模式水平分辨率对超强台风“天兔”强度和微结构特征的影响

利用不同水平分辨率下的中尺度数值模式WRF模拟1319号超强台风"天兔",以研究模式水平分辨率对台风强度和微结构(包括动力和微物理)的影响。模拟结果表明:不同水平分辨率(1 km、2 km、3 km、4km、5 km)模拟的台风路径差异不大,且均与实况基本相同;不同水平分辨率对台风强度和微结构的模拟效果影响较大,其中以对10 m最大风速、垂直运动和降水强度的影响为最大。将模式水平分辨率提高到1 km有助于改善台风强度和微结构的模拟效果。在较低分辨率下,台风非对称性较明显、眼墙倾斜程度较大和海表水汽通量较小等结构特征共同使得台风强度较小。     

海洋飞沫对台风“Morakot”结构影响的数值模拟研究

将海洋飞沫参数化引入到高分辨率、非静力中尺度模式中,并对0908号台风"Morakot"进行了数值模拟,研究了海洋飞沫对台风"Morakot"结构和强度的影响。结果表明:(1)不论是否考虑海洋飞沫作用,模式均能较好地模拟出台风"Morakot"的移动路径,说明海洋飞沫对其移动路径影响不大;(2)引入海洋飞沫参数化后,台风眼墙区域的切向风速、径向风速、垂直速度、涡度、云水混合比、雨水混合比等物理量均增强,表明飞沫对台风结构变化的影响明显;(3)海洋飞沫对台风"Morakot"演变的直接影响是在对流层低层,低层风速明显增大,大风速区的影响尤为显著;(4)飞沫的蒸发使台风范围内的潜热和感热通量明显增强,尤其是潜热通量,其大值区对应着台风中心附近的最大风速区。由于水汽和热量输送的增强,使台风眼壁附近的云水量与雨水量增多,因此降水强度明显增加。     

β效应和垂直切变对台风非对称结构及眼墙替换的影响

利用一个完全可压、非静力及原始方程热带气旋模式(TCM4),通过对f平面和β平面中不同强度的垂直风切变下理想热带气旋的模拟,研究了β效应和垂直风切变对热带气旋强度和结构的影响。结果表明:(1)理想气旋植入相对较弱的垂直风切变之后其强度最终将会进入一种近似常定状态,通过研究这种准常定状态对切变强度的敏感性发现,研究垂直风切变对理想气旋影响,应该讨论理想气旋能否维持在一个特定强度(台风、热带风暴及热带低压等)的极限垂直切变,而不是去讨论决定理想气旋将减弱还是增强的极限垂直风切变值;(2)在f平面下,由于垂直风切变造成涡度平流随高度变化,使得在顺切变前部以及左侧边界层附近产生辐合,伴随着空气的气旋式螺旋上升,外流层对应区域产生辐散,从而使得强对流和强降水发生在顺切变左侧。(3)行星涡度梯度(β效应)也能使涡旋产生一定的非对称性。当考虑β效应和垂直风切变的双重叠加效应时,所产生的非对称性比单纯由β效应或垂直风切变产生的非对称性更大,并且强对流区主要集中在顺切变左前部。(4)热带气旋眼墙替换过程或许可以被预测,因为它们似乎与β效应和环境流(VWS)存在联系。     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅱ:云微物理参数化对强度和路径的影响

在分析云微物理参数化对云结构和降水特征的影响的基础上,研究云微物理参数化过程对台风"云娜"强度与路径的影响.结果表明:云微物理过程对台风强度和路径有一定影响,其中不考虑雨水蒸发冷却效应后,比其他试验最终地面最大风速强7 m/s以上,但此时登陆地点误差最大,与对照试验偏离150 km左右.我们还从螺旋雨带结构变化及环境风切变影响角度分析台风临近登陆时强度模拟减弱的原因,发现过强的外围螺旋雨带以及环境风场垂直切变对于台风的加深、维持是不利的,他们可能会造成"云娜"临近登陆时强度的下降.不难看出,云微物理过程可以加强甚至产生外螺旋雨带,当外围雨带发展加强之后,可以引起局地辐合强度增强,从而限制了大量水汽和能量向台风内核输送,从而会导致台风强度下降.此外,外围螺旋雨带的发展,还可以从对流层中层带来干冷空气入侵行星边界层;而当入流边界层中雨水下落时,其自身的蒸发也会使周围气块温度下降;这些干冷气团在入流气流的输送下进入台风内核,从而对云墙产生了"冷侵蚀",最终引起台风强度下降.因此,减小上述两方面的模拟误差,应能改进台风"云娜"登陆过程中强度的模拟效果.     

大涡技术对模拟台风眼墙替换过程的影响

眼墙替换是影响台风强度和内核结构的一种重要过程。本研究在高分辨率的数值理想试验中加入大涡模拟技术,对比分析大涡模拟对眼墙替换过程的影响。结果表明:大涡模拟的加入使得模拟台风的强度和边界层入流增强。整个眼墙替换过程共用时约20～22 h,但大涡模拟试验中外眼墙形成更迅速,同时强度和上升运动偏弱。外眼墙完全取代内眼墙之后的台风强度超过替换过程之前的强度。此外,使用大涡技术可以更好地模拟出眼墙替换过程中内外眼墙之间的moat区下沉运动,结构特征与前人观测中所发现的结构特征一致。因此,在台风数值研究中引入大涡模拟技术,有助于更好地模拟眼墙替换过程中的台风结构特征和变化。     

Numerical Simulation of Effect of Sea Spray on Typhoon ＇Morakot＇ Structure

将海洋飞沫参数化引入到高分辨率、非静力中尺度模式中,并对0908号台风＂Morakot＂进行了数值模拟,研究了海洋飞沫对台风＂Morakot＂结构和强度的影响。结果表明：（1）不论是否考虑海洋飞沫作用,模式均能较好地模拟出台风＂Morakot＂的移动路径,说明海洋飞沫对其移动路径影响不大;（2）引入海洋飞沫参数化后,台风眼墙区域的切向风速、径向风速、垂直速度、涡度、云水混合比、雨水混合比等物理量均增强,表明飞沫对台风结构变化的影响明显;（3）海洋飞沫对台风＂Morakot＂演变的直接影响是在对流层低层,低层风速明显增大,大风速区的影响尤为显著;（4）飞沫的蒸发使台风范围内的潜热和感热通量明显增强,尤其是潜热通量,其大值区对应着台风中心附近的最大风速区。由于水汽和热量输送的增强,使台风眼壁附近的云水量与雨水量增多,因此降水强度明显增加。     

南海台风"韦帕"生成环境条件及移动转向成因分析

利用华南区域常规观测站资料、静止卫星红外云图及NCEP格点再分析资料,对2019年第7号台风"韦帕"生成环境条件、移动转向的成因进行了分析.结果 表明,台风"韦帕"生成于热带辐合带弱垂直风切变中心附近,高海温是其生成及发展的基础条件,强度维持与西南季风及越赤道气流卷入密切相关.感热通量和潜热通量变化显示,"韦帕"所获取的海表面热通量较少,这是其强度增强有限的主要原因;台风移动路径与引导气流密切相关,其不同阶段受不同层次引导气流影响,且引导气流弱,台风移动速度也较慢;台风"韦帕"发生停滞及转向,主要由于大尺度环境场发生明显改变,西太平洋副热带高压、南亚高压及东风波都起重要的影响;低层台风中心附近风速变化影响台风环流结构内力的方向大小,也会造成台风路径移向的变化,高层辐散区对台风中心移动有"引导"作用.     

GRAPES模式中地面通量在一次台风数值模拟中的敏感性试验研究

在中尺度天气数值预报模式（GRAPES）的边界层方案（MRF）中,地面通量的计算与模式分层有直接关系,可能引起计算结果的不准确。在模式中引入Beljaars方案,通过比较分析模拟的台风地表特征量及形势场和风场表明,引入的方案对台风强度和路径的预报效果都起到改善作用。对台风“巨爵”个例的模拟表明,引入Beljaars方案之后,其地表的潜热、感热通量均明显增强,摩擦速度最大值增大,说明地表向上传输的热通量、水汽通量、动量通量均增强,这都有利于台风的发展和加强,因此模拟的台风路径和强度也更接近实况;从台风结构来看,方案二模拟的台风倾斜垂直结构没有方案一的明显,暖心结构有所加强;从风场分析来看,台风眼区的风速低值中心可延伸到500 hPa的高度上,明显高于方案一。      

不同微物理方案和边界层方案对超强台风“鲇鱼”路径和强度模拟的影响分析

采用分辨率为1 °×1 °的NCEP全球格点再分析资料,应用新一代中尺度数值预报模式WRF V3.2,对比分析了不同微物理方案和边界层方案对2010年1013号超强台风“鲇鱼”路径和强度模拟的影响。结果表明:相对于边界层方案,微物理方案对台风路径的影响较大,其中与Ferrier方案相组合的试验中模拟的台风路径平均偏差最小;边界层方案对台风强度有明显影响,其中MYNN2方案模拟的台风强度变化与实况更接近。进一步对比分析了不同微物理方案和边界层方案对大尺度环流形势场、水汽通量场及台风暖心结构模拟的异同,探讨不同参数化方案对台风路径和强度模拟差异的动热力原因。分析表明:不同微物理方案在模拟副热带高压和东亚长波槽的演变特征上是不同的,于是导致对台风路径模拟的差异;不同边界层方案对边界层中水汽通量大小的模拟存在显著差异,而水汽供应的强弱会影响台风上层暖心结构的不同,从而导致对台风强度模拟的差异。      

1513号台风苏迪罗云系演变特征及模拟分析

用GRAPES_Meso模式对2015年13号台风苏迪罗进行了数值模拟,从台风生成发展、成熟和登陆减弱三个阶段对模拟结果与实况资料进行了台风云系时空演变特征的对比分析,结果表明:(1)模式较好地再现了台风苏迪罗从生成发展、成熟,再到登陆减弱至消亡的整个过程,模拟的台风路径与实况吻合较好,台风强度的变化趋势也得到了较好的模拟再现。(2)"苏迪罗"在发展阶段台风眼模糊,模式对台风云系云量总体分布模拟较好,但模拟的云顶高度比实况偏低。(3)在成熟阶段,"苏迪罗"有一明显的漏斗状台风眼,云系发展更加旺盛,台风西部呈双眼壁结构,云顶高度比实况高度偏低。(4)"苏迪罗"登陆后强度迅速减弱,台风眼不再明显,模式对登陆后的"苏迪罗"云系结构模拟效果总体欠佳。(5)总的看来,模式较好地模拟出了"苏迪罗"云系整体范围,在洋面上的模拟效果好于登陆后,改进GRAPES模式的云量方案可能会提高该模式模拟台风云系的能力。     

台风利奇马(1909)双眼墙特征及长时间维持机制

利用CIMSS微波卫星产品和多普勒天气雷达资料,分析超强台风利奇马（1909）的长时间双眼墙特征,并采用集合卡尔曼滤波方法同化雷达径向风资料,诊断利奇马双眼墙的三维结构演变特征。结果表明:在双眼墙演变过程初期,受强垂直风切变和中高层干空气入侵的影响,外眼墙对流减弱,呈非对称特征。Sawyer-Eliassen方程诊断结果显示:台风利奇马（1909）内、外眼墙次级环流之间的相互作用不明显,不同于发生眼墙替换过程的台风,其外眼墙处非绝热加热引起的下沉运动发生在内眼的眼心,内眼墙的上升运动并未受到外眼墙次级环流抑制。另外,在强垂直风切变条件下,非对称的外眼墙不能持续增强收缩并取代内眼墙,因此双眼墙结构得以长时间维持。可见,台风利奇马（1909）外眼墙的非对称结构和特殊的次级环流分布是其双眼墙能够长期维持的重要原因。     

Typhoon Track,Intensity, and Structure: From Theory to Prediction

To improve understanding of essential aspects that influence forecasting of tropical cyclones (TCs), the National Key Research and Development Program, Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China conducted a five-year project titled “Key Dynamic and Thermodynamic Processes and Prediction for the Evolution of Typhoon Intensity and Structure” (KPPT). Through this project, new understandings of TC intensification, including outer rainband-driven secondary eyewall formation and the roles of boundary layer dynamics and vertical wind shear, and improvements to TC data assimilation with integrated algorithms and adaptive localizations are achieved. To promote a breakthrough in TC intensity and structure forecasting, a new paradigm for TC evolution dynamics (i.e., the correlations, interactions, and error propagation among the triangle of TC track, intensity, and structure) is proposed; and an era of dynamic-constrained, big-data driven, and strongly coupled data assimilation at the subkilometer scale and seamless prediction is expected.     

“浣熊”强度变化的环境背景和卫星观测分析

利用实况观测定位和强度资料、NCEP的1°×1°全球最终分析资料、NOAA周平均1°×1°海温再分析资料和FY卫星水汽图像,分析台风浣熊(0801)的环境背景条件和内核结构演变与强度变化的关系.结果表明:(1)环境风垂直切变增大至10m·s~(-1)左右与南海北部海表温度逐步减小导致最大可能强度不断降低是"浣熊"快速发展过程中断并减弱的重要外部条件;(2)卫星水汽图像显示内核结构存在眼壁破裂和复原现象,该现象精确地反映其强度变化.眼壁破裂(复原)过程导致"浣熊"减弱(增强).     

飓风Bonnie发生发展过程中的强度结构变化和惯性稳定度分析

利用MM5高分辨率数值模式模拟飓风Bonnie(1998)的资料,根据风垂直切变随时间的变化,将飓风Bonnie的发生、发展划分为3个阶段;在不同阶段中,通过分析飓风结构和强度的变化,研究其惯性稳定度的演变。结果表明,Bonnie在发生发展过程中具有很强的非对称性,并出现眼墙替换过程。在飓风结构发展中,较高的惯性稳定度发展与风暴的内核尺度发展一致;高惯性稳定度区提供抗径向运动,主要出现在主眼墙附近和内部区域,高惯性稳定度区的建立致使Rossby变形半径减小,风垂直切变影响减小,使得潜热释放集中于该区,有利于飓风加强,这是飓风内核发展的一个重要因素。     

强台风Chanchu（0601）的数值研究：转向前后内核结构和强度变化

使用FY卫星TBB资料和新一代非静力中尺度模式WRF分析南海强台风Chanchu(0601)"急翘"转向前后内核结构和强度变化过程。结果表明:转向后内核结构非对称特征明显。WRF数值模式较好地模拟出Chanchu强度和异常路径变化过程,再现了内核结构演变:转向前,垂直切变较弱,有利于快速加强,内核结构较为对称;转向后,垂直切变明显增大,强回波位于垂直切变下风方向的左侧,显示为内核非对称结构。使用傅立叶变换方法分解模拟结果中的雷达回波,发现眼壁和内螺旋雨带的2波非对称沿方位角移速与涡旋罗斯贝波(VRWs)的理论波速一致,Chanchu快速加强过程中断和强度维持的可能原因为:眼壁传播的VRWs受到外螺旋雨带的扰动以及涡旋倾斜加剧引起眼壁非对称性加强导致"急翘"时眼壁破裂,此后眼区和眼壁区水平混合过程加强,850 hPa眼区相当位温明显增加,抑制高层相对暖干空气和低层相对冷湿空气相互交换,使得随眼壁内侧下沉气流向下输送的暖干空气减少,低层增温作用减弱,快速加强过程中断;VRWs径向内传导致高值涡度由眼壁内侧向眼心传播,引起最大风速半径(RMW)内侧切向风速增大,RMW随时间向眼心延伸,眼壁进一步收缩,一定程度上抵消了垂直切变加大的负面影响,Chanchu维持强度。     

Identification and analysis of high-frequency oscillations in the eyewalls of tropical cyclones

High-frequency oscillations, with periods of about 2 hours, are first identified by applying wavelet analysis to observed minutely wind speeds around the eye and eyewall of tropical cyclones(TCs). Analysis of a model simulation of Typhoon Hagupit(2008) shows that the oscillations also occur in the TC intensity, vertical motion, convergence activity and air density around the eyewall. Sequences of oscillations in these variables follow a certain order.     

热带气旋眼墙非对称结构的研究综述

热带气旋的眼墙非对称结构与其发展过程密切相关。在热带气旋移动过程中,非对称风场伴随着边界层内非对称摩擦而引起的辐合,影响着热带气旋眼墙内的对流分布。此外,风垂直切变作为影响热带气旋强度的重要因子,将上层暖心吹离表层环流,引起眼墙垂直运动的非对称,导致云、降水在方位角方向的非均匀分布。当存在平均涡度的径向梯度时,罗斯贝类型的波动可以存在于涡旋内核区域,影响眼墙非对称结构。海洋为热带气旋提供潜热和感热形式的能量,是热带气旋发展的重要能量来源,关于海洋如何影响热带气旋眼墙非对称结构的相关研究较少。文中着重回顾了热带气旋与海洋相互作用的研究成果,并提出海洋影响热带气旋眼墙非对称结构的机制。海洋对热带气旋最显著的响应特征是冷尾效应,该效应通过降低海表温度,减少海洋向大气输送的潜热和感热,从而影响热带气旋眼墙非对称结构。此外,海浪改变海表粗糙度,通过边界层影响移动热带气旋的眼墙结构。     

Lightning activity and its relationship with typhoon intensity and vertical wind shear for Super Typhoon Haiyan (1330)

Super Typhoon Haiyan (1330), which occurred in 2013, is the most powerful typhoon during landfall in the meteorological record. In this study, the temporal and spatial distributions of lightning activity of Haiyan were analyzed by using the lightning data from the World Wide Lightning Location Network, typhoon intensity and position data from the China Meteorological Administration, and horizontal wind data from the ECMWF. Three distinct regions were identified in the spatial distribution of daily average lightning density, with the maxima in the inner core and the minima in the inner rainband. The lightning density in the intensifying stage of Haiyan was greater than that in its weakening stage. During the time when the typhoon intensity measured with maximum sustained wind speed was between 32.7 and 41.4 ms^?1, the storm had the largest lightning density in the inner core, compared with other intensity stages. In contrast to earlier typhoon studies, the eyewall lightning burst out three times. The first two eyewall lightning outbreaks occurred during the period of rapid intensification and before the maximum intensity of the storm, suggesting that the eyewall lightning activity could be used to identify the change in tropical cyclone intensity. The flashes frequently occurred in the inner core, and in the outer rainbands with the black body temperature below 220 K. Combined with the ECMWF wind data, the influences of vertical wind shear (VWS) on the azimuthal distribution of flashes were also analyzed, showing that strong VWS produced downshear left asymmetry of lightning activity in the inner core and downshear right asymmetry in the rainbands.     

Current understanding of tropical cyclone structure and intensity changes – a review

Summary Current understanding of tropical cyclone (TC) structure and intensity changes has been reviewed in this article. Recent studies in this area tend to focus on two issues: (1) what factors determine the maximum potential intensity (MPI) that a TC can achieve given the thermodynamic state of the atmosphere and the ocean? and (2) what factors prevent the TCs from reaching their MPIs? Although the MPI theories appear mature, recent studies of the so-called superintensity pose a potential challenge. It is notable that the maximum intensities reached by real TCs in all ocean basins are generally lower than those inferred from the theoretical MPI, indicating that internal dynamics and external forcing from environmental flow prohibit the TC intensification most and limit the TC intensity. It remains to be seen whether such factors can be included in improved MPI approaches.Among many limiting factors, the unfavorable environmental conditions, especially the vertical shear-induced asymmetry in the inner core region and the cooling of sea surface due to the oceanic upwelling under the eyewall region, have been postulated as the primary impediment to a TC reaching its MPI. However, recent studies show that the mesoscale processes, which create asymmetries in the TC core region, play key roles in TC structure and intensity changes. These include the inner and outer spiral rainbands, convectively coupled vortex Rossby waves, eyewall cycles, and embedded mesovortices in TC circulation. It is also through these inner core processes that the external environmental flow affects the TC structure and intensity changes. It is proposed that future research be focused on improving the understanding of how the eyewall processes respond to all external forcing and affect the TC structure and intensity changes. Rapid TC intensity changes (both strengthening and weakening) are believed to involve complex interactions between different scales and to be worthy of future research.The boundary-layer processes are crucial to TC formation, maintenance, and decaying. Significant progress has been made to deduce the drag coefficient on high wind conditions from the measurements of boundary layer winds in the vicinity of hurricane eyewalls by Global Positioning System (GPS) dropsondes. This breakthrough can lead to reduction of the uncertainties in the calculation of surface fluxes, thus improving TC intensity forecast by numerical weather prediction models.