在轴对称的热带气旋中，边界层对眼墙替换周期有什么贡献？外文翻译资料

 2022-12-20 21:21:57

英语原文共 23 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

在轴对称的热带气旋中，边界层对眼墙替换周期有什么贡献？

JEFFTEY D. KEPERT

Centre for Australian Weather and Climate Research, Bureau of Meteorology, Melbourne, Victoria, Australia

(Manuscript received 3 February 2013, in final form 26 April 2013)

摘要

三种近似水平不同的轴对称热带气旋诊断模式被运用到具有同心眼墙的热带气旋的问题中。由于外眼墙处在涡度较低的环境中，所以比内眼墙具有更强的摩擦上升气流。同样，对于内部最大风半径以外的径向涡度梯度，相对较弱的局地增强也会产生较大的摩擦上升，即使没有外部风最大值。在此基础上，我们提出：边界层通过一个径向涡度梯度、摩擦上升和对流之间的正反馈促进外眼墙的形成。与内眼墙相关的摩擦引发的次级环流随着外部风最大值的增强或收缩而减弱，所以边界层过程将在眼墙替换过程中和加热诱导的次级环流一起减弱内眼墙。本文推导了摩擦诱导的次级环流的积分限制质量，并用来检验“外眼墙消耗尽”这一常说的命题。利用积分限制，作者认为次眼墙的形成将增加总的摩擦诱导的次级环流，如果两眼墙间的moat区域存在一个局地涡度最小值，那么此处会产生足够的下沉来维持主眼墙的上升气流。然而值得注意的是，上升气流的焓和它的质量一样重要。

1．介绍

强的热带气旋（TCs）有时会经历------------眼墙替换周期（ERCs），外眼墙和风速最大值在主眼墙半径的几倍处形成。外眼墙通常收缩加强，而内眼墙减弱、消失并被外眼墙取代。如果条件任然有利，这个事件将会重复。

这些ERCs有着重要的影响。外眼墙的形成和收缩经常伴随着风暴强度的减弱或停止增强，对受损区域的宽度、准备时间、风暴潮和海洋表面波的严重程度都有影响。

我们对ERCs的理解大多基于Eliassen（1951）的平衡涡模式，Willoughby(1979)和Shapiro和Willoughby(1982)以及Willoughby等人(1982)将其应用于TCs。这个模型求解了在给定热源和动量汇的条件下，在平衡的轴对称涡中的次级环流（即径向和切向）。通常热源表示眼墙潜热释放的影响，而动量的源汇项可能包括表面摩擦和涡动量通量。一旦次级环流已知，就可以通过诊断得出的次级环流从绝对角动量或位温的平流计算出涡流初级循环的演化。这些是等价的因为假定了梯度和流体静力学平衡。对于最大风半径（RMW）附近的热源，最大方位角加速度通常在表面附近的RMW内部，导致最大风的收缩和增强。这样的热源在物理上是存在的，因为它和观测是一致的，而TC边界层（BL）模式预测最大摩擦强迫上升气流在RMW附近，有助于那里的对流。

Rozoff等人（2008）探究了平衡涡流框架下的ERCs，并探究了“为什么内眼墙经常消失？”。他们提出了四种可能性，其中第二种包含了BL：“同心眼墙通过BL相互作用，使得外眼墙消耗了向内的湿熵和动量的径向通量，有效地阻挡了内眼墙的对流和更高的涡度。”他们无法在他们的模式框架中研究这种可能性，所以我们这里的目标是来研究同心眼墙的BL流。

虽然平衡模式成功地描述了同心眼墙形成后的演化过程，它没有展示出外眼墙是如何形成的。自从人们理解了ERC的基本动力，对次生眼墙的形成（SEF）提出了几种解释，包括惯性波共振、涡流罗斯贝波、和beta-skirt轴对称【见Rozeff等（2012）和Wu等（2012）的综述】，这些解释本质上都是非粘性的。最近，Huang等人（2012）提出了以下观点：“这个事件随着方位风的变宽开始，随后相应的BL入流增加，形成次生眼墙的BL的辐合增强。强BL辐合的狭窄区域和BL中与上部的超梯度风的产生有关，这种超梯度风的作用是使此处的入流增强。在有利的热力、动力学环境下，BL入流的逐渐增强和在其中产生的有效反向径向力导致BL中的空气喷发，用以支持主眼墙外的对流。”我们工作的另一个动机是在一个理想化的模式框架中研究他们提出的机制。我们的结果是一致的，切向风的扩张是很重要的，但我们将进一步表明，这个风增加的分布式是特别重要的，风向改变必须十分不均匀（尽管在我们的框架中仍然轴对称），以便提供局地的径向涡度梯度增强。我们还证明了超梯度流的发展对表面辐合的外部最大的发展是不必要的，尽管BL中的非线性过程的确影响摩擦强迫上升气流的细节。

Bell等人（2012，他们的Fig.5）对Rita飓风的ERC观测分析显示了风场的扩张，这个扩张开始于方位角风场相对最大值形成之前。证据斯托克斯定理，轴对称涡流中的某一特定半径上的方位风加速度必然伴随着该半径内垂直涡度的净增加。Bell等人（2012）的分析表明，在飓风Rita中，这种涡度的增加并不广泛，而是以离散的最大值出现，最初约为RMW的三倍处，在二级风最大值发展之前形成，随着外RMW的发展而加强并收缩。我们将证明涡度的不均匀增加决定了与外部RMW发展相关的摩擦强迫上升气流的位置。

综上所述，我们的目标是研究具有同心眼墙的TC的BL流，并讨论BL流对气旋剩余部分的作用。我们用到了三种TCBL的诊断模式，分别是Ooyama （1969），Kepert （2001），和Kepert and Wang （2001），每一种方法都根据施加的压力场对BL流进行诊断。这种诊断近似的一个限制是：因为我们没有展示风暴其余部分的演化，我们只能模拟出风暴其余部分如何影响BL，但不能模拟出BL对风暴其他部分的反馈。在补偿方面，诊断模式具有以下优点：1）更简单、更容易解释，因为他们只包含了物理过程中精心挑选的子集，和2）由于风暴的结构是由实验者规定的，因此可以容易地对不同风暴结构的影响进行控制实验。特别地，我们使用这些诊断模式来探索以下问题：

BL在外眼墙形成过程中起什么作用？

当外眼墙加强和收缩时，BL在内眼墙减弱中起了什么作用？

“外眼墙耗尽了入流的高能空气”这句话是什么意思？

2．模式

我们用3个诊断TC BL模式：Kepert（2001）的线性分析模式、Kepert（2012）修正过的Kepert和Wang（2001）的非线性数值模式、以及Ooyama（1969）的三层轴对称TC模式的BL部分。每种模式都根据TC施加的一个压力场来诊断稳态的BL流。虽然前两种方法可以用于移动风暴，我们这里只关注静止的轴对称风暴。许多TCBL模式都遵循这种诊断方法，这假定了BL流在很大程度上是对径向压力梯度的相应（即：对于 BL以上的情况）。这些模式间最主要的区别除了诊断方法外，是用于获取答案的附加近似（Kepert 2010a）。

在柱坐标系（r，lambda;，z）中的轴对称的动量和连续方程是

期中径向压力梯度用梯度风V表示，其他符号具有他们的通常意义。方程（2）有事用绝对角动量。注意由于，对应的径向平流。

在给定气压场和湍流参数的情况下，每一种模式都在稳态对这些方程求解，Kepert（2001）和Ooyama（1969）的模式有着更高阶的近似。

在线性模型中，表面应力由阻力系数的体积公式参数化，表层以上的动量通量用湍流扩散系数。气流对梯度风进行线性化，消除了垂直平流并近似径向平流，，还要求梯度风的绝对涡度不太小。有四个解，其中两个解是不受高度限制的，因此被消去了。线性化的表面边界条件决定了剩下两个解的适当组合。完整的细节见Kepert（2001）。Rosenthal（1962）和Vogl和Smith（2009）提出了类似的模型，尽管没有运动诱导的不对称性。前者与Kepert（2001）模式中对称部分的不同之处是，前者对表面边界条件进行了更为粗糙的简化，而后者大概用数值方法解决了整个非线性表面边界条件。因此没有提供解析解的理解。

Ooyama（1969）的模型对这里考虑的假设进行了最严格的简化。这是一个平衡板模型：“板”是因为它平均了动量方程的深度，“平衡”是因为它用梯度风方程替代了径向动量方程（1）。Smith和Montgomery（2008）批判了这样的模式的准确性，Kepert（2018b）表示，他们的批评被夸大了，因为1）他们的比较是和完整的非线性模板，与更复杂的模型相比较差，2）他们用了高的值，增加了系统中的非线性。实际上，Ooyama（1969）谨慎地指出，应比它通常的值减少，因为表面应力是由边界层平均风，而非10-米风计算出来的。

非线性模型与线性模型有许多不同之处。它通过将时间向前积分到准稳态来求解整个非线性运动方程。它包括了几个湍流化参数（Kepert 2012），而非线性模型中的常数K。本研究采用Kepert（2012）推荐的Louis等人（1982）的参数化方法。

（4）

是10-米风速，热交换系数。该非线性模型包括一个位温的预测方程，并根据所产生的水平温度梯度调整为压力梯度。实际上，这种调整很小，V随高度的变化小于。这里我们用20个不均匀间隔的垂直高度，最低10米，最高2.25千米，集中在地表附近。水平网格间距3km，仿真时间为48h，足以达到近乎稳定的状态。

3.同心圆眼墙的参数剖面

TC研究中使用的参数剖面，包括风暴潮模型、工程设计和气候风险评估，通常只代表一个最大风速半径。需要建立同心眼墙模型；事实上，这样的风暴往往有一个相对较大的规模，因此产生了一个大的海洋反应和广泛的损害范围。一种方法是提取两个单RMW剖面的和或者最大值。然而，我们更喜欢在涡度空间中建立一个与修正后的Rankine我相关的剖面。梯度风由涡度梯度在轴对称涡旋中的径向积分得到，

（5）

并通过径向积分得到压力梯度力的方程。在涡度空间工作有助于确保物理现实和一个水文动力稳定的涡旋，因为我们对涡旋结构和稳定性的大部分知识都是通过涡度来表达的。参数剖面开始于开始于

包括与内部最大风联系最大的涡流单极子，与外部最大风有关的涡度，，外的涡度裙（Mallen等人 2005），且。从（5）得出的对应风场为

和V的解释在Fig.1中用细黑线白表示。注意V(r)在时有一个相对最大值。

否则，风廓线在会有一个突起，但不是相对最大值。一个相对最大值在要求

图1. （a）没有（粗灰线）和有（细黑线）混合的涡度径向梯度；例如，分别通过（6）和（7）。参数为，，，，，c=0.25， alpha;=0.5。（b）对应的切向风廓线。

前一种情况减少为

后一种情况在c提供了上边界：

如果违反（13），外部最大风出现在。

当或且c=(1-alpha;)/2的时候，廓线（6）减小为修正后的Rankine涡。我们大多数的模拟满足最后一个条件，这在单眼墙风暴中的到了理论和观测证据的支持（Emanuel 1986；Pearce 1993；Mallen等人 2015）。这些不连续性也可能给数值模拟带来问题。我们因此使用混合函数和来平滑它们。

图2所示。（a） 径向速度（等值线间距1m； 10m的倍数显示为粗线和流出阴影）。（b）方位角流速（等高线间距2m，乘以10m表示厚度线）和超梯度流（阴影）。（c）垂直速度（等高线间距0.1ms21；零表示为粗线和下沉流阴影）。（d）粗灰色曲线：规定的梯度风廓线；点：方位角-速度，高度10米；圆：流入高度，高度10米；细黑色曲线：2公里高度垂直速度。过渡半径r1和r2由半径轴上的黑点表示。

和在以和为中心的半宽混合区上从1到0单调减小，混合区内外均为1（0）。我们采用Willoughby等人（2006）的函数。

其中是以为中心的径向距离。注意w(-0.5)=0.951且w(0.5)=0.049。因此，虽然形式上混合发生在的距离上，但实际上90%以上的变化发生在的距离上。Mallen等人（2005）和Willoughby等人（2006）的建议是10-25km。

<p

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</p

资料编号：[19474]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章