热带气旋边界层湍流结构观测分析及其对热带气旋强度影响机制研究

In recent years, the performance of tropical cyclone track forecasts made great progress , but intensity forecast made a slow progress.One important reason is that the lack of knowledge to tropical cyclone boundary layer (TCBL), especially the knowing of the turbulence structure in TCBL. The project is proposed to improve the understanding of the fine scale structure and turbulence in TCBL and their influence to the intensity of tropical cyclones ，started from the field observation analysis,put the main focus at the turbulence structure and turbulent process in TCBL. Firstly participating in field experiments of tropical cyclones opportunity ,we carry out the dynamical and thermal study of the fine structure in TCBL.To deepen understanding of the fine structure TCBL inherent characteristics and evolution ; and then study the turbulent structure and turbulent energy distribution in TCBL and their interaction mechanisms.After certainly understanding theturbulence and evolution of structural characteristics ib TCBL, we will carry out the research process of turbulent energy cascade mechanism for tropical cyclone intensity change . Fine structure and temporal distribution of turbulent energy and different scales of turbulent energy cascade process are in the research plan. The key scientific problem of the project is the study of tropical cyclone boundary layer on tropical cyclone intensity change and its possible mechanism.

近年热带气旋路径预报水平取得长足进步，而强度预报水平则进展缓慢，重要原因之一就在于对于热带气旋边界层（TCBL）认识不足，尤其是对TCBL内精细湍流结构缺乏深入研究。本项目是以提高对TCBL精细湍流结构及其在热带气旋强度变化影响机制的科学认识为研究目标，以外场观测资料分析为主要着眼点，针对TCBL内湍流结构和湍流过程展开先导性研究。首先利用参加热带气旋外场观测试验机会，开展对TCBL精细动力热力场进行观测分析，加深对TCBL内在精细结构特征以及演化过程的认识；并在此基础上，研究边界层内湍流结构特征、湍流能量分布及其相互作用机制；在对TCBL湍流结构特征及演变过程有一定了解后，开展湍流能量串级过程对于热带气旋强度变化机制的研究。本项目拟解决的关键科学问题是TCBL中精细结构、湍流能量分布特征和不同尺度湍流能量串级过程及其对热带气旋强度变化的可能影响机制。

本项目的主要研究目标是以提高对热带气旋边界层（TCBL）精细湍流结构及其在热带气旋强度变化影响机制的科学认识，以外场观测资料分析为主要着眼点，针对TCBL内湍流精细结构和湍流串级过程展开先导性研究。项目组首先利用独有的观测资料，首次发现台风登陆过程中，边界层底部存在湍流能量串级现象，并且在靠近内核处为从小尺度到大尺度的反向串级，而较远的外围主要是从大尺度向小尺度的能量耗散。并在此基础上，研究边界层内湍流结构特征、湍流能量分布及其相互作用机制，首次定量发现台风登陆后边界层湍流扩散系数和混合长等代表的湍流摩擦效应约比登陆前增加20-40%。利用飞机观测资料，首次在台风边界层中低层（600米）发现同时多个次公里尺度的滚涡活动。并通过直接观测分析，定量发现滚涡样本的平均动量通量比没有滚涡的样本平均湍流动量通量大2-4倍，并首次从直接观测的角度证实了滚涡在台风边界层中的存在、普遍性以及影响。在对TCBL湍流结构特征及演变过程有一定了解后，结合观测资料分析、高分辨率数值模拟及动力学等手段，开展湍流过程对于热带气旋强度变化机制的研究，特别是评估美国主要热带气旋业务模式（HWRF）边界层参数化方案对于热带气旋强度结构演变作用，结果发现考虑了湍流能量的边界层参数化方案主要是通过更精确的描述边界层入流层强度来达到影响热带气旋强度和结构。在研期间，研究组还重点关注了雷达资料质控等关键技术问题，研发了风廓线雷达在台风中观测修正经验关系公式，并应用于“莫兰蒂”登陆期间多站点风廓线观测数据质量控制并形成数据集。在此基础上并结合中美两国热带气旋外场试验现有数据库以及本项目前期有关风廓线、探空等多项仪器的观测误差校正研究经验并开发出的《台风外场试验数据处理分析系统》软件，并从2017年开始逐步进入台风外场试验使用。此外项目组还在台风云微物理，风压关系，登陆台风次中心演变机制等多个问题进行了研究。