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Schmidt, Christoph Wolf Dieter Jakob (2011): Tropical-cyclone evolution in a minimal axisymmetric model. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Diese Arbeit untersucht mithilfe eines axisymmetrischen numerischen Modells die Prozesse, die zur Intensivierung tropischer Zyklone führen. Das Modell ist hydrostatisch, die Mo-dellgleichungen sind in Sigmakoordinaten auf einer f-Ebene formuliert. Es besteht aus drei Schichten: einer für die Grenzschicht und zwei für die freie Troposphäre. Insbesondere wird der Einfluss des Coriolisparameters f auf die Intensität und Größe von tropischen Zyklonen untersucht. In der ersten von zwei Experimentreihen zeigt sich, dass sich die stärksten Stürme bei mittleren Werten von f entwickeln. Ebenso gibt es einen optimalen Wert von f im mittleren Bereich, bei dem die größten Stürme entstehen. Diese Ergebnisse scheinen zunächst mit klassischen Laborexperimenten von Turner und Lilly übereinzustimmen. Eine mögliche Analogie dieser Laborexperimente zu tropischen Zyklonen wird eingehend untersucht. Dabei zeigt sich, dass diese Analogie unter anderem aufgrund des in der Grenzschicht stattfindenden Intensivierungsprozesses begrenzt ist. Zum weiteren Verständnis wird eine zweite Experimentreihe durchgeführt. Die modellierten Stürme werden hierbei durch ein vorgeschriebenes Profil der diabatischen Erwärmungsrate angetrieben. Andere Feuchtprozesse werden ausgeschlossen. Es ergibt sich nun kein optimaler Wert von f für die Intensität der Stürme. Die Beziehung zwischen der Stärke des Antriebs und der Stärke der Rotation ist somit ein wichtiger zusätzlicher limitierender Faktor bei tropischen Zyklonen. Dennoch gibt es einen optimalen Breitengrad für die Größe der Zyklone, vergleichbar mit dem in der ersten Experimentreihe. Außerdem wird die Sensitivität des Modells bezüglich der horizontalen Auflösung, des Eddy-Diffusions- und Reibungskoeffizienten und der Windgeschwindigkeitsabhängigkeit des Bodenflusses von Enthalpie untersucht. Die Intensität nimmt geringfügig mit größerer horizontaler Auflösung zu, die Größe des Sturms bleibt nahezu unverändert. In Übereinstimmung mit anderen Ergebnissen in der Literatur ist die Intensität stark abhängig vom horizontalen Eddy-Diffusionskoeffizienten. Erhöht man den Reibungskoeffizienten und lässt den Wärmeaustauschkoeffizienten konstant, bewirkt dies eine erhöhte Feuchtekonvergenz und damit einen früheren Beginn der schnellen Intensivierung. Die Intensität am Ende der Simulation nimmt, im Unterschied zu neuesten Ergebnissen von Montgomery et al., jedoch ab. Kappt man die Windgeschwindigkeitsabhängigkeit des Bodenflusses von Enthalpie bei kleinen Werten von 10 m/s, so simuliert das Modell dennoch Stürme mit Intensitäten, die Hurrikanstärke übersteigen. Dies zeigt, dass der in weiten Kreisen akzeptierte 'Verdunstungs-Wind-Rückkopplungsmechanismus' nicht wesentlich für die Intensivierung tropischer Zyklone ist.

Abstract

The processes that lead to the intensification of a weak initial vortex to a mature tropical cyclone are studied using a minimal axisymmetric numerical model. The model is hydrostatic and is formulated in sigma-coordinates on an f-plane. It has three layers in the vertical: one for the boundary layer, and two to represent the free troposphere. The influence of ambient rotation on the intensity and size of tropical cyclones is investigated. In the first of two sets of experiments, the same initial baroclinic vortex is spun up in a quiescent environment with different levels of ambient rotation, characterized by the Coriolis parameter. It is found that the strongest vortices, as characterized by their final intensity, develop in environments with intermediate ambient rotation. It is found also that there exists a similar optimum ambient rotation rate to obtain the largest storm as measured by the radius of gale-force winds. These results appear to be in line with those of classical laboratory experiments by Turner and Lilly, an analogy that will be explored in this study. The analogy is found to have certain limitations, including the fact that spin up of the inner-core winds in the model takes place in the boundary layer. As an aid to understanding the foregoing results, a second set of calculations is carried out with the vortex forced by a prescribed radial profile of diabatic heating rate typical of that in the first set and other moist processes excluded. For this distribution of heating rate, there is no optimum ambient rotation for intensity within a realistic range of values for the Coriolis parameter, implying that the relationship between the forcing strength and rotation strength is an important additional constraint in tropical cyclones. However, there is an optimum latitude for size, comparable with that in the first set of experiments. The sensitivity of the model to the radial resolution, the eddy diffusivity, the surface drag coefficient, and the wind-speed dependence of the surface enthalpy flux is examined. The maximum intensity increases only slightly as the horizontal resolution is increased, but the vortex size hardly changes. The maximum intensity is strongly sensitive to the radial eddy diffusivity, consistent with other results in the literature. An increase of the surface drag coefficient while keeping the enthalpy exchange coefficient fixed, leads to an enhanced moisture convergence, and thereby to an earlier onset of rapid intensification. However, the final intensity is reduced, contrary to recent results of Montgomery et al. When the wind-speed dependence of the surface enthalpy flux is capped at nominal values as small as 10 m/s, the model is able to produce storms that reach maximum intensities greater than hurricane-strength. Thus, the widely-accepted 'evaporation-wind' feedback mechanism is not essential for tropical-cyclone spin-up.