南海中尺度大气-海流-海浪耦合模式的建立及应用

考虑到我国南海特殊的战略位置和复杂的海气相互作用特征,基于中尺度大气模式(MM5)、区域海洋模式(POM)和第三代海浪模式(WW3),利用消息传递的并行编程方案,建立了适用于我国南海海区的中尺度大气-海流-海浪三元耦合模式系统,将该系统用于对南海典型台风过程的模拟研究。结果表明:耦合模式运行高效稳定,较好模拟了两次台风过程,与非耦合大气模式相比,提高了对台风路径和强度的模拟准确率;耦合模式模拟出了上层海洋对台风系统的响应特征,在台风中心附近,海面温度降低,海表流场和海浪场增强,相对于台风路径,响应具有右偏性;耦合模式中的波浪效应增强了海表应力,阻碍了台风系统的发展,增强了海面降温幅度和海流近惯性振荡的振幅。大气-海流-海浪耦合模式系统是研究南海中尺度海-气相互作用,提高南海区域气象水文预报能力的一种有效手段。      

中尺度海-气相互作用对台风暴雨过程的影响研究

利用中尺度海-气耦合模式MCM对两个典型台风过程进行了数值模拟试验,定量地分析了海-气相互作用对台风暴雨的影响,并探讨了这一影响的物理机制。结果表明,模式MCM能成功模拟台风的路径、强度以及台风暴雨的落时、落区。考虑海-气相互作用能使台风中心气压48和72 h分别回升9.9和3.5 hPa,使后续时段的台风对流性降水减小40~100 mm,还明显改变了非对流性降水分布。耦合与非耦合试验对比分析初步表明,海-气相互作用影响台风暴雨的机制是一种通过台风大风区附近海平面温度(SST)下降来调节的负反馈机制。     

海气相互作用对台风结构的影响

利用前期工作中耦合试验和未耦合试验对台风Krovanh(2003年)数值模拟的结果,分析了海-气相互作用对台风结构的影响。结果表明,台风引起的海面降温大大降低了海洋向大气输送的潜热通量,同时使得感热通量向下传递到海洋。另一方面,台风引起的海表面温度(SST)降低,反馈到台风使其结构轴不对称性加强,且在中高层尤为显著。分析了台风对称结构的基本特征。     

海浪和海洋飞沫对“珊珊”台风影响的数值研究

台风是剧烈的天气系统,在开放的海上强风激起大浪,改变了海表粗糙度,同时,海浪顶端的白泡沫破碎,在海-气界面处会出现大量的海洋飞沫。基于共享内存的进程间通信技术应用到区域大气和海浪模式的耦合中,大气模式引入了Fairall和Andreas两种海洋飞沫参数化方案,对2006年珊珊台风进行了模拟对比试验,结果表明:耦合模式通过海-气相互作用,对台风的强度产生影响,由于耦合模式在海表粗糙度的计算上考虑了海表状况,使得耦合模式模拟的台风强度更接近实况,而对台风的移动路径影响不大;耦合模式中海-气相互作用主要通过动力因素来对台风产生影响,海表状况影响了海表粗糙度,从而使台风的动量输送发生变化,具体的台风强度增强还是减弱主要取决于海表状况与实况的符合程度;海洋飞沫参数化主要通过热力场的改变来影响动力场,Fairall方案中潜热通量和感热通量得到很大程度的加强,使得台风的热力结构得以改变,台风强度明显加强,从而影响了动力场结构;Andreas方案由于其界面通量算法在高相对湿度条件下计算界面通量时得到的量值较小,虽然高风速条件下感热通量加大,但总的潜热通量、感热通量较Fairall方案为弱,因此,模拟的台风强度不强;海洋飞沫参...     

南海中尺度大气海浪耦合模式及其对该区一次强台风过程的模拟研究

利用中尺度大气模式MM5(V3)和第3代海浪模式WWATCH建立考虑大气-海浪相互作用的风浪耦合模式.在耦合模式中引入考虑波浪影响的海表粗糙度参数化方案,大气模式分量提供海面10 m风场驱动海浪模式分量运行,并利用海浪模式分量反馈的波龄参数计算海表粗糙度.利用耦合模式模拟南海的一次台风过程,通过3组对比试验,检验耦合模式对台风过程的模拟效果并研究大气-海浪相互作用对台风过程的影响.结果表明:耦合模式能够较好地模拟南海的台风过程,与非耦合大气模式相比,其模拟的台风强度略有增强,路径变化不大;耦合模式对台风过程中海表热通量及降水影响显著,在台风充分发展过程中,耦合模式模拟的海表热通量增强,台风螺旋雨带上尤其是台风路径的右侧,耦合模式模拟的降水强于非耦合模式;耦合模式较好地模拟了台风过程海浪场的分布和演变,与非耦合模式相比,其模拟的海浪场增强,与实际更为接近;考虑了海表粗糙度对波浪的依赖关系后,海浪场同时影响海表的动力过程和热力过程,从本次个例看,在台风发展初期,海浪对海表动力作用影响显著,其反馈作用使台风系统减弱,但在台风充分发展后,耦合系统中海表热通量增加,热力作用显著增强,海浪的反馈作用有利于台风系统的发展和维持.     

GOALS模式对热带太平洋ENSO年际变化特征的模拟评估

文中重点分析了中国科学院大气物理研究所LASG最新发展的全球大气环流谱模式(R42L9)与一全球海洋环流模式(T63L30)耦合形成的全球海洋-大气-陆面气候系统模式(GOALS/LASG)新版本已积分30 a的模拟结果,通过与多种观测资料的对比分析,讨论了赤道太平洋海表温度(SST)的年际变化及其纬向传播、赤道东太平洋SST异常与其他洋面SST变化之间的遥相关关系、赤道太平洋浅表层海温的年际变化特征等研究内容.结果表明,COALS模式模拟出了赤道太平洋SST异常出现不规则的年际变化特点;赤道东太平洋SST异常的向西传播过程;赤道太平洋混合层海温变化由西向东、由深层向浅层的传播过程;同时也模拟出了赤道东太平洋SST变化与赤道西太平洋以及与西南太平洋海温之间的反相关关系,与南印度洋和副热带大西洋SST之间的正遥相关关系等实际观测现象.但COALS模式也存在明显的不足,如对赤道东、中太平洋SST异常的年际变化幅度明显偏小,没能模拟出赤道东太平洋的SST变化比赤道中太平洋强的特点;赤道太平洋SST从东向西的传播速度明显比实际观测慢得多,但混合层海温极值变化由西向东的传播速度明显比实际情况快得多;没能模拟出赤道东太平洋SST变化同西北太平洋SST的负相关和北印度洋海温变化的正相关现象,因此也影响了对南亚、东南亚降水年际变化的模拟能力.     

不同海表面温度对南海台风“杜鹃”的影响试验

采用水平分辨率0.25 °×0.25 °的日平均和周平均的卫星微波成像仪(TMI)和卫星微波辐射计(AMSRE)的海温资料(TMI-AMSRE SST)作为下强迫源,利用中尺度数值模式MM5对南海过境台风"杜鹃"进行了模拟.试验结果表明:台风中心附近SST的差异会导致大气风场的差异,从而使模式对SST有比较快速而且明显的响应;不同的SST对台风的强度和路径都有一定的影响,而对台风降水和台风中心附近潜热通量有明显的影响;不同SST对台风的影响主要是通过改变海-气潜热通量来实现的.     

利用海-气-浪耦合模式（COAWST）对北印度洋一次强热带风暴“Fani”(2019)过程的数值模拟

利用最新研发的区域海-气-浪耦合数值模式(Coupled Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport,COAWST),对印度洋一次超强热带气旋“Fani” (2019)过程进行了数值模拟试验。“Fani” 4月26日从热带印度洋面上的低压扰动中生成,在移动北上的过程中逐渐增强为强热带风暴,并于5月3日在印度登陆,造成了严重的破坏。利用COAWST耦合数值模式,在印度洋区域设计了数值模拟试验,分析了“Fani”发展增强到登陆时间段(4月30日12时—5月3日12时)大气物理量场、海洋表面温度及通量场,以及海浪参数的相应变化。通过与International Best Track Archive for Climate Stewardship (IBTrACS)的实测风暴路径、强度数据,以及欧洲中心ERA5再分析资料对比结果表明:模式模拟“Fani”的移动路径与观测较为接近,但是在强度模拟上偏弱;大气地表2 m温度场、潜热和感热通量与ERA5再分析资料存在一定偏差,但模拟的海表面温度场强度和特征与ERA5再分析资料都比较接近;在强烈的热带气旋与海洋相互作用下,耦合模式给出在气旋发展阶段,海浪有效波高达到近10 m;数值试验结果表明耦合模式可以有效描述热带气旋-海洋之间的相互作用,对于印度洋强热带风暴具备一定的模拟能力。      

一个冰气相互作用数值模拟结果的可能统计解释

基于一个全球海-冰-气耦合模式的数值模拟结果,选取冬季格陵兰海海表面温度(SST)、海冰密集度、海表面感热通量等物理量以及3个相关区域海平面气压分别作经验正交函数展开,取第一模时间系数作相关分析。结果表明,上一年海冰密集度偏大(小)与来年的SST偏低(高)相联系,但二者同期相关性最大。当海气热通量交换变化超前一年时,其与SST相关性最大。模式最低层大气温度与海洋表面热通量之间的同时相关性最大,冬季模式最低层气温偏高(低)与海洋表面失去的感热、潜热通量偏少(多)相联系。气温、比湿都和冰岛低压区及格陵兰海的海平面气压相关性最强,冰岛低压气压偏低(高)与模式最低层气温和比湿偏高(低)相联系。所以,在海-冰-气年际尺度的相互作用中,主要关系是大气环流调整造成大气中云量和低层气温、湿度变化,进而影响海气界面上的通量交换,造成SST的变化。SST变化决定着海冰范围及海冰密集度的变化,但海冰变化时通过相变潜热的释放或吸收反过来对SST变化有较明显影响。     

AREM中尺度大气模式与海浪模式双向耦合预报试验

利用中尺度大气模式AREM与国际上比较成熟的海浪模式WAVEWATCH-Ⅲ进行双向耦合,应用管道通信技术建立区域中尺度大气-海浪耦合模式预报系统,充分考虑中尺度海-气间的相互作用,即大气低层风场驱动海浪并影响海浪状态变化,海浪通过与波龄密切相关的海表粗糙度和海洋飞沫来改变海气间动量、感热和潜热交换从而实现对大气的反馈.文中利用该耦合预报系统对发生在东南沿海的"威马逊"台风过程进行数值试验,重点分析海表粗糙度和海洋飞沫两个耦合因子对台风数值预报的影响.主要结论是:在台风高海况下,海浪引起的海表粗糙度和海洋飞沫的增加对台风数值预报影响均较为显著.海表粗糙度加大了海气间动量通量(摩擦作用),其阻碍台风的发展,但对台风路径预报影响不大;海洋飞沫贡献的感热和潜热为台风发展提供能量,从而使台风强度增强,降水显著增加,并使台风路径预报更加接近实况;两者共同的作用,使台风强度增强,台风路径预报也更为合理.     

The Effect of Intensity： Typhoon-Induced SST Cooling on Typhoon The Case of Typhoon Chanchu （2006）

In order to investigate air-sea interactions during the life cycle of typhoons and the quantificational effects of typhoon-induced SST cooling on typhoon intensity, a mesoscale coupled air-sea model is developed based on the non-hydrostatic mesoscale model MM5 and the regional ocean model POM, which is used to simulate the life cycle of Typhoon Chanchu （2006） from a tropical depression to a typhoon followed by a steady weakening. The results show that improved intensity prediction is achieved after considering typhoon-induced SST cooling; the trend of the typhoon intensity change simulated by the coupled model is consistent with observations. The weakening stage of Typhoon Chanchu from 1200 UTC 15 May to 1800 UTC 16 May can be well reproduced, and it is the typhoon-induced SST cooling that makes Chanchu weaken during this period. Analysis reveals that the typhoon-induced SST cooling reduces the sensible and latent heat fluxes from the ocean to the typhoon＇s vortex, especially in the inner-core region. In this study, the average total heat flux in the inner-core region of the typhoon decrease by 57.2%, whereas typhoon intensity weakens by 46%. It is shown that incorporation of the typhoon-induced cooling, with an average value of 2.17℃, causes a 46-hPa weakening of the typhoon, which is about 20 hPa per 1℃ change in SST.     

A New Ocean Mixed-Layer Model Coupled into WRF

A new mesoscale air-sea coupled model (WRF- OMLM-Noh) was constructed based on the Weather Research and Forecasting (WRF) model and an improved Mellor-Yamada ocean mixed-layer model from Noh and Kim (OMLM-Noh). Through off-line tests and a simulation of a real typhoon, the authors compared the performance of the WRF-OMLM-Noh with another existing ocean mixed-layer coupled model (WRF-OMLM-Pollard). In the off-line tests with Tropical Ocean Global Atmosphere Program’s Coupled Ocean Atmosphere Response Experiment (TOGA-COARE) observational data, the results show that OMLM-Noh is better able to simulate sea surface temperature (SST) variational trends than OMLM -Pollard. Moreover, OMLM-Noh can sufficiently reproduce the diurnal cycle of SST. Regarding the typhoon case study, SST cooling due to wind-driven ocean mixing is underestimated in WRF-OMLM-Pollard, which artificially increases the intensity of the typhoon due to more simulated air-sea heat fluxes. Compared to the WRF- OMLM-Pollard, the performance of WRF-OMLM-Noh is superior in terms of both the spatial distribution and temporal variation of SST and air-sea heat fluxes.     

SEA SURFACE TEMPERATURE RESPONSE TEMPERATURE TO TYPHOON MORAKOT (2009) AND ITS INFLUENCE

While previous studies indicate that typhoons can decrease sea surface temperature(SST) along their tracks, a few studies suggest that the cooling patterns in coastal areas are different from those in the open sea. However, little is known about how the induced cooling coupled with the complex ocean circulation in the coastal areas can affect tropical cyclone track and intensity. The sea surface responses to the land falling process of Typhoon Morakot(2009) are examined observationally and its influences on the activity of the typhoon are numerically simulated with the WRF model. The present study shows that the maximum SST cooling associated with Morakot occurred on the left-hand side of the typhoon track during its landfall. Numerical simulations show that, together with the SST gradients associated with the coastal upwelling and mesoscale oceanic vortices, the resulting SST cooling can cause significant difference in the typhoon track, comparable to the current 24-hour track forecasting error. It is strongly suggested that it is essential to include the non-uniform SST distribution in the coastal areas for further improvement in typhoon track forecast.     

SEA SURFACE TEMPERATURE RESPONSE TO TYPHOON MORAKOT(2009) AND ITS INFLUENCE

While previous studies indicate that typhoons can decrease sea surface temperature(SST) along their tracks, a few studies suggest that the cooling patterns in coastal areas are different from those in the open sea. However, little is known about how the induced cooling coupled with the complex ocean circulation in the coastal areas can affect tropical cyclone track and intensity. The sea surface responses to the land falling process of Typhoon Morakot(2009) are examined observationally and its influences on the activity of the typhoon are numerically simulated with the WRF model. The present study shows that the maximum SST cooling associated with Morakot occurred on the left-hand side of the typhoon track during its landfall. Numerical simulations show that, together with the SST gradients associated with the coastal upwelling and mesoscale oceanic vortices, the resulting SST cooling can cause significant difference in the typhoon track, comparable to the current 24-hour track forecasting error. It is strongly suggested that it is essential to include the non-uniform SST distribution in the coastal areas for further improvement in typhoon track forecast.     

海洋飞沫对台风“Morakot”结构影响的数值模拟研究

将海洋飞沫参数化引入到高分辨率、非静力中尺度模式中,并对0908号台风"Morakot"进行了数值模拟,研究了海洋飞沫对台风"Morakot"结构和强度的影响。结果表明:(1)不论是否考虑海洋飞沫作用,模式均能较好地模拟出台风"Morakot"的移动路径,说明海洋飞沫对其移动路径影响不大;(2)引入海洋飞沫参数化后,台风眼墙区域的切向风速、径向风速、垂直速度、涡度、云水混合比、雨水混合比等物理量均增强,表明飞沫对台风结构变化的影响明显;(3)海洋飞沫对台风"Morakot"演变的直接影响是在对流层低层,低层风速明显增大,大风速区的影响尤为显著;(4)飞沫的蒸发使台风范围内的潜热和感热通量明显增强,尤其是潜热通量,其大值区对应着台风中心附近的最大风速区。由于水汽和热量输送的增强,使台风眼壁附近的云水量与雨水量增多,因此降水强度明显增加。     

海气相互作用对“格美”台风发展的影响研究

西北太平洋是全球唯一一年四季都有热带气旋生成的海域,同时,我国沿海紧临该海域,是受热带气旋影响最为严重的国家之一.本文通过建立海气耦合模式,以西北太平洋西边界流系源区为研究区域,通过对"格美"台风的数值模拟结果分析,研究海气相互作用对热带气旋发展的影响,对提高台风的数值模拟及预报水平有重要意义.研究表明:耦合作用引起的...     

利用一个海气耦合模式对台风Krovanh的模拟

采用中尺度大气模式MM5和区域海洋模式POM构造了中尺度海气耦合模式, 模拟了Krovanh (0312) 台风过程中台风－海洋相互作用, 分析了台风引起的海面降温影响台风强度的机制和海洋对台风响应的特征。试验结果显示: 考虑台风引起的海面降温使台风强度模拟有了较大改进, 模拟的台风中心气压和近中心最大风速均与实况较符合。POM模拟的海表面温度与TRMM/TMI观测的海表面温度也较为一致, 台风Krovanh在其路径右侧95 km处引起较大的海面降温, 最大降温幅度达5.8℃。与海表面温度降低相对应的是混合层深度的增加, 较大的海面降温对应较大的混合层加深, 表明大风夹卷在海表面温度的降低中起主要作用。分析表明, 台风引起的海面降温降低海洋向大气输送的潜热通量和感热通量, 特别是在台风内核区, 平均总热通量减少了32.1%。热通量的减少使得湿静力能及湿静力能径向梯度减小, 削弱了台风强度。     

APPLIED STUDY ON ATMOSPHERE-OCEAN-WAVE COUPLED MODEL IN SOUTH CHINA SEA

Based on MM5,POM,and WW3,a regional atmosphere-ocean-wave coupled system is developed in this work under the environment of Message Passing Interface.The coupled system is applied in a study of two typhoon processes in the South China Sea(SCS).The results show that the coupled model operates steadily and efficiently and exhibits good capability in simulating typhoon processes.It improves the simulation accuracy of the track and intensity of the typhoon.The response of ocean surface to the typhoon is remarkable,especially on the right side of the typhoon track.The sea surface temperature(SST)declines,and the ocean current and wave height are intensified.In the coupling experiment,the decline of SST intensifies and the inertial oscillation amplitude of the ocean current increases when the ocean-wave effect is considered.Therefore,the atmosphere-ocean-wave coupled system can help in the study of air-sea interaction and improve the capability of predicting and preventing weather and oceanic disasters in SCS.     

台风Chanchu（0601）强度日变化特征分析

利用非静力中尺度模式WRF模拟了台风Chanchu（0601）,模式再现了台风Chanchu的路径、强度及结构。利用模式资料分析了台风Chanchu发展增强过程中其流出层和流入层风速的日变化特征、造成该日变化特征的机制及其对台风强度的影响。分析表明:台风Chanchu流出层和流入层的风速均存在显著的日变化特征,表现在低层径向入流和高层径向出流在夜间至清晨明显增强,在白天增加缓慢;切向风变化趋势同径向风类似,位相较径向风落后约6 h。通过对比夜间和白天云顶温度（CTT）和垂直速度频率（CFADS）的分布,发现夜间对流较白天更加活跃,这与夜间云顶冷却所导致的静力稳定度降低有关。利用切向风倾向方程进行收支分析,结果显示太阳辐射日变化通过调节对流日变化,引起高低层径向气流的日变化,进而造成切向风速的日变化,从而影响台风强度,在一定程度上揭示了日变化对台风强度变化的指示意义。