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台风发生发展的理论 台风发生时的现象

2024-06-14  来源:天气网  【字体:  

导语:台风发生发展的理论是一个复杂而精细的气象学领域的研究内容,它涉及到大气动力学、热力学、云物理以及海洋环境等多个方面的因素。该理论旨在揭示台风从形成到发展再到消亡的整个过程,以及影响这一过程的各种因素,下面就去看看台风发生时的现象吧!

台风发生发展的理论

台风发生发展的理论 台风发生时的现象

台风

热带气旋同温带气旋一样在北半球都是反时钟旋转,但它们 生成的原因不同,温带气旋的发生发展是等温线和等高线呈交叉 形成的力管场,由斜压不稳定提供的能量发展起来的。热带气旋 是处在正压的热带地区,等温线和等压线几乎是平行的。

那么,诱发热带气旋发生发展的能量是从哪里来的?长期以来,气象学家进行了大量研究,提出多种发生发展的理 论,如 CISK 理论、多尺度组合理论、正压不稳定理论以及中纬度 扰动所产生的侧向力理论等,其中CISK理论被认为能较合理地 解释热带气旋的发生发展,多尺度组合理论近来也受到重视。这个理论是由Charney 、Eliassen及 Ooyama首先提出 的,它是在“热塔”②概念和静态(Steady-State)理论基础上发展起(2.5)式 中u 、v分别为径向和切向风速,为垂直速度,θ=的,由此可得关系式T为位温,φ为重力位势, Q 为单位质量的对流凝结加热率。假定Q 正比于潮湿空气的辐合,便得到Q的 一 种简单的参数化形式,在两层模式中为:L 是凝结潜热, q。

是饱和比湿,μ是比例因子,ψ是流函 数,△=pg-p₁,下标“1.2.3 … ”分别为第1.2.3 … 层上的数值。假定模式底即摩擦层顶,并取ψ=ψ(r)e”,经过一些推演,可以得到关于ψ₂ 的单一方程考虑到涡旋范围内(r≤a)有上升运动和对流加热,而在 r>a的区域为非加热区,同时在 r=a处,流函数和气压都是连续来的。静态理论将台风作为一个对称的、自由转动的涡旋处理,未 考虑次级环流和主要环流(涡旋)间的相互作用。CISK理论则 把有组织的湿对流同天气尺度涡旋联系起来,考虑了主要环流和 次级环流间的相互促进,也就是说考虑了天气尺度扰动与积云对 流之间的正反馈过程,因此能比较成功地解释了热带气旋发生发 展的物理过程。

按照 CISK理论,台风发生发展的物理过程是在热带扰动 中,积云单体通过释放凝结潜热而使大气增暖,进而导致地面气 压下降,低空气旋性环流加强。同时,由于边界层内摩擦作用, 风向与等压线之间有一定交角,使风速有向中心的分量,于是增强低空辐合和潮湿空气抬升,而辐合上升又利于更多积云发展, 释放更多的潜热,大气继续增暖,暖核进一步加强,从而使地面气压继续下降,如此循环,最终发展成台风。

(2.8)式中: J₀ 、J₁分别为零阶和一阶 Bessel函数。 H₀ 、H₁分别函数。

如给定参数,可以求出增长率σ与扰动半径 a的关系。如取热带大气参数,可算得不同加热条件下σ和 a 的关系,可以看到,对于较合理 的 加 热 强 度 ( μ =0.8),扰动增长 e 倍的时间为2 . 5 天,对应的 半 径 a为 100 ~200km。这同观测到热带低压发展成台风的时间是比较一致的。 由此可见, CISK理论实际上就是潜热正反馈相互作用过程。

可以看出,在台风发展过程中,积云对流释放的凝结潜热是驱动扰动发展的主要能源,而Charney等人最早提出的CISK理论,特别强调边界层摩擦 辐合 (Ekman抽吸)作用,因此也可称为 Ekman-CISK 。 如考 虑轴对称台风,在轴对称气压坐标系中的扰动方程可写成:对流活动和潜热释放又受到天气尺度涡旋运动的制约,即依赖天气尺度扰动产生的水平辐合把积云组织起来。在整个反馈过程中,边界层的摩擦辐合起着很重要的作用,它不仅是消耗因子, 而且是能量的制造机制。许多人在 Charney等人的工作基础上,对 CISK理论作了进 一步研究。Lindzen 认为, CISK的产生不一定非要 Ekman抽吸 不可,热带大气中的惯性波(如重力波、Kelven 波和混合 Ross-by— 重力波等)可造成潮湿空气的辐合,促使对流发展,同样 可以导致 CISK,即所谓的 Wave-CISK 。

麦文建考虑积云对流加 热和动量混合作用,提出了积云动量混合激发 CISK, 即 CMM-CISK 促进台风发生发展的机制。李崇银则将 Ekman 抽吸积云 动量混合作用同时引入台风模式,结果表明,积云动量混合作用 同 Ekman 抽吸一样可以导致 CISK,而且这两种过程存在相互促 进的作用。在上述 CISK 理论中都没有考虑基本气流的作用,而实际上台风发生发展与环境流场,特别是与切变基本气流有关。

台风发生发展的理论 台风发生时的现象

台风

所以, 李崇银从线性化扰动控制方程出发,讨论了切变基本气流中的 CISK,结果表明,垂直切变基本气流的存在,对CISK有抑制作用,不利于扰动发展;对流层低层的气旋性切变基本气流和高层反气旋切变基本气流都可以强化CISK,而有利于台风发生发展。这些理论结果同观测事实是一致的。从以上讨论可以看出, CISK 理论对于台风等热带涡旋的发 生发展及其重要特征能给予较好的动力学解释,基于CISK 理论 的许多台风数值模拟试验也是比较成功的。但用它解释热带天气 系统的早期阶段的增强还存在一些问题。

Gray认为这些问题包括:①扰动的流入气流只有一小部分是边界层辐合驱动的,而大 部分辐合发生在边界层以上,因此,用 Ekman 辐合不能给予解释;②早期的CISK 模式中,过高地估计了凝结加热所导致的温度增加;③径向环流和湿空气辐合将使扰动能量减少,而不是CISK 理论所希望的那样获得能量;④CISK 理论不能解释许多不发展的天气系统,也有大量湿空气辐合和降水的现象;⑤CISK 理论难于说明系统的发展要求有大量额外的能量流入。因此,Gray 对 CISK 理论提出了疑问,并且认为“积云塔”对环境的作用不能简单地看成是直接加热作用,而是直接冷却、间接加热的过程,总的效果仍起加热作用。从这个意义上讲, “积云塔”亦可称为“冷塔”,虽然整体效应仍是加热,但它对“热塔” 机制已有新的含义。

台风发生时的现象

长浪:当台风还在较远的洋面上时,在海边就能看到从台风中心传播出来的一种特殊海浪。浪顶是圆的,声音沉重,节拍缓慢。浪头通常有1-2米高,浪头之间的距离较长。靠近海岸时会变成滚滚的碎浪,常使海岸的水位升高,浪涛汹涌。

海鸣:台风来临前2-3天,沿海可以听到其嗡嗡声,如远处飞机的声响,又如海螺号角或远雷回旋,在静夜尤其清澈响亮。

海火:台风来临前2-3天,可看到海面发出点点、片片的光,不停地闪烁,时沉时浮,实际上这是一些发光的浮游生物在海面浮动时呈现的景象。

高云出现:在台风最外缘是卷云,白色羽毛状或马尾状甚高之云。当此种云在某方向出现,并渐渐增厚而成为较密之卷层云,此后,云层渐密渐低,常有骤雨忽落忽停,这可能是台风接近的预兆。

鱼类上浮:浅海鱼类在台风逼近时要上浮,一些较大的海洋动物如海豚也往往群集海面。有时还可发现一些上浮的深层鱼类、底栖动物,如海蛇浮上海面缠结成团等。

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