基于肥尾效应的热带气旋迅速增强和路径突变研究

从KOWCH and EMANUEL（2015）的结论“热带气旋的快速增强过程并无特殊物理机制在起作用”出发,利用JTWC西北太平洋TC最佳路径数据集（best track）和3种不同积云对流参数化方案模拟的数据资料对西北太平洋上热带气旋的强度变化和路径偏折进行研究分析,进行重新验证,得出以下结论：①决定TC的迅速增强过程和非快速增强过程的物理机制是有差异的;②肥尾效应在TC路径突变中比TC在迅速增强中更明显;③不同对流参数化方案对TC的强度变化模拟不同,其中KFMT方案模拟效果最好,KF方案次之,SAS方案最差。但无论是KF、KFMT还是SAS方案,对TC强度迅速增强的模拟能力都很弱,在减弱阶段均能较好模拟;④ 3种方案对TC路径偏折的模拟都较好,两端皆有较明显的肥尾现象,表明TC的路径突变确实是有特殊物理机制在起作用。     

西北太平洋TC移动速度异常及预报误差特征的分析

利用国家气象局和上海台风研究所(CMA-STI)整编的西北太平洋1970—2009年热带气旋(TC,Tropical Cyclone)及TC最佳路径数据集和2005—2010年的TC路径预报误差资料,应用百分位法,确定TC移动速度异常指标,分析了40 a来西北太平洋TC移动速度及其变化异常发生的时空分布特征,研究了TC速度预报误差对路径预报误差的影响及其与大尺度引导气流之间的关系。结果显示:1)西北太平洋TC移速及移速变化累积概率达95%(5%)分位数的阈值分别为10.8 m·s~(-1)(1.43 m·s~(-1))和2.42m·s~(-1)(-1.72 m·s~(-1))。2)快速移动及加速的TC大都出现在日本海地区,而缓慢的和减速移动TC主要出现在南海区域。3)TC移动速度异常的季节变化表现为,快速移动的TC在5月出现的频率达到最高,缓慢移动的TC在10月频率达到最高,加速移动的TC在6月频率达到最高。4)近6 a的TC移速预报误差对TC路径预报误差的贡献平均约为41.6%。5)对TC路径预报误差偏大,且移速预报误差贡献大的个例分析显示,该个例大尺度环境引导气流偏弱使TC移动速度偏慢。而如果预报的大尺度环境引导气流偏强,使预报的TC移速偏快,那么就容易导致大的路径预报误差。     

2006年7—9月西北太平洋热带气旋季节活动的数值模拟

利用NCEP（National Centers for Environmental Prediction）提供的1°×1°的FNL（final）资料和中尺度WRF（Weather Research and Forecasting）模式,研究了热带气旋（tropical cyclone,简记TC）动力季节预报的可能性,通过在27km的粗网格中运用张弛逼近（Nudging）技术,对2006年7-9月西北太平洋TC活动进行了92d的连续数值积分。与观测结果比较表明,WRF模式不仅较好地模拟了MJO（Madden-Julian oscillation）和准双周振荡的活动情况,而且模拟的TC频数、移动路径和强度都与实际观测结果比较接近。在嵌套的9km网格中,不仅模拟出眼墙、暖心等TC结构的主要特征和TC的西行盛行路径及登陆活动情况,而且所模拟的生成过程包括早期研究中提出的TC生成过程中的两次快速发展的过程。模拟的TC初始涡旋主要出现在季风槽中,伴随准双周振荡活动,它的第一次发展在初始涡旋中心形成强烈的对流区;经过一段时间的减弱后,在有利的大尺度形势下,涡旋中心湿水汽层迅速增厚,导致气旋的第二次强烈发展。     

台湾岛地形对台风“海棠”(0505)移动路径影响的数值试验研究

利用非静力模式MM5模拟台风“海棠”（0505）穿过台湾岛再次登陆的移动路径，分析了“海棠”登陆台湾岛前后结构特征变化。结果表明：台风自身的非对称结构与台风异常移动路径密切相关。另外，就台湾岛地形对台风“海棠”登陆台湾前打转和在台湾海峡出现“V”型移动异常路径影响进行数值试验表明：台湾岛地形不但可以直接影响台风移动路径，而且通过影响台风非对称结构来改变台风移动路径，因此，登陆台湾前逆时针打转异常路径是在弱引导气流中台风自身非对称结构和台湾岛地形共同作用的结果；台湾岛地形有使台风东北-西南向非对称增大趋势，而在台风进入台湾海峡前后对东南。西北向非对称有明显不同影响。     

对流层中层中尺度涡旋在台风榴莲(2001)生成中的作用—数值模拟及验证

西太平洋热带气旋（TC）的生成和季风槽及中尺度对流系统（MCS）的活动有密切关系,但以往这方面的实例数值模拟很少。为了进一步探讨由MCS对流强迫产生的对流层中层中尺度涡旋（MCV）在TC生成中的作用,作者利用非静力平衡的中尺度模式PSU/NCAR MM5对台风榴莲（2001）的生成过程进行了高分辨率（6 km）数值模拟和比较验证。结果表明:模式成功地模拟出榴莲的生成地点,其与MCS的相对位置关系与以往的观测研究结果一致;模拟的TC移动路径、强度变化与最优观测报告比较接近,准确反映了TC未来登陆地点,以及中心气压缓慢下降和迅速下降两个阶段;对云系演变的模拟,成功模拟出了TC初生时的涡旋云系和季风槽中MCS云系的分离现象,以及在TC登陆前达到成熟阶段时出现的台风眼和螺旋云带。此外,模式还成功模拟出中层MCV,它的水平尺度约200 km,位于800~400 hPa之间,具有暖心结构等,均与已有观测结果相近。模式初始场中包含有充分的MCS信息,是模拟取得成功的关键因素之一。     

环渤海地区下垫面对北上热带气旋强度变化的影响分析

利用统计分析结合数值模拟试验的方法,研究1949—2019年6—9月登陆北上后影响环渤海地区的热带气旋（后统称TC）所经下垫面和强度变化的不同特征,及环渤海地区下垫面对TC强度加强的可能影响。结果表明：71年间共有25例TC影响环渤海地区,按照首次登陆点的不同将其分为山东及山东以北登陆（第一类,11个）,以及山东以南登陆（第二类,14个）两类,第一类TC北上时路径所经下垫面为先海洋后陆地,发生变性的几率较小且北上后无加强,第二类路径所经下垫面为先陆地后海洋,移入环渤海区域后发生变性的几率增大且存在强度加强现象,其中加强的TC共5例;对第二类TC中强度加强的个例“温比亚（2018）”TC进行数值模拟试验表明,增加或降低黄渤海的海温时,TC均表现出加强趋势,将黄渤海修改为草地时,TC不再加强,而海陆分布指数的分析表明无论海温如何变化,TC由陆地移入海洋与强度加强趋势之间关系密切。以上表明TC由陆地移入黄渤海是产生强度增强趋势的主要原因。     

基于GRAPES模式模拟强台风“珍珠”数值分析

以T213L30模式产品及常规观测资料为基础,采用GRAPES数值预报模式对强台风“珍珠”（0601）的演变过程进行了数值模拟。结果表明,GRAPES模式对“珍珠”的加强、移动路径和产生的暴雨都有较好的预报能力,尤其是对“珍珠”南海西行突然顺转90°折向北行异常路径的预报较为理想,且登陆点预报准确。通过对形势场（500hPa高度场、海平面气压场）、物理量场（温度、涡度、垂直速度、散度）、流场的数值模拟分析,认为“珍珠”路径的转折变化与副热带高压的东撤南退、冷空气的变化、越赤道气流的变化、台风的非对称结构有关。     

西北太平洋热带气旋移动方向变化异常的环流特征

基于中国气象局和上海台风研究所整编的1972-2011年热带气旋(TC)best-track资料,采用极端天气气候事件定义的百分位法确定TC移动方向异常变化的阈值,利用Lanczos滤波法将大气环流分解成为季节内振荡(MJO)、准两周振荡(QBW)和天气3种尺度环流场,研究这3种尺度环流对热带气旋在南海地区异常北折的影响。结果表明:近40 a的资料统计显示,热带气旋12 h内移向逆时针方向偏转50°以及顺时针方向偏转47°为TC移动方向变化的95%分位数值,将12 h移动方向变化大于该数值的TC定义为移动方向变化异常。TC异常路径平均每年发生2.68次,9月份发生的概率最大,约为7%,最常发生在南海海域。分析3个发生在南海地区热带气旋异常北折的引导气流发现,在TC转向前,向西的引导气流纬向速度减慢,经向分量先向南加速,随后突然转为向北加速。天气尺度对应的引导气流对TC异常右偏影响最为明显,对流层中高层热带气旋中心东南侧强天气尺度西南气流引导TC异常右偏。     

台风Maggie路径异常的数值研究

台风Maggie（1999年）是近年来比较特殊的一个台风，所有台风预报中心均未能准确预报其登陆前的异常路径。通过两个数值试验揭示了台风Maggie路径异常的原因。即Maggie路径异常的主要原因是它与邻近的一个热带气旋相互作用的结果。     

东亚高空纬向风的季节内振荡对登陆中国大陆热带气旋活动的影响

使用1979—2015年欧洲长期天气预报中心所提供的ERA-Interim再分析资料和中国气象局上海台风研究所整编的西北太平洋热带气旋（TC）最佳路径资料,分析了7—8月东亚高空纬向风的季节内振荡（ISO）信号特征及其与登陆中国大陆热带气旋（TC）的关系。结果表明:（1）200 hPa纬向风在副热带、中纬度地区季节内振荡显著,尤其是在纬向西风带中,有两个南北分布的大值中心,方差贡献均超过50%。（2）基于东亚高空纬向风的ISO和EOF典型空间模定义的西风指数(EAWI),可以用来描述东亚高空纬向西风在ISO尺度上的经向移动。（3）在西风指数的ISO负位相期间,登陆中国东南沿岸22 °N以北的TC增多;反之减少。在西风急流出口南侧的副热带区域,200 hPa ISO纬向风向北移动,使纬向西风位置偏北,出现东风异常,从而使西风减弱;TC引导气流为向西的异常,有利于TC登陆中国大陆偏北沿岸;同时有异常的ISO纬向异常东风切变,有利于TC登陆过程的维持。（4）在西风指数的ISO负位相期间,在对流层高层西风急流出口区向南输送的天气尺度的E矢量,在TC登陆地区,出现异常扰动涡度通量的辐合,引起了该区域的西风减弱。      

An Application of the Adjoint Method to a Statistical-Dynamical Tropical-Cyclone Prediction Model (SD-90) Ⅱ: Real Tropical Cyclone Cases

In the first paper in this series, a variational data assimilation of ideal tropical cyclone (TC) tracks was performed for the statistical-dynamical prediction model SD-90 by the adjoint method, and a prediction of TC tracks was made with good accuracy for tracks containing no sharp turns. In the present paper, the cases of real TC tracks are studied. Due to the complexity of TC motion, attention is paid to the diagnostic research of TC motion. First, five TC tracks are studied. Using the data of each entire TC track, by the adjoint method, five TC tracks are fitted well, and the forces acting on the TCs are retrieved. For a given TC, the distribution of the resultant of the retrieved force and Coriolis force well matches the corresponding TC track, i.e., when a TC turns, the resultant of the retrieved force and Coriolis force acts as a centripetal force, which means that the TC indeed moves like a particle; in particular, for TC 9911, the clockwise looping motion is also fitted well. And the distribution of the resultant appears to be periodic in some cases. Then, the present method is carried out for a portion of the track data for TC 9804, which indicates that when the amount of data for a TC track is sufficient, the algorithm is stable. And finally, the same algorithm is implemented for TCs with a double-eyewall structure, namely Bilis (2000) and Winnie (1997),and the results prove the applicability of the algorithm to TCs with complicated mesoscale structures if the TC track data are obtained every three hours.     

An Application of the Adjoint Method to a Statistical-Dynamical Tropical-Cyclone Prediction Model (SD–90) II: Real Tropical Cyclone Cases

In the first paper in this series, a variational data assimilation of ideal tropical cyclone (TC) tracks was performed for the statistical-dynamical prediction model SD-90 by the adjoint method, and a prediction of TC tracks was made with good accuracy for tracks containing no sharp turns. In the present paper, the cases of real TC tracks are studied. Due to the complexity of TC motion, attention is paid to the diagnostic research of TC motion. First, five TC tracks are studied. Using the data of each entire TC track, by the adjoint method, five TC tracks are fitted well, and the forces acting on the TCs are retrieved. For a given TC, the distribution of the resultant of the retrieved force and Coriolis force well matches the corresponding TC track, i.e., when a TC turns, the resultant of the retrieved force and Coriolis force acts as a centripetal force, which means that the TC indeed moves like a particle; in particular, for TC 9911, the clockwise looping motion is also fitted well. And the distribution of the resultant appears to be periodic in some cases. Then, the present method is carried out for a portion of the track data for TC 9804, which indicates that when the amount of data for a TC track is sufficient, the algorithm is stable. And finally, the same algorithm is implemented for TCs with a double-eyewall structure, namely Bilis (2000) and Winnie (1997), and the results prove the applicability of the algorithm to TCs with complicated mesoscale structures if the TC track data are obtained every three hours.     

DYNAMIC ANALYSIS OF INHERENT CAUSES FOR DEVIATION OF TROPICAL CYCLONE TRACKS

To have a clearer picture of mechanisms responsible for the deviation of tropical cyclone (to be simplified as TC hereafter) tracks, the current work assumes the TC as a circular vortex with a radius of R. A general motion equation of TC is then determined by averaging its horizontal motion equation over the sentire region of TC. In the meantime, with the moving track of TC assumed as a characteristic arc, the curvature equation is derived for the track of movement and patterns of its deviation due to TC structure and variation are discussed. The result shows that the scale, size, maximum wind speed and radius are factors causing the deviation of TC tracks. In addition, asymmetric structure of TC is also important for the deviation of tracks. The results, achieved with hypothesis, agree with facts in some cases but disagree with them in others, which are to be verified with more observations or numerical simulations.     

GRAPES-TCM业务试验结果分析

应用数值模式GRAPES-TCM2.1（GT2.1）的升级版GRAPES-TCM2.6（GT2.6）对2005年西北太平洋及南海热带气旋路径进行了后报试验和性能检验。在检验预报路径时考察了平均距离误差、系统偏差、距离误差的地理分布和平均移速误差,并在总体检验的基础上,根据与热带气旋路径相关的重要因素（路径类型、强度、有无登陆过程以及有无移向或移速突变）进行了分类检验。结果表明,GT2.6表现出良好的预报性能,其对所有样本的24、48和72小时平均距离误差分别为135.8、230.7和336.0km,但前12小时距离误差较大（近100km）。用系统偏差订正GT2.6对转向类样本的预报路径可获得明显的改进。GT2.6对130°E以西区域特别是靠近我国东南沿海的热带气旋路径预报表现较好。GT2.6的总体平均预报移速在48小时内都比最佳路径移速偏快,初始的12小时内偏快最多（近1m·s^-1）,在48小时后转为偏慢。GT2.6和GT2.1的前48小时路径预报性能的稳定性相当,总体误差特征相似,GT2.6对所有样本的48小时预报有显著改进,平均距离误差减小17km。初步分析表明,对GT2.6的改进应主要集中在数值预报初始场的改进方面,比如在初始化过程中采用较准确的涡旋分离方案、加入引导向量改进初始移动以及适当考虑加入非对称Bogus涡旋;扩大预报区域,并适当选取预报区域起始位置等。     

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.     

THE ENSEMBLE FORECASTING OF TROPICAL CYCLONE MOTION I：USING A PRIMITIVE EQUATION BAROTROPIC MODEL

1INTRODUCTIONErrorsofnumericalforecastingcomprisethoseintheinitialvalue,modelandcomputationandthefirstkindoferrorbecomesmoreandmoreoutstandingwiththeon-goingdevelopmentofcomputersandnumericalmodels.Subjecttoavailableobservationmeans,therealatmosphereisanythingbutapproximatelymeasured.Meanwhile,oneshouldpayattentiontothepossibility,assuggestedbyLorenz[1],thatanyslightdifferencesduringtheinitialstatemayleadtoresultsthatturnouttobetotallydissimilarfromwhatwouldbeexpectedotherwise,asfarasdefi…     

The Effect of Asymmetric Wind Structures of Tropical Cyclones on Their Tracks

1. IntroductionStudies on the tracks of tropical cyclones (TCs)have been one of the core problems in TC dynamics.In earlier researches, TCs are often viewed aspoint vortices, Rankine vortices. For example, Yeh(1950) and Kuo (1969), adopting dynamical methods,studied the motions of TCs and the effects of environ-ments. Their findings indicated that the motion tracksof TCs are characterized by cyclonic trochoidal oscil-lations.Syono (1955), by solving the barotropic vorticityequation, obta…     

TOVS中热带气旋结构及其在数值预报中的应用

利用TOVS资料分析了2000年几个热带气旋的结构,发现与经典概念模型所描述的结构有一定的差异,主要表现在:(1)在水平结构上,非对称结构呈多样性,高度场的低层低值中心(或高层高值中心)与温度场的高值中心并不一定重合;(2)在垂直结构上,高度场的低层低值距平与高层高值距平的配置也呈多样性,特别是存在上、下层距平中心倾斜,或高层只是处于高压区的边缘,不存在明显的高值距平中心与热带气旋相对应.还参照TOVS中的热带气旋结构,进行了修订热带气旋数值预报模式系统中人造台风模型(台风BOGUS)结构的研究,发现修订后的台风BOGUS 能够更好地与环境场协调,并且能对热带气旋的路径预报取得较好的效果.这一方面说明了台风BOGUS的结构对其路径预报有较大的影响,另一方面也说明利用TOVS资料中的热带气旋结构能改善热带气旋路径预报.这也为台风BOGUS的修订和发展提供了依据.     

热带气旋的路径及登陆预报

用几个非线性数学模型制作热带气旋短期路径预报及热带气旋个数、登陆时段、地段的短期气候预报。5年多的研究和预报试验结果表明：用指数曲线模型制作热带气旋路径预报，准确率较高。24h预报，199次平均误差123km，达到国内先进水平。用多项式等非线性模型，制作登陆我国及登陆广东热带气旋的年、月个数预测，经过3年实际应用检验，准确率达到70％～90％。用非线性预测模型的逐日气压场、逐日雨量场长期预测结果进行分析，制作广东热带气旋登陆时段、地段和南海海面热带气旋出现时间的预报，准确率达到70％～80％，2002年热带气旋的预报，采用长中短期预报相结合，数值预报与统计预报相结合，预报效果较佳。     

Modulation of low-latitude west wind on abnormal track and intensity of tropical cyclone Nargis (2008) in the Bay of Bengal

Tropical cyclone (TC) Nargis (2008) made landfall in Myanmar on 02 May 2008, bringing a storm surge, major flooding, and resulting in a significant death toll. TC Nargis (2008) displayed abnormal features, including rare eastward motion in its late stage, rapid intensification before landing. Using reanalysis data and a numerical model, we investigated how a low-latitude westerly wind modulated TC Nargis’ (2008) track and provided favorable atmospheric conditions for its rapid intensification. More importantly, we found a possible counterbalance effect of flows from the two hemispheres on the TC track in the Bay of Bengal. Our analysis indicates that a strong westerly wind burst across the Bay of Bengal, resulting in TC Nargis’ (2008) eastward movement after its recurvature. This sudden enhancement of westerly wind was mainly due to the rapidly intensified mid-level cross-equatorial flow. Our results show that a high-pressure system in the Southern Hemisphere induced this strong, mid-level, cross-equatorial flow. During the rapid intensification period of TC Nargis (2008), this strong and broad westerly wind also transported a large amount of water vapor to TC Nargis (2008). Sufficient water vapor gave rise to continuously high and increased mid-level relative humidity, which was favorable to TC Nargis’ (2008) intensification. Condensation of water vapor increased the energy supply, which eventuated the intensification of TC Nargis (2008) to a category 4 on the Saffir-Simpson scale.