WISHE)才是TC发展的根本原因。WISHE机制相当于把TC看作一个简单的卡诺热机，它通过风驱动从高温的海洋表面吸收大量潜热，导致边界层高相当位温空气形成，高相当位温空气被沿着角动量面向上输送，然后在对流层中高层释放热量，导致高层温度正扰动。这些高层温度扰动又增强了TC涡旋环流，TC涡旋环流又进一步增强风驱动的海面潜热通量，如此循环。海水温度越高，通过海气交换过程造成低层空气温度越高，湿度增大也很显著，对流层低层的相对湿度为TC中潜热释放提供所需的能量供应。热带气旋生成过程研究进展与CISK机制一样，风驱动的海气热量交换机制也要求一定强度的初始涡旋。CISK机制和风驱动的海气热量

23、交换机制要求的初始涡旋比实际观测到的TC发生阶段的涡旋要强得多。热带扰动如何发展成为上述初始涡旋，仍然是TC生成尚未解决的问题。生成前期生成后期热带气旋生成过程研究进展3、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制（第二类条件性不稳定机制；风驱动的海气热量交换机制）5、TC生成过程的多尺度相互作用机制对流云团、中尺度涡旋合并与大尺度扰动的相互作用；中层MCV与热塔的相互作用；多尺度相互作用的一种新假说“育儿袋(Pouch)”假说热带气旋生成过程研究进展3、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制（第二类条件性不稳定机制；风驱动的海气热量交换机制）5、TC生成过程的多尺度相互作用机制对流云团、中尺度涡

24、旋合并与大尺度扰动的相互作用；中层MCV与热塔的相互作用；多尺度相互作用的一种新假说“育儿袋(Pouch)”假说热带气旋生成过程研究进展TC生成过程包含复杂的大、中、小尺度系统相互作用。TC生成机制可以归结为大尺度系统控制下由中尺度系统触发，大尺度环流对天气尺度热带气旋的生成具有较强的控制作用，大尺度气旋性扰动的存在，能够使单体对流活动有组织地发展起来，进而在对流层低层产生位涡异常。西北太平洋大多数TC的发生和中尺度对流系统(简称MCS)或中尺度对流复合体(简称MCC)活动有紧密联系，MCS或MCC发生在天气尺度扰动的槽或低压区中，这些MCS或MCC被认为是TC生成的“前兆(precursor

25、)”因子。热带气旋生成过程研究进展（LEE et al.，MWR, 2008）热带气旋生成过程研究进展（LEE et al.，MWR, 2008）热带气旋生成过程研究进展（LEE et al.，MWR, 2008）热带气旋生成过程研究进展观测发现，MCS或MCC的层状云降水区经常会有对流层中层中尺度对流涡旋(MCV)产生，中层MCV与TC生成有更直接的关系，是热带地区TC生成的“胚胎(embryo)”。（Ritchie and Holland，1997；Simpson et al，1997）热带气旋生成过程研究进展中层MCV怎样引起对流层低层气旋性涡度的集中和增长？Bister和Emanuel

26、（1997）提出Top- Down假说：伴随MCC的层状云降水产生中层MCV，MCV涡度向下传递引起低层涡旋发展，进而导致TC的生成。Zhang and Bao（1996）提出Bottom-Up假说：中层MCV促进深对流活动组织化，深对流活动带动低层气旋性辐合发展，产生足够强的低层涡度，低层涡度通过深对流向上输送，最终导致TC的形成。热带气旋生成过程研究进展3、TC生成期的划分4、TC发展的物理机制（第二类条件性不稳定机制；风驱动的海气热量交换机制）5、TC生成过程的多尺度相互作用机制对流云团、中尺度涡旋合并与大尺度扰动的相互作用；中层MCV与热塔的相互作用；多尺度相互作用的一种新假说“育儿袋

27、(Pouch)”假说热带气旋生成过程研究进展中尺度对流系统中，常观测到小尺度塔状积雨云对流或“热塔”(Hot tower)。Hendrichs等（2004）模拟发现“热塔”是在接近云尺度分辨率附近的对流优势模态，是TC生成中最重要的基本元素；“热塔”通过两个阶段导致TC生成：第一阶段是前期局地环境的调整阶段，通过非绝热加热导致大量的小尺度对流层气旋性位涡异常产生；第二阶段是这些对流层低层的位涡异常合并及轴对称化阶段。暖心的形成和切向风加速是非绝热加热产生的位涡异常组织化过程的结果。热带气旋生成过程研究进展Montgomery等（2006）模拟研究指出，在WISHE机制发挥主导作用之前，中层MC

28、V为“热塔”产生提供了不稳定能量和丰富的环境场气旋性涡度，为“热塔”提供了一个局部保护环境；虽然单一“热塔”的生命史短暂，但大量“热塔”(包括正在生长的、准稳定态的、合并的以及处于消亡阶段的)的总体效果能够为系统尺度环流提供稳定的潜热加热。 Hendricks等（2004）指出“热塔”具有强烈气旋性涡度和旋转特征，水平尺度1030 km，时间尺度1 h左右。Montgomery等（2006）提出了“热塔”偶极涡度对现象的理论概念模型。热带气旋生成过程研究进展（MONTGOMERY et al.，JAS, 2006）热带气旋生成过程研究进展张文龙等（2008）通过台风“榴莲”(Durian)生成过程的数值模拟，得到了偶极涡度对的实例图像，验证了Montgomery等（2006）的理论研究结果。这些工作既为理解台风的生成提供了新的视点，同时也提出了对“热塔”进行深入认识和理解的重要意义。热带气旋生成过程研究进展“热塔”结构（偶极涡度对） 相对涡度（阴影）与垂直速度（等值线）500hPa相对涡度