研究生讲课教案_8天气动力学与诊断分析课件

1、天气动力学与诊断分析(8)第二部分：热带气旋登陆过程及其异常变化主要教学内容登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布（1学时）影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（2学时）第二部分：热带气旋登陆过程及其异常变化主要教学内容登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布（1学时）影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（2学时）登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布热带气旋灾害主要发生在登陆期间，海陆下垫面及地形强迫等会使登陆期间热带气旋热、动力结构出现明显非对称，带来风雨分布的异常，导致灾害防御措手不及。因此，了解热带气旋登陆过程中风、温、湿等动力和热力结构的变化对提高热带气旋预报能力和建立有效的预警系统起着

2、重要的作用。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布TC登陆期间（登陆前12h登陆后36 h）平均的风速和样本数的轴对称分布。填色区表示风速（m/s），等值线表示样本数。最大平均风速为17.1 m/s，位于850 hPa、半径100200 km范围内；平均风速由850 hPa向上、下减小。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布TC登陆前012 h（a）、登陆后012 h（b）、1224 h（c）和2436 h（d）平均的风速和样本数的轴对称分布。填色区表示风速（m/s），等值线表示样本数。登陆后TC环流内风速及风速垂直和水平梯度均减小，并且伴随登陆，最大风速不断外移。登陆热带气旋风场、温度场

3、和湿度场时空分布登陆过程中TC半径100 km内（a）、100200 km（b）、200300 km（c）、300400km（d）和400500 km（e）的平均风速垂直廓线。500 hPa以下，半径100 km内的风速在登陆过程中减小最为显著，而300 km外的风速在登陆过程中变化不大。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布TC登陆后24 h内左前象限（a）、右前象限（b）、左后象限（c）和右后象限（d）平均的风速随半径和高度的分布。彩色填色区域表示风速（m/s）TC登陆后风场存在显著非对称。最大风速（除925 hPa外）均位于右侧象限，原因可能是TC移动速度的叠加，增大了TC移动方向右侧

4、风速而减小了TC移动方向左侧风速。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布TC登陆期间（登陆前12h登陆后36 h）平均的温度差和样本数的轴对称分布。填色区表示温度差（C）TC暖心结构显著，半径100 km内700150 hPa温度差值均为正，400250hPa之间相对更暖（温差大于2）；850 hPa及以下为负温差，主要是由辐合气流穿过云区强水平梯度地区绝热膨胀冷却所造成。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布TC登陆前012 h（a）、登陆后012 h（b）、1224 h（c）和2436 h（d）平均的温度差和样本数的轴对称分布。彩色填色区表示温度差（C）。登陆前，暖心结构显著，登陆后，

5、正温差的延伸高度逐渐有所降低，登陆后24 h内，正温差最大值仍位于半径100 km内的250 hPa高度层，但数值显著减小，登陆24 h后，正温差最大值外移。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布TC登陆后24 h内左前象限（a）、右前象限（b）、左后象限（c）和右后象限（d）平均的温度差和样本数随半径和高度的分布。彩色填色区表示温度差（C）登陆后，TC前侧暖心显著区域较后侧更为深厚，左前侧暖心最为显著。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布TC登陆前（a）、后（b）平均的温度露点差。彩色填色区表示温度露点差（C），黑色粗线为温度露点差等于4C的等值线，温度露点差 4C认为该空气层为湿层登

6、陆前，湿层延伸高度随半径增大而缩短，登陆后，湿层延伸高度随半径的衰减变缓，半径100 km内湿层延伸高度较登陆前显著降低，100 km外延伸高度变化不大。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布TC登陆后24 h内左前象限（a）、右前象限（b）、左后象限（c）和右后象限（d）平均的温度露点差随半径和高度的分布。彩色填色区表示温度露点差（C），黑色粗线为温度露点差等于4C的等值线。左前象限在半径100 km内的湿层最浅，右后象限湿层范围最宽、延伸高度最高。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布热带气旋边界层顶包括：动力边界层顶和热力边界层顶动力边界层顶常用最大风速所在高度和入流层顶表示，热力边

7、界层高度，即混合边界层高度，可由温度廓线、位温廓线或虚位温廓线得到。热力边界层顶低于动力边界层顶，热、动力边界层高度均随着半径增大而增大。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布登陆前012 h （a）、登陆后012 h（b）、1224 h（c）和2436 h（d）最大风速所在高度的分布特征。彩色矩形表示最大风速高度在高度层出现的次数占所有样本的比率（左纵坐标），粗实线表示最大风速所在的平均高度（右纵坐标）登陆前012 h，最大风速所在平均高度在半径400 km内随半径增大而升高，400km外略降，登陆后，平均高度随半径增大的趋势在登陆24 h后变缓。半径100 km内的平均高度在登陆过程中升

8、高。登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布登陆前012 h （a）、登陆后012 h（b）、1224 h（c）和2436 h（d）混合边界层高度分布特征。彩色矩形表示混合边界层顶在高度层出现的次数占所有样本的比率（左纵坐标），粗实线表示混合边界层顶所在的平均高度（右纵坐标）。混合边界层高度和最大风速高度有显著区别，混合边界层平均高度远小于最大风速高度；混合边界层高度分布更加集中。第二部分：热带气旋登陆过程及其异常变化主要教学内容登陆热带气旋风场、温度场和湿度场时空分布（1学时）影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（2学时）影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（1）热带

9、气旋眼壁区域中小尺度系统结构特征（2）热带气旋小尺度雨带结构特征与形成机制（3）登陆减弱热带气旋环流内中尺度涡的新生与合并影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（1）热带气旋眼壁区域中小尺度系统结构特征（2）热带气旋小尺度雨带结构特征与形成机制（3）登陆减弱热带气旋环流内中尺度涡的新生与合并影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统眼壁对流对热带气旋强度和结构变化有重要影响，成熟热带气旋眼壁区域为上升运动和潜热释放极值区，即强对流最活跃的区域，当热带气旋处于较强环境垂直风切变中时，眼壁区域对流活动常呈现明显非对称特征。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统2004年8月12日03至09时热带气旋云娜900650 h

10、Pa，650400 hPa和900400 hPa垂直风切变方向（灰色）和涡旋倾斜方向（黑色）的时间变化。环境垂直风切变在垂直方向上可能存在非单一向，0414云娜的环境垂直风切变在对流层中低层（900-650hPa）指向西，而对流层中高层（650-400hPa）指向偏东北方向。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统云娜850 hPa（阴影），650 hPa（细线）和400 hPa（粗线）的垂直速度（m/s）。阴影由浅至深分别代表0.5，1.5，3和4 m/s；等值线只标识3，5，7和9 m/s。复杂环境垂直风切变影响下，眼壁区域中小尺度对流活动在对流层低层和中高层可能表现出不同特征。以云娜为例，对流层

11、低层上升运动呈现两个明显特征：其一是强上升运动零星分布在眼壁区域，气旋式移动，其二，眼壁西侧有时上升运动形成有组织的、径向分布的带状结构；对流层中高层的垂直运动普遍比低层强，最大速度超过9 m/s，集中在眼壁东南象限，表明中小尺度深对流系统主要位于眼壁东南。非单一向环境垂直风切条件下，眼壁小尺度对流活动特征不同于单一向风切变环境下，台风云娜中，高低层（900-400 hPa）垂直风切矢量指向西北，小尺度深对流系统活跃在眼壁东南象限，并不位于高低层垂直风切变矢量的下风向。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统1000700 hPa权重平均的绝对涡度（阴影，单位：10-3 /s），上升运动速度（等值线，

12、间隔0.5 m/s）和非对称风矢量（箭头）。字母代表中尺度涡旋。云娜对流层低层眼较大（半径约80 km），眼壁较窄（约30 km），有利于长生命期中尺度涡旋在眼壁范围内产生和发展。A和D伴随相对强的对流活动，但对应的气旋式环流并没有闭合，这些强中尺度涡旋的存在似乎阻挡了外部入流，上升运动在此发生；B和C具有闭合气旋式环流，但由于环流相对较弱且未与眼壁外非对称入流发生明显相互作用，因而没有强对流活动伴随发生。台风眼内也存在一小尺度涡旋H，气旋式环流较弱，这种小尺度涡旋可能与在热带气旋眼区经常观测到的“hub clouds”（Aberson et al.，2006）活动有关。这些眼壁中的中尺度涡旋

13、沿逆时针方向移动，并且强度也发生变化。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统1000700 hPa垂直平均，70100 km径向平均的绝对涡度（阴影）和垂直速度（等值线）。横坐标表示以台风中心为参照的圆周方向，纵坐标表示积分时间。空心（实心）星型图案表示51（54）小时的眼壁中尺度涡旋。第51小时，云娜眼壁中同时存在5个中尺度涡旋，位于北侧和西北侧的中尺度涡旋伴随强对流活动；第54小时，眼壁中活跃着7个中尺度涡旋，活跃于东北偏北，西北偏北和西侧的涡旋伴随强对流运动，中尺度涡旋切向移速约为28.7 m/s，大概为局地平均切向风速一半，表现出涡旋Rossby波特征（Li and Wang，2012）。强

14、对流活动大多形成于眼壁北侧，移动至西侧发展成熟，随后逐渐在靠近眼壁南侧过程中减弱，表明对流层中低层强对流活动主要集中在垂直风切变矢量下风向；第53小时后，眼壁南侧也有对流活动，这可能是由于随着云娜逐渐靠近陆地，其前方来自陆地的相对干冷空气平流至气旋后部对流层中上层，静力不稳定增加而诱发对流。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（a）2004年8月12日05时和（b）07时550 hPa垂直速度水平分布，实线表示上升运动，虚线表示下沉运动。同心圆环的半径分别为100和150 km，标识眼壁区域。对流层中高层，呈现“热塔”特征，强上升运动主要集中在眼壁东南侧，常具有径向上1030 km的尺度，而在切向

15、上延伸较长，形成带状。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（1）热带气旋眼壁区域中小尺度系统结构特征（2）热带气旋小尺度雨带结构特征与形成机制（3）登陆减弱热带气旋环流内中尺度涡的新生与合并影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统螺旋雨带作为热带气旋的典型组成部分，按照活动位置和尺度来划分，可分为内雨带和外雨带，内雨带位于眼壁外的内核区域，由于高层卷云的遮蔽作用通常不能在卫星云图上观察到；外雨带则活跃在外核区域，水平尺度比内雨带宽，能从卫星云图上清晰观测到。螺旋雨带活动不仅能影响气旋强度，也可造成大风、暴雨等局地灾害性天气。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统850hPa垂直速度（m/s）分布，阴影表示下沉运

16、动观测表明，热带气旋内核区存在更小尺度（平均径向宽度约10km）的螺旋雨带（Gall et al.，1998），垂直方向上可伸展至5-7km，水平风扰动可达8 m/s，可诱发龙卷和地面大风。云娜内核区在8月12日0500UTC有两类小尺度雨带分布在眼壁偏北一侧（a），第一类位于东北部眼壁内侧，带状上升运动和下沉运动交替；第二类位于西北部眼壁区域。这些雨带长约10-100km，宽约5-15km。这些小尺度雨带生、消所需时间较短。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统850 hPa云水物质含量（云水和云冰混合比之和，阴影）以及垂直速度（等值线）。小尺度雨带不仅在垂直运动场上波状结构明显，在云水物质场上也

17、表现出明显的波状结构，云水物质含量（云水和云冰）大值区总是很好地对应着雨带中的带状上升运动区。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统2004年8月12日（a）0500和（b）0600 UTC云娜台风地面风速（m/s）。这类小尺度雨带能产生局地大风，云娜台风地面风速分布呈一波非对称结构，强风区位于内核区西侧，在小尺度雨带活跃区域地面风速也出现带状结构，尤其是局地地面风速的加强与雨带分布紧密相连，这种局地地面风速的加强似乎只存在于眼壁小尺度雨带中，而发生在眼壁内侧的那一类小尺度雨带造成的局地地面风加强则不明显影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统经过AB的剖面（a）切向风速（等值线，阴影表示高风速），（b）径

18、向风速，（c）垂直速度（阴影表示下沉），（d）垂直涡度（阴影表示负涡度）以及（e）假相当位温。箭头为剖面风场。眼壁内侧雨带最大切向风位于925 hPa附近。径向风以入流为主，最大入流出现在近地面，最小入流则位于对流层低层。上升和下沉运动呈波状结构交替出现。与波状垂直运动结构相对应的是边界层波状垂直涡度分布，与垂直运动对水平涡管的倾斜（扭转）效应有关。假相当位温场也显示出波状结构，暖空气所在位置与雨带上升运动一致，表明海表面高熵能量向上输送。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统经过CD的剖面（a）切向风速（等值线，阴影表示高风速），（b）径向风速，（c）垂直速度（阴影表示下沉），（d）垂直涡度（阴影

19、表示负涡度）以及（e）假相当位温。箭头为剖面风场。活跃在眼壁中的小尺度雨带切向风极值和近地面入流也表现出波状结构，出流主要集中在800-600hPa，可能有助于将眼区低层高值假相当位温空气输送至眼壁，进而有利于眼壁对流发展。波状结构同样在垂直运动中存在，在900和750hPa高度上分别存在两行正负涡度相间分布的涡列，上（下）行涡列的正（负）涡度基本对应下（上）行涡列的负（正）涡度，其形成与垂直运动对水平涡管的倾斜（扭转）效应有关。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统方程左侧为绝对涡度局地变化及水平和垂直平流项，右侧第一项为拉伸项，表示水平散度作用，第二项是倾斜（扭转）项，表示垂直速度的水平梯度对水

20、平涡度转化为垂直涡度的作用，第三项为摩擦作用项。倾斜（扭转）项作用示意图影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统经过CD的（a）散度项，（b）倾斜（扭转）项和（e）摩擦项垂直剖面。（c）和（d）分别为上升和下沉运动的倾斜（扭转）作用。水平辐合在925hPa高度附近使气旋性涡度增加，倾斜（扭转）项对两行涡列的产生起主要作用，其中上升运动起主导作用，而下沉运动则主要对上层涡列的形成有贡献，摩擦项似乎也会导致近地面正负涡度对的产生，但其作用较散度项和倾斜项小得多。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（a）950hPa的切向风速（阴影表示风速大于42m/s）和（b）925hPa径向风速（阴影表示入流）。小尺度雨带

21、能够造成地面局地大风，这主要是由波状切向风分布造成波状风速和地面局地大风，径向风作用相对较小。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统2004年8月12日0600UTC 400m高度切向动量收支诊断,（a）拉格朗日倾向项（VTOT），（b）垂直平流作用项（VVA），（c）径向绝对涡度通量作用项（VVOR），（d）科氏力作用项（VCOR），（e）气压梯度力作用项（VPGF）和（f）摩擦耗散（VFRIC）。在小尺度雨带活动区域，切向风倾向项（VTOT）表现出加速和减速间隔分布的带状和波状结构，波状大风结构主要由径向绝对涡度通量项产生，即小尺度雨带相关的波状绝对涡度分布同径向

22、入流之间的相互作用使得小尺度局地大风形成。垂直平流项在近地面层也表现出波状结构，不过以减速作用为主，部分抵消径向涡度通量的加速效应，其他项作用相对较小。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统（1）热带气旋眼壁区域中小尺度系统结构特征（2）热带气旋小尺度雨带结构特征与形成机制（3）登陆减弱热带气旋环流内中尺度涡的新生与合并中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室 下垫面对登陆热带气旋暴雨突然增幅的影响6小时降水超过100mm2001年第9号热带低压引发上海局地大暴雨过程中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室 下垫面对登陆热带气旋暴雨突然增幅的影响控制试验和“将杭州湾水体下垫面变为陆地

23、的”敏感性试验模拟的850hPa相对涡度分布，V1、V2和V3为造成上海强降水的主要系统（单位：1x10-5 s-1）6小时降水超过100mm2001年第9号热带低压引发上海局地大暴雨过程合并无合并影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统2001年8月5日1821时雷达观测。彩色阴影为大于15dBZ的雷达回波区。黑色圆点表示该雷达的位置（上海虹桥机场）。左边第一幅图中的“Bay”代表杭州湾。上海虹桥机场的多普勒雷达观测到此云团合并过程，18时16分大于35dBZ的强回波出现在上海西部，1小时内继续东移，同时18时16分浙江北部也开始出现弱回波，逐渐北移至杭州湾，在紧接的1-1.5小时内回波强度快速增强

24、，至21时，这两个强回波开始连接后在上海区域合并，21时这一云团云顶温度有所上升，但22时在上海中部又有强中心发展，23时中心云核云顶温度达-75，大部分云区在-72以下，5日20时到6日02时上海出现本次暴雨过程中最集中的强降水。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统倾向方程左边代表PV倾向（PVT），右边各项分别代表位涡水平平流散度项（VPV）、非绝热加热引起的位涡通量散度项（QPV）、摩擦引起的位涡通量散度项（FPV）和位涡垂直平流散度项（WPV）。影响登陆热带气旋风雨的中尺度系统PVT、VPV和QPV随时间的演变。(a)、(b)和(c)为TD的情况，(d)、(e)和(f)为V1的情况。虚线代表负值区。黑色区域代表缺测。2001年8月5日10-12时，TD低层PVT为负，但从15时开始TD中低层PVT逐渐变为正值，至18时，中高层出现负PVT中心，负VPV起到主要贡献，QPV项也对TD后期减弱有一定贡献，19时后，TD中心被V1代替，WPV和FPV项对TD的位涡变化没有明显贡献。V1在12时中低层有正PVT，中层有正的VPV，低层有正QPV，15-17时，对应于V1的减弱，PVT项出现负值，中高层出现负VPV，18时开始，V1的PVT又呈正值，最大值位于对流层中高层，正VPV和QPV对V1的发展