基于海平面气压动力反演的台风涡旋初始化方法

提出了一种基于海平面气压动力反演和变分同化技术初始化数值模式台风涡旋以改进台风预报的方法.使用QuikSCAT海面风资料,针对中纬度和热带地区使用不同的边界层模式反演出与观测风场动力相适应的海平面气压;然后基于三维变分动力约束将海平面气压同化进入中尺度模式.对登陆中国的两个台风个例的初始化敏感性数值试验研究发现,初始化方法在实现台风风场与气压场的动力平衡的基础上,不仅通过调整边界层入流结构和垂直风切变明显改变了大气不稳定状态和对流触发条件,而且,也调整了台风在对流层顶附近的流出结构.尤其值得注意的是,尽管同化只是使初始台风强度略有加强,但随着模式积分时间的增长,这种模式边界层物理过程与资料同化相互耦合的方法对台风预报的影响在逐渐加强,改善了对台风登陆过程中强度维持和迅速减弱阶段的描述;并通过不同程度地调整对流层中低层和高层引导气流,改善了台风路径的数值模拟.     

台风动力模式的解析解及台风形成和维持的动力机制(一)

本文根据观测得到的台风结构,把轴对称下的台风垂直剖面分成四个区域,分别对这四个区域的动力方程组进行尺度分析,在一定的简化假定下,求得台风流出层和眼区的解析解,从而发现理论得到的结果和观测与天气分析的结果基本一致。      

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验I.对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场, 表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换, 并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气.对台风Dan的模拟个例表明, 由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同, 风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异.不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异, 与此相对应, 在不同边界层方案下, Eta方案模拟的台风强度偏大; 而Burk-Thompson和Blackadar方案略次之,在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱,体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响.     

边界层参数化方案对南海秋季台风“莎莉嘉”(2016)模拟的影响

利用美国中尺度数值模式WRF,选取两个局地(QNSE、MYJ)闭合和两个非局地(YSU、ACM2)闭合的边界层参数化方案对台风“莎莉嘉”(2016)进行了4组模拟试验,结果表明,不同边界层方案对台风路径影响较小,但对台风强度和结构有明显的影响,就本个例研究而言,非局地闭合边界层方案明显优于局地闭合边界层方案。台风强度的差异是热力和动力共同作用的影响。局地闭合方案模拟的地表焓通量、水汽通量和动量通量更大,台风偏强;局地闭合方案模拟的边界层高度更高、边界层顶的夹卷过程更强、垂直混合更强、台风暖心结构更强,从而台风也更强。台风强度的差异和台风结构的变化密切相关。      

台风移动规律的研究 Ⅱ．小地形与边界层的动力作用

从支配台风中心移动的基本方程出发，着重分析了小地形（地形高度与台风系统的垂直厚度相比为小量）的抬升作用和边界层的摩擦作用对台风移动影响的定性特征。结果表明，较高地势对台风有“吸引”作用；边界层摩擦辐合引起的艾克曼抽吸有利于台风产生沿局地流场引导速度方向的加速度。     

边界层参数化方案对台风SANBA初生阶段影响的数值模拟研究

台风的形成和发展与边界层中低涡扰动的形成和发展密切相关。利用中尺度WRF模式,采用数值敏感性试验的方法来研究不同边界层方案对台风SANBA初生阶段的移动路径、强度及物理量场分布等方面的影响,结果表明:在台风形成初期,不同边界层方案对模拟的SANBA台风的强度和路径具有明显影响;未引入Bogus方案时,采用QNSE和ACM2边界层参数化方案的模拟结果与最佳路径资料最为接近。采用Bogus方法在初始场中引入热带扰动有关信息后,五种边界层参数化方案模拟的台风路径均有显著改进,其中QNSE和ACM2方案对台风路径和强度模拟结果的改进效果较其他几种边界层参数化方案的模拟结果改进小,说明这两种边界层参数化方案对SANBA台风发展初期边界层过程的处理较完善,能够较好地处理边界层过程和边界层热带扰动的形成和发展;对比分析表明由于不同边界层参数化方案对边界层过程处理的差异,导致SANBA台风发展到强盛阶段时近地层的有关物理量及自由大气中的物理场分布出现一定的差异,即使模拟效果较好的QNSE与ACM2边界层参数化方案模拟的台风垂直结构之间也存在一定的差异。数值试验也表明MYJ参数化方案对此次台风的模拟效果最差,在进行相关研究时应慎用该边界层参数化方案。     

台风移动规律的研究 Ⅱ.小地形与边界层的动力作用

从支配台风中心移动的基本方程出发，着重分析了小地形（地形高度与台风系统的的垂直厚度相双为小量）的抬升作用和边界层的摩擦作用对台风移动影响的定性特征。结果表明，较高地势对台风有“吸收”作用；边界层摩擦辐合引起的艾克曼抽吸有利于台风产生沿局地流场引导速度方向的加速度。     

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。     

台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验——Ⅰ．对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场，表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换，并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气。对台风Dan的模拟个例表明。由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同，风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异。不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异，与此相对应，在不同边界层方案下，Eta方案模拟的台风强度偏大；而Burk—Thompson和Blackadar方案略次之，在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱，体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响。     

台风内核与外围能量发展的物理因子

利用Ａｎｔｈｅｓ关于台风的区域划分以及物理量特征尺度的结果，采用尺度分析方法导出了台风不同区域的控制方程组，又用ＷＫＢ方法得到各区的波能量方程并进行了讨论。指出影响台风发展的物理因子在各区的异同点：各区都有非定常因子；同时，台风内核及外围中层对流层的因子有涡度和切向风的垂直变化，外围边界层有热成风及其偏差，外围流出层有水平位温梯度，这些因子与重力波适当的移向相配合，可使台风能量发展，强度增大。     

浙江海岛台风和冬季大风阵风特征的对比分析

为了提高阵风预报准确率,利用2006—2016年浙江7个海岛气象站资料和ERA-interim资料,分析了台风和冬季大风的阵风因子与10 m稳定风速、风向、Brunt-Vaisala频率、总体理查逊数、边界层250~1 000 m风速及其与10 m稳定风速比值等的关系,对比两种大风系统阵风的主要成因差异,最后对冬季大风的阵风因子进行拟合。(1)从总体上,台风阵风因子比冬季大风要大0.1~0.2,波动幅度也一般比冬季大风偏大0.3~0.5。有些站点在稳定风速较大时,阵风因子随稳定风速变化不明显,而有的站点变化幅度较大。(2)站点不同方位的地表特征差异明显,导致台风和冬季大风的阵风因子在某个风向上有较统一的最大值和最小值,两者差值一般为0.2~0.3。(3)大气边界层台风样本主要表现为气流辐合上升及正涡度,而冬季大风样本主要表现为辐散下沉及负涡度,台风垂直速度、涡度和散度的强度均明显大于冬季大风样本;从Brunt-Vaisala频率来看,边界层750 m处冬季大风样本总体为静力不稳定,而台风样本总体为静力稳定;从总体理查逊数来看,台风样本和冬季大风样本两者边界层250 m处动力不稳定程度接近。(4)台风和冬季大风的阵风主要形成机制不同,冬季阵风与边界层上层气流向下动量传输引发的辐合辐散有关,而台风阵风可能更多与边界层气流的水平动量输送引发的辐合辐散有关。(5)基于风向、边界层1 000 m处风速和10 m稳定风速的冬季大风阵风因子的拟合模型,比仅考虑10 m稳定风速的拟合模型的绝对误差减少了20%~50%,误差方差也减少了10%~30%。      

台风Lekima(1909)登陆前后动热力结构变化对浙江极端降水的影响

利用NCEPFNL 1°×1°的全球再分析资料、FY-2F卫星相当黑体亮温TBB资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水资料和多普勒天气雷达资料,重点分析了台风Lekima(2019)发展演变过程中的动热力结构变化和水汽分布特征与浙江极端强降水之间的关系.台风Lekima(2019)近海急剧加强为具有特殊双...     

不同边界层参数化方案对台风“利奇马”模拟的影响研究

基于中尺度数值模式WRF,对比分析了六种大气边界层物理过程参数化方案(BouLac、MYJ、UW、YSU、ACM2、SH)对台风“利奇马”模拟结果的影响。结果表明,不同边界层方案对“利奇马”路径的模拟结果影响较小,但对其强度和结构演变的模拟结果影响显著。其中,局地闭合方案UW方案模拟的结果最强,局地闭合方案BouLac次之,而局地闭合方案MYJ和三种非局地闭合方案YSU、ACM2和SH的模拟强度都较弱。这些方案中,BouLac模拟的海平面最低气压与实况最为接近。通过对比这些边界层方案的模拟结果发现,由于台风强度的差异受到热力和动力的共同影响,边界层方案如模拟得到的地表潜热通量和边界层中湍流扩散系数较大,将导致较大的径向风和低层辐合,从而模拟得到较强的台风强度;反之,则台风强度较弱。      

地形与Ekman边界层中的气流

利用σ坐标讨论地形与边界层气流是有很多方便的地方,因为,在此坐标中,下边界条件较为简单。在本工作中,首先将混合长理论加以推广并将它用于σ坐标,于是导得了用以描述地形上空边界层气流的控制方程,对边界层气流的特征,特别是对于Ekman抽吸作用进行了详细分析。指出有三种因子影响边界层顶部的垂直运动,第一种因子是边界层内涡度分布,这是与边界层中由于摩擦作用所引起的辐合辐散有直接联系;第二种因子是由于边界层顶部的气流爬坡运动所引起的;第三种是由于边界层中跨越等压线的分量爬坡所引起的,它出现于当等压线与地形等高线相平行时,或地转风呈现绕流情况时,这一作用最为明显。     

风场和热源的垂直分布廓线对台风发展影响的数值试验

本文用柱坐标中原始方程的五层对称模式,讨论了风场垂直切变和热源的垂直分布对台风发生发展的作用。用定常热源做的试验表明台风上层的反气旋环流是台风发展的结果。初始风场的垂直切变不利于台风的发展。台风的发展与热源的垂直分布有很大关系。热源的垂直分布廓线若为下大上小的形式,则有利于台风发展。     

台风网格风场主客观融合技术的应用及评估

针对实际预报工作中,台风主观预报和模式风场客观预报不一致的问题,基于南海台风模式(CMATRAMS)资料、实时台风主观预报资料,采用一种考虑下垫面作用的动力解释应用方法TCwind,得到了能较合理描述台风风场的数学方程组,结合网格预报技术,进行台风主观预报和模式风场的主客观融合,实现了台风风场预报的订正,能为网格预报提供有效辅助。以实时台风主观预报为评判标准,检验评估了2018—2019年西北太平洋所有台风的融合订正效果,发现订正后的台风风场中心能较准确地向主观路径预报调整;台风中心附近最大风速相较模式显著增强,趋近主观强度预报;台风环流风速比模式原始风速增大,风场结构分布相比模式原始风场也更合理。      

南海台风Vongfong(2002)登陆前后内核结构和近海加强原因的数值模拟研究

利用6 km细网格区域的显式模拟结果分析了Vongfong(2002)的内核结构;对Vongfong近海加强的动力学机制进行了研究.结果表明:(1) 轴对称性结构中,Vongfong最大风速半径(RMW)在强盛期随高度递减.Vongfong在近海时,低层最强的流入在其移行的前方,而流出区在其后方.这些特征与大西洋飓风和西太平洋台风相反.(2) 动力场和热力场都有明显的不对称结构.在强盛期,对流西北强、东南弱;强对流云带与最大风速区的位置一致.在加强期,低层西冷东暖、中高层西暖东冷;到强盛期,低层和中高层都有明显的暖心结构.(3) 中纬度中上层冷低压系统和台风的相互作用是Vongfong近海加强的重要原因.①由于冷低压系统外围的冷空气从西北侧进入台风的中层,低层有暖湿空气配合,使得位势不稳定能量增加,对流发展.②因为冷低压中心的下沉气流正是二级环流的下沉支,冷低压南移填塞,台风近海加强.两个方面最终通过CISK(第二类条件不稳定)机制来实现.