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。     

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.     

高原横切变线与高原低涡关系的初步研究

基于大气运动方程组及散度方程,对高原横切变线上扰动稳定性问题以及切变线诱发高原低涡的动力学机制进行了理论分析并用欧洲中心(ECMWF)ERA-interim再分析资料对其进行验证。得出高原横切变线是高原低涡产生的重要背景场,切变线以南的水汽输送与辐合对于低涡的诱发作用是大气处于不平衡状态而引起散度场调整的结果,辐合增强区有利于高原低涡生成,低涡中心对应非平衡正值中心,低涡外围为非平衡项负值区。非平衡项负值大值与水汽辐合带的重叠区对降水落区有较好的指示意义。当高原南部的西南风带向东或东北方向移动或当低涡下游出现非平衡项负值中心时,低涡亦同向移动。若高原出现气旋式环流并且环流中心与非平衡项正值中心对应时,有利于低涡生成;进一步,当低涡中心与非平衡项正值中心对应且正值中心数值不断增大时,低涡趋于发展加强。     

季风涡旋对热带气旋生成影响的理想试验研究

利用新一代非静力平衡中尺度数值模式WRF_ARW（3.3.1版本）模拟季风涡旋中热带气旋生成的过程,从动力和热力作用两方面分析大尺度季风涡旋对热带气旋生成的影响。结果表明:从动力学角度来看,能提供较大环境场涡度的季风涡旋不利于扰动涡旋快速发展成热带气旋。初始阶段,由于季风涡旋尺度大,垂直涡度径向梯度弱。而垂直涡度径向梯度的强弱可以通过“涡度隔离”效应影响对流单体向涡旋中心的聚集合并过程。随着扰动的组织化,径向入流对涡度的平流作用越来越重要。对流单体相对最大风速半径的位置对热带气旋生成作用明显,当其集中在最大风速半径附近时涡旋容易快速发展。此外,环境场相对涡度与热带气旋的尺度存在显著正相关。初始尺度大的涡旋最终具有较大的外围尺度,其涡度的分布范围也更广。从热力学角度来说,较大的环境场相对湿度有利于热带气旋的生成。虽然较大的环境场湿度能够诱发较强的外围对流,但同时也会使最大风速半径以内存在丰富的对流,后者能够提供充分的内区非绝热加热,降低中心气压,促进涡旋发展。      

湿斜压性与热带气旋强度突变

应用湿位涡方程和倾斜涡度发展理论 ,研究了热带气旋内部相当位温结构的演变与其强度突变的可能关系 ,并用一套高分辨率的模拟资料对所得结论进行验证。结果表明 ,由于热带气旋眼壁附近等相当位温面陡立 ,湿斜压性变化所激发的倾斜涡度发展是引起该区域垂直涡度突然增大或突然减小的主要原因。当热带气旋中心附近大部分区域的垂直涡度显著增长时 ,热带气旋就会在整体上表现为爆发性或迅速发展。最后还据此对同心双眼结构的出现和消失如何影响热带气旋强度变化进行了探讨。     

台风“凤凰”初始扰动生成过程及其结构演变特征分析

热带气旋的生成是一个由初始扰动转变成为暖心结构低压的过程,但已有的经典理论对初始流场的配置及初始扰动的触发都没有详细的描述。利用FY-2C的TBB资料和日本再分析资料,以2008年8号台风“凤凰”为例,跟踪其流场和涡度场演变,追溯该热带气旋从初始扰动生成到转为有暖心结构的热带低压的过程。分析结果显示,初始扰动在水平风垂直切变较强的鞍形场中触发。随着高层环流调整,水平风垂直切变迅速减弱,高空冷涡外围暖区云系为初始扰动的发展提供了有利动力和热力条件。在其发展为热带低压的过程中,结构上出现正涡度从对流层中层向低层加强并有中心下降的特点,低层涡度的快速增加主要受气压梯度增强导致的辐合增强的影响。由个例分析结果可以看到,高空冷涡和副热带高压对热带初始扰动的生成以及发展和结构演变都起到重要的作用。      

惯性波的对流不稳定和台风形成初期阶段的物理分析

本文主要讨论在低纬度,当大气中水汽供给充分,并满足γ>γm的条件不稳定状态时所发生的热成风适应过程。这时适应过程的特点和文献[11]中所讨论的完全不同。在起始时,如果流场上的热成风涡度大于温度场的热成风涡度,当扰动的水平尺度小于适应的特征尺度L_0时,可引起惯性波的对流不稳定。这种不稳定的作用,可在较短的时间内(约24小时)造成上层是反气旋、下层是气旋和中心为暖中心的猛烈的涡旋形成。此外,本文还讨论了台风形成启动机制的动力学本质。指出:在热成风破坏方面,假如存在着造成流场上热成风涡度大于温度场热成风涡度的非热成风产生的机制,即可构成台风形成的启动机制。     

内核及外围尺度与热带气旋强度关系的初步研究

基于日本气象厅（JMA）区域谱模式（RSM）20 km分辨率的再分析资料,计算并统计了2001—2007年西北太平洋热带气旋逐6小时（共2 174个样本）的内核及外围尺度特征,初步分析了内核及外围尺度分别与热带气旋强度变化的关系。结果表明,外围尺度的增大（减小）有利于热带气旋的增强（减弱）;内核区较大（最大风速半径大于120 km）时,内核区的收缩（放大）有利于热带气旋的增强（减弱）;对于较小（最大风速半径不足120 km）内核区的热带气旋,其内核区的收缩（放大）反而易使热带气旋减弱（增强）。      

基于CISK理论对环境流场影响台风发生发展的分析

本文用一基于第二类条件性不稳定机制(CISK)的简单数值模式研究了由于非热成风的存在和环境风场垂直切变的水平变化对台风低压发生发展的影响。结果表明,环境风场的涡度分布在对流层低层为气旋性涡度随高度增加,而在对流层高层为反气旋性涡度随高度增加时有利于台风低压的发生发展;非热成风存在且与热成风符号相反时有利于台风低压的发生发展。      

热带气旋温湿非对称结构的比较研究

利用NCEP的CFSR 0.5 °再分析资料和日本东京台风中心的最佳路径集,对西北太平洋和南海海域1979—2010年间的热带气旋温湿水平非对称和垂直非均匀结构等进行了合成和对比分析。(1) 热带气旋流场的非对称随着气旋增强逐渐趋于轴对称化,而外包区及外围区比湿场的非对称性逐渐增强。(2) 热带气旋普遍具有“双暖心”的垂直非均匀分布结构特征;弱热带气旋的低层暖心相对较强而TY及以上强度的热带气旋高层暖心相对较强。(3) “暖心”的水平范围和形态随气旋的增强而扩大并更趋于轴对称,200 hPa高度场上较弱的热带气旋暖心附近为弱高压中心、较强热带气旋暖心附近为一低压中心。(4) 热带气旋的“湿心”主要位于700～850 hPa的低层,湿心强度随着气旋强度等级增加而增强,0.8 g/kg的比湿距平范围随TC强度增强而不断向高层延伸。(5) 气旋不同区域的各个层次假相当位温随气旋增强而增加,且各个强度级别的气旋不同区域增温速率均为内核区最大、外包区次之和外围区最小。      

THE RELATIONSHIP BETWEEN HORIZONTAL VORTICITY INDUCED BY VERTICAL SHEAR AND VERTICAL MOTION DURING A SQUALL LINE PROCESS

The horizontal vorticity equation used in this study was obtained using the equations of motion in the pressure coordinate system without considering friction, to reveal its relationship with vertical shear. By diagnostically analyzing each term in the horizontal vorticity equation during a squall line process that occurred on 19 June 2010, we found that the non-thermal wind term had a negative contribution to the local change of upward movement in the low-level atmosphere, and that its impact changed gradually from negative to positive with altitude, which could influence upward movement in the mid- and upper-level atmosphere greatly. The contribution of upward vertical transport to vertical movement was the largest in the low-level atmosphere, but had negative contribution to the upper-level atmosphere. These features were most evident in the development stage of the squall line. Based on analysis of convection cells along a squall line, we found that in the process of cell development diabatic heating caused the subsidence of constant potential temperature surface and non- geostrophic motion, which then triggered strong convergence of horizontal acceleration in the mid-level atmosphere and divergence of horizontal acceleration in the upper-level atmosphere. These changes of horizontal wind field could cause a counterclockwise increment of the horizontal vorticity around the warm cell, which then generated an increase of upward movement. This was the main reason why the non-thermal wind term had the largest contribution to the strengthening of upward movement in the mid- and upper-level atmosphere. The vertical transport of large value of horizontal vorticity was the key to trigger convection in this squall line process.     

台湾地形对台风Meranti(1010)经过海峡地区时迅速增强的影响研究

台风在趋近大陆过程中强度一般衰减, 但Meranti(1010)北上进入台湾海峡过程中却迅速加强, 且在登陆福建时达到最强。采用中国气象局台风资料、NCEP GFS 0.5°×0.5°再分析资料及台湾雷达资料, 结合中尺度数值模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)开展台湾地形敏感性试验, 研究Meranti进入台湾海峡过程中的结构变化及迅速加强机理。结果表明:台湾地形是Meranti迅速加强的一个重要影响因子。Meranti北上过程中, 一方面通过台湾岛地形分流作用及其背风坡效应在台湾海峡内诱生中尺度涡旋, 形成正负相间的涡度分布, 激发出与台风相关的扰动波列。地形强迫抬升及扰动波列可加强垂直运动和积云对流, 有利于台风对流发展。另一方面, 台湾地形还通过改变环境气流使台风高空辐散场加强, 环境风垂直切变减小, 形成有利于台风发展的环流背景。比较不同高度台湾地形试验中台风动能收支发现, 台湾地形激发的扰动波列和积云对流增强了次网格尺度系统与台风间能量的交换, 成为Meranti登陆前迅速加强的主要动能源。     

陕北一次秋季连阴雨过程的天气动力学分析

利用常规气象观测资料,对2008年12月20日-22日运城出现的寒潮大风天气过程,从高空、地面天气形势以及物理量场进行了综合分析。结果表明：本次寒潮属于贝湖横槽迅速转竖型,冷高压及冷锋迅速南下,导致寒潮爆发。物理量场上,横槽前有正涡度中心和强烈的上升运动,槽后负涡度及强烈的下沉运动使得横槽迅速转竖;自下而上强的垂直风切变,使得高空风动量下传,巨大的水平气压梯度和变压差,引起地面大风。     

热力强迫对局地环流的扰动作用

用积分变换法求解了包含地面加热作用的二维不可压缩流体的Boussinesq方程组,得到一组描述地面加热作用激发的局地扰动流场的解析解,主要有垂直风、水平扰动风、扰动气压、扰动温度。进而用动力学分析的观点结合图形分析,定性讨论了热力强迫作用对局地环流的扰动作用,以及加热影响下各物理扰动场的空间分布及时间演变特征。     

切变风螺旋度和热成风螺旋度在东北冷涡暴雨中的应用

引入切变风螺旋度和热成风螺旋度, 并将其应用于东北冷涡暴雨的诊断分析。理论上, 切变风螺旋度定义为风速垂直切变与绝对涡度矢量的点积, 表示风速垂直方向的分布不均匀对涡管的扭转效应, 由扭转项和垂直涡度的辐合辐散项两部分组成。热成风螺旋度是在切变风螺旋度的基础上利用地转关系和热成风关系得出的简化形式, 其强度和符号取决于上升气流和暖湿空气的配置。相对于切变风螺旋度, 热成风螺旋度的计算只需要单平面层的资料即可, 避免了垂直差分计算, 这大大弥补了台站观测中垂直层密度稀疏或者边界层的处理等问题的不足, 使得计算大大简化, 便于业务应用。在以上定义和理论分析的基础上, 选取一次东北冷涡降水过程进行数值模拟, 利用模式输出的中尺度资料, 诊断分析这次降水过程中的切变风螺旋度和热成风螺旋度。分析表明, 降水中心位于切变风螺旋度的正值和负值区的边界, 与降水的强度变化一致; 而作了热成风近似后的切变风螺旋度中的扭转项 (即热成风螺旋度), 与切变风螺旋度相似, 也能较好地诊断降水和对流 (尤其是强降水和强对流) 的发展, 而且其对暴雨的诊断优于传统的螺旋度。     

西北太平洋热带气旋频数的气候变化及其与环境要素间的联系

使用Emanuel和Nolan完善的潜在生成指数(GPI)的计算方法,利用美国联合台风警报中心提供的热带气旋(TC)资料和欧洲中期数值天气预报中心提供的全球ERA-40再分析资料,比较了1970-2001年西北太平洋海域的TC生成频数和GPI的气候特征,分析了包含于GPI中的环境要素对西北太平洋TC频数年代际变化空间分布的影响.结果表明:GPI能近似地表述西北太平洋TC频数的季节变化和空间分布.各环境要素对TC、较弱类TC和较强类TC生成频数的影响有显著差异,相对湿度随着TC强度的增强而减弱,风速垂直切变则相反.西北太平洋TC频数年代际变化空间分布的正异常主要分布于130°E以东,(15°N,140°E)附近最大的正异常频数中心主要受绝对涡度和相对湿度正异常变化的影响;负的风速垂直切变和正的相对湿度异常变化引起了(10～15°N,160°E)附近的TC频数正异常.     

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。      

Circulation Features Associated with the Record-breaking Typhoon Silence in August 2014

Climatologically, August is the month with the most tropical cyclone(TC) formation over the western North Pacific(WNP) during the typhoon season. In this study, the reason for abnormal TC activity during August is discussed—especially August 2014, when no TCs formed. The large-scale background of August 2014 is presented, with low-level large-scale easterly anomalies and anticyclonic anomalies dominating over the main TC genesis region, a weak monsoon trough system,and a strong WNP subtropical high(WPSH), leading to significantly reduced low-level convergence, upper-level divergence,and mid-level upward motion. These unfavorable large-scale conditions suppressed convection and cyclogenesis. In August2014, equatorial waves were inactive within the negative phase of the Madden–Julian Oscillation(MJO), with fewer tropical disturbances. Although the low-level vorticity and convection of those disturbances were partly promoted by the convective envelopes of equatorial waves, the integral evolution of disturbances, as well as the equatorial waves, were suppressed when propagating into the negative MJO phase. Moreover, the upper-level potential vorticity(PV) streamers associated with anticyclonic Rossby wave breaking events imported extratropical cold and dry air into the tropics. The peripheral tropospheric dryness and enhanced vertical wind shear by PV streamer intrusion combined with the negative MJO phase were responsible for the absence of TC formation over the WNP in August 2014.     

FORMATION AND STRUCTURAL EVOLUTION OF INITIAL DISTURBANCE OF TYPHOON FUNG-WONG (2008)

The formation of a tropical cyclone is the result of a process in which an initial disturbance evolves into a warm-core low-pressure system; however, the origin of the initial disturbance and the features of the initial fields are overlooked in most existing theories. In this study, based on FY-2C brightness temperature data and the Japan reanalysis dataset, the origin and evolution of the tropical disturbance that became Typhoon Fung-Wong (2008) were examined. The results demonstrated that the initial disturbance emerged within a saddle-type field with large vertical tropospheric wind shear. The vertical wind shear decreased with the adjustment of the upper circulation; moreover, accompanied by convection over the warm section around the upper cold vortex, it provided favorable thermal and dynamic conditions for the development of a tropical vortex. During its development, the zone of associated positive relative vorticity strengthened and descended from the mid-troposphere to lower levels. This rapid strengthening of lower-level vorticity was due to increasing convergence related to the intensification of the pressure gradient southwest of the subtropical high. This indicated that the upper cold vortex and West Pacific subtropical high played very important roles in this case.