冷空气影响台风暴雨的中尺度分析及数值模拟

利用常规探测资料、NCEP/NCAR 1°×1°6 h间隔的FNL再分析资料、NCEP GFS 0.5°×0.5°6 h间隔资料、多普勒雷达和中尺度地面自动站资料,对2014年"麦德姆"台风暴雨对流系统的天气背景、触发机制以及生消演变过程进行分析,并用中尺度数值模式WRF进行侵入冷空气强度的数值敏感性试验。研究结果表明:(1)强降水发生在"麦德姆"北上变性的过程中,冷空气的侵入使得台风热力结构改变,台风外围的大气斜压性增强,层结更不稳定,有利于中尺度对流系统发生发展。(2)对流系统的触发首先是由边界层内冷空气侵入造成的,冷空气与暖空气的对峙使得江淮东部辐合加强、降水回波稳定少动。(3)数值敏感性试验结果表明,冷空气侵入使台风外围层结更加不稳定,有利于产生深厚的垂直运动,使中尺度对流系统的生命史长、强度强。若入侵冷空气过弱,对流系统中的垂直运动弱,对流强度弱;若入侵冷空气过强,虽然对流系统中能发展出强的垂直运动,但垂直运动维持的时间短,中尺度对流系统的生命史短,不利于产生持续性强降水。     

热带气旋“利奇马”(1909)暖心演变分析及变性过程探讨

利用NCEP GDAS/FNL再分析数据,根据TFP(Thermal Front Parameter)参数和锋生函数,对1909号热带气旋“利奇马”生命史中各主要阶段暖心特征和变性过程进行了诊断分析。结果表明:“利奇马”强度为热带风暴时,其暖心结构较为松散,500 hPa以上和600 hPa以下分别存在一个最强中心,在强度减弱阶段上下层暖心均偏离气旋中心;当其强度升至强热带风暴及以上级别时,低层暖心消失,高层暖心显著增强,结构变得紧凑,气旋中心上空暖区呈棒槌状分布。高层暖心强度与“利奇马”强度呈正相关,当“利奇马”维持超强台风时,其暖心可达10~14℃。“利奇马”与中纬度西风槽接触后,冷空气开始自对流层中低层进入其环流,低层冷空气入侵的程度比中层更明显;低层暖心被冷空气侵蚀而消失,高层暖心则逐渐减弱,结构亦变得松散。TFP参数和锋生函数计算结果表明受冷空气影响,“利奇马”斜压性逐渐增强,其中心西北侧形成一支暖锋,逐渐变性为温带气旋,但冷锋未见发展。变性过程中“利奇马”高层暖心强度虽减弱但仍然维持,但低层暖区被冷空气完全填塞,导致其变性后较快消亡。     

高空槽对两类热带气旋变性阶段强度变化影响的数值模拟研究

选取9711号台风"Winnie"和0713号台风"Wipha"分别作为变性加强和变性减弱类台风个例进行数值模拟,而后利用模式结果对大尺度场及涡度收支场进行诊断分析。结果表明:台风"Winnie"变性过程中,其西北侧高空槽呈西北—东南走向,南亚高压强度弱,对高空槽东移阻塞作用小。变性前期阶段主要是锋面系统和斜压性起关键作用,变性完成后,"Winnie"在斜压、高层辐散及涡度平流的共同作用下再次加强。台风"Wipha"变性过程受强大的南亚高压和副高影响,其西北侧高空槽稳定少动且呈东北—西南走向,冷空气入侵不明显,斜压区面积和强度都受到了限制。另外高层辐散场和涡度平流场均未能为"Wipha"提供有利的环境使其再加强。     

台风“Chanchu”变性过程位涡及锋生特征分析

利用非静力中尺度WRF模式输出的0601号"Chanchu"台风模拟资料分析了台风变性过程中的结构演变特征,并从位涡的角度,利用湿位涡方程对"Chanchu"变性过程中强度减弱但却能引发强风暴雨的原因进行了探讨。分析表明:台风在变性过程中,尺度逐渐增大并与东移南下的高空槽不断接近,在与高空槽相互作用之前,台风眼壁及外围雨带雷达回波减弱,最大风速减小,最大风速半径圈向外拓展;高低层位涡相接之后,由于高层正位涡的下传携带冷空气侵入台风,在低层锋区上诱发出气旋性环流,进而重新引发强对流,并在角动量的输送作用下,台风外围环流风速再次增大。变性后高空槽和台风在位相上仍有一定距离,高空槽仅与台风的外围环流相互作用,冷空气没有入侵台风内部,这是"Chanchu"没有重新加强的原因之一。利用锋生函数对引起锋生的各分量进行分析,结果显示非绝热加热是造成锋生的主要原因,散度和变形项的贡献次之,倾斜项对锋生几乎没有贡献。     

副热带高压对登陆台风影响的数值模拟研究

中国登陆台风多发于夏季,尤其对于登陆后继续北上深入内陆的热带气旋,逐渐与其所处的中纬度环境场发生相互作用,强度衰减缓慢甚至再次发展,且伴随有台风动力、热力结构的转变(ET过程).同时,夏季多伴有副热带高压的活跃与西伸趋势,然而该系统与台风之间相互作用的物理机制仍不十分清楚,这已成为提高台风预报能力的主要障碍之一.文中选取1997年第11号台风"温妮"为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.采用Davis等提出的片段位涡反演方法,改变模式积分初始时刻台风东部副热带高压强度,通过数值模拟与诊断分析的方法,深入研究不同强度副热带高压系统对台风陆上维持、变性和发展的影响.研究表明,副热带高压强度的加强加快了台风中心的北移速度,冷空气提前下沉入侵台风中心,加快台风的变性,配合暖气团的强迫抬升激发强烈的对流层中高层锋生,台风变性后冉次加强幅度增大.副热带高压强度的改变直接影响台风中心上空高空形势,而后者与台风强度的变化有较好的相关性.     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅱ:云微物理参数化对强度和路径的影响

在分析云微物理参数化对云结构和降水特征的影响的基础上,研究云微物理参数化过程对台风"云娜"强度与路径的影响.结果表明:云微物理过程对台风强度和路径有一定影响,其中不考虑雨水蒸发冷却效应后,比其他试验最终地面最大风速强7 m/s以上,但此时登陆地点误差最大,与对照试验偏离150 km左右.我们还从螺旋雨带结构变化及环境风切变影响角度分析台风临近登陆时强度模拟减弱的原因,发现过强的外围螺旋雨带以及环境风场垂直切变对于台风的加深、维持是不利的,他们可能会造成"云娜"临近登陆时强度的下降.不难看出,云微物理过程可以加强甚至产生外螺旋雨带,当外围雨带发展加强之后,可以引起局地辐合强度增强,从而限制了大量水汽和能量向台风内核输送,从而会导致台风强度下降.此外,外围螺旋雨带的发展,还可以从对流层中层带来干冷空气入侵行星边界层;而当入流边界层中雨水下落时,其自身的蒸发也会使周围气块温度下降;这些干冷气团在入流气流的输送下进入台风内核,从而对云墙产生了"冷侵蚀",最终引起台风强度下降.因此,减小上述两方面的模拟误差,应能改进台风"云娜"登陆过程中强度的模拟效果.     

发生在中国大陆的台风变性加强过程分析

通过对登陆台风Winnie(1997)的演变过程分析，发现登陆后的台风经历三个阶段：衰减阶段、变性阶段、重新加强阶段。其变性过程类似于Sekioka等人提出的复合型，变性后逐渐演变为Shapiro—Keyser气旋模型。通过对物理量的诊断分析发现，对流层中高层冷空气的下沉入侵以及对流层低层的暖平流是热带气旋变性的原因。冷空气的入侵使具有暖心结构的热带气旋演变为斜压结构的温带气旋。变性后气旋得到了重新发展，低层维持的较明显暖平流以及与高空急流相对应的散度区和高空涡度平流是导致气旋重新发展的重要物理因子。     

1949—2014年影响山东的变性台风特征分析

利用1949—2014年上海台风研究所整编的热带气旋年鉴资料、常规降水、大风资料以及NCEP日平均（25°×25°）再分析资料,统计这期间所有影响山东的变性台风,并对这些变性台风时空分布的气候特征进行分析。结果表明：1949—2014年,共有80个变性台风影响山东。影响山东的变性台风变性地点主要在中纬度地区。变性台风的个数有明显的年代际变化和年变化,变性台风主要分布在夏季和秋季,春季和冬季比较少。台风变性地点分布与副热带高压分布还有西风槽的位置及等高线梯度有一定的关系。台风变性时存在明显锋区,锋区强,变性台风个数多,锋区弱,变性台风个数少。影响山东的台风变性后加强的有33个。斜压锋区、一定的冷空气、冷空气从中高层倾斜下沉入侵、高空正涡度平流及低层暖平流这些因子都有利于变性台风强度加强。     

两次台风暴雨冷空气影响对比分析

利用常规观测、气象卫星资料及NCEP分析数据等,对台风"麦德姆"(1410)和"苏迪罗"(1513)的冷空气作用形式及对台风暴雨的影响进行对比分析。两个台风在冷空气影响下的强降水分布差异显著:"麦德姆"强降水经向特征明显;"苏迪罗"强降水纬向性较强。冷空气质点运动轨迹显示,"麦德姆"的冷空气沿西北路径入侵,包含西北冷槽和东北冷槽的共同影响;"苏迪罗"冷空气沿偏东路径入侵,冷空气源为单一的东北地区冷槽系统,强度较弱。在垂直方向上,"麦德姆"低层冷空气入侵早于高层,"苏迪罗"则相反。受冷空气不同作用方式影响,"麦德姆"台风倒槽明显,对流层低层冷暖平流较强,锋生显著,正涡度和上升运动沿台风倒槽呈东北—西南向分布;"苏迪罗"对流层低层冷平流及地面锋生均较弱,在台风北侧,低层偏东风急流引起较强的正涡度和上升运动,同时中层冷空气入侵有利于位势不稳定的增强,导致强降水沿台风北侧的偏东风急流呈东西向分布。     

冷空气影响辽东半岛热带气旋降水的数值试验

Matsa（0509）是直接登陆辽东半岛的变性台风,利用MM5v3模式对2005年8月8~9日在山东半岛和辽东半岛发生的暴雨过程进行模拟,并通过敏感试验研究冷空气对辽东半岛热带气旋降水的影响。结果表明:冷空气入侵热带气旋外围,对辽东半岛地区对流云团的强度、上升运动及其降水具有明显的增强作用。对流层中下层弱冷空气和对流层中上层较强冷空气的作用,使辽东半岛地区的回波强度和上升运动明显加强,有利于半岛地区暴雨增幅,其中对流层中上层较强冷空气对辽东半岛暴雨的作用显著。无冷空气影响或对流层中下层强冷空气作用时,辽东半岛上空的上升运动和回波强度明显减弱,强对流维持时间短,半岛地区的降水量明显减少。     

2019年台风利奇马引发山东特大暴雨成因分析

利用地面观测资料、雷达资料、FY-2G卫星云图资料及欧洲中心细网格资料,对台风利奇马登陆北上引发山东特大暴雨的成因进行分析。发现:利奇马登陆北上过程中,冷空气先后从台风的西部、西南部与南部侵入至台风中心内部,使其暖心结构逐渐减弱,其变性时段发生在10日20:00至11日08:00。山东的特大暴雨主要出现在台风变性前12h至台风变性后6h。变性之前的暴雨主要是由于台风螺旋云带与高空槽尾部云系相叠加造成的,变性之后的暴雨则是由于冷空气侵入致使台风外围云系演变成强对流复合体造成的。变性之前,对流层内800～500hPa风速小,500～250hPa风速大,气层内有暖平流,整层的上升运动,降水以暖区对流降水为主;变性之后800～500hPa风速大,500～250hPa风速小,500hPa至地面是上升运动,以上为下沉运动,降水以斜压锋区附近的对流降水为主。当500hPa至地面气层内出现冷平流时,湿层变薄,降水趋于减弱。特大暴雨区出现在台风中心西北方向,与850hPa假相当位温锋区与水汽通量散度辐合大值区相吻合。     

Chaba (0417) 台风变性前后热力结构特征

运用美国NOAA-15极轨气象卫星高分辨率的AMSU探测资料, 结合NCEP/NCAR再分析资料和GMS-5气象卫星红外云顶亮温(TBB)资料, 对2004年Chaba(0417)台风(TC)变性前后的热力结构特征进行分析。发现变性前TC暖核结构呈对称分布, 在高空存在一强暖心; 变性后原TC对称暖心结构消失, 存在于温带气旋上空的相对暖区呈现出倾斜的非对称分布, 在高、低层各形成一弱的暖区中心, 锋面的斜压特性显著。通过热力结构对比, 进一步揭示出TC在向高纬度方向移动时, 与中纬度系统相互作用发生变性, 实质上是两个相继过程, 即热带气旋的消亡和温带气旋的生成发展。TC西侧高空干冷空气的入侵下沉, 破坏了其发展所需的水汽条件, 造成TC对称暖核结构的削弱和损毁。与此同时, 在TC残留区域, 由于空气较暖且存在气旋式环流, 暖空气在东侧呈气旋式上升, 与西侧高空入侵下沉的干冷空气形成偶极, TC暖气团与冷空气相交发展形成斜压的结果, 则为温带气旋的生成和发展创造了有利条件。     

台风Chanchu(0601)变性过程中的强度变化及环境场分析

利用非静力中尺度WRF模式模拟的台风Chanchu(0601)的输出资料,探讨了Chanchu减弱变性过程的强度及结构变化。分析结果表明:在台风Chanchu北移过程中,高层的暖心被破坏,强度快速减弱,眼壁对流发展高度降低,眼壁对流由对称结构演变为非对称,内核对流减弱。此减弱变性过程与惯性稳定度减小、垂直风切变增强、低层锋生等环境要素有关。惯性稳定度与台风强度变化一致,随着惯性稳定度降低,最大切向风减弱并不断外扩,Rossby变形半径增大从而潜热释放不集中难以维持台风强度,台风减弱;同时,内核区的高层暖心更易径向频散,从而高层暖心难以维持;环境的垂直风切变增强使台风的斜压性增强,台风垂直结构的倾斜度增大,对流发展高度降低;低层冷空气侵入台风中心趋于填塞,也利于台风强度减弱;台风登陆以后冷暖空气对比导致的锋生使得不稳定能量释放从而重新加强了Chanchu环流内的中低层对流活动,但较台风最强时刻而言对流强度减弱。总体减少的对流和降低的对流高度,导致潜热能释放减小,其向心输送也减少,不足以维持强暖心结构,最终使得台风减弱并变性。      

1617号鲇鱼台风登陆后引发不同性质暴雨的成因对比分析

2016年9月28日1617号台风"鲇鱼"登陆后由台风本体环流和外围环流引发了不同性质的暴雨,这是本次秋季登陆台风暴雨预报的难点。利用常规气象观测资料以及NCEP的1°×1°再分析资料等,对不同性质暴雨的成因进行了诊断对比分析。结果表明:浙江东南部对流性降水和江西南部稳定性降水的大气层结结构具有明显的差异。中高纬度低槽距离台风较远,冷空气主要从低层入侵台风西北侧,破坏台风低层的暖心结构。台风外围中层干冷空气随东南风向浙江东南部输送,并叠加在低层暖湿气流之上,形成上冷下暖的不稳定层结,同时在对流层上层有干冷空气下沉至台风环流中下层(干侵入),导致浙江文成附近出现了局地特大暴雨。江西南部由于低层被湿冷空气占据,层结较为稳定,降水发展平缓。低空东南急流为台风外围环流暴雨提供了充足的水汽,浙江东南部地形对降水起到了增幅作用。不稳定层结及中层冷空气的输送对对流性暴雨的激发作用可以为登陆台风降水性质和强度预报提供参考依据。     

热带气旋“Malakas”与中纬度系统的相互作用及其结构变化

本文利用中尺度数值模式WRF和LAGRANTO轨迹模式对2010年变性台风"Malakas"进行数值模拟和轨迹分析,分析了Malakas在变性过程中与中纬度系统的相互作用,以及在相互作用过程中Malakas的结构变化特征。结果表明:Malakas变性过程经历了三个阶段:(1)高层扰动加强期,高层的正位涡产生的气旋性环流使低层Malakas中心北部的斜压带西侧产生负的温度平流,表现为冷空气的入侵;(2)Malakas和中纬度系统相互作用时期,台风北上导致斜压带出现,深对流的爆发使低层暖湿气流沿着斜压带上升,快速上升气流中的潜热释放导致低PV空气向对流层上部净输送,在其北部高层重新构建出一个脊;(3)Malakas变性成温带气旋,残存的台风内核与斜压带逐渐合并,负的位涡平流带着非绝热外出流驱动了下游最初脊的构建,加速并且固定了中纬度急流,并整体放大了上层Rossby波模式。     

台风“温比亚”（1818）造成山东极端强降水的成因分析

利用气象卫星、多普勒天气雷达、区域自动气象观测站及常规气象观测资料,结合NCEP/NCAR逐日6 h再分析资料（0.25°×0.25°）,对2018年18号台风“温比亚”及其残骸长时间影响山东引发特大暴雨的成因进行分析发现：1）此次极端降水可分为三个阶段,分别受台风外围螺旋云系、倒槽和变性后温带气旋冷锋影响,其中弱冷空气与台风倒槽相互作用对强降水的产生和维持起到了重要作用。2）“温比亚”缓慢北上过程中,强降水落区从台风东侧逆时针转至其北部倒槽附近,并逐渐远离台风中心,台风强度逐渐减弱。3）冷空气在对流层中层与台风倒槽相互作用,中层冷暖平流增强形成锋区,斜压不稳定能量增强,暖湿空气在锋区附近上升,并与低层倒槽辐合上升运动相配合,引发了倒槽附近特大暴雨的发生。4）此次过程中,低空急流稳定维持,源源不断地将水汽自东海输送至台风倒槽附近,水汽输送集中在800 hPa以下,850 hPa水汽通量辐合强度大于8×10-6 g·cm-2·hPa-1·s-1区域与暴雨落区的形态和位置对应良好。5）对流层中层的弱冷空气和低层的强暖湿气流促进了对流不稳定层结的发展和维持,低层强风速带在鲁中山区迎风坡强迫抬升不断触发中尺度对流系统,在中高层气流引导和地形作用下产生“列车效应”,也是此次过程中局地特大暴雨产生的重要因素。     

变性台风“麦德姆”(1410)环流中的锋生现象及其对降水的影响

利用中国气象局热带气旋年鉴、FY-2D（0.1°×0.1°）云顶亮温、逐时自动气象站降雨量、常规观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,运用锋生函数对台风“麦德姆”（Matmo,1410）影响辽东半岛和山东半岛期间的降水特征进行了诊断分析。结果表明：1）Matmo影响辽东半岛和山东半岛期间,其低压环流与西风带高空槽相互作用,在其西侧和东北侧分别有冷锋和暖锋锋生,两条锋带均向东移。强锋生区首先在低层生成,随后尽管高空锋区向下延伸,但并未与低层冷锋重合,低层冷锋锋生强度减弱。2）山东半岛和辽东半岛的降水均发生在台风低压环流的锋生过程中,但山东半岛的降水明显多于辽东半岛。这与锋生强度密切相关,辽东半岛的锋生强度和垂直运动较山东半岛明显偏弱。3）强降水与台风环流内冷、暖平流活动密切相关,冷暖平流交汇之处对强降水有较好的示踪作用。山东半岛始终处于冷暖平流交汇处,其西侧斜压不稳定加强,上升运动发展,强降水出现在冷锋带上暖平流区内;而辽东半岛由冷平流转为暖平流时,对流运动向其东北方向发展,强降水位于辽东半岛东北部。     

冷空气入侵对0509号台风“麦莎”变性的作用

利用地面和高空的实况观测资料、NCEP／NCAR再分析资料以及FY-2C卫星云图资料,并通过中尺度Barnes滤波和物理量诊断分析,对台风“麦莎”变性过程进行研究。采用非静力平衡的中尺度模式MM5（V3．7）对“麦莎”北上变性,影响京津地区降水的全过程进行了60h模拟。结果表明：“麦莎”登陆北上过程中,西北侧冷空气先随着“麦莎”环流由北向南旋转,尔后冷空气又从台风低压中心的偏南侧向北侵入,逐步侵入“麦莎”暖心结构;在垂直方向上,对流层中高层不断有系统性的冷空气倾斜向下补充,冷空气从对流层低层侵入台风环流,最终使“麦莎”变性。在接近华北地区时,“麦莎”云系发生分裂,偏西侧云系的出现和发展与低层850hPa流场上中尺度辐合线的产生密切相关,其中冷空气的作用显著。