季风涡旋对热带气旋生成影响的理想试验研究

利用新一代非静力平衡中尺度数值模式WRF_ARW（3.3.1版本）模拟季风涡旋中热带气旋生成的过程,从动力和热力作用两方面分析大尺度季风涡旋对热带气旋生成的影响。结果表明:从动力学角度来看,能提供较大环境场涡度的季风涡旋不利于扰动涡旋快速发展成热带气旋。初始阶段,由于季风涡旋尺度大,垂直涡度径向梯度弱。而垂直涡度径向梯度的强弱可以通过“涡度隔离”效应影响对流单体向涡旋中心的聚集合并过程。随着扰动的组织化,径向入流对涡度的平流作用越来越重要。对流单体相对最大风速半径的位置对热带气旋生成作用明显,当其集中在最大风速半径附近时涡旋容易快速发展。此外,环境场相对涡度与热带气旋的尺度存在显著正相关。初始尺度大的涡旋最终具有较大的外围尺度,其涡度的分布范围也更广。从热力学角度来说,较大的环境场相对湿度有利于热带气旋的生成。虽然较大的环境场湿度能够诱发较强的外围对流,但同时也会使最大风速半径以内存在丰富的对流,后者能够提供充分的内区非绝热加热,降低中心气压,促进涡旋发展。      

近海热带气旋强度突变的垂直结构特征分析

应用1949～2003年共55年的《台风年鉴》和《热带气旋年鉴》资料以及NCEP/NCAR再分析资料, 给出热带气旋强度突变标准, 对中国近海突然增强和突然减弱的两组热带气旋进行合成分析和对比分析。结果表明, 近海热带气旋强度变化与南亚高压、 副热带高压的强度变化呈反相变化关系; 环境风垂直切变小于5 m/s是南海近海热带气旋突然增强的必要条件, 热带气旋强度突变对环境风垂直切变变化的响应时间为18～36 h; 热带气旋中心附近存在数值在 -6～6 m/s之间纬向分布的环境风垂直切变密集带, 在热带气旋突然增强时刻, 中心附近环境风垂直切变经向梯度最大; 风垂直切变在热带气旋突然增强过程中逐渐减弱, 而在热带气旋突然减弱过程中逐渐增强; 热带气旋中心附近是高低层相对涡度垂直切变的强负值区, 在热带气旋突然增强过程中相对涡度垂直切变逐渐减小, 在突然增强时刻最小。     

涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的数值研究

设计了一个高分辨率f平面准地转正压涡度方程半谱模式，用以研究非线性对台风切向风速变化，以及不同初始异常条件下台风环流内涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化特征。6类(14组)试验的数值结果表明：非线性使台风切向风速的增强减弱，可能使最大风速半径收缩。初始扰动中心位置对涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的影响明显。扰动中心在最大风速半径附近时，台风最大切向风速增强最多；异常中心在台风外区时，使最大切向风速减小。初始异常尺度(范围)减小对台风最大切向风速变化的影响减弱。双涡分布条件下，台风环流外区的涡旋使内区或近眼壁区对流涡旋对台风最大切向风速的影响减弱。     

超强台风“桑美”(2006)能量发展的物理因子

应用非线性动力系统的研究方法, 基于NCEP/NCAR再分析资料, 以超强台风 “桑美” (2006) 在我国近海的突然增强和突然减弱过程为例, 从动能角度分析热带气旋能量发展的条件, 将分析结果转化为可用于分析预测热带气旋强度变化的实用指标, 如非热成风涡度、 热成风偏差及其垂直变化。结果表明: 热带气旋中心附近存在非热成风涡度负值中心, 有利于近海热带气旋突然增强; 非热成风涡度的变化与热带气旋中心气压变化有较好的一致性。当扰动自下向上传播时, 在热带气旋增强阶段热成风偏差为正值, 而在减弱阶段为负值; 当外围波扰向内核传播时, 在热带气旋增强阶段热成风偏差垂直变化为负值, 而在减弱阶段为正值, 热成风偏差及其垂直变化的这种变化在对流层中低层更明显。当扰动自下向上、 自外围向内核传播时, 在热带气旋增强阶段非热成风涡度为负值、 热成风偏差为正值、 热成风偏差垂直变化为负值; 减弱阶段则相反。     

珠江口海域热带气旋气候特征及最大风速计算

根据1949～2011年热带气旋路径资料,统计分析了影响珠江口海域的热带气旋气候特征,包括热带气旋频数、强度及路径趋向等特征,结果显示,在近63a间共有75个热带气旋样本影响珠江口海域,有3个年份出现多达4个热带气旋影响该海域;出现12级以上强风的台风样本约占总数的3成;热带气旋的移动方向以西北和偏西方向为主,约占总数的7成.分别采用x2检验和Колмогоров法对热带气旋样本频数及最大风速序列分别进行拟合适度检验,结果表明,影响珠江口海域的热带气旋最大风速服从Poisson-Gumbul复合极值分布,计算影响珠江口海域的热带气旋中心附近的概率风速,得到的50a一遇10min平均风速为51.1m.s-1,100a一遇10min平均风速为56.8m/s.     

地形对登陆台风麦莎(2005)影响的数值模拟研究

利用非静力平衡的中尺度模式MM5(V3)对2005年9号台风Matsa("麦莎")登陆后期的过程进行了48h模拟,应用低通滤波器分离模拟结果中的天气尺度和次天气尺度运动,并采用热带气旋动态坐标跟踪考察登陆过程中热带气旋的次天气尺度环流特征.通过研究地形对两种尺度间动能和涡度转换的影响,进一步证明了地形对热带气旋有着不可忽视的影响.结果表明,地形的存在有利于维持热带涡旋性强度,这种影响随气旋中心与地形间距离的缩小而逐渐增强,且强度的增强在对流层中高层表现得更为明显.去掉地形后对流层低层次天气尺度系统向热带气旋输送的动能减少,次天气尺度系统对热带气旋动能的消耗增大;当低层涡度转换项的垂直运动贡献为负时,去掉地形会加剧这种负贡献,即次天气尺度系统从热带气旋得到更多的正涡度;从整体上看,去掉地形后,热带气旋不仅没有从次天气尺度系统获得正涡度,反而将自身的正涡度向外输送.     

双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究(一)——物理机制的分析

本文对正压情况下双热带气旋的相互作用进行了机制分析.通过对两个理想涡旋间非线性涡度平流过程的分析,揭示了双涡气旋性互旋及其中心间距变化的涡度平流机制.分析表明,一个涡旋的切向风场对另一涡旋涡度场的平流相互作用可造成两者气旋性互旋;而一个涡旋的切向风场与另一涡旋涡度梯度间的相互作用所引起的次级环流可造成双涡中心间距的增大或减小(定义为排斥或吸引),由此提出了双涡相互作用的临界距离效应概念.对几类常用的理想热带气旋及合成热带气旋的分析证实,双热带气旋的相互作用存在这种临界距离效应,且临界距离平均在6—7个纬距     

内核及外围尺度与热带气旋强度关系的初步研究

基于日本气象厅（JMA）区域谱模式（RSM）20 km分辨率的再分析资料,计算并统计了2001—2007年西北太平洋热带气旋逐6小时（共2 174个样本）的内核及外围尺度特征,初步分析了内核及外围尺度分别与热带气旋强度变化的关系。结果表明,外围尺度的增大（减小）有利于热带气旋的增强（减弱）;内核区较大（最大风速半径大于120 km）时,内核区的收缩（放大）有利于热带气旋的增强（减弱）;对于较小（最大风速半径不足120 km）内核区的热带气旋,其内核区的收缩（放大）反而易使热带气旋减弱（增强）。      

台湾海峡中气旋结构特征的单多普勒雷达分析

2004年9月10日傍晚,在台湾北部海面大范围中尺度对流雨带中有一钩状回波并伴随中气旋.受台湾东北部和西南部海面两个热带低压系统的环流影响,海峡北部海面有一大尺度的风切辐合带,为中气旋发展提供了有利环境.文中利用台湾地区北部民用航空局中正机场多普勒雷达资料,分析中气旋特征,结果显示此中气旋由低层形成随后向上发展,最高可达8 km以上,内核直径先是低层大中层小,随后中层扩大与低层接近成圆柱状,之后快速减弱,整个过程约2 h.进一步用地基雷达风速轨迹显示法(GBVTD)反演中气旋成熟期间的环流结构变化,结果显示在分析期间,最大风半径维持在5-6 km,且随时间在高度分布由向内倾斜转化为无明显倾斜再到向外倾斜.轴对称径向风先在低层最大风速半径以内有外流,以外有内流,在最大风速半径处为上升运动区并伴随强回波,而在气旋中心附近为下沉运动区.随后气旋中心回波和下沉运动均逐渐增强,同时低层外流增强并扩散至最大风速半径外,相应的上升运动和强回波也移至最大风速半径外.切向风先呈现波数1的非对称结构,最大风速区位于气旋移动的左侧,且随高度有沿逆时针方向旋转的现象,随后显著增强,分布趋于对称,最大轴对称切向风达20 m/s位于约1 km高度.此后切向风速逐渐减弱,同时波数1非对称结构又有加强的趋势,最大风速区位于移动方向左前侧.中气旋发展过程和结构同其他地区观测的非超级单体微气旋非常相似,其成熟期环流特征同台风结构也非常类似,不同之处在于其中心下沉运动及低层外流为降水所造成,且尺度和生命期均远小于台风.     

一次台风变性并入东北冷涡过程的动力诊断分析

台风北移变性并入东北冷涡是造成东北地区夏季大范围暴雨的主要形式之一, 但其中的热动力结构变化特征及其物理机制尚不清晰。本文利用美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析资料对一次台风变性并入东北冷涡过程进行动力诊断分析, 分析结果显示:冷涡冷空气的不断侵入以及台风移动形成的相对冷平流使得台风暖心结构消亡, 其低层低压辐合和高层高压辐散结构消失, 变性并入东北冷涡后气旋整层偏冷, 低层出现冷中心。台风变性并入东北冷涡过程中, 冷涡中心附近高空急流南侧的反气旋切变抑制气旋直接往高空发展, 而急流轴左侧的热动力分布特征有利于垂直涡度的发展, 变性后的气旋环流向冷涡的移近有利于急流轴维持倾斜, 从而促进气旋向高空冷涡倾斜发展。同时, 冷空气在气旋低层附近堆积导致等假相当位温线发生倾斜, 造成垂直涡度在气旋中层倾斜发展。台风变性并入东北冷涡后, 高空冷涡槽底的正垂直涡度平流促进气旋由中层直接向高层发展, 而高空冷涡槽底急流促进正垂直涡度平流的维持。气旋高空环流的发展反过来削弱了东北冷涡的高层环流, 导致高空冷涡中心出现北撤。     

Sensitivity of tropical cyclone intensification to inner-core structure

In this study, the dependence of tropical cyclone (TC) development on the inner-core structure of the parent vortex is examined using a pair of idealized numerical simulations. It is found that the radial profile of inner-core relative vorticity may have a great impact on its subsequent development. For a system with a larger inner-core relative vorticity/inertial stability, the conversion ratio of the diabatic heating to kinetic energy is greater. Furthermore, the behavior of the convective vorticity eddies is likely modulated by the system-scale circulation. For a parent vortex with a relatively higher inner-core vorticity and larger negative radial vorticity gradient, convective eddy formation and radially inward propagation is promoted through vorticity segregation. This provides a greater potential for these small-scale convective cells to self-organize into a mesoscale inner-core structure in the TC. In turn, convectively induced diabatic heating that is close to the center, along with higher inertial stability, efficiently enhances system-scale secondary circulation. This study provides a solid basis for further research into how the initial structure of a TC influences storm dynamics and thermodynamics.     

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。     

Thermodynamic Characteristics of Tropical Cyclones with RapidIntensity Change over the Coastal Waters of China

In order to investigate the different thermodynamic mechanisms between rapid intensifying (RI) and rapid weakening (RW) tropical cyclones (TCs),the thermodynamic structures of two sets of composite TCs are analyzed based on the complete-form vertical vorticity tendency equation and the NCEP/NCAR reanalysis data.Each composite is composed of five TCs,whose intensities change rapidly over the coastal waters of China.The results show that the maximum apparent heating source Q1 exists in both the upper and lower troposphere near the RI TC center,and Q1 gets stronger at the lower level during the TC intensification period.But for the RW TC,the maximum Q1 exists at the middle level near the TC center,and Q1 gets weaker while the TC weakens.The maximum apparent moisture sink Q2 lies in the mid troposphere.Q2 becomes stronger and its peak-value height rises while TC intensifies,and vice versa.The increase of diabatic heating with height near the TC center in the mid-upper troposphere and the increase of vertical inhomogeneous heating near the TC center in the lower troposphere are both favorable to the TCs' rapid intensification; otherwise,the intensity of the TC decreases rapidly.     

西北太平洋热带气旋迅速增强特征及其影响因子

选取西北太平洋上热带气旋(TC)24小时风速变化累积频率达95%所对应的15.4 m/s作为迅速增强(RI)的标准,研究了RI个例的基本特征以及TC自身特征因子与环境因子对RI的作用。结果表明,TC迅速增强过程的持续时间平均为33小时,最长可达78小时,并且TC经过迅速增强过程几乎都达到了台风级别以上,其中,一半以上达到了强台风级别以上。对比迅速增强(RI)和非迅速增强(non-RI)个例得到,RI个例相对于non-RI个例发生区域偏南偏东,两者的移动速度没有明显差异,但RI个例有较大向西移动分量并且前12小时增强较大;相对于non-RI个例,RI个例离最大潜在强度较远并且发生在较暖水区和55%～75%的低层相对湿度的条件下;RI个例发生在较小的垂直风切变和较弱的对流层上层东风气流情况下,由上层槽或冷低压引起的强迫弱于平均状况时RI较易发生。TC前12小时强度变化(DVMX)、海表面温度(SST)和垂直风切变(SHR)是影响迅速增强的主要因子,当DVMX≥6.3 m/s时RI发生的可能性最大,达到17.2%。当有若干个影响因子共同起作用时发生RI可能性显著增加,其中以较大的前12小时强度变化(DVMX≥6.3 m/s)、较高的海表面温度(SST≥29.4℃)、较弱的垂直风切变(SHR≤5.9 m/s)、较小的相对涡旋角动量通量辐合(REFC≤-1.6 m/(s.d))、偏东经度(LON≥138.2°E)和低纬度(LAT≤16.7°N)共同作用时,RI发生的可能性达到最大,可达66.7%。     

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。      

Thermodynamic Characteristics of Tropical Cyclones with Rapid Intensity Change over the Coastal Waters of China

In order to investigate the different thermodynamic mechanisms between rapid intensifying (RI) and rapid weakening (RW) tropical cyclones (TCs), the thermodynamic structures of two sets of composite TCs are analyzed based on the complete-form vertical vorticity tendency equation and the NCEP/NCAR reanalysis data. Each composite is composed of five TCs, whose intensities change rapidly over the coastal waters of China. The results show that the maximum apparent heating source Q ₁ exists in both the upper and lower troposphere near the RI TC center, and Q ₁ gets stronger at the lower level during the TC intensification period. But for the RW TC, the maximum Q ₁ exists at the middle level near the TC center, and Q ₁ gets weaker while the TC weakens. The maximum apparent moisture sink Q ₂ lies in the mid troposphere. Q ₂ becomes stronger and its peak-value height rises while TC intensifies, and vice versa. The increase of diabatic heating with height near the TC center in the mid-upper troposphere and the increase of vertical inhomogeneous heating near the TC center in the lower troposphere are both favorable to the TCs’ rapid intensification; otherwise, the intensity of the TC decreases rapidly.     

Decreasing Trend of Western North Pacific Tropical Cyclone Inner-Core Size over the Past Decades

Studies on tropical cyclone(TC) inner-core size have become increasingly active in recent years. However, few studies have investigated the trend of TC inner-core size. Here, we introduce a new index to measure TC inner-core size and calculate the observed trend. This index can greatly reduce the influence of data heterogeneity and uncertainty. It also considers public concern because the new index is mainly determined by the inner-core size of strong TCs, which attract more public attention than weak TCs. The results show that in the past decades, TC inner-core size has a significant downtrend that is significant above the 99% confidence level when the new index is used. We also show that this trend is probably related to the increase in TC intensity and relatively small inner-core size of strong TCs. Moreover, relative sea surface temperature(SST) is assumed to make contributions to the downtrend of TC inner-core size, which has a significant negative correlation with the new index.     

Growing Threat of Rapidly-Intensifying Tropical Cyclones in East Asia

This study examines the long-term change in the threat of landfalling tropical cyclones(TCs) in East Asia over the period 1975–2020 with a focus on rapidly intensifying(RI) TCs. The increase in the annual number of RI-TCs over the western North Pacific and the northwestward shift of their genesis location lead to an increasing trend in the annual number of landfalling RI-TCs along the coast of East Asia. The annual power dissipation index(PDI), a measure of the destructive potential of RI-TCs at landfall, also shows a significant increasing trend due to increases in the annual frequency and mean landfall intensity of landfalling RI-TCs. The increase in mean landfall intensity is related to a higher lifetime maximum intensity(LMI) and the LMI location of the landfalling RI-TCs being closer to the coast. The increase in the annual PDI of East Asia is mainly associated with landfalling TCs in the southern(the Philippines, South China, and Vietnam) and northern parts(Japan and the Korean Peninsula) of East Asia due to long-term changes in vertical wind shear and TC heat potential. The former leads to a northwestward shift of favorable environments for TC genesis and intensification, resulting in the northwestward shift in the genesis, RI, and LMI locations of RI-TCs. The latter provides more heat energy from the ocean for TC intensification, increasing its chances to undergo RI.     

热带气旋Haiyan(2013)快速增强过程内核涡度变化机制的数值模拟研究

选取西北太平洋热带气旋Haiyan(2013)为研究对象,利用中尺度数值模式WRF对其快速增强(RI)过程进行了高时空分辨率的数值模拟,推导出一个包含不同尺度系统相互作用的垂直涡度诊断方程来探究TC内核区域相对涡度的变化特征及其与RI的联系。诊断结果表明:涡旋尺度散度项(stre2)、倾斜项(tilt2)和垂直平流项(advv2)对涡度收支的影响最为重要。RI开始前,stre2在边界层内对涡度收支为正贡献,边界层之上则为负贡献;tilt2在低层促进涡度增加;advv2分布与stre2相反,在低层为负值,高层为正值。RI开始后,stre2在低层(高层)对涡度的正(负)贡献显著增强;tilt2在低层(高层)对涡度的促进(抑制)作用明显增强,但在中层出现正负贡献相互交替的情况;advv2在低层对涡度的正贡献也有所增强。     

Sensitivity to Tendency Perturbations of Tropical Cyclone Short-range Intensity Forecasts Generated by WRF

The present study uses the nonlinear singular vector(NFSV)approach to identify the optimally-growing tendency perturbations of the Weather Research and Forecasting(WRF)model for tropical cyclone(TC)intensity forecasts.For nine selected TC cases,the NFSV-tendency perturbations of the WRF model,including components of potential temperature and/or moisture,are calculated when TC intensities are forecasted with a 24-hour lead time,and their respective potential temperature components are demonstrated to have more impact on the TC intensity forecasts.The perturbations coherently show barotropic structure around the central location of the TCs at the 24-hour lead time,and their dominant energies concentrate in the middle layers of the atmosphere.Moreover,such structures do not depend on TC intensities and subsequent development of the TC.The NFSV-tendency perturbations may indicate that the model uncertainty that is represented by tendency perturbations but associated with the inner-core of TCs,makes larger contributions to the TC intensity forecast uncertainty.Further analysis shows that the TC intensity forecast skill could be greatly improved as preferentially superimposing an appropriate tendency perturbation associated with the sensitivity of NFSVs to correct the model,even if using a WRF with coarse resolution.