台风暴雨过程中位势散度波作用密度分析和预报应用研究

在位涡的基础上,考虑散度效应,把水平风矢量旋转90°后的旋度在广义位温梯度方向上的投影定义为位势散度,并把其二阶扰动量定义为位势散度波作用密度,该波作用密度代表扰动热量的扰动输送,与位势稳定度的发展演变有关.登陆台风Morakot(2009)的诊断分析表明,在台风登陆台湾岛,进入台湾海峡和登陆大陆三个阶段,波作用密度高值区与大陆和台湾降水区相重叠,扰动热量的扰动输送显著;在前两个阶段,大陆和台湾降水区波作用密度逐渐增大,扰动热量的扰动输送逐步增强;在台风登陆福建霞浦市后,大陆地区波作用密度减小,扰动热量的扰动输送减弱.在影响波作用密度局地变化的诸多物理因素中,扰动非地转风位涡项是主要强迫项.统计分析表明,波作用密度与观测降水有一定的相关性,据此发展了位势散度波作用密度降水预报方程,其本质是数值模式预报资料的动力延伸释用,预报应用表明,利用24 h模式预报场计算的波作用密度降水能够较好地再现观测降水的落区,对台风Morakot引发的暴雨有一定的预报技巧.     

LTP_DSEF模型对2018年登陆中国热带气旋强降水预报的应用

最近,一种基于路径相似的登陆热带气旋降水动力统计集合预报(LTP_DSEF)模型被发展用来预报登陆热带气旋(LTC)带来的强降水.文章把LTP_DSEF模型应用于2018年登陆中国的10个热带气旋(TC)的强过程降水预报,通过测试模型的3452套预报方案确定了对这10个LTC的最佳方案,然后将其性能与三家动力模式(ECMWF、GFS和GRAPES)进行对比.结果表明:LTP_DSEF模型在预报LTC的较强过程降水方面与三家动力模式相比很有优势,特别是预报250mm以上量级的过程降水;对单TC, LTP_DSEF模型预报LTC过程降水的能力优于或者略逊于三家动力模式,特别在三家动力模式对某些TC的强降水均无预报能力时,模型仍能提供宝贵的大于零的TS值;此外虽然与实况相比该模型预测的强降水范围倾向偏大,但它在多数情况下能合理地捕捉到强降水的落区.初步研究表明,尽管LTP_DSEF模型只引入了TC路径和登陆时间两个相似性变量,但它已能为LTC的强过程降水预报提供非常有用的指导.     

EnKF同化雷达资料对一次极端局地强降水事件预报影响及其可预报性分析

局地强降水可以引发山洪、泥石流等次生灾害,目前准确预报局地强降水依然是天气预报业务的难点.本文针对一次发生在西北太平洋副热带高压边缘、导致12人死亡的极端局地强降水事件,利用集合卡尔曼滤波(En KF)开展多普勒雷达径向风观测资料同化试验,并对En KF同化过程不确定性进行分析.结果表明:不同化观测资料,采用单一初值的确定性预报或增加初值扰动、采用多物理过程的集合预报均不能正确预报强降水发生位置,而利用En KF同化雷达径向速度观测资料能有效改进确定性和集合预报效果,特别是强降水位置预报.通过En KF同化雷达资料,建立深厚的中尺度对流系统是改进降水预报效果的直接原因.在具备了对流发生条件的大尺度环境背景场中,上游地区、对流层中下层经向风和水汽场的合理扰动是影响同化过程和降水预报的关键因素.该个例预报过程受实际可预报性影响,具有不确定性,大尺度初始条件的差异或初始扰动场振幅偏小导致的En KF分析场差异都会对模拟结果造成较大影响,而采用En KF循环同化有助于提高该个例的预报准确性.敏感性试验还表明未来通过改进数值模式或改善观测系统,提供更准确观测信息,可以对此类短时强降水事件做出更准确预报.     

一种新的综合物理指数构建及其在强降水预报中的应用

强降水是洪灾及相关衍生灾害的最主要原因之一,而过去单靠某一种变量诊断预报强降水,具有较大难度.本文在已有研究的基础上,根据强降水发生发展的物理机制,将引起降水的热力、动力和水汽条件综合考虑,尝试性地构建了一个新的综合指数THP(Temperature,Helicity and Precipitable water).然后针对两次强降水过程,利用NCEP/NCAR 1°×1°的再分析资料和地面常规观测资料,对THP指数进行了诊断分析,并选用2012年7月1日—8月15日的降水实况,对该指数进行了普适性检验.结果表明:(1)THP指数的变化可以有效表征强降水过程的发展和移动.对于降水落区的预报,THP指数的大值区与未来6h的降水中心基本对应;对于降水发生时刻的预报,THP指数的位相变化超前于地面降水的变化,具有较好的指示性;(2)对于高空槽前型降水,THP指数对降水强度也有一定的诊断意义,且普适性检验表明,该指数在我国中东部地区的盛夏期间具有良好的适用性;(3)基于配料法的思想,THP指数将有利于强降水出现的、具有清晰物理意义的信号进行了集成,相比于表征单一物理量的指数,其稳定性得到了增强.     

2014年两次路径相似热带气旋降水特征及其成因的对比

利用NASA的MERRA再分析数据、台站降水资料、热带气旋最佳路径数据集和雷达资料初步对比探讨了2014年两次路径相似台风（"威马逊"和"海鸥"）的降水特征及其成因.结果表明，两者台站过程降水和最大日降水强度差异明显；在华南产生的过程降水和日降水均表现出明显的非对称性，最强均在海南岛；在海南岛产生的过程降水、日降水和最大小时降水最强均在海南岛西部和北部.与"海鸥"相比，在强降水时段，"威马逊"产生更大台站日降水的原因之一是其自身更强的强度和偏慢的移动速度，而且还与高层更强的南亚高压主体、中层偏弱偏东的副热带高压和低层强的低空急流密切相关.在强降水阶段，两者所处的环境风垂直切变均指向西南偏西-西南偏南方向，而强的对流均主要在环境风垂直切变的左侧或前侧.两者强降水主要在海南岛西部和北部的关键原因是五指山山脉和台风路径的相对位置配置类似，强降水区恰好处于向岸风面或五指山的迎风面.     

有限区域分解分析方法在2006年一次东北冷涡暴雨分析中的应用

2006年7月19-24日,东北地区出现一次明显的冷涡发展导致强降水的过程.对这次东北冷涡过程的天气形势分析表明,该东北冷涡的维持和发展与冷涡东部阻塞高压的建立与消亡有关.本文根据500 hPa环流形势演变特征,将东北冷涡发生发展过程分为4个阶段,并借助调和-余弦谱展开方法,对东北冷涡各阶段850 hPa水平风和水汽通量进行无辐散和无旋转分量分解,分析各阶段无旋转风动能和无辐散风动能之间的能量转化.研究结果表明,分解得到的无辐散风及其水汽通量清楚地展现出了东北冷涡的大尺度环流和水汽输送通道及水汽来源,而从无旋转风及其水汽通量上则可以直观地看到冷涡低层的中小尺度风场及水汽辐合辐散区,为分析东北冷涡内部对流提供帮助.东北冷涡发展的不同阶段其水汽来源有所不同,初始阶段的水汽主要来自黄海和渤海地区,发展阶段水汽主要来自日本海,而到成熟阶段和减弱阶段,水汽输送通道被破坏,冷涡的水汽供应大大减少,与同时期暴雨减弱一致.同时,无旋转风辐合强值区和无旋转风水汽通量大值区的重合区域有利于强对流的发生发展,表现为重合区与TBB(Temperature of Black Body,黑体辐射温度)强对流云带的形状和位置对应良好,与降水落区也较为一致,可为预报东北冷涡引发的强降水落区这一预报难点问题提供参考.从动能转化上看,无旋转风和无辐散风的动能转化项能很好地反映东北冷涡整个生命史过程中各阶段强度的变化特点,对冷涡强度预报具有一定的指示意义.     

用福建连续重力资料研究台风“麦德姆”活动特征

<正>1台风信号频谱特征2014年第10号台风"麦德姆"在横穿台湾岛之后,于7月23日15时30分在福建福清沿海登陆,登陆时强度由台风减弱为热带风暴。为研究台风期间福州、厦门、漳州3个连续重力观测台站记录的地脉动信号强度和卓越频率随时间变化过程,编写了傅里叶变换Matlab程序代码,运行结果图略。台风从趋近到远离台站,信号强度从增强到减弱。其中福州台记录到台风登陆时信号强度迅速减弱,之后信号又增强然后     

长江流域降水极值时间序列的分布特征

在1960-2005年长江流域147气象观测站汛期4-9月逐日降水资料基础上,通过计算逐站大于95th强降水及其间隔天数、小于1.27mm/d的持续天数,分析长江流域降水极值时间序列的时空分布特征,并建立概率分布模式.研究发现,长江上游四川盆地附近及中下游鄱阳湖流域东南部是汛期强降水中心,也是长江流域强降水最集中发生的地区.汛期降水强度小于1.27mm/d的天数,在上游干流、岷沱江流域、乌江上游地区为多.但此处干旱持续天数最短,干旱形式并不严重.而在金沙江上、下游,洞庭湖流域,鄱阳湖流域东南部支流及下游干流区干旱持续天数较长.长江流域大于95th强降水的间隔天数与小于1.27mm/d的干旱持续天数服从Weibull-Ⅱ型分布.分布参数变化的模式较准确的反映降水极值时间序列的时空变化特征.     

多时空尺度海气相互作用与ZEBIAK-CANE模式的改进

实际气候系统中包含了行星尺度、洋盆尺度和局地海气相互作用的过程.一层大气的Zebiak-Cane(ZC)模式仅仅描写了局地海气相互作用.于是,行星尺度的Hadely环流异常和洋盆尺度的Walker环流异常需要引进到ZC模式中.通过在ZC模式中引进Hadley异常的改进,结果表明改进的模式不仅能对1970～1990年,而且也能对1991～1995年的赤道东太平洋海温异常作出提前9～10个月的预报.     

近50a淮河流域汛期降水日数和强度的分布与变化特征

选用1961-2010年淮河流域145个地面气象站的观测资料,分析淮河流域汛期(5-9月)降水的时空变化规律.结果表明:淮河流域汛期降水的空间分布不仅受到地理位置和地形的影响,而且与湿度和风速的空间分布具有较好的相关性;在时间变化上,雨日出现频率有下降的趋势,但暴雨日比重和暴雨日平均降水量均有升高的趋势.淮河流域汛期暴雨日出现频率以及各类型雨日的平均降水量均有上升的趋势,强降水时空变化呈现局地性和频发性.     

气溶胶与东亚季风相互影响的研究进展

中国科学院地学部在第33次科学与技术前沿论坛对气溶胶与季风相互作用进行了深入讨论和评估.本文综述了在此次论坛上所报告的国际和中国气溶胶与东亚季风相互作用有关的研究进展.研究表明:(1)东亚季风能影响气溶胶的输送,特别是可以为由气溶胶引起的持续性强雾-霾天气过程的生成和发展提供适宜的大气环流背景场,东亚季风还在季节、年际、年代际等多时间尺度上影响气溶胶的输送和空间分布特征,季风区域的高水汽特征还可能影响气溶胶的光学及辐射效应;(2)已有证据表明气溶胶对于中国部分区域云的物理特征和降水有明显影响,在东南沿海地区,增加气溶胶的含量可能会抑制轻型和中度降水,对强降水可能有强化作用,但是此问题极为复杂,值得深入研究;(3)东亚夏季风活动的年际变化对中国区域气溶胶浓度和空间分布有明显影响,而且近几十年季风的减弱很可能利于区域气溶胶浓度增加.同时期,中国大气污染排放量的显著增加很可能减小了海陆温差和纬向差异,也不利于季风的增强.此外,文章对未来加强季风与气溶胶相互作用的研究给出了部分参考建议,还指出气溶胶对于东亚季风环流影响研究的不确定性.     

变网格大气模式对1998年东亚夏季风异常的模拟研究

本文利用法国国家科研中心(CNRS)动力气象实验室(LMD)发展的可变网格的格点大气环流模式LMDZ4,对1998年东亚夏季降水进行了模拟,考查了变网格模式对东亚夏季降水的模拟性能.结果表明,模式在一定程度上能模拟出东亚夏季降水的极大值中心、夏季风雨带以及降水由东南向西北递减的空间分布特征.模式基本再现了1998年夏季两次雨带的进退特征,包括降水强度、雨带范围等,从而合理再现了1998年夏季江淮地区的"二度梅"现象.与观测相比,模拟的不足在于:在陡峭地形区附近存在虚假降水;江淮和华北地区以及四川盆地存在水汽输送的气旋式辐合偏差,同时高层环流辐散偏强,使得下层暖湿空气辐合上升、降水偏多;在东南地区存在反气旋式的水汽输送偏差,30°N以南地区降水偏少.对于1998年的"二度梅"现象,模拟偏差主要表现为长江中下游地区两次(特别是第二次)较强降水持续时间偏短,强降水范围偏小,而黄淮和华南地区却降水偏多.分析表明,模式对两次梅雨期降水的模拟偏差直接受环流形势模拟偏差的影响.LMDZ4区域模式版本的特点一是区域加密,二是加密区内预报场每10天向再分析资料恢复一次.敏感试验结果表明,LMDZ4加密区向强迫场的10天尺度恢复总体上有利于提高模式对华北降水的模拟能力,而对长江流域和华南降水的模拟具有不利影响.较之均匀网格模拟试验,加密试验由于在东亚的分辨率大大提高,对东亚夏季降水模拟效果更好.     

风垂直切变对中尺度地形对流降水影响的研究

针对长江中下游中尺度地形特点以及暴雨过程发生发展期间风垂直切变的主要观测特征,设计了一系列中尺度地形的三维理想数值试验,分析了干大气地形流和重力波特征,探讨了条件不稳定湿大气地形对流降水的模态分布,在此基础上研究了圆形、直线风垂直切变和切变厚度对中尺度地形对流降水强度和模态分布的影响.结果发现:在 F_r≈1的干大气条件下,气流遇到地形后分支、绕流和爬升现象同时存在,地形激发的重力波在水平和垂直方向上传播,其在迎风坡、背风坡、地形上游和下游的振幅不同,并组织出不同强度的垂直上升运动.在F_r > 1的条件不稳定湿大气下,地形对流降水主要存在三种模态,即迎风坡和背风坡准静止对流降水以及地形下游移动性对流降水,地形对流降水的形成与重力波在低层组织的上升运动密切相关.风垂直切变对地形对流降水的强度和模态分布有重要作用,其中圆形风垂直切变(风随高度旋转)不仅影响地形下游对流降水系统的移动方向,而且影响迎风坡和背风坡山脚处对流降水中心的分布和强度;直线风垂直切变(风随高度无旋转)主要影响地形对流降水的移动速度和强度.风随高度自下而上顺(逆)时针旋转,地形对流系统向下游传播时向右(左)偏移.风垂直切变主要通过影响地形重力波的结构和传播以及对流系统的形成、移动方向和速度,来影响地形对流降水的模态分布,其中对流层中低层的风垂直切变对地形对流降水强度和模态分布有重要影响.     

一类西太平洋副热带高压双脊线过程维持机制初探

本文通过对1979~2005年5~10月发生在西太平洋地区的156个副热带高压双脊线过程进行统计分析,发现87.82%的双脊线过程的出现是因为南侧新生一脊线,而且有明显的“季节锁相”,即其发生频数在7月中旬至9月中旬有两个峰值.历年过程中最典型的“南生南存型”双脊线过程的合成分析表明该类双脊线过程形成、维持和消失与副高南侧外围东风波系统自东南向西北传播发展密切相关.500 hPa距平环流演变显示北侧脊线的减弱消失符合气候规律,东风波槽前的异常气旋仅影响副高北侧脊线位置;而东风波槽后的异常反气旋性环流有利于南侧脊线异常发展与维持,造成该类双脊线过程结束后副高异常偏南.进一步分析发现,东风波和西太平洋副热带高压的相互作用改变了副高区域垂直运动分布.这一方面改变了经向风的分布,使500 hPa副高南侧脊线区域地转涡度平流项发展;另一方面引起非绝热加热垂直分布不均匀,在两脊线之间诱生一异常气旋性环流,在南侧脊线区生成异常反气旋环流.因此,东风波与西太平洋副热带高压的相互作用可能会造成副高的不连续南退,这对副高预报有一定预示作用.     

华南前汛期降水异常与太平洋海表温度异常的关系

利用近50年华南地区站点逐日降水观测资料和全球大气、海洋分析资料,分析了华南前汛期降水异常的变化特征及其与太平洋海温异常的联系.结果表明,近50年来华南前汛期降水总体呈现减少趋势.影响华南前汛期降水异常的太平洋海温异常型是一个类似于ENSO的西太平洋暖池模态,即显著海温异常区域位于西太平洋暖池.西太平洋暖池区域(120°E-180°E,20°S-20°N)前期冬季海温异常同华南前汛期降水存在显著的负相关关系,是具有预报意义的海温关键区.该关键区海温异常影响华南前汛期降水的可能物理过程是:当前期冬季暖池异常偏暖时,菲律宾周围地区对流活动加强,导致Walker环流及东亚太平洋中低纬局地Hadley环流增强;该异常通过影响东亚－太平洋遥相关波列,使前汛期期间西太平洋副高加强西伸,脊线位置偏北,同时副热带西风急流减弱北退.随着Hadley环流上升支的增强,东亚副热带地区下沉运动也增强了,华南地区对流活动受到抑制.而且由于副高的增强,经过其北侧向华南地区的西南水汽输送辐合也减弱了,因此前汛期降水偏少.冷海温年的情形则相反,华南前汛期降水偏多.近50年来华南前汛期降水总体呈现趋势性减少正是由于前冬西太平洋暖池趋势性增暖所致.     

全球环流20～30d振荡与长江下游强降水

利用1979～2005年NCEP／NCAR逐日再分析资料及长江下游地区降水资料,采用非整数波功率谱分析、相关分析和主振荡型分析（POP）研究了近27年5-8月长江下游降水季节内振荡（ISO）、强降水过程的变化特征及其-9全球环流主要ISO模态的关系．结果表明,5-8月长江下游逐日降水主要有10～20,20-30和60～70d的周期振荡,长江下游降水的20～30d振荡强度年际变化和强降水频数之间有极显著的正相关．5-8月全球850hPa高度场存在两个20～30d主振荡型（POP1,POP2）：一个是南半球中纬度地区东移的绕球遥相关型（SCGT）,另一个是西太平洋热带地区南移的季节内振荡型（TWP）,它们的解释方差分别为7．72％和7．66％．这两个POP型与长江下游20～30d低频降水和强降水过程密切相关,其中POP1虚部正位相和POP2实部正位相中长江下游有强降水过程的概率分别为54．9％和60．4％．用合成方法建立了北半球夏季全球环流主要ISO型的20～30d振荡过程中长江下游地区有（无）强降水过程的全球大气环流模型．长江下游地区强降水过程大部分发生在SCGT的位相4或TWP的位相6中．当长江下游降水20～30d振荡正位相中有（无）强降水过程时,与SCGT的位相4对应的850hPa低频风场中从阿拉伯海经印度、孟加拉湾到中国南部和长江下游地区存在（不存在）强西风气流,或与TWP的位相6对应的低频风场中从印度经孟加拉湾到中国南部和长江下游地区以及副热带西太平洋地区到赤道中东太平洋地区呈现强（弱）西风带,有（不）利于长江下游地区强降水过程的形成．它们分别与南北半球热带内外地区大气环流之间的相互作用和亚洲季风区热源强迫异常与东亚大气内部相互作用激发的20～30d低频振荡有关．这两个20—30d振荡的全球大气环流模型对于提高夏季长江下游地区强降水过程10～30d延?     

地形重力波举力效应对台风路径偏转的影响

举力效应是指方向性切变气流经过地形激发的重力波能够使平均气流发生水平旋转.本文首先根据日本气象厅台风数据集统计了2006—2015年登陆台湾的台风个例,分析台风路径的偏转情况.然后利用二维傅里叶变换对欧洲中间尺度天气预报中心的再分析数据进行滤波,得到台风的环境大气层结和水平风场.最后根据台风环境风场以及台湾地形计算地形重力波举力,分析举力对台风路径偏转的可能贡献.结果表明,近十年共有20个台风登陆台湾,其中2006—2008年有10个.除去5个路径较为复杂的台风,本文对15个台风的地形重力波举力进行分析,发现有14个台风的路径偏转方向与举力方向一致.对于路径偏转最为明显的6个台风(偏转角度大于30°),地形重力波举力对台风路径偏转的贡献可达10%,部分解释了台风经过台湾地形时发生的路径偏转.     

西北太平洋地区强台风的闪电活动特征

利用全球闪电定位网(WWLLN)获取的闪电定位资料和中央气象台提供的台风定位资料, 分析了西北太平洋地区2005~2008年登陆我国的1个强台风和6个超强台风的闪电空间分布及其随时间的演变特征. 分析结果表明：西北太平洋地区强台风成熟时平均闪电密度呈现出明显的三圈结构：眼壁上存在一个明显的闪电弱密集带(20~80 km), 而距离台风中心80~200 km范围内闪电密度接近于零, >200 km的外雨带中闪电又逐渐增加. 外雨带中的闪电远远多于台风中心或者眼壁上发生的闪电, 台风中心发生的闪电所占比例小于总数的1%. 若把距台风中心100 km范围内的闪电定义为台风眼壁闪电, 则在台风中心最大风速急剧增大的阶段, 眼壁上的闪电爆发, 而在眼壁闪电爆发的几个小时后中心风速达到最大值, 有个别台风在台风最强期间的前半段眼壁闪电爆发, 这对台风强度的预报有一定的指示意义. 在台风减弱阶段, 中心闪电发生很少.     

碧利斯(0604)暴雨增幅的云微物理成因

2006年"碧利斯"台风登陆中国大陆后,在湖南、广东和江西三省交界附近地区造成明显暴雨增幅,造成十分严重的灾害,影响巨大.本文利用高分辨率数值模拟资料,从微观云物理过程角度出发,研究了"碧利斯"暴雨增幅发生前和增幅强降水发生时段云微物理特征的差异,探讨了登陆台风暴雨增幅云微物理方面的可能成因,结果指出:暴雨增幅前后,强降水区云微物理特征存在明显不同,与降水强度的明显增强相伴,云中各种水凝物含量也明显增加,其中云冰、雪和霰等固态水凝物的增加尤为显著,冰相过程对地面降水的贡献明显加大,降水云系发展旺盛、高大;云微物理转化率的对比分析发现,暴雨增幅时段,由水汽凝结过程显著增强所带来的云水的增加,主要通过两个途径作用于暴雨增幅:一是通过云中雨水对云水的碰并收集,促进雨水含量显著增加,进而增强地面降水;二是通过云中雪粒子对云水的碰并造成雪粒子含量增加,增加的雪粒子又被云中霰粒子碰并收集造成霰含量增长,进而由霰粒子融化为雨水,并最终作用于地面降水的增幅.文中最后通过分析总结给出了"碧利斯"暴雨增幅云微物理成因示意图.     

热带气旋路径预报的遗传算法客观综合决策研究

研究了一种采用遗传算法(GA)用于台风移动的多预测结论的客观综合决策方法. 通过对1884~2002年的台风数据超大样本训练学习, 设计了用于台风路径预测的遗传学习人工神经元网络(GLANN), 可以把台风移动的预测转化为在其移动中对运动环境动态变化的适应. 采用GA进行网络结构描述, 提出一种遗传选择适应度函数设计, 并给出获得适应度最高(误差最小)的计算方法. 采用人工神经元网络遗传算法与其他方法, 对近年来异常路径台风进行了预报能力的平行对比分析. 参加对比试验的台风有多种类型, 包括海、陆生命史较长, 且登陆影响严重的9711号台风(Winnie), 20世纪90年代以来登陆并影响我国的10个疑难路径台风, 1998年登陆及影响我国的台风, 以及2000年在西北太平洋和南中国海生成的台风24~48 h预报. 试验结果表明, GA方法优于其他方法, 对异常路径台风表现出明显的预报能力.