台风边界层中的滚涡与灾害性阵风

Tropical cyclones (TCs) are severe weather systems, especially the landing TCs often cause heavy rain, strong wind and other weather disasters. Since new observation methods are coming into wide use, scientists have discovered many new observation facts, such as updraft in the typhoon eye, wind gust in typhoon, roll vortices in TC boundary layer (TCBL), and so on. In recent years, there is a growing concern in the TCBL roll vortices, which may be associated with the distribution of strong wind and the near surface damage. At present, there are many studies on the TCBL roll vortices and the turbulence characteristics. But the study on the boundary layer of the TCs landing in China is still relatively scarce because of the lack of in-situ observation. Therefore, TCBL roll vortices is considered as the research object in this project. Then, the project intends to analyze the basic structure, gust wind characteristics, turbulence structure, coherent structure and formation mechanism of TCBL roll vortices. Furthermore, the research goal of this project is to sum up the conceptual model and the damaging wind mechanism of TCBL roll vortices.

台风是一种灾害性天气系统，它在我国登陆后经常能造成暴雨，强风等灾害性天气。近年来，随着观测手段的不断改进和丰富，台风边界层中的新观测事实屡有发现，其中台风边界层中的滚涡结构对地面风速分布有很明显地影响，并且是造成近地面破坏型阵风的主要原因之一。因此，台风滚涡结构以及其致灾（风灾）机理的研究越来越受到科学家们的关注。目前虽然对台风边界层中的滚涡结构和其阵风、湍流特征已经有了一定的认识，但是由于第一手观测资料的缺乏，对登陆我国台风的相关研究还比较缺乏。故本项目抓住台风边界层滚涡这个研究对象，拟研究登陆我国台风中边界层滚涡的阵风特征、湍流结构、相干结构、形成机制和所需关键性条件，分析出台风边界层滚涡的基本结构和演变规律，并建立登陆我国台风中边界层滚涡现象的概念模型与致灾（风灾）机理。

本项目对登陆台风的海气动量交换系数以及不同台风强度，下垫面条件下的阵风情况和湍流特征进行了探讨和分析。其结果表明，海洋下垫面条件下海气动量交换参数、阵风系数G在处于8～22m/s区间内时随风速的增加而增加，并在22～25m/s区间内随出现增长变慢、饱和或出现衰减。研究还发现，在台风影响下阵风系数随湍流强度的增大而增大。而在下垫面条件相近的情况下，登陆时具有更强强度的台风也具有更大的阵风系数。之后，基于登陆台风“黑格比”的近地面高频三维风速数据，对其阵风和湍流扰动情况进行了分析。其结果表明，对于台风影响下1s-1min尺度的湍流存在较明显的相干关系，即台风影响下湍流的最大风速与当时的垂直速度扰动有关，并随其呈相反的变化趋势。并且发现在眼墙大风区存在相关系数-0.55左右的强负相关区。对这些具有代表性样本的功率谱分析发现在这些样本中存在频率0.067Hz左右，波长450m-600m的相干结构，这些迹象表明在眼墙区域内存在边界层中的次千米尺度滚涡结构，并且随着台风中心的接近和上升速度的增加其尺度呈减小的趋势，在很接近台风眼区的眼墙内此结构不再出现。为了进一步复现台风边界层的精细化结构，本项目利用WRF中尺度模式对台风“黑格比”（0814号）进行了数值模拟，发现改良后的参数化方案对于台风登陆时的风速模拟具有更好的效果。基于WRF-LES的数值模拟发现台风中心距离40-80km内普遍存在类似滚涡的结构，并且中层径向速度大值区、垂直速度负值区与底层切向速度大值区存在明显的相关性。最后利用之前的研究结果建立阵风预报模型，在江苏区域取得了10-20%的改进效果。