1011号台风“凡亚比”登陆过程数值模拟及诊断分析

利用中尺度非静力数值模式WRF V3.2.1对“凡亚比”台风(1011)的登陆过程开展了高分辨率数值模拟,模拟采用三重嵌套,最高分辨率为3 km,共积分120 h(5 d)。利用收集到的观测资料对模式模拟的结果进行了较细致的对比验证。结果表明,模式较好地模拟再现了“凡亚比”台风的发展演变以及两次登陆过程,模拟的台风路径与观测路径较为一致,模式也较好地把握住了“凡亚比”台风的强度演变过程,模拟取得了初步的成功。进一步利用高分辨率模拟资料对此次台风登陆过程的强降水开展了初步诊断分析,结果表明,在整个研究时段内,散度垂直通量绝对值的垂直积分<|Q|>与地面降水区有很好的对应,两者在空间分布和时间演变上比较一致,在降水大的区域<|Q|>的值也大,这表明<|Q|>对“凡亚比”台风强降水具有较好的诊断和指示意义。     

一个双台风降水的数值模拟及其分析

运用WRF模式对2012年双台风个例-1209号台风“苏拉”和1210号台风“达维”进行数值模拟,成功地模拟出了这次双台风的路径和中心强度变化,同时也模拟出这次双台风降水空间分布以及这次过程的强降水中心.WRF模式模拟的位势涡度场与NCEP再分析资料的位势涡度场极其相似.通过700hPa水汽通量与风矢量场对这次双台风降水过程的水汽条件进行分析,并结合这次双台风路径和台风中心强度对这次双台风相互作用进行初步探讨.     

台湾地形对1011号台风“凡亚比”影响的数值试验

利用WRF-ARW 3.2.1模式,对台湾岛地形对2010年第11号超强台风"凡亚比"的路径、降水及结构的影响进行了数值模拟和敏感性试验。结果表明:台风登陆台湾岛前,迎风坡地形低压作用使台风中心南落并出现逆时针打转;背风坡地形低压和台风西北侧台湾海峡出现弧状正涡度带,使台风进入台湾海峡时出现"V"型异常路径;台湾岛地形作用使台风西北侧水汽辐合和正涡度减小,而使其东侧、南侧水汽辐合和正涡度增加,台风出现西北弱、东南强的不对称结构和降水不均匀分布;台湾中部山脉地形对台风低层流场的阻挡抬升作用对台风降水具有明显的增幅作用,造成台湾岛降水分布呈南部、东部强而西北部弱的不对称分布。     

登陆台风“凡亚比”(1011)合力散度分布及演变特征研究

本文利用1011号台风"凡亚比"高分辨率数值模拟资料及合力散度方程,诊断分析了"凡亚比"台风的合力散度水平分布及演变过程。首先将模拟的"凡亚比"生命史划分为五个阶段,然后计算各阶段整层垂直积分的合力散度,得到以下发现:在"凡亚比"快速增强阶段,台风中心附近首先出现合力辐合区,外围为合力辐散区;"凡亚比"成熟期和鼎盛期,合力辐合区呈现出以台风中心为圆心,半径约150 km的近似圆形分布,且中心附近辐合强度最大,向外逐渐减弱,外围合力辐散区呈螺旋云带状分布,宽度约200 km;"凡亚比"第一次登陆过程中,台风中心与合力辐合极值中心发生偏离,合力散度强度逐渐减小,对称结构被破坏;二次登陆后,辐散区迅速衰减甚至消失,但台风中心附近仍存在比较明显的合力辐合。"凡亚比"整个生命史中,合力辐合的平均强度普遍大于辐散的平均强度,前者与台风强度有显著的正相关关系。总体上,合力散度的强信号始终与台风环流系统相伴随,其演变能较好地反映出台风强度及结构的发展和演变。     

不同微物理方案对台风“利奇马”雨带模拟的影响分析

云微物理过程是影响台风降水数值模拟的关键过程。利用华东中尺度模式系统,选取Thompson与CLR两种微物理参数化方案对台风“利奇马”进行数值模拟,对比观测、卫星资料,评估两个微物理参数化方案对台风模拟的影响,结果表明:相比于Thompson方案,CLR方案对台风“利奇马”的模拟在登陆后的路径、强度、降水明显更接近观测;Thompson方案在距离台风中心约100 km形成较强的螺旋雨带,而CLR方案在距离台风中心150 km左右的位置形成了较弱的螺旋雨带。进一步的分析表明,CLR方案模拟出的外围雨带距离台风中心的距离更远,是由于CLR方案中冰、霰等冰相态水凝物下落速度更小,更有可能被推送到距离台风中心更远的位置,从而形成不同的雨带分布。      

登陆台风Winnie(1997)的数值模拟研究Ⅰ:结果检验和云系的模拟

用非静力平衡的中尺度模式MM5 (V2 )对 1997年 11号台风Winnie在登陆后演变为温带气旋的过程进行了48h模拟。结果表明 :MM 5不仅比较好地模拟出台风在陆地上的移动路径及其产生的降水 ,而且成功地模拟出了台风登陆后次中心的产生。利用模拟大气中的水物质 (云水、雨水、冰晶、雪水和霰 )模拟了台风云图 ,很好地展示了在卫星实际观测的红外云图上 ,Winnie台风在登陆后其云系的结构从热带气旋的螺旋结构到温带气旋的锋面云系结构的转变过程。因此对Winnie台风的数值模拟可以作为深入研究台风登陆后从热带气旋演变为温带气旋的变性过程的基础。     

台风“桑美”的数值模拟和地形敏感性试验

用WRF模式对0608号台风“桑美”进行了数值模拟研究,较为成功地模拟出了台风路径和降水,但模拟的台风中心气压远高于实况。为研究“桑美”登陆期间地形的抬升作用对其降水及结构的影响,通过改变特定区域内的地形高度设计了一组敏感性试验。结果表明,台风登陆过程中地形抬升作用对台风降雨量有显著的增幅作用;台风中心位势涡度、气流垂直上升速度、水平水汽通量散度明显增大;地形抬升机制在台风登陆时刻达到最强。     

登陆台风 “凡亚比”（1011）合力散度分布及演变特征研究

本文利用1011号台风“凡亚比”高分辨率数值模拟资料及合力散度方程,诊断分析了“凡亚比”台风的合力散度水平分布及演变过程。首先将模拟的“凡亚比”生命史划分为五个阶段,然后计算各阶段整层垂直积分的合力散度,得到以下发现：在“凡亚比”快速增强阶段,台风中心附近首先出现合力辐合区,外围为合力辐散区;“凡亚比”成熟期和鼎盛期,合力辐合区呈现出以台风中心为圆心,半径约150 km的近似圆形分布,且中心附近辐合强度最大,向外逐渐减弱,外围合力辐散区呈螺旋云带状分布,宽度约200 km;“凡亚比”第一次登陆过程中,台风中心与合力辐合极值中心发生偏离,合力散度强度逐渐减小,对称结构被破坏;二次登陆后,辐散区迅速衰减甚至消失,但台风中心附近仍存在比较明显的合力辐合。“凡亚比”整个生命史中,合力辐合的平均强度普遍大于辐散的平均强度,前者与台风强度有显著的正相关关系。总体上,合力散度的强信号始终与台风环流系统相伴随,其演变能较好地反映出台风强度及结构的发展和演变。     

探空和飞机观测资料联合同化对台风“苏迪罗”（2015）数值模拟的影响研究

基于中尺度数值天气预报模式WRF和WRFDA三维变分同化系统,针对2015年台风“苏迪罗”二次登陆过程,利用NCEP ADP提供的无线电探空、飞机报观测资料,同时同化两种资料,并进行36 h模拟预报,从台风移动路径、强度、降水及模式初始场改进等方面分析了同化模拟效果。结果表明,同时同化两种资料能够有效改善台风移动路径、中心附近最低气压的模拟。对浙闽降水关键区24 h降水的TS评分结果表明,该同化方案对台风降水的预报评分有一定程度的改进,尤其是中雨和特大暴雨的改进最明显。对于模式初始场的温度、相对湿度、纬向风、经向风在各高度上的均方根误差,除湿度外均有不同程度的减小。并且同化对于台风结构的模拟也有所调整。      

中尺度海-气耦合模式GRAPES_OMLM对台风珍珠的模拟研究

利用全球/区域同化与预报系统GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)和改进的Mellor-Yamada型海洋混合层模式OMLM(Ocean Mixed Layer Model),建立了一个新的中尺度海-气耦合模式GRAPES_OMLM,并利用该模式对发生于南海的台风珍珠(0601)进行了模拟研究,检验了GRAPES_OMLM对台风的模拟性能,并分析了局地海-气相互作用对台风的影响。结果表明,GRAPES_OMLM基本能模拟出台风天气过程中的主要物理过程。考虑了海-气相互作用的耦合试验所模拟出的台风强度、近台风中心最大风速以及台风后期移动路径,相对于两组控制试验(单独大气模式)的模拟结果都有较大的改进。而且,采用逐日变化海表温度作为下边界条件的控制试验2的模拟结果相对于SST不变的控制试验1更接近观测。耦合模式GRAPES_OMLM能较好地模拟出台风过境海表温度的变化,台风珍珠在其路径右侧有超过4.0℃的降温。SST的变化和海表风应力的变化呈反相关系,风应力的增大伴随着海洋近表层湍流动能(TKE)的加强,大风动力作用是SST降低的主要原因。SST的降低致使海洋向台风输送的热通量减少,进而削弱了台风的强度并改变台风环流结构,同时通过改变位势涡度趋势的一波结构(WN-1)来影响台风的移动路径。     

在GRAPES模式中引入夹卷过程的影响试验

边界层过程是数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。针对目前GRAPES模式中MRF边界层参数化方案存在的一些问题,引入考虑夹卷过程的改进方案,并从单柱试验和实际个例试验进行了验证。Wangara单柱试验表明,改进方案产生的边界层高度和边界层结构更合理;并在对临界Richardson数的敏感性试验的基础上,确定了适合于GRAPES模式的边界层夹卷方案。另外,对2010年第11号台风“凡亚比”进行的试验表明,改进方案的台风路径预报误差小于MRF方案,且其对降水和各物理量时空分布的描述更接近实测。      

不同资料同化对登陆台风菲特(2013)短时预报的影响研究

为定量评估地面、探空、飞机报、卫星辐射亮温、雷达反射率及径向风等不同观测资料同化对台风预报性能的影响,本文以2013年严重影响我国的登陆台风菲特为例,利用WRF模式与GSI-3DVAR同化系统开展观测系统试验(OSE)研究,探讨了不同类型资料同化对"菲特"(2013)路径、强度、形势场和降水短时预报的相对贡献及可能影响机理。结果表明:(1)不同类型资料同化对模拟结果贡献程度有明显差别,其中探空、雷达反射率和飞机报对模拟结果有较大影响,分别"拒绝"这三种资料后模式模拟的高空各要素均方根误差分别上升约54.8%~62.0%、9.2%~16.5%和6.1%~6.4%。(2)对于不同的台风预报效果评估参数,各类资料的贡献率大小排序不同。对高空场和台风路径模拟影响较大的是探空和飞机报,对台风强度模拟影响较大的依次是雷达径向风、反射率、探空和飞机报,而对降水模拟影响较大的依次是雷达反射率、探空和飞机报。(3)各类资料对降水模拟的贡献率随时间变化不同。雷达反射率资料对降水的贡献随着模式积分时间明显下降,而飞机报、探空资料等对降水的贡献在模式积分3 h之后开始出现。(4)资料同化对降水模拟的改进与其对台风路径、水物质及强度模拟改进有关,因此影响高空场、台风路径和强度较大的雷达反射率、探空和飞机报资料,也是对降水模拟贡献较大的资料。     

区域海气耦合模式对中国夏季降水的模拟

以区域气候模式RegCM3和普林斯顿海洋模式POM为基础,建立了一个区域海气耦合模式,对1963-2002年中国夏季气候进行模拟,重点分析该耦合模式对中国夏季降水的模拟性能以及降水模拟改进的可能原因.结果表明:耦合模式对中国夏季雨带分布的模拟明显优于控制试验(单独的大气模式),对长江流域以及华南降水的模拟性能改进尤为明显,同时耦合模式能够更为真实地刻画中国东部地区汛期雨带的移动.对降水的年际变化分析发现,耦合模式模拟的1963-2002年中国夏季降水年际变率与观测吻合,模拟的夏季长江流域降水与观测降水相关系数达到0.48,模拟的华南夏季降水与观测的相关系数达到0.61,而控制试验结果与观测降水的相关系数均较小.对中国东部长江流域夏季降水与近海海温的相关分析表明,用给定海温驱动的大气模式,并不能正确模拟出中国东部夏季降水与海温的关系,而耦合模式能够较好地模拟出长江流域与孟加拉湾、南海以及黑潮区海温的关系,与GISST(全球海冰和海表温度)和观测降水相关关系一致.对水汽输送通量的分析发现,控制试验模拟的水汽输送路径与NCEP/NCAR再分析资料相比差别较大,耦合模式模拟的来自海洋上的水汽输送强度和路径与NCEP/NCAR再分析资料一致,提高了耦合模式对水汽输送的模拟能力,从而改善了模式对华南以及长江流域降水的模拟.     

台风“山竹”登陆前后广东沿海珠三角机场阵风预报方法研究

利用WRF模式对1822号台风"山竹"的登陆过程进行数值模拟试验,分析台风产生的大风特征,比较不同的阵风参数化方法在机场大风预报中的效果,结果表明:(1)试验基本模拟出了台风的路径和强度变化过程,模拟的珠三角机场平均风速大小和变化趋势与观测非常接近。(2)地面最大风速区出现在距离台风中心大约50-100km的位置上,垂直方向上风速从低层到高层逐渐减小,湍流动能的大值区集中在1.5km以下的边界层内。(3)台风登陆过程中广州、深圳和珠海机场的平均阵风因子分别为1.45、1.51和1.46,且随着平均风速的增大,阵风因子有减小的趋势。(4)基于湍流动能的阵风参数化方案在珠三角机场阵风预报中效果最好,平均预报误差只有3.9m/s,可以考虑应用到台风天气过程中机场阵风的业务预报。     

南海夏季风对台风“启德”极端降水影响的数值模拟

本文为研究台风"启德"极端降水的成因,模拟了南海夏季风减弱后台风"启德"的路径、强度、雨带位置、降水强度等。结果表明,夏季风削弱后,南海地区的西南季风受到抑制,台风强度减弱,台风范围内降水强度总体减弱,台风雨带偏南,因此南海夏季风强度减弱不利于极端降水的产生。降水模拟过程中发现,降水强度的减弱在整个模拟试验时间周期内,表现为非峰值强度减弱明显,而峰值强度不明显减弱。进一步分析了台风降水的逐小时演变特征和台风路径特征。结果表明,控制试验与敏感性试验模拟台风登陆在时间上存在时间差,与台风降水的逐小时变化峰值出现的时间差基本对应。这说明可能台风登陆过程的其他复杂因素导致夏季风减弱后台风登陆降水不表现出明显减弱。而非登陆过程,减弱夏季风对台风降水有减幅作用。     

台风莫拉克动力结构的高分辨率数值模拟及诊断分析

本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2009年8号台风莫拉克进行了高分辨率数值模拟,模拟过程采用三重嵌套,最高分辨率为2 km,共积分72 h(3 d).对实际观测资料与模式模拟结果进行了细致对比和验证分析,结果表明,“莫拉克”台风的发展演变以及登陆过程得到了较好模拟再现,模拟的台风路径与观测路径较为一致,同时“莫拉克”台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征也有较好再现.利用物理量广义波作用密度因子对“莫拉克”引发的暴雨过程进行诊断分析,结果表明,波作用密度的异常值区始终伴随着降水区的发展而起伏变化,两者在水平分布和时间演变趋势上都较为相似,表明“莫拉克”台风降水活动受波动影响明显,广义波作用密度能够综合表征莫拉克台风降水系统动力场和热力场扰动的典型垂直结构,对强降水落区有较好的指示作用.     

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。     

不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

本文以GFS资料为初始场,利用WRF（v3.6.1）模式对2015年第22号台风“彩虹”进行了数值研究。采用CMA（中国气象局）台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案（Lin、WSM6、GCE和Morrison）对“彩虹”台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出“彩虹”台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。     

0414号台风“云娜”的数值模拟

利用美国CAPS的非静力高分辨率区域预报模式(ARPS)对0414号台风"云娜"进行数值模拟,其中把新一代多普勒天气雷达资料分析引入模式,模拟结果表明ARPS模式能较好模拟台风"云娜"的移动路径、中心气压强度变化及台风大暴雨;并利用模式输出的组合反射率与雷达组合反射率资料比较来检验模拟结果.数值模拟结果表明台风自身结构是引起0414号台风西折路径的重要原因;浙南闽北地形对0414号台风的影响作地形敏感性试验结果表明浙南闽北地形使0414号台风移动路径出现右偏现象;浙南闽北地形对0414号台风强度影响较小,地形对深入内陆后台风强度变化有较明显的影响;浙南闽北地形对0414号台风暴雨有增幅作用,降水分布更加不均匀.     

贵州中西部地区一次台风暴雨天气过程的诊断分析及数值模拟

利用常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,对2014年9月16—18日发生在贵州中西部地区的一次台风暴雨天气过程进行诊断分析,并利用中尺度模式WRF对该次过程进行了数值模拟。结果表明:此次暴雨天气过程具有降水强度大、持续时间长的特点。强降水时段主要有两个时段,且两个时段降水时空特征存在区别及其主要影响的天气系统也不一致。第1时段主要受1415号台风"海鸥"外围云系影响,降水强度较大且持续时间长;第2时段为700 hPa低涡切变系统配合冷空气侵入台风尾流云系,强降水持续时间比第1时段短但强降水范围更为集中,且最大小时雨强比第1时段强。台风云系带来的深厚湿层与暖湿气流沿地形抬升的动力作用,使得贵州累积的不稳定能量得到释放,加上后期700 hPa低涡切变带来的冷空气补充影响,导致此次贵州中西部地区连续强降水天气过程的形成。WRF模式较好地模拟出了台风的演变特征,并揭示了此次暴雨过程形成的重要机理,但WRF模式不能够较好地分离第1时段和第2时段的降水分布特征。总体来说,模式对于700 hPa切变系统降水的模拟略优于台风系统降水的模拟。