西北太平洋迅速加强热带气旋的统计特征和识别预报试验

利用2000—2014年热带气旋(TC)最佳路径、最终分析资料和静止卫星红外云顶亮温(TBB)资料,对比分析了西北太平洋(WNP),以及南海(SCS)的迅速加强(RI),与非迅速加强(non-RI)TC样本的环境背景和TBB统计特征,其中non-RI样本细分为不同的强度变化率即:缓慢加强(SI),强度稳定、缓慢减弱和迅速减弱等。结果表明,相对于SI,WNP海域的RI样本处于海表温度较高、海洋上层热容量较大、最大可能强度较大、高层辐散较强、风垂直切变(VWS)较弱和高层纬向风(U200)偏东分量较大等环境背景条件下;SCS海域的RI样本较易发生在VWS较弱的环境背景条件下。此外,相对于non-RI,支持RI发展的有利条件还包括中低层相对湿度较大、高层环境温度较低等。RI样本通常具备的TBB特征为TC内核的对流云覆盖率较大、TBB平均值相对较小。采用K最近邻分类算法进行RI预报试验,交叉检验结果表明,该方法对RI样本有一定的识别预报能力,RI样本概括率达到74.2%,技巧评分达到0.717。     

基于A-Train卫星编队资料的热带气旋强度估算

准确估算热带气旋(TC)强度,对于预测TC发展、减少财产损失具有重要的意义。前人将TC看作满足静力平衡和梯度风平衡的轴对称涡旋系统,基于云顶高度、云顶温度、海表面气压等物理量建立了TC强度估算模型,该模型未考虑环境垂直风切变对TC强度的影响。本文提出一种修正模型,通过统计拟合手段将垂直风切变加入原模型中。从2006—2015年的Cloud Sat资料中筛选出穿心个例共63个。针对云雷达(CPR)数据特点,提出根据反射率因子的垂直分布确定眼墙和外围边界位置的方法。分别用原模型与修正模型对这63个TC个例进行强度估算。与最佳路径数据相比,原模型结果总体偏大,尤其对风切变较大、强度较小的个例估算效果不佳。修正模型对于风切变大于5 m·s~(-1)的个例误差明显减小,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平均绝对误差百分比MAPE分别从5.8 m·s~(-1)、7.7 m·s~(-1)和19.5%变为3.5 m·s~(-1)、4.9 m·s~(-1)和11.5%。在一定强度范围内,修正模型估算效果随着强度的增强而提升。修正模型对于成熟阶段的个例效果更好,北半球的估算精度高于南半球,纬度越高,估算误差越小。试验结果表明,用该修正模型估算TC强度是可行的,可以对现有的技术进行辅助和补充。     

热带气旋快速增强区域气候漂移及成因初步分析

利用中国气象局上海台风研究所(CMA-STI)1949—2015年热带气旋(TC)最佳路径数据集和NCEP/NCAR再分析资料,对西北太平洋(含南海海域)1949—2015年TC快速增强(RI)集中区位置变化和影响因素等进行统计分析。结果表明:(1) RI的发生频数及伴有RI发生的TC频数均呈减少趋势,RI持续时间占TC生命史的比例及伴有RI发生的TC占TC总频数的比例呈震荡减小趋势。(2) RI集中区北界南移、南界北移,总体收缩南移,东界西移、西界东移,总体收缩西移。(3)西北太平洋环境风垂直切变(VWS)的弱切变区向西向南的气候漂移和海表面温度正距平区域的向南扩展是导致发生RI的TC最北纬度显著向南漂移的可能原因,发生RI的TC最南纬度向北的漂移则可能与高海表面温度(SST)向北扩展密切相关。(4) RI集中区的200 hPa高空辐散变强、850 hPa水汽输送加强等有利环境场条件的叠加,也对RI集中区的气候漂移有重要影响。     

环境场对西北太平洋热带气旋快速增强过程的影响

利用美国联合台风预警中心整编的西北太平洋1970—2012年热带气旋(TC)最佳路径数据集及ERA-Interim再分析资料,利用极端天气法确定TC快速增强(RI)的阈值为30 kn,分析了快速增强(RI)TC的时空分布特征;从RI的样本中选取9个个例,采用动态合成分析法,对TCRI过程的环境场进行比分析。研究表明:(1)菲律宾群岛以东(10~15°N,130°E)海域为RI发生频数最多的区域,南海地区发生RI的情况明显偏少。(2)RI在1972年发生的概率最大,而在2005年发生的概率最小,1997年后,RI发生的概率波动性较大。(3)西风与西南风水汽输送结合150h Pa附近的反气旋强辐散作用,有利于TCRI过程的进行。(4)RI发生前24 h至RI发生后的6 h,TC中心附近区域平均东风切变较快增大,其值由0.5 m·s~(-1)增加到2.5 m·s~(-1)左右,之后保持在2.0~3.0 m·s~(-1),使TC处于一个有利于其RI过程的纬向风切变环境。     

一次近海突然增强台风的个例数值模拟

运用非静力的WRF(V3.4)模式,对近海突然增强台风莫兰蒂(Meranti 1010)进行数值试验,验证了近海台风的突然增强往往发生在台风移经高海温区(SST(Sea Surface Temperature)28℃)之后36 h左右,此时台风已处于中海温区(26℃≤SST≤28℃)。同时也验证了台风在高海温海域,内核对流旺盛,台风处于中等强度的风速垂直切变(8 m/sVWS15 m/s),强度增强;在低海温海域(SST26℃),即使风速垂直切变小(1 m/s≤VWS≤8 m/s),台风也将衰亡。试验表明,海温高低影响到海洋输入台风的潜热、感热和水汽通量。海温升高,海洋输入"莫兰蒂"台风的潜热、感热、水汽通量均增加,台风强度增强;海温降低,潜热、感热和水汽通量输入均减少,台风减弱;海温降幅越大,上述3通量输入减少越多,台风衰弱越明显。     

不同海域影响热带气旋强度变化的环境动力因素对比

利用1982-2007年NCEP/NCAR再分析资料、月平均海平面温度(SST)资料和西北太平洋、北大西洋以及北印度洋热带气旋(TC)资料,对比分析了环境动力因素对不同海域TC强度在不同时间尺度变化的影响.结果表明,在各时间尺度上,TC强度变化与垂直风切变变化有密切的联系.在西北太平洋,使TC过程强度增强或减弱的风切变...     

西北太平洋热带气旋源地变化特征及与局地海表温度的关系

为提高热带气旋的短期气候预测水平,利用1950-2005年西北太平洋热带气旋(TC)和表层水温(SST)资料,分析了西北太平洋TC生成位置分布的一般气候特征,季节、年际变化特征及其与局地SST之间的关系,同时还探讨了TC强度、路径与TC生成位置之间的关系.结果表明,西北太平洋存在4个TC高频源地,分别是南海中北部偏东洋面、菲律宾以东附近洋面、关岛附近洋面和马绍尔群岛附近洋面,其中关岛附近洋面TC发生数最多,是TC发生的一个主要源地.TC生成位置分布存在显著的季节和年际变化特征,这种变化与局地SST存在密切的关系,局地SST升高,TC生成位置偏西、偏北,反之,则偏东、偏南.同时发现,TC生成位置西北边界与月平均SST的27.5℃等温线具有较好的匹配关系,绝大多数TC都发生在月平均SST≥27.5℃的海区.TC强度、路径与TC生成位置之间存在一定的关系.TC生成位置偏东偏南,其发展强度相对较强,路径偏东偏南,可导致影响我国南部海区和日本东部沿海的TC个数增加;TC生成位置偏西偏北,其发展强度相对较弱,路径偏西北,可导致影响我国东部和北部沿海的TC个数增加.     

Relationship over southern China between the summer rainfall induced by tropical cyclones and that by monsoon

本文分析华南夏季风降水(P_(SM))与热带气旋降水(P_(TC))在年际和年代际尺度上的物理联系,结果表明:在年际变化上,华南P_(SM)与P_(TC)呈显著负相关。南海-西北太平洋的气旋性涡度和相对湿度增加以及垂直风切变减弱,有利于更多的热带气旋生成,从而使得华南P_(TC)增加。同时异常增暖的赤道中太平洋SST和异常偏冷的北印度洋SST会激发南海-西太平洋异常气旋,加之中国东部-日本异常反气旋的作用,使得华南P_(SM)减少。在年代际尺度上,华南P_(SM)与P_(TC)呈显著正相关,在1990s初华南P_(SM)与P_(TC)明显增加。其中,南海生成的热带气旋对华南P_(TC)年代际增多有重要贡献。前期冬春季西太平洋持续异常偏暖的SST会通过垂直环流的作用引起热带印度洋SST增暖并持续到夏季,之后偏暖的热带印度洋SST又反馈作用于西北太平洋异常反气旋,使得华南P_(SM)增加。1990s初南海夏季风爆发年代际偏早,促使华南上空的大气显热源从5月持续增加至夏季,从而有助于东亚副热带夏季风的增强和华南P_(SM)增加。     

近海热带气旋迅速加强的气候特征

根据我国近海热带气旋发生、发展的气候特点，规定12小时热带气旋中心附近最大风速增值≥10 m/s为迅速加强。通过1949～1990年近海发生迅速加强的84个热带气旋个例分析，阐述了迅速加强时段的时间分布、地区分布及迅速加强前后气象要素变化的气候特征。     

赤道中东太平洋表层水温异常与热带气旋活动的统计关系

利用1950-2005年西北太平洋热带气旋(TC)和赤道中东太平洋表层水温(SST)资料,统计分析了赤道中东太平洋表层水温异常与TC频数、强度、源地和路径等的关系.结果表明,赤道中东太平洋暖异常年:(1)TC发生频数偏少,较常年平均偏少2～3个,但强度偏强,强台风和超强台风发生数偏多,较常年平均偏多1个左右,且随着暖异常强度的增强,TC发生频数偏少,强度增强愈加明显;(2)TC生成位置偏东偏南,145°E以东海区TC生成频数较冷异常年和La Nina年增加明显;(3)TC路径偏东,转向路径出现频次增加,西向路径出现频次减少,从而导致日本东部海区TC通过频数增加,而我国南海和华东沿海TC通过频数减少;(4)在我国登陆的TC频数偏少,较常年平均偏少1～2个.赤道中东太平洋冷异常年,情况基本与上相反.上述影响主要是由于赤道中东太平洋SST异常导致大气环流发生异常造成的.     

西北太平洋热带气旋快速加强过程中的水汽特征分析

利用NCEP的1°(纬度)×1°(经度)全球最终分析资料和JTWC(Joint Typhoon Warning Center)最佳路径资料,对2002~2011年西北太平洋热带气旋(TC)非减弱阶段快速加强(Rapid Intensification,RI)和缓慢加强及强度稳定(Non-RI)过程中,TC环境场及其内部各区域水汽分布和输送特征进行统计分析,揭示水汽因子对TC随后24 h强度变化的影响,为TC强度突变的趋势预报提供依据。结果表明:对流层低层900 h Pa层半径3~10纬距区域平均相对湿度(RH_3-10)能明显区分RI与Non-RI过程,说明西北太平洋TC强度变化对水汽的敏感高度较大西洋更接近洋面;RI初始时刻的RH_3-10显著大于Non-RI,而水平水汽通量(F_all)则弱于Non-RI,说明RI开始时刻TC环境表现为高水汽含量和较小的水汽输送,而随着RI过程TC内强对流发展对水汽的消耗,水汽含量明显减小故水汽通量则出现增强;RI和Non-RI过程水汽因子的分布和输送在TC内核区和外雨带差异明显,初始时刻RI过程净水汽获得区域大于Non-RI。相关性分析同样表明,适宜的相对湿度和水汽通量是非减弱阶段RI的有效潜势预报因子。     

EFFECTS OF VERTICAL WIND SHEAR ON TROPICAL CYCLONE INTENSITY CHANGE

The effects of vertical wind shear on tropical cyclone (TC) intensity change are examined based on the TC data from the China Meteorological Administration and the NCEP reanalysis daily data from 2001 to 2006. First, the influence of wind shear between different vertical levels and averages in different horizontal areas are compared. The results indicate that the effect of wind shear between 200 and 850 hPa averaged within a 200–800 km annulus on TC intensity change is larger than any other calculated vertical wind shear. High-latitude and intense TCs tend to be less sensitive to the effects of VWS than low-latitude and weak TCs. TCs experience time lags between the imposition of the shear and the weakening in TC intensity. A vertical shear of 8–9 m/s (9–10 m/s) would weaken TC intensity within 60 h (48 h). A vertical shear greater than 10 m/s would weaken TC intensity within 6 h. Finally, a statistical TC intensity prediction scheme is developed by using partial least squares regression, which produces skillful intensity forecasts when potential predictors include factors related to the vertical wind shear. Analysis of the standardized regression coefficients further confirms the obtained statistical results.     

西北太平洋热带气旋快速增强阶段的风速分布特征

利用联合台风预警中心的最优路径（best-track）资料,筛选出西北太平洋地区快速增强和非快速增强两类热带气旋样本。利用美国国家海洋与大气管理局（NOAA）的多平台热带气旋表面风分析资料,对比分析了两类样本的风速和涡度的分布特征。结果显示,快速增强的热带气旋样本通常结构更紧凑,最大风速较大,最大风速半径较小,台风内区的风速较大。在涡度上表现为快速增强热带气旋样本内区的涡度和涡度梯度较大。对两类样本进行t检验,结果显示两类样本内区的切向风差异明显,说明热带气旋的内区风速分布与其发展之间存在密切联系。其物理机制可能是:当存在较大的内区涡度梯度时,涡度隔离机制有利于对流单体向涡旋中心汇聚,此外较大的涡度意味着较大的惯性稳定度,有利于非绝热加热向热带气旋动能的转换,二者共同作用有利于热带气旋的快速发展。      

Large-scale environmental controls on the seasonal statistics of rapidly intensifying North Atlantic tropical cyclones

This study is concerned with the connections between the large-scale environment and the seasonal occurrence of rapid intensification (RI) of North Atlantic tropical cyclones. Physically-motivated statistical analysis using observations and reanalysis products suggests that for tropical cyclones over the open tropical North Atlantic, the interannual variability of the probability of storms undergoing RI is influenced by seasonal large-scale atmospheric and oceanic variables, but not so for storms over the Gulf of Mexico and western Caribbean Sea. We suggest that this differentiated response is due to the former region exhibiting a strong negative correlation between the seasonal anomalies of vertical wind shear and potential intensity. Differences in the mean climatology and subseasonal variations of the large-scale environment in these regions appear to play an insignificant role in the distinctive seasonal environmental controls on RI. We suggest that the interannual correlation of vertical wind shear and potential intensity is an indicator of seasonal predictability of tropical cyclone activity (including RI) across the tropics .     

西北太平洋热带气旋强度变化的若干特征

使用NOAA海表温度资料、ECMWF再分析资料和JTWC台风最佳路径数据,对1984—2013年30年西北太平洋热带区域（100 °E~180 °,0~60 °N）内热带气旋（TC）的强度变化特征及其与环境风垂直切变（VWS）、海表温度（SST）、最大风速半径（RMW）的关系作了统计分析,尤其关注TC强度突变。结果表明:（1）在研究区域内,TC样本中35.2%强度稳定,52.8%强度变化缓慢,仅12.0%强度突变,约92.7%的迅速加强TC样本发生在其台风及以上强度等级;（2）2000年以来,TC强度稳定样本减少,强度迅速变化样本增多。5月和9—10月是TC强度突变的高频期;（3）超过12 m/s的环境VWS下TC迅速加强较少,且只有台风及以上强度TC才能在大于12 m/s的VWS下迅速加强;（4）TC加强和迅速加强主要在28.5~30.0 ℃的SST洋面上发生,在较低SST下仍迅速加强的TC强度等级较高;（5）TC样本的RMW多小于100 km,其中强度突变TC RMW峰值区在20~40 km;（6）加强TC的RMW的24 h变化一般减小,减弱TC的RMW则增大;其中强度突变TC尤其明显,超强台风发生迅速加强时,RMW减小的比率达84.6%,但仍有15.4%比率的RMW增大。      

Evaluation of Two Initialization Schemes for Simulating the Rapid Intensification of Typhoon Lekima(2019)

Two different initialization schemes for tropical cyclone(TC) prediction in numerical models are evaluated based on a case study of Typhoon Lekima(2019). The first is a dynamical initialization(DI) scheme where the axisymmetric TC vortex in the initial conditions is spun up through the 6-h cycle runs before the initial forecast time. The second scheme is a bogussing scheme where the analysis TC vortex is replaced by a synthetic Rankine vortex. Results show that although both initialization schemes can help improve the simulated rapid intensification(RI) of Lekima, the simulation employing the DI scheme(DIS) reproduces better the RI onset and intensification rate than that employing the bogussing scheme(BOG).Further analyses show the cycle runs of DI help establish a realistic TC structure with stronger secondary circulation than those in the control run and BOG, leading to fast vortex spinup and contraction of the radius of maximum wind(RMW).The resultant strong inner-core primary circulation favors precession of the midlevel vortex under the moderate vertical wind shear(VWS) and thus helps vortex alignment, contributing to an earlier RI onset. Afterwards, the decreased vertical shear and the stronger convection inside the RMW support the persistent RI of Lekima in DIS. In contrast, the reduced VWS is not well captured and the inner-core convection is weaker and resides farther away from the TC center in BOG,leading to slower intensification. The results imply that the DI effectively improves the prediction of the inner-core process,which is crucial to the RI forecast.     

Environmental Influences on the Intensity Change of Tropical Cyclones in the Western North Pacific

The atmospheric and oceanic conditions are examined during different stages of the lifecycle of western North Pacific tropical cyclones (TCs), with the intention to understand how the environment affects the intensity change of TCs in this area. It is found that the intensification usually occurs when the underlying sea surface temperature (SST) is higher than 26℃. TCs usually experience a rapid intensification when the SST is higher than 27.5℃ while lower than 29.5℃. However, TCs decay or only maintain its intensity when the SST is lower than 26℃. The intensifying TCs usually experience a low-to-moderate vertical wind shear (2-10 ms-1 ). The larger the vertical wind shear, the slower the TCs strengthen. In addition, the convective available potential energy (CAPE) is much smaller in the developing stage than in the formation stage of TCs. For the rapidly intensifying TCs, the changes of SST, CAPE, and vertical wind shear are usually small, indicating that the rapid intensification of TCs occurs when the evolution of the environment is relatively slow.     

EFFECTS OF SST, VWS, AND DCC UPON RAPID INTENSIFICATION OF OFF-SHORE TYPHOONS IN CHINA SEAS

In this study, we employed National Centers for Environmental Prediction(NCEP)/National Center for Atmospheric Research(NCAR) reanalysis data and records from the China Meteorological Administration(CMA)Yearbook of Tropical Cyclones to investigate three factors: sea-surface temperature(SST), vertical wind shear(VWS),and the density of the core convection(DCC), which are responsible for the rapid intensification(RI) of 1949-2013 offshore typhoons. Our analysis results of these composite factors show that in the environmental wind field the typhoons are far away from the outer strong VWS; in the SST field they are in the high SST area; and the core convective activity is robust and takes a bimodal pattern. The difference in RI between typhoons over the East China Sea(ECS) and the South China Sea(SCS) is a smaller VWS for the ECS typhoons, which may be one of the reasons why typhoons in the ECS are more intense than those in the SCS. Our study results indicate that SST, VWS, and DCC can result in an RI after a certain time interval of 36 h, 24 h to 30 h, and 24 h, respectively. The RI indicates a lag in the atmospheric response to oceanic conditions. This lag characteristic makes it possible to predict RI events. In summary, where the SST is high(≥28 ℃), the VWS is small, and the DCC is high, an RI will occur. Where mid-range SSTs occur(26 ℃≤SST≤28 ℃), with small VWS, and high DCC, the RI of typhoons is also likely to occur.     

台风Rammasun(2014)与飓风Wilma(2005)快速增强过程的内核结构变化比较

热带气旋的快速增强机制目前仍然不太清楚,不少研究开始关注快速增强过程中热带气旋内核结构的变化。通过比较模拟的西北太平洋超强台风Rammasun (2014)和大西洋5级飓风Wilma (2005)快速增强过程中内核结构的变化特点,理解内核结构在快速增强过程中的变化特点。飓风Wilma是一个典型的快速增强热带气旋,快速增强期间具有弱的环境垂直切变、对称的眼墙、较小的中心倾斜以及比较直立的眼墙。但是,台风Rammasun快速增强发生在较强切变(超过10 m/s)环境下,眼墙对流呈高度不对称,强对流基本固定在台风中心的南侧。整个快速增强期间,Rammasun在垂直方向上维持较大的中心倾斜以及较大的眼墙倾斜。结果表明,快速增强也可能在不完全对称的内核结构和倾斜垂直结构的情况下发生。