提高模式分辨率后热带气旋生成迟缓的原因分析

利用目前国际上最先进的中尺度WRF模式模拟热带气旋生成,网格分辨率从9 km增加到3 km,3 km网格中积云参数化方案不起作用,依靠微物理方案来模拟对流尺度系统特征,模式中热带气旋的生成过程变得迟缓。当低压扰动发展到一定程度后再加入3 km网格,生成过程有加快趋势。本研究针对该现象进行分析。结果表明:只用微物理方案使低层(950～700 hPa)风速的垂直切变减小,不利于对流发展;切变减小主要是由于动量垂直输送项的差异所致。在加入细网格的6 h内,低层对流尺度(减去区域平均)的动量垂直输送量平均增加了一倍,某些时刻达到了5倍以上;动量混合增加是由于微物理方案模拟的垂直速度增加所致。此外,只用微物理方案导致对流有效位能迅速被消耗。低层垂直切变和对流有效位能的减小都不利于对流发展,从而导致热带气旋生成发展过程迟缓。本研究表明,目前WRF中的微物理方案在模拟热带气旋生成过程中的对流发展时仍然存在问题。     

动力强迫对台风次级环流的作用

本文导出无量纲的台风次级环流方程,然后用11年综合台风资料,计算了动力强迫的次级环流。通过计算,得到主要结论如下: (1)积云动量垂直混合和涡旋动量水平通量是主要的动力强迫因子。 (2)积云动量垂直混合在台风发展过程中可促进大尺度低空辐合,因而可加强由CISK机制所说明的正反馈过程。 (3)Ekman抽吸与积云动量垂直混合是相互促进、共同发展的,这是台风发展中的一个重要反馈过程。     

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。     

台风的数值模拟研究——积云动量输送作用

本文用一个考虑积云动量垂直输送作用的二维轴对称原始方程模式,模拟了台风的生成和发展过程。数值试验所得到的“模式台风”比考虑Ekman抽吸作用所得结果在其结构上更接近实际台风。因此,同Ekman抽吸一样,积云动量垂直输送作用也可以激发第二类条件不稳定(CISK),促使台风的生成和发展。而且,积云动量垂直输送作用,在台风的形成和维持中可能比Ekman抽吸更为重要。     

积云对流参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF高分辨率模式的模拟结果,探讨了8种积云对流参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的路径、频数及强度模拟的影响。结果发现:采用Kain-Fritsch方案模拟的热带气旋活动的空间分布与JTWC统计结果最接近。KF方案模拟的热带气旋生成频数(强度)明显高(强)于其他积云对流参数化方案,而BMJ方案模拟的热带气旋生成频数(强度)明显低(弱)于其他积云对流参数化方案。进一步分析发现,采用优化集合积云参数化方案(ECP)模拟热带气旋频数、ACE指数以及PDI指数的年际变化趋势较好,而采用KF积云对流参数化方案对热带气旋空间分布、频数及强度的模拟总体最优。      

一次江淮气旋及其中尺度系统的数值模拟

本文在十一层原始方程模式中引入Fritsch-Chappell一维云模式，对1982年5月12日江淮气旋上中尺度系统进行了模拟试验，分析表明:Fritsch-Chappell一维云模式对深厚积云的考虑细致合理，比郭晓岚积云参数化方案优越，它能模拟出中尺度系统的一些特征。通过数值计算发现:中尺度江淮气旋是对流层低层的天气系统，气压场上具有中尺度低压的某些特征；对流天气的出现，使得中尺度江淮气旋得到发展，但这种发展有一个变化过程，在对流发展加强时，对流引起的动量变化以及下沉气流造成的低层冷却作用，使其有一个暂时的减弱过程，当对流运动趋于减弱时，气旋才得以发展。     

湿地边界层通量影响热带气旋登陆维持和降水的数值试验

用MM5v3模式及其TC Bogus方案对台风Nina(7503)在中国大陆上的维持加强过程进行模拟,并通过各种敏感性试验,研究了饱和湿地对热带气旋在大陆上维持和降水的影响。结果表明:湿地边界层内各通量对登陆热带气旋的强度、结构及其降水具有明显影响。潜热通量和感热通量均有利于热带气旋的维持和加强,其中潜热输送的作用显著,感热输送的作用较小。潜热和感热通量有利于热带气旋雨带螺旋结构的维持,对台风降水分布有明显影响,动量通量对热带气旋风场有显著的削弱作用,是其能量耗散、低压填塞的主要原因,但对台风降水具有局地增幅作用。     

感热加热和垂直风切变对温带CISK扰动的影响

第二类条件不稳定(CISK)是热带气旋发展的重要机制,Rasmussen(1979)在研究所谓极地低压时首先指出了温带CISK扰动的存在和性质。但对于温带扰动的发展,除了积云对流凝结的反馈外,下垫面的感热和对流层低层风的垂直切变有相当重要的作用。因此,感热加热和垂直风切变对温带CISK扰动的影响是一个有意义的研究课题。 将下垫面感热加热和对流层低层风的垂直切变分别引入温带CISK模式,其结果表明:下地面感热加热可以明显地加速温带CISK扰动的发展,这可能是一些温带小气旋急速发展(例如美国的炸弹气旋等)的原因之一;对流层低层的垂直风切变既可以加强也可以削弱温带CISK扰动,其影响依赖于垂直风切变的类型;下垫面感热加热和垂直风切变的共同作用则反映了复杂而有意义的性质。一般情况下,对流层低层垂直风切变对CISK扰动的发展有抑制作用。     

中国近海热带气旋强度突变的热力特征

应用2000 2006年的NCEP/NCAR再分析资料,通过合成分析和对比分析,利用全型垂直涡度倾向方程,研究中国近海热带气旋强度突变的热力特征.结果表明:(1)突然增强热带气旋在其中心附近对流层高低层均存在视热源Q1的极大值中心,低层Q1在突然增强过程中越来越强;而突然减弱热带气旋在中心附近对流层中层存在Q1的极大值中心,而且在突然减弱过程中Q1越来越弱.视水汽汇Q2的极值中心在热带气旋强度变化过程中位于对流层中层,在突然增强过程中有所增大,而在突然减弱过程中有所减小.(2)Q1的峰值高度在热带气旋突然增强和突然减弱过程中分别位于对流层高层和中层.Q2的峰值高度在热带气旋突然增强过程中不断抬升,而在突然减弱过程中不断降低,这说明积云对流的垂直输送在热带气旋突然增强过程中起到一定作用.(3)热带气旋中心附近对流层中上层非绝热加热随着高度增加、对流层低层垂直非均匀加热的增大有利于热带气旋的突然增强,反之导致热带气旋突然减弱.     

近海热带气旋强度突变的垂直结构特征分析

应用1949～2003年共55年的《台风年鉴》和《热带气旋年鉴》资料以及NCEP/NCAR再分析资料, 给出热带气旋强度突变标准, 对中国近海突然增强和突然减弱的两组热带气旋进行合成分析和对比分析。结果表明, 近海热带气旋强度变化与南亚高压、 副热带高压的强度变化呈反相变化关系; 环境风垂直切变小于5 m/s是南海近海热带气旋突然增强的必要条件, 热带气旋强度突变对环境风垂直切变变化的响应时间为18～36 h; 热带气旋中心附近存在数值在 -6～6 m/s之间纬向分布的环境风垂直切变密集带, 在热带气旋突然增强时刻, 中心附近环境风垂直切变经向梯度最大; 风垂直切变在热带气旋突然增强过程中逐渐减弱, 而在热带气旋突然减弱过程中逐渐增强; 热带气旋中心附近是高低层相对涡度垂直切变的强负值区, 在热带气旋突然增强过程中相对涡度垂直切变逐渐减小, 在突然增强时刻最小。     

Impacts of cumulus momentum transport on MJO simulation

Vertical cumulus momentum transport is an important physical process in the tropical atmosphere and plays a key role in the evolution of the tropical atmospheric system. This paper focuses on the impact of the vertical cumulus momentum transport on Madden-Julian Oscillation (MJO) simulation in two global climate models (GCMs). The Tiedtke cumulus parameterization scheme is applied to both GCMs [CAM2 and Spectral Atmospheric general circulation Model of LASG/IAP (SAMIL)]. It is found that the MJO simulation ability might be influenced by the vertical cumulus momentum transport through the cumulus parameterization scheme. However, the use of vertical momentum transport in different models provides different results. In order to improve model's MJO simulation ability, we must introduce vertical cumulus momentum transport in a more reasonable way into models. Furthermore, the coherence of the parameterization and the underlying model also need to be considered.     

西北太平洋爆发性气旋的诊断分析

本文对一年中26个西北太平洋爆发性气旋形成的大尺度条件做了统计研究。结果表明:海洋上空大气层结的不稳定、高空急流出口区北侧的动力辐散,冬季副高位置偏北时其西侧的强暖平流以及中低层的强斜压区等都是气旋急剧发展的有利因素。 另外,本文利用完全的ω-方程和Sawyer-Eliassen次级环流方程对1983年1月6—9日发生在西北太平洋上的一次爆发性气旋做了诊断分析,得到:(1)大尺度加热是使气旋强烈发展的主要物理因子;积云对流加热也是重要的物理因子。(2)温度平流是使前两者起作用的先决因子,它对气旋的初期发展起了某种启动作用。     

Sensitivity of tropical cyclone intensity and structure to vertical resolution in WRF

In this paper the impacts of vertical resolution on the simulations of Typhoon Talim (2005) are examined using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, with cumulus parameterization scheme representing the cumulus convection implicitly. It is shown that the tropical cyclone (TC) track has little sensitivity to vertical resolution, whereas the TC intensity and structure are highly sensitive to vertical resolution. It is partly determined by the sensitivity of the planetary boundary layer (and the surface layer) and the cumulus convection processes to vertical resolution. Increasing vertical resolution in the lower layer could strengthen the TC effectively. Increasing vertical resolution in the upper layer is also beneficial for the storm intensification, but to a lesser degree. In contrast, improving the midlevel resolution may cause the convergence of environmental air, which inhibits the TC intensification. The results also show that the impacts of vertical resolution on features of the TC structure, such as the tangential winds, secondary circulations and the evolution of the warm-core structure, are consistent with the impacts on the TC intensity. It is suggested that in the simulations of TCs, the vertical levels should be distributed properly rather than the more the better, with higher vertical resolution being expected both in the lower and upper layer, while the middle layer should not hold too many levels.     

A DIAGNOSTIC STUDY OF AN EXPLOSIVELY DEEPENING OCEANIC CYCLONE OVER THE NORTHWEST PACIFIC

The vertical motions and secondary circulation of an explosively deepening oceanic cyclone,which oc-curred over the Northwest Pacific Ocean and was in conjunction with 200 hPa-level jet stream and hascentral pressure falls of 33.9 hPa/24h,have been computed from seven-level nonlinear balance model and Saw-yer-Eliassen-Shapiro equation for the transverse ageostrophic circulation.The vertical motions are partitionedinto contributions from large-scale latent heat release,effect of cumulus heating,thermal advection,differen-tial vorticity advection,etc.,while the secondary circulation stream function is partitioned into contributionsfrom geostrophic deformation,transfer of momentum and heat in the area of cumulus and diabatic heating.The principal results are the following.Large-scale latent heat release is very crucial to the explosive de-velopment of cyclones.If there is enough transfer of moisture,the positive feedback process between ascentof air and large-scale heating would work.The cumulus heating and the transfer of momentum and heatin the area of cumulus play an important role during the explosively deepening stage.Thermal advection isthe initial triggering condition for large-scale heating and the conditional instability for the convection ofcumulus.     

9406号台风登陆造成华南及长江中游暴雨过程的数值模拟试验

本文应用有限区域数值预报模式，并根据不同的积云参数化方案对１９９４年第６号台风登陆后低压的移动规律及其对应降水分布进行了数值模拟试验，结果表明积云对流参数化对于台风移动及其降水分布影响极大，是作出台风暴雨预报的关键过程。     

初夏南海台风的结构分析

根据对8005号南海台风的结构分析,初步得到以下几点:1)南海台风各物理量的水平分布不对称。其湿度中心和暧中心分别位于700hPa和300—200hPa。垂直运动在台风迅速发展时达到极值。2)台风范围内的对流层高层和低层分别存在东北风和西南风大值区,U分量的垂直切变零线在台风发展阶级呈东西向穿过台风中心附近,随着台风加强切变加大。3)通过与西太平洋台风的比较,认为对流层高低层散度之差和涡度之差与南海台风发生发展的关系密切。4)积云对流造成的潜热释放是台风发展期的主要热源。      

On the Angular Momentum Loss of Tropical Cyclones: An <Emphasis Type="Italic">f</Emphasis>-Plane Approximation

The angular momentum for ideal axisymmetric tropical cyclones on the f-plane is investigated with a focus on the total-volume integrated quantity. Budget analysis of the momentum equation at cylindrical coordinates shows that a tropical cyclone loses angular momentum during its development and mature stages due to the dynamical difference between the viscous inward-flow near the surface and the angular momentum conserving outward-flow aloft. The total relative angular momentum of a tropical cyclone, as a result, can be negative (i.e., implying anticyclonic rotation as a whole) despite intense cyclonic wind in the tropospheric layers. This anticyclonic rotation was measured in terms of the super-rotation ratio, the ratio of total relative angular momentum to the planetary angular momentum. Simulations with the numerical model of Weather Research and Forecasting (WRF) version 3.4.1 was found to be in favor of the theoretical angular-momentum budget analysis. It was revealed in the numerical simulations that the super-rotation ratio was negative, indicating a sub-rotation, as was predicted by analysis. The sub-rotation ratio was found to be less than one percent for typical tropical cyclones. To show the angular momentum decrease even in the decaying stage, numerical simulations where the thermal forcing by sea surface temperature switched off in the mature stage were carried out. In support of the angular momentum budget analysis, the results indicated that the angular momentum also decreases for a while soon after the forcing was eliminated.