对流层中层中尺度对流涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用——模拟诊断分析

本文基于PSU/NCAR MM5中尺度模式对台风榴莲 (2001) 生成过程成功的数值模拟, 利用模式输出的较高时空分辨率资料, 对台风榴莲生成过程中对流层中层中尺度对流涡旋 (MCV) 的作用进行了诊断分析。结果表明, 中层MCV在台风榴莲生成中的作用有三个重要方面: 第一, 中尺度组织化作用: 伴随中层MCV的垂直次级环流圈, 使得区域内的积云对流热塔趋向于逐步在中心区域集中, 热塔相互之间容易发生相互作用, 通过合并过程有些热塔得到加强, 而有些趋于消亡。同时, 热塔聚集后的群体效应反馈作用又使得中层MCV加强或维持, 进一步促进热塔的合并以及向轴对称化发展; 第二, 存贮效应: 因为中层MCV的生命史比积云对流热塔长, 能够将消亡对流热塔所携带的热量、 水汽、 涡度加以存贮和保留, 使得中层MCV区域向有利于TC生成的方向发展, 最终成为TC环流的 “胚胎”; 第三, 中层MCV与对流层低层的槽 (涡旋) 以及对流热塔之间通过相互作用, 共同实现中低层系统的垂直耦合。     

一次双台风影响下暴雨过程的中尺度涡旋模拟分析

本文对上海地区一次双台风环境影响的暴雨过程进行数值模拟及分析,探讨了强降水过程中大气中低层的涡旋特征及发展机理。结果表明:(1)暴雨过程处于双台风、大陆高压的共同影响下,中低层伴随有较明显的中尺度低涡发展。(2)与涡旋相关的局地垂直涡度由低层开始发展,先期涡度发展集中于850 hPa以下,之后向大气中上层发展增强,涡旋尺度强度也随之发展,最终形成在对流层下半部具有闭合式气旋性环流的深厚涡旋。(3)影响局地涡度变化的水平平流项、垂直平流项、散度制造项和倾斜项对不同时间、不同高度的涡度作用各不相同,其中散度制造项是中低层涡度的主要来源,垂直平流项的输送作用对中上层的涡度发展有重要作用,倾斜项对涡旋发展移动也有部分贡献。(4)通过敏感性试验考察了对流潜热反馈的贡献,发现潜热释放过程通过加热改变大气温压场结构,从而维持并改变局地涡度倾向的中低层辐合及对流上升运动,对涡旋的发展和移动起了重要影响。     

台风远距离影响下的大暴雨对流涡度矢量分析

利用常规观测资料、NCEP再分析资料、自动站资料和卫星云图资料,对2010年7月16-19日台风远距离影响下的川陕大暴雨天气过程从对流涡度矢量进行诊断分析.结果表明:高θε区位于西南涡偏南侧暖湿气流端,大暴雨区即位于此处;大暴雨中心等θε线随高度近于垂直分布,θε高值区呈“漏斗”状结构,从低层到对流层顶均为90％的相对湿度.东北—西南向的倾斜高空急流加强了急流入口区右侧的高层辐散,造成大暴雨区强而深厚的垂直上升运动.强降水中心低层为东南风,中层为西南风,高层为西北风,对流不稳定性很大;西风分量u在中层垂直切变较大,南风分量v在中高层垂直切变较大.大暴雨出现在对流涡度矢量(CVV)垂直分量和气柱云水量二者大值重合区.     

台风“莫拉克”登陆前后的动力诊断分析

利用NCEP 0.5°×0.5°每日4次的全球预报场分析资料GFS(Global Forecast System)、日本MTSAT静止红外卫星云图,对2009年第8号台风"莫拉克"在台湾登陆前后的演变特征进行了动力学诊断分析。结果表明:(1)由于近台风中心附近对流层中低层存在切向风大值区中心,使得水平位涡通量散度项在其内侧分布密集。(2)近台风中心低层的负水平位涡通量散度项指向正水平位涡通量散度项,可以很好地示踪台风在海上的移动。(3)p坐标系下的负垂直位涡通量散度密集区可作为分析台风移动的一个重要参考指标。通过涡度方程讨论了决定台风对流层中低层气旋性涡度变化的主要因子,指出南海、华南沿海地区夏季西南气流与台风的耦合对台风结构、路径产生了重要的影响。     

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用北大核心

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。     

超强台风SANBA发展演变过程中涡度及环流收支的诊断分析

台风的增强过程与气旋性涡度的急剧发展相伴。使用滑动平均的空间滤波方法对WRF模式的模拟结果进行尺度分离, 进而诊断分析台风SANBA突然增强过程中垂直涡度及环流的发展演变特征。结果表明, 台风突然增强的过程中, 眼壁区上升速度增大, 暖心结构增强, 同时垂直涡度迅速增强。当SANBA从热带风暴发展为强热带风暴时, 对流层低层辐散辐合及垂直速度分布的不均匀对台风涡旋结构的增强强度相当, 在台风内部以增强区域为主同时与减弱区域交错分布; 当SANBA发展增强为强台风时, 对流层低层的散度项与倾斜项在台风中心附近均表现为强的正中心, 台风低层径向入流的增强导致低层辐合加强对台风的增强起到主要作用。台风中心区域平均环流强度随台风的不断增强而不断增大, 且从900 hPa高度不断向高层发展, 其中环流方程中的EED/EET项的发展变化可以表征台风发展初期散度项和倾斜项的主要变化。      

对流涡度矢量垂直分量在西南涡暴雨中的应用

将对流涡度矢量 (CVV) 应用于浅薄系统西南低涡引发的暴雨中,特别是将对流涡度矢量垂直分量 (C_z) 应用在2010年7月16—18日由西南涡引发的一次暴雨过程诊断中。研究了CVV垂直积分的各个分量与6 h累积降水量的关系,尤其是CVV垂直分量在西南涡暴雨过程中的指示意义。诊断结果表明:CVV垂直分量与西南涡引发的暴雨有一定对应关系,强降水发生时段与C_z垂直积分峰值出现的时间对应一致;在对流层低层850 hPa水平分布上,暴雨区位于CVV垂直分量的正值中心附近,偏向其梯度较大处;沿暴雨中心的CVV垂直分量,当对流层低层至高层呈现一致的正值时,暴雨强度会明显加强。     

台风榴莲(2001)在季风槽中生成的机制探讨

利用NCEP 1°×1°分析资料、TMI海温资料、卫星云图资料对季风槽中南海台风榴莲(2001)生成机制进行了分析,揭示了大尺度环境流场、温暖洋面、中尺度对流活动对热带气旋(TC)生成的控制作用.结果表明,水平风速垂直切变的演变在一定程度上指示着TC在暖湿洋面上生成的时间,水平风速垂直切变由强向弱转变,在TC发生前18小时迅速减小到10 m/s,随后在10 m/s以下维持少变,垂直切变的变化主要反映了对流层高层环流形势的演变;在对流层中低层,季风槽的形成和加强对TC的生成有重要作用,由于热带温暖洋面作用,季风槽首先表现出有利于单体对流和带状对流发生发展的条件性对流不稳定特征,随着季风槽的加强,季风槽进一步表现出有利于中尺度扰动发生发展的正压不稳定特征;季风槽槽线南侧的低空急流的经向分布很宽广,由105°E越赤道气流和中南半岛偏西气流(其源头是索马里越赤道低空急流)汇合而成,急流的加强活动具有经向差异,由于边界层高θ_e空气辐合抬升产生两条经向距离约300 km的显著带状对流云系,槽线南侧风速分布的经向差异导致两条带状云系发生追赶,并逐步在季风槽底部槽线附近合并加强为MCC,进而导致中尺度涡旋(MCV)的产生并最终发展成为TC.分析结果还表明,为深对供应丰富对流有效位能的主要是来自台风发生区域本地南海暖洋面的地面热通量,南海暖洋面对TC生成有重要贡献.台风榴莲的生成是一个多尺度相互作用过程,主要包括涡旋对流热塔、与带状对流云系伴随的涡度带的升尺度,涡度带合并成长为MCV,以及大尺度条件对TC在季风槽中生成的时间及地点的控制作用等.     

多台风的相互作用和水平涡度与垂直涡度的关系

利用WRF模式较成功地模拟出2009年发生在西太平洋上的三个台风("天鹅"、"莫拉克"和"艾涛"),并在此基础上,对三个台风中的水平涡度、垂直涡度及它们的相互作用进行分析和诊断。结果发现,在这三个台风演变过程中,水平涡度与垂直涡度的合矢量有较固定的模式,在900 h Pa以下低层有水平涡度的辐合,900~800 h Pa左右有水平涡管的流出,800~700 h Pa有水平涡管的流入,当有多个风速中心存在时,在风速中心之下有水平涡管向台风中心辐合、之上有自中心向外的辐散。特别是在低层通过涡管形成的垂直环流相互作用,这种环流主要由自西向东、或自东向西的水平涡度矢量构成,其上升支有云和降水产生,多从左台风的东北部流向右台风的西南部。由完全涡度方程分析可见,在850 h Pa以下的最大风速中心附近有水平涡度向垂直涡度转化,其转化最剧烈的时期与台风的风速增长期一致,涡度平流的作用与之相反,起到减弱台风的作用。800~600 h Pa有垂直涡度向水平涡度转化,低层最大风速之上风速减小。     

高层冷涡的不同结构对台风运动的影响

通过对不同水平和垂直结构的高层冷涡在台风移动中的作用的对比试验，发现高层冷涡的水平和垂直结构变化会影响台风的运动。对总涡度倾向分布和强度的比较分析，发现正压过程主导台风运动的方向，而斜压过程在某些情况下对台风移速有很大影响。通过各动力项对总涡度倾向贡献的讨论，发现涡度平流对总涡度倾向正中心的贡献主要来自引导气流对非对称涡度场的平流。散度场贡献主要来自行星涡度和非对称散度相关场。最后还得到预报性的结论:台风朝对流层上层的辐合中心或对流层中下层辐散中心方向移动。     

台风榴莲（2001）生成初期中尺度涡旋合并过程研究

由于热带海洋上观测资料的稀缺和热带气旋系统本身发生、发展的复杂性,热带气旋生成机制研究领域至今仍然存在很多未解之谜。已有的观测和模拟研究证明,中尺度涡旋合并过程对于热带气旋的生成可能有触发作用,但尚未见到南海季风槽内热带气旋生成过程中中尺度涡旋合并现象的实例模拟研究。利用新一代中尺度天气研究与预报模式WRF对南海热带气旋榴莲(2001)生成过程中的中尺度涡旋合并过程进行了高分辨率(4 km)数值模拟,并与观测资料进行对比,利用模式输出结果重点分析两个中尺度涡旋合并过程中的主要动力学和热力学特征,并在此基础上进一步分析了合并过程中系统中心附近涡度方程中各项涡度收支的演变情况,最后通过两个敏感性试验与控制试验结果的对比,初步探讨中尺度涡旋合并过程对于热带气旋榴莲生成的作用。结果表明,南海季风槽中的新生中层中尺度涡旋V2,是榴莲生成过程中的主导涡旋,预先存在的东部低层的中尺度涡旋V1对于台风榴莲的生成则起到了辅助作用,两个不同高度的涡旋合并叠加促使涡度的辐合、辐散项率先在低层引起涡度的快速增长,随后垂直输送项在对流层中层对涡度的增长起主要作用。两个涡旋的最终合并,使热带气旋系统正绝对涡度在垂直方向上从低层到中层得以贯通,进而触发榴莲的生成。     

Surface Rainfall Processes during the Genesis Period of Tropical Cyclone Durian(2001)

The rainfall processes during the formation of tropical cyclone(TC) Durian(2001) were investigated quantitatively using the three-dimensional(3 D) WRF-based precipitation equation. The rain rate(PS) decreased slightly as the TC approached to formation, and then increased as Durian began to intensify. The rate of moisture-related processes(QWV) in the equation contributed around 80% to PSbefore TC genesis, and made more contribution during and after TC genesis. The rate of hydrometeor-related processes(QCM) contributed about 20% before TC formation, followed by less contribution during and after TC formation. QWVwere dominated by the 3 D moisture flux advection rate(QWVA), while the surface evaporation rate(QWVE) also played an important role. Just before TC genesis, moisture from QWVAand QWVEhelped the local atmosphere moisten(negative QWVL). QCMwere determined by the 3 D hydrometeor advection rates(QCLAand QCIA) and the local change rates of hydrometeors(QCLLand QCIL). During TC formation, QCMlargely decreased and then reactivated as Durian began to intensify, accompanied by the development of TC cloud. Both the height and the strength of the net latent heating center associated with microphysical processes generally lowered before and during TC genesis, resulting mainly from lessening deposition and condensation. The downward shift of the net latent heating center induced a more bottom-heavy upward mass flux profile, suggesting to promote lower-tropospheric convergence in a shallower layer, vorticity amplification and TC spin-up.     

Impact of Mid- and Upper-Level Dry Air on Tropical Cyclone Genesis and Intensification: A Modeling Study of Durian (2001)

The impact of mid- and upper-level dry air, represented by low relative humidity (RH) values, on the genesis of tropical cyclone (TC) Durian (2001) in the South China Sea was investigated by a series of numerical experiments using the Weather Research and Forecasting model. The mid-level RH was lowered in different regions relative to TC Durian (2001)'s genesis location. Results suggest that the location of dry air was important to Durian (2001)'s genesis and intensification. The rapid development of the TC was accompanied by sustained near-saturated mid- and upper-level air, whereas low humidity decelerated its development. Water vapor budget analysis showed that moisture at mid and upper levels was mainly supplied by the vertical convergence of moisture flux and the divergence terms, and consumed by the condensation process. The horizontal convergence of moisture flux term supplied moisture in the air moistening process but consumed moisture in the air drying process. With a dryer mid- and upper-level environment, convective and stratiform precipitation were both inhibited. The upward mass fluxes and the diabatic heating rates associated with these two precipitation types were also suppressed. Generally, convection played the dominant role, since the impact of the stratiform process on vertical mass transportation and diabatic heating was much weaker. The vorticity budget showed that the negative vorticity convergence term, which was closely related to the inhibited convection, caused the vorticity to decrease above the lower troposphere in a dryer environment. The negative vorticity tendency is suggested to slow down the vertical coherence and the development rate of TCs.     

对流层中层中尺度涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用—数值模拟及验证

西太平洋热带气旋（TC）的生成和季风槽及中尺度对流系统（MCS）的活动有密切关系,但以往这方面的实例数值模拟很少。为了进一步探讨由MCS对流强迫产生的对流层中层中尺度涡旋（MCV）在TC生成中的作用,作者利用非静力平衡的中尺度模式PSU/NCAR MM5对台风榴莲（2001）的生成过程进行了高分辨率（6 km）数值模拟和比较验证。结果表明:模式成功地模拟出榴莲的生成地点,其与MCS的相对位置关系与以往的观测研究结果一致;模拟的TC移动路径、强度变化与最优观测报告比较接近,准确反映了TC未来登陆地点,以及中心气压缓慢下降和迅速下降两个阶段;对云系演变的模拟,成功模拟出了TC初生时的涡旋云系和季风槽中MCS云系的分离现象,以及在TC登陆前达到成熟阶段时出现的台风眼和螺旋云带。此外,模式还成功模拟出中层MCV,它的水平尺度约200 km,位于800~400 hPa之间,具有暖心结构等,均与已有观测结果相近。模式初始场中包含有充分的MCS信息,是模拟取得成功的关键因素之一。     

低纬季风涌影响登陆台风“榴莲”（0103）和“碧利斯”（0604）暴雨增幅的比较

以2001和2006年盛夏登陆中国南方并造成巨大灾害的两次热带气旋过程为例,利用＂CMA-STI热带气旋最佳路径数据集＂、NCEP/NCAR再分析资料及地面加密观测资料,对2001年0103号＂榴莲＂和2006年0604号＂碧利斯＂热带气旋陆上维持和暴雨增幅的大尺度环境场及成因进行了对比分析。结果表明：1）＂榴莲＂登陆后与中纬度西风槽发生相互作用,构成了典型的＂北槽南涡＂天气形势,＂碧利斯＂登陆后受西太平洋副高、北方大陆高压坝和南侧副高向西南方向延伸的高压脊所包围,有利于其环流维持。2）＂榴莲＂和＂碧利斯＂陆上维持期间越赤道气流明显增强,但是在＂榴莲＂活动期间,100°E附近越赤道气流表现突出,而在＂碧利斯＂陆上活动期间,80°E附近越赤道气流尤为显著,它们都增强了当时的西南季风,把大量来自热带海洋的水汽注入登陆后减弱的＂榴莲＂和＂碧利斯＂环流,使其非但没有很快减弱消亡,反而能在登陆后长时间维持不消。3）2001和2006年东亚夏季风存在明显低频振荡,2001年低纬夏季风10～20d低频振荡显著,而2006年则以30～60d低频振荡为主,由不同低频振荡周期表示的低纬季风涌均存在明显的北传特征。当低频振荡处于极端活跃位相时,季风涌最为强盛并侵入＂榴莲＂和＂碧利斯＂环流系统,正好对应着当时的台风暴雨剧烈增幅。此外,低频气流的辐合和低频水汽输送也是＂榴莲＂和＂碧利斯＂暴雨增幅的重要原因。     

三个连续性台风特征分析

“榴莲”、“尤特”、“玉兔”三个台风前后相隔不到4天、20天在同一月份相继登陆广东沿海,且均严重影响粤西地区,在历史同期是首例。本文从有利台风形成、发展的大尺度环流背景、制约台风移向的有利环境场演变和台风登陆带来茂名地区风雨分布悬殊特点进行分析,为探讨热带气旋预报累积一定经验。     

On the role of “hot towers” in tropical cyclone formation

Summary The probabilistic approach to tropical cyclogenesis is advanced here by examining the role of convection in the early stages. The development of hot towers, that is tall cumulonimbus towers which reach or penetrate the tropopause, and their role in tropical cyclogenesis is investigated in two well-documented cases of formation. namely hurricane Daisy (1958) in the Atlantic and Tropical Cyclone Oliver (1993) in the Coral Sea. The hot towers in Daisy had been intensively studied by Malkus and Riehl three decades ago but remained mainly unpublished. The dynamics of Oliver genesis by merging mesoscale vortices has been recently reported, but much of the aircraft data remained. This paper adds the evolving contribution of cumulus-scale events and their associated electrification, which was made possible by the addition of an electric field mill, a numerical cloud model and other remote sensors.In their genesis stages, Daisy and Oliver appeared very different because Daisy resulted from a deepening tropical wave in the Atlantic and the pre-Oliver vortex emerged eastward from the Australian monsoon trough. However, the vertical profiles of _E in the rain areas were nearly identical, with the characteristic concave shape showing substantial midlevel minima. Therefore, both required increasing upflux of high _E subcloud air in order to accomplish the formation stage, with about two hot towers each in the nascent eyewall. In both cases, partial eyewalls developed at the edge of the convection, permitting subsidence in the forming eye, which was shown to contribute to the pressure fall. The probabilistic concept proposes that any contribution to early pressure fall raises the probability of success. When the incipient storm goes through those fragile phases more rapidly, the risk of death by the onset of unfavorable large-scale factors such as wind shear or upper-level subsidence is reduced. Daisy developed in an inactive, moist environment with light, variable winds throughout the troposphere while in Oliver, strong divergent upper outflow apparently outweighed strong wind shear, although the latter was responsible for a slow and messy development of a closed, circular eye.In both storms, the hot towers in the major rainband were taller and stronger than those in the early eyewall. Onedimensional time-dependent model runs were used to simulate both in Oliver with two important results: 1) the taller rainband clouds permitted greater high level heating, if it could be retained; and 2) greater electrification and more lighting occurred in the rainband although the partial eyewall clouds also showed strong electrification. Airborne radar, electrification measurements and models are fitted together to understand their relationship. An important result is the clear inference that fairly deep mixed phase regions existed in both eyewall and rainband, in which the DC-8 aircraft experienced liquid water at temperatures colder than –40°C below freezing. These results show that the claims of no supercooled liquid water in tropical cyclones require re-examination with the proper measurements of electricification that are now feasible.With 13 Figures     

Numerical Simulation of Torrential Rainfall and Vortical Hot Towers in a Midlatitude Mesoscale Convective System

A cloud-resolving model simulation of a mesoscale convective system （MCS） producing torrential rainfall is performed with the finest horizontal resolution of 444 m. It is shown that the model reproduces the observed MCS, including its rainfall distribution and amounts, as well as the timing and location of leading rainbands and trailing stratiform clouds. Results show that discrete convective hot towers, shown in Vis5D at a scale of 2-5 kin, are triggered by evaporatively driven cold outflows converging with the high-θe air ahead. Then, they move rearward, with respect to the leading rainbands, to form stratiform clouds. These convective towers generate vortical tubes of opposite signs, with more intense cyclonic vorticity occurring in the leading convergence zone. The results appear to have important implications for the improvement of summertime quantitative precipitation forecasts and the understanding of vortical hot towers, as well midlevel mesoscale convective vortices.