冬季台风“南玛都”结构性质的初步研究

运用NCEP／NCAR再分析资料,研究了2004年12月初登陆我国台湾的冬季台风“南玛都”的性质结构特征,结果表明：冬季台风“南玛都”具有与夏季台风相同的暖湿中心和低层辐合、高层辐散的环流特征,不同的是低层辐合气流中西南气流不明显,台风涡旋气流对大气的扰动偏弱。台风过程海平面气压距平场的EOF分析表明,台风生命史中的扰动主要由EOF1和EOF2构成（占90％的方差）,EOF1反映台风结构和强度变化,EOF2反映了台风移动过程中的环境状态变化。     

冬季登陆我国的0428和7427号台风过程的冷空气作用和水汽特征

应用NCEP/NCAR再分析资料,对冬季登陆我国的0428和7427号台风过程的冷空气作用和水汽特征进行了研究,结果表明：在初冬季节,东亚大槽引导的冷空气可以到达热带洋面的台风外围;台风与出海高压相向而行, 外围气压梯度增强对台风强度的加强和维持起作用;弱冷空气在低层侵入仍在温暖海面上的台风,气旋扰动加强使台风加强;当强冷空气侵入台风中心中层时会破坏其暖心结构,使其填塞消亡。台风生成于水汽通量辐合带内,其生成和发展引起水汽汇合的扰动,加强水汽的辐合,使水汽辐合带加强;一旦台风脱离水汽辐合带后,不能继续获取大量水汽,则会逐渐减弱消亡;冬季台风过程没有强的水汽输送带。     

台风“康森”对防城港市影响特点分析

利用MICAPS3.0常规天气图、防城港市自动站资料对第1002号台风"康森"路径及防城港市暴雨降水过程的原因进行分析,分析表明,1002号台风"康森"的移动路径和副高的位置相关;此次暴雨降水过程是由于在"康森"发生发展的整个过程中,台风附近的对流层顶部始终伴随着强的辐散流场。"康森"进入南海后,低层的西南低空急流强盛,还受稳定强大的副热带高压阻挡,台风北侧偏东气流明显加强,从而使低层台风附近气旋性的气流辐合加剧;西南季风加强有利于气流辐合上升。另外,十万大山地形抬升作用使得西部地区降水明显增幅。     

鲁中山区地形对山东省一次暴雨影响的敏感性数值模拟试验

利用PSU/NCAR MM5V3中尺度数值模式进行了鲁中山区地形对一次台风暴雨的数值模拟敏感性试验,结果分析表明:鲁中山区地形作用对山东省暴雨有重要影响,迎风坡可引起低层气流和水汽的辐合上升运动增强,降水量增加,但偏北气流在迎风坡的水汽辐合不明显,降水量影响不大;山顶引起低层辐合上升运动减弱,辐散下沉运动增强,降水量减小;背风坡引起低层气流和水汽的辐合上升运动增强,降水量增加。     

双季风低压影响下的一次内陆山地暴雨成因分析

利用地面观测资料、台风路径数据、FY-2G卫星TBB资料以及NCEP再分析资料,对2019年7月攀西地区西部高海拔山区的一次暴雨天气成因进行了天气学诊断分析,结果表明：在这次山地暴雨过程中,南海季风低压发展形成的热带风暴“木恩”与印度季风低压的低层外围气流在攀西地区西部交汇并显著辐合。同时,地形对低层的暖湿气流存在强迫抬升作用,低层中尺度辐合线的位置和强度与中尺度对流性云团有较好的对应关系;低层显著的水汽辐合、中层强烈的上升运动以及低层不稳定能量的维持都有利于暴雨的产生。     

登陆台风Rananim(0414)环流内中尺度辐合线的形成和发展研究

0414号台风Rananim不仅在中国沿海引起暴雨灾害,还在中国内陆产生了强烈降水,导致严重的洪水和地质灾害。基于地面、探空和卫星观测资料、NCEP 1°×1°分析资料以及日本气象厅区域谱模式同化资料(20 km×20 km格距),对台风Rananim内陆强降水过程中环流内中尺度辐合线的形成和发展进行研究,结果表明:(1)中纬度冷空气自对流层中低层侵入台风环流,与台风偏东风暖湿气流相遇,激发了中尺度辐合线在其西北象限的生成。(2)这条中尺度辐合线存在于700 hPa以下低层,具有指向冷空气的斜升气流,并形成辐合线上的垂直环流圈。β-中尺度对流云团群在中尺度辐合线附近形成发展,最后并入台风残涡云团,生消过程约12 h。(3)中尺度辐合线上对流不稳定和条件性对称不稳定共同存在,为强对流运动提供有利环境。湿斜压性增强是中尺度辐合线斜升气流上条件性对称不稳定产生的主要原因。(4)中尺度辐合线与台风环流相互作用的诊断表明,中尺度辐合线从台风低层获得动能和垂直涡度而发展,而其发展又为台风环流提供动能和高层正涡度,减缓了台风衰减。中尺度辐合线不仅直接产生暴雨对流云团,还有利于热带气旋的维持,造成内陆持续强降水。     

登陆福建台风造成浙江强降水的分布特征和成因分析

利用常规气象观测资料、中尺度加密观测资料和NCEP1°×1°再分析资料,分别对登陆福建且对浙江造成明显影响和一般影响的台风进行合成,对比分析两类台风的雨量场、环流形势场和物理量场,结果表明:登陆福建台风造成的强降水主要发生在浙江南部和东部地区,暴雨中心一般出现在浙江温州地区,过程平均雨量在100 mm以上;暴雨发生前台风北侧有高压坝,台风低压和高压坝之间强东南风急流为暴雨区带来东风扰动和云团;暴雨区具有低层辐合、高层辐散的结构,有一个高能中心,向北延伸经过暴雨区的台风倒槽上对应有高能舌和不稳定层结;在边界层,台风中心北侧有南风急流和东风急流形成东—西向的气流辐合线,暴雨云团在辐合线上生成发展,并向下游传播,形成持续性暴雨。     

“尼伯特”台风暴雨过程中温州北部和南部降水差异的成因分析

利用温州地面自动气象站资料和日本0.5°×0.5°分析资料,对2016年7月8—9日"尼伯特"台风暴雨过程中温州北部与南部降水差异的成因进行分析。结果表明:1)北部东南气流较弱,降水小;南部受东南低空急流影响时间较长,有利于产生强降水。2)北部水汽辐合弱,提供的水汽有限;南部水汽辐合强,提供的水汽充足。3)南部的SWEAT指数高于北部,强降水的不稳定条件优于北部。4)北部低层辐合弱,高层辐散弱,低层非地转湿Q矢量辐合小,上升运动弱,降水也弱;南部低层辐合强,中低层和高层辐散强,低层非地转湿Q矢量辐合大,上升运动强,有利于产生强降水。     

台风“鲇鱼”(1617)导致的江西持续性暴雨天气过程成因

利用常规地面观测资料、卫星和雷达资料以及NCEP再分析资料,对台风"鲇鱼"(1617)在江西引发的持续性暴雨过程的形成原因进行分析.结果表明:台风处于大陆副热带高压和西太平洋副热带高压之间的鞍型场中,系统稳定维持,移动非常缓慢,影响时间长.台风登陆后水汽输送通道仍然维持,低层一支由偏南风和偏东风汇合而成的低空急流,为台风暴雨提供充足的水汽和热量.台风暴雨过程分为两个阶段:第一阶段台风本体降水.登陆后台风暖心结构逐渐遭到破坏,但台风中心附近仍维持上下一致的垂直正涡度柱结构,中低层正涡度区位于台风低压中心和台风北侧风向辐合带,辐合带附近不断有局地中尺度对流云团生成发展.同时,台风高层的气流辐散区与低层台风中心北侧的辐合带相互配合,形成"高层辐散、低层辐合"耦合的垂直环流结构.第二阶段台风与冷空气相结合形成的降水.因冷空气锋区南压而产生的锋生作用,一方面导致台风低压的不稳定能量进一步释放,另一方面使得低层的动力抬升作用增强.台风影响期间,地形对台风降水的增幅有一定的贡献.     

南海台风"韦帕"生成环境条件及移动转向成因分析

利用华南区域常规观测站资料、静止卫星红外云图及NCEP格点再分析资料,对2019年第7号台风"韦帕"生成环境条件、移动转向的成因进行了分析.结果 表明,台风"韦帕"生成于热带辐合带弱垂直风切变中心附近,高海温是其生成及发展的基础条件,强度维持与西南季风及越赤道气流卷入密切相关.感热通量和潜热通量变化显示,"韦帕"所获取的海表面热通量较少,这是其强度增强有限的主要原因;台风移动路径与引导气流密切相关,其不同阶段受不同层次引导气流影响,且引导气流弱,台风移动速度也较慢;台风"韦帕"发生停滞及转向,主要由于大尺度环境场发生明显改变,西太平洋副热带高压、南亚高压及东风波都起重要的影响;低层台风中心附近风速变化影响台风环流结构内力的方向大小,也会造成台风路径移向的变化,高层辐散区对台风中心移动有"引导"作用.     

IMPROVEMENT OF NUMERICAL SIMULATION OF TYPHOON RANANIM (0414) BY USING DOPPLER RADAR DATA

Typhoon Rananim (0414) has been simulated by using the non-hydrostatic Advanced Regional Prediction System (ARPS) from Center of Analysis and Prediction of Storms (CAPS). The prediction of Rananim has generally been improved with ARPS using the new generation CINRAD Doppler radar data. Numerical experiments with or without using the radar data have shown that model initial fields with the assimilated radar radial velocity data in ARPS can change the wind field at the middle and high levels of the troposphere; fine characteristics of the tropical cyclone (TC) are introduced into the initial wind, the x component of wind speed south of the TC is increased and so is the y component west of it. They lead to improved forecasting of TC tracks for the time after landfall. The field of water vapor mixing ratio, temperature, cloud water mixing ratio and rainwater mixing ratio have also been improved by using radar reflectivity data. The model’s initial response to the introduction of hydrometeors has been increased. It is shown that horizontal model resolution has a significant impact on intensity forecasts, by greatly improving the forecasting of TC rainfall, and heavy rainstorm of the TC specially, as well as its distribution and variation with time.     

雷达资料在登陆台风“桑美”数值模拟中的应用

将国内多普勒天气雷达的反射率因子及径向风资料引入ARPS-3DVar同化系统进行同化,针对2006年登陆浙江苍南并造成严重影响的超强台风“桑美”,探讨多普勒雷达资料同化对台风模拟初始场和预报场的改进作用。结果表明:利用ARPS-3DVar同化雷达资料可以明显改善6 h同化窗口内的降水、风场和回波结构,并能提高模式对中尺度雨团位置、强度的模拟能力;雷达资料初始场同化后模拟的台风涡旋和台风眼结构与位置更加接近实况,各物理量空间分布结构更具有明显中尺度特征,从而改善了台风路径和降水的预报。但模拟过程中台风强度模拟偏弱,有待进一步改进。     

风廓线与测风塔资料在地面风场预报中的应用研究

运用四维同化方法将风廓线雷达和测风塔资料应用到WRF模式中,通过对比资料同化前后模式对地面风场的预报效果可知,加入风廓线雷达和测风塔资料后模式对风速的预报效果有明显提高,对风向的预报也有一定程度的改善;资料同化结束后,模式预报在49h内对地面风场预报效果仍有明显改善,但随着模式预报时间的增加,在模式积分49h以后,同化资料前后模式对地面风场的预报效果无明显变化。另外,通过对资料同化前后模式对风速预报误差的分析可知,在对模式风场预报的改进中风廓线雷达资料的贡献大于测风塔资料的贡献。     

海洋飞沫对台风“Morakot”结构影响的数值模拟研究

将海洋飞沫参数化引入到高分辨率、非静力中尺度模式中,并对0908号台风"Morakot"进行了数值模拟,研究了海洋飞沫对台风"Morakot"结构和强度的影响。结果表明:(1)不论是否考虑海洋飞沫作用,模式均能较好地模拟出台风"Morakot"的移动路径,说明海洋飞沫对其移动路径影响不大;(2)引入海洋飞沫参数化后,台风眼墙区域的切向风速、径向风速、垂直速度、涡度、云水混合比、雨水混合比等物理量均增强,表明飞沫对台风结构变化的影响明显;(3)海洋飞沫对台风"Morakot"演变的直接影响是在对流层低层,低层风速明显增大,大风速区的影响尤为显著;(4)飞沫的蒸发使台风范围内的潜热和感热通量明显增强,尤其是潜热通量,其大值区对应着台风中心附近的最大风速区。由于水汽和热量输送的增强,使台风眼壁附近的云水量与雨水量增多,因此降水强度明显增加。     

Radar data assimilation of the GRAPES model and experimental results in a typhoon case

Constructing β-mesoscale weather systems in initial fields remains a challenging problem in a mesoscale numerical weather prediction (NWP) model. Without vertical velocity matching the β-mesoscale weather system, convection activities would be suppressed by downdraft and cooling caused by precipitating hydrometeors. In this study, a method, basing on the three-dimensional variational (3DVAR) assimilation technique, was developed to obtain reasonable structures of β-mesoscale weather systems by assimilating radar data in a next-generation NWP system named GRAPES (the Global and Regional Assimilation and Prediction System) of China. Single-point testing indicated that assimilating radial wind significantly improved the horizontal wind but had little effect on the vertical velocity, while assimilating the retrieved vertical velocity (taking Richardson's equation as the observational operator) can greatly improve the vertical motion. Experiments on a typhoon show that assimilation of the radial wind data can greatly improve the prediction of the typhoon track, and can ameliorate precipitation to some extent. Assimilating the retrieved vertical velocity and rainwater mixing ratio, and adjusting water vapor and cloud water mixing ratio in the initial fields simultaneously, can significantly improve the tropical cyclone rainfall forecast but has little effect on typhoon path. Joint assimilating these three kinds of radar data gets the best results. Taking into account the scale of different weather systems and representation of observational data, data quality control, error setting of background field and observation data are still requiring further in-depth study.     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

云分析系统在台风莫拉菲数值模拟中的应用

借鉴美国CAPS开发的中尺度ARPS模式的资料分析系统ADAS,设计了基于GRAPES_Meso的云分析系统,实现了地面云观测资料、卫星云图、多普勒雷达反射率资料在GRAPRS模式中的综合融合应用。通过对登陆台风莫拉菲 (0906) 数值模拟检验云分析系统的性能。结果表明:云分析系统通过地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率的同化,能够反演出合理的三维云覆盖状况;在三维云覆盖的基础上结合云底云顶高度,进而反演出云水、云冰、雨水、雪、霰等云微物理量,并显著改善模式初始湿度场;在台风登陆过程的模拟中,虽然对台风路径的预报有所偏差,但对比控制试验,在台风登陆地点、台风强度、路径的预报中云分析发挥了正作用;通过对云分析后初始场反演的雷达回波进行检验,验证了云分析的可行性与正确性,对整体的降水预报效果也有明显改善。     

Analysis and very short range forecast of cyclone “AILA” with radar data assimilation with rapid intermittent cycle using ARPS 3DVAR and cloud analysis techniques

In this study, both reflectivity and radial velocity are assimilated into the Weather Research and Forecasting (WRF) model using ARPS 3DVAR technique and cloud analysis procedure for analysis and very short range forecast of cyclone ÁILA. Doppler weather radar (DWR) data from Kolkata radar are assimilated for numerical simulation of landfalling tropical cyclone. Results show that the structure of cyclone AILA has significantly improved when radar data is assimilated. Radar reflectivity data assimilation has strong influence on hydrometeor structures of the initial vortex and precipitation pattern and relatively less influence is observed on the wind fields. Divergence/convergence conditions over cyclone inner-core area in the low-to-middle troposphere (600–900 hPa) are significantly improved when wind data are assimilated. However, less impact is observed on the moisture field. Analysed minimum sea level pressure (SLP) is improved significantly when both reflectivity and wind data assimilated simultaneously (RAD-ZVr experiment), using ARPS 3DVAR technique. In this experiment, the centre of cyclone is relocated very close to the observed position and the system maintains its intensity for longer duration. As compared to other experiments track errors are much reduced and predicted track is very much closer to the best track in RAD-ZVr experiment. Rainfall pattern and amount of rainfall are better captured in this experiment. The study also reveals that cyclone structure, intensification, direction of movement, speed and location of cyclone are significantly improved and different stages of system are best captured when both radar reflectivity and wind data are assimilated using ARPS 3DVAR technique and cloud analysis procedure. Thus optimal impact of radar data is realized in RAD-ZVr experiment. The impact of DWR data reduces after 12 h forecast and it is due to the dominance of the flow from large-scale global forecast system model. Successful coupling of data assimilation package ARPS 3DVAR with WRF model for Indian DWR data is also demonstrated.     

CORRECTION OF ASYMMETRIC STRENGTHENING OF QUIKSCAT WIND FIELD AND ASSIMILATION APPLICATION IN TYPHOON SIMULATION

As an approach to the technological problem that the wind data of QuikSCAT scatterometer cannot accurately describe the zone of typhoon-level strong wind speed, some objective factors such as the typhoon moving speed, direction and friction are introduced in this study to construct the asymmetric strengthening of the QuikSCAT wind field. Then by adopting a technology of four-dimensional data assimilation, an experiment that includes both the assimilation and forecasting phases is designed to simulate Typhoon Rananim numerically. The results show that with model constraints and adjustment, this technology can incorporate the QuikSCAT wind data to the entire column of the model atmosphere, improve greatly the simulating effects of the whole-column wind, pressure field and the track as well as the simulated typhoon intensity covered by the forecast phase, and work positively for the forecasting of landfall locations.     

扩展水凝物控制变量的雷达资料同化对台风“天鸽”数值模拟的影响

利用WRF(Weather Research and Forecast)模式及WRFDA(WRF model data assimilation system)系统,针对2017年台风“天鸽”个例通过同化雷达径向速度(Vr)和反射率因子(RF),研究水凝物控制变量的雷达资料同化对台风分析预报的影响。研究表明：雷达径向速度的直接同化有效地改进了模式初始场中台风涡旋区的中小尺度信息,分析场中产生了气旋性的风场增量,对模式背景场中的台风有显著增强作用。通过在传统控制变量中扩展针对水凝物的控制变量可有效地同化雷达反射率因子资料,对初始场的水物质进行调整,并对随后确定性预报的台风路径和强度都有一定的正效果。此外,相比没有水凝物控制变量的雷达同化试验,加入了水凝物控制变量的雷达资料同化试验降水预报效果更好。这为将我国近海的地基多普勒天气雷达用于台风初始化分析和预报提供了一定的技术支撑和保障。