大涡模拟试验中台风梯度风平衡分析

尽管经典台风强度理论是基于梯度风平衡模型,但是已有的飞机观测资料和数值模拟研究发现,边界层中和眼墙附近存在非梯度风平衡气流,前人数值模拟发现,眼墙附近最大的超梯度风可以达到切向风速的16.7%。大涡模拟可以模拟出滚涡和龙卷尺度涡旋等小尺度系统,这些小尺度系统对梯度风平衡可能产生影响,使用中尺度天气预报模式结合大涡模拟(WRF-LES)对模拟台风内核区域方位角平均的梯度风平衡进行了分析,三个大涡模拟试验的水平分辨率分别为333 m、111 m和37 m,结果表明非梯度风平衡气流并未因为分辨率提高而显著增强或产生结构差异,最大超梯度风出现在边界层顶处最大切向风半径的内侧,达到梯度风速的10.8%~16.1%。进一步分析发现,不同台风中心定位方法会影响非梯度风平衡气流,最小气压方差法和最大切向风法可以得到与前人模拟一致的结构,而气压权重法得到的低层超梯度风中心远离眼墙、靠近台风中心,位涡权重法得到的低层超梯度风的径向范围向内扩大,最小气压方差法和最大切向风法更适合用于梯度风平衡研究中的台风中心定位。

包含超梯度力作用的台风次级环流诊断方程

次级环流在台风的发展和维持中起着重要作用,基于梯度风平衡的Sawyer-Eliassen(SE)方程常用于台风次级环流的诊断。然而梯度风平衡关系在台风边界层及边界附近有较大误差,这导致SE方程求解出的次级环流在边界层也会有较大误差。本文在梯度风平衡方程中保留包含径向摩擦力项在内的超梯度力项,得到包含超梯度力作用的SE方程,从方程形式上看超梯度力主要是通过调节与斜压性相关的系数来影响次级环流的。对"森拉克"(2008)台风次级环流的诊断结果显示,在不人为改变边界层流场结构的情况下,新的SE方程能显著改善次级环流的求解效果,避免眼墙外侧边界层附近的虚假对流并且减小虚假入流。