热带气旋热力学基本定律出发,通过详细分析相变

【摘要】：过去三十年中,热带气旋的强度预报进展缓慢。环境与热带气旋之间的相互作用是影响热带气旋强度变化的重要物理过程,给强度预报带来了较大的不确定性。其中,垂直风切变是造成热带气旋强度变化的一个重要环境因子。垂直风切变通常会造成热带气旋内核区域较强的非对称结构,改变涡旋的动力结构与热力结构垂直风切变,从而影响热带气旋强度。研究表明,热力学结构的演变,与热带气旋的强度变化有着紧密的联系。因此,理解垂直风切变引起热带气旋热力学结构的演变的物理机制是进一步提高热带气旋强度变化机理研究的重要途径。热带气旋从洋面上获取能量并通过“热机”转化为自身发展的动能。其中,熵是描述这一物理过程的重要的热力学变量。在真实大气中,热带气旋的发展包含较复杂的冰相过程,因此有必要寻找完整描述非平衡相变条件下包含冰相过程的熵的表达式,为讨论热带气旋的热力学演变特征提供较方便的诊断分析方法。本文从热力学基本定律出发,通过详细分析相变过程中的熵的变化,给出了三种包含冰相过程的熵的表达式及其变化控制方程,结果表明包含冰粒子的气块的熵与气块中的干空气和总的液态水物质的熵,相变过程中热量的吸收与释放,以及非平衡条件下水物质的化学势变化有关;并证明了三种熵的表达式的等价性;定义了包含冰相过程的假相当位温并指出它与熵之间的关系;根据实际计算需要,通过合理的假设,对熵的表达式作了简化并推导了简化后的熵的控制方程,为分析热带气旋内核区域熵的演变提供了有力的诊断分析方法。

为了研究垂直风切变下成熟的热带气旋内核区域热力学结构的演变特征以及它与热带气旋强度之间的联系,本文利用三维、完全物理的中尺度数值模式,以理想涡旋及平衡的斜压场为初始条件,进行理想的数值模拟。研究表明,在轴对称框架下,热带气旋的强度与内核区熵的径向梯度有很好的正相关关系。在没有垂直风切变或者风切变较小时,热带气旋内中低层眼墙内的熵增加,边界层内与眼墙外围区域的熵没有明显的变化;当垂直风切变较强时,热带气旋内核区熵的演变有三个主要特征:眼墙中层的熵减少;边界层内的熵减少;眼墙外围及边界层以上区域内的熵增加。热力学结构演变的这三种特征共同使得内核区熵的径向梯度减弱,从而影响热带气旋强度。通过详细的熵的收支计算分析发现,较强的垂直风切变引起的内核区域的非对称结构主导了该区域的熵的演变特征。垂直风切变不仅使内核区熵的径向涡动通量明显增强,而且使眼墙内熵的垂直涡动通量在中层出现第二个极值区。进一步的动力与热力结构分析表明,风切变方向左(右)侧的相对出(入)流将高(低)熵空气带出(入)眼墙,同时通过风切变方向左(右)侧的相对上升(下沉)运动将高(低)熵空气向上(下)输送,从而使得眼墙中层的熵减少。

因此,除了径向涡动运动在中层通风效应中有重要作用外垂直风切变,垂直涡动运动也有不可忽视的贡献。在边界层内,垂直风切变使强对流集中在顺风切方向的左侧,使该区域存在持续的降水下沉运动,将对流层中层的低熵空气带入边界层。低熵空气通过径向入流进入眼墙,进而降低眼墙内空气的熵。低熵空气进入边界层后增加了洋面与大气之间的热力差异,使涡旋从洋面上获取更多的能量。垂直风切变较强时,洋面的这种自我补偿机制无法完全抵消下沉气流从对流层中层带入的低熵空气,因此边界层内的熵会减弱。眼墙外及边界层以上区域内熵的增加绝大部分由垂直涡动平流贡献。这一过程与眼墙外的对流组织有关:垂直风切变在眼墙外围顺风切方向右侧的边界层内触发上升运动,并且在顺风切方向的右侧至顺风切方向组织雨带;眼墙外涡旋尺度的对流上升运动将边界层内的高熵空气(主要是水汽)向上输送,使边界层以上区域内空气的熵增加。虽然这一过程造成的熵的变化具有较强的非对称结构,但是由于高熵的上升通量很明显,以至于可以投影到轴对称分量上,因此垂直风切变在眼墙外触发的对流雨带可以增加眼墙外的熵,从而有效降低内核区熵的径向梯度,进而改变热带气旋的强度。垂直风切变触发的对流雨带造成眼墙外熵的增加,可能是风切变抑制热带气旋强度的新途径。

考虑到真实大气中环境风切变的复杂性,本文还研究了不同切变气流中热带气旋内核区域的热力学结构演变特征。数值模拟结果表明,涡旋尺度的动力学与热力学非对称结构的分布特征只与垂直风切变方向有关。主要特征是中层眼墙和边界层内熵减弱,眼墙外边界层上方熵增加。除了降水造成的低熵下沉通量能够减弱边界层内的熵外,涡动运动对外围低熵空气的卷入也对边界层熵的减弱有贡献。眼墙外围从风切变方向的右侧到顺风切区域内熵的增加主要由一波的热力与动力结构贡献,表明该区域内熵的增加主要由风切变触发的眼墙外对流雨带造成。不同切变气流中熵的演变也存在差异。主要体现在,当低层有平均气流并且方向与垂直风切变方向相反时,边界层内熵的减弱不太明显。细致的动力学分析表明,不同切变气流中边界层内熵的演变差异由涡旋内核区域非对称结构的强弱决定。涡旋非对称结构的强弱可以通过将切变气流分解为基本切变气流与均匀气流的方法作出较为合理的解释。