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。      

湿斜压性与热带气旋强度突变

应用湿位涡方程和倾斜涡度发展理论 ,研究了热带气旋内部相当位温结构的演变与其强度突变的可能关系 ,并用一套高分辨率的模拟资料对所得结论进行验证。结果表明 ,由于热带气旋眼壁附近等相当位温面陡立 ,湿斜压性变化所激发的倾斜涡度发展是引起该区域垂直涡度突然增大或突然减小的主要原因。当热带气旋中心附近大部分区域的垂直涡度显著增长时 ,热带气旋就会在整体上表现为爆发性或迅速发展。最后还据此对同心双眼结构的出现和消失如何影响热带气旋强度变化进行了探讨。     

台风榴莲（2001）生成初期中尺度涡旋合并过程研究

由于热带海洋上观测资料的稀缺和热带气旋系统本身发生、发展的复杂性,热带气旋生成机制研究领域至今仍然存在很多未解之谜。已有的观测和模拟研究证明,中尺度涡旋合并过程对于热带气旋的生成可能有触发作用,但尚未见到南海季风槽内热带气旋生成过程中中尺度涡旋合并现象的实例模拟研究。利用新一代中尺度天气研究与预报模式WRF对南海热带气旋榴莲(2001)生成过程中的中尺度涡旋合并过程进行了高分辨率(4 km)数值模拟,并与观测资料进行对比,利用模式输出结果重点分析两个中尺度涡旋合并过程中的主要动力学和热力学特征,并在此基础上进一步分析了合并过程中系统中心附近涡度方程中各项涡度收支的演变情况,最后通过两个敏感性试验与控制试验结果的对比,初步探讨中尺度涡旋合并过程对于热带气旋榴莲生成的作用。结果表明,南海季风槽中的新生中层中尺度涡旋V2,是榴莲生成过程中的主导涡旋,预先存在的东部低层的中尺度涡旋V1对于台风榴莲的生成则起到了辅助作用,两个不同高度的涡旋合并叠加促使涡度的辐合、辐散项率先在低层引起涡度的快速增长,随后垂直输送项在对流层中层对涡度的增长起主要作用。两个涡旋的最终合并,使热带气旋系统正绝对涡度在垂直方向上从低层到中层得以贯通,进而触发榴莲的生成。     

非对称环流的细致结构与台风路径的摆动

应用准地转三层斜压模式数值模拟热带气旋的移动，详细分析热带气旋非对称环流的三度空间结构及其与热带气旋移动的关系。结果表明：非线性涡度平流与线性β项相结合不但可以产生大尺度β涡旋对，而且还可产生小尺度涡旋对；这两种不同尺度的非对称涡旋不断相互作用，导致热带旋移速的振荡和移向的摆动。     

台湾岛地形诱生次级环流系统对热带气旋异常运动的影响机制

对经过中国台湾岛和海南岛、吕宋岛、日本诸岛以及朝鲜半岛的热带气旋在过岛前后的运动、结构和强度的时空变化进行了统计诊断分析。研究结果表明,台湾岛附近热带气旋运动左偏（定义为偏于以前路径的左侧）机率最大,且台湾岛周围是产生诱生低压的高频区。采用理想东、西风环境场作为数值模拟背景场,数值研究了岛屿地形强迫与台湾附近的环境流场的相互作用及其对热带气旋运动偏转的影响,提出了岛屿地形强迫、背景场和热带气旋涡旋三者相互作用对热带气旋路径突然转折影响的观点,即台湾地形有利于环境场中诱生出一对偏差偶极涡,这对诱生偏差偶极涡将导致逼近岛屿的热带气旋产生运动方向的突然偏折,且在不同基本气流条件下,岛屿地形对热带气旋运动可能产生显著不同的影响。     

β效应和垂直切变对台风非对称结构及眼墙替换的影响

利用一个完全可压、非静力及原始方程热带气旋模式(TCM4),通过对f平面和β平面中不同强度的垂直风切变下理想热带气旋的模拟,研究了β效应和垂直风切变对热带气旋强度和结构的影响。结果表明:(1)理想气旋植入相对较弱的垂直风切变之后其强度最终将会进入一种近似常定状态,通过研究这种准常定状态对切变强度的敏感性发现,研究垂直风切变对理想气旋影响,应该讨论理想气旋能否维持在一个特定强度(台风、热带风暴及热带低压等)的极限垂直切变,而不是去讨论决定理想气旋将减弱还是增强的极限垂直风切变值;(2)在f平面下,由于垂直风切变造成涡度平流随高度变化,使得在顺切变前部以及左侧边界层附近产生辐合,伴随着空气的气旋式螺旋上升,外流层对应区域产生辐散,从而使得强对流和强降水发生在顺切变左侧。(3)行星涡度梯度(β效应)也能使涡旋产生一定的非对称性。当考虑β效应和垂直风切变的双重叠加效应时,所产生的非对称性比单纯由β效应或垂直风切变产生的非对称性更大,并且强对流区主要集中在顺切变左前部。(4)热带气旋眼墙替换过程或许可以被预测,因为它们似乎与β效应和环境流(VWS)存在联系。     

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     

一次华南强飑线过程的数值模拟及后方入流作用诊断

利用WRF中尺度模式对2014年3月30—31日发生在华南的一次强飑线过程进行数值模拟。本次飑线过程受高空槽和低涡切变线影响,水汽条件充足,低层垂直风切变较强。模拟结果表明:发展阶段,后方入流缺口开始出现,飑线逐渐呈弓形结构;成熟阶段,飑线后方入流逐渐下沉到地面并延伸至对流区前沿,冷池完全移入残留冷区并加强,配合九连山下坡过程,飑线得以加强。后方入流对本次飑线过程的发展和维持十分重要。后方入流受环境风及中层负压力扰动作用开始形成,随后受对流区后侧中低层涡旋对的影响迅速发展增强而进入发展阶段,反气旋式涡旋的北侧风场促进了后方入流的形成和发展;成熟阶段,气旋式涡旋的南侧风场使后方入流迅速增强。气旋式涡旋区域主要受涡管拉伸作用增长,反气旋式涡旋区主要受涡度倾斜增长作用。涡旋对垂直涡度主要是由低层水平涡度向上倾斜引起,而水平涡度则是由斜压作用产生。     

人造热带气旋垂直结构问题初探

在人造热带气旋中引入了倾斜垂直结构，并将其用于西折后9806号热带气旋登陆路径的数值模拟。结果表明：应用该方案所得到的模拟结果优于应用正压结构的人造热带气旋方案的模拟结果要准确。因此，此类热带气旋的预报中，其初始涡旋可采用倾斜垂直结构，从而提出改进热带气旋初始涡旋的一种新思路。若对其作进一步研究、推广，则具有广阔的业务应用前景。     

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。     

热带季节内振荡模拟研究的若干进展

大气季节内振荡（ISO）在长期天气和气候变化中有重要作用，它是20世纪70～80年代以来大气科学领域的重要研究课题。本文简要介绍近年来季节内振荡的数值模拟研究的成果和进展，包括数值模式模拟季节内振荡能力的进展； 模式模拟ISO能力对模式中对流参数化方案的敏感性；ISO模拟结果与基本态的关系；外强迫对模拟结果的影响； ENSO与ISO关系的模拟研究，以及全球变暖对ISO影响的模拟研究等。最后，对今后的研究工作提出了一些建议。     

长短期记忆神经网络(LSTM)模型在低能见度预报中的应用

利用浙江省义乌市2015—2019年逐小时气象观测数据(相对湿度、风速、地气温差、能见度)和空气质量指数(Air Quality Index, AQI)数据, 分析了义乌地区低能见度天气(观测能见度lt; 10 km)的分布特征和气象要素条件。利用长短期记忆神经网络(Long Short Term Memory Neural Network, LSTM)模型对逐小时能见度进行模拟, 分别对比了观测能见度作为输入变量与否的模拟效果; 根据义乌地区低能见度天气条件的特征, 将模拟时段分为三个时期(11月至翌年2月, 3—6月, 7—10月), 对比了分时期模拟的效果; 以及评估了模型的预报步长。结果表明: 高湿、高污染、气温高于地温和低风速是义乌地区低能见度天气的主要特征。LSTM模型对单站能见度有较好的模拟效果, 当输入参数中加入历史观测能见度时, 能大幅提高模拟准确度, 日均能见度模拟结果均方根误差RMSE=0.63 km, 平均绝对误差MAE=0.51 km, 拟合优度R²=0.99;分时期进行模拟能得到更精准的模拟结果。本研究中选用的输入要素在冬季(11月至翌年2月)模拟效果最好, RMSE=2.35 km, MAE=1.46 km, 低能见度均方根误差RMSE_10 km=1.81 km, 低能见度平均绝对误差MAE_10 km=1.13 km, R²=0.83; 3—6月的模拟中, 输入变量中不加AQI模拟效果更好, 这意味着3—6月义乌地区的低能见度天气以雾天气为主导, 加入过多变量并不一定能提高模型准确度; 随着预报步长增大, 模型预报效果变差, 预测步长等于3 h, R²=0.71, 预测结果已不具备实际应用意义。     

Effect of lateral boundary scheme on the simulation of tropical cyclone track in regional climate model RegCM3

The effect of the lateral boundary scheme in regional climate model (RCM) on the track simulation of tropical cyclone (TC) was investigated using RegCM3, for the case of Winnie (1997), which formed in the Western Pacific and landed on China in August 1997. The results show that there is an inevitable simulation error in the track of Winnie, and the narrower buffer zone size (BZS) will make a great error. However, it was demonstrated that a much broader BZS does not allow a better track simulation of Winnie, and the optimal BZS does not reduce the track error substantially. Moreover, the configuration scheme of nudging parameters plays an important role in the track simulation, and different nudging parameter configuration scheme could make the root mean square errors (RMSEs) of simulated track by more than two times. Nevertheless, the optimal configuration scheme can reduce the track error effectively by maintaining the equilibrium between the two additional nudging terms in the prognostic equations in the buffer zone, whereas both the strong nudging scheme and the weak nudging scheme distort the track simulation of the Winnie. It is also found that the simulated weaker west Pacific subtropical high (WPSH), which leads to the turning of the TC ahead of time, is the reason for the track simulation error. A possible approach for reducing track simulation error of TCs is also discussed.     

海气耦合对MJO数值模拟的影响

采用一种基于降水异常追踪MJO（Madden–Julian Oscillation）东传的MJO识别方法（MJO Tracking）评估了参与MJOTF/GASS（MJO Task Force/Global Energy and Water Cycle Experiment Atmospheric System Study）全球模式比较计划的全海气耦合模式（CNRM-CM）、半海气耦合模式（CNRM-ACM）和大气模式（CNRM-AM）1991～2010年模拟MJO的能力,探究了海气耦合过程对模式模拟MJO能力的影响机理。CNRM-CM模式模拟的MJO结构更加接近观测,该模式不仅具有最高的MJO生成频率,也能够模拟较强的MJO强度以及较远的传播距离。海气耦合过程会造成CNRM-CM和CNRM-ACM模式中印度洋—太平洋暖池区域海温气候态的冷偏差。但是这种海温气候态的偏差基本没有改变模式模拟MJO的能力。CNRM-CM中MJO对流中心东（西）侧存在较强的季节内尺度海温暖（冷）异常,纬向梯度明显,而CNRM-ACM和CNRM-AM中不存在这样的海温东西不对称结构。结果表明在CNRM模式中海气耦合过程调控模式海温季节内尺度变率对模式MJO模拟能力的影响比调控模式海温气候态更加重要。     

A Quick Report on a Dynamical Downscaling Simulation over China Using the Nested Model

This paper describes a dynamical downscaling simulation over China using the nested model system, which consists of the modified Weather Research and Forecasting Model (WRF) nested with the NCAR Community Atmosphere Model (CAM). Results show that dynamical downscaling is of great value in improving the model simulation of regional climatic characteristics. WRF simulates regional detailed temperature features better than CAM. With the spatial correlation coefficient between the observation and the simulation increasing from 0.54 for CAM to 0.79 for WRF, the improvement in precipitation simulation is more perceptible with WRF. Furthermore, the WRF simulation corrects the spatial bias of the precipitation in the CAM simulation.     

CMIP5模式中El Ni?o-EAWM关系的模拟对东亚冬季风模拟的影响

本文利用统计学的方法,评估了17个参加第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)的海气耦合模式对东亚冬季风(EAWM)年际变化的模拟。结果表明:多数模式对东亚冬季风的年际变化有一定的模拟能力,其中对东亚大槽年际变化的模拟最好;模式对东亚冬季主要系统的年际变化在空间上的模拟好于强度,对强度的模拟以偏弱为主;通过综合评估得到模拟能力好的模式有:bcc-csm1-1,CCSM4,HadCM3,NorESM1-M。针对模式间对冬季风年际变化模拟能力差别较大的现象,选取了4个模拟能力最好的模式和5个最差的进行讨论;通过评估El Ni?o对东亚冬季环流的影响,发现模式对El Ni?o与EAWM之间相互关系(El Ni?o-EAWM)的模拟能力是模式间对冬季风年际变化模拟偏差较大的原因之一,即对El Ni?o-EAWM模拟好的模式对东亚冬季风年际变化的模拟也好。     

CMIP6全球气候模式对中亚极端降水模拟能力的评估

本文基于NOAA再分析逐日降水数据和22个CMIP6模式的降水模拟数据,选取了6个极端降水指数,从气候态和相对变率两个角度对CMIP6模式在中亚地区极端降水方面的模拟能力开展了评估。结果表明,在气候态方面,中亚地区降水的空间分布表现为由西南向东北递增,其东南部山地迎风侧降水偏多；多模式集合对SDII(简单降水强度)和CDD(最大无雨期)模拟的平均误差分别为-5.43%和0.45%,对PRCPTOT(年总降水量)、R1mm(有雨日数)、Rx5day(最大连续五日降水)和CWD(最大雨期)的模拟结果存在明显高估,且在中亚东南部高海拔地区误差偏高。在相对变率方面,多模式集合模拟的中亚极端降水的相对变率偏小,其中对CWD的模拟效果相对较好,平均误差为-4.78%；对R1mm的模拟效果最差,平均误差为-36.16%。模式间进行比较,TaiESM1、EC-Earth3-Veg-LR和GFDL-ESM为22个CMIP6模式中模拟能力最好的前3个模式。     

CN05.1气象数据在流域水文模拟中的应用——以新疆开都河流域为例

为探讨中国再分析气象数据集CN05.1在流域水文模拟中的适用性潜力,以开都河流域为研究区,分别使用CN05.1数据集和传统气象站数据驱动SWAT水文模型,采用决定系数（R ²)、纳什效率系数（NSE）和相对误差（R_e）等评价指标对二者模拟效果进行对比分析,以确定CN05.1数据的适用性;最后采用两种数据订正方法对CN05.1降水数据进行了订正,并以水文模拟效果进行评价。研究结果表明:(1) CN05.1气象数据在开都河流域的水文气象模拟中具有较强的适用性;(2) 基于SWAT模型的水文模拟显示,CN05.1数据驱动的水文模拟精度高于传统气象站数据,其率定期（1995—2005年）和验证期（2006—2016年）的R ²分别为0.81和0.73,NSE分别为0.81和0.72,R_e分别为-0.97%和0.39%;(3)两种数据订正方法均能较好地再现流域径流变化过程,但基于空间关系订正法的径流模拟效果更好,R ²和NSE均在0.72以上,|R_e|＜1.7%。由此,订正后的CN05.1降水数据一方面弥补了传统气象站数据缺失的问题,另一方面补足了未订正CN05.1降水数据在径流模拟中峰值欠佳的问题。     

四川盆地大暴雨降水的日变化模拟偏差成因分析

利用WRF模式模拟了2011年6月16-17日四川盆地的一次大暴雨过程,首先根据24 h累积降水的位置、强度,选取了位于不同地形的3个强降水中心作为代表站,分析其降水日变化的模拟效果。结果表明:模式基本模拟出了位于川东北盆地边缘旺苍地区的降水峰值;而对位于盆中的荣昌站和位于川西高原的越西地区的模拟效果不理想。为了揭示影响逐时降水的因子,对3个代表站不同时刻的模拟效果进行对比分析,发现强降水的模拟效应与对流层中水汽、动力以及热力条件的模拟效果紧密相关。模式对水汽、位势高度、流场、垂直速度及大气层结状况这些物理量在各个时刻的不同模拟效果导致了逐时降水模拟的偏差,模式中盆地周围山地地形高度的偏差同样影响降水的模拟效果。     

CWRF对青藏高原气温和降水模拟效果的综合评估

利用CWRF(Climate-Weather Research and Forecasting model)对中国区域气候的31 a多物理集合模拟试验,分析了该模式对青藏高原气温和降水的模拟效果及其对水平分辨率和物理过程参数化方案的敏感性。结果表明:1)CWRF降尺度全面改善了全球模式对高原气温和降水的模拟,使气温年循环的均方根误差减小近1℃,月降水量年循环的均方根误差减小10~40 mm,同时显著提高了各月气温和降水与实测资料年际变化的相关系数,最高提升0.6;2)模式分辨率对降水模拟有显著影响,不同分辨率模拟降水差异高达60 mm(54%),模拟偏差随分辨率提高先降低后上升,转折在30 km左右;3)物理过程参数化方案对气温和降水模拟影响显著,不同方案模拟的各月平均气温相差1~4℃,夏季各月降水量相差20~100 mm,其中对气温模拟影响最大的是辐射方案,对降水影响最大的是积云方案。本文为CWRF局地优化对物理参数化及水平分辨率等如何选择提供了依据。