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最后一次更新在星期四,2023年2月02|飓风研究

气和Q2的热通量通过顶部和底部层,分别时通量和Q系统变得稳定,这样问= = Q2。之后,在1940年代,薛定谔说在他的专著《生命是什么?”,生命的存在取决于其连续获得“负熵”从其周围的环境(薛定谔,1944)。这意味着系统的负熵流是非常重要的,无论是生活还是无生命的(Prigogine, 1955;De Groot Mazur, 1984;Glansdorff Prigogine, 1971;薛定谔,1944;奥德利,1971;Katchalsky伦,1965)。负熵流,将导致系统最初平衡组织或即使在休息的时候,或者领导一个系统已经处于非平衡状态远离平衡(即导致加强)。

图2所示。卡特里娜飓风的最佳轨迹位置,23-30 2005年8月。(学分:http://www.nhc.noaa.gov/pdf/TCR-AL122005_Katrina.pdf)。红点标志为相应的飓风中心的位置,图4所示。

本节的目的是主要使用熵流公式,作为一个逻辑组件的熵平衡方程(Prigogine, 1955;De Groot Mazur, 1984;Glansdorff Prigogine, 1971),计算三维瞬时流场熵的关系,然后讨论熵流与大气系统的开发(飓风)。本研究的系统选择飓风卡特里娜(2005)(参见图2)是非常强大的和致命的伤害总成本(约810亿美元)被飓风的两倍左右安德鲁(1992)和死亡的总数超过1800 (Knabb et al ., 2005;McTaggart-Cowan et al ., 2007;刘et al ., 1997)。考虑到其影响范围,卡特里娜是最具破坏性的之一自然灾害在美国的历史。

2.2理论和计算公式

开放系统的熵变包括两个贡献的部分:一个是熵流所引起的积极或消极的熵交换与其所处的环境;,另一种是正定系统中由于不可逆过程熵产生。这可以熵平衡方程所描述的是来自吉布斯和地方的关系平衡的假设,对单位体积熵,年代,是表单的dS -…

T >问叫做熵流矢量金桥,T和Jk热流,温度,化学势和扩散流组件k,分别与扩散流定义为pk和Vk是组件的密度和速度k,分别和V重心的速度在这种背景下,有关Vk V = ^ PVk / P;表达的热流近似,根据傅里叶法(Origogine, 1955;De Groot Mazur, 1962),其中X是热导率。Eq。(2) c表示熵产生的" div "术语是熵流,单位体积,熵与熵的具体年代年代= p p是密度(De Groot Mazur, 1962;窄小的街道,2003)。在本章中液态水的组件已经省略了由于水含量(约5克m3平均超过热带地区)的密度远低于蒸汽或空气干燥(刘et al ., 1997;梅森,1971)和只考虑两个组成部分,也就是说,蒸汽和干燥的空气密度与相应的pv和Pd和部分质量Nv(=问具体的湿度)和Nd (= l - q),分别。因此,熵年代每单位质量由相应的平方蒸汽和干燥的空气,sd, Cpv Cpd的定压比热容是蒸汽和干燥的空气,分别;e蒸汽压力;房车和Rd是蒸汽的气体常数和干燥的空气,分别。 Usually the velocity Vq for vapour is assumed to be the same as Vd for dry air so that the diffusive flow Jk = 0 in this case since Jk = pk (Vk - V) .

针对上面公式推导基于笛卡尔坐标,而是使用NCEP / NCAR再分析数据在这封信是恒压层(Kalnay et al ., 1996),有必要将熵流的表达式转换为在p-coordinates基于共同的变换关系(Haltiner和马丁,1957)。

s =平方+ sd = q (Cpv InT - Rv Ine) + (1 - q) [Cpd InT - Rd ln (p - e) l

哒= (dA)哒dp dz ^ dx dx p dp dz dx p

哒= (dA)哒dp dz_) dy dy p dp dz dy p

dA = dA) _dA_ dp dz ^ dt dt p dp dz dt p

一个是一个任意变量;用()表示所有派生了p-coordinates p和其他人否则z坐标。因此,熵流成为最后

. .^ dpsu dusv dpsu .3d。dpsv .3d。dsm -divJS = - - - - - - p - (-) - p - (-) - p -

dxdy dp dx dp dy dp

Xp, d2T d 2 t„dd d2T„dd d2T 2 r。dd2 dds2 -。d2T + - {- r + p - r + 2, + 2 p + p2 [(-) 2 + (-) 2) 2

d2d d2d dd d2d dd e2d .dT 22 32 p t + (2 + 2 + p + p - -) - + p2 g - t (9)

dx dy2 dx dpdx dy dpdy dp dp2

+ (1 + dd dq) (dp ^ dp dd p dT p2 dT dd)

1 dT dddT。,dp dp dd p dT p2 dT dd p2g2, dT, 2 + (+ -) (- + p - - - - - - - - - - - - -) + 6(-) 2},我dy dy dp dy dp dy dy T dp dy dp u和v在x和y方向上的速度恒定压力层,分别;m p-coordinates垂直速度;d的位势高度与d =广州g的重力加速度;用数学表达年代特定的熵,在情商方面。(5)在本章。

接下来,我们将检查三维熵流场,计算域包括飓风和其周围的区域,在两个方面。其中一个是讨论熵流的垂直的横截面(见图4)直接基于计算从情商。(9),另一种是总熵流的飓风(见图5)通过其横向边界,X,积分计算的熵流矢量的散度Js在整个系统体积V,和一个离散的版本集成做了总结所有现包含曲面。后者是基于著名的高斯公式(Bronshtein Semendyayev, 1997):

存款准备金率rr dP博士

它(P cos«+ O因为¡3 + R舒适)d X =敌我识别(- + - + -)dxdydz (10)

dx, dy dz科,cosft和舒适的方向余弦曲面X正正常的方向,和P, R O和熵流矢量的三个组件是Js =π+橙汁+ Rk在X, y和z方向,分别。

飓风的总熵流的计算是由加法现熵流在每一个在这个系统在恒压层,然后在每一层。因此,一个单一的数字可能代表系统的熵流的强度在任何给定的时间。计算近似熵流总首先在每一层的压力,通过总结一个圈内的所有现集中在卡特里娜飓风的中心半径6度(因此水平边界定义的飓风),然后求和所有层(因此顶部和底部压力层被当作卡特里娜的垂直边界)。

2.3结果与讨论

我们将首先研究的总熵流变化卡特里娜飓风基于美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP / NCAR) 1°x1°(经度)决议再分析数据(Kalnay et al ., 1996)。

18 utc 12 utc 06 utc 00 utc 18 utc 12 utc 06 utc 00 utc 18 utc 12 utc 23日8月24日8月25日8月26日8月26日8月27日8月28日8月29日8月8月29日8月30日

图3所示。进化的总熵流(微软在106年J k - 1 s - 1)对卡特里娜飓风每隔6小时,与最大持续的变化风速(Vmax kt)作为参考。

18 utc 12 utc 06 utc 00 utc 18 utc 12 utc 06 utc 00 utc 18 utc 12 utc 23日8月24日8月25日8月26日8月26日8月27日8月28日8月29日8月8月29日8月30日

图3所示。进化的总熵流(微软在106年J k - 1 s - 1)对卡特里娜飓风每隔6小时,最大持续风速的变化(Vmax kt)作为参考。

图3显示了变化,每隔6小时,累计熵流的卡特里娜飓风以及相应的最大持续风速飓风的强度的代表。从图3,存在一个普遍趋势这两条曲线之间的海温与前阶段总熵流的最大风速。卡特里娜例如,经历过更多的增加净负熵流00:00 UTC时间2005年8月28日,这是紧随其后的是其连续强化快速加强发生在8月28日的早晨。另一方面,卡特里娜的负熵流值明显下降,甚至转向正熵流00:00 UTC 8月28日之后,随后逐渐减弱的卡特里娜飓风从其峰值强度150 kt之后在8月28日在18:00 UTC。尤其是卡特里娜经历了一个戏剧性的减少负熵流和连续转向正熵流阶段期间从18:00 UTC 28日06:00时UTC 8月29日卡特里娜的快速削弱因此6小时后从UTC 8月29日12:00开始。因此,飓风的总熵流可能包含一些重要信息有利于其强度预测。

此外,发现周围的不对称熵流模式的卡特里娜飓风的中心低对流层(例如850 hPa为图4所示的两次18 UTC 26日和8月28日也明显的红斑卡特里娜飓风的轨迹容易参考图2)包含一些重要信息跟踪预测飓风。

18 z26aug2005

18 z29aug2005

: 图4所示。熵流场在850 hPa在18:00 UTC 26日至2005年8月29日在18:00 UTC(时间显著高于各自的小组)。红点代表的相应位置飓风中心的各自的时间。

这些结果暗示经典热力学熵可以作为订单参数大气系统,熵流分析可能的机制提供了新的见解负责系统的生命周期。鉴于卡特里娜(2005)倾向于朝着它的中心与较强的负熵流,低水平的熵流模式(例如850 hPa)飓风追踪的可能作为一个指标。从耗散结构的理论,这是可以理解的(·尼奇克et al ., 1998):负熵流进入一个开放的系统可能会使系统远离平衡离开或使它加强这一地区较强的负熵流区域,飓风可能成为可能的方法。

3所示。改善跟踪飓风预测基于热力学第二定律

3.1简介

多体系统的进化的气氛非平衡涉及到不可逆系统内扩散等物理过程。一个合适的描述扩散至关重要的数值天气预报(NWP)模型(Smagorincky, 1963;Eliasen劳尔森等,1990;斯蒂芬森,1994;比彻,2001;Burkhardt比结和,2006)。

NWP模型早期(1975年Cheng)二阶扩散方案,的确,作为粘性耗散项类似引入预测方程,这基本上是物理意义的Fickian扩散过程。然而,值得怀疑的是二阶方案可以充分描述混合过程在大气中。在1980年代一些模型发展到第四或高阶扩散计划(尖刺外壳et al ., 1987;劳尔森Eliasen, 1989)。四阶方案成为最常见的选择,因为他们有更强的scale-selectivity相比,二阶方案(皮尔克,1984)。现在问题出现以来第四个订单计划可能创建upgradient质量或热传输,这是虚假的,违背了热力学第二定律的不可逆性原则。在自然界中,模型,利用四阶扩散计划可能产生非现实的振荡像吉布斯现象(皮尔克,1984)。虽然水平动量扩散的新配方贝克(2001)提出的很有创意公司的物理基础,定义好当地的摩擦升温速率(损耗)。然而,问题的关键可能在于,耗散只在nabla-square正定对称的横向扩散。因此,作为贝克(2001)指出,提高订单的物理意义是一个开放性的问题,即使应力张量是对称的。 Recently, Burkhardt and Becker (2006) argue even that the new horizontal scheme developed and tested requires the replacement of the hyperdiffusion with a V2-scheme (in order for horizontal dissipation to be positive definite or keep the full irreversibility). To sum up, V2-scheme has been replaced by V4-scheme owing to the latter's merit of better scale-selectivity. Now, we find that V4-scheme can not guarantee being positive definite and then have this chapter of ours to present for suggesting a new scheme that can both remove two-gridlength waves and keep the full irreversibility with the basic theory introduced in section 3.2 below. The full irreversibility principle exerts an entropy constraint on irreversible processes in a many-body system. The studies (Liu and Liu, 2004, 2005) demonstrated, the discretized atmospheric system must still satisfy the second law of thermodynamics, and improved simulations can be achieved when the irreversibility principle is enforced in a NWP model. The discretization stencil for the diffusion algorithm in a NWP model presented in this chapter is just based on full irreversibility and, the physics-based "fourth-order" scheme would lead to dramatic improvements in the model outputs as viewed when the new scheme based on the theory described in next section is applied to a meso-scale model (Dudhia, 1993; Grell et al, 1995).

3.2理论

新的扩散算法的原理可以简述如下。一般预后变量的水平扩散,通过添加一个特设的术语建模,联邦住房管理局,右手边的预后方程为:

dt, FHA只是情况项添加和N表示扩散以外的所有条款。常用的四阶扩散方案,采用在第五宾夕法尼亚州立大学/ NCAR中尺度数值模式(MM5)(时et al ., 1995),将显示一个扩散公式不足从经典热力学的观点。为了简单起见,让我们考虑中央有限差分形式的一维四阶扩散在MM5条款:

= Ka [4 (Ai + i - Ai) + 4 (A - 1 - A) - (+ 2 - A) (aA - 2 A)), (12)

正定扩散系数和KA, Ai人工智能±1和Ai±2网格点的值是我,我±±1和2,分别。

从情商。(12),很明显,人工智能和人工智能之间的梯度+ 1 (Ai-1)确保质量或热downgradient运输,但人工智能和人工智能之间的梯度+ 2 (Ai-2)导致的质量或热传输upgradiently,与完整的不可逆性原则不一致。因此,情商的四阶扩散计划表示。(12)不能保证是一个单调方案(Crandall Majda, 1980)。

MM5的水平扩散方案可以按照的原则重建完整的不可逆性改变的符号人工智能±2在情商方面。(12)来执行一个不可逆转的扩散过程。这种新形式是:

KA '是正定扩散系数从KA但这可能有不同的价值保持不变在目前的新方案,并给出VTAi:

VrA i = D1 [(Ai + 1 - Ai) + (Ai-1 - Ai)] + D2 [(+ 2 - Ai) + (A - A)], (14)

D1和D2扩散权重。现在所有的迹象都是正的,除了那些前Ai。

从情商。(14)这个新计划是符合全不可逆性因为这计划确保扩散项必须始终downgradiently运输质量或热量。接下来我们首先验证这个理论的价值与一维粘性伯格斯方程的精确解,当它运行稳定流动。一维粘性伯格斯方程可以写成杜杜1 d 2 u

u = u (x, t)是流速,是吗Renolds数量本章与Re = 100.0中设置。这样一个耗散流没有迫使最终将趋向于稳定的流。例如,如果初始条件被认为是线性分布u = - x在t = 0, - < x < (16)

与边界条件

1 x = - 1 x =然后存在一个特殊的解决方案:u = - th [x] (Re / 2),这是一个稳定的解决方案包含。以防中央差分格式将使用方法,从初始条件Eq。(16)和集成到一个特定的时间内(2 s),这种特殊的解决方案具有一定的准确性。

: 图5所示。比较一维粘性汉堡方程的解析解,与数值解源源不断之间所使用的原始的和基于物理扩散计划(见文本细节)。

计算结果表明,所使用的最终解决方案与原扩散计划有吉布斯振荡(皮尔克,1984)附近的“冲击波”,速度梯度突然增加(图5)。另一方面,数值解与解析一致的达成计划(原四阶)时改变,在这一节中描述的理论基础上,基于物理方案,满足热力学第二定律的限制(图5)。

在下一节中基于物理扩散的影响方案将通过一系列的数值模拟,特别是飓风的表面最小压力和最大风能。

3.3结果与讨论

在本节中扩散方案是基于热力学第二定律的改造,确保downgradient运输上面描述的方式,然后应用到宾夕法尼亚州立大学/ NCAR中尺度中尺度模式(时et al ., 1995)安德鲁飓风(1992)作为一个案例来模拟与演进的强调其表面最大速度Umax pmin和最小压力。

美国在1992年安德鲁飓风成本约250亿美元(Wakimoto和黑色,1994;美国国家海洋和大气管理局,1992)。登陆的飓风被MM5模拟研究(刘et al ., 1997)。这个飓风开始作为一个热带扰动在非洲西海岸附近1992年8月14日。开发然后减弱直到1992年8月1200 UTC 21当上层低其西北西开始脱离北方低,成为一个槽继续撤退,导致垂直剪切减少安德鲁飓风。达到飓风的强度(Umax >水面坐33米)8月22日。UTC从0000年8月21日至1800年8月23日UTC,中央从1014年到922年下降hPa的压力,92 hPa下降的速度2.2 hPa / h,符合定义的标准迅速深化飓风霍利迪和汤普森(1979)。在达到它的最大力量,安德鲁飓风暂时减弱,但它再次加强了佛罗里达海峡到登陆。然后安德鲁飓风减弱,因为它遍历佛罗里达在接下来的四个小时(从0830 UTC 1230 UTC) 8月24日。初始化了MM5 NCEP / NCAR再分析,增强了美国海军无线电探空仪,额外的表面观察和海面温度数据(Kalnay et al ., 1996; Liu et al., 1997), at 1200 UTC 21 August 1992 at which time Hurricane Andrew started to strengthen rapidly. The model was then integrated for 24 hours. The 24 sigma layers in the model are chosen to have high resolution in the planetary boundary layer and a moderate grid, with 18 km horizontal resolution and 124x94 grid points, is run nested within a coarse grid, with 54 km horizontal resolution and 82x64 grid points, centered on 75W, 25N and 72W, 24N, respectively, and with time-steps of 120 s and 40 s, respectively. The boundary conditions of the outer domain are from a linear interpolation of the 12-h NCEP/NCAR reanalysis (Kalnay et al., 1996). The coarser grids provide the finer grids with time-dependent boundary conditions, and the solutions of the finer grids feed back to the coarser grids every time-step due to the two-way nesting.

进行了两个模拟安德鲁飓风。一个是与标准MM5扩散方案,另一个是与3.2节中描述的新方案。无花果。6和图7显示表面的时间序列最小压力(中央压力)和表面最大(持续)风速分别为6小时观测和模拟24小时内从1200 UTC 8月21日到1200 UTC时间1992年8月22日。比较仿真结果表明,新方案明显提高了模型精度预测飓风的强度。从无花果。6和7,改善输出更接近观测比从原来的模拟。

Pnew

图6所示。比较表面观察到的变化的最小压力,pob,的

安德鲁(1992)与UTC时间1200年8月21日1200 UTC 8月22日,1992年的模拟输出压力的新旧MM5版本,分别经营和Pnew。

pob -观察压力

由旧MM5 Pod -模拟压力

Pnew——新MM5模拟压力的

图6所示。比较表面观察到的变化的最小压力,pob,的

安德鲁(1992)与UTC时间1200年8月21日1200 UTC 8月22日,1992年的模拟输出压力的新旧MM5版本,分别经营和Pnew。

pob -观察压力

由旧MM5 Pod -模拟压力

Pnew——新MM5模拟压力的

图7所示。图6中一样但表面最大风速。

Vobs——观测风速

视频点播,由老MM5模拟风速

Vnew——新MM5模拟风速

图7所示。图6中一样但表面最大风速。

Vobs——观测风速

视频点播,由老MM5模拟风速

Vnew——新MM5模拟风速

事实上,为期一年的连续模拟包含365 24小时运行的和已经完成使用相同的MM5模式使用相同的24小时模拟设置,从0000 UTC时间2005年5月1日到0000年UTC时间2006年4月30日验证改进的基于物理方案的可靠性。一年期平均(平均超过365 24小时模拟)

分数比例提高利率(分数比例提高率我的均方根误差(RMSE)一个变量被定义为I = 100 * (Eo-En) /光电(%)和Eo在错误的原始和新方案,分别)是5.57%,9.32%和4.41%的纬度(u)、纵向(v)速度和温度,分别。

图8所示。500 hPa再分析数据的比较在2005年9月0000 UTC 3 (a)的24小时输出水平风场在0000 UTC时间2005年9月的数据在0000 UTC 2 2005年9月之间的初始条件水平扩散方案(b)和新老计划(c)。

所示的情况下粘性汉堡附近的吉布斯方程有一个振荡“冲击波”当原扩散方案,突出的是输出的控制运行通常比那些来自“嘈杂”使用基于物理的运行方案。图8显示了一个例子在一年的连续模拟,再分析比较的数据在0000 UTC时间2005年9月24小时水平风输出在0000 UTC时间2005年9月与数据0000 UTC 2 2005年9月作为初始条件。从图8,作为一个整体,纵向速度(v)的改善比,在纬向(u),但我们想特别提到,巨大的反气旋西部的域是新方案已经使用后明显改善。总之,目前的有限差分形式的四阶水平扩散方案采用细观模型不符合热力学第二定律,应该通过一种新方法新配方基于物理定律。的潜力提高模拟精度的中尺度数值天气预报模式通过这个thermodynamics-based方案说明通过一维粘性伯格斯方程的情况下运行稳定流动以及一系列模拟天气事件。本章中提出的新方案导致减少均方根误差和改进预测的模拟。

4所示。了解热带气旋频率变化的热力学原理

4.1简介

观察结果表明,热带气旋(TC)的数字往往会变得减少了一些海洋盆地在最近多个几十年变暖的环境。方法论的理解机制负责这种看似有悖常理的现象是建议在这一章。

0.52

“0.46

0.52

“0.46

: )TC盆地140 e数字趋势►TC数字趋势WNP ITC7相对涡度

	46-1
26日—	04 -
o
22日-	t5 401 38 -
(D
18岁
16 -	E 30度28 -
14 -	£26 -
12 -	2422 -

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

图9所示。长期进化为TC系列数字WNP和盆地以西140 oe以及平均房车(纯s_1) ITCZ的季风槽型在1949 - 2007年(见文本数据源)。

这里,如上所述,TC的WNP发生频率倾向于减少从1960年代末小波动(图9)为例,讨论可能的机制负责因果关系。

在图9中TC数字的数据从热带气旋年鉴1949 - 2007 (CMA)和相对涡度(RV)是根据国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP / NCAR) 2.5 " x 2.5 "(经度网格)再分析数据。

鉴于大多数TCs是起源于周围热带辐合区(ITCZ)ITCZ的强度和位置可以被合理的房车(见下面的文字详情),这项研究是安排如下:TC起源的主要来源和ITCZ的季风槽型WNP在下一节描述;及其可能原因讨论ITCZ可变性在4.3节给出关注太平洋的影响变化和太平洋ITCZ迁移模式;进一步讨论和提出了结论性的言论在4.4节。

4.2 TC创世纪和ITCZ的主要来源

根据以前的研究(灰色1967;贝茨1970;恰尼1971),80 - 85%的TCs起源于ITCZ或就其向极一侧,季风槽型的ITCZ位于盆地以西140 oe WNP TCs的主要来源。另一方面,TC起源和发展的必要条件包括更高的太平洋,低层涡度更强,弱垂直风切变和更高的纬度的副热带高压的位置岭/ ITCZ,这些条件却不同样重要。其中低水平涡度应该TC创世纪以来初始扰动的基本因素是TCs的胚胎。此外,ITCZ的强度作为主要系统生成TCs可以描述的房车(例如使用房车在ITCZ 850 hPa定义,是陈和埃文斯(2002))。事实上TC数字WNP和盆地以西140 oe与RV在ITCZ高度相关,在图9中看到这些数字显示与RV几乎同步变化。对应的相关系数WNP盆地以西140 oe 0.001显著性水平为0.6552和0.6614,分别。注意到,在马和陈(2009),10年滑动平均年度TC频率数据和NCEP台风季节意味着风资料已经应用的长期演化系列的平均TC数字和房车(925 hPa在纯s - 1) ITCZ的季风槽型1949 - 2007年期间,这July-October (JASO以后)的定义是台风的季节因为JASO是最频繁的季节WNP TCs。这将是一个合理的方式来讨论TC频率之间的因果关系和太平洋变暖趋势通过ITCZ WNP可变性的媒介。

4.3 ITCZ可变性及其可能原因4.3.1 ITCZ变异

下面的分析是基于NCEP / NCAR 2.5”x 2.5°ITCZ的分辨率水平风再分析数据字段的房车是发现通过房车在恒压下,全球之声的定义,u和v RV,纬向和纵向速度恒定压力,分别和2.0°x 2.0°对海温数据字段(Kalnay等1996)。所有的方法计算的时期JASO如上所述。

失去的20年(1989 - 2008)

100 e

120 e

120 w

100 w

100 e

120 e

140 e 160 e 180 160 w 140 w

前20年(1948 - 1967)

120 w

100 w

140 e 160 e 180 160 w 140 w

前20年(1948 - 1967)

: 100 e 120 e 140 e 160 e 180 160 w 140 w 120 w 100 w 80 w过去30年(1979 - 2008)

40 n 35 n 30 n 25 20 n 15 n 10 n 5 n情商

继续阅读:72年3月WDM6 h

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