登陆台风Winnie(1997)的数值模拟研究Ⅰ:结果检验和云系的模拟

用非静力平衡的中尺度模式MM5 (V2 )对 1997年 11号台风Winnie在登陆后演变为温带气旋的过程进行了48h模拟。结果表明 :MM 5不仅比较好地模拟出台风在陆地上的移动路径及其产生的降水 ,而且成功地模拟出了台风登陆后次中心的产生。利用模拟大气中的水物质 (云水、雨水、冰晶、雪水和霰 )模拟了台风云图 ,很好地展示了在卫星实际观测的红外云图上 ,Winnie台风在登陆后其云系的结构从热带气旋的螺旋结构到温带气旋的锋面云系结构的转变过程。因此对Winnie台风的数值模拟可以作为深入研究台风登陆后从热带气旋演变为温带气旋的变性过程的基础。     

台风Winnie(1997)影响下海浪的数值模拟研究

采用多重嵌套中尺度大气数值模式提供的风场,在考虑了波-流相互作用等主要物理过程的基础上,应用最新版本的第三代海浪模式SWAN对Winnie（1997）引起的台风浪进行了模拟,将模拟的有效波高与TOPEX/POSEIDON和ERS-2卫星高度计资料作了详细的对比分析,并分析了台风浪要素的分布特征。结果表明,SWAN在模拟较大尺度的海区时也能得到较好的模拟效果,能较好地再现海浪的发展过程和合理地反映台风浪的分布。     

特大眼台风Winnie(1997)的高分辨率数值模拟

台风Winnie 1997的眼直径为370 km,是有观测以来发现的最大台风眼之一。应用Penn State/NCAR高分辨率中尺度模式MM5,成功地模拟了Winnie的路径、强度、台风眼及其双眼壁结构。由此根据模式输出结果分析了台风眼及内外眼壁附近的流场和热力场特征。发现Winnie台风的眼壁及其周围风场都显示了明显的非对称性结构。Winnie的外眼壁对应一个极大风速环,也是暖湿环和正涡度环。内眼壁对应一个次极大风速环、暖湿环。上升运动控制整个内眼壁和海平面2 km以上的外眼壁区域,下沉运动则控制眼区和内外眼壁之间。径向入流集中在外眼壁和内外眼壁之间的边界层,流出则位于外眼壁的对流层中上层。     

8805号登陆台风特大暴雨的数值模拟

应用中尺度模式ＭＭ４,使用了一种简单的模式台风处理方法,成功地模拟了８８０５号台风登陆前后的演变及其伴随的特五暴雨过程,即对分析的台风中心物理量场进行修正而形成与实况极为一致的初值,以期能更好地模拟台风过程。从模拟结果可以看出,台风降水强度中心基本上是随台风登陆移动而变化的,每一时期的降水中心基本上与台风移动的路径一致或略偏前方,在登陆时的降水最大,这种降水变化与台风上升运动的烛一致的,上升运动越     

Winnie(9711)台风变性加强过程中的降水变化研究

热带气旋变性过程是其结构、强度及其风雨分布发生显著变化的过程,常导致预报失败。基于T106格点分析资料、日本气象厅TBB资料以及MM5V3数值模式结果,对9711号台风Winnie变性加强过程中的降水变化特征及其机理进行研究。结果表明,Winnie台风变性加强过程中降水分布非对称性明显,强降水带首先出现在台风环流北部,之后向南弯曲,其强降水中心绕台风中心从北部顺时针转向东北和东南部。这种降水变化一方面与Winnie与西风带高空槽相互作用过程中环境风垂直切变明显增大,且其指向顺时针旋转有关。此间台风垂直结构发生明显倾斜,变性前期涡旋环流随高度增加先向北倾斜,发展到最强时又趋于垂直,之后又向东南倾斜。强降水区出现在垂直切变的下风方、台风气柱倾斜方向一侧。另一方面还与台风环流内冷、暖平流活动紧密相关,强降水落区与低层暖平流输送位置关系密切。对流涡度矢量垂直分量反映了Winnie台风环流内中尺度锋区与风垂直切变的相互作用,800 hPa上的大值区对其强降水落区有较好的指示意义。     

登陆孟湾风暴结构演变特征数值模拟研究

利用MM5V3中尺度数值模式对2004年5月19日登陆的孟湾风暴进行了数值模拟分析,讨论了风暴中心移动路径,分析了风暴登陆前后的流场、动力场和热力场结构,并与西太平洋登陆台风的结构变化做了比较。结果表明,风暴中心的模拟路径与实况路径虽有一定误差,但总趋势均向东北方向移动,表明模式对本个例的模拟预报可以参考;孟湾风暴登陆前后,其结构与登陆台风变性阶段一样,经历了从热带气旋的基本对称的垂直分布结构演变到斜压非对称结构;风暴登陆后,由于地形和冷空气的作用,动力场和热力场表现为对流层中低层锋区增强、倾斜涡度发展,导致对流不稳定和斜压不稳定。     

台风“潭美”(2013)偏心不对称结构特征分析及数值模拟

利用NCEP再分析资料、FY-2E卫星资料和常规观测资料等,采用天气学分析、物理量诊断等方法,对1312号台风"潭美"空心结构特征及成因以及其造成的暴雨天气过程进行了初步分析。结果表明,台风"潭美"深对流云系一块位于台风中心北侧,一块位于南侧,且后期北侧减弱,几乎完全偏向台风的南侧,台风中心周围仅有浅薄稀疏的低云云线。"潭美"动力、热力结构均存在明显空心和不对称性特征,其与中高层气旋性环流偏离、高层辐散不对称、水汽输送不对称等有关;强降水分布与台风不对称性结构及地形等有关。WRF中尺度模式能较好地模拟出不对称性结构以及降水强度和分布。     

台风"云娜"(2004)近海加强的数值模拟研究

本文利用非静力平衡的中尺度模式MM5(V3)对2004年14号台风RANANIM("云娜")在登陆前近海加强及登陆初期的过程进行了54 h模拟,并加入人造台风优化初始场。结果表明:MM5能比较好地模拟出台风近海及登陆初期的移动路径及台风中心气压的变化。利用数值模拟结果,讨论了RANANIM(2004)台风在近海加强过程中的环流、动力和热力结构特征。发现在台风RANANIM近海加强的过程中对应有高空200 hPa净辐散场的存在,台风中心气压随净辐散值的增大而降低,反之亦然。净辐散值的减小对台风中心气压的快速升高有着预示的作用;垂直环流在强度和空间分布上发生了明显的变化。台风加强后,台风中心上方出现了明显的补偿性下沉气流;对流层低层存在明显的冷暖空气堆积,且当冷暖空气强度相当时有利于台风的增强;台风中心上方的正涡度柱逐渐发展为东西不对称分布,垂直方向上伸展高度保持不变或升高,而且在量值上也要更大。     

台风莫拉菲(2009)登陆前后电荷结构演变的模拟研究

利用中尺度起电放电模式以及卫星和闪电定位等观测资料,对比分析了台风莫拉菲（2009）在登陆前后以及衰亡阶段的电荷结构及形成。结果表明：莫拉菲在登陆前存在近海加强过程,加强中逐渐形成清晰的台风眼并伴随眼壁区闪电活动的多发。眼壁区对流在近海加强阶段呈现正的三极性电荷结构,主负电荷区位于-25℃——10℃层,其上下各有一个正电荷区。而在台风达到最大强度后呈现负的偶极性电荷结构,仅存在云中部的负电荷区和下部的正电荷区。眼壁区对流的电荷结构同台风强度变化密切相关而不受登陆直接影响。在台风发展的不同阶段,外螺旋雨带对流主要表现为正的三极性或正的偶极性电荷结构,之前的研究一般认为外雨带对流只能呈现正的偶极性电结构。外雨带三极性电结构的形成可以类似于眼壁区三极性结构的形成,也存在其他形成机制,即在霰粒子与冰晶组成的正偶极性电荷结构下存在一个由雹粒子组成的正电荷区,从而形成正的三极性电荷结构。台风衰亡阶段对流主要表现负的偶极性电荷结构,对流活动较弱,类似于陆地雷暴消散阶段的特性。不同类型的电荷结构所对应对流的相对强度也在文内进行了讨论。     

登陆台风等熵面位涡演变的数值模拟研究

选取1997年第11号台风温妮为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.引入Ertel等熵面位涡收支方程,深入分析了登陆台风结构演变的过程中绝热与非绝热作用对对流层低层位涡局地变化的影响.研究表明:台风温妮深入内陆的过程中,对流层低层台风中心西北侧位涡增长,且大值中心不再与台风中心重合;由于摩擦和非绝热加热的存在,对流层低层位涡不守恒,其局地变化主要决定于位涡的水平平流(守恒项)、位涡的垂直平流、加热的垂直微分(非守恒项)的分布;台风温妮变性前后,对流层低层位涡的守恒性逐渐减弱,非守恒项尤其是加热的垂直微分对位涡的局地增长的正贡献不断增强直至占有主导地位.     

副热带高压对登陆台风影响的数值模拟研究

中国登陆台风多发于夏季,尤其对于登陆后继续北上深入内陆的热带气旋,逐渐与其所处的中纬度环境场发生相互作用,强度衰减缓慢甚至再次发展,且伴随有台风动力、热力结构的转变(ET过程).同时,夏季多伴有副热带高压的活跃与西伸趋势,然而该系统与台风之间相互作用的物理机制仍不十分清楚,这已成为提高台风预报能力的主要障碍之一.文中选取1997年第11号台风温妮为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.采用Davis等提出的片段位涡反演方法,改变模式积分初始时刻台风东部副热带高压强度,通过数值模拟与诊断分析的方法,深入研究不同强度副热带高压系统对台风陆上维持、变性和发展的影响.研究表明,副热带高压强度的加强加快了台风中心的北移速度,冷空气提前下沉入侵台风中心,加快台风的变性,配合暖气团的强迫抬升激发强烈的对流层中高层锋生,台风变性后冉次加强幅度增大.副热带高压强度的改变直接影响台风中心上空高空形势,而后者与台风强度的变化有较好的相关性.     

台风Rananim登陆期间地形对其降水和结构影响的数值模拟试验

应用非静力平衡中尺度模式MM5(V3.6),对0414号台风Rananim在登陆期间移动路径和所产生的降水进行了数值模拟研究,模式较好地再现了台风Rananim的移动路径和所产生的降水,但模拟的过程降雨量与实况值还有所偏差。多普勒雷达探测资料表明,台风Rananim登陆期间,强回波带出现在台风移动的右前方,螺旋云带中镶嵌着大量的对流云团;垂直液态水含量的高值区出现在台风中心的西北侧。作者通过在浙江、福建东部沿海一带进行有无地形的数值对比试验,着重讨论了台风登陆期间地形对台风降水、台风结构特征变化的影响。结果表明:（1）台风登陆期间, 地形的影响对台风降雨量有明显的增幅作用。由地形强迫产生的降雨量和地形走向相一致,迎风坡降雨量增加,背风坡降雨量减少,地形影响使浙江东部一带增加的平均降雨量约占该地区模拟平均总降雨量的40%左右。（2）台风登陆期间,地形的强迫作用有利于在低层台风眼的西北侧形成明显的辐合带,高层为明显的辐散区;在中尺度环流场上,地形的影响有利于台风中心西北侧低层中尺度气旋性涡旋系统的发生发展,从而激发中尺度对流云团,形成中尺度雨团,造成了台风中心南北雨区和雨量的不对称分布。（3）地形的强迫作用,可以使台风流场局部发生改变。当地形强迫产生与台风环流同向的中尺度扰动时,将使台风环流局部明显增强;当地形强迫产生与台风环流反向的中尺度扰动时,将使台风环流局部明显减弱。（4）台风登陆期间,地形的影响可以使台风靠近陆地一侧眼壁内的垂直上升速度增大,位涡明显增强,从而造成台风涡旋的增强。     

超强台风桑美（2006）登陆前后低层风廓线数值模拟分析

利用ARW-WRF模式,以垂直方向40个模式层（对低层加密）、水平方向最高1 km的分辨率,对台风桑美（2006）进行数值模拟,模拟结果与实况基本一致。基于台风桑美（2006）1 km分辨率的模拟结果,对台风低层（海面或地表以上1500 m以下）风场结构进行了分析。结果表明,在台风登陆前,其最大风速半径附近存在水平风速在垂直方向有很强变化的风廓线,该类型风廓线的最大风速高度有明显变化,表现出类似急流的特征;而台风登陆后,其水平风速垂直变化明显减弱,即风廓线类型发生较大变化;另有一种水平风速在高层少变的风廓线类型在台风中是普遍存在的。还根据高层和低层两个切变因子,将台风登陆前的风廓线分为急流型、普通型和过渡型,并进一步分析各类风廓线在台风中出现的位置和急流高度。对急流型风廓线的形成原因也进行了初步探讨,结果表明,超/次梯度风在垂直方向上的变化是形成急流型风廓线的原因,而外围绝对角动量的输送在其中起关键作用。     

台风变性加强过程的数值模拟和试验分析

1997年登陆的Winnie台风经历了变性重新加强的过程,利用中尺度数值模式MM5对该过程进行了数值模拟和分析.等熵位涡分析显示重新加强过程经历了2个阶段:(1)高层扰动加强期,北上的变性气旋在其高层维持了小的位涡区,使上游东移的位涡槽加强;(2)气旋斜压发展期,低层气旋上的斜压带与高层加强的扰动耦合,气旋获得斜压发展.该过程伴随着高层风速的加强并发展为急流,这是动力平衡和低层斜压动能输送的结果.高层扰动和急流演变过程说明了变性气旋自身对其发展的重要性.通过热带气旋分离的方法,利用数值试验对变性气旋以及与气旋相关的物理因子的作用进行分析.结果显示,低层变性的气旋Winnie首先通过潜热过程加强了高层的扰动,然后在其北移过程中和高层的扰动位相锁定而得到斜压发展,演变过程说明了登陆台风自身的重要性.在这个过程中,初始气旋的涡旋环流足最主要的,其次是水汽,而斜压性影响最少.斜压性影响最少是由于在气旋环流和高湿度的环境下,斜压带得到重建,使气旋仍然可以和高层的扰动相互作用而得到斜压发展.所以,斜压性仍是变性气旋再度发展的直接原因.综观台风Winnie的变性以及重新加强过程,气旋中斜压性的产生以及维持都和与降水相关的潜热过程密切相关.     

台风“莫拉菲”登陆期间深圳排牙山周边风场结构的数值模拟研究

以计算流体力学软件FLUENT为工具,模拟台风“莫拉菲”登陆期间深圳大鹏半岛排牙山周边的风场三维结构。通过研究得到了强风条件下山地风场的概念模型,并得到以下结论:(1) FLUENT可较合理地模拟出强风条件下复杂地形的三维风场结构,描述山体对于风场和湍流场的影响;(2) 山体的动力学效应可使高大山体迎风侧和山顶之上的局地风速加大;(3) 高大山体背风侧为弱风区、风速强切变区和强湍流区。      

登陆过程中台风高层暖心结构演变特征分析

采用美国国家环境预报中心NCEP提供的分辨率为0.5°的再分析资料和中国气象局上海台风研究所热带气旋最佳路径集,对1979—2010年于30°N以南登陆中国的台风进行合成并分析其高层暖心结构,主要结论如下:(1)登陆台风暖心在登陆前18h左右强度有较明显的加强趋势;(2)登陆阶段台风暖心有着明显的非对称性,向陆地侧的暖心面积更大;而在登陆方向两侧暖心结构也存在较弱的非对称性,登陆前暖心面积左侧大于右侧,登陆后暖心面积右侧大于左侧。(3)登陆台风暖心的温度梯度分布是不均匀的。越靠近暖心外围,温度梯度越大,越靠近暖心中心,温度梯度相对较小。当暖心强度变化后,暖心内层温度的变化率大于外层。(4)登陆过程中暖心强度在垂直方向的衰减比水平方向更为显著。(5)文中几种台风暖心特征的计算简便,物理含义明确,为实际业务提供了较为不错的定量化参考,方便理解台风暖心结构与台风强度变化之间的关系,具备一定的业务应用价值。     

台风Faxai(1403)低纬变性的结构演变特征分析

利用气旋相空间法(cyclone phase space,CPS)对1403号台风Faxai变性前后的环境场及结构演变特征进行分析。结果表明:相空间法能够很好地指示低纬变性台风Faxai的变性起止时间。此次过程是由减弱的台风环流与TC西北侧的短波槽结合发展产生,分析台风Faxai的结构演变特征可知,变性阶段TC低层厚度场由均匀对称分布转为非均匀分布,增大了环境斜压性,变性后B值最大达30 m,为弱的斜压非对称结构。Faxai东侧的偏南风暖湿气流与偏北风气流相交汇,使得经向位温梯度增加从而在TC东北象限形成一带状锋区,锋区正好位于南北两大风圈之间的位置。整个变性阶段Faxai西侧几乎无明显冷锋锋生,只在环流东北侧有一定程度的暖锋锋生,这与典型的锋面气旋的发展过程有所不同。变性前,TC呈现对称分布的暖核结构;变性阶段,冷空气从热带低压西侧对流层中低层下沉入侵,TC呈现左侧冷、右侧暖的非对称斜压结构,中层增温可能与槽后强的下沉气流有关。对锋生函数各分量分析发现,散度场主导了气旋周围的标量锋生,倾斜项的贡献次之,涡度场是引起旋转锋生的主要因素,其余两项可忽略不计。     

热带风暴“海马”的数值模拟及其变性阶段的结构演变特征

利用WRF模式对热带风暴“海马”登陆后减弱,与中纬度系统相互作用后变性加强的过程进行数值模拟。检验结果证明WRF模式能够较好地模拟“海马”变性阶段的路径、强度及降水。利用模拟结果,分析“海马”变性前后的结构特征。台风向北移动的过程中,与西北方向移来的西风槽相遇。台风西北部对应高空急流入口区右侧强辐散区,有强上升运动,同时受锋前抬升作用影响,台风结构发生倾斜,减弱的台风发生变性并加强发展成为锋面气旋。随着变性气旋发展,其北部上升运动加强,向垂直运动区输送水汽的东南暖湿气流加强,从而使台风与中纬度高空槽相互作用区产生强降水。     

台风莫拉克动力结构的高分辨率数值模拟及诊断分析

本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2009年8号台风莫拉克进行了高分辨率数值模拟,模拟过程采用三重嵌套,最高分辨率为2 km,共积分72 h(3 d).对实际观测资料与模式模拟结果进行了细致对比和验证分析,结果表明,“莫拉克”台风的发展演变以及登陆过程得到了较好模拟再现,模拟的台风路径与观测路径较为一致,同时“莫拉克”台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征也有较好再现.利用物理量广义波作用密度因子对“莫拉克”引发的暴雨过程进行诊断分析,结果表明,波作用密度的异常值区始终伴随着降水区的发展而起伏变化,两者在水平分布和时间演变趋势上都较为相似,表明“莫拉克”台风降水活动受波动影响明显,广义波作用密度能够综合表征莫拉克台风降水系统动力场和热力场扰动的典型垂直结构,对强降水落区有较好的指示作用.     

9406号台风登陆造成华南及长江中游暴雨过程的数值模拟试验

本文应用有限区域数值预报模式，并根据不同的积云参数化方案对１９９４年第６号台风登陆后低压的移动规律及其对应降水分布进行了数值模拟试验，结果表明积云对流参数化对于台风移动及其降水分布影响极大，是作出台风暴雨预报的关键过程。