Dt rdr r dp
控制对流混合(或平流的联合效应和扩散)在正压框架中,v在哪里涡流粘度系数。给定一个PV分配初始时间,方程(47)在后续的时间支配PV的进化。用平流输送风u和v变化每个时间步长,并由前面所讨论的可逆性原理决定的。风也用平流输送任意被动示踪剂c (r,泰,t),在华盛顿d (rc) dt rdr v直流„9 r倾斜
在真正的大气,这quasi-passive示踪剂水蒸气分子或派生的热性能如潜在的温度。它是深刻的检查水平对流和扩散的相互作用(47)和(48)。微分平流平流,或者更确切地说(用平流输送风速随时间和空间),创建一个复杂的几何结构的任意行为主动或被动示踪剂。然而,真正的混合空气不能发生,除非包裹与通过扩散交换性质。因此,对流混合的联合效应是由于可逆平流和不可逆转的扩散。中村的观点(1996)、微分平流作用变形示踪轮廓,以便有更多的界面扩散行为。他提供了一个修改后的“有效扩散”方程的推导,在参数化微分平流的影响更大的扩散系数。亨德里克斯&舒伯特(2009)应用有效扩散系数诊断发展的正压左图是漩涡,并确定混沌混合的位置和大小和局部障碍区域。混合地区断裂附近涡罗斯比波,当局部障碍区域附近的切向飞机。
在浅水模型进行数值模拟的PV环类似如图5所示。最初的戒指被定义
r2 < < r3, fc + r3 < r < r4
Z1 = 0, Z2 = 3 x三年代,Z3设置为最小的负值,这样循环边界消失。半径r \ = 20公里,r2 = 24公里,r3 = 38公里,和r4 = 42公里,和S (S) = 1 - 3 s2 + 2 s3是一立方埃尔米特函数形状,提供平稳过渡区。眼睛被定义为区域r < r \,眼壁之间的区域被定义为r2和r3,和过渡区之间的区域被定义为r \和r2, r3和r4。启动不稳定过程,宽带扰动(脉冲)添加到基本状态涡度(6)的形式
S (^) n < < r2, r2 < r < r3, r3 < < r4, 0 r4 < r <, f, Zamp = 1.0 x的纯S - 1是方位的振幅和相位波数m。对于这组实验中,相位角度被选为随机数范围0 < < 2 n。在真正的飓风,脉冲将从背景对流运动的广泛发展。在椭圆,高度h (r, < p)是由解决非线性平衡方程使用涡度的基本状态和初始散度5 (r, ty)被设置为0。
在图6中,上面的PV环的非线性演化在浅水模型显示。在图6中,显示了PV不对称和非对称速度矢量在这个模拟t = 2 h,在图6 b显示在相同的非对称速度矢量扰动的高度。查看图6 a,注意有两个涡罗斯比波存在内外PV渐变的位置,分别。两个波锁相同时传播相对于地球角速度。注意,这个最不稳定模式PV环是m = 3,这外PV异常倾斜upshear内PV异常。还注意到扰动风是消极的PV异常反气旋(蓝色)和气旋正PV异常(红色),而且upshear锁相是允许内外PV异常优化相互作用,导致变形的初始轴对称戒指,类似于图5中的概念模型。在图6 b,注意,气旋异常降低高度,和反气旋异常与更高的高度。最后,注意风大约持续扰动的轮廓高度平行,这表明这些漩涡罗斯比波很大程度上是平衡的。如果漩涡的中心被视为北极,这些涡罗斯比波非常类似于大型行星罗斯比波负责低频变化天气模式。涡旋罗斯贝波模式正压模式类似于full-physics模型模拟的王(2002)。模拟,气旋PV扰动涡是加上上升气流和低水平趋同,因此在现实中,对流耦合涡罗斯比波通常存在于飓风。该耦合波被假设蒙哥马利& Enagonio(1998)和穆勒和蒙哥马利(2000)是重要的热带风暴之发展形成以及飓风强度的变化。
图6 c,光伏的发展环显示整个实验中,每个小组5 h。随着内外涡罗斯比波同时增长,圆环被扭曲成一个多边形的形状与直线段。内涡旋罗斯贝波减免cyclonically画低PV空气从眼睛到眼壁。同样外涡旋罗斯贝波减免anticyclonically类似椭圆,绘制高PV的眼壁向外的PV细丝。在这枚戒指的进化,眼睛合同以不对称方式,漩涡慢慢使对称磁单极子。有趣的是,Hodyss &诺兰(2008)发现,这些多边形的形状也可以形成当Rossby-inertia重力波不稳定是最不稳定的模式。
在这些光伏混合事件,重大的改变可以发生在旋涡结构和强度。方程(33)可以写成
左手边的方位的局部变化意味着角动量,右边第一项M的变化是由于平均转矩,第二项右边是M由于涡流力矩的变化。
在图7中,角动量预算模拟计算从0-35 h。初始半径最大风力在PV环的边缘,或大约在r = 42
图6所示。板:1)非对称PV不对称风矢量显示的最不稳定模式m = 3。b)非对称风矢量显示在微扰高度字段。c)的进化PV环实验的浅水模型。第一个图是初始条件和每个后续图5 h。在面板)和b),向量是绘制在该地区15公里< r < 45公里,红色(蓝色)阴影表示积极(消极的)值。
图6所示。板:1)非对称PV不对称风矢量显示的最不稳定模式m = 3。b)非对称风矢量显示在微扰高度字段。c)的进化PV环实验的浅水模型。第一个图是初始条件和每个后续图5 h。在面板)和b),向量是绘制在该地区15公里< r < 45公里,红色(蓝色)阴影表示积极(消极的)值。
公里。三条曲线绘制。“实际”曲线描绘了我的左手边(7),和“卑鄙”和“艾迪”曲线描述的集成左边从0-35 h使用15分钟上的梯形法则分辨率的输出。由于光伏混合是一个高度不对称的过程中,平均期限大约是处处为零。这主要是因为几乎为零。然而,在现实与下级流入飓风,这学期将贡献积极的变化在较低水平。占主导地位的项是eddy-induced项。漩涡在该地区发挥积极扭矩0 < r < 35公里,负转矩在该地区35 < r < 70公里。查看这方面意味着切向动量v,这对应于一个25 m s - 1 r = v = 20公里,r = v = 5 m s - 1 40公里。另外的半径最大风力合同内,和更大的风在小半径增加v2 / r的梯度风平衡方程,导致高度(或压力)字段光伏混合后低于初始条件。 This is the dual nature of PV mixing with regard to hurricane intensity in a barotropic framework: it simultaneously lowers the central pressure and maximum wind (Kossin & Schubert, 2001; Rozoff et al., 2009; Hendricks et al., 2009). Results from simulation of three-dimensional unstable baroclinic vortices in a primitive equation model support these barotropic results (Hendricks & Schubert, 2010). However since observations and full-physics hurricane simulations rarely show that hurricanes simultaneously lower their central pressure and maximum wind (Wang, 2002b), it is possible that moist processes and boundary layer processes modify these results to some degree in the real atmosphere.
艾迪 - - - - - - -实际 |
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0半径20 40 60 80 100 120 140(公里)
图7所示。绝对角动量预算环光伏场模拟从0-35 h。
光伏混合的另一个有趣的方面是quasi-passive示踪剂的混合水平。因为许多强烈的飓风云漩涡(即低水平。空气冷凝)的眼睛,很可能有一个内部混合过程经常发生,影响结构和强度。在飓风的眼睛水平较低,存在一个很温暖潮湿的空气质量(Eastin et al ., 2002)。事实上,飓风等效潜力最大的空气通常是在低水平的眼睛。在PV环的破裂,内部打破涡旋罗斯贝波可以混合高能空气回眼壁,给空气上升,额外的浮力,深积雨云对流的眼壁。这种强化机制研究在最近工作(补习et al ., 2007;蒙哥马利et al ., 2006;珀鑫&蒙哥马利,2003),也暗示了最大强度飓风可能实现在给定的环境中。
3.3同心眼壁周期
另一个内部过程,可能会导致重大的结构性和强度可变性同心眼壁(或眼壁替代)周期,它包含二级眼壁的形成,及其最终收缩和更换内部的眼壁。飞机观测飓风吉尔伯特(1988)(黑色&威洛比,1992)的存在同心眼壁结构的雷达反射率。大约12小时后达到其最小888 hPa的海平面气压,飓风吉尔伯特显示同心眼壁和紧接着的眼壁的更换周期内眼壁消散和风暴削弱。的雷达观测台风“利奇马”(2001)台湾附近(郭et al ., 2004)表明一个巨大的区域核心之外的对流涡周围包裹内眼壁形成同心眼壁在大约12个小时。郭et al。(2008)也报告病例的被动微波数据形成的同心眼壁组织以外的非对称对流主要眼壁成对称的乐队,包围了眼壁。两个这样的同心眼壁的例子是图8所示为台风和台风杜鹃(2003)和伊布(2003)。的时间间隔大约是12 h,估计最大风速显示顶部的形象。
图8所示。无源微波图像序列两个西太平洋台风与同心眼壁(杜鹃和伊布)。每个台风的时间间隔大约是12 h,和估计的最大风速是表示图像的顶部(由海军研究实验室,蒙特雷、钙、美国)
图8所示。无源微波图像序列两个西太平洋台风与同心眼壁(杜鹃和伊布)。每个台风的时间间隔大约是12 h,和估计的最大风速是表示图像的顶部(由海军研究实验室,蒙特雷、钙、美国)
Dritschel &沃(1992)描述了两个正压涡相互作用一般以同样的分离涡度但不同大小和距离。他们执行实验/平面上通过改变两个参数,涡旋半径的比值和分离距离归一化半径较大的漩涡。由此产生的结束状态可以根据两个参数分类成弹性交互作用,合并,紧张政权。弹性交互涉及到变形共同气旋旋转的漩涡。合并制度涉及的部分小涡被删除,和一些被纳入更大的漩涡。紧张的政权,一个薄的丝周围涡度带中央没有并入中央涡涡。许多观测情况下的热带气旋作用类似于理想化的模拟Dristchel和沃(郭et al ., 2000;着陆器和荷兰,1993;拉森,1975;普列托等等。,2003)。 Moreover, the straining out regime appeared to resemble the concentric eyewalls with a moat. However, the outer bands which result from the smaller vortex are much too thin to be identified with the outer eyewall of a tropical cyclone. An important issue in the formation of concentric eyewalls appears to be the development of the symmetric structure from asymmetric convection. It appears that the formation of concentric eyewall has two important aspects: (i) an existing asymmetric potential vorticity distribution is organized by horizontal advective processes and (ii) the potential vorticity is diabatically enhanced during the organization process. Although both aspects are important, it is useful to isolate (i) through the study of highly idealized barotropic model. The dynamics can be idealized as the interaction of a small and strong vortex (representing the tropical cyclone core) with a large and weak vortex of various spatial scales (representing the vorticity induced by the潮湿的对流外核心漩涡)。这种交互的一个强大和大而弱的小涡涡并不是研究Dritschel &沃(1992)作为他们的漩涡是相同的强度,和他们的大漩涡总是“维克多”和小涡是被部分或完全毁灭。郭et al。(2004)引入了一个新参数“涡量强度比率”二进制涡相互作用和添加一个新的维度Dristchel-Waugh参数空间。因此,二元交互作用显化一个新的稳定的最终状态:同心涡度结构。一个强大和周围的正涡度扰动axisymmetrization紧涡度产生同心眼壁结构的核心是研究详细郭et al . (2004;2008)。
说明的正压动态concetnric眼壁形成,首先说明了涡的影响。效果是由于强烈的紧张微分旋转外的半径最大风力产生涡丝。应变效应可能与丝状形成时间ifil量化,在nondivergent流rfil = 2 (Sj + Sj-frK (52)
提供S2 + > Z2, S1和S2的拉伸和剪切变形,分别(Rozoff et al ., 2006)。护城河的丝状形成动力学和它的作用形成了由Rozoff等等。(2006)。丝状形成时间减少为应变强化流动。当地的涡度场的存在可能会抵消紧张流和延长丝状形成时间。图9显示了涡度场在t = 0, 6和12 h紧张的实验。在第一个6小时的集成、周边弱漩涡变得扭曲成一个大约椭圆形状。由于运动引起自己的涡度,这个椭圆逆时针,正如在理想化的基尔霍夫ellips解决方案(郭et al ., 1999)。因此,一个椭圆的走近了强大的核心漩涡,而另一移动的父亲走了。较弱的涡度的部分地区正在迅速接近强劲的核心漩涡是那么紧张,缠绕的核心漩涡近半径。
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- 图9所示。涡度场在t = 0、6、12 h在紧张的实验。
图10所示。初始配置两个圆形漩涡,参数的分离距离,和两个不同半径和涡度优势。小的和强大的漩涡是核心。
图10显示了初始配置的双涡作用同心眼壁实验,与有关参数的分离距离,半径和涡量强度的两个漩涡。Mallen et al。(2005)表明,热带气旋往往表现为相对缓慢下降最大半径以外的切向风风,因此相应的气旋性涡度的裙子。涡度裙子可以很容易地纳入二进制涡流实验。我们考虑一个实验与核心涡涡量强度强7倍,小半径4倍大小比邻近的大而弱的漩涡。分离距离是5倍的核心半径和涡度的裙子也添加到核心漩涡外的半径最大的风。图11给出了涡度场这样一个实验小时0,6和12。t = 6 h,图11显示薄涡丝已多次伤,t = 12 h,涡涡度的混合创造了一个光环核心漩涡。这种结构在t = 12 h是类似于热带气旋的同心眼壁。指出,如果此类事件发生在一个真正的热带气旋,如果它被观察到的只有少数径向腿的研究飞机,
图10所示。初始配置两个圆形漩涡,参数的分离距离,和两个不同半径和涡度优势。小的和强大的漩涡是核心。
图11所示。涡度场在t = 0、6和12 h与核心强涡度7倍,一个实验大小半径小于4倍附近大大小小的漩涡。分离距离是5倍的核心半径。涡度的裙子也添加到核心漩涡外的半径最大的风。
图11所示。涡度场在t = 0、6和12 h与核心强涡度7倍,一个实验大小半径小于4倍附近大大小小的漩涡。分离距离是5倍的核心半径。涡度的裙子也添加到核心漩涡外的半径最大的风。
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- 图12所示。一样的图10除了切向风速沿径向向西发出强有力的核心漩涡的中心。
早期革命的不对称性质可能丢失。图12显示了切向风速沿径向的腿出西从核心漩涡的中心。风资料显示二次风最大显然合同s / 12 h。在承包期间,二次风最大从25米60公里增加到40米35公里。收缩的特性与飓风吉尔伯特的观察一般协议(黑色&威洛比,1992)。虽然外带收缩动力学经常被认为是一个轴对称gradient-balanced过程涉及平流的流的不同部分(夏皮罗&威洛比,1982),图12表明,涡度平流的nondivergent流的一部分也可以导致的收缩动力学同心眼壁形成。
总之,我们现在观察表明区域以外的非对称对流包装内部核心漩涡眼壁形成的同心眼壁12 h。观察表明,同心眼壁形成的一个重要元素可能开发不对称对称结构的对流。理想化的动力学研究热带气旋核心的交互与附近的较弱的涡度nondivergent bartropic动力学。收缩的结果表明,二次风最大可能涡动力学的一个特性。郭et al .(2004)建议关键的角色涡量强度的核心漩涡在维护本身,在strectching,组织和稳定外涡度场、护城河的屏蔽效应,防止进一步的合并和涡度拟能同心眼壁动态级联过程。郭et al。(2008)进一步说明两眼壁大小不同的可能解释为二进制涡相互作用的参数。结果还表明,涡度一代核心和环境(通过中尺度对流)在双眼壁动力学具有十分重要的意义。同心的涡度动态眼壁也是一个很好的例子的二维湍流理论与选择性衰减原理(威廉姆斯,1984)。强劲的核心漩涡外微分旋转可能屈服应变效应,产生涡丝。微波卫星数据,郭et al。(2009)发现,丝状形成过程倾向于做出重要贡献的组织护城河与最大强烈的台风风力大于130节。丝状形成影响是重要的对流过程在TC环境中,可能与组织相关的对流,不对称结构,护城河的形成。因为丝状形成TC强度增加而增加,它起着限制作用在对流特别是外螺旋带地区。而一个完整的正压动力远远低于理论由于忽视垂直运动,摩擦边界层传热过程,理想化给重要的组织和axisymmetrization方面了解同心眼壁结构。
4所示。结论
在本章中,我们回顾了重要的飓风正压方面的结构和强度的变化。第一个动态模型控制发散,介绍了正压在f-plane运动和基本动力性能。重要的波的运动(涡罗斯比波和inertia-gravity波)的线性化方程组管理在任意轴对称涡流扰动。线性的解决方案是用来说明一些正压方面观察螺旋带的飓风。螺旋雨带接近眼壁(或内螺旋雨带),被证明是最常剪切涡罗斯比波,而外层螺旋带形成远离漩涡基本状态PV梯度通常可以从一个不同的机制。他们可以从传热inertia-gravity波流不平衡所产生的影响在自发生成的核心或飓风旋转的运动的核心,或形成热带气旋的形成阶段通过大规模的动态不稳定流动特性,如国际米兰-热带辐合区。
正压模式下被用于检查眼壁过程:正压不稳定的飓风眼壁和随后的PV和被动示踪眼壁和眼睛之间的混合过程。概念模型是描述说明counter-propagating涡罗斯比波之间的相互作用。数值模拟的一个不稳定的PV环被理解的细节进行混合的过程。数值模拟展出polyonal眼壁与直线段早期的混合过程的一部分,然后是最初轴对称慢响使对称磁单极子。观察到多边形眼壁形状和眼睛的漩涡和mesovortices被认为是这方面的证据quasi-barotropic过程发生在飓风。
最后,动态模型和观察被用来检查同心眼壁的正压方面周期。观测表明,同心眼壁可能形成以不对称的方式交互的结果所产生的漩涡核心与一个较弱的涡度异常对流。由于变形流漩涡核心,外外弱涡度异常是紧张和细长axisymmetrization过程中产生二次增强涡环。在这个过程中二次风最大的合同,符合观察和full-physics数值模型模拟,表明部分同心眼壁动力学解释可能是,潜在的涡度平流。
总之,我们注意到,不同的正压框架是一个简化的气氛。除了忽视垂直变化,我们还使用了quasi-conservative框架没有表面摩擦和非绝热加热的影响。这些过程都是元素飓风,他们创造二次循环负责强化。尽管如此,这些研究结果提供了一些基本的非对称动态管理结构和飓风强度变化,在缺乏这些因素。
5。确认
我们感谢教授韦恩·舒伯特和斯科特·富尔顿博士,征求他们的意见和帮助。本研究进行了部分而举行国家研究委员会的研究第一作者为准会员奖在蒙特利的美国海军研究实验室,CA。
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