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反演台风次级环流的新方法

西北太平洋的热带洋面上,每年都会有那么几个台风影响我国沿海。人们发现有的台风特别“不省心”,带来了严重的灾害;有的台风表现特别“优秀”:它们只带来凉快的天气和愉快的假期,却并没有带来严重的灾害。为了能提前鉴别出这些台风的特点,气象领域的学者们通过各种方法研究台风的结构。很早以前,学者们就知道台风的风场可以分解为初级环流(水平的旋转风场)和次级环流(垂直的对流风场)。台风中的暴雨正是由次级环流引起。

关于次级环流,上个世纪50年代就有国外学者提出了一条线性方程(Sawyer-Eliassen 方程,简称SE方程),根据该方程,在一个轴对称、准定常的台风中,只要知道热源分布和动量源分布,就可以计算得到次级环流的结构。不过在求解该方程时,需要满足特定的判定条件,并给出合适的边界条件。

中国气象科学研究院的博士研究生黄奕武、端义宏研究员及其合作者,提出了一种基于熵分布诊断台风次级环流结构的方法。他们的研究发现,当台风满足轴对称、绝热、定常的条件时,等熵面与流线是重合的,流函数可以用熵的函数来表示,此时可以通过熵的分布诊断出台风次级环流。他们指出,这种诊断方法并不要求满足特定的判定条件或边界条件,与SE方程相比更简洁。

美国著名气象学家Emanuel曾于80年代提出一个理想的台风模型。在这个模型里,Emanuel通过一定的约束条件计算出了理想台风的熵分布,但并没有给出完整的次级环流结构。上述台风次级环流诊断方法的通讯作者端义宏研究员指出,这套诊断方法可以很方便地为这类理想台风模型计算出次级环流,从而可以对其结构展开进一步研究。

以上研究得到了国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家自然科学基金、中国气象科学研究院基础研究基金和香港研究资助局等项目的共同资助,已被《Advances in Atmospheric Sciences》接收并预出版,黄奕武为第一作者, 端义宏研究员为通讯作者,另外两位合作者分别为香港城市大学的陈仲良教授和上海台风研究所的鲍旭炜副研究员。


图1 熵分布与次级环流关联示意图(供图:黄奕武,部分素材来源于NASA)


论文信息:

Huang, Y. W., Y. H. Duan, J. C. L. Chan, and X. W. Bao, 2019: A method for diagnosing the secondary circulation with saturated moist entropy structure in a mature tropical cyclone. Adv. Atmos. Sci., 36(8), 000–000 https://doi.org/10.1007/s00376-019-9054-5.