一种初始涡旋重定位方法及热带气旋路径数值模拟试验

采用平滑滤波和柱形滤波技术,从背景场中分离出初始涡旋环流和大尺度环境场,然后把分离出的涡旋环流进行平移和再植入到观测位置,最终得到一种初始涡旋重定位方法。针对2006—2007年7个热带气旋共23个时次,采用背景场直接加入热带气旋bogus模型和背景场进行初始涡旋重定位后加入热带气旋bogus模型2种方案,分别进行了对比模拟试验。结果表明:对背景场进行初始涡旋重定位后加入热带气旋bogus模型的方案模拟的24和48小时热带气旋路径平均误差都相对较小,初始涡旋重定位方法可以减小热带气旋模式因热带气旋初始位置偏差而引起的误差,有助于提高热带气旋模式的路径预报水平,有较好的业务应用前景。     

人造热带气旋垂直结构问题初探

在人造热带气旋中引入了倾斜垂直结构，并将其用于西折后9806号热带气旋登陆路径的数值模拟。结果表明：应用该方案所得到的模拟结果优于应用正压结构的人造热带气旋方案的模拟结果要准确。因此，此类热带气旋的预报中，其初始涡旋可采用倾斜垂直结构，从而提出改进热带气旋初始涡旋的一种新思路。若对其作进一步研究、推广，则具有广阔的业务应用前景。     

季风涡旋对热带气旋生成影响的理想试验研究

利用新一代非静力平衡中尺度数值模式WRF_ARW（3.3.1版本）模拟季风涡旋中热带气旋生成的过程,从动力和热力作用两方面分析大尺度季风涡旋对热带气旋生成的影响。结果表明:从动力学角度来看,能提供较大环境场涡度的季风涡旋不利于扰动涡旋快速发展成热带气旋。初始阶段,由于季风涡旋尺度大,垂直涡度径向梯度弱。而垂直涡度径向梯度的强弱可以通过“涡度隔离”效应影响对流单体向涡旋中心的聚集合并过程。随着扰动的组织化,径向入流对涡度的平流作用越来越重要。对流单体相对最大风速半径的位置对热带气旋生成作用明显,当其集中在最大风速半径附近时涡旋容易快速发展。此外,环境场相对涡度与热带气旋的尺度存在显著正相关。初始尺度大的涡旋最终具有较大的外围尺度,其涡度的分布范围也更广。从热力学角度来说,较大的环境场相对湿度有利于热带气旋的生成。虽然较大的环境场湿度能够诱发较强的外围对流,但同时也会使最大风速半径以内存在丰富的对流,后者能够提供充分的内区非绝热加热,降低中心气压,促进涡旋发展。      

双热带气旋相互作用研究动态

对两个相同或不同尺度热带气旋性涡旋相互作用的研究成果进行了分析和探讨,认为数值模拟和大气动力学理论分析的研究是进一步认识双热带气旋性涡旋相互作用的物理机制,提高预报双热带气旋性涡旋相互作用引发热带气旋异常路径业务能力的有效途径;继续这一领域的研究工作是非常必要的。     

基于卫星亮温资料同化对2009年热带风暴“浪卡”的数值研究

本文利用三维变分同化系统（WRFDA）,设计了4个同化试验方案,将ATOVS卫星亮温资料直接同化到中尺度数值模式（WRF）中,研究同化ATOVS不同卫星亮温资料对2009年04号热带风暴“浪卡”数值模拟的影响。结果表明,直接同化卫星亮温资料能够改善初始场结构（大气流场、温度场）,尤其是对西太平洋反气旋系统,进而提高对热带气旋路径的模拟精度。同化不同类型的ATOVS卫星亮温资料对于热带气旋的移动路径有着不同程度的改善,其中以HIRS3和HIRS4资料同化对热带气旋移动路径改善效果最好。     

南海热带气旋路径集合预报试验

利用3种不同模式的初始资料，通过它们生成得到16个不同的初始场，分别对2004年南海及其周边地区9个热带气旋个例进行集合预报试验，最后筛选得到了7个南海热带气旋初值集合成员，由此初步探讨了南海热带气旋初值集合成员的生成方法。结果表明，采用不同模式的初始资料生成得到初值集合成员的方法用于集合预报，对南海热带气旋路径预报有一些明显的改进。     

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。     

热带气旋自同化技术试验研究

针对数值预报初始场的热带气旋普遍偏弱,BOGUS技术不能提供气旋内部中小尺度结构信息的问题,提出了热带气旋自同化技术,利用初始场中的热带气旋风场和台风报文中的7级和10级风圈半径,构建人造热带气旋风场,并利用3维变分同化方法得到新的初始场。该方法的优点是在获得新的初始场中尽可能保留背景场中热带气旋的风场结构信息,同时又使气旋得到加强。从4个个例的72 h模拟试验结果表明,自同化方法取得了较好的效果,结果优于BDA方法。且该方法简单易行,具有一定的业务应用价值。     

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。     

热带气旋“南川”在2010年三个热带气旋异常路径中作用的数值模拟研究

2010年历史上罕见地有了第6号强热带风暴“狮子山”、第7号强台风“圆规”和第8号热带低压“南川”在40 h内相继生成,且之后移动路径异常。通过对国内外六个业务数值模式对这3个热带气旋路径预报能力进行分析,发现尽管业务模式对热带气旋路径大致趋势具备一定的预报能力,但对于转向点、登陆点的预报仍与实况有较大差距。通过数值模拟试验发现,预报难点在于模式对作为3个热带气旋间连接纽带的“南川”与“狮子山”、“圆规”之间的相互作用的描述。结合环境场特点及双台风相互作用的概念模型,分析发现“南川”与“狮子山”可能存在直接相互作用,而与“圆规”可能发生了半直接相互作用。进一步利用中国气象局上海台风研究所近年来发展的GRAPES-TCM台风模式进行了以“南川”为核心的敏感性数值试验,初步证明了这3个热带气旋相互作用的存在,并提出了“南川”对“狮子山”和“圆规”路径产生影响的物理机制。      

热带气旋奇异向量在GRAPES全球集合预报中的初步应用

基于副热带奇异向量的初值扰动方法已应用于GRAPES （Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球集合预报系统,但存在热带气旋预报路径离散度不足的问题。通过分析发现,热带气旋附近区域初值扰动结构不合理导致预报集合不能较好地估计热带气旋预报的不确定性,是路径集合离散度不足的可能原因之一。通过建立热带气旋奇异向量求解方案,将热带气旋奇异向量和副热带奇异向量共同线性组合生成初值扰动,以弥补热带气旋区域初值扰动结构不合理这一缺陷,进而改进热带气旋集合预报效果。利用GRAPES全球奇异向量计算方案,以台风中心10个经纬度区域为目标区构建热带气旋奇异向量求解方案,针对台风“榕树”个例进行集合预报试验,并开展批量试验,利用中国中央气象台最优台风路径和中国国家气象信息中心的降水观测资料进行检验,对比分析热带气旋奇异向量结构特征和初值扰动特征,评估热带气旋奇异向量对热带气旋路径集合预报和中国区域24 h累计降水概率预报技巧的影响。结果表明,热带气旋奇异向量具有局地化特征,使用热带气旋奇异向量之后,热带气旋路径离散度增加,路径集合平均预报误差和离散度的关系得到改善,路径集合平均预报误差有所减小,集合成员更好地描述了热带气旋路径的预报不确定性;中国台风降水的小雨、中雨、大雨、暴雨各量级24 h累计降水概率预报技巧均有一定提高。总之,当在初值扰动的生成中考虑热带气旋奇异向量后,可改进热带气旋初值扰动结果,并有助于改善热带气旋路径集合预报效果。      

Impact of initial storm intensity and size on the simulation of tropical cyclone track and western Pacific subtropical high extent

Typhoon Megi, the 13th typhoon of the 2010 typhoon season, was selected for case study by utilizing the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Twelve sensitivity experiments with various initial tropical cyclone (TC) intensities and sizes were conducted to investigate their impacts on the simulation of typhoon track. Interaction between TC and the western Pacific subtropical high (WPSH) was also analyzed to explore the mechanism for the impact on TC track of the initial TC intensity and size. Numerical results indicate that the simulated TC size and TC track are sensitive to initial TC intensity and size. Stronger initial TC intensity and larger initial TC size often lead to larger simulated TC size and make TC turn northward earlier. Further analysis suggests that, with the increase of initial TC intensity and size, more air mass enters into the TC region, which subsequently reduces the extent of WPSH. As a result, the steering flow changes significantly and eventually causes the TC to turn northward earlier. The present study confirms that the initial TC intensity and size have certain influences on the TC track simulation, which demonstrates the importance of accurate initial condition for successful simulation of the TC intensity and TC track. Moreover, it also deepens our understanding of the interaction between TC and WPSH, provides helpful clues for the TC track change study, and discusses the future directions for improvement of TC track forecast.     

THE ENSEMBLE FORECASTING OF TROPICAL CYCLONE MOTION I：USING A PRIMITIVE EQUATION BAROTROPIC MODEL

1INTRODUCTIONErrorsofnumericalforecastingcomprisethoseintheinitialvalue,modelandcomputationandthefirstkindoferrorbecomesmoreandmoreoutstandingwiththeon-goingdevelopmentofcomputersandnumericalmodels.Subjecttoavailableobservationmeans,therealatmosphereisanythingbutapproximatelymeasured.Meanwhile,oneshouldpayattentiontothepossibility,assuggestedbyLorenz[1],thatanyslightdifferencesduringtheinitialstatemayleadtoresultsthatturnouttobetotallydissimilarfromwhatwouldbeexpectedotherwise,asfarasdefi…     

Ensemble Based Diagnosis of the Track Errors of Super Typhoon Mangkhut (2018)

Super Typhoon Mangkhut (2018) was the most high-impact typhoon in 2018 because of its long lifespan and significant intensity. The operational track forecasts in the short-to-medium range (deterministic and probabilistic forecast) showed a great uncertainty and the forecast landing points varied with different lead times. This study applied ensembles of high-resolution ECMWF forecasts to investigate the major factors and mechanisms of the bias production of the Mangkhut forecast track. The ensembles with the largest track bias were analyzed to examine the possible bias associated factors. The results suggested that environmental steering flows were the main cause for the erroneous southward track error with a variance contribution of 72%. The tropical cyclone (TC) size difference and the interaction of the TC with the subtropical high (SH) were other two key factors that contributed to the track error. Particularly, larger TCs may have led to a stronger erosion of the southern part of the SH, and thus induced significant changes in the large-scale environment and eventually resulted in an additional northward movement of TC.

     

全球数值模式中的台风初始化Ⅰ:方案设计

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

多源资料循环同化在台风“潭美”预报中的应用

为了检验不同观测资料在台风预报中的作用,以美国NCEP (National Centers for Environmental prediction)业务同化系统GSI (Grid Statistical Interpolation)为平台,选取2013年路径较复杂且登陆后降水持续较强的“潭美”台风过程为例,分别加入常规地面和高空观测资料、极轨卫星NOAA18、NOAA19、METOP-A和METOP-B资料,以及多普勒雷达基数据资料,探讨不同观测资料同化对台风的预报效果。同时,对台风采用Bogus初始化方案以及循环资料同化对台风路径和强度预报效果进行了对比分析。结果表明:常规观测资料对台风路径预报改善效果最明显,卫星资料的融入对海上台风路径的修正较好,而雷达资料则对台风登陆后的路径预报有改善;并且多源资料的融入效果最好。同时,采用Bogus方案可有效调整初始台风的位置和强度,从而对后期台风路径和强度预报有正效应。采用间隔6 h资料循环同化方法,可有效利用各时段资料,对台风路径和强度预报有较好的改善。      

Ensemble Based Diagnosis of the Track Errors of Super Typhoon Mangkhut(2018)

Super Typhoon Mangkhut(2018)was the most high-impact typhoon in 2018 because of its long lifespan and significant intensity.The operational track forecasts in the short-to-medium range(deterministic and probabilistic forecast)showed a great uncertainty and the forecast landing points varied with different lead times.This study applied ensembles of high-resolution ECMWF forecasts to investigate the major factors and mechanisms of the bias production of the Mangkhut forecast track.The ensembles with the largest track bias were analyzed to examine the possible bias associated factors.The results suggested that environmental steering flows were the main cause for the erroneous southward track error with a variance contribution of 72%.The tropical cyclone(TC)size difference and the interaction of the TC with the subtropical high(SH)were other two key factors that contributed to the track error.Particularly,larger TCs may have led to a stronger erosion of the southern part of the SH,and thus induced significant changes in the large-scale environment and eventually resulted in an additional northward movement of TC.     

THE OBJE CTIVE ANALOGUE PREDICTION MODEL FOR TROPICAL CYCLONE TRACK WITH COMPREHENSIVE ASSESSMENT OF THE ENVIRONMENT

An objective analogue prediction model for tropical cyclone (TC) track is put forward that comprehensively assesses the environmental field. With the parameters of the tropical cyclone and environmental field at initial and future time, objective analogue criteria are set up in the model. Analogous samples are recognized by comprehensive assessment to historical TC cases for similarity with multivariate criteria,using non-linear analogue indexes especially defined for the purpose. When the historical tracks are coordinateconverted and weighted with reference to analogue indexes,forecast tracks are determined. As shown in model verification and forecast experiments, the model has forecasting skill.     

“非bogus初值”热带气旋数值预报及其性能

从高分辨模式特点及精细预报的需要出发，尝试了用“非bogus初值”开展热带气旋精细数值预报的方案。即直接采用四维同化形成的热带气旋（TC）初值，而不再加入“人造台风”（BOGUS）信息，以图避免人为理想结构带来的虚假信息，对热带气旋路径、强度、结构等有更为精细和准确的预报。用2001年所有影响华南的TC实例，对方案的可行性进行了分析。结果表明，本方案可以较好地预报TC的生成；路径预报准确率较高，对疑难路径及局地效应反映较为细致，路径预报误差随时效增大不显著；强度趋势预报指示意义强，准确率较高；尤其是能很好地反映TC的云、雨、风等的非对称结构、螺旋结构等特征的时空演化，对TC中尺度结构的刻画能力和预报可用性较强。显示了方案的优越性和发展潜力，也意味着“非bogus初值”方案应该作为未来TC数值预报发展的一个主要技术方向。分析表明目前条件下本方案还存在一些不足之处，主要表现在因初始信息的不足，当在TC过弱、初生或远离大陆等情况下，常会出现初始场中TC位置和强度与实况偏差过大，容易造成较大预报误差。     

Influence of monsoon over the warm pool on interannual variation on tropical cyclone activity over the western North Pacific

The relationship between the interannual variation in tropical cyclone （TC） activity over the western North Pacific （WNP） and the thermal state over the warm pool （WP） is examined in this paper. The results show that the subsurface temperature in the WP is well correlated with TC geographical distribution and track type. Their relation is linked by the East Asian monsoon trough. During the warm years, the westward-retreating monsoon trough creates convergence and vorticity fields that are favorable for tropical cyclogenesis in the northwest of the WNP, whereas more TCs concentrating in the southeast result from eastward penetration of the monsoon trough during the cold years. The steering flows at 500 hPa lead to a westward displacement track in the warm years and recurving prevailing track in the cold years.
The two types of distinct processes in the monsoon environment triggering tropical cyclogenesis are hypothesized by composites centered for TC genesis location corresponding to two kinds of thermal states of the WP. During the warm years, low-frequency intraseasonal oscillation is active in the west of the WNP such that eastward-propagating westerlies cluster TC genesis in that region. In contrast, during the cold years, the increased cyclogenesis in the southeast of the WNP is mainly associated with tropical depression type disturbances transiting from equatorially trapped mixed Rossby gravity waves. Both of the processes may be fundamental mechanisms for the inherent interannual variation in TC activity over the WNP.