对流层中层中尺度涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用—数值模拟及验证

西太平洋热带气旋（TC）的生成和季风槽及中尺度对流系统（MCS）的活动有密切关系,但以往这方面的实例数值模拟很少。为了进一步探讨由MCS对流强迫产生的对流层中层中尺度涡旋（MCV）在TC生成中的作用,作者利用非静力平衡的中尺度模式PSU/NCAR MM5对台风榴莲（2001）的生成过程进行了高分辨率（6 km）数值模拟和比较验证。结果表明:模式成功地模拟出榴莲的生成地点,其与MCS的相对位置关系与以往的观测研究结果一致;模拟的TC移动路径、强度变化与最优观测报告比较接近,准确反映了TC未来登陆地点,以及中心气压缓慢下降和迅速下降两个阶段;对云系演变的模拟,成功模拟出了TC初生时的涡旋云系和季风槽中MCS云系的分离现象,以及在TC登陆前达到成熟阶段时出现的台风眼和螺旋云带。此外,模式还成功模拟出中层MCV,它的水平尺度约200 km,位于800~400 hPa之间,具有暖心结构等,均与已有观测结果相近。模式初始场中包含有充分的MCS信息,是模拟取得成功的关键因素之一。     

越赤道气流准双周振荡对西北太平洋台风路径的调制作用

利用美国联合台风预警中心（Joint Typhoon Warning Center,JTWC）热带气旋（tropicalcy—clone,TC）数据、NCEP／NCAR再分析风场资料,研究了越赤道气流准双周振荡对西北太平洋台风路径的调制作用。将西北太平洋台风路径划分为：西行路径、西北行路径、转向登陆中国路径、转向中日之间路径、转向登陆日本路径、转向日本以东路径和140°E以东路径。利用超前滞后回归方法,合成分析了6—10月不同路径台风对应的越赤道气流准双周振荡的低频环流演变过程。结果表明,925hPa越赤道气流及与其相联系的经向风存在明显10～20d准双周振荡现象,且对西北太平洋台风路径预报具有一定的指示作用。在西太平洋赤道地区,低频越赤道气流强度、演变特征影响着西北太平洋低频气旋的位置和移动方向,调节风场强辐合带与季风槽的位置与强度,继而对台风生成位置、移动路径产生重要的影响。初步认为,强向北低频越赤道气流分量有利于北侧低频气旋加强和向北传播,继而使得强辐合带、季风槽位置偏北,台风易于在此区域生成且沿着强辐合带位置移动。而弱向北低频分量或向南低频分量则不利于台风转向移动。     

热带大气准双周振荡对西北太平洋地区热带气旋路径的影响

利用美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration,简称NO-An）的逐日对外长波辐射（outgoing longwave radiation,简称OLR）场资料,欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium—Range Weather Forecasting,简称ECMWF）逐日风场（850hPa）资料,以及美国联合台风预警中心（Joint Typhoon Warning Center,简称JTWC）的热带气旋（tropicalcy—clone,简称TC）数据,参考Wheeler and Hendon（2004）提出的季节内振荡（Madden—Julianoscilla．tion,简称MJO）指数,通过多元EOF方法定义热带准双周振荡（quasi—biweekly oscillation,简称QBW）指数,诊断分析了西北太平洋地区QBW不同位相对于TC路径的影响。结果表明,TC主要生成在QSW对流湿位相中,集中位置随QBW向西北的传播而向西北移动。在QSW位相phasel中,南海上空盛行QBW反气旋性环流,西太副高西伸,其西南侧偏东南气流受QBW反气旋性环流东北侧气流抑制,生成在副高南侧的TC首先在副高南侧偏东气流的引导下移动至近海,在西南季风以及副高西侧偏南气流作用下顺时针北折,因此在140°E以西转折类路径的TC比例最高;而在phase3中,西太副高偏东,南海上空盛行QBW气旋性环流,西太副高西南侧气流强度受QBW气旋东北侧气流影响增强,季风槽偏东,140°E以东转折类的TC比例最高。本文还对TC个例中的QBW流场形势进行了分析,发现当QBW气旋或反气旋环流中心同TC中心一致时,热带气旋路径会发生突然的右折。     

基于PRECIS的西北太平洋热带气旋生成情景预估

利用全球气候模式ECHAM5的模拟数据驱动区域气候模拟系统PRECIS,产生西北太平洋SRES A1B气候情景数据。在模拟数据中分别采用三种热带气旋（TC）生成信息提取法,得出SRES A1B情景下1951—2050年的热带气旋生成模拟值,并分析不同热带气旋生成信息提取法对热带气旋生成的预估及其不确定性。结果表明:在气候基准时段（1971—2000年）下,对流年生成指数（CYGP）与热带气旋中心定位追踪识别法（TRACK）得出的TC生成气候平均态均接近观测值,而年生成指数（YGP）高于观测值;TRACK识别法得出的生成频数的年代际波动特征与实况相近;在未来2030 s预估时段（2021—2050年）下,CYGP指数与TRACK识别法的预估结果均显示未来TC生成数与基准时段相比呈减少趋势,而YGP指数的结果则显示未来逐年代的TC生成数与基准时段相比呈明显增加趋势。对各提取方法差异的初步分析结果表明,热力因子（包括海表温度、湿静力稳定度和对流降水等）是导致三种TC生成信息提取法预估不确定性的主要原因。      

台风榴莲（2001）生成初期中尺度涡旋合并过程研究

由于热带海洋上观测资料的稀缺和热带气旋系统本身发生、发展的复杂性,热带气旋生成机制研究领域至今仍然存在很多未解之谜。已有的观测和模拟研究证明,中尺度涡旋合并过程对于热带气旋的生成可能有触发作用,但尚未见到南海季风槽内热带气旋生成过程中中尺度涡旋合并现象的实例模拟研究。利用新一代中尺度天气研究与预报模式WRF对南海热带气旋榴莲(2001)生成过程中的中尺度涡旋合并过程进行了高分辨率(4 km)数值模拟,并与观测资料进行对比,利用模式输出结果重点分析两个中尺度涡旋合并过程中的主要动力学和热力学特征,并在此基础上进一步分析了合并过程中系统中心附近涡度方程中各项涡度收支的演变情况,最后通过两个敏感性试验与控制试验结果的对比,初步探讨中尺度涡旋合并过程对于热带气旋榴莲生成的作用。结果表明,南海季风槽中的新生中层中尺度涡旋V2,是榴莲生成过程中的主导涡旋,预先存在的东部低层的中尺度涡旋V1对于台风榴莲的生成则起到了辅助作用,两个不同高度的涡旋合并叠加促使涡度的辐合、辐散项率先在低层引起涡度的快速增长,随后垂直输送项在对流层中层对涡度的增长起主要作用。两个涡旋的最终合并,使热带气旋系统正绝对涡度在垂直方向上从低层到中层得以贯通,进而触发榴莲的生成。     

锋面涡旋诱发南海热带气旋Noguri(2002)的数值试验

利用WRF_ARW模式,对锋面型涡旋诱发南海强热带风暴Noguri(2002)的生成过程进行模拟研究。通过对动力学和热力学物理量的诊断分析,讨论了锋面型初始涡旋诱发热带气旋(TC)的可能途径和机制。结果表明:该类型TC与热带扰动诱发TC的过程相类似,强对流单体(如积云塔)与环境场间的相互作用发挥重要作用,而这些对流尺度系统的活动受较大尺度系统调控。在环境场强垂直风切变情况下,初始涡旋在发展过程中,表现为垂直方向上涡旋结构由倾斜向垂直演变的过程,涡度、螺旋度和水汽场均存在若干次振荡。进一步分析表明,水汽和对流循环的反馈对涡旋的振荡发展很重要,且与环境场垂直风切变的强弱变化有着密切的联系。     

季风涡旋影响西北太平洋台风生成初步分析

西北太平洋对流层低层大尺度低频环流季风涡旋与台风生成有密切的关系。利用时间滤波方法将季风涡旋和台风环流从逐日台风风场中分离出来,对两次季风涡旋活动个例分析发现,气旋初始扰动都首先出现在季风涡旋中心东部,一次季风涡旋活动可以伴随着一个或几个热带气旋的生成。通过进一步分析2000—2009年季风涡旋活动与热带气旋的生成关系发现,虽然季风涡旋的定义与环流强度和持续时间有关,但是热带气旋的生成位置大多数分布在季风涡旋的中心和东部,这可能与季风涡旋的Rossby波能量频散有关。     

涡旋强度调整半径对2016年第18号热带气旋路径预报的影响

2016年中国国家气象中心区域台风模式（GRAPES_TYM）对第18号热带气旋（记为TC 1618）的路径预报出现了较大的误差:其平均路径误差显著大于全年的平均误差。分析了涡旋初始化方案（包括涡旋重定位以及涡旋强度调整）对其路径预报的影响。结果显示,涡旋强度调整是造成TC1618预报路径平均误差偏大的主要原因。不同的强度调整半径（r₀=12°,9°,6°,3°）对TC1618路径影响的敏感性试验结果显示,强度调整半径越大,其平均路径预报误差越大。500 hPa副热带高压以及平均海平面涡旋尺度分析发现:较大的强度调整半径（r₀=12°,9°）其初始时刻的涡旋尺度较大,涡旋北侧邻近区域副热带高压等值线相对偏北,副热带高压相对偏弱。尺度大的涡旋其北移速度较大,并且在积分过程中其环流邻近区域副热带高压进一步减弱,导致涡旋环流会更早与其西北侧东移的西风槽结合,移速偏快。      

南海—西北太平洋地区低频振荡特征及其对TC群发过程的影响

根据中国气象局上海台风研究所整编的热带气旋最佳路径数据集(CMA-STI),以及定义的热带气旋(Tropical Cyclone,TC)群发标准,分析了南海—西太平洋地区的低频振荡特征,及其对TC群发活动的影响,研究了TC群发与季风槽的关系。结果表明,孟加拉湾—西太平洋的近赤道地区有两支主要的对流区,分别位于南海—西太平洋地区和孟加拉湾东南部。10~20 d大气准双周振荡(Quasi-Biweekly Oscillation,QBWO)周期是南海—西太平洋地区对流活动的主要周期,大部分年份QBWO占原始序列的方差贡献达20%以上。QBWO的强度具有明显的年际变化,20世纪80年代以前强度变化较大,80年代之后变化较小。根据定义的TC群发标准,发现1990年6—9月西北太平洋地区共有4次TC群发过程,都发生在低频对流活动的湿位相。分析对流活动干位相—湿位相—干位相的演变,发现TC的群发期集中在湿位相,湿位相期间大气低层为低频气旋性环流,较强的正涡度有利于初始涡旋扰动的形成和发展,为TC群发提供了有利的环流背景场。根据定义的季风槽强度指数,发现季风槽强度与TC群发过程有很好的对应关系,由于季风槽的活跃使得对流活动处于湿位相期,同时季风槽区提供了有利的正涡度条件,促使TC群发活动产生。     

热带气旋生成过程的中尺度涡旋活动数值模拟

热带气旋生成过程中包含不同尺度环流及其相互作用。为此,本文将热带气旋生成数值模拟的起点提前到模拟中尺度涡旋(MCV)的生成,从而利用高分辨率数值试验结果,对热带气旋过程中的不同尺度涡旋活动进行分析。模式首先模拟了季风涡旋的东南侧增强的西南气流中出现低形变旋转性扰动,随着扰动的旋转性增强,中层出现水平尺度为200 km左右的MCV。在扰动区内的不同高度上还发现10~20 km尺度不等的中γ气旋性涡旋扰动,其中部分涡旋扰动具有热塔的特征,中γ气旋性涡旋扰动在MCV的旋转环境内不断组织化,低层气旋性涡旋扰动的分布比中层更加集中。模拟表明这些较小尺度的气旋性中尺度涡旋扰动对热带气旋的生成有重要作用。     

提高模式分辨率后热带气旋生成迟缓的原因分析

利用目前国际上最先进的中尺度WRF模式模拟热带气旋生成,网格分辨率从9 km增加到3 km,3 km网格中积云参数化方案不起作用,依靠微物理方案来模拟对流尺度系统特征,模式中热带气旋的生成过程变得迟缓。当低压扰动发展到一定程度后再加入3 km网格,生成过程有加快趋势。本研究针对该现象进行分析。结果表明:只用微物理方案使低层(950～700 hPa)风速的垂直切变减小,不利于对流发展;切变减小主要是由于动量垂直输送项的差异所致。在加入细网格的6 h内,低层对流尺度(减去区域平均)的动量垂直输送量平均增加了一倍,某些时刻达到了5倍以上;动量混合增加是由于微物理方案模拟的垂直速度增加所致。此外,只用微物理方案导致对流有效位能迅速被消耗。低层垂直切变和对流有效位能的减小都不利于对流发展,从而导致热带气旋生成发展过程迟缓。本研究表明,目前WRF中的微物理方案在模拟热带气旋生成过程中的对流发展时仍然存在问题。     

西北太平洋大气准双周振荡对热带气旋活动的影响

利用JRA逐日风场资料、 NOAA/NCEP的逐日OLR场资料以及美国联合台风预报中心的热带气旋 (TC) 数据, 通过对西北太平洋 (WNP) 上空10～20天大气准双周振荡 (QBWO) 不同位相的划分, 深入分析了QBWO对WNP区域生成TC的调制作用。研究结果表明: 在西北太平洋准双周尺度上, 对流与纬向风表现出沿热带地区向西偏北传播的特性。不同位相合成的季风槽位置和强度也发生相应的改变, 由此可见, QBWO是WNP上空季风槽季内变化的重要影响因子。当处于位相1、 4时, WNP生成TC的概率较低, 且登陆我国TC的数量也较少; 当处于位相2、 3时, WNP发生TC的概率较高, 特别是处于位相3时, 不仅TC发生概率最高, 而且登陆我国的TC数量也最多。沿热带地区西传的天气尺度波动 (周期10天以下) 在WNP通过季风槽的纬向风辐合作用, 易于转变为波数较大、 波长较短的热带低压 (TD) 型扰动, 这种扰动在季风槽区通过能量的转换有利于发展成为TC。     

A Method of Initial Vortex Relocation and Numerical Simulation Experiments on Tropical Cyclone Track

Using the technique of smooth filtering and cylindrical filtering, the initial vortex circulation and large-scale environmental field were separated from the background field. Then the separated initial vortex circulation was translated and reinserted in the location where it was observed. This led to the determination of a method of initial vortex relocation. For seven tropical cyclones at 23 points of measurement time in the years of 2006 and 2007, two schemes, either directly adding a tropical cyclone bogus model in the background or adding it after the relocation of the initial vortex in the background field, were employed. Simulation experiments were compared. The results showed that the mean errors of the simulated tropical cyclone tracks at 24 and 48 hours were both smaller with the scheme of adding tropical cyclone bogus model after the relocation of the initial vortex in the background field. The relocation method of the initial vortex decreases the error caused by the deviation of the initial tropical cyclone location in tropical cyclone models. The relocation method is conducive to improving the track forecast of tropical cyclone models and has a good perspective for operational application.     

西北太平洋热带气旋尺度的气候特征研究

使用美国联合台风警报中心（Joint Typhoon Warning Center,简称JTWC）整编的2001-2006年的热带气旋（简称TC）资料,分析了TC尺度季节变化特征、区域分布情况,并讨论了TC尺度和强度的关系,初步探讨了西北太平洋热带气旋尺度的气候特征。研究结果表明：TC尺度有明显的季节变化特征,平均尺度在4月份最大,达到230．4km,2月份最小,为69．5km;TC尺度有明显的区域分布不均匀性,TC尺度出现最大值的区域位于28．6～29．5°N,131．1～133．0°E的海面上,而在123°E以东和12°N以南地区,TC尺度往往都在200km以下;对于不同强度的TC,其尺度与强度变幅有明显差异,热带风暴（TS）的24h尺度变幅最大,而台风（TY）的24h强度变幅最大;TC尺度和强度的相关性在不同路径下是有差异的,西北行、西行、北上型的TC尺度与强度呈显著的正相关,两者的相关系数达到了0．93以上,东北行和回旋型的TC尺度和强度的相关系数接近0．6,转向型TC的相关系数在0．85左右;此外,TC尺度和强度的相关性在其生命史的不同阶段也存在显著差异,在发展期,尺度和强度的相关性最好,其相关系数达到0．92,其他阶段相关性则减弱．     

登陆热带气旋的大暴雨天气与一般暴雨对比分析及其雨强增幅原因的初探

本文以９０１５号热带气旋登陆后造成的省淮以南大暴雨天气为例，与８闪一般暴雨天气的热力动力条件进行对比，分析它们之间的异同点，并利用二维点尺度力学模式对地面中尺度锋区引起民环流进行模拟试验，结果表明，在热带气旋伸向东北部一条辐合线的偏北旗帜的中尺度锋区驱动扰动涡旋，在涡旋的上升部位可对大暴雨有增幅作用。     

Sensitivity of tropical cyclone intensification to inner-core structure

In this study, the dependence of tropical cyclone (TC) development on the inner-core structure of the parent vortex is examined using a pair of idealized numerical simulations. It is found that the radial profile of inner-core relative vorticity may have a great impact on its subsequent development. For a system with a larger inner-core relative vorticity/inertial stability, the conversion ratio of the diabatic heating to kinetic energy is greater. Furthermore, the behavior of the convective vorticity eddies is likely modulated by the system-scale circulation. For a parent vortex with a relatively higher inner-core vorticity and larger negative radial vorticity gradient, convective eddy formation and radially inward propagation is promoted through vorticity segregation. This provides a greater potential for these small-scale convective cells to self-organize into a mesoscale inner-core structure in the TC. In turn, convectively induced diabatic heating that is close to the center, along with higher inertial stability, efficiently enhances system-scale secondary circulation. This study provides a solid basis for further research into how the initial structure of a TC influences storm dynamics and thermodynamics.     

Modulation of Tropical Cyclone Activity Over the Northwestern Pacific Through the Quasi-Biweekly Oscillation

The quasi-biweekly oscillation (QBWO) is the second most dominant intraseasonal mode for circulation over the Northwestern Pacific (WNP) during boreal summer. In this study, we investigated how the QBWO modulates tropical cyclone (TC) activities over the WNP from dynamic and thermodynamic perspectives. The propagation of the QBWO can be divided into four phases through empirical orthogonal function analysis of the vorticity at 850 hPa, which was proven to be effective in extracting the QBWO signal. TC generation and landings are significantly enhanced during the active period (phases 1 and 2) relative to the inactive period (phases 3 and 4). Composite analyses show the QBWO could significantly modulate TC activity as it propagates northwestward by changing the atmospheric circulation at both high and low levels. Cumulus convection provides an important link between TCs and the QBWO. The major component of the atmosphere heat source is found to be the latent heat release of convection. The condensation latent heat centers, vertical circulation, and water vapor flux divergence cooperate well during different phases of the QBWO. The vertical profile of the condensation latent heat indicates upper-level heating (cooling) during the active (inactive) phases of the QBWO. Thus, the northwestward propagation of the QBWO can modulate TC activity by affecting the configuration of atmospheric heating over the WNP.     

CLIMATE PREDICTION EXPERIMENT FOR TROPICAL CYCLONE GENESIS FREQUENCY USING THE LARGE-SCALE CIRCULATION FORECAST BY A COUPLED GLOBAL CIRCULATION MODEL

Based on an analysis of the relationship between the tropical cyclone genesis frequency and large-scale circulation anomaly in NCEP reanalysis, large-scale atmosphere circulation information forecast by the JAMSTEC SINTEX-F coupled model is used to build a statistical model to predict the cyclogenesis frequency over the South China Sea and the western North Pacific. The SINTEX-F coupled model has relatively good prediction skill for some circulation features associated with the cyclogenesis frequency including sea level pressure, wind vertical shear, Intertropical Convergence Zone and cross-equatorial air flows. Predictors derived from these large-scale circulations have good relationships with the cyclogenesis frequency over the South China Sea and the western North Pacific. A multivariate linear regression （MLR） model is further designed using these predictors. This model shows good prediction skill with the anomaly correlation coefficient reaching, based on the cross validation, 0.71 between the observed and predicted cyclogenesis frequency. However, it also shows relatively large prediction errors in extreme tropical cyclone years （1994 and 1998, for example）.