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海表对热带气旋响应结构的研究

张翰   2020-04-20

  近日,我室张翰助理研究员在国际知名期刊Journal of Marine Systems上发表了海表对热带气旋响应结构相关的研究成果。

        热带气旋是自然界中强烈的天气尺度现象,可以显著影响海表的流场。本文通过浮标数据、三维数值模式和一维解析模型模拟研究了海表流场对2014年热带气旋威马逊、海鸥和2016年热带气旋莎莉嘉的响应过程,同时采用一维解析模型研究了热带气旋引起的所有可能的海表流场响应过程。结果表明,热带气旋的无量纲移速及一个流速(或动能)的参数控制了海表流场(或动能)响应结构,海表响应本质上由热带气旋参数(如移速、大小和强度)和环境参数(如科氏参数和上层海洋的层结)控制。特别的,无量纲移速(S)控制的是海表响应的结构,而流速(动能)参数决定的是流速(海表动能输入)的幅度。当无量纲移速较小(0<S≤0.4)时,热带气旋引起艾克曼形式的响应;当无量纲移速较大(0.4<S≤5)时,热带气旋在其后部引起惯性振荡形式的响应;当无量纲移速超大(S>5)时,热带气旋在其右侧引起向前的流动,在其左侧引起向后的流动。2001-2017年,在这三个无量纲移速范围内的热带气旋数目约为30.36%、69.36%和0.28%,这解释了为何我们常常能在热带气旋后部观测到近惯性振荡形式的响应,而S>5情形下的海表响应过程则很少观测到。除此之外,海表流场响应的右偏在S=2.5时最大,而海表动能输入的右偏在S=1.45时最大。本文提供了一个简单和易用的方法,在热带气旋和环境参数给定的情况下估计海表流场对热带气旋的响应结构,进而帮助提高热带气旋在区域和气候模式中的参数化效果。本文亦认为,相对于单纯的移速来说,热带气旋的无量纲移速是在研究海洋响应过程中给热带气旋分类更好的方法。

        论文信息:Zhang, H.; Liu, X.; Wu, R.; Chen, D.; Zhang, D.; Shang, X.; Wang, Y.; Song, X.; Jin, W.; Yu, L.; Qi, Y.; Tian, D.; Zhang, W.; Sea surface current response patterns to tropical cyclones, Journal of Marine Systems, 2020, 103345. https://doi.org/10.1016/j.jmarsys.2020.103345


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图1. (a):2014年热带气旋威马逊(Rammasun,紫)、麦德姆(Matmo,灰)、海鸥(Kalmaegi,黑)和凤凰(Fung-wong,棕)每六小时一次的路径。文本框中给出的是对应日期每天00:00时的最大风速。红色的点为浮标/潜标观测的位置。(b):和图a相同,但为热带气旋艾利(Aere,紫)、莎莉嘉(Sarika,灰)和海马(Haima,黑)。

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图2. 模式模拟的海表风(红)和流(蓝)的矢量图(a-c),及对应的海表动能输入(d-f)和累积动能输入(g-i)。红点为热带气旋中心,黑圈为对应热带气旋1倍和3倍的最大风速半径。黑色直线为热带气旋路径。黑色虚线为观测点位置,从上到下对应站位1、4和2。

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图3. 一维解析模型模拟的海表风(红)和无量纲流(蓝)的分布,