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。      

登陆热带风暴Bilis（2006）暴雨特征及其可能原因

利用NCEP/NCAR 1°×1°格点再分析资料、FY-2C TBB（black bright temperature）资料及中国740站降水资料,对0604号强热带风暴Bilis登陆后的暴雨特征及其可能原因进行诊断分析,结果表明：（1）Bilis登陆过程中强降水中心位于风暴中心西北侧沿岸,主要影响福建和浙江两省;进入内陆后强降水中心向风暴中心以西转移,最后在风暴中心西南侧聚集,主要影响广东东北部、福建、江西和湖南南部。（2）西北太平洋副热带高压的稳定少动为Bilis陆上西行过程中产生持续性降水提供了稳定的背景场。（3）Bilis西南部季风环流的发展增强为Bilis登陆后强降水的产生提供了必要的水汽条件。（4）涡合并和自激增长形成的中尺度系统与风暴涡旋的相互作用,是Bilis登陆后产生强降水的可能机制。     

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.     

黄河中游一次中层低涡暴雨的中尺度数值模拟

本文采用改进的ＭＭ４中尺度模式模拟系统对造成１９８２年７月２９日－８月２日黄河中游特大暴雨过程后一阶段强降水的低涡系统进行了中尺度数值研究。结果表明：与强降水密切相关的该中尺度系统是在登陆台风外围东南风急流影响下发展起来的具有斜压性的中尺度低涡，其风场上最强的气旋性涡旋在对流层中层。它非登陆台风变性而成，而是由新生低涡发展而成的一个对流场中高层涡旋。造成暴雨中尺度低涡发展的主要机制是非绝热湿过程。     

登陆热带气旋与夏季风相互作用对暴雨的影响

利用《热带气旋年鉴》资料、NCEP/NCAR再分析资料采用动态合成分析方法,研究了登陆热带气旋降水与夏季风急流之间的关系,同时对登陆热带气旋与夏季风急流发生相互作用的典型个例强热带风暴Bilis (0604) 利用数值模拟方法研究了二者之间的相互作用对暴雨的影响。结果表明:登陆后造成大范围强降水的热带气旋往往与低层急流长时间相连,其水汽通量和潜热能显著大于弱降水热带气旋。数值试验结果表明:夏季风低空急流向热带气旋输送水汽对热带气旋结构维持有利,当水汽输送被截断后,热带气旋气旋性结构被破坏,强降水减弱、范围明显缩小;季风急流风速增强时可增加水汽通量输送,使得强降水范围增加、强度增强;在夏季风影响背景下,热带气旋在陆上的移动改变水汽和不稳定能量的分布,而热带气旋本身独特的动力结构使得强降水强度增加。     

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。     

理想热带气旋增强过程中的多尺度涡度收支特征分析

基于中尺度WRF模式,研究了无背景气流环境假设条件下理想热带气旋中低层大气多尺度涡旋运动的发展演变特征。精确的尺度分离是基于傅里叶变换实现的,且原始涡度场被划分为三个尺度范围:系统尺度(大于150 km)、中间尺度(50~150 km)、对流尺度(小于50 km)。研究结果表明:热带气旋的非轴对称本质主要是由于中间尺度和对流尺度上的运动造成的,且中间尺度涡度演变特征与热带气旋增强的阶段性有很好的对应关系,尤其是其快速增强阶段;全尺度涡度收支特征主要表现为两两抵消效应:STR/HAD和TIL/VAD,且前者的净贡献明显强于后者;系统尺度涡度收支特征与全尺度基本一致,但中间尺度涡度收支表现出明显不同特征:积分70 h之前,各收支项均表现出了与系统尺度相反的贡献,之后,各收支项的符号转变与系统尺度相同,但收支项净贡献明显大于系统尺度。总的来说,水平分辨率5 km下模拟的理想热带气旋的快速增强主要与中间尺度上STR/HAD净贡献的快速增长有关。此外,进一步研究了特定时段中间尺度涡度收支项的空间演变,结果表明:在热带气旋增强阶段,各收支项均在涡旋内核的轴对称化中有不可忽视的作用,且TIL在中心负涡度异常衰退、最终变为正涡度过程中起主导作用。      

台风碧利斯的位涡场分析

利用WRF数值模式对2006年7月14-15日由0604号登陆台风碧利斯（Bilis）引发的特大暴雨过程进行了数值模拟，分析了这次暴雨产生的原因。结果表明：台风自身的非对称结构是暴雨维持的机制；位涡倾斜下传致使深对流出现；低层暖湿空气沿湿等熵面的爬升与下沉冷空气交汇，对流强烈发展，产生暴雨。     

登陆台风内中尺度强对流系统演变机制的湿位涡分析

2005年05号台风"海棠"登陆福建后,在外围云系里有个明显发展的中尺度对流云团经过温州东部及北部地区,引起了强降水,从而造成比热带风暴环流本身更具破坏力的强烈天气,因此研究台风内中尺度对流系统(M(2S)的发展机制能够为预报台风灾害提供依据.文中使用中尺度静力模式WRF对台风"海棠"登陆过程进行了模拟,模式很好地模拟了台风登陆过程的路径、强度变化趋势和降水分布,尤其是模拟出了台风环流内的一次中尺度对流系统的发展过程,并利用模拟结果对台风环流内的这次中尺度对流系统进行了与之相关联的湿位涡分析,从而揭示了台风环流内中尺度对流系统发展演变的湿位涡特征.结果表明,在对流形成阶段,MPV1即对流不稳定为MCS的形成提供背景不稳定条件,由MPV2即湿等熵面的倾斜和水平风的垂直切变而引起的涡旋发展作为强迫机制:MCS形成的区域及东南区域中低层是强对流不稳定层,蕴含丰富的不稳定能量,倾斜上升运动把对流不稳定区具有强不稳定能量的暖湿卒气向西北中层的中性层结区输送.由于θep的减小,气旋性涡度增强,有利于形成对流,另一方面,由于湿等熵面倾斜和低空急流加强而引起的涡旋发展作为一种强迫机制激发对流不稳定能晕得到释放,从而形成对流;在对流系统的发展阶段,由于低层的对流不稳定性进一步减弱,θep一步减小,气旋性涡度进一步增强,有利于MCS的增强,中层等θe线的倾斜度比绝对动量M等值线的倾斜度大,对应有条件对称不稳定区域,满足条件对称不稳定(CSI)条件,在湿等熵面倾斜和台风低空急流作用下引起的涡旋发展强迫对称不稳定能量释放,从而使得对流得以维持和加强.通过以上的分析给出了台风环流内中尺度对流系统发生发展的概念模型.     

Winnie(1997)和Bilis(2000)变性过程的湿位涡分析

9711号台风Winnie和0010号台风Bills均在中国大陆发生变性，但前者变性后再度加强，而后者变性后减弱消亡。从湿位涡理论出发，对比分析两者的变性过程，结果表明：作为变性台风，Winnie和Bilis均在北上过程中与中纬度西风槽发生作用，但前者与高空槽发生耦合，后者仅接近高空槽底部，没有发生耦合；Winnie变性加强过程表现为一个温带气旋在低层锋区上的强烈发展过程，主要与高层正位涡扰动下传、低层锋区及热带气旋低压环流之间的相互作用有关。Pm湿斜压项增长引起的倾斜涡度发展是登陆热带气旋变性加强的主要因子。在Bills变性过程中，高层无明显的正位涡扰动下传，热带气旋低压环流内无锋区面出现，大气斜压性弱且变化不明显。     

南海夏季风对强热带风暴Bilis(0604)引发暴雨的影响

Bilis(0604)是一个登陆后长久维持并造成了特大暴雨的强热带风暴.通过对常规观测资料、雷达资料和红外卫星云图的分析,发现暴雨过程中不断有中尺度对流系统(MCSs)产生和发展,这些MCSs是造成强暴雨的主要中尺度系统.在此基础上用中尺度模式MM5对Bilis登陆后66 h的过程进行了数值模拟,模拟的雨带和雨量与实况较符合.利用模拟结果,对MCSs的发展过程和特征作了分析,发现Bilis的低压环流和南海夏季风在华南一带交汇,使得华南一带多中尺度涡旋、辐合中心和中尺度辐合线发展,这些系统为中尺度对流系统的生成和维持提供了有利的环境.敏感性试验表明,南海夏季风输送暖湿气流为暴雨区补充不稳定能量和水汽,对暴雨的产生具有十分重要的作用.     

湿地边界层通量影响热带气旋登陆维持和降水的数值试验

用MM5v3模式及其TC Bogus方案对台风Nina(7503)在中国大陆上的维持加强过程进行模拟,并通过各种敏感性试验,研究了饱和湿地对热带气旋在大陆上维持和降水的影响。结果表明:湿地边界层内各通量对登陆热带气旋的强度、结构及其降水具有明显影响。潜热通量和感热通量均有利于热带气旋的维持和加强,其中潜热输送的作用显著,感热输送的作用较小。潜热和感热通量有利于热带气旋雨带螺旋结构的维持,对台风降水分布有明显影响,动量通量对热带气旋风场有显著的削弱作用,是其能量耗散、低压填塞的主要原因,但对台风降水具有局地增幅作用。     

斜压大气中双涡自组织与台风形成的初步研究

从数值研究和个例分析两个方面讨论了斜压大气中双涡自组织与台风形成的关系.首先,利用PSU/NCAR 第五代数值天气预报模式(MM5),设计了6个弱环境流场下的理想试验,研究斜压大气中双涡自组织对台风形成的影响,结果表明:斜压大气中双涡自组织存在一个临界距离dc,其值在380 km左右.当双涡间距d≤dc时,双涡可以自组织形成台风环流,当d>dc时,自组织现象不能发生.其次,选取一个对我国有重要影响典型台风个例,分析双涡自组织对其形成的影响,结果表明双涡自组织过程是对我国有重要影响台风形成的典型方式之一.     

随机分布的小尺度涡对涡旋自组织影响的研究

以往双涡相互作用的动力学一般都在决定性的框架内研究。文中用一个平流方程模式,实施积分时间为30 h的8组试验,分析决定性和随机性共存系统中双涡相互作用和涡旋自组织的问题。随机性通过以下方式引入模式:先用Iwayama方案生成随机分布的小尺度涡,再将这些小尺度涡加入初始场。试验中,初始随机分布小尺度涡的强度参数K分别取0.0、0.4、0.6、0.8和1.0。结果表明,没有小尺度涡的条件下(K=0.0),初始分离的两个β中尺度涡逆时针互旋,其准终态流型是两个分离的涡;引进小尺度涡后,K取0.8、1.0时,初始分离强度相同的两个β中尺度涡,逐渐形成主次之分。主涡将次涡拉伸成为螺旋带,其准终态流型是一个自组织起来的类似于台风环流的涡旋。准终态涡中心的相对涡度值随K值的加大而加大。结果还表明,准终态流型不仅与初始小尺度涡的强度参数有关,而且与初始小尺度涡的分布有关。此外,在相同初始场的情况下,还实施了3类不同边畀条件的试验:第1类,在东西边界取周期条件,在南北边界取固定条件;第2类,在所有边界均取固定条件;第3类,在所有边界均取周期条件。这3类试验的准终态流型相同,都显示出一个类似于台风涡旋的环流。根据这些结果可以初步认为,涡旋自组织的研究从决定性动力学向随机动力学的过渡是值得探索的。     

IMPACTS OF DIFFERENT KINDS OF ENSO ON LANDFALLING TROPICAL CYCLONES IN CHINA

Interannual variability of landfalling tropical cyclones(TCs) in China during 1960-2010 is investigated.By using the method of partial least squares regression(PLS-regression),canonical ENSO and ENSO Modoki are identified to be the factors that contribute to the interannual variability of landfalling TCs.El Ni o Modoki years are associated with a greater-than-average frequency of landfalling TCs in China,but reversed in canonical El Ni o years.Significant difference in genesis locations of landfalling TCs in China for the two kinds of El Ni o phases occurs dominantly in the northern tropical western North Pacific(WNP).The patterns of low-level circulation anomalies and outgoing longwave radiation(OLR) anomalies associated with landfalling TC genesis with different types of El Ni o phases are examined.During canonical El Ni o years,a broad zonal band of positive OLR anomalies dominates the tropical WNP,while the circulation anomalies exhibit a meridionally symmetrical dipole pattern with an anticyclonic anomaly in the subtropics and a cyclonic anomaly near the tropics.In El Ni o Modoki years,a vast region of negative OLR anomalies,roughly to the south of 25°N with a strong large-scale cyclonic anomaly over the tropical WNP,provides a more favorable condition for landfalling TC genesis compared to its counterpart during canonical El Ni o years.For more landfalling TCs formed in the northern tropical WNP in El Ni o Modoki years,there are more TCs making landfall on the northern coast of China in El Ni o Modoki years than in canonical El Ni o years.The number of landfalling TCs is slightly above normal in canonical La Ni a years.Enhanced convection is found in the South China Sea(SCS) and the west of the tropical WNP,which results in landfalling TCs forming more westward in canonical La Ni a years.During La Ni a Modoki years,the landfalling TC frequency are below normal,owing to an unfavorable condition for TC genesis persisting in a broad zonal band from 5°N to 25°N.Since the western North Pacific subtropical high(WNPSH) in La Ni a Modoki years is located in the westernmost region,TCs mainly make landfall on the south coast of China.     

ANALYSIS OF RAINSTORMS ASSOCIATED WITH SIMILAR TRACK TROPICAL CYCLONES HAITANG (0505) AND BILLS (0604)

It is generally thought that the influence of comparable track typhoons is approximately similar,but in fact their wind and especially their rainstorm distribution are often very different. Therefore,a contrastive analysis of rainstorms by tropical cyclones (TCs) Haitang (0505) and Bilis (0604),which are of a similar track,is designed to help understand the mechanism of the TC rainstorm and to improve forecasting skills. The daily rainthll of TC itaitang (0505) and Bills (0604) is diagnosed and compared.The result indicates that these two TCs have similar precipitation distribution before landtall but different precipitation characteristics after landthll. Using NCEP/GFS analysis data,the synoptic situation is analyzed; water vapor transportation is discussed regarding the calculated water vapor flux and divergence.The results show that the heavy rainfall in the Zhejiang and Fujian Provinces associated with Haitang (0505) and Bitis (0604) before landlhll results ti'om a peripheral easterly wind,a combination of the tropical cyclone and the terrain. After landthll and moving far inland of the storm,the precipitation of Haitang is caused by water vapor convergence carried by its own circulation; it is much weaker than that in the coastal area. One of the important contributing thctors to heavy rainstorms in southeast Zhejiang is a southeast jet stream,which is maintained over the southeast coast. In contrast,the South China Sea monsoon circulation transports large amounts of water vapor into Bills - when a water-vapor transport belt south of the tropical cyclone significantly strengthens - which strengthens the transport. Then,it causes water vapor flux to converge on the south side of Bilis and diverge on the north side. Precipitation is much stronger on the south side than that on the north side. After Bilis travels far inland,the cold air guided by a north trough travels into the TC and remarkably enhances precipitation. In summary,combining vertical wind shear with water vapor transportation is a good way to predict rainstorms associated with landing tropical cyclones.     

登陆台风强度变化过程预报的影响试验研究

探索了基于WRF模式的集合卡尔曼滤波同化方法（WRF-EnKF,简称EnKF）在近海有可能达到更强台风连续循环同化中国大陆高时空分辨率多普勒天气雷达径向风观测资料的效果,同时检验台风Vicente（2012）的三维结构演变及其动力学特征。通过短期集合预报得到跟随当前流场变化着的背景误差协方差的台风涡旋和动力学结构。研究发现,EnKF同化预报系统能有效地同化高时空分辨率雷达径向速度观测资料,显著改善初始场中台风Vicente的中小尺度内核结构,同时提高对台风Vicente的路径和强度及其相伴随的短期强降水预报。在台风最强时刻同化雷达径向风观测能快速（1~2 h）得到真实的暖核台风结构,同时进一步提高台风路径和强度的预报。另外,EnKF同化雷达径向风观测资料还能有效提高短期降水预报,1 h和3 h累积降水的分布、降水中心以及降水随时间演变都能得到显著改善,这与改善台风路径、结构和强度有密切关系。因此,对中国东南沿海有可能达到较强的台风进行同化雷达径向风观测资料可改善登陆台风的预报水平,这为利用我国地基多普勒天气雷达观测资料改善模式的初始场从而提高台风预报提供一定的指示作用。      

“碧利斯”暴雨增幅高分辨率数值模拟及诊断分析

利用中尺度非静力数值模式ARPS (Advanced Regional Prediction System),对2006年第4号强热带风暴“碧利斯”的登陆过程,尤其是登陆后的暴雨增幅过程开展了高分辨率数值模拟,并利用观测资料对模拟结果进行了验证,进一步基于该高分辨率模拟资料对该暴雨增幅过程开展了诊断分析.结果表明,ARPS模式较好地模拟再现了“碧利斯”的登陆过程以及登陆后在广东、江西、湖南三省交界处引发的暴雨增幅过程;散度垂直通量和湿位涡的大值区与暴雨增幅地区均有良好的对应关系,对强降水落区有较好指示意义,其中散度垂直通量的对应关系更好.湿位涡不仅很好地反映了与暴雨增幅相关的湿位涡分布,同时也很好地反映了“碧利斯”环流本身所对应的湿位涡分布特征.     

非轴对称双涡相互作用的研究

在平流动力学的框架内,用准地转正压涡度方程模式实施了19组试验,研究双涡合并的条件及较大尺度涡旋自组织的问题。结果指出:(1)存在着两个影响双涡合并的因素,即初始双涡中心之间的距离和初始涡旋的非轴对称分布。初始两个对称涡旋合并具有明显的临界距离效应,但初始两个非轴对称涡旋能否合并还受到初始涡旋的非对称结构的复杂影响。(2)存在着两类不同的较大尺度涡旋的自组织过程,形成较大尺度涡旋。第一类,初始两个涡旋相同,均呈轴对称分布。双涡作用经历了缓变、快变,以及涡量羽翼的生成、拉伸和发展的过程,合并后呈对称性流型;终态涡内区涡量的堆积来源于两个初始涡,终态涡外区的螺旋带来源于两个初始涡外缘线涡量羽翼的拉伸。第二类,初始两个涡旋不同,一个为椭圆型,一个为偏心型,均呈非轴对称分布。双涡作用中,椭圆涡一边互旋,一边向计算区域中心靠近,同时涡量范围加大,形成了终态涡的内核区;偏心涡一边互旋,一边被不断拉伸,形成了终态涡的螺旋带区;表现出终态涡内区的涡量堆集来源于椭圆涡,终态涡外区螺旋带主要来源于偏心涡的反复拉伸及断裂的特性。