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計算熱 帶氣旋的 最大潛在強度

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計算熱 帶氣旋的 最大潛在強度 - PowerPoint PPT Presentation


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計算熱 帶氣旋的 最大潛在強度. 講員:何秋鋆. Holland, G. J., 1997: The Maximum Potential Intensity of Tropical Cyclones. J. Atmos. Sci., 54 , 2519–2541. 大綱. 關鍵字 前言 過去研究與研究目的 MPI 的計算 假說、方法、敏感度 與觀測比較 結論. Center for Ocean-Land-Atmosphere Studies (COLA) 海洋陸地大氣研究中心 2006/03/29 的 MPI 分布圖. 關鍵字.

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計算熱帶氣旋的最大潛在強度

講員:何秋鋆

Holland, G. J., 1997: The Maximum Potential Intensity of Tropical Cyclones. J. Atmos. Sci., 54, 2519–2541.

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大綱
  • 關鍵字
  • 前言過去研究與研究目的
  • MPI的計算假說、方法、敏感度
  • 與觀測比較
  • 結論
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Center for Ocean-Land-Atmosphere Studies (COLA)海洋陸地大氣研究中心2006/03/29的MPI分布圖

關鍵字
  • MPI : Maximum Potential Intensity (最大潛在強度)是指熱帶氣旋在某個區域內,給定的大氣與海洋的條件,熱帶氣旋可以達到的最大強度(最低氣壓、最大切向風)。這個指標是從熱力學層面出發,分析的資料包括實際洋面溫度、垂直大氣溫度及氣壓等。MPI的用途:強度預報、氣候變遷對於TC的影響。
slide4

S :熵Q :可逆過程的熱量變化率T :絕對溫度

S θe q

關鍵字

lnθ

  • Entropy : S (熵)熵是指熱力狀態的變化,熵的變化量與加熱後熱量變化及溫度有關。

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MPI研究回顧

  • Miller (1958):熱力模型。能量來自眼心的下沉增溫,氣壓的下降量根據靜力平衡關係得到。缺點:沒有考慮與海洋的交互作用。
  • Malkus and Riehl (1960):熱力、動力模型。討論TC底部入流的空氣塊軌跡之能量關係。發現:TC底下的moist entropy改變會導致氣壓下降很多。缺點:完全忽略眼心的部份。
  • Emanuel (1987,1991):熱力、動力模型。延續M. & R. 研究,能量來自底部的入流區以增加moist entropy,能量消耗於外流區的輻射冷卻及邊界層摩擦的消散。缺點:沒有考慮氣壓下降後,對moist entropy也有回饋作用。
前言
  • Riehl(1948, 1954):TC局部的潛熱釋放只能降低TC氣壓約20-40hPa,不足以產生觀測看到的低壓與風速。
  • Byers(1944); Riehl(1948, 1954);Kleinschmidt(1951); Malkus and Riehl (1960); Emanuel(1986) :海氣交互作用提供的能量相當重要。
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前言(續)
  • 本文將藉著單純的熱力條件,以靜力平衡關係式為基礎、假設眼牆為飽和並加入一些眼心設定、結合前人的研究,發展新的估計方法。
  • 在此MPI由氣旋的中心氣壓決定,透過經驗公式,由氣壓值算出最大風速。
  • 除此之外,本研究將顯示估計暖心結構的能力。
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估計MPI的示意圖

眼牆的溫度升高是由海面空氣沿濕絕熱上升所造成;眼心的溫度升高是由於眼牆逸入之下沉氣流增溫造成。

忽略冰相過程的影響及中層從環境進入眼牆的逸入作用。

假設TC為對稱結構。眼心的相當位溫(θE,Eye)為定值。

利用單一探空來代表環境場的溫度(Tenv) 、環境場的氣壓(Penv) 、地面氣壓(Ps)、地面溫度(Ts)。

眼牆、眼心

環境

TC眼牆的飽和相當位溫(θES)為定值。

忽略外區雲的效應。

估計表面空氣的相對溼度(RH)及海溫(SST)

地面氣壓的下降量由靜力平衡決定

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能量來源

S :熵Q :可逆過程的熱量變化率T :絕對溫度

假說

根據靜力平衡關係,溫度改變使氣壓下降

2

底層氣壓下降又使moist entropy增加。

重新分配TC底下已存在的moist entropy,增加積雲柱的moist entropy使氣旋加強。

Moist entropy增加,導致溫度增加。

3

0

1

slide9

θES

q

T

dθES

dP

slide10

Tenv Penv

參數的標準環境場(溫度、壓力)由單一探空所決定。Tsfc = SST-1 (Pudov and Pertichenko 1988)Psfc = TC所處洋面的氣壓月平均值RHeyewall = 90%RHeye=風速 = Dvorak 關係式νm = 3.4(Penv − Pc)0.644

計算地面相當位溫使用Bolton(1980)的經驗公式 :

計算眼牆的溫度距平△Teyewall(P):

計算地面氣壓下降量△Ps

計算直到地面氣壓收斂(氣壓變化小於1hPa),再計算眼心的溫度剖面及中心氣壓

算出新的氣壓值則可得到新的地面相當位溫(θes)

SST RH

0

1

2

4

3

RH = 相對溼度

T = 溫度

Teye = 眼心溫度

Teyewall = 眼牆溫度

Tenv = 環境溫度

TL=舉升凝結層溫度

TV=虛溫

p = 氣壓

pS=地面氣壓

pT=TC頂層氣壓

e = 水氣壓θ = 位溫

θE = 相當位溫

θES = 地面相當位溫

θEC* = 眼牆飽和相當位溫= θES*

q = 水氣的混合比q*=水氣的飽和混合比

Tenv PenvPs TsSST RH

MPI = PSenv − ΔPSmax

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Barbados島(B)的探空觀測資料計算所得的溫度距平Hawkins and Rubsam(1968)的實際觀測資料

300

比較:實際觀測與 計算之眼牆與眼心的增溫貢獻

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Holland (1997)

Emanuel(1991)

MPI的敏感度
  • 海平面溫度(SST)
  • 相對溼度(RH)
  • 暖心高度
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與觀測比較
  • 個案研究Kerry (1979):為熱帶氣旋觀測最低氣壓= 995hPa計算的MPI = 958 hPaFlo(1990):為超級颱風觀測最低氣壓= 885hPa本法計算MPI = 890hPa

Merrill,Robert T., Velden,Christopher S.A Three-Dimensional Analysis of the Outflow Layer of Supertyphoon Flo (1990)Monthly Weather Review 1996 124: 51

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結論
  • 本文整理過去的熱帶氣旋模型,發展新的MPI估計方法。
  • 分析發現此方法對相對濕度(RH)、海溫(SST)與暖心高度敏感。
  • 比較眼牆與眼心的增溫貢獻:250hPa以上對流層的增溫是由眼牆的貢獻,300hPa則加入眼牆的增溫作用。結合兩者的效應,使得溫度最高的地方出現在300hPa。