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    我国科学家在地球大气涡旋自组织的研究领域取得重要进展——研究成果对于台风和中、小尺度强灾害性天气预测理论和防灾减灾具有重要的科学意义和应用前景

    日期 2007-05-17   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

      本文提要:在国家自然科学基金资助下,南京信息工程大学罗哲贤教授等人对台风复杂结构在台风生成、强度突变和路径异常形成中的演化特征进行了系统研究。研究发现,一直被国内外同行忽略不计的半径小于50公里的小涡,可以导致台风运动的复杂性,进而影响台风的宏观行为和预测的成败。在此基础上,他们从自组织的新视角提出了可包含现有国际著名早期台风增强理论模型的新理论模型,通过与观测事实对比,新模型对早期台风增强幅度的模拟更加接近于实际大气运动。同时,他们还提出了涡旋自组织的两类物理机制等。研究结果对于台风和中、小尺度强灾害性天气预测理论和防灾减灾,具有重要的科学意义和应用前景。

      地球大气中存在大小不等的涡旋,大涡如台风,其半径一般为几百公里,小涡如强对流云团,半径约为几十公里或更小。这些大小不等涡旋之间的相互作用往往不仅导致台风运动的反常以及台风和中、小尺度高影响灾害性天气预报的失败,而且历来是台风和中、小尺度强灾害性天气预测理论的一个关键问题,也是世界各国科学家共同面对的科学前沿和难点问题。

      在我国青藏高原东侧,长江上、中游以及东南沿海强灾害性天气的形成过程中,观测均发现有小涡合并生成强涡的现象。由于高密度观测资料的缺少和理论突破的困难,对其机理的认识一直处于不断的探索中。自国家自然科学基金委员会成立起,灾害性天气动力学与可预报性理论一直受到高度重视,从“七五”地球科学的一个学科方向到“十五”上升为地球科学优先资助领域中的一个重要方向。

      2003年6月,国际涡旋动力学会议将涡块合并等自组织途径生成强涡的动力学列为第一优先课题。同年,国家自然科学基金委员会以重点项目资助“涡旋自组织动力学的研究”。

      由南京信息工程大学罗哲贤教授主持的项目组,三年多来从台风动力学和非线性科学交叉的角度,围绕地球大气涡旋自组织动力学,对台风复杂结构的演化特征进行诊断、解析和数值模拟相结合的系统研究,分析了复杂结构演化在台风生成、强度突变和路径异常形成中的作用,取得了在国际上有重要影响的创新研究成果。

      一、在国际上最早提出台风涡旋动力学底部空间的新概念和新结果。长期以来,国内外用理想模式研究涡旋相互作用的文献中,参于涡旋相互作用的最小的涡半径等于50公里,即涡半径的下限为50公里。罗哲贤教授和中国气象科学研究院柳崇健教授提出:在该下限的下方,存在着一个底部空间。在此空间内,有很多个半径小于50公里的更小尺度的涡旋。这些一直被国内外同行忽略不计的小涡,可以构成台风主涡的微环境场,微环境场的多样性可以导致台风运动的复杂性,进而影响到台风的宏观行为和预测的成败。

      相关论文以“微环境场的多样性和涡旋运动的复杂性”为题2006年12月在美国《地球物理研究学报》发表。这个新的学术思想引起了国际学术界的重视。《地球物理研究学报》匿名审稿人认为:“这是原创性的成果,对学术界做出了重要贡献”;“中日合作气象灾害研究计划”技术总负责人、东京大学气象学教授小池俊雄认为:“这是一个有突破的发现,有重要应用价值”。美国地球物理协会(AGU)将该文选为AGU期刊是年的亮点文章;AGU新闻周报的科学作家和编辑库玛博士专门为该文写了简介,向美国媒体散发。该文在地球科学以外的领域也产生了学术影响。如,从事学科交叉研究的主要国际机构之一,英国交叉科学研究所所长罗伯特博士主动致函作者,称该文已被他们收录;英国谢菲尔德大学计算机科学系的学者主动致函作者,对该文表示浓厚的兴趣。

      二、从自组织的新视角提出了台风生成和增强的理论模型。在台风生成理论方面,长期以来认为, 在热带洋面上的一个弱低压涡旋,经过种种热力动力过程最终可以发展为一个台风涡旋。这归于“1对1”的台风生成模型,即1个弱涡变成了1个强涡,其生成机制是第二类条件不稳定等。罗哲贤等人通过卫星资料分析,发现可由多个弱涡演变为1个强涡的观测事实。在此基础上建立了“多对1”的台风生成新模型,并解释了其生成机制是复杂系统的自组织。相关论文在欧洲《气象学和大气物理》、美国《地球物理研究学报》等刊物发表。匿名审稿人对这些论文的评价为:“这是一个原创性的结果”、“这篇文章确实包含有新的科学思想”。

      在台风突然增强理论方面,美国科罗拉多州立大学教授、2003年国际涡旋动力学会议召集人蒙哥马利等于2001年提出了一个著名的早期台风增强的理论模型—蒙哥马利模型。该模型包括一个早期台风和两个相邻的中尺度涡,经过不同尺度涡之间的相互作用,中尺度涡的能量被早期台风吸收,使台风增强。注意到实际大气早期台风和中尺度涡的相互作用发生在西太平洋副热带高压南侧的东风气流中,罗哲贤等人提出了一个新的理论模型。新模型包括一个西太平洋副热带高压,一个早期台风和两个相邻的中尺度涡。蒙哥马利模型成为新模型在副热带高压强度为零条件下的一个特例。通过与观测事实的对比,新模型对早期台风增强幅度的模拟较蒙哥马利模型,更加接近于实际大气的运动。相关论文在美国《地球物理研究学报》发表。匿名审稿人认为:“这篇论文确实扩展了我们对涡增强过程的科学认识”。

      三、提出了涡旋自组织的两类物理机制。我国地球大气涡旋自组织的研究思路起源于上世纪九十年代中国气象科学研究院周秀骥院士的《21世纪的大气科学》一文。该文提出了一个影响深远的学术观点,即:一个小尺度系统的发生发展在一定条件下可以导致较大尺度天气系统和区域性灾害的形成。

      在该项目执行过程中,罗哲贤教授、周秀骥院士和中国科学院大气物理研究所高守亭研究员在数值模式的初始场上先放置两个中尺度涡,这两个中尺度涡逆时针互旋,并不合并;当在两个中尺度涡之间加进一个小尺度涡以后,三个涡经自组织形成了一个较大尺度的台风涡。这个结果证实了上述学术观点的正确性。同时,研究还发现,中尺度地形的引进,可以使原先并不合并的两个中尺度涡自组织成为一个新的强涡。对数值结果深入分析后,他们认为:小尺度涡的引进和中尺度地形的作用是涡旋自组织的两类物理机制,这两类物理机制在广阔的参数空间内能够成立。相关论文在《中国科学》,美国《地球物理研究学报》等刊物发表。美国《地球物理研究学报》匿名审稿人指出:“作者研究了两个中尺度涡与小尺度涡或园形地形的作用。他们发现,或者是引进小尺度涡,或者是引进园形地形,均可引起自组织过程的发生,进而导致一个与台风类似的单个涡旋的形成”。

      四、指出地球大气运动绝对涡度守恒的物理约束可以部分地解释勒夫杰依(Lovejoy)分形现象,结果有重要的应用前景。法国科学家勒夫杰依根据卫星观测事实,1982年在美国《科学》杂志撰文提出地球大气云块边缘线分形的分维数约为1.35,被科学界认为是大自然的一个奇迹。勒夫杰依在该文中说, 这个观测事实的物理机制有待研究。但是, 几十公里~几百公里尺度云块分形的机理长期以来未见报道。罗哲贤等人从自组织的途径提出了这方面的新结果。相关论文在美国《地球物理研究学报》发表。匿名评审人认为,“这篇论文通过计算自组织起来的多个涡的分维数来研究云块形状的演变。作者发现,自组织涡边缘线的分维数跌落进1.38~1.62的区间,这些数值与卫星资料的结果1.35相似。这个结果指出,实际大气云块分形特征可以部分地用绝对涡度守恒来解释。”上述涡边缘线的分形特征可以作为今后数值模式初始台风边缘线的一个物理判据,有重要的应用前景。

      项目执行三年多来,项目组成员将国际前沿科学问题与我国灾害性天气形成中的特征现象结合起来,将涡旋动力学与非线性动力学结合起来,在美国《科学引文索引》(SCI)刊物已发表论文17篇,其中国际重要学术刊物11篇,取得了重要的研究进展。相关研究结果对于台风和中、小尺度强灾害性天气预测理论和防灾减灾,具有重要的科学意义和应用前景。




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