潛熱釋放對颱風渦旋演變影響之熱力風平衡模式診斷分析

The Role of Convective Heating in the Tropical Cyclone Eyewall Ring Evolution – Sawyer-Eliassen Model Diagnosis

吳舜楠(Shun-Nan Wu)

指導教授 ： 吳俊傑

國立臺灣大學/理學院/大氣科學研究所/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2013.11050

摘要

由於從過去討論颱風眼牆結構演變的研究中，使用二維乾模式與三維全物理模式的結果大相逕庭，因此在本研究中我們使用WRF模式進行實驗模擬以及對流加熱敏感性實驗。實驗結果顯示，當提供足夠的對流加熱時，有利於眼牆環狀結構的維持。
使用位渦淨值分析探討對流加熱所扮演的角色，在分析中發現，非絕熱效應在某些局部區域的確提供了正的位渦貢獻，但平流效應則會在相同區域提供負的位渦貢獻，兩者對於位渦的貢獻絕大部分會相互抵銷，使得非絕熱效應並沒有如預期般地對位渦環的維持有直接貢獻。從前面的分析中，雖然對流加熱對於環狀結構的維持看似沒有貢獻，但是在敏感性實驗的分析中顯示，對流加熱的多寡會造成環狀結構最終的演變結果不同。於是，我們認為有可能是對流加熱所引起的間接效應造成的影響。
本研究利用Sawyer-Eliassen 方程組架構熱力風平衡診斷模式，將初始切向風風場與溫度場以及對流加熱放入模式中，會診斷得到受到加熱影響要將渦旋內部的質量場與動量場調整回平衡狀態的次環流結構。進一步計算渦度變化傾向之後得知，CTL與SE05渦度變化傾向的差異為環狀分佈，而此環狀分佈的差異正是CTL實驗的環狀結構能持續存在，但將對流加熱砍半實驗卻於法維持的原因。
由本研究得知，雖然對流加熱對環狀結構維持的直接效應被平流項所抵銷，但由對流加熱所引起的次環流在環狀結構的維持中扮演重要的角色，次環流中的徑向風會將外圍擁有較大絕對角動量的空氣帶入至眼牆，維持眼牆局部區域較大的動量。

關鍵字

颱風 ； 位渦環 ； 正壓不穩定 ； 理想模擬 ； 對流加熱 ； 潛熱釋放 ； 非絕熱加熱

並列摘要

由於從過去討論颱風眼牆結構演變的研究中，使用二維乾模式與三維全物理模式的結果大相逕庭，因此在本研究中我們使用WRF模式進行實驗模擬以及對流加熱敏感性實驗。實驗結果顯示，當提供足夠的對流加熱時，有利於眼牆環狀結構的維持。
使用位渦淨值分析探討對流加熱所扮演的角色，在分析中發現，非絕熱效應在某些局部區域的確提供了正的位渦貢獻，但平流效應則會在相同區域提供負的位渦貢獻，兩者對於位渦的貢獻絕大部分會相互抵銷，使得非絕熱效應並沒有如預期般地對位渦環的維持有直接貢獻。從前面的分析中，雖然對流加熱對於環狀結構的維持看似沒有貢獻，但是在敏感性實驗的分析中顯示，對流加熱的多寡會造成環狀結構最終的演變結果不同。於是，我們認為有可能是對流加熱所引起的間接效應造成的影響。
本研究利用Sawyer-Eliassen 方程組架構熱力風平衡診斷模式，將初始切向風風場與溫度場以及對流加熱放入模式中，會診斷得到受到加熱影響要將渦旋內部的質量場與動量場調整回平衡狀態的次環流結構。進一步計算渦度變化傾向之後得知，CTL與SE05渦度變化傾向的差異為環狀分佈，而此環狀分佈的差異正是CTL實驗的環狀結構能持續存在，但將對流加熱砍半實驗卻於法維持的原因。
由本研究得知，雖然對流加熱對環狀結構維持的直接效應被平流項所抵銷，但由對流加熱所引起的次環流在環狀結構的維持中扮演重要的角色，次環流中的徑向風會將外圍擁有較大絕對角動量的空氣帶入至眼牆，維持眼牆局部區域較大的動量。

並列關鍵字

tropical cyclone ； potential vorticity ring structure, barotropic instability ； idealized simulation ； convective heating ； latent heat release ； diabatic heating

參考文獻

Eliassen, A., 1951: Slow thermally or frictionally controlled meridional circulation in a circular vortex. Astrophys. Norv., 5, 19–60.

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Hendricks, E. A., & Schubert, W. H. (2010). Adiabatic rearrangement of hollow PV Towers. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 2(4), 8.

Kossin, J. P., & Eastin, M. D. (2001). Two Distinct Regimes in the Kinematic and Thermodynamic Structure of the Hurricane Eye and Eyewall. Journal of the Atmospheric Sciences, 58(9), 1079-1090.

Kossin, J. P., & Schubert, W. H. (2001). Mesovortices, Polygonal Flow Patterns, and Rapid Pressure Falls in Hurricane-Like Vortices. Journal of the Atmospheric Sciences, 58(15), 2196-2209