热带气旋尺度和结构的影响因子和理论探索

热带气旋是地球上最主要的自然灾害之一,其结构和尺度不仅直接影响其致灾范围,还间接影响其强度和移动路径。对热带气旋结构和尺度的科学认识有助于其强度和路径预报能力的提高,本身也是重要的科学问题。热带气旋的尺度通常用最大风速半径和外围半径刻画,而结构通常指最大风速半径和外围半径的相对大小。自然界中热带气旋的尺度和结构可以有很大的差异,在其发展过程中尺度和结构也可以发生明显的变化,从而影响强度和路径。本文从观测、模拟和理论三方面简要回顾了热带气旋结构和尺度方面的相关研究,重点介绍了Emanuel-Rotunno台风结构模型的理论推导,并展望了未来可能的研究方向和思路。     

中尺度暖涡对热带气旋强度变化的影响及作用机制

基于两组理想化数值试验，对比研究了分布于热带气旋不同位置处的海洋中尺度暖涡所引发的热带气旋强度变化的时空特征。研究发现，热带气旋中心附近的暖涡对热带气旋强度有增强作用，而位于热带气旋外围的暖涡则会抑制热带气旋的发展。本研究将暖涡增强（减弱）热带气旋强度的区域称为内（外）区。随着时间的推移，内（外）区暖涡对热带气旋强度的增强（减弱）幅度逐渐减小（增大），区域范围同步减小（增大）。内区暖涡增强了热带气旋的次级环流和结构对称性、增加了海气界面热通量，同时减弱了外围螺旋雨带，进而导致热带气旋强度增强；若暖涡在外区，其对热带气旋的作用相反，导致热带气旋强度减弱。由于理想化试验中热带气旋静止不动，因此研究结果可能只适用于传播速度较慢的热带气旋。本研究结果有助于更好地理解热带气旋和海洋中尺度暖涡之间的相互作用，并通过引入热带气旋外区暖涡的影响助力提高热带气旋强度预报工作。     

1949-2017年南海海域热带气旋强度和路径快速变化统计特征

为进一步认识南海地区热带气旋强度和路径快速变化的统计特征，利用中国气象局上海台风研究所整编的1949–2017年的热带气旋最佳路径数据集，统计分析了不同强度等级热带气旋发生强度和路径快速变化的特征。结果表明:(1)由强热带风暴快速加强为台风、以及由台风快速加强为强台风是热带气旋强度快速加强发生频率最多的事件；强度快速加强次数以1次居多，一般不会超过2次；但大部分途经南海的热带气旋出现快速加强时都在南海以外的地区，在南海出现快速加强的概率仅为9.8%。(2)不同强度的热带气旋，其强度的维持时间长短对其强度快速加强有重要影响，一般在该强度的前24 h是快速加强的最佳阶段，当其中心气压下降速度超过?12.0 hPa/(6 h)时容易出现台风级别或以上的强度快速加强，且热带气旋快速加强容易出现在海温偏高地区。(3)南海地区热带气旋路径的偏转主要出现在西行路径中，其中以5°～30°的偏转为最常见，占到全部热带气旋总数的48.65%，不过，按照定义的路径快速转向标准，路径快速转向的概率仅有15.13%。随着热带气旋强度的增强，南海地区发生路径快速转向的频次迅速减少，路径快速转向主要出现在近海岸地区和南海中北部偏东区域。这些结果进一步细化和丰富了对南海地区热带气旋强度和路径快速变化的认识。     

潜热通量异常对西北太平洋热带气旋活动影响的机理研究

使用1958—2001年的中国气象局台风年鉴资料和欧洲中心再分析资料,初步揭示了潜热通量异常对西北太平洋(含南海)热带气旋活动的可能影响机理。统计分析发现,西北太平洋(含南海)热带气旋年频数与北太平洋副热带(简称关键区)的潜热通量在过去40余年中均表现为显著的减弱趋势。诊断分析表明,关键区的潜热通量通过低层信风向西的水汽输送—整个西北太平洋热带气旋活动区水汽低层辐合上升而凝结—潜热释放这一链条改变西北太平洋(含南海)大气环境场条件(包括中层湿度场、高低层涡度场和高低层散度场),进而调制热带气旋活动。使用SAMIL模式进行关键区内潜热通量加倍和减半的敏感性试验,进一步证实了关键区潜热通量异常对西北太平洋热带气旋活动调制作用的可能机理,而对南海热带气旋活动影响较小。由此可推断,在过去40余年中,北太平洋副热带中部区潜热通量的减弱趋势可能是造成西北太平洋(含南海)热带气旋频数下降的主要原因之一。     

强热带风暴“帕卡”活动特征分析

1201号强热带风暴“帕卡”是今年在西北太平洋及南海活动的第一个热带气旋,也是自1979年以来第一个在3月份生成于南海的热带气旋.本文利用多种资料,分析了“帕卡”强度及移动路径特点,并对引起其1移动路径及强度变化的原因做了进一步分析,主要得出以下结论:(1)“帕卡”生成过程中有两次冷空气影响南海,冷空气间隙暖湿的下垫面条件和较强的水汽和能量输送是系统迅速生成的主要原因;(2)西北太平洋副高的一次短周期活动,对“帕卡”移动路径变化起着重要作用;(3)空气的冷暖交汇作用加强了风暴中心的垂直对流结构,使“帕卡”登陆时仍然维持热带风暴的强度.     

基于HY-2B散射计的热带气旋定位定强研究

热带气旋灾害是最严重的自然灾害之一,其影响程度主要取决于气旋的中心位置和强度。提高热带气旋中心位置及强度监测水平对于改进热带气旋分析预报精度、减少热带气旋的灾害影响具有重要意义。本文以HY-2B散射计为例,分析了散射计风场散度和旋度的分布特征,发现气旋中心附近风场的散度或旋度具有显著的分布规律,由此提出了一种新的气旋中心定位方法,并与传统的直接定位法进行比较研究。在此基础上,进一步提出了热带气旋风圈大小估计的方法,用于评估气旋的强度。最后,利用台风“范斯高”和“博罗依”的遥感数据对文中的方法进行验证,结果表明,使用新方法定位的气旋中心位置与最佳路径之间的差异小于20 km,散射计17 m/s风圈大小的变化一定程度上反映了气旋的发展规律。     

1997年西北太平洋热带气旋异常特征分析

对1997年西北太平洋热带气旋的特征进行了统计分析,研究结果表明:El Ni(n)o发生年,西北太平洋生成热带气旋以偏少为主,强度偏强,且热带气旋生成位置偏东,热带低压加强成为热带风暴的平均位置也较多年平均位置偏东;副热带高压强度和Ni(n)o 3.4区海表面温度(SST)变化趋势基本一致,但副热带高压强度变化落后SST变化6个月左右.     

1997年影响南海的热带气旋异常活动特征及成因分析

统计分析了近30年(1976-2005)来影响南海的热带气旋特征,对1997年影响南海的热带气旋异常活动的成因作了进一步的分析.结果表明,El Nino发生后,西北太平洋生成的热带气旋以偏少为主,强度偏强,且热带气旋生成位置偏东,热带低压加强成为热带风暴的平均位置也较多年平均位置偏东;副热带高压强度和Nino 3.4区SST变化趋势基本一致,但副热带高压强度变化落后SST变化6个月左右.由于El Nino事件多发生于上半年,赤道中东太平洋Nino 3.4区SST偏高,当年冬季或次年春夏季往往副热带高压异常偏强;El Nino发生年的次年,暖水向西回涌,西太平洋海温逐渐恢复正常,副高强度偏强.     

2008-2017年南太平洋温带气旋特征分析

使用2008—2017年FNL再分析资料、红外云图资料和NMWW3海浪分析资料分析了南太平洋海域的温带气旋时空分布,归纳了主要发生源地和移动路径,分类总结了温带气旋的云图特征和风浪场特征。结果表明:(1)影响研究海域的温带气旋在5—10月份发生次数最多,11—4月份发生次数较少,其中以中等强度温带气旋发生频次最多,时间尺度以4～5 d为主;(2)澳大利亚东部及其以东海域、斐济东南侧中部大洋地区为温带气旋主要发生源地。根据源地,可将温带气旋分为4种类型:澳大利亚大陆型,澳大利亚东部型,澳大利亚南部型,南太平洋大洋中部型,其中南太平洋大洋中部型发生次数最多;(3)将研究时段内温带气旋移动路径划分为4种类型:打转型、东向型、东南型、南向型。其中东南向发生次数最多,其次是东向路径,打转型和南向型两种类型发生次数相当;(4)温带气旋初生时刻云系稀疏,其中澳大利亚东部型环高压后部分段分布,南太平洋大洋中部型呈现热带积状云特征,澳大利亚南部型云带呈倒"V"状且纹理光滑,澳大利亚大陆型云带则呈现范围宽广的特点。发展至成熟阶段的温带气旋,其云系向逗点状发展,环绕低压中心出现辐合特征,外围云系随环流向中心聚合。消亡阶段或遇到地形影响时,逗点云系发生断裂,云系逐渐稀疏;(5)东向型温带气旋影响下,单纯由温带气旋引起的大风大浪位置相对集中,当有冷空气等其他系统配合时风浪强度更强、范围更广。     

影响青藏高原的孟加拉湾热带气旋非对称结构的初探

以１９８１年１２月３日至１２日，北上影响青藏高原东部地区降水的孟加拉湾热带气旋为个例，收集了昼多的有关观测资料，用有限元法对其动力学特征和能量学特征量进行了计算和分析。研究结果表明：孟加拉湾热带气旋风速分布不对称，风速的垂直切变随气旋加强而减弱，东风大值区是随气旋的发展由中层逐渐向低层下传，气旋有暖心结构，这些特征亦与西北太平洋上的热带气旋相似。     

海洋飞沫对热带气旋边界层结构的影响

将海洋飞沫参数化引入到一个高分辨率、非静力中尺度WRF模式中,对0908号热带气旋Morakot进行数值模拟,探讨了海洋飞沫对热带气旋Morakot边界层结构和强度的影响。模拟结果表明:采用新参数化后,对热带气旋Morakot的强度预报有改进,但对热带气旋移动路径改进不大;其次,通过对边界层过程的改进,使得眼墙区域的平均径向风速、切向风速、温度、相对湿度、垂直风速、热通量,降水等物理量均有增强,各物理量的贡献对热带气旋Morakot强度和结构变化的影响十分重要。     

热带气旋闪电活动特征研究综述

针对热带气旋(tropical cyclone,TC)闪电已有研究,首先从闪电活动分布特征、眼壁闪电爆发对TC强度和路径的指示、外雨带闪电活动与雨带对流结构的关系三个方面进行了总结;其次从动力-微物理方面对TC闪电的形成原因和特征机理进行了梳理;最后提出当前研究中存在的两个关键问题,并对后续研究内容进行了展望。基于地基和空基相结合的综合闪电探测得到的闪电属性特征参量,有望建立一个明确的、具有代表性的闪电活动-TC强度变化关系。利用沿海地区架设的三维闪电定位系统结合地基双偏振雷达,针对登陆台风强对流过程开展的综合观测研究,将有助于推进闪电观测资料在台风中小尺度强对流监测、预警和资料同化中的应用。     

海面温度半球间偶极子模态对7—11月北半球平均热带气旋强度年代际变化的调控

海面温度半球间偶极子(sea surface temperature inter-hemispheric dipole,SSTID)是全球海面温度(sea surface temperature,SST)异常的重要模态之一,表现为南、北两半球间SST的反相变化。此文探究了7—11月SSTID对7—11月北半球平均热带气旋(tropical cyclone,TC)强度年代际变率的超前影响。观测分析表明,SSTID超前7—11月北半球平均TC强度年代际分量8~11 a,并在提前时间为9 a时达到最大正相关。通过海洋-大气耦合桥理论进一步分析表明,7—11月北半球TC活跃区海洋可以作为海洋桥,以SST的形式存储超前约9 a的SSTID信号。同时北半球TC活跃区大气作为大气桥将超前约9 a的SSTID信号传递到大气中,进而作用于7—11月北半球平均TC强度,该过程以TC潜在生成指数为表征。北半球TC活跃区的垂直风切变和600 hPa相对湿度的综合影响在其中起关键作用。由此建立了基于SSTID的7—11月北半球平均TC强度年代际变化预测模型,该模型表现出良好的后报性能。利用该模型对2021—2029年7—11月北半球平均TC强度预测表明,7—11月北半球平均TC强度将以持续增强为主并在2020年代末达到破纪录的强度。     

山东半岛北岸跨锋面物质输运对辽东半岛东岸沉积有机质含量及来源的影响

深入理解气候变化影响下海洋动力过程变化及其多重环境效应,是了解海岸海洋系统未来演化趋势的重要途径。因此,本文在辽东半岛东岸泥质区取柱状样一根,通过沉积物粒度、TOC/TN含量、δ13C以及δ15N等指标,分析气候变化下山东半岛北岸跨锋面物质输运强度变化,及其对辽东半岛东岸泥质区沉积有机质含量和来源的影响。结果表明,高海面时期以来,山东半岛北岸跨锋面物质输运可分为两个变化阶段：6.5～2.9 cal ka BP,其强度随冬季风和黄海暖流的不断减弱而减弱;2.9 cal ka BP至今,由于冬季风较弱而黄海暖流总体强盛,其强度随黄海暖流的波动而呈现4段式的复杂变化。此外,辽东半岛东岸泥质区陆源和海源有机质含量与其强度呈正相关,相应于跨锋面物质输运强度的变化,6.5～2.9 cal ka BP期间,陆源和海源有机质含量持续减少,而2.9 cal ka BP至今则呈现复杂的4段式变化。总体上看,自6.5 cal ka BP以来,陆源有机质贡献率不断下降而海源有机质贡献率逐渐上升。     

海洋飞沫方案改进对台风“威马逊”强度预报的影响

本文采用分粒径段组合方式改进海气耦合模式海洋飞沫方案,并利用耦合模式对1409号台风"威马逊"进行数值模拟,分析了海洋飞沫方案改进对台风结构、强度以及海气动量通量、热量通量模拟结果的影响。结果显示,耦合模式中海洋飞沫方案可通过改变海表面粗糙度影响海气动量与热量通量;海洋飞沫还可以通过沫滴向大气输送感热和水汽而直接影响海气热通量,进一步影响台风的强度。模拟结果显示改进后海洋飞沫方案的台风强度更接近观测。改进海洋飞沫方案后粗糙度的计算结果小于原始方案,相应地海气热通量以及下垫面耗散作用也弱于后者,海表面风场是海气热交换与下垫面耗散共同作用的结果。     

南海北部外陆架表层沉积物粒度参数特征及物源分析

为研究南海北部外陆架沉积物来源及沉积特征, 对南海北部外陆架18 个站位进行了表层沉积物取样和分析, 通过对沉积物的分类和粒度参数的计算, 探讨了沉积物类型和粒度参数的分布特征及其指示意义。研究结果表明, 研究区表层沉积物类型包括砾、砂质砾、砾质砂、砾质泥质砂、含砾砂、含砾泥质砂和含砾泥7 种类型。沉积物输运方式在外陆...     

ENSO事件对西北太平洋热带气旋影响的分级研究

采用1951-2006年联合台风警报中心(JTWC)最佳路径数据集和气候预测中心(CPC) ENSO资料,分析了西北太平洋不同等级热带气旋累积能量(accumulated cyclone energy,ACE)与ENSO指数之间的关系.结果表明;ACE与ENSO指数间存在正相关关系;分级热带气旋中,ENSO事件主要通过超强台风(Super TY)的活动与ACE指数联系起来的,超强台风频数在El Ni(n)o期间多于La Ni(n)a 期间,同时持续时间也更长;ENSO指数和热带气旋活跃季超强台风ACE指数的滞后相关(ENSO指数滞后5个月内)与它们的同时相关大小相当.此外,还研究了分级热带气旋持续时间、强度和频数分别对ACE指数的贡献,结果显示超强台风频数的贡献最大.接下来,利用1951-2006年不同ENSO位相情况下NCEP再分析资料,分析了ENSO影响超强台风发生发展的物理机制.主要结论为:西北太平洋存在一些SuperTY频数与源地分布在ENSO年与平常年相比有明显差异的关键区;ENSO事件改变关键区低层相对涡度以及海表温度是其影响SuperTY源地及频数变化的重要途径.     

Potential enstrophical diagnostic analyses on the mechanism of change of tropical cyclone intensity

Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｅｎｓｔｒｏｐｈｉｃａｌｄｉａｇｎｏｓｔｉｃａｎａｌｙｓｅｓｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｃｈａｎｇｅｏｆｔｒｏｐｉｃａｌｃｙｃｌｏｎｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ￥ＬａｉｎｇＢｉｑｉａｎｄＨｅＣａｉｆｕ（Ｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔｉｓｓｕｐｐ...     

环境条件对0709号超强台风“圣帕”影响的分析

利用多种卫星观测资料和NCAR／NCEP提供的分析场，分析海温和环境垂直风切变这两个环境因素对0709号超强台风“圣帕”的强度、对流和降水结构的影响．结果表明：强度的变化和环境垂直风切变之间没有直接相关性，海温是影响强度变化的主要环境因素；最大对流区域位于顺切变方向左侧；较强切变条件下，在内眼壁上的最大降水位于顺切变方向左侧，降水呈一波非对称分布；在外围螺旋雨带上的最大降水区域则分布在顺切变方向上或顺切变方向右侧．