一种基于分析增量更新技术的台风初始化方案

台风初始化方案最大的困难在于其只能根据有限的观测资料（台风中心位置、最低气压、最大风速和大风半径等）来构造一个与模式动力-物理过程协调的涡旋模型。首先根据实际观测资料对背景场中的涡旋扰动进行重定位和风速调整,然后将分析增量更新（Incremental Analysis Update,IAU）技术应用于台风初始化方案中,将调整后的涡旋当作一个强迫项逐渐加入到模式预报过程中,通过模式自身调整来得到一个协调性较好的台风初始结构,从而改善模式对台风的预报性能。对“山竹”台风的多次预报结果表明:（1）台风初始化对于台风路径误差影响较小,对于强度预报改进则比较明显。特别是在台风生成初期,台风初始化技术能够有效地增强全球模式分析场中的涡旋强度,并解决预报过程中强度较弱的问题。（2）根据预先给定的三维风场,IAU技术能通过模式自身预报过程对其他变量进行调整,从而得到一个热力和动力协调的初始涡旋结构。相对于仅对初始风场的调整,它对24 h之后的路径和强度预报误差会有更进一步的改善。（3）对IAU中的松弛时间进行参数敏感性试验,发现该变量取3—6 h效果较好。      

Evaluation of Two Initialization Schemes for Simulating the Rapid Intensification of Typhoon Lekima(2019)

Two different initialization schemes for tropical cyclone(TC) prediction in numerical models are evaluated based on a case study of Typhoon Lekima(2019). The first is a dynamical initialization(DI) scheme where the axisymmetric TC vortex in the initial conditions is spun up through the 6-h cycle runs before the initial forecast time. The second scheme is a bogussing scheme where the analysis TC vortex is replaced by a synthetic Rankine vortex. Results show that although both initialization schemes can help improve the simulated rapid intensification(RI) of Lekima, the simulation employing the DI scheme(DIS) reproduces better the RI onset and intensification rate than that employing the bogussing scheme(BOG).Further analyses show the cycle runs of DI help establish a realistic TC structure with stronger secondary circulation than those in the control run and BOG, leading to fast vortex spinup and contraction of the radius of maximum wind(RMW).The resultant strong inner-core primary circulation favors precession of the midlevel vortex under the moderate vertical wind shear(VWS) and thus helps vortex alignment, contributing to an earlier RI onset. Afterwards, the decreased vertical shear and the stronger convection inside the RMW support the persistent RI of Lekima in DIS. In contrast, the reduced VWS is not well captured and the inner-core convection is weaker and resides farther away from the TC center in BOG,leading to slower intensification. The results imply that the DI effectively improves the prediction of the inner-core process,which is crucial to the RI forecast.     

2011年“洛克”和“桑卡”双台风预报效果的初值试验研究

采用南海台风模式,对2011年业务预报误差较大的台风“洛克”（1115）和“桑卡”（1116）双台风的初值方案进行试验和研究,目的在于寻求改进预报的线索,从而提升台风模式性能。针对“洛克”和“桑卡”台风设计了几组初值方案对比试验,结果表明,仅对弱台风“桑卡”进行重定位和bogus的初值处理,与对双台风都进行初值处理相比较,两台风的路径预报误差减小。分析认为仅对弱台风作初值处理以改善其涡旋环流的影响是该双台风路径预报得以改进的原因。对2011—2012年所有弱台风进行批量预报试验,结果表明对弱台风采用重定位和bogus的初值处理,台风路径预报和强度预报的误差减小。对弱台风进行重定位和bogus初值处理,可改善模式对弱台风的预报效果。此外,目前南海台风模式中现有的bogus方法构造的涡旋相对于弱台风而言云顶偏高,可考虑发展针对弱台风的涡旋模型。      

Multi-scale Incremental Analysis Update Scheme and Its Application to Typhoon Mangkhut (2018) Prediction

In the traditional incremental analysis update(IAU) process, all analysis increments are treated as constant forcing in a model’s prognostic equations over a certain time window. This approach effectively reduces high-frequency oscillations introduced by data assimilation. However, as different scales of increments have unique evolutionary speeds and life histories in a numerical model, the traditional IAU scheme cannot fully meet the requirements of short-term forecasting for the damping of hig...     

全球数值模式中的台风初始化Ⅰ:方案设计

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

台风利奇马(1909)双眼墙特征及长时间维持机制

利用CIMSS微波卫星产品和多普勒天气雷达资料,分析超强台风利奇马（1909）的长时间双眼墙特征,并采用集合卡尔曼滤波方法同化雷达径向风资料,诊断利奇马双眼墙的三维结构演变特征。结果表明:在双眼墙演变过程初期,受强垂直风切变和中高层干空气入侵的影响,外眼墙对流减弱,呈非对称特征。Sawyer-Eliassen方程诊断结果显示:台风利奇马（1909）内、外眼墙次级环流之间的相互作用不明显,不同于发生眼墙替换过程的台风,其外眼墙处非绝热加热引起的下沉运动发生在内眼的眼心,内眼墙的上升运动并未受到外眼墙次级环流抑制。另外,在强垂直风切变条件下,非对称的外眼墙不能持续增强收缩并取代内眼墙,因此双眼墙结构得以长时间维持。可见,台风利奇马（1909）外眼墙的非对称结构和特殊的次级环流分布是其双眼墙能够长期维持的重要原因。     

GRAPES区域集合预报条件性台风涡旋重定位方法研究

为了在集合预报中更合理描述台风涡旋中心定位的不确定性,采用2009—2018年中国气象局和日本气象厅台风最佳路径数据,分析台风最佳路径涡旋中心定位的不确定性特征,在此基础上设计条件性台风涡旋重定位方法（Conditional Typhoon Vortex Relocation,CTVR）,构建集合成员台风涡旋中心重定位阈值条件、台风涡旋分离数学处理及涡旋重定位等数学处理过程,利用中国气象局数值预报中心区域集合预报系统（Global/Regional Assimilation and Prediciton System-Regional Ensemble System,GRAPES-REPS）对2018年西北太平洋上的3个台风（1808号“玛莉亚”、1824号“谭美”和1825号“康妮”）进行轴对称结构和轴对称+非对称结构条件性台风涡旋重定位两种方案的集合预报试验和检验评估。结果表明:（1）中国气象局和日本气象厅台风最佳路径误差平均值为13.72 km,可视为台风涡旋中心定位不确定性的合理估计值;（2）统计检验结果和典型个例分析表明,采用轴对称结构和轴对称+非对称结构条件性台风涡旋重定位方法的台风集合预报路径误差及集合预报一致性结果比较接近;（3）条件性台风涡旋重定位方法可以有效改进GRAPES-REPS区域集合预报台风路径概率预报效果,如台风路径集合预报平均误差有所减小,集合预报一致性（路径离散度与路径均方根误差比值）增大,特别是预报初期概率预报效果改进更为显著,而预报中后期改进有限;（4）通过对“玛莉亚”台风集合预报诊断分析发现,经过条件性台风涡旋重定位后,各集合成员的台风路径误差在预报初期明显减小且路径收敛,但随着预报时效的延长台风路径逐渐发散。应用条件性台风涡旋重定位方法后,台风涡旋环流与大尺度环境场仍然比较连续协调,且台风涡旋环流外的大尺度环境场具有一致性特点,最低气压误差、最大风速误差和降水预报技巧基本不变。可见,条件性台风涡旋重定位方法的应用可以提供更准确的台风路径预报不确定性信息,帮助预报员做出更准确的预报决策。      

A Relocation-based Initialization Scheme to Improve Track-forecasting of Tropical Cyclones简

A relocation procedure to initialize tropical cyclones was developed to improve the representation of the initial conditions and the track forecast for Panasonic Weather Solutions Tropical Operational Forecasts. This scheme separates the vortex perturbation and environment field from the first guess, then relocates the initial vortex perturbations to Lhe observed position by merging them with the environment field. The relationships of wind vector components with stream function and velocity potential are used for separating the vortex disturbance from first guess. For the separation of scalars, a low-pass Barnes filter is employed. The irregular-shaped relocation area corresponding to the specific initial conditions is determined by mapping the edge of the vortex radius in 36 directions.Then, the non-vortex perturbations in the relocation area are removed by a two-pass Barnes filter to retain the vortex perturbations, while the variable fields outside the perimeter of the modified vortex are kept ide.ntical to the original first guess. The potential impacts of this scheme on track forecasts were examined for three hurricane cases in the 2011-12 hurricane season. The experimental results demonstrate that the initialization scheme is able to effectively separate the vortex field from the environment field and maintain a relatively balanced and accurate relocated first guess. As the initial track error is reduced, the following track forecasts are considerably improved. The 72-h average track forecast error was redu,~ed by 32.6% for the cold-start cases, and by 38.4% when using the full-cycling data assimilation because of the accumulatedL improvements from the initialization scheme.     

TYPHOON TRACK PREDICTION EXPERIMENTS USING T106L19

1 INTRODUCTION The tropical cyclone is one of destructive weather systems that affect China most seriously. The destruction includes strong winds, heavy rain and storm surges. The key to mitigate them is whether we could predict the track accurately and on a timely basis. A number of coastal countries have adopted numerical forecast operation models that have long valid duration. For instance, in the limited-area spectral models and global spectral models currently running in the Meteo…     

采用预报涡旋的初始化方案对2015年台风“莲花”、“灿鸿”的试验研究

提出了一种采用预报涡旋的初始化方案,用预报涡旋代替bogus模型参与构建模式初始场,采用权重形式合成预报涡旋和分析涡旋获取台风初始涡旋。针对2015年“莲花”和“灿鸿”台风,基于该初始化方案设计了一系列对比试验进行数值模拟,并对结果进行分析。结果表明:(1)该方案得到的台风初始涡旋结构比bogus模型合理;(2)预报涡旋权重不宜取太大;(3)从长时效预报效果看,采用24 h内预报涡旋比采用长时效预报涡旋台风的路径和强度误差减小;(4)采用同一权重方案对“莲花”、“灿鸿”预报的改进效果不同,其原因与预报涡旋和分析涡旋的协调程度有关。多台风情形下可在初步评估的基础上采用不同时效的预报涡旋和不同权重方案。      

在台风业务系统中使用卫星云导风资料的试验

在国家气象中心台隐数值预报业务系统中引入国家卫星气象中心提供的卫星云导风资料,进行两项预报试验。第一项是把卫星云导风资料作为观测资料进行最优插值客观分析;第二项是将云导风资料加入到轴对称的人造台风模型风场上,使之产生非对称风场。试验结果表明：卫星云导风资料作为观测资料进入模式后对减小台风路径预报误差效果明显;用云导风形成人造台风模型非对称风场可进一步提高台风路径预报精度。     

不同边界层参数化方案对台风“利奇马”模拟的影响研究

基于中尺度数值模式WRF,对比分析了六种大气边界层物理过程参数化方案(BouLac、MYJ、UW、YSU、ACM2、SH)对台风“利奇马”模拟结果的影响。结果表明,不同边界层方案对“利奇马”路径的模拟结果影响较小,但对其强度和结构演变的模拟结果影响显著。其中,局地闭合方案UW方案模拟的结果最强,局地闭合方案BouLac次之,而局地闭合方案MYJ和三种非局地闭合方案YSU、ACM2和SH的模拟强度都较弱。这些方案中,BouLac模拟的海平面最低气压与实况最为接近。通过对比这些边界层方案的模拟结果发现,由于台风强度的差异受到热力和动力的共同影响,边界层方案如模拟得到的地表潜热通量和边界层中湍流扩散系数较大,将导致较大的径向风和低层辐合,从而模拟得到较强的台风强度;反之,则台风强度较弱。      

A Bogus Typhoon Scheme and Its Application to a Movable Nested Mesh Model

ＡＢｏｇｕｓＴｙｐｈｏｏｎＳｃｈｅｍｅａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏａＭｏｖａｂｌｅＮｅｓｔｅｄＭｅｓｈＭｏｄｅｌＷａｎｇＧｕｏｍｉｎ（王国民）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＮａｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ...     

2016年GRAPES_TYM改进及对台风预报影响

为了进一步提高国家气象中心区域模式台风数值预报系统（GRAPES_TYM）的预报能力,2016年对模式参考大气廓线以及涡旋初始化方案进行了改进:由模式初始场水平方向平均的一维参考大气代替原来的等温大气,涡旋初始化方案取消了原涡旋重定位并将涡旋强度调整半径由原来的12°减小到4°。对2014—2016年的生命史超过3 d的所有台风进行了回算,路径及近地面最大风速统计误差分析表明:参考大气的改进可以减小模式对台风预报路径预报的系统北偏和平均路径误差,尤其是140°E以东的转向台风。涡旋初始化方案中强度调整半径的减小会进一步减小模式预报路径的北偏趋势,从而进一步减小平均误差。同业务系统预报结果相比,改进后的GRAPES_TYM（包括参考大气和涡旋初始化）可以使平均路径误差分别减小10%（24 h）,12%（48 h）,16%（72 h）,14%（96 h）以及15%（120 h）。同美国NCEP全球模式路径预报相比,GRAPES_TYM在西行、西北行登陆我国的台风路径预报有一定优势。     

全球数值模式中的台风初始化Ⅱ: 业务应用

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

台风Lekima(1909)登陆前后动热力结构变化对浙江极端降水的影响

利用NCEP FNL 1 °×1 °的全球再分析资料、FY-2F卫星相当黑体亮温TBB资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水资料和多普勒天气雷达资料,重点分析了台风Lekima(2019)发展演变过程中的动热力结构变化和水汽分布特征与浙江极端强降水之间的关系。台风Lekima(2019)近海急剧加强为具有特殊双眼壁结构的超强台风,登陆前后环境水平风垂直切变维持较小值是主导台风高强度维持的重要原因。浙江上空维持着强盛的低层辐合和高层辐散场,高低层辐散风的高强度维持使得次级环流抽吸作用强,低层旋转风和辐散风对水汽、动量和热量的输送和分布起到显著的再分配作用,而中层的辐散风风向和风速变化对螺旋云带中的中尺度对流性降水具有重要的指示意义。登陆前后台风低层东北侧(超)低空急流和中层的辐合线是此次浙江台风暴雨的关键点,业务中需密切关注登陆前后台风东北侧的低空急流的影响区域及其变化。此外,700 hPa上非地转湿Q矢量散度场能较好指示未来1小时短时强降水的落区和强度变化,同时结合垂直速度场和低层水汽辐合场来综合判断台风降水落区的效果更佳。      

Numerical Study on the Impacts of the Bogus Data Assimilation and Sea Spray Parameterization on Typhoon Ducts

The Weather Research and Forecasting model version 3.2 (WRF v3.2) was used with the bogus data assimilation (BDA) scheme and sea spray parameterization (SSP), and experiments were conducted to assess the impacts of the BDA and SSP on prediction of the typhoon ducting process induced by Typhoon Mindule (2004). The global positioning system (GPS) dropsonde observations were used for comparison. The results show that typhoon ducts are likely to form in every direction around the typhoon center, with the main type of ducts being elevated duct. With the BDA scheme included in the model initialization, the model has a better performance in predicting the existence, distribution, and strength of typhoon ducts. This improvement is attributed to the positive effect of the BDA scheme on the typhoon’s ambient boundary layer structure. Sea spray affects typhoon ducts mainly by changing the latent heat (LH) flux at the air-sea interface beyond 270 km from the typhoon center. The strength of the typhoon duct is enhanced when the boundary layer under this duct is cooled and moistened by the sea spray; otherwise, the typhoon duct is weakened. The sea spray induced changes in the air-sea sensible heat (SH) flux and LH flux are concentrated in the maximum wind speed area near the typhoon center, and the changes are significantly weakened with the increase of the radial range.     

不同微物理方案对台风“利奇马”雨带模拟的影响分析

云微物理过程是影响台风降水数值模拟的关键过程。利用华东中尺度模式系统,选取Thompson与CLR两种微物理参数化方案对台风“利奇马”进行数值模拟,对比观测、卫星资料,评估两个微物理参数化方案对台风模拟的影响,结果表明:相比于Thompson方案,CLR方案对台风“利奇马”的模拟在登陆后的路径、强度、降水明显更接近观测;Thompson方案在距离台风中心约100 km形成较强的螺旋雨带,而CLR方案在距离台风中心150 km左右的位置形成了较弱的螺旋雨带。进一步的分析表明,CLR方案模拟出的外围雨带距离台风中心的距离更远,是由于CLR方案中冰、霰等冰相态水凝物下落速度更小,更有可能被推送到距离台风中心更远的位置,从而形成不同的雨带分布。      

ECMWF驱动场谱逼近对浙江超强台风“利奇马”（2019）精细化数值预报的影响

为提升高分辨率区域数值天气预报模式性能,基于高质量的ECMWF全球预报模式产品和动力谱逼近方法优势,本文以2019年重创浙江的超强台风“利奇马”为例,探讨了ECMWF驱动场水平风场谱逼近技术对浙江台风精细化预报性能的影响。结果表明:（1）谱逼近对路径预报影响较明显,逐小时路径误差最大修正可达80 km。谱逼近的垂直层次选取对于谱逼近效果有一定影响,总体上800 hPa高度以上谱逼近对台风路径和强度预报改进最佳。（2）谱逼近对浙江台风大风和强降水精细化预报均有大幅改进,对于8级以上大风ETS评分平均改进率为8.0%,最大改进率达20.8%;对最强日降水的暴雨、大暴雨以上降水TS评分改进幅度达11.8%、26.2%。（3）谱逼近对台风路径西偏和浙西南风雨高估的改进主要与对流层形势场及台风引导气流修正、近地层风力减弱、局地山脉地形降水增幅作用减弱有关。     

SENSITIVITY OF LANDFALLING TYPHOON STRUCTURE AND PRECIPITATION TO VARYING CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES

Typhoon KROSA in 2007 is simulated using GRAPES, a mesoscale numerical model, in which a two-parameter mixed-phase microphysics scheme is implanted. A series of numerical experiments are designed to test the sensitivity of landfalling typhoon structure and precipitation to varying cloud microphysics and latent heat release. It is found that typhoon track is sensitive to different microphysical processes and latent heat release. The cloud structures of simulated cyclones can be quite different with that of varying microphysical processes. Graupel particles play an important role in the formation of local heavy rainfall and the maintenance of spiral rainbands. Analysis reveals that the feedback of latent heat to dynamic fields can significantly change the content and distribution of cloud hydrometeors, thus having an impact on surface precipitation.