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(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     

正压无辐散模式中双涡的相互作用

本文在无环境流场的情况下,利用正压无辐散模式对双涡的相互作用以及β效应的影响进行了数值模拟研究。一系列的试验结果表明:双涡的相对运动对双涡间的初始距离及双涡的相对强度是十分敏感的,双涡间的非线性涡度平流可导致两个系统的气旋隆互旋;同时可造成两个系统的相互吸引和合并或相互排斥,吸引或排斥的临界距离取决于双涡的结构及相对强度:"合并"的快慢取决于双涡的联合强度,联合强度越强越难于"合并"β效应对双涡的相互作用具有显著的影响。它可以改变双涡相互吸引或排斥的性质,还可以使两个相互吸引的同等强度的涡旋"合并"后较平直地向西北方向漂移,而使两个不同强度的涡旋"合并"后的运动表现为β漂移和陀螺运动的叠加。      

双热带气旋合并过程涡旋强度与吸引效应相关特征数值模拟

利用中尺度模式HWRF(Hurricane Weather Research and Forecast System)模拟双热带气旋"狮子山"(2010)与"南川"(2010)涡旋合并过程,并通过强度敏感性试验揭示两涡旋强度对合并过程的影响。分析表明:在两者的合并过程中,"狮子山"涡旋强度明显大于"南川";"狮子山"涡旋对"南川"涡旋具有更大的"吸引"效应,两者西侧呈相对强的能量、水汽"连体"通道。HWRF能够较好的模拟出双热带气旋"狮子山"与"南川"的强度、移动路径,尤其是两涡旋的合并过程。进一步分析控制试验双热带气旋水平与垂直结构揭示出两涡旋"互旋"过程中,"弱涡旋"并入"强涡旋"相互影响特征。有关"狮子山"与"南川"强度的敏感试验亦表明,两者各自涡旋强度"合并方向"具有关键影响。在敏感性试验中,改变涡旋强度后两者路径亦存在"互旋"现象,但与控制试验两涡旋"合并方向"相反,即敏感性试验热带气旋"狮子山"涡旋削弱,而"南川"涡旋强度相对增强,导致原涡旋西侧水汽、能量输送连体通道明显削弱,同时由于"南川"涡旋的强度强于"狮子山",两者东侧水汽、能量输送通道亦加强,导致"南川"涡旋对"狮子山"的涡旋存在"吸引"效应。"狮子山"涡旋残留云带一部分合并入"南川",一部分则随西南气流进入台风"圆规"。     

双热带气旋相互作用研究动态

对两个相同或不同尺度热带气旋性涡旋相互作用的研究成果进行了分析和探讨,认为数值模拟和大气动力学理论分析的研究是进一步认识双热带气旋性涡旋相互作用的物理机制,提高预报双热带气旋性涡旋相互作用引发热带气旋异常路径业务能力的有效途径;继续这一领域的研究工作是非常必要的。     

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。     

多个热带气旋相互作用对南海热带气旋异常路径影响的数值模拟研究

本文利用数值预报式来研究可能造成南海热带气旋异常路径的一个因子，即多个热带气旋之间的相互作用。这里所说的热带气旋相互作用不是指通常所说的两个热带气旋很靠近时的相互吸引（排斥）或旋转这一类涡旋间的直接相互作用，而是指相隔远距离的热带气旋门，通过改变环境流场而造成的间接影响。所选的例子是位于南海的9009号热带气旋（Tasha）。与它同时存在的热带气旋中9008（Steve）与9010（Vernon）。先作了这次多个活动的数值预报试验，以判断模式的预报能力，然后通过有控制地改变9008与9010号热带气旋的参数，来考察这两个热带气旋活动对9009号热带气旋的路径的影响，并对这种影响的机理作一定的诊断分析。     

登陆热带气旋研究的进展

随着大气探测技术的发展 ,登陆热带气旋研究已经成为热带气旋研究中一个新的领域。新的探测技术能初步揭示出热带气旋登陆过程中发生的多种改变。近年来 ,国内外科学家实施了一系列外场科学试验 (Fieldscientificexperi ments) ,对登陆热带气旋进行探测和研究 ,旨在提高预报的准确率。登陆热带气旋研究内容包括 :海岸和内陆山脉地形影响 ,结构和强度变化 ,登陆热带气旋的暴雨强度和分布 ,大风强度和分布 ,风暴潮强度和范围 ,登陆热带气旋在陆上的维持机制 ,陆地涡旋的路径和入海加强 ,边界层结构 ,陆面过程和能量交换 ,变性过程等。研究采用外场科学试验与数值模拟相结合的方法。模拟或预报模式中使用同化资料尤其是卫星同化资料来构造初值场 ,取得较好结果。登陆热带气旋的研究目前正在展开 ,并取得了一些重要结果。研究表明 ,潜热释放和斜压位能释放是近海或登陆热带气旋加强或维持的两种主要能源。这两种能量可分别从水汽输送和热带气旋与中纬度环流的相互作用中获得。另外 ,陆面饱和湿地或水面的潜热输送、热带气旋与中尺度涡旋或热带云团的合并以及高空流出气流强辐散也对其加强和维持有利。世界气象组织的热带气象研究计划 (TMRP)正在组织对这一领域的总结和下一步的研究计划。这项研究将对预报和     

两个β中尺度气旋性涡旋合并的数值研究

利用中尺度模式MM5对1998年6月29日发生在江淮流域的暴雨过程中的两个β中尺度气旋性涡旋的合并过程进行了数值模拟,分析研究了流场演变特征.结果显示,在800hPa上的两个β中尺度涡旋合并最早最快,在低空925hPa上出现时间晚,合并也晚.在合并过程中的风向和风速变化特征与两个天气尺度气旋或台风合并过程中的特征相仿.     

双热带气旋相互作用研究综述

在对西北太平洋上双热带气旋(TC)相互作用统计基础上,探讨了2个大尺度气旋性涡旋间的相互作用对TC路径、降水强度和落区的影响,结果表明:①双TC相互作用现象集中在7—10月,与TC生成的高发期一致;②双TC相互作用主要受到双TC的结构与强度、中心距离、地理位置和环境场的影响。③双TC相互作用常使TC出现异常路径,强度变为一强一弱,以及远距离TC降水。     

多尺度大气数值预报的技术进展

随着计算机和计算理论的发展,数值模式正在向全球化、精细化发展,以适应多尺度、多目的应用的要求,从而模糊了大气环流模式和中尺度数值模式的界限,其主要手段就是改进模式动力框架、离散化手段、计算方法、物理过程的普适性。在实际应用中如何提高模式的多尺度计算性能则是问题关键。该文从模式球面坐标系、网格构造、离散化方法的动力特性、垂直坐标和地形处理以及对物理过程的要求出发,探讨分析多尺度大气数值模式的特点:全球/区域可选、非静力近似、具有良好的频散关系和详细的物理过程,垂直高度坐标和"剪切"地形对多尺度通用模式的改良十分重要。除上述特点外,模式所采用的计算方法也应该最大限度地描述大气动力过程特性,采用高性能计算方案有利于多尺度预报。结合当前多尺度预报的国际研究热点和开发前沿,探讨我国新一代多尺度数值预报系统GRAPES的进一步发展及改进方向。     

GRAPES紫外线（UV）数值预报

应用GRAPES（Global/Regional Assi milation PrEdiction System）模式中的Goddard短波辐射方案,创建了紫外线数值预报系统（GRAPES-UV）。介绍了Goddard短波辐射方案,给出了GRAPES-UV系统的运行和个例分析。研究结果表明,紫外线指数（UVI）除了与纬度、地形和日变化有关外,还与云的分布以及天气形势密切相关,GRAPES模式中云的微物理方案对UV预报有较大的影响,UVI在晴空和对流云降水地区的强烈反差是UVI的重要特征。在个例试验中应用了臭氧总量预报模式,通过T213模式为化学输送模式提供气象背景,利用卫星资料同化技术建立臭氧的初始场,预报大气臭氧总量。应用国际上通常采用的临界成功指数（CSI）对2007年夏季北京和上海UV预报进行统计检验。北京和上海24 h紫外线强度等级为强和很强的CSI分别为0.625和0.780,接近同样方法的美国检验结果0.677。该系统从2006年3月起在中国气象局大气成分观测与服务中心的业务系统中正常运行,并在大气成分中心网站上发布UVI和紫外线强度等级预报,并提醒公众采取合适的方法保护自身免受UV的过度辐射。     

Numerical modeling of thunderstorm

Summary A brief review of numerical models of thunderstorms is presented. The attempts of modeling these clouds have to deal with an extremely broad range of microphysical and dynamic processes. Basic concepts of thunderstorm modeling, 1-D, 2-D and 3-D models are considered. Particular attention is given to the basic equations and to the capability of these models to predict characteristics of the tunderstorms. A brief treatment is also given of hail growth in thunderstorm models.

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Zusammenfassung Im folgenden wird eine knappe Übersicht numerischer Gewittermodelle präsentiert. Bei der Modellierung von Gewitterwolken muß ein ausgesprochen weiter Bereich von mikrophysikalischen und dynamischen Prozessen beachtet werden. Grundkonzepte der Gewittermodellierung, 1-D-, 2-D- und 3-D-Modelle werden hierzu herangezogen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei den Ausgangsgleichungen sowie den potentiellen Möglichkeiten dieser Modelle, Charakteristika der Gewitter vorherzusagen. Weiters wird auch das Hagelwachstum in Gewittermodellen kurz behandelt.

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With 8 Figures     

Long Range Numerical Weather Forecasting

ThelongrangenumericalweatherforecastinggroupofCAMSpredictedtheglobalmonthbymonthheightsandtheiranomaliesduringApril-Augustl999usingtheCCM3model(Rl5L9)developedbythegroup(shownbelowthepredictionofJuly1999),providedtotheForecastingOffceoftheNationalClimateC…     

Numerical studies of barotropic modons

Numerical solutions of barotropic modons are examined to assess the accuracy with which they can be calculated, their behavior under the influence of dissipation, and their resistance to perturbations.     

索马里低空气流的数值模拟

本文用P-σ混合坐标系五层初始方程模式,模拟了索马里过赤道低空气流的发展过程并对其形成机制进行了讨论.指出,索马里低空气流的发展可分为二个基本阶段:第一个阶段为低空气流在贴近地面的层次上发展,略高的层次上有序的气流尚未形成;第二个阶段为低空气流在近地层继续加强,同时较高层次上也出现了有序的气流.结构分析表明,索马里低空气流一般在700hPa以下,在索马里海岸附近有一个热力性垂直环流,索马里低空气流穿过其中。有关形成机制的模拟实验表明,在边界层中,气流的发展主要决定于非绝热加热的海陆不均匀分布,与地形高低的     

沙尘天气的数值预报

沙尘天气预报的核心问题是要理解沙尘天气形成的物理机制,并定量地描述风沙的分布、强度、输送与沉降.沙尘天气的形成是一个复杂的物理过程,涉及到大气运动与地表状况等诸多因素.作者介绍了一个以数值预报为核心、以卫星观测与地理信息系统为资料背景的沙尘天气集成预报系统,特别是其中的起沙模式.作者运用该系统预报了2002年春季的沙尘天气,并用天气观测和采样观测资料对预报效果进行了鉴定.分析表明,预报系统不仅能定性预报沙尘天气的空间分布与时间演变,而且能定量预报沙尘源地、大气中的沙尘浓度、沙尘的输送以及沉降.模式72 h的预报仍然有较高的可信度.另外讨论了存在的问题和今后的研究方向.       

微下击暴流的数值模拟

建立了一个具有极高分辨率的二维面对称微下击暴流数值模式，对干、湿两类微下击暴流线在云下的生成和演变过程进行了模拟试验，取得较理想结果。模拟湿微下击暴流线的各种主要结构和演变特征与实测结果吻合较好。干型微下击暴流由冰晶降水元在干绝热气层中下落时的蒸发致冷驱动，只产生了很小的地面降水和降温。 几百米厚的弱稳定层对干微下击暴流有明显阻挡和削弱作用。     

Numerical modelling of Bora winds

Summary The Bora winds are produced by cold stable air which pours over the Dinaric Alps, often producing intense winds along the Adriatic Coast. Although the flow appears qualitatively similar to the hydraulic flow described by the shallow-water equations, there are certain significant differences: the cold low-level air is continuously stratified and a critical layer in the winds typically occurs near the inversion which caps the cold pool of air. Through two-dimensional numerical mountain wave simulations, we investigate the extent to which hydraulic theory can be used to describe the Bora winds. We analyze the structure of the Bora flow derived from aircraft observations collected during the ALPEX field phase on 15 April 1982 and compare it with a numerical simulation initialized from upstream sounding data. By varying the environmental sounding in our simulations, we find that for this case, neither the critical layer nor the inversion layer play a fundamental dynamical role in generating the strong winds along the lee slope. Instead, the wave overturning which occurs beneath the inversion appears to be the most important factor in producing the strong response. This overturning produces shooting flow over the lee slope and strongly resembles the hydraulic flow which occurs both in shallow water theory and in simulations in which over-turning is suppressed. We believe the hydraulic jump-like mechanism producing the strong Bora slope winds is fundamentally similar to the underlying mechanism which produces the intense winds along the lee slope of the Rocky Mountains. This occurs despite significant differences in the character of the larger scale flow in these two situations.

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Numerische Modellierung der Bora

Zusammenfassung Die Borawinde entstehen durch kalte, stabile Luft, die über die Dinarischen Alpen fließt und dabei oft heftige Winde entlang der adriatischen Küste erzeugt. Obwohl die Strömung der mit Hilfe der Seichtwassergleichungen beschriebenen hydraulischen Strömung qualitativ ähnlich ist, gibt es bestimmte, signifikante Unterschiede: die kalte, bodennahe Luft ist kontinuierlich geschichtet und charakteristischerweise befindet sich eine kritische Windschicht nahe der Inversion, die den Kältesee abschließt. Mittels zweidimensionaler, numerischer Gebirgswellensimulationen untersuchen wir, in welchem Ausmaß die hydraulische Theorie zur Beschreibung von Borawinden herangezogen werden kann. Wir analysieren die Struktur der Boraströmung, die während der ALPEX-Meßphase am 15. April 1982 vom Flugzeug aus beobachtet wurde, und vergleichen sie mit einer numerischen Situation, die mit Daten aus einer Sondierung im Anströmgebiet initialisiert wird. Durch Variieren der Sondierung in den Simulationen haben wir herausgefunden, daß in diesem Fall weder die kritische noch die Inversionsschicht eine fundamentale dynamische Rolle bei der Entstehung der heftigen Winde entlang des leeseitigen Hanges spielen. Stattdessen scheint die umschlagende Welle unterhalb der Inversion der wichtigste Faktor bei der Erzeugung dieser heftigen Reaktion zu sein. Dieses Umschlagen erzeugt eine sehr schnelle Strömung über dem leeseitigen Hang und gleicht damit stark der hydraulischen Strömung, die sowohl in der Seichtwassertheorie vorkommt, als auch in Simulationen, in denen das Umschlagen unterdrückt wird. Wir glauben, daß der dem hydraulic jump ähnliche Mechanismus, der die heftigen Borahangwinde hervorruft, grundsätzlich dem Mechanismus gleicht, der die heftigen Winde entlang der leeseitigen Hänge der Rocky Mountains erzeugt. Und das, obwohl signifikante Unterschiede in den Eigenschaften der großräumigen Strömung in diesen beiden Situationen bestehen.

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With 12 Figures     

初论双三次数值模式

讨论在数学Rn空间里,存在孔斯双三次曲面拟合的可能数值模式(以下称双三次数值模式)。双三次数值模式特点是,在诊断上对天气系统中的由各个物理定律表述的(离散点)大气物理量场,可通过数学三次样条函数做双三次曲面拟合,则模式大气(包括天气系统)的各个物理量场均达到二阶可导,即是大气运动方程中的各个物理量场都存在各自的一、二阶空间微商,从而可以对模式大气与天气系统做时间积分。与有限差分模式和谱模式存在所谓的空间截断误差和波数截断误差相比较,双三次数值模式存在所谓的空间拟合误差,恰是现行有限差分模式空间截断误差的高阶小量。而双三次数值模式具有谱模式准确计算空间微商的优点,且双三次数值模式的数学构架能够较好地适应大气运动动力框架,是可与有限差分模式和谱模式相比较的另一数值分析新算法的气象数值模式。