基于CNOP方法的台风目标观测中三种敏感区 确定方案的比较研究

在目标观测中,敏感区的确定是个关键性的问题。本文详细研究了如何用条件非线性最优扰动（CNOP）方法确定敏感区。提出了三种确定敏感区的方案:水平投影方案、单点能量投影方案以及垂直积分能量方案。比较了三种方案确定的敏感区的差异,分析了它们所阐释的物理意义,讨论了它们的优缺点,并通过理想回报试验考查了不同方案确定的敏感区的有效性。对六个台风个例的应用结果显示,单点能量投影方案与垂直积分能量方案下识别的敏感区较为相似,二者与水平投影方案确定的敏感区则有较大的区别。两种能量方案确定的敏感区更多地反映了环境场对台风的影响,而水平投影方案则反映了台风自身对流不对称性结构对台风发展变化的影响。理想回报试验结果表明,由两种能量方案确定的敏感区对预报误差能量的减小程度以及路径预报的改善程度都要大于水平投影方案确定的敏感区的效果,且垂直积分能量方案确定的敏感区的有效性最高。而在强度预报方面,三种方案对预报效果的改善程度相当。因此,总的说在台风目标观测研究中,利用CNOP方法确定敏感区时,垂直积分能量方案是较佳的方案。     

条件非线性最优扰动在可预报性问题研究中的应用

本文总结了近年来条件非线性最优扰动方法的应用研究的主要进展.主要包括四个方面:(1)将条件非线性最优扰动(CNOP)方法拓展到既考虑初始扰动又考虑模式参数扰动,形成了拓展的CNOP方法.拓展的CNOP方法不仅能够应用于研究分别由初始误差和模式参数误差导致的可预报性问题,而且能够用于探讨初始误差和模式参数误差同时存在的情形;(2)将拓展的CNOP方法分别应用于ENSO和黑潮可预报性研究,考察了初始误差和模式参数误差对其可预报性的影响,揭示了初始误差在导致ENSO和黑潮大弯曲路径预报不确定性中的重要作用;(3)考察了阻塞事件发生的最优前期征兆(OPR)以及导致其预报不确定性的最优增长初始误差(OGR),揭示了OPR和OGR空间模态及其演变机制的相似性及其局地性特征;(4)研究了台风预报的目标观测问题,用CNOP方法确定了台风预报的目标观测敏感区,通过观测系统模拟试验(OSSEs)和/或观测系统试验(OSEs),表明了CNOP敏感区在改进台风预报中的有效性.具体地,台风OGR的主要误差分布在某一特定区域,空间分布具有明显的局地性特征,在台风OGR的局地性区域增加观测,有效改进了台风的预报技巧,该区域代表了台风预报的初值敏感区.事实上,上述El Ni(n)o事件、黑潮路径变异以及阻塞事件的OGR的空间分布也具有明显的局地性特征,这些事件的OGR刻画的局地性区域可能也代表了初值敏感区.     

斜压涡度的变化与台风暴雨的关系研究

台风暴雨作为台风引起的最主要灾害之一,一直被人们关注。台风常被认为是对称结构,但从实际状况来看台风的非对称性非常明显,所以有必要研究斜压性涡度在台风中的表现。在高分辨率数值模拟的基础上,通过引入斜压涡度的概念,分析和总结了斜压涡度在2009年台风“莫拉克”暴雨过程中的表现。通过模拟与分析得到如下的结果:斜压涡度和MPV对比,可以看出在登陆前和登陆后,明显低层斜压涡度有更强的异常信号,围绕台风内核呈现正负正的位相特点;从沿着台风中心时间剖面可以看出,登陆前斜压涡度低层多为负正负的位相,并且随着时间的推移,斜压涡度有从大气的高层向台风的移动中心传递的趋势,即在台风即将到达时原先的正涡度被替换为负涡度,所以对其移动有一定指示意义;在台风“莫拉克”过台湾岛时,其斜压涡度表现为负涡度消失,在山地附近有正涡度生成,完成过岛,台风中心被替换;斜压涡度的异常值主要位于大气的低层时,一般会产生较强的降水。      

伴随敏感性方法、第一奇异向量方法以及条件非线性最优扰动方法在台风目标观测敏感区识别中的比较研究

本文通过深入分析伴随敏感性（ADS）方法、第一奇异向量（LSV）方法、以及条件非线性最优扰动（CNOP）方法在目标观测敏感区识别方面的原理,提出了非线性程度的概念和计算方法,考察了转向型和直线型台风的非线性程度,分析了上述三种方法在不同非线性程度下识别的敏感区的异同,同时对比了转向型和直线型台风的敏感区的差异,并通过敏感性试验探讨了在不同非线性程度下以及在转向型与直线型台风中,预报对敏感区内初值的敏感性程度,进而探讨台风目标观测在不同情况下的有效性。结果表明,转向型台风的非线性程度差别比较大,或者特别强,或者特别弱;而直线型台风非线性程度居中,不同台风个例之间的非线性程度差别较小。对于非线性较弱的台风,三种方法识别的敏感区较为相似,而对于非线性较强的台风,LSV方法与ADS方法识别的敏感区较为相似,但是与CNOP方法识别的敏感区具有较大的差别。对于转向型台风,敏感区主要位于行进路径的右前方,而对于直线型台风,敏感区主要位于初始台风位置的后方。敏感性试验表明,不论台风非线性强弱,转向还是直行,CNOP敏感区内的随机扰动发展最大,而LSV敏感区内叠加的随机扰动发展次之,ADS敏感区内叠加的扰动发展最小;此外,非线性弱的台风,扰动的发展大于非线性强的台风的扰动的发展,表明非线性弱的台风预报受初值影响更大,目标观测的效果可能会更明显。     

夏季西北太平洋台风生成数的敏感性因子

比较了台风生成参数中各因子与西北太平洋7-9月台风生成数(WNPSTYN)的相关关系,也比较各因子在北半球台风主要源区的纬向距平分布特征,发现涡度因子与WNPSTYN的关系最好,在台风生成条件中相对富有但不特别富足的特性决定了其是WNPSTYN年际变化的敏感性因子.同时还分析了西北太平洋关键区涡度因子年际变化的来源和表征台风生成数的优越性,发现关键区涡度因子年际变化与南方涛动、南极涛动和澳洲东部高度场的年际变化有关,体现了南半球两大系统和ENSO对WNPSTYN的影响；涡度因子与WNPSTYN的显著相关区与台风生成源地集中区一致,表征台风年际变化有明显的优越性.这些特性对关于WNPSTYN的影响机制研究和气候模式模拟有非常重要的意义.     

台风“韦帕”(0713)引发华东暴雨过程的诊断比较

采用湿Q矢量、螺旋度、湿位涡对给华东造成严重灾害的超强台风"韦帕"(0713)强降水过程进行诊断比较分析,结果表明:登陆前,上述物理量均能提前指示强降水落区,湿位涡有更多提前指示时间,螺旋度次之,湿Q矢量最少;登陆后,三者均能表征台风主体云系降水,湿位涡、螺旋度与强降水有较好对应关系,而湿Q矢量指示强降水位置偏北,但湿位涡会出现一定程度空报现象;台风深入内陆后,螺旋度预报指示明显不如湿位涡、湿Q矢量好,螺旋度指示强降水位置偏东,而湿Q矢量指示强降水范围略偏小;对台风后部强降水,湿Q矢量和螺旋度均未能预报出降水落区,而湿位涡仍有较好的预报效果。从区域平均看,螺旋度与湿Q矢量的预报指示时效小于12 h,而湿位涡超过12 h。     

台风“灿鸿”(1509)的适应性观测敏感区特征及其模拟观测同化研究

适应性观测可以改善资料同化和预报质量。本文利用集合卡尔曼变换适应性观测系统对2015年09号台风“灿鸿”进行了观测敏感区识别,并以第一目标时刻的观测敏感区为基础,运用观测系统模拟试验方法获取模拟的适应性观测资料。基于WRF中尺度同化和预报系统,开展了适应性观测敏感区模拟资料的同化和预报试验。研究发现,台风“灿鸿”(1509)的观测敏感区主要位于台风中心的东北侧及东南侧。同化敏感区内模拟观测资料比同化常规观测资料能更好地改善分析质量和高度、台风路径的预报质量,但对降水的预报改善较弱。     

0103号和0104号台风暴雨过程的螺旋度和位涡分析

利用螺旋度和位涡对 0 10 3号和 0 10 4号台风过程进行分析 ,结果表明 :暴雨位于正螺旋中心右侧 ,当负螺旋度转为正螺旋度并增加时 ,将出现台风低涡暴雨 ,当螺旋度减小并由正转负时 ,暴雨也趋于结束 ;正螺旋度中心位于登陆台风移动路径的前方。台风中心上空对应正的干位涡 (PV)大值中心 ,而湿位涡 (MPV)与暴雨的关系更为密切 ,70 0 HPA以下 MPV为负 ,70 0 HPA以上 MPV为正 ;台风低涡暴雨位于正负 MPV2中心之间的低值区     

副热带高压和对流潜热加热与南海台风的耗散及维持

利用自适应网格模式对９５０５号及９６１８号南海台风进行了数值模拟及试验,试验结果表明：南海台风的耗散主要与副热带高压加强有关,地形的影响较小。副高的活动对台风的加强与减弱十分敏感,当副高减弱时台风加强,副高加强时台风减弱。潜热释放是台风维持的主要因子。副高强度与潜热加热的大小成反比。分析发现,台风登陆后若与西风槽接近,则有利于台风维持。     

双台风相互作用及其影响

采用三维变分混合同化方法对双台风菲特（1323）和丹娜丝（1324）、天鹅（0907）和莫拉克（0908）进行数值模拟,并在此基础上,采用移除双台风中任一台风和增强或减弱任一台风的方法,对双台风的相互作用进行了敏感性试验。结果表明:台风丹娜丝的作用导致台风菲特路径偏南,移速偏慢;台风菲特的作用导致台风丹娜丝路径偏北,移速变化不大。双台风相互作用使台风菲特和丹娜丝强度发生变化。在台风菲特强盛阶段强度更强,减弱消亡阶段强度更弱。2013年10月6-9日我国华东地区出现的强降水主要受台风菲特影响,台风丹娜丝使降水强度增强、强降水中心位置偏南。双台风相互作用使台风天鹅移向偏南,移速偏快,但台风天鹅对台风莫拉克的移向、移速影响不大;台风天鹅路径盘旋曲折,每次移向的变化都与台风莫拉克有关;台风天鹅打转程度与台风莫拉克的强度呈正相关,双台风间存在涡度、水汽通量等的相互影响及输送机制。     

21世纪西北太平洋台风变化预估

对近年多个气候模式考虑不同的人类排放情景作了总结,并对21世纪西北太平洋台风变化作了预估。研究表明,集成多个气候模式考虑人类排放情景,预估到21世纪后期,西北太平洋年总编号台风数可能减少,但强台风数及其降水和风速可能增强。需要强调的是,台风的长期预估是极其困难的,存在极大的不确定性,有待作更深入的研究。     

一种基于位涡反演的变性台风初始化方案

针对变性台风的结构特征和Bogus 方案的局限性,提出了一种新的基于位涡反演技术的台风初始化方案。实际应用效果表明,该变性台风初始化方案既能使初始场中的台风中心位置和强度与观测相吻合,又能维持变性台风的结构特征(斜压性和不对称性),同时能保证初始场中各要素场之间的协调一致性。数值试验结果表明,采用该方案后,在数值模拟的前24 小时对台风中心强度和移动路径的模拟效果有较明显改进。      

The Sensitive Regions Identified by CNOPs of Three Typhoon Events

In this paper, several sets of observing system simulation experiments (OSSEs) were designed for three typhoon cases to determine whether or not the additional observation data in the sensitive regions identified by conditional nonlinear optimal perturbations (CNOPs) could improve the short-range forecast of typhoons. The results show that the CNOPs capture the sensitive regions for typhoon forecasts, which implies that conducting additional observation in these specific regions and eliminating initial errors could reduce forecast errors. It is inferred from the results that dropping sondes in the CNOP sensitive regions could lead to improvements in typhoon forecasts.     

SEA SURFACE TEMPERATURE RESPONSE TEMPERATURE TO TYPHOON MORAKOT (2009) AND ITS INFLUENCE

While previous studies indicate that typhoons can decrease sea surface temperature(SST) along their tracks, a few studies suggest that the cooling patterns in coastal areas are different from those in the open sea. However, little is known about how the induced cooling coupled with the complex ocean circulation in the coastal areas can affect tropical cyclone track and intensity. The sea surface responses to the land falling process of Typhoon Morakot(2009) are examined observationally and its influences on the activity of the typhoon are numerically simulated with the WRF model. The present study shows that the maximum SST cooling associated with Morakot occurred on the left-hand side of the typhoon track during its landfall. Numerical simulations show that, together with the SST gradients associated with the coastal upwelling and mesoscale oceanic vortices, the resulting SST cooling can cause significant difference in the typhoon track, comparable to the current 24-hour track forecasting error. It is strongly suggested that it is essential to include the non-uniform SST distribution in the coastal areas for further improvement in typhoon track forecast.     

SEA SURFACE TEMPERATURE RESPONSE TO TYPHOON MORAKOT(2009) AND ITS INFLUENCE

While previous studies indicate that typhoons can decrease sea surface temperature(SST) along their tracks, a few studies suggest that the cooling patterns in coastal areas are different from those in the open sea. However, little is known about how the induced cooling coupled with the complex ocean circulation in the coastal areas can affect tropical cyclone track and intensity. The sea surface responses to the land falling process of Typhoon Morakot(2009) are examined observationally and its influences on the activity of the typhoon are numerically simulated with the WRF model. The present study shows that the maximum SST cooling associated with Morakot occurred on the left-hand side of the typhoon track during its landfall. Numerical simulations show that, together with the SST gradients associated with the coastal upwelling and mesoscale oceanic vortices, the resulting SST cooling can cause significant difference in the typhoon track, comparable to the current 24-hour track forecasting error. It is strongly suggested that it is essential to include the non-uniform SST distribution in the coastal areas for further improvement in typhoon track forecast.     

THE MESOSCALE WAVES AND THE FORMATION OF POLYGONAL EYE WALL IN TYPHOONS

Mesoscale waves in typhoons were diagnosed by using a simulated typhoon data in this paper. Through analyzing the structure of the waves in typhoons, we found that the waves possess the mixed features of gravity inertial waves and vortex Rossby waves. On the one hand, positive geopotential height perturbation is corresponding to negative vorticity perturbation and anticyclonic circulation. At the same time, negative geopotential height perturbation is corresponding to positive vorticity perturbation and cyclonic circulation. The maximum perturbation occurs near the radius of the maximum wind in the typhoon. On the other hand, the mesoscale waves possess the features of strong convergence and divergence and ageostrophic wind. Finally, the authors presented a concept model to explain a linkage mechanism between the mesoscale waves and the formation of polygonal eye wall in the typhoon.     

2020年西北太平洋和南海台风活动概述

利用中央气象台台风实时业务定位资料和地面气象观测资料对2020年西北太平洋和南海的台风活动主要特征以及主要影响我国的台风路径、强度及风雨情况进行了统计分析。2020年西北太平洋和南海共有23个台风生成,较多年平均值（27.0个）偏少4.0个;有5个台风登陆我国,较多年平均值（7.0个）偏少2.0个。2020年台风活动的主要特征有：台风生成源地明显偏西;生成总数偏少,极值强度偏弱;7月“空台”,是1949年以来历史首次;8月台风活跃,出现多个近海快速增强的台风;8月下旬至9月上旬,3个台风连续北上影响我国东北地区,历史罕见;10月生成的台风个数较常年偏多,先后影响我国南海或中南半岛。     

影响广西的两次台风暴雨中尺度对比分析

利用多普勒天气雷达、地面加密观测资料及NCEP格点再分析资料,从低层环境场、雷达回波特征、湿位涡分布等方面,对比分析路径相似的"启德"(1213号)和"纳沙"(1117号)台风造成广西降水条件的差异。结果表明:"启德"东侧的东南风急流强,水汽强辐合中心偏于台风中心附近,降水强度大,而"纳沙"水汽辐合主要位于东北气流与东南气流的汇合区,降水范围大;两者在越南北部登陆后其后部均存在窄长带状的中尺度强回波特征,但"纳沙"的螺旋回波雨带伸展范围更宽、持续时间更长;"纳沙"因有冷空气侵入,近地面层气流出现多个分支,更有利于形成中尺度涡旋和气流汇合带,是其比"启德"产生较大范围强降水的重要因素;两者的降水分布与低层湿位涡负值区有较好对应关系,强降水落区主要位于湿正压项(VMPV1)负值区和斜压项(VMPV2)正值区相叠加的区域,而"启德"的VMPV1负值比"纳沙"小,其对应的降水强度也较大。     

SUBTROPICAL HIGH, LATENT HEATING BY CONVECTION AND ASSOCIATION WITH DISSIPATION AND MAINTENANCE OF SOUTH CHINA SEA TYPHOONSI

Numerical modeling and experiments are conducted for the South China Sea typhoons Helen (1995) and Willie (1996) with an auto-adaptive mesh model. It is shown that durating the stage of dissipation the typhoons are mainly related with the subtropical high rather than the topography. The high is sensitive to the intensity change of the typhoon so that the former weakens as the latter strengthens and vice versa. Maintaining the typhoon as a main factor, the release of latent heat is in reversed proportion with the subtropical high in terms of the intensity. It is found that the storm tends to be maintained if it moves close to the westerly trough after landfall.     

东亚季风及台风过程与臭氧含量变化的关系分析

文中用2001~2015年东亚区域的气压场和对流层顶臭氧含量的资料,选用并计算了最能代表东亚地区季风活动的两种指数,应用统计分析和个例分析的方法,对东亚地域内季风运动及台风过程与臭氧浓度变化的相关性进行了分析。得到如下结论:东亚的夏季风强度指数SMC与对流层顶臭氧含量两者在40°~50°N的高纬度地区有明显的正相关关系,赤道附近存在着负相关区。东亚IWT冬季风指数与对流层顶臭氧含量在南海—西北太平洋的海域有很好的正相关。在对流层上层受台风中心强上升气流影响最频繁的地区臭氧浓度低,而受到台风外围下沉气流影响最多的地区臭氧浓度高。