大涡模拟试验中台风梯度风平衡分析

尽管经典台风强度理论是基于梯度风平衡模型,但是已有的飞机观测资料和数值模拟研究发现,边界层中和眼墙附近存在非梯度风平衡气流,前人数值模拟发现,眼墙附近最大的超梯度风可以达到切向风速的16.7%。大涡模拟可以模拟出滚涡和龙卷尺度涡旋等小尺度系统,这些小尺度系统对梯度风平衡可能产生影响,使用中尺度天气预报模式结合大涡模拟（WRF-LES）对模拟台风内核区域方位角平均的梯度风平衡进行了分析,三个大涡模拟试验的水平分辨率分别为333 m、111 m和37 m,结果表明非梯度风平衡气流并未因为分辨率提高而显著增强或产生结构差异,最大超梯度风出现在边界层顶处最大切向风半径的内侧,达到梯度风速的10.8%~16.1%。进一步分析发现,不同台风中心定位方法会影响非梯度风平衡气流,最小气压方差法和最大切向风法可以得到与前人模拟一致的结构,而气压权重法得到的低层超梯度风中心远离眼墙、靠近台风中心,位涡权重法得到的低层超梯度风的径向范围向内扩大,最小气压方差法和最大切向风法更适合用于梯度风平衡研究中的台风中心定位。     

大涡技术对模拟台风眼墙替换过程的影响

眼墙替换是影响台风强度和内核结构的一种重要过程。本研究在高分辨率的数值理想试验中加入大涡模拟技术,对比分析大涡模拟对眼墙替换过程的影响。结果表明:大涡模拟的加入使得模拟台风的强度和边界层入流增强。整个眼墙替换过程共用时约20～22 h,但大涡模拟试验中外眼墙形成更迅速,同时强度和上升运动偏弱。外眼墙完全取代内眼墙之后的台风强度超过替换过程之前的强度。此外,使用大涡技术可以更好地模拟出眼墙替换过程中内外眼墙之间的moat区下沉运动,结构特征与前人观测中所发现的结构特征一致。因此,在台风数值研究中引入大涡模拟技术,有助于更好地模拟眼墙替换过程中的台风结构特征和变化。     

台风“珍珠”(2006)螺旋雨带发展机制的数值模拟研究

基于2 km分辨率的ARW-WRF数值模拟资料,讨论了台风"珍珠"(2006)螺旋雨带中对流单体及内雨带的发展机制。结果表明:模式很好地再现了台风的路径和强度。作为雨带中仅仅存在于眼壁外侧的内雨带,其传播机制与重力波、涡旋Rossby波及混合波没有联系,其可能发展机制仅与低层出流、水平风场和变形场有关。低层出流使得内雨带径向向外运动,而低层的水平风场和变形场使其形成螺旋结构。同时,就螺旋雨带中精细对流单体的发展而言,涡度收支方程定量分析表明,其主要通过两种方式获得垂直涡度:水平涡度倾斜为垂直涡度;上升运动拉伸垂直涡度。随着平流输送,对流单体在眼壁附近合并和汇聚。     

大涡模式水平分辨率对边界层夹卷过程及示踪物垂直传输的影响

利用敦煌干旱区野外加密观测资料,结合大涡模式模拟研究模式水平分辨率对边界层对流、夹卷过程及示踪物垂直传输的影响。结果表明:模式水平分辨率越高,模拟的边界层对流泡个数越多,尺度越小,且对流强度越强;提高模式水平分辨率,夹卷层位温方差增大,水平速度方差减小,垂直速度方差增大,且上升冷气流对夹卷层热通量的贡献最大。模式水平分辨率越高,垂直速度、位温及示踪物绝对质量浓度概率密度函数分布变化范围相对越广,且模拟的细微变化特征越清晰。另外,提高模式水平分辨率,模拟的示踪物空间分布特征更加细致,示踪物传输高度也较高。综合考虑到分辨率越高在模拟过程中产生的噪音越大且计算时间越久等问题,认为采用200 m水平分辨率时,模式既能较好地模拟出边界层对流的平均结构,又能模拟出边界层湍流的较细微分布特征,是较为理想的选择。     

大涡模式垂直分辨率在夹卷及示踪物垂直传输模拟结果分析中的作用

基于敦煌野外观测资料和大涡模式,研究了垂直方向不同尺度湍涡对夹卷及示踪物垂直传输的影响,明确了模式垂直分辨率在模拟结果分析中的作用。结果表明:垂直方向上小尺度湍涡对夹卷作用贡献更大,小尺度湍涡较多时夹卷层相对更暖,而夹卷层厚度、夹卷强度和风速变化受垂直方向湍涡尺度影响较小。当垂直分辨率为50 m时,越往夹卷层上部,上升气流和下沉气流分布较多且强度较大;分辨率为10、20和30 m时,夹卷层各高度垂直速度、位温和示踪物浓度分布较接近。另外,垂直方向湍涡尺度对示踪物垂直传输高度影响不大,而对示踪物的空间分布有一定作用。当大尺度湍涡较多且强度较强时,越有利于将高浓度的示踪物向上传输。综合考虑到模式采用较高分辨率模拟时产生的噪音及计算时间等问题,认为模式采用30 m的垂直分辨率,既能较好地模拟出夹卷层平均结构特征,又能模拟出夹卷层湍流的精细分布,是较为理想的选择。     

西藏林芝地区一次暴雨过程的中尺度模拟与分析

利用常规观测资料、FY-2E卫星观测的TBB资料,对2015年8月19日发生在林芝地区的一次暴雨过程进行天气分析,并利用中尺度数值模式WRF的模拟结果分析此次暴雨过程中尺度系统的结构特征。结果表明,此次暴雨过程发生在高原低涡切变的环流形势下,伴随辐合线发展的线状对流系统是此次暴雨发生的主要原因。WRF模式可较好地模拟出暴雨过程的环流形势和降水的落区、量级。西南风引导的暖湿气流为暴雨的发生、发展提供充沛的水汽条件;对中尺度结构的分析表明,低层辐合、高层辐散的结构以及在降水区存在的正涡度伴随强烈的上升运动为此次暴雨过程提供了有利的动力条件,假相当位温的分布能够为暴雨提供有利的热力条件,垂直螺旋度低层正中心的配置反映出大气的不稳定分布,有利于中尺度对流系统的发展与维持。     

初始外围尺度与加热对台风次眼墙形成的影响北大核心

台风次眼墙位于主眼墙外侧,由次对流环和低层切向风次极大值两个基本结构组成。本文通过一系列理想数值试验讨论了不同初始涡旋外围风场结构对次眼墙形成的影响作用以及关键动力学过程。结果表明,次眼墙形成的时间和位置与初始涡旋外围尺度显著相关:随着外围尺度递减,台风从形成完整双眼墙、伪双眼墙到没有双眼墙逐步过渡,次眼墙形成时间推迟且位置更加靠近台风中心。动力学分析发现,初始外围尺度可控制外雨带分布,雨带的非绝热加热主导了主眼墙外围边界层径向入流和绝对涡度径向输送的分布和大小。绝对涡度径向输送和摩擦耗散的相对大小及位置决定了次眼墙低层切向风次极大值出现的可能性和位置。动量强迫对低层切向风次极大值的大小仍有贡献。     

西南地区东部一次大暴雨的中尺度数值模拟

利用中尺度数值模式MM5V3 5对2007年5月23-25日发生在贵州的一次大暴雨过程进行48 h的数值模拟研究,并结合天气形势、雷达回波和卫星云图演变对此次过程进行分析.结果表明:模式较成功地模拟了这次强降水过程,模拟出了暴雨的强度、位置以及随时间的变化.导致这次大暴雨发生的主要影响系统是中尺度低涡,它的稳定维持是暴雨产生的主要原因.中尺度系统的发展、增强、减弱,主要由低层的正涡度产生.高层辐散、低层辐合、强烈的垂直上升运动是大暴雨天气维持和发展的可能机制之一,强降水与强烈的上升运动区和正涡度区有很好的对应关系.     

数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响

随着计算能力的提升,台风数值模拟大量采用了大涡尺度模拟,其水平分辨率已达到数10 m的量级,而垂直分辨率提升不大,其问题是数值模式的垂直分辨率对台风大涡模拟的影响如何?因此,本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展理想台风模拟,在不同的模式垂直层次(42,69和90层)情况下,研究并讨论数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响。结果表明,42层的垂直分辨率明显不足,而69层和90层的垂直分辨率则都能模拟出细致的台风边界层小尺度结构,龙卷尺度涡旋出现较多。与69层试验相比,90层试验模拟的台风强度要弱、龙卷尺度涡旋数量要少,但模拟的台风强度更稳定,模拟的小尺度涡旋也更精细。     

贵州大暴雨个例形成机制数值模拟

利用3层嵌套的中尺度数值模式MM5 V3.5,模拟了2007年6月24～25日发生在贵州中南部的一次大暴雨过程.利用模式输出的高分辨率资料,对这次暴雨天气及中尺度低涡的形成机制进行了诊断分析.模式较成功地模拟出了中尺度系统的演变和降水的分布特征.中尺度低涡的发展、稳定维持是造成贵州这次大暴雨天气的直接原因.暴雨、大暴雨出现在低涡的西南侧.在低层正涡度、辐合、强烈的上升运动和高层负涡度、辐散的有利配置下,形成深厚的上升运动柱,这种中尺度动力配置结构,不仅与暴雨区和暴雨发生时段相对应,而且是引起此次暴雨的中尺度低涡发展和持续的动力机制之一.暴雨区与强烈上升运动区,正涡度区相对应.     

Simulation of Extreme Updrafts in the Tropical Cyclone Eyewall

Strong vertical motion(10 m s~(-1)) has profound implications for tropical cyclone(TC) structure changes and intensity. While extreme updrafts in the TC are occasionally observed in real TCs, the associated small-scale features remain unclear. Based on an analysis of the extreme eyewall updrafts in two numerical experiments conducted with the Advanced Research version of the Weather Research and Forecasting(WRF) model, in which the large-eddy simulation(LES) technique was used with the finest grid spacings of 37 and 111 m, for the first time this study demonstrates that the simulated extreme updrafts that occur mainly in the enhanced eyewall convection on the down-shear left side are comparable to available observations. The simulated extreme updraft exhibits relatively high frequencies in the lower(750 m), middle(6.5 km) and upper(13 km) troposphere, which are associated with different types of small-scale structures.While the lower-level extreme updraft is mainly related to the tornado-scale vortex, the extreme updraft at upper levels is closely associated with a pair of counter-rotating horizontal rolls oriented generally along the TC tangential flow, which are closely associated with the enhanced eyewall convection. The extreme updraft at middle levels is related to relatively complicated small-scale structures. The study suggests that extreme updrafts can be simulated when the grid spacing is about 100 m or less in the WRF-LES framework, although the simulated small-scale features need further verification in both observation and simulation.     

Azimuthal Variations of the Convective-scale Structure in a Simulated Tropical Cyclone Principal Rainband

Previous numerical simulations have focused mainly on the mesoscale structure of the principal rainband in tropical cyclones with a relatively coarse model resolution. In this study, the principal rainband was simulated in a semi-idealized experiment at a horizontal grid spacing of 1/9 km and its convective-scale structure was examined by comparing the convective elements of the simulated principal rainband with previous observational studies. It is found that the convective scale structure of the simulated principal rainband is well comparable to the observation.　　The azimuthal variations of the convective scale structure were examined by dividing the simulated principal rainband into the upwind, middle and downwind portions. Some new features are found in the simulated principal rainband. First, the overturning updraft contains small-scale rolls aligned along the inward side of the outward-leaning reflectivity tower in the middle portion. Second, the inner-edge downdraft is combined with a branch of inflow from the upper levels in middle and downwind portions, carrying upper-level dry air to the region between the overturning updrafts and eyewall, and the intrusion of the upper-level dry air further limits the altitude of the overturning updrafts in the middle and downwind portions of the principal rainband. Third, from the middle to downwind portions, the strength of the secondary horizontal wind maximum is gradually replaced by a low-level maximum of the tangential wind collocated with the low-level downdraft.     

8807号登陆台风的数值研究：内核结构及能量水汽收支

使用PSU/NCAR研制的非静力中尺度模式MM5对登陆后维持较久的典型个例8807号台风(Bill)进行了数值模拟。模拟采用了网格距分别为18和6 km的两重双向嵌套网格。通过给定初始涡旋和选择合适的物理过程,模式不仅比较好地模拟了Bill的强度变化过程,而且再现了风暴的移动轨迹,对降水量的模拟也相当成功。文中利用细网格的模拟结果,分析台风登陆前后的内核结构特征和能量水汽收支,揭示Bill登陆后维持较久的可能原因。分析表明,Bill台风登陆后出现了中低层的稳定度特别是湿稳定度显著加大、表面热通量和水汽通量明显减小、摩擦耗散的动能显著增加等不利于台风维持的特征。但是台风登陆后眼墙结构长时间维持,在登陆初欺眼墙区的上升气流乃至较登陆前更强;台风登陆后通过低层辐合获得了大量水汽,眼墙区强劲的上升运动将低层辐合的水汽向中上层输送,在眼墙附近凝结产生大量的非绝热加热;非绝热加热不仅增暖气柱、增加位能还影响位能向动能的转换,虽然台风登陆后陆面摩擦显著加大,但气压梯度力所做的正功足以补偿摩擦耗散的动能,因而Bill能在登陆后长时间维持。     

2006年超级台风“桑美”强度与结构变化的数值模拟研究

使用一个高分辨率、非静力数值模式WRF模式对2006年超级台风Saomei强度和结构进行了数值模拟研究.首先,评估了Makin的粗糙度长度公式对台风Saomei强度和结构变化的影响,结果表明,采用新参数后,使得模拟的台风强度变化与实况最佳路径资料的强度变化更一致,对超级台风Saomei强度预报有改进;但对台风路径的影响不大.通过QuikSCAT、雷达和TRMM非常规资料的验证,进一步表明模拟的台风Saomei的结构与实况很接近,可以再现台风内核区域的部分"双眼墙"和"Annular"结构.其次,通过对台风Saomei边界层过程模拟的改进,表明在平均风速大于40 m/s时边界层各物理量明显改善,使得模式最大强度比传统的简单外推插值方案有显著改进,特别是在台风最强阶段,当台风Saomei眼墙区域的海表面拖曳系数C_d的相对变小,使得其眼墙区域的平均切向风速、径向风速、垂直风速、温度距平、涡旋动能和绝对角动量等物理量均有增强.表明台风Saomei眼墙氏域(20-40 km)各物理量的贡献对其强度和结构变化的影响十分重要.最后,在此基础上进一步分析模式海温和大尺度环境垂直风切变对台风Saomei强度和结构变化的可能影响,讨论了台风Saomei在其增强和消弱阶段中,大尺度环境垂直风切变对其强度变化的负反馈作用.     

西北太平洋海温增暖对热带气旋潜在破坏力的影响:高分辨模式个例分析

以三个西北太平洋热带气旋（TC）为例,利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式进行了一系列海表温度（SST）敏感性数值试验,揭示了西北太平洋SST增暖对TC的强度、尺度及潜在破坏力的影响及其机理。结果表明,在距TC中心100 km以内区域的SST升高有利于TC强度增加,但会减小TC内核尺度;而在距TC中心100 km以外的SST升高并不会使TC强度明显增加甚至使TC强度减弱,但同时会增加TC内核尺度。伴随着低层向眼墙的入流,升高的外区SST会使TC区表层的大气温度和湿度升高,造成眼墙附近海气温差和湿度差及向内的气压梯度力减小,进而减少进入TC眼墙内的感热和潜热,不利于TC增强,但有利于眼墙向外移动,使TC内核尺度增加。内区SST升高与外区SST升高对TC强度及尺度变化的作用机理相反。因此,当TC移过冷或暖洋面时,TC的强度和尺度的变化不仅取决于局地洋面的冷或暖状况,还取决于TC内区和外区SST的差异。由于TC内区和外区SST对TC强度和内核尺度的不同作用,可能存在一个临界范围,当暖池范围在这个临界范围之内时TC潜在破坏力随暖池范围的扩大而增大,但当暖池范围超过这个临界范围时TC潜在破坏力便不会随着暖池范围的继续扩大而增大,甚至会有所减小。      

特大眼台风Winnie（1997）的高分辨率数 值模拟

台风Winnie 1997的眼直径为370 km,是有观测以来发现的最大台风眼之一。应用Penn State/NCAR高分辨率中尺度模式MM5,成功地模拟了Winnie的路径、强度、台风眼及其双眼壁结构。由此根据模式输出结果分析了台风眼及内外眼壁附近的流场和热力场特征。发现Winnie台风的眼壁及其周围风场都显示了明显的非对称性结构。Winnie的外眼壁对应一个极大风速环,也是暖湿环和正涡度环。内眼壁对应一个次极大风速环、暖湿环。上升运动控制整个内眼壁和海平面2 km以上的外眼壁区域,下沉运动则控制眼区和内外眼壁之间。径向入流集中在外眼壁和内外眼壁之间的边界层,流出则位于外眼壁的对流层中上层。     

Typhoon Winnie （1997） with a Very Large Eye： High Resolution Numerical Simulation

Typhoon Winnie (1997) was one of the hurricanes that had extremely large eyewall ever recorded with a diameter of eyewall reaching 370 km. Using the Penn State University/National Center for Atmospheric Research mesoscale model MM5 with 3-km grid horizontal spacing on the finest nested mesh, Winnie was successfully simulated in terms of track, intensity, eye and concentric eyewalls. The dynamic and thermal structures of concentric eyewalls were studied based on the model output. It was found that the concentric eyewalls and their surrounding wind fields were asymmetric in observation as well as in simulation. Winnie's outer eyewall was associated with a maximum wind ring, a warm moist ring, and a high vorticity ring. The inner eyewall was associated with a secondary maximum wind ring and a warm moist ring. Upward motion dominated the whole layer of inner eyewall and the area above 2-km altitude of the outer eyewall. Downward motion was found inside the eye and the moat. Radial inflow happened in the boundary layer of the outer eyewall and the moat, but radial outflow dominated the middle and upper levels of the outer eyewall.     

INFLUENCE OF MODEL HORIZONTAL RESOLUTION ON THE INTENSITY AND STRUCTURE OF RAMMASUN

We use the WRF (V3.4) model as the experimental model and select three horizontal resolutions of 15, 9, and 3km to research the influence of the model’s horizontal resolution on the intensity and structure of the super-strong typhoon Rammasun (1409) in 2014. The results indicate that the horizontal resolution has a very large impact on the intensity and structure of Rammasun. The Rammasun intensity increases as the horizontal resolution increases. When the horizontal resolution increases from 9km to 3km, the enhancement of intensity is more obvious, but the strongest intensity simulated by 3km horizontal resolution is still weaker than the observed strongest intensity. Along with the increase of horizontal resolution, the horizontal scale of the Rammasun vortex decreases, and the vortex gradually contracts toward its center. The vortex structure changes from loose to compact and deep. The maximum wind radius, thickness of the eye wall, and outward inclination of the eye wall with height decrease, and the wind in the inner core region, updraft motion along the eye wall, and strength of the warm core become stronger. Additionally, the pressure gradient and temperature gradient of the eye wall region increase, and the vortex intensity becomes stronger. When the horizontal resolution increases from 9km to 3km, the change in the Rammasun structure is much larger than the change when the horizontal resolution increases from 15km to 9km. When the model does not employ the method of convection parameterization, the Rammasun intensity simulated with 3km horizontal resolution is slightly weaker than the intensity simulated with 3km horizontal resolution when the Kain–Fritsch (KF) convection parameterization scheme is adopted, while the intensity simulated with 9km horizontal resolution is much weaker than the intensity simulated with 9km horizontal resolution when the KF scheme is adopted. The influence of the horizontal resolution on the intensity and structure of Rammasun is larger than the influence when the KF scheme is adopted.