西北太平洋热带气旋变性过程结构演变及其环境分析

用气旋相空间方法（Cyclone Phase Space,简称CPS）对58个经历变性过程的西北太平洋热带气旋的2 021个样本（时次间隔为6 h）资料进行分析,得到该区域热带气旋在变性阶段的气旋结构及其环境特征。聚类分析结果显示,强的热带气旋更易发生变性,变性开始于气旋非对称性增加,随之伴有高层冷心出现和加强,最后完成于低层出现冷心,变性维持平均时间约28 h。利用美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料对各聚类环境场的动态合成分析表明,发生变性的热带气旋在北移过程中逐渐嵌入西风带,在中高纬斜压系统影响下变性为温带气旋。对于发生并完成变性的热带气旋,其西北侧始终有明显的位涡梯度存在,而且在环境中有明显的水汽输送通道。      

“相空间”方法判断西北太平洋热带气旋变性适用性研究

大部分热带气旋进入中纬度地区都会发生向温带气旋的转变。这一变性过程会造成强降水和大风，并且移速增快，因此给中纬度地区造成很大的灾害。西北太平洋地区热带气旋变性是一个与中纬度系统相互作用的复杂过程，判断其变性与否是一个关键性问题。详细介绍了判定TC变性的“相空间”方法，该方法包含了三个参数：对流层低层热力对称性参数、高层热成风参数、低层热成风参数。使用“相空间”方法对2000—2007年间西北太平洋地区TC的变性过程进行统计分析，以验证此种方法在西北太平洋地区的适用效果。结果表明，“相空间”方法对判定西北太平洋地区TC有一定指示作用，但该方法作为业务应用还存在一定问题。     

热带气旋运动曲率的数学模型与路径异常的月尖突变判据

采用运动曲率数学模型，研究热带气旋异常路径的成因，得到的主要结果是：热带气旋路径曲率及其变化与科氏力参数、环境场气压分布、热带气旋的移速及涡旋动力结构、下垫面摩擦力等因子有关；当各类影响因子渐变至满足月尖突变判据时，出现演变曲线的折叠区，随着外源参数变化，一旦解移出折叠区，热带气旋便可发生移间突变，出现各类异常轨迹。     

西北太平洋热带气旋生成客观预测模型

该文提出一种西北太平洋热带气旋年生成活动的客观预测模型。研究大尺度环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的作用,使用最小角回归算法对初始14个预测因子进行选择和降维,将资料集分为训练集（1979—2015年）和验证集（2016—2020年）,建立随机森林回归模型预测热带气旋年生成频次。分析环境因子对西北太平洋热带气旋生成位置的作用,使用逐步回归算法筛选影响显著的预测因子,建立局部泊松回归模型预测热带气旋生成空间位置的概率。结果表明:随机森林回归模型可以预测西北热带气旋频次的主要变化和趋势,揭示环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的影响。局部泊松回归模型对于气旋生成位置概率有一定预测能力。利用随机森林回归模型和局部泊松回归模型模拟1979—2020年西北太平洋热带气旋生成,结果与观测基本一致,可见模型可为热带气旋危险性分析提供参考。     

云迹风在热带气旋路径数值预报中的应用研究

通过一系列四维变分同化试验对GMS5卫星资料反演的云迹风资料在西北太平洋热带气旋的初始化及路径数值预报中的作用进行研究,同化资料为中国国家卫星气象中心提供的GMS5水汽和红外云迹风资料,其中70%在400hPa以上,50%集中在200～300hPa。应用美国NCAR/PSU中尺度模式MM5及其四维变分同化系统,同化窗口为6h,对初始时刻和6h后的云迹风进行同化。同化前对云迹风资料进行了简单的类似ECMWF初值检验方法的质量控制。对2002年8个西北太平洋热带气旋共进行了22组试验。结果表明,采用四维变分同化技术同化云迹风对热带气旋路径预报有一定改善,12,24,36和48h预报的平均距离误差分别降低5%,12%,10%和7%,但同化云迹风的作用与初始气旋强度有关。选择初始中心海平面气压960hPa作为强、弱气旋的分类标准,则11个较强气旋平均路径误差12h减小了13%,12h以后的预报误差减小率维持在20%以上。而对于11个较弱气旋,平均路径误差反而略有增加,说明同化云迹风资料对不同初始强度的气旋作用也有所不同。其主要原因是由于强度较强的热带气旋往往具有较为深厚的垂直结构,因此受高层大气流场的影响更明显;同时,较弱热带气旋的云迹风观测相对稀少且凌乱,并且更容易受环境气流的影响,因此对于较弱的热带气旋,当模式变量与模式或变量之间在同化后不够协调的话,就会产生负效应。     

CFSv2模式产品在汛期海南热带气旋频数预测模型中的应用

利用1982—2014年汛期影响海南的热带气旋频数、NCEP/NCAR逐月再分析资料和CFSv2模式历史回报数据,分析了热带气旋频数特征及同期环流特征,并利用逐步回归构建基于模式有效预测信息的热带气旋频数预测模型。结果表明:汛期影响海南热带气旋频数的异常与同期大尺度环流变化密切相关,且CFSv2模式对其环流影响关键区具有较好的预测技巧,包括南海到热带太平洋的海平面气压、500 h Pa位势高度场、低层风及热带太平洋纬向风切变。据此,利用逐步回归构建热带气旋频数预测模型,其26 a交叉检验中实况与预测相关为0.88,距平同号率达88%;6 a预测试验仅2 a预测与观测反号,可见模型具有良好的稳定性和预测技巧,可为汛期热带气旋频数预测提供依据。     

影响我国的热带气旋年频数预测

利用中国气象局《热带气旋年鉴》的热带气旋大风和降水资料集,确定了明显影响我国及华东和华南地区的热带气旋个例,并研制热带气旋年频数的预测方案,使得频数预测对防灾减灾更为实用。预测因子采用相关普查的方法,从1961—2000年前期的海表温度、海平面气压及200,500 hPa和850 hPa位势高度和风场中选出,所用的资料为NOAA ER SST和NCEP/NCAR再分析资料。在相关分析的基础上,构建因子时兼顾了因子的系统性的空间结构和时间的变化,并用主成分分析方法去除因子的多重共线性;在最优子集回归建模的基础上进一步对模型进行检验和优化。模型检验和2001—2008年回报试验说明各模型均对各自热带气旋频数 (TCF) 具有较好的预测能力。     

利用海气耦合模式预测的大尺度环流进行热带气旋年频数的预测试验

基于对热带气旋生成频数和大尺度环流相关关系的分析,利用SINTEX-F海气耦合模式预测的大尺度大气环流信息,通过提取模式预测较好与热带气旋生成密切相关的有用信息,建立了一个基于动力模式预测结果的南海和西太平洋热带气旋年频数预测模型,并对1982—2010年的热带气旋生成频数进行预测试验与检验。SINTEX-F海气耦合模式能够较好预测部分与热带气旋生成密切相关的大尺度环流特征,其中包括热带气旋活动区域的海平面气压、对流层风垂直切变、850 hPa热带辐合带和850 hPa 90 °E附近的越赤道气流。利用这些大尺度环流建立的预测因子与热带气旋生成频数有很好的相关关系,利用这些预测因子建立的多元回归预测模型对热带气旋频数的拟合率为0.8(相关系数,超过99.9%的信度检验)。预测模型的交叉检验结果表明模型整体预测效果较好。交叉检验预测结果与实况热带气旋频数的相关为0.71(超过了99.9%的信度检验),距平同号率为82.8%。但模型对热带气旋异常年的预测误差较大。      

热带气旋强度的卫星探测客观估计方法研究

运用2001～2002年6月10日到8月10日西北太平洋上15个热带气旋的日本静止气象卫星（GMS-5）高分辨率红外辐射亮温（TBB）资料，从代表热带气旋强度的热带气旋云系特征中选取多个TBB因子及热带气旋中心所在纬度等因子，结合《热带气旋年鉴》资料，采用逐步回归方法，经多次试验求得热带气旋强度的客观估计算式，复相关系数达到0.80以上。由此式估计的热带气旋中心气压，经24 h滑动平均后的结果与年鉴气压的复相关系数提高到0.89，且两者之间的气压差在±10 hPa之内的占整个样本数的83%以上，与美国新近展示的相关研究结果十分接近。用2000年两个热带气旋作检验，结果很好。该客观方法有望替代目前的Dvorak主观估计方法，成为一种新的业务方法。     

广东热带气旋短期气候预测—相空间相似预报方法的应用

利用非线性理论，对广东省热带气旋年频数时间序列采用相空间向量相似和相空间投影预报方法建立预报模型。经过5年方案的试验，发现这两种方法都有一定的预报能力，而且通过对比发现，热带气旋年频数内在的性质和外部强迫因子的作用在预报中都不可忽视，且外部因子的选取是否适当也是非常重要的。     

影响广东沿海的热带气旋最大强度估算

利用广东省沿海阳江、汕头气象探空站1980~2012年的观测资料,采用基于动力气象学原理的方法,估算影响广东沿海的热带气旋的海面可能最低中心气压为866.3h Pa,热带气旋中心附近海面可能最大风速为80.2m·s-1,进一步估算热带气旋登陆广东沿海时近地面可能最大10min平均风速为60.1m·s-1,同时利用1949~2012年热带气旋资料对估算结果进行了合理性分析。     

海面热带气旋域内风速分布

在原始方程中引入藤田气压模式、最大风速半径和风向内偏角等因子,经过合理的简化,推导出了适合计算海面热带气旋域内风速分布的公式。检验表明,该方法的计算结果与强、弱、西行或北上转向型的热带气旋的观测风场基本相符,对环境气压受副热带高压明显影响的热带气旋风场的计算效果尤好。     

海洋飞沫对热带气旋影响的数值试验

将最新版的Andreas海洋飞沫通量参数化方案与中尺度大气模式MM5V3耦合,对0514号热带气旋Nabi进行数值模拟,探讨海洋飞沫蒸发对热带气旋发展和演变的影响.模拟结果表明,考虑海洋飞沫的作用后,热带气旋范围内(气旋中心附近600 km左右范围内)的潜热和感热通量明显增强,尤其是潜热通量,最大值可提高35%～80%,潜热通量的大值区对应热带气旋眼墙处的最大风速区.无论是否考虑海洋飞沫作用,模式均能较好地模拟出热带气旋Nabi的移动路径,但考虑飞沫作用后,由于飞沫对海气界面通量交换的贡献,使得模拟热带气旋中心的最低海平面气压降低,最大风速增强,暖心结构更加明显.     

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。     

基于OLR的热带气旋移向预报方法研究

运用GMS-5气象卫星的OLR资料,研究了2001～2002年6月10日～8月10日西北太平洋上15个热带气旋的移动方向。选取多个OLR特征值因子及热带气旋中心最低海平面气压,结合《热带气旋年鉴》资料,采用统计回归的方法,得到热带气旋未来6、12、24小时移向的客观预报算式,其结果与年鉴中移向之间的复相关系数分别达到0．954、0．945、0．914。用预留的2001年6号台风作检验,结果很好。该方法可在日常的业务预报中试用,有助于提高热带气旋移向的预报水平,尤其是对移向突变的热带气旋具有较强的预报能力。     

鞍型场对热带气旋移动路径影响的研究

鞍型场是一种特殊的流场,鞍点附近气压梯度很小,风场很弱,引导气流不明显。当热带气旋进入鞍型场时,会表现为停滞、打转、突然转向等异常路径。采用NCEP资料对2011年热带气旋"梅花"路径和大尺度形势场分析结果表明,在其整个生命史中出现三次移动路径转折,热带气旋进入鞍型场后,出现在鞍点附近停滞、移动缓慢、突然转向等异常路径。利用理想变形场和兰金涡旋相结合的鞍型场作为背景场,用梯度风平衡构造了理想热带气旋,分别考虑了科氏参数为常数和β平面近似两种情况,利用二维浅水模式对热带气旋处于鞍点和收缩轴附近不同位置的情况进行了数值对比试验。当科氏参数为常数时,处于鞍点位置的热带气旋在鞍点停滞;而当采用β平面近似时,处于鞍点位置的热带气旋向东北低压一侧移动,并和低压合并。当初始热带气旋处于鞍点南侧的收缩轴上以及偏东或偏西100 km时,会出现三种截然不同的移动路径。试验结果表明:鞍型场对热带气旋有"陷阱"作用。当热带气旋进入到鞍型场区并接近鞍点时,在β漂移和弱引导气流作用下,可能陷入鞍点附近区域,移动缓慢,出现异常路径,也可能沿着膨胀轴向偏东或偏西方向移动,使得热带气旋突然转向。热带气旋的移动对其和收缩轴的相对位置十分敏感,数十千米的偏差可能会导致截然相反的移动路径。     

登陆热带气旋"北冕"异常路径的动力分析

选取热带气旋"北冕"(登陆前复杂类型)作为研究对象,用一个P坐标系下支配热带气旋移动的诊断方程(包含气压梯度力、柯氏力、相对速度的局地变化、系统的水平动量交换、摩擦力以及温度的局地变化、感热平流和非绝热加热随高度的变化八个物理因子)对其进行动力分析,定量计算的结果表明:在热带气旋移动的不同阶段,决定热带气旋移动的物理因子不同;左折阶段气压梯度力的作用是最重要的;右折阶段除了显式热力因子外其它因子几乎都是有利因子,其中相对速度的局地变化项的贡献最大;正是由于不同因子的不同作用过程,使得"北冕"在登陆前移动路径异常、复杂。     

西北太平洋热带气旋变性的客观判据研究

用体现热带气旋（TC）热力学特征的“相空间”（简称CPS）方法,加入了体现TC动力学特征的两个参数,即中低层风速切变参数和涡倾斜参数,对2000—2007年的222个TC进行检验。结果表明,CPS方法在增加了动力学参数后,可以更好地描述西北太平洋地区的TC变性过程,弥补了CPS方法对TC动力学特征描述的欠缺,同时客观判据的判断结果与《热带气旋年鉴》资料更相近。      

用增强显示云图确定热带气旋强度的方法

文章介绍了用增强显示红外云图确定热带气旋强度的方法。利用1983—1988年GMS增强显示云图资料，对中央气象台使用的《用地球同步气象卫星红外云图估计热带气旋强度》的方法中的云特征指数进行了修改与调整，增加了眼区的温度、中心强对流云区和螺旋云带的云顶温度等新的云特征因子。经统计、拟合，得到云特征指数与热带气旋中心附近最大风速、最低海平面气压的对应关系，给出了计算热带气旋强度的人-机交互方法流程，此方法对各种强度的热带气旋都能客观地计算其强度，使用简便，且精度满足业务应用要求。     

不同数据集下西北太平洋热带气旋变性特征的比较

利用中国(CMA)、日本(JMA)、美国(JTWC)三家西北太平洋热带气旋(TC)年鉴资料,研究了西北太平洋TC变性资料的差异情况。结果表明:(1) 2004—2010年,JTWC在TC变性认定、变性时间判定及变性后维持时间上与CMA、JMA差异较大,而后两家较一致;(2) 1951—2010年,CMA与JMA两家差异主要在TC变性认定及变性后维持时间上,这与目前业务中仍无统一的客观TC变性判别标准不无关系;(3) 西北太平洋变性TC气候特征比较发现,CMA年鉴TC变性比例较JMA低且呈下降趋势,JMA则基本不变;TC变性主要集中在6—11月,2月变性纬度最南,8月最北,8月后南撤;易发生变性的纬度带和区域分别是35～45 °N和日本及以东洋面;TC变性时的强度随变性纬度增加而增强,大陆或近海变性的TC强度弱于海洋上发生变性的TC;完成变性前24 h,TC的强度基本逐渐减弱,变性后CMA(JMA)有21%(27%)的TC经历增强。针对变性资料的差异,建议业务中加强TC变性客观判别方法的使用。