环境垂直风切变对热带气旋外螺旋雨带活动的影响研究

Environmental effects on tropical cyclone (TC) structures and intensity, and formation and development of TC spiral rainbands and their impacts on TC structures and intensity are currently hot and important issues of TC dynamics.However, essential interactions between environmental vertical shear and outer rainbands are less investigated on the studies of effects of vertical shear on TC structures and intensity changes. In this study, we will use observations of radars, surface in-situ stations, and soundings, and idealized and real-case simulations to systematically analyze the formation mechanisms for outer rainbands, the finescale characteristics of outer rainbands (e.g., precipitation, mesoscale convective systems, surface cold pools, and others), and the influences of changes in structures and behavior of outer rainbands on inner-core convection in sheared environments.We aim for proposing new mechanisms for outer rainband formation, concluding representative physical models of outer rainband structures, and illustrating dynamics of TC intensity change due to the formation and structure changes of outer rainbands.

环境对热带气旋结构和强度的作用，以及热带气旋螺旋雨带的发生发展及其对热带气旋结构和强度的影响都是当前热带气旋动力学研究的热点和重点，但目前环境垂直风切变和外螺旋雨带相互作用的物理过程问题仍然是垂直风切变影响热带气旋的结构和强度变化研究中较少涉及的一个重要环节。本项目将通过雷达、地面测站和探空观测综合分析并结合高分辨率的理想和实际个例数值模拟，系统研究复杂环境垂直风切变作用下热带气旋外雨带形成的物理机制，分析外雨带发展过程中的降雨、中尺度对流系统、对流尺度垂直运动、地面冷池等精细结构变化特征，并探讨外雨带结构和活动变化导致的热带气旋内核对流变化的机理。力争提出新的外螺旋雨带生成机制，凝练出具有代表性的外雨带结构物理概念模型，并阐明环境垂直风切变影响下由于外螺旋雨带的生消和结构变化所造成的热带气旋强度变化的物理过程。

热带气旋结构和强度变化的机理和预报是热带气旋研究的前沿问题。本项目主要的研究内容为：1）环境垂直风切变影响下热带气旋外螺旋雨带的生成机制；2）环境垂直风切变对热带气旋外螺旋雨带结构和演变的影响；3）环境垂直风切变条件下外螺旋雨带的生消和结构变化对热带气旋强度变化的影响机理。经过四年的研究，发现当中等偏强的环境垂直风切变作用于热带气旋时，外螺旋雨带呈现一波非对称的主雨带结构，且外螺旋雨带通常在顺切变方向形成并同内螺旋雨带活动有着紧密联系。基于高分辨率数值模式结果，揭示了不同强度环境垂直风切变影响下热带气旋外核区对流尺度上升运动的统计特征，包括大部分上升运动的顶高位于4-6km和12-14km，环境参数与对流尺度上升运动垂直质量输送通量之间没有统计相关性。同时基于同样的高分辨率数值模式结果，通过客观识别对流下沉运动揭示了不同强度环境垂直风切变影响下热带气旋外核区下沉运动的统计特征，包括起始于对流层顶附近的对流尺度下沉运动所占比例最大，大多数上升气流周围包含1-2支下沉气流。还揭示了不同高度垂直风切变中外雨带活动对热带气旋强度变化的影响机制，发现通风流效应和雨带引起的边界层能量消耗/恢复极大地影响了强度变化。基于上述研究，还拓展关于热带气旋结构和强度动力学的其他研究，包括雨滴蒸发对热带气旋结构和强度的影响机理，台风登陆华南前台风眼的几何特征观测分析，随高度变化的环境垂直风切变对热带气旋倾斜的影响，环境垂直风切变对热带气旋外核区非对称CAPE特征的影响及其产生机制，登陆我国台风降雨分布同台风强度的关系等。上述研究成果有效拓展了热带气旋动力学，尤其强化了对螺旋雨带动力学的相关理论认知。