广东登陆台风边界层垂直混合过程研究

The vertical eddy mixing processes in the atmospheric boundary layer are believed to have significant influence on the development and evolution of typhoon. The change of underlying surface during typhoon landfall, theoretically speaking, should cause the change of turbulent structure and vertical mixing process in the atmospheric boundary layer, which is supported by a few case studies around the world. This proposal will study the problem from two aspects: field observation analysis and numerical simulation. Firstly, based on the boundary layer turbulence observation data (aircraft observations from Hong Kong Observatory, GPS sounding data and meteorology tower observations along the Guangdong coast) within the landing typhoons, the statistical characteristics of turbulence and the vertical eddy diffusivity will be estimated, the variation of eddy diffusion in the landing process will be studied, and the corresponding parameterization schemes will be established. Further, The results will be tested in the typhoon forecast numerical model using sensitivity experiments; the simulations will be compared with the observation and the inversion data from the weather observation network, and the effects on typhoon intensity, path and precipitation will be analyzed. Further more, the boundary layer vertical mixing parameterization within typhoon numerical model will be optimized.

大气边界层湍涡垂直扩散混合过程对台风的发展演化具有显著影响。台风登陆过程及登陆后下垫面的变化，理论上讲应引起大气边界层湍流结构以及垂直混合过程的变化，然而目前一般的台风数值模式并未考虑台风登陆过程中垂直涡扩散变化。本项目将从外场观测资料分析与数值模拟两方面着手对这一问题开展研究。首先，根据登陆台风中边界层湍流观测数据(飞机、GPS探空数据、边界层观测塔），对湍流统计特征与垂直涡扩散率进行估算，研究登陆过程中涡扩散率的变化特征与规律，建立相应的参数化方案；进一步，将研究结果应用到台风预报数值模式中进行敏感性试验，并结合天气观测网络的观测与反演数据进行比较检验，分析其对登陆台风强度、路径、降水等方面的影响，优化台风数值模式的边界层垂直混合过程。

大气边界层湍涡垂直扩散混合过程对台风的发展演化具有显著影响。台风登陆过程及登陆后大气边界层湍流结构以及垂直混合过程的观测研究还很少，国内几乎没有这方面的工作。根据台风边界层飞机探测与气象塔观测数据，对台风边界层湍流特征进行了定量研究，并对垂直涡扩散率及其参数化方案开展了研究；进一步，在中国南海台风模式中测试了本项目开发的垂直涡扩散率等物理量的参数化方案，分析了其对台风强度、路径和降水分布的影响。根据实际工作情况，增加了以下研究内容，包括：中短期台风路径预报误差的主因，南海热带低压发展与否的新判据，以及海表温度锋面对大气边界层结构的影响等。.研究发现：对于南海近海台风，海上观测高度在500-670 m、风速在10-40 m/s范围内，垂直涡扩散系数K随风速增加呈幂律增大，从~15 m2/s增大到~60 m2/s，更高风速条件下K趋于平稳，维持在~60 m2/s；台风眼墙入流层顶部附近存在强湍流混合过程，对应的K值可达100-200 m2/s；而混合长度几乎恒定为 100 米。对于登陆台风：在最大风速半径外有一层高度为100 m或更大的对数风速层，且该对数风速层随风速增加而加深；对于小于 13 m s -1的 10 米风速，常动量通量层的高度达到 ~ 300 m，而该常动量通量层高度随着风速的增加而降低。在所有观测高度，动量通量和湍流动能随风速的增加而增加。在350 m观测塔位置估计的拖曳系数和表面粗糙度长度分别为 7.3 × 10–3和 0.09 m，且这两个值不依赖风速。估计的垂直涡扩散率和混合长度随着高度增加而增加直到高度达到 ~ 160 m，然后随着高度升高而缓慢减小；另一方面，垂直涡扩散率随风速增大而增大，而混合长度与风速无关。在数值试验方面：3..批量试验发现，发现涡扩散系数和混合长度的计算公式修改对台风路径、强度和降水预报影响不显著，这有别于国外类似工作的结论。其它研究成果见结题报告正文。.本项目根据观测数据定量估计台风边界层相关参量，对于台风边界层参数化方案的发展具有明显意义。