热带气旋内中尺度波动的不稳定机理研究进展

在回顾了近年来热带气旋波动动力学研究的基础上,介绍了热带气旋内中尺度波动不稳定机理研究方面的进展,分别对热带气旋三类中尺度特征波动的不稳定,即经典重力惯性波、涡旋Rossby波和具有物理性质不可分的混合波的不稳定进行了物理分析,给出了热带气旋内对称不稳定、横波不稳定、对流对称不稳定、涡旋Rossby波正压不稳定及混合波不稳定的动力解释,进一步说明热带气旋内中尺度扰动发展是与基本气流的动力(水平和垂直切变)及热力状态之间的相互作用密切相关。     

热带气旋研究和业务预报进展—第九届世界气象组织热带气旋国际研讨会（IWTC-9）综述

2018年12月3—7日在美国夏威夷召开的第九届世界气象组织热带气旋国际研讨会对国际热带气旋研究和预报预警业务的近期进展进行了充分回顾,并对未来的发展方向进行了系统研讨。过去4年（2015—2018年）,在热带波动和对流对热带气旋生成的影响、复杂环境影响热带气旋路径转向的机理、对流和风垂直切变对热带气旋强度变化的作用机制、双眼墙形成和替换机理、热带气旋变性过程对环境条件的响应、热带气旋气候变化特征、热带气旋多平台观测技术等诸多方面的研究取得了显著进展。同时,在热带气旋生成概率预报、全球模式中热带气旋强度预报改进、热带气旋活动次季节业务预测技术发展以及热带气旋预报不确定性理论等方面也取得积极进展。在综述此次会议的相关议题后,简要讨论中国热带气旋研究和业务发展方向。      

热带气旋科学观测试验及研究进展概况

由于缺少针对热带气旋背景下的观测资料,使得目前对热带气旋发展演变机理的认识还很有限,这也是当前热带气旋机理研究及数值模式中物理过程参数化方案改进的主要瓶颈。在回顾国内外有关热带气旋的科学试验计划基础上,围绕以提升热带气旋路径和强度预报水平为主线,阐述了不断丰富和发展的热带气旋观测试验的科学目标。从大气观测和海洋观测两个方面,总结了包括飞机探测、下投式探空观测、海上观测平台、地面移动观测、浮标探测等针对热带气旋的观测技术发展概况。基于对热带气旋的观测资料分析,从热带气旋背景下海气相互作用及其对热带气旋的影响、热带气旋边界层结构特征、下投式探空资料在热带气旋研究中的应用等几个方面概述了当前最新的观测研究进展。最后,简要指出了热带气旋观测试验中存在的主要问题及未来发展方向。      

热带气旋外眼墙形成机制研究综述

介绍了国内外关于热带气旋外眼墙形成和维持过程的相关研究进展,包括大尺度环境场和热带气旋涡旋内部动力学过程,如涡旋罗斯贝波理论、轴对称化过程、涡丝化作用、β-skirt轴对称化外眼墙形成假说和边界层非平衡动力过程等。随着对外眼墙形成机理研究的不断深入,当前存在多种外眼墙形成的机制理论,而这些机制均强调在外眼墙的形成阶段,热带气旋外围有大量对流及位势涡度扰动的发生发展。因此,热带气旋外眼墙的形成很有可能是多种机制相互作用导致的。最后,提出研究多种机制相互作用导致外眼墙处的对流和位势涡度扰动的发生发展过程具有重大意义。     

有蒸发-风反馈和海-气相互作用的CISK开尔文波——热带季节内振荡机制的进一步研究

将波动－CISK（积云对流加热反馈）、海－气相互作用和蒸发－风反馈都引入一个简单理论模式，研究了他们在驱动热带大气季节内振荡（ISO）中的作用。其结果表明：波动－CISK在减慢激发波的位相速度以接近观测到的热带ISO的移速过程中起主要作用；而蒸发－风反馈的主要作用是使激发波不稳定；海－气相互作用在减慢激发波的移速方面也有一定作用。因此，波动－CISK和蒸发－风反馈可认为是热带ISO的主要动力学机制。本研究还表明，由于蒸发－风反馈和海－气相互作用的影响，激发波是一种频散波，这种频散性可以更好地解释热带大气中ISO的活动特征。     

热带气旋强度变化研究进展

自20世纪90年代后期以来,热带气旋强度变化研究越来越受到人们的重视,随着研究的不断深入,热带气旋强度变化研究取得了可喜的进展,文中总结近年来热带气旋强度变化的主要研究成果,主要包括(1)热带气旋的发生、发展和最大可能强度的研究;(2)行星涡度梯度、环境均匀流、环境流场垂直切变以及热带气旋外流与环境流的相互作用对热带气旋强度的影响及物理机制;(3)热带气旋结构与强度的变化关系,着重总结环境流场导致的非对称结构变化而引起的热带气旋强度变化以及对涡旋倾斜发展理论验证,分析了涡旋Rossby波的最新研究;(4)海洋热状况变化以及海洋飞沫对热带气旋强度的影响研究成果。分析指出,今后进一步开展用现代化卫星探测资料研究热带气旋强度变化外,还应加强热带气旋外流与环境流场的相互作用,海-气交界面的参数化问题,热带气旋结构变化与TC强度变化关系以及这种关系的物理本质的研究,通过深入研究,认识热带气旋强度变化的物理机制,提高热带气旋强度变化的预报能力。     

热带气旋眼墙非对称结构的研究综述

热带气旋的眼墙非对称结构与其发展过程密切相关。在热带气旋移动过程中,非对称风场伴随着边界层内非对称摩擦而引起的辐合,影响着热带气旋眼墙内的对流分布。此外,风垂直切变作为影响热带气旋强度的重要因子,将上层暖心吹离表层环流,引起眼墙垂直运动的非对称,导致云、降水在方位角方向的非均匀分布。当存在平均涡度的径向梯度时,罗斯贝类型的波动可以存在于涡旋内核区域,影响眼墙非对称结构。海洋为热带气旋提供潜热和感热形式的能量,是热带气旋发展的重要能量来源,关于海洋如何影响热带气旋眼墙非对称结构的相关研究较少。文中着重回顾了热带气旋与海洋相互作用的研究成果,并提出海洋影响热带气旋眼墙非对称结构的机制。海洋对热带气旋最显著的响应特征是冷尾效应,该效应通过降低海表温度,减少海洋向大气输送的潜热和感热,从而影响热带气旋眼墙非对称结构。此外,海浪改变海表粗糙度,通过边界层影响移动热带气旋的眼墙结构。     

利用AMSU分析热带气旋结构特征

搭载在美国新一代极轨业务系列气象卫星上的先进的微波探测器 (Advanced Microwave Sounding Unit , AMSU) 提供了对于大气中温度、湿度以及云雨分布特征的探测能力。 研究选择 2003 年发生在西北太平洋上的多个热带气旋个例, 利用 NOAA16/17 卫星的 AMSU 数据分析热带气旋热力及云雨结构特征, 结果显示: 热带气旋中心的增暖在 AMSU-A 微波温度观测表现显著, 特别是在对流层上层通道尤其明显; AMSU 观测热带气旋中心增暖与强度相关性统计分析显示, 两者相关性达 0.778; AMSU-B 高频通道可以揭示热带气旋的云雨结构分布和对流发展旺盛情况, 分析显示热带气旋云雨结构变化与气旋强度密切相关, 气旋强度滞后于系统对流过程的发展 。     

热带气旋生成指数对印度洋热带气旋频数变化的适用性研究

本文利用ERA5 1979-2019年逐月大气再分析资料计算南北印度洋热带气旋生成指数，并和IBTrACS观测数据进行比较，探讨用热带气旋生成指数研究南北印度洋热带气旋变化特征的适用性.研究发现热带气旋生成指数能较好地刻画南北印度洋热带气旋的空间分布特征、北印度洋热带气旋个数月变化的双峰结构，以及南印度洋比北印度洋热带气旋发生概率高等特征.最新的IBTrACS v4.0观测资料显示，40年来北印度洋热带气旋每年总生成个数平均每10年增加1.3个，频数的增加主要来源于热带低压和热带风暴，而南印度洋热带气旋每年总生成个数每10年减少2.8个.热带气旋生成指数能很好地描述北印度洋热带气旋生成个数的上升趋势，但对南印度洋热带气旋生成个数趋势的刻画与观测不一致，可能原因需要进一步深入研究.     

双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究 Ⅱ:数值模拟

在本文第Ⅰ部分关于双热带气旋相互作用物卵机制分析的基础上,利用正压原始方程模式对,平面上无大尺度环境流场情况下双热带气旋的相互作用进行了数值模拟研究,重点考察了双热带气旋水平流场相互作用的次级环流机制,文[1]中所提出的双热带气旋相互作用的临界距离效应概念在模式中得到了验证.同时通过模拟还发现,双热带气旋的联合强度越强、中心间距越小,则互旋越快;对于相互吸引的双热带气旋而言,合并后范围有所扩大,强度有一定的加强,并且较强的两个热带气旋比一强一弱的两个热带气旋维持的时间要长、较难于合并.这些结果与实际双热带气旋相互作用的观测事实极为一致.     

双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究 II:数值模拟

在本文第Ⅰ部分关于双热带气旋相互作用物卵机制分析的基础上,利用正压原始方程模式对,平面上无大尺度环境流场情况下双热带气旋的相互作用进行了数值模拟研究,重点考察了双热带气旋水平流场相互作用的次级环流机制,文[1]中所提出的双热带气旋相互作用的临界距离效应概念在模式中得到了验证.同时通过模拟还发现,双热带气旋的联合强度越强、中心间距越小,则互旋越快;对于相互吸引的双热带气旋而言,合并后范围有所扩大,强度有一定的加强,并且较强的两个热带气旋比一强一弱的两个热带气旋维持的时间要长、较难于合并.这些结果与实际双热带气旋相互作用的观测事实极为一致.     

热带气旋内部非对称积云对流对其移动的影响

在一个简单的两层板对称CISK模式中，我们考虑了热带气旋内部非对称积云对流的作用，并由此推导出热带气旋移动的动力学速度公式。利用SPECTRUM-90这套热带气旋试验资料，本文着重分析了热带气旋内部非对称积云对流对其运动的影响，以探索热带气旋移动与引导气流偏差的可能机理。计算结果表明，考虑积云对流非对称作用产生的动力学速度确能明显改善热带气旋的路径预报效果，尤其对于一些疑难路径，这种改善作用更突出。因此，CISK理论不仅是热带气旋发展和维持的重要机制，而且对热带气旋移动的影响也不可忽视。     

热带气旋移动理论

本文是关于热带气旋移动理论的一个简要评论。理论研究表明,精确到一阶近似,热带气旋的移动是由平均环境气流的引导作用和以Rossby波方式西传作用的线性组合造成的,这种移动是由离气旋中心大约100—300公里范围内的相互作用决定的。因此这种运动对气旋大小和外围风速强度的变化是很敏感的,而中心强度大小变化的影响是微不足道的。观测到的向极Rossby偏移可解释为一种指向极地的次级引导气流发展的结果,这种气流是由气旋环流与地球涡度场的相互作用而造成的。地面摩擦作用也使气旋运动发生微弱变化,这种影响可能是通过改变基本气流而起作用的。在气旋的整体运动上可能迭加有一种附加的气旋眼的振动型扰动。虽然提出过一些理论,但引起这种振动的机制仍很不清楚,还需要进一步研究,以弄清基本气流非对称性的影响,如垂直的和水平的风切变,以及在环境场变化过程中发生的非线性相互作用的影响(如转向运动)等问题。     

对南海热带气旋近海加强机理个例模拟研究

利用具有完备物理过程的中尺度模式MM5对发生于南海的0214号热带气旋(TC)“黄蜂”进行高分辨率的数值模拟,以此来研究热带气旋在近海发展为强热带风暴过程中结构变化对强度的作用,并对近海加强的内部动力机理做一些探讨。模拟结果发现在加强阶段,气旋环流中存在类似于涡旋Rossby波性质的波动在西北侧对流激发下绕中心逆时针传播,波动与眼墙区对流带相耦合,使得眼区趋于闭合;中尺度涡旋系统的轴对称化过程,通过与对称环流系统非线性相互作用,向气旋环流提供能量,其自身也得到维持与发展。这些结构的变化对TC近海加强和登陆后迅速减弱都产生了重要的影响。     

西北太平洋热带气旋气候变化的若干研究进展

热带气旋气候变化研究不仅是当前国际热带气旋气候界的热点科学问题,而且也是具有现实意义的社会问题,各国气象学者和科学家们对此进行了广泛的研究。虽然热带气旋活动与气候变化之间的关系及其相应的内在物理机制至今还处在探究之中,但是近20多年来热带气旋气候学的研究还是取得了显著的进展。本文主要针对濒临中国的西北太平洋海域,回顾了热带气旋活动季节内、年际、年代际变化及其全球变暖背景下的变化趋势的气候学研究。此外,文中也对西北太平洋热带气旋气候学的研究进行了展望,并提出了该领域中一些亟待解决的科学问题。     

我国热带气旋研究十年进展

90年代初,国内外开展了几次大规模的热带气旋现场试验,取得了许多宝贵的加 密观测资料。利用这些资料,对热带气旋尤其是异常热带气旋开展了一系列的研究。我国科学家在国家科技攻关85-906项目中的“台风科学、业务试验和天气动力学理论的研究”等与热带气旋有关的课题和国际热带气旋研究合作项目“SPECTRUM(SpecialExperimentConcerningTyphoonRecurvatureandUnusualMovement)”中对台风的突变现象和预报技术进行了重点研究。从而在过去10年中,在台风运动突变、结构和强度突变、台风暴雨的突然增幅、热带气旋路径预报方法研究等方面都取得了新的进展。作者将对这些进展作简要综述。     

热带气旋生成问题研究综述

热带气旋可以造成严重自然灾害。在全球变暖的气候背景下,热带气旋生成问题成为当前国际热带气旋研究领域的学术热点和难点。从热带气旋生成的环境条件、大尺度扰动源、重要物理机制和热带气旋生成期的定义等几个方面,较系统地回顾总结了国内外关于热带气旋生成相关研究的主要进展,特别是近年来关于热带气旋生成过程中多尺度相互作用机制的研究新成果,并提出当前亟需研究的一些科学问题。      

干冷空气活动对热带气旋强度变化影响的研究进展与展望

热带气旋的强度变化一直是热带气旋研究中的重要内容之一,干冷空气活动与热带气旋强度变化之间有密切的关系,如快速增强和快速减弱过程。文章对国内外干冷空气影响热带气旋强度变化的研究成果进行了回顾和总结,主要包括干冷空气的强度、侵入位置,以及高空冷性天气系统对热带气旋强度变化的影响三个方面,并对未来的研究进行展望,以期为干冷空气影响热带气旋强度的研究提供参考。     

国内外热带气旋强度变化研究现状

影响热带气旋强度变化的因子大致可以分为3类:环境气流与热带气旋环流的相互作用,下垫面与热带气旋环流的相互作用,热带气旋本身的内部结构变化。通过查阅近年来国内外相关文献,对热带气旋强度变化的研究进展进行了论述,为热带气旋强度研究提供参考。     

锋面涡旋诱发南海热带气旋Noguri(2002)的数值试验

利用WRF_ARW模式,对锋面型涡旋诱发南海强热带风暴Noguri(2002)的生成过程进行模拟研究。通过对动力学和热力学物理量的诊断分析,讨论了锋面型初始涡旋诱发热带气旋(TC)的可能途径和机制。结果表明:该类型TC与热带扰动诱发TC的过程相类似,强对流单体(如积云塔)与环境场间的相互作用发挥重要作用,而这些对流尺度系统的活动受较大尺度系统调控。在环境场强垂直风切变情况下,初始涡旋在发展过程中,表现为垂直方向上涡旋结构由倾斜向垂直演变的过程,涡度、螺旋度和水汽场均存在若干次振荡。进一步分析表明,水汽和对流循环的反馈对涡旋的振荡发展很重要,且与环境场垂直风切变的强弱变化有着密切的联系。