海洋混合层厚度对热带气旋结构和强度变化影响的数值试验

利用高分辨率大气模式WRF（Weather Research Forecast）耦合了简单的海洋混合层模式,设计了不同海洋初始混合层厚度条件下的数值试验,研究了不同混合层厚度对热带气旋（TC）结构和强度的影响。结果表明,当TC经过海洋混合层厚度较浅海域时,TC对应的海洋底层的冷水更易上翻,最冷中心区出现在TC大风中心右...     

对流参数化影响热带气旋的模拟研究

利用GRAPES-TCM模式对2008年登陆我国的9个热带气旋(TC)进行了44次试验,分析了积云对流参数化方案Kain-Fritsch (KF)方案与Betts—Miller-Janjic(BMJ)方案对TC预报的影响.结果表明,KF方案预报TC的总体效果要好于BMJ方案,BMJ方案的优势主要体现在对强TC强度的预报.不同的对流参数化方案对TC路径的影响没有明显差异,但对TC强度和降水的影响与TC初始强度有关;不同的对流参数化方案预报的TC强度和降水强度各不相同,但不同方案预报TC强度的差异与TC降水强度的差异基本一致.采用不同的对流参数化方案预报TC强度和降水随着TC初始强度的不同而表现出不同的特点.     

初始涡旋结构对热带气旋强度变化影响的数值研究

本文利用中尺度WRF模式,通过构造3个位于不同高度上强度相同的初始涡旋暖心中心(分别称为Low试验、Mid试验和High试验),认识暖心垂直结构对热带气旋发展的影响。理想数值试验发现,在积分6 h后在Low试验和Mid试验中最大风速半径开始收缩,眼墙内对流发展,高层暖心发展明显比High试验强,强度增加明显快于High试验,达到快速增强的标准。进一步诊断发现,暖心偏低的试验中初始CAPE值较大,低层风垂直切变较强,有利于眼墙内对流发展,非绝热加热在高层暖心形成过程中起重要作用,最大风速半径收缩比High试验快,热带气旋强度快速增加。本研究清楚表明,数值预报模式中构造初始涡旋的暖心高度对模拟热带气旋的强度发展有重要影响。     

1977—2007年影响南海的热带气旋强度变化特征

应用东京台风中心(RSMC Tokyo)提供的1977—2007年影响南海的热带气旋(TC)最佳路径资料,统计分析了影响南海的不同初始强度的TC强度变化的时空分布特征,以及迅速加强(RI)和缓慢加强(SI)样本的大尺度统计特征。主要结果为:(1)热带风暴(TS)和强热带风暴(STS)以增强和稳定为主,台风(TY)减弱为主。初始强度越强,增强观测次数越少,变化率越小;减弱观测次数越多,变化率越大。(2)00时(世界时,下同)增强样本最多,增强率最大,12时减弱样本最多,减弱率最大。(3)增强状态下,南海东北部TS最多,中东部STS最多,中部TY最多。减弱样本分布在我国海南岛、越南近岸以东洋面、菲律宾近海以西洋面,TS和STS在南海中部有部分减弱样本。(4)7、9和10月RI样本较多。RI样本的平均纬度偏南,垂直切变相对较小,200 hPa纬向风东风分量稍弱,15.4 m/s风圈半径更小。SI样本的海温略高。     

利用一个海气耦合模式对台风Krovanh的模拟

采用中尺度大气模式MM5和区域海洋模式POM构造了中尺度海气耦合模式, 模拟了Krovanh (0312) 台风过程中台风－海洋相互作用, 分析了台风引起的海面降温影响台风强度的机制和海洋对台风响应的特征。试验结果显示: 考虑台风引起的海面降温使台风强度模拟有了较大改进, 模拟的台风中心气压和近中心最大风速均与实况较符合。POM模拟的海表面温度与TRMM/TMI观测的海表面温度也较为一致, 台风Krovanh在其路径右侧95 km处引起较大的海面降温, 最大降温幅度达5.8℃。与海表面温度降低相对应的是混合层深度的增加, 较大的海面降温对应较大的混合层加深, 表明大风夹卷在海表面温度的降低中起主要作用。分析表明, 台风引起的海面降温降低海洋向大气输送的潜热通量和感热通量, 特别是在台风内核区, 平均总热通量减少了32.1%。热通量的减少使得湿静力能及湿静力能径向梯度减小, 削弱了台风强度。     

西北太平洋热带气旋强度与环境气流切变关系的气候分析

采用NCEP/NCAR再分析资料和JTwC(美国关岛联合台风警报中心)资料,对1974～2004年5～10月西北太平洋热带气旋(TC)强度和环境风垂直切变进行了趋势特征、振荡周期和空间结构分析.结果表明:西北太平洋热带风暴强度以上TC的最大风速和环境风垂直切变在时间上有相反的变化趋势,弱的环境风垂直切变有利于TC强度的增大;前12 h的环境风垂直切变对TC强度的发展影响最大.环境风垂直切变在两北太平洋TC最强的年份表现为环境风切变值小,TC发生密集;最弱的年份表现为环境风切变值大,TC发生稀疏.     

大涡模式分辨率对海洋信风区大气边界层结构和演变模拟的影响

利用BOMEX（巴巴多斯海洋与气象学试验）的探空资料和LEM（大涡模式）,通过改变LEM水平分辨率的敏感性数值试验,对比分析不同尺度的湍涡对信风积云边界层中混合层和云层的结构、演变以及对流形式和强度的影响。结果表明,水平分辨率较高时模拟的湍涡尺度较小、混合层顶的夹卷作用较强,模拟的混合层较暖、较干,而且模拟的对流泡尺度较小、强度较大,能够模拟出较精细的边界层结构;而水平分辨率较低时则相反。模拟的湍涡尺度对海洋信风区边界层积云中液态水混合比的模拟结果影响较大:LEM模拟的湍涡尺度较小时模拟的信风积云形成的时间较早、云顶高度较高,单个云块的体积较小但数目较多,液态水含量较高;而模拟的湍涡尺度较大时则相反。虽然水平分辨率为50 m和125 m的试验都能模拟出较精细的信风边界层中混合层、云层的结构和演变特征,但是,考虑到提高分辨率在模拟过程中产生的噪音信号对结果的影响以及计算时间等问题,LEM采用125 m的水平网格距是对海洋信风边界层积云对流模拟较为理想的选择。      

台风与中纬度槽的相互作用对其转向之后的路径的影响

选取三个台风个例(2004年“桑达”、2005年“彩蝶”、2009年“彩云”),分别以多个相邻时次作为初始时刻进行一系列的数值模拟,结果表明热带气旋(TC)与上游槽相互作用的关键区域的预报误差与TC转向后的路径预报误差表现出显著的相关性。以2010年“马勒卡”台风为个例的敏感性试验证实了中纬度下游环流的发展及TC转向之后的移动路径对TC的强度和TC相对于上游槽的位置很敏感,这个结果给出了TC路径对TC-槽相互作用的敏感性的一个例子或一种方式。若TC增强或更接近上游槽,TC与上游槽的相互作用增强,TC向中纬度输出低PV空气的能力增强,由此导致下游区域的PV梯度增大,同时TC对中纬度梯度的扰动也会加强,因而会引起中纬度下游环流发展增强,且偏经向,TC在转向之后的路径偏北偏西;反之则下游环流偏纬向,路径偏南偏东。      

气象条件对大气污染物扩散的影响

本文主要论述了风速、大气稳定度、混合层厚度、逆温层对自然环境产生影响的主要作用。风速的大小直接影响污染物扩散、稀释程度和范围,并影响地面浓度大小、最大落地浓度与污染源距离的变化。大气稳定度是表征大气湍流强度的重要综合参量。本文也论述了风速相同稳定度不同情况下最大落地浓度与距离的关系。混合层厚度较低而又接近有效源高情况下必须考虑混合层的反射污染物的作用。同时指出了强逆温情况下早晨在消散过程易形成熏烟现象。     

环渤海地区下垫面对北上热带气旋强度变化的影响分析

利用统计分析结合数值模拟试验的方法,研究1949—2019年6—9月登陆北上后影响环渤海地区的热带气旋（后统称TC）所经下垫面和强度变化的不同特征,及环渤海地区下垫面对TC强度加强的可能影响。结果表明：71年间共有25例TC影响环渤海地区,按照首次登陆点的不同将其分为山东及山东以北登陆（第一类,11个）,以及山东以南登陆（第二类,14个）两类,第一类TC北上时路径所经下垫面为先海洋后陆地,发生变性的几率较小且北上后无加强,第二类路径所经下垫面为先陆地后海洋,移入环渤海区域后发生变性的几率增大且存在强度加强现象,其中加强的TC共5例;对第二类TC中强度加强的个例“温比亚（2018）”TC进行数值模拟试验表明,增加或降低黄渤海的海温时,TC均表现出加强趋势,将黄渤海修改为草地时,TC不再加强,而海陆分布指数的分析表明无论海温如何变化,TC由陆地移入海洋与强度加强趋势之间关系密切。以上表明TC由陆地移入黄渤海是产生强度增强趋势的主要原因。     

基于风廓线雷达的广东登陆台风边界层高度特征研究

针对8个登陆广东省的热带气旋,利用经过数据质量控制的风廓线雷达连续、高时空分辨率的风场观测数据,对热带气旋边界层特征进行了分析。研究结果表明:热带气旋边界层中切向风速大值区垂直范围越大、风速越强、持续时间越久,则热带气旋强度越大、登陆后强度维持时间越久。眼区外入流层厚度越大,入流层气流越强,热带气旋登陆后强度维持时间则越久。风廓线雷达信噪比垂直梯度对大气湍流信息有一定的指示作用,对于入流层高度在2000 m以下的热带气旋,其入流层顶所在高度与信噪比梯度最大值所在高度相近,对于入流层较为深厚的热带气旋,用信噪比垂直梯度确定的边界层高度虽接近入流层顶高,但仍有一定差距。不同特点的热带气旋其边界层高度并不相同,对于登陆后强度迅速减弱的热带气旋边界层高度在500~1000 m;登陆后强度持续时间短的热带气旋,其边界层高度约1000~2000 m;登陆后强度持续时间长的热带气旋,其边界层高度在2000 m之上,最高可达5000~7000 m。这些结果加深了对登陆台风边界层高度演变特征的认识。     

Evaluation of the Ocean Feedback on Height Characteristics of the Tropical Cyclone Boundary Layer

In this study, the interaction between the tropical cyclone（TC） and the underlying ocean is reproduced by using a coupled atmosphere-ocean model. Based on the simulation results, characteristics of the TC boundary layer depth are investigated in terms of three commonly used definitions, i.e., the height of the mixed layer depth（HVTH）, the height of the maximum tangential winds（HTAN）, and the inflow layer depth（HRAD）. The symmetric height of the boundary layer is shown to be cut down by the ocean response, with the decrease of HVTH slightly smaller than that of HTAN and HRAD. The ocean feedback also leads to evident changes in asymmetric features of the boundary layer depth. The HVTH in the right rear of the TC is significantly diminished due to presence of the cold wake, while the changes of HVTH in other regions are rather small. The decreased surface virtual potential temperature by the cold wake is identified to be dominant in the asymmetric changes in HVTH. The impacts of ocean response on the asymmetric distributions of HTAN are nonetheless not distinct, which is attributed to the highly axisymmetric property of tangential winds. The HRAD possesses remarkable asymmetric features and the inflow layer does not exist in all regions, an indication of the inadequacy of the definition based on symmetric inflow layer depth. Under influences of the cold wake, the peak inflow area rotates counterclockwise distinctly. As a consequence, the HRAD becomes deeper in the east while shallower in the west of the TC.     

福建省古田试验区云系回波特征与人工增雨作业条件分析

利用2008—2012年4—6月古田试验区的新一代天气雷达、探空及地面雨量观测等资料,结合天气形势分析,研究古田试验区云系的回波特征与人工增雨作业条件,结果表明:影响古田试验区的主要天气系统分别为低涡切变、暖区辐合、高空槽和大陆高压。降水云系以积层混合云为主,其次为积状云。天气系统所对应的云系回波类型及降水情况有明显差异,积层混合云的结构有利降水;积层混合云大于25 d Bz的回波面积明显比积状云大,且平均回波顶高和最大回波顶高均比积状云低;积状云的垂直积分液态水含量明显比积层混合云大;积状云和积层混合云的负温层厚度超2 km;积层混合云的最大回波强度、大于25 d Bz的回波面积和负温层厚度与区域平均日雨量有着明显的对应关系。古田试验区积层混合云的作业指标为回波强度大于25 d Bz,大于25d Bz的回波面积S25 d Bz要大于400 km~2,回波顶高大于5.5 km,负温层厚度大于1.5km,垂直积分液态水含量大于1 kg/m~2。     

Impact of Surface Exchange Coefficients and Sea Surface Cooling on Tropical Cyclone Simulation

The surface flux exchange associated with the exchange coefficients and upper ocean conditions is essential to the development of tropical cyclones (TCs). Using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, the present study has investigated the impact of exchange coefficients and ocean coupling during Super Typhoon Saomai (2006). Firstly, two experiments with different formula of roughness are conducted. The experiment with the Donelan formula for drag coefficient (Cd) and ramped formula for enthalpy coefficient (Ck) can simulate stronger intensity compared to other experiments due to the increased surface wind and enthalpy fluxes. That is because the new formulas allows for a smaller Cd and larger Ck in the high wind regime than the former formulas did. Moreover, two coupled simulations between WRF and a one-dimensional ocean model are conducted to examine the feedback of sea surface cooling to the TC. In the experiments with a horizontal uniform mixed layer depth of 70 m, the sea surface cooling is too weak to change the evolution of TC. While in the experiment with an input mixed layer calculated using the Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) data, the significant sea surface cooling induces obvious impact on TC intensity and structure. Under the negative feedback of sea surface cooling, the sensible and latent heat fluxes decreases, especially in the right part of Saomai (2006). The negative feedback with coupled ocean model plays a vital role in simulating the intensity and structure of TC.     

闽西北地区降水回波特征和人工增雨作业条件分析

利用新一代天气雷达回波资料、850 hPa天气图和地面降水资料对闽西北地区的云雨资源、有利人工增雨作业的天气系统、降水回波特征及人工增雨作业指标进行分析.结果表明:福建闽西北地区有利于开展人工增雨作业的主要天气系统可分为9类:大陆高压、副高外围、暖区辐合、热带辐合带、低槽、台风(低压)、低涡、低涡切变和其他类.积层混合...     

Uncertainty in Tropical Cyclone Intensity Predictions due to Uncertainty in Initial Conditions

Focusing on the role of initial condition uncertainty,we use WRF initial perturbation ensemble forecasts to investigate the uncertainty in intensity forecasts of Tropical Cyclone(TC)Rammasun(1409),which is the strongest TC to have made landfall in China during the past 50 years.Forecast results indicate that initial condition uncertainty leads to TC forecast uncertainty,particularly for TC intensity.This uncertainty increases with forecast time,with a more rapid and significant increase after 24 h.The predicted TC develops slowly before 24 h,and at this stage the TC in the member forecasting the strongest final TC is not the strongest among all members.However,after 24 h,the TC in this member strengthens much more than that the TC in other members.The variations in convective instability,precipitation,surface upward heat flux,and surface upward water vapor flux show similar characteristics to the variation in TC intensity,and there is a strong correlation between TC intensity and both the surface upward heat flux and the surface upward water vapor flux.The initial condition differences that result in the maximum intensity difference are smaller than the errors in the analysis system.Differences in initial humidity,and to a lesser extent initial temperature differences,at the surface and at lower heights are the key factors leading to differences in the forecasted TC intensity.These differences in initial humidity and temperature relate to both the overall values and distribution of these parameters.     

Effects of a Dry-Mass Conserving Dynamical Core on the Simulation of Tropical Cyclones

The accurate forecasting of tropical cyclones(TCs) is a challenging task. The purpose of this study was to investigate the effects of a dry-mass conserving(DMC) hydrostatic global spectral dynamical core on TC simulation. Experiments were conducted with DMC and total(moist) mass conserving(TMC) dynamical cores. The TC forecast performance was first evaluated considering 20 TCs in the West Pacific region observed during the 2020 typhoon season. The impacts of the DMC dynamical core on forecasts o...     

1951—2017年热带气旋移动速度特征统计分析

热带气旋移动速度是目前热带气旋研究热点之一。本文利用1951—2017年中国国家气象局最佳路径集资料,系统分析了西北太平洋海域热带气旋不同强度等级移动速度的年代际特征,初步探讨其原因,并对不同强度等级移动速度的分布特征进行系统诊断。结果表明,1951—2017年间平均移动速度(所有强度等级平均及对于大部分强度等级)呈现出减慢趋势,且主要体现在强热带气旋等级移动速度减慢;热带气旋向高纬度迁移趋势理论上将使移动速度增大而移动速度仍然减慢,说明气候因素是引起移动速度减慢的一个重要因素;不同强度等级平均移动速度、增强阶段基本相当,减弱阶段随强度减弱在初、中期明显增加,之后又逐渐减小,变性气旋移动速度显著增加;不同强度等级速度概率分布,增强阶段基本相同且相对集中,减弱阶段差异较大且相对分散,变性气旋最为分散。     

热带气旋强度与结构研究新进展

主要回顾热带气旋(TC)强度与结构变化的研究发展近况。以往热带气旋的理论研究认为在给定的大气和海洋热状况下,存在着一个TC所能达到的最大可能强度(MPI)。但实际上,海洋生成的热带气旋达到的最大强度普遍要比由MPI理论计算得到最大强度要低。近几年的研究表明,存在着内部和外部的不利因子通过对TC结构的改变来阻碍其加强,从而限制TC的强度。以往认为在诸多因子中,垂直风切变产生的内核区非对称结构与眼墙区下方海水上涌造成的海面冷却是制约TC达到MPI的主要因子。最新的研究进一步指出,产生TC非对称性的中尺度过程对其强度与结构的变化至关重要。中尺度过程包含有对流耦合的涡旋Rossby波、内外圈螺旋雨带、嵌于TC环流内的中尺度涡旋。外部的环境气流也是通过这些眼墙的中尺度过程影响到TC的强度与结构变化。     

数值模式的热带气旋强度预报订正及其集成应用

提供热带气旋强度预报产品的业务数值天气预报模式有很多,并已表现出一定的预报技巧,为提高对模式热带气旋强度预报产品的定量应用能力,分析2010—2012年7个业务数值模式的西北太平洋热带气旋强度预报,发现预报误差不仅受到模式热带气旋初始强度误差的显著影响,还与热带气旋及其所处环境的初始状况有密切关系,包括热带气旋初始强度、尺度、移速、环境气压、环境风切变、热带气旋发展潜势等。根据这些因子与各模式热带气旋强度预报误差之间的相关性,采用逐步回归方法建立热带气旋强度预报误差的统计预估模型,并通过逐个热带气旋滚动式建模来进行独立样本检验。检验结果表明,基于误差预估的模式订正预报比模式直接输出的热带气旋强度预报有显著改进,在此基础上建立的热带气旋强度多模式集成预报方案相对气候持续性预报方法在12 h有28%的正技巧,在24—72 h则稳定在15%—20%,具有业务参考价值。