集合动力因子对登陆台风“莫拉克”(0908)暴雨 落区的诊断与预报研究

“莫拉克”是2009年登陆我国热带气旋中影响范围最广、造成损失最大的台风.“莫拉克”带来的强降水导致台湾南部发生50年来最严重的水灾,福建、浙江等省的部分站点过程雨量超过50年一遇.因此,在台风暴雨(强降水)预报中,能否准确把握其落区就显得尤为重要.本文首先利用中尺度非静力数值模式WRF对台风“莫拉克”进行高分辨率数值模拟(三层嵌套,最高分辨率为2 km).模式较好地再现了台风中心的移动路径、强度;模拟的降水分布区域与实况也较为相符.利用再分析资料及模拟的高分辨率资料对暴雨成因进行诊断分析,表明造成此次强降水过程的水汽主要由西南季风输送,并且垂直运动旺盛,贯穿整个对流层.根据集合动力因子预报方法,运用广义湿位温、对流涡度矢量垂直分量及水汽散度通量对暴雨落区进行了诊断和预报,发现广义湿位温等值线的“漏斗状”区域与暴雨落区对应关系显著;基于NCEP-GFS每日四次的预报场资料,利用对流涡度矢量和水汽散度通量做出的降水落区预报表明,二者对降水落区均有一定的指示意义.强降水主要位于对流层中低层对流涡度矢量垂直积分量的梯度大值区附近,其时间演变与观测降水的演变具有相当高的一致性;水汽通量散度抓住了垂直运动和水汽散度这两个引发暴雨的关键因子,对降水的发生范围和强降水极值中心的判断更为准确.这三个动力因子都可以为“莫拉克”台风暴雨(强降水)落区提供信号,对台风暴雨落区具有一定的诊断和预报意义.     

动力因子对2006“碧利斯”台风暴雨的诊断分析

本文利用2006年登陆台风"碧利斯"暴雨过程高分辨率数值模拟资料, 结合湿热力平流参数、广义对流涡度矢量垂直分量、水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量、热力切变平流参数和 Q *矢量散度等8个动力因子, 对"碧利斯"台风暴雨进行诊断分析。结果指出:(1)8个动力因子在"碧利斯"台风强降水区均表现为强信号, 其中, 水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量等动力因子与降水强度的相关系数均达0.99以上, 与总云水物质的相关系数也均达0.97以上, 而热力切变平流参数与上述二者的相关系数最低, 达0.5左右;(2)8个动力因子中, Q *矢量散度随降水强度先增大后减小, 与"霰融化成雨水造成雨水增长"微物理过程随降水强度的变化相似, 热力切变平流参数随降水强度呈现"增大—减小—再增大"的变化特征, 而其他6个动力因子均呈现单调增长趋势, 与"雨水碰并云水造成雨水增长"微物理过程随降水强度的变化相类似;(3)总体看来, 水汽螺旋度、热力螺旋度、散度垂直通量、热力散度垂直通量4个动力因子与降水强度及雨水收支相关的总的云微物理过程转化率对应更好, 因此, 对降水的指示意义也更好。     

一次江淮暴雨的数值模拟及暴雨落区的诊断分析

利用MM5模式对2003年7月一次江淮暴雨过程进行了数值模拟,结果表明：MM5对本次暴雨落区的模拟较为成功。应用模拟结果对假相当位温、水汽通量散度、z-螺旋度及湿位涡等几个综合性物理量进行了诊断,得出的主要结论为：本次暴雨发生在高能舌的前部、能量锋区南缘和低空急流左前方三者叠加的区域;水汽通量散度比较好地反映本次暴雨的强度和落区;z-螺旋度不仅能反映降水系统,对降水系统的移动也有预报指示意义;本次暴雨过程中湿斜压性和涡度垂直分量与热力不稳定对湿位涡有同等大小的贡献。     

1215号“布拉万”台风暴雨及降水非对称性分布的成因分析

利用中尺度非静力模式WRF对2012年第15号台风“布拉万”在中国东北地区造成的暴雨过程进行了数值模拟,结合观测资料对模拟结果进行了验证,利用模式输出的高分辨率资料,对“布拉万”台风造成的强降水及其非对称性分布的成因进行了诊断分析。结果表明,模式很好地再现了台风登陆过程中的路径、强度变化和降水分布,受中纬度西风槽带来的干冷空气影响,“布拉万”台风登陆后的降水和环流结构具有明显的不对称性,降水主要集中在台风中心西北侧的能量锋区附近。水汽散度通量和水汽螺旋度能够较好地描述强降水过程的发生、发展及其非对称性分布的时空特征,在强降水区,水汽散度通量表现为正值强信号,而水汽螺旋度表现为负值强信号,在非降水区和弱降水区,两者均表现为弱信号。等熵位涡分析显示,对流不稳定只是此次台风暴雨前期和初始阶段的不稳定条件,而湿位涡(MPV)的湿斜压项(MPV₂)则是暴雨增强和出现非对称性分布的主要机制。在暴雨形成过程中,由于冷空气侵入造成了在台风环流西北侧湿等熵面的陡立倾斜和水平风垂直切变的增强,导致了气旋性涡度的显著增强,气旋性涡度增强造成的强烈上升运动将降水区东南侧输送过来的暖湿空气向上输送,从而导致了暴雨的发生,这其中条件性对称不稳定是降水得以加强的一种重要不稳定机制。     

超强台风“Saomai”的数值模拟及诊断分析

利用美国NCEP/NCAR全球预报系统的GFS资料以及中尺度非静力模式WRF,针对超强台风“Saomai”进行高分辨率数值模拟及诊断分析,模拟区域采用单层网格,分辨率为5km。研究结果表明,高分辨率数值模拟较好地再现了台风“Saomai”的发展演变过程及登陆情况。模拟的台风路径与实况较为吻合,变化趋势也基本一致;同时,模式对台风“Saomai”的环流场结构和台风登陆期间的累积降水分布特征也取得了较好的模拟效果。进一步通过850hPa涡度、相对螺旋度、水汽通量等对台风“Saomai”发展演变及登陆期间引起的暴雨开展模拟诊断,结果表明:在模拟时间段内,涡度和相对螺旋度的强中心与暴雨区中心有较好对应,水汽通量对降水趋势有较好的指示,上述诊断物理量的演变与降水的时空变化较为一致,在一定程度上具有指示意义。     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28-30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋式环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

动力因子对地形影响下的四川暴雨落区的诊断分析

本文分析了2010年7月16～18日地形作用下四川盆地的一次持续性暴雨过程,指出此次暴雨过程是在高低层系统配置较好的情况下发生的。并以NCEP资料为初值场对此次暴雨过程进行了数值模拟,结合实况对模拟结果进行对比分析。分析表明:模式对本次四川暴雨过程的模拟较为成功,能很好地再现此次暴雨的降水落区以及强降水中心。运用广义湿位温、广义对流涡度矢量垂直分量的垂直积分和质量垂直螺旋度对受大巴山脉影响的四川东北部的暴雨落区进行了诊断分析。分析指出,广义湿位温纬向平均的垂直剖面图上,等湿位温线的倒Ω区域与四川东北部的强降水落区吻合较好,等湿位温线的倾斜程度以及湿位温异常的高度可以定性地指示降水的强弱;对广义湿位温从800 hPa到500 hPa垂直积分,用得到的湿位温的水平分布来指示东北部的暴雨落区效果较 好;用改进垂直积分区间后的广义对流涡度矢量垂直分量比用传统的对流涡度矢量垂直分量来示踪四川东北部的暴雨落区效果更好;质量垂直螺旋度能有效刻画出四川东北部地区强降水系统的典型动力场垂直结构,因此与四川东北部的地面强降水具有很好的对应关系。     

造成湖南暴雨的三个登陆热带气旋数值试验

"圣帕"(0709)、"碧利斯"(0604)和"格美"(0605)是近两年给湖南省造成严重灾害影响的三个台风.本文利用GRAPES2.5 模式对3个登陆福建热带气旋进行了数值模拟分析,利用模式输出的1h基本物理量计算湿位涡.结果表明:湿位涡对台风特大暴雨的预报有指示意义,湿位涡绝对值随着暴雨的增强而增大,7月15日05-08时之间暴雨增幅最大,为113 mm/3 h,而湿位涡值也相应出现了最大的增幅120 PVU,此后两者又一致地逐渐减弱.     

2009年河南一次大暴雨过程的涡度方程诊断分析

利用NCEP／NCAR再分析格点资料、常规气象资料及中尺度WRF模式,对2009年8月28—30日发生在河南南部的一次暴雨过程进行中尺度数值模拟及诊断分析。结果表明,WRF模式对此次暴雨过程模拟效果较好,模拟物理量能够较好地反映暴雨的实际特征,模拟暴雨强度及落区与实况较一致。高空槽、副热带高压、超低空东风急流及低层风切变是此次暴雨的主要影响系统。利用涡度方程对暴雨过程进行诊断分析发现,涡度方程各项收支中,涡度平流作用与辐合辐散作用对涡度局地变化的贡献最大,垂直输送项与扭转项对涡度局地变化的贡献较弱。涡度平流项对中低层涡度局地变化表现出正反馈作用,垂直输送项、扭转项及辐合辐散项起着负反馈作用。涡度平流作用使得中低层气旋武环流加强,有利于中低层辐合加强,局地涡度增加。垂直输送项、扭转项及辐合辐散项使得低层辐合减弱,气旋性涡度减小。此外,利用垂直螺旋度等模拟产品对暴雨诊断分析发现,暴雨落区与垂直螺旋度大值中心、水汽通量散度负值中心等相对应,此次暴雨正是在良好的动力、水汽及热力条件下产生的。     

台风“凤凰”登陆过程的高分辨率数值模拟及其降水的诊断分析

本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2008年第8号台风 “凤凰” 的登陆过程开展了高分辨率数值模拟, 模拟采用3重嵌套, 最高分辨率3 km, 共积分120小时 (5天)。利用收集到的常规和非常规观测资料与模式模拟结果进行了细致的对比验证分析。结果指出, 模式较好地模拟再现了 “凤凰” 台风的发展演变以及登陆过程, 模拟的台风路径与观测路径较为一致, 同时模式也较好地把握住了整个模拟时段当中, “凤凰” 台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征, 模拟取得了初步成功。进一步, 利用高分辨率的模拟资料对此次台风登陆过程开展了散度垂直通量|Q|的诊断分析, 结果表明, 在整个研究时段内, |Q|的异常值区始终覆盖在地面雨区之上, 二者的空间分布和时间演变趋势比较相似, 并且在雨区内|Q|表现为强信号, 而在非雨区|Q|表现为弱信号。这表明散度垂直通量能够描述暴雨过程中低层大气辐合和高层大气辐散的垂直动力结构, 对强降水落区有较好的指示作用。     

登陆热带气旋降水增幅的合成诊断分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,采用动态合成分析方法,对登陆后降水增幅类和非增幅类热带气旋的大尺度环流特征做了合成分析和动力诊断.结果表明:增幅类热带气旋处于强经向型环流之中,中高纬度为阻塞形势,高层有急流入口区南侧的强辐散,并与西风槽相互叠加;低层有急流和水汽通道的长时间联结;热带气旋东侧还有次级环流相伴.非增幅类热带气旋环流背景相对平直,高空辐散弱,无西风槽叠加;低空急流减弱迅速,且水汽通道较早出现断裂;无次级环流出现.增幅类热带气旋高层存在显著非地转运动,高层南风急流入口区的强次地转运动和降水增幅紧密相关.     

第二类热成风螺旋度对登陆台风降水的诊断能力分析台风泰利个例研究

文中利用中尺度数值模式MM5模拟了台风泰利的登陆过程,模拟的台风路径、天气形势和降水都与观测基本一致,能够很好地反映出真实的天气过程.再利用数值模拟结果,研究了第二类热成风螺旋度(H_2)对登陆台风泰利降水的诊断能力,结果表明它对深入内陆的台风强降水具有较好的诊断能力,而对刚登陆前后的台风降水诊断能力不如经典螺旋度.特别地,H_2在提前1 h时与泰利降水达到最高相关系数,且在提前1-5 h时,它与降水的相关性比经典螺旋度的高,表现出十分显著的预示降水增幅的能力.进一步分析表明,在刚登陆前后,泰利台风中心850-200 hPa的风场垂直切变较小(约5 m/s),其最强降水出现在路径右侧300 km半径范围以内,与低空的正温度平流、低空辐合、高空辐散等无明显的关系,而低空相对涡度能够很好地反映降水的变化,这是经典螺旋度与降水在这一阶段相关性优于H_2的主要原因.而在深入内陆后,台风泰利本体环流减弱,受北部西风槽的影响逐渐增强,环境风场垂直切变迅速增大,发生强降水的庐山和大别山区处于顺垂直风切变方向左侧.在东北向的垂直风切变情况下,庐山和大别山强降水区上空有向东的高空急流出流,强高空辐散诱发垂直次级环流,从而激发对流,形成强上升运动区,因此H_2的诊断优势在这一阶段表现得最清楚.     

登陆热带风暴Bilis（2006）暴雨特征及其可能原因

利用NCEP/NCAR 1°×1°格点再分析资料、FY-2C TBB（black bright temperature）资料及中国740站降水资料,对0604号强热带风暴Bilis登陆后的暴雨特征及其可能原因进行诊断分析,结果表明：（1）Bilis登陆过程中强降水中心位于风暴中心西北侧沿岸,主要影响福建和浙江两省;进入内陆后强降水中心向风暴中心以西转移,最后在风暴中心西南侧聚集,主要影响广东东北部、福建、江西和湖南南部。（2）西北太平洋副热带高压的稳定少动为Bilis陆上西行过程中产生持续性降水提供了稳定的背景场。（3）Bilis西南部季风环流的发展增强为Bilis登陆后强降水的产生提供了必要的水汽条件。（4）涡合并和自激增长形成的中尺度系统与风暴涡旋的相互作用,是Bilis登陆后产生强降水的可能机制。     

Relation of the Second Type Thermal Helicity to Precipitation of Landfalling Typhoons: A Case Study of Typhoon Talim

This study utilized the MM5 mesoscale model to simulate the landfalling process of Typhoon Talim. The simulated typhoon track, weather patterns, and rainfall process are consistent with the observation. Using the simulation results, the relation of the second type thermal helicity (H ₂) to rainfall caused by the landfalling typhoon Talim was analyzed. The results show that H ₂ could well indicate the heavy inland rainfall but it did not perform as well as the helicity in predicting rainfall during the beginning stage of the typhoon landfall. In particular, H ₂ was highly correlated with rainfall of Talim at 1-h lead time. For 1–5-h lead time, it also had a higher correlation with rainfall than the helicity did, and thus showing a better potential in forecasting rainfall intensification. Further analyses have shown that when Talim was in the beginning stage of landfall, 1) the 850–200-hPa vertical wind shear around the Talim center was quite small (about 5 m s⁻¹); 2) the highest rainfall was to the right of the Talim track and in the area with a 300-km radius around the Talim center, exhibiting no obvious relation to low-level temperature advection, low-level air convergence, and upper-level divergence; 3) the low-level relative vorticity reflected the rainfall change quite well, which was the main reason why helicity had a better performance than H ₂ in this period. However, after Talim moved inland further, 1) it weakened gradually and was increasingly affected by the northern trough; 2) the vertical wind shear was enhanced as well; 3) the left side of the down vertical wind shear lay in the Lushan and Dabieshan mountain area, which could have contributed to triggering a secondary vertical circulation, helping to produce the heavy rainfall over there; hence, H ₂ showed a better capacity to reflect the rainfall change during this stage.     

Effects of vertical wind shear on convective development during a landfall of severe tropical storm Bilis (2006)

Effects of vertical wind shear on convective development during the landfall of tropical storm Bilis (2006) are investigated with a pair of sensitivity experiments using a two-dimensional cloud-resolving model. The validated simulation data from Wang et al. [Wang, D., Li, X., Tao, W.-K., Liu, Y., Zhou, H., 2009: Torrential rainfall processes associated with a landfall of severe tropical storm Bilis (2006): A two-dimensional cloud-resolving modeling study. Atmos. Res., 91, 94–104.] are used as the control experiment. The difference between the control and sensitivity experiments is that vertically varying zonal winds in the control experiment are replaced by their mass-weighted means in the sensitivity experiment. The imposed vertical velocity with ascending motion in the upper troposphere and descending motion in the lower troposphere is responsible for dominant stratiform rainfall on 15 July. The vertical wind shear does not have important impacts on development of stratiform rainfall. One day later, imposed upward motion extends to the lower troposphere. The inclusion of negative vertical wind shear produces well-organized convection and strong convective rainfall because it causes kinetic energy transfer from large-scale forcing to perturbation circulations.     

Diagnostic Analysis of Wave Action Density During Heavy Rainfall Caused by Landfalling Typhoon

Based on prior investigation, this work defined a new thermodynamic shear advection parameter, which combines the vertical component of convective vorticity vector, horizontal divergence, and vertical gradient of generalized potential temperature. The interaction between waves and fundamental states was computed for the heavyrainfall event generated by landfalling typhoon“Morakot”. The analysis data was produced by ADAS [ARPS (Advanced Regional Prediction System) Data Analysis System] combined with the NCEP / NCAR final analysis data (1° × 1°, 26 vertical pressure levels and 6-hour interval) with the routine observations of surface and sounding. Because it may describe the typical vertical structure of dynamical and thermodynamic fields, the result indicates that the parameter is intimately related to precipitation systems. The parameter’s positive high-value area closely matches the reported 6-hour accumulated surface rainfall. And the statistical analysis reveals a certain correspondence between the thermodynamic shear advection parameter and the observed 6-hour accumulated surface rainfall in the summer of 2009. This implies that the parameter can predict and indicate the rainfall area, as well as the initiation and evolution of precipitation systems.