WRF-Hybrid背景误差协方差调整在台风同化及预报中的应用研究

利用雷达径向风单点试验和2006年8月超强台风"桑美"个例,首先研究了静态背景误差协方差的尺度化因子和方差在台风系统雷达资料同化中对台风路径和强度预报的影响。结果表明:在高时空分辨率的雷达资料同化中,较小的尺度化因子能显著改进对台风路径的预报;尺度化因子的影响比方差的影响更为显著。基于上述实验结果,进一步研究了WRFDA-Hybrid系统中"流依赖"控制变量的水平局地化和垂直局地化对台风预报的影响。试验结果表明:当"流依赖"的水平局地化距离与静态背景误差协方差的尺度化因子具有等效影响范围的时候,WRFDA-Hybrid能够得到比较合理的分析结果。同时针对雷达观测资料的空间分布特征,本文提出了一种新的基于雷达探测高度的垂直局地化方案,对台风的强度和路径预报均有显著的改进。     

FY-3D卫星MWHS-2辐射率资料直接同化对台风“米娜”预报的影响*

文章基于天气研究和预报(weather research and forecasting, WRF)模式中的FY-3D卫星微波湿度计Ⅱ(micro-wave humidity sounder 2, MWHS-2)辐射率资料的直接同化模块, 采用三维变分(three dimensional variation, 3DVar)方法在晴空条件下同化MWHS-2辐射率资料, 考察MWHS-2辐射率资料同化对台风“米娜”(2019)预报的影响。文中设计了4组试验, 第一组试验不同化任何资料, 第二组试验同化了单独的全球通信系统(global telecommunications system, GTS)常规资料, 第三组试验联合同化了GTS常规资料和MWHS-2辐射率资料, 第四组试验将MWHS-2辐射率资料换成先进技术微波探测计(advanced technology microwave sounder, ATMS)辐射率资料同化。研究结果表明: 偏差订正后各通道观测和背景场差值的均值趋于0, 同化后分析场相对观测的标准差与均方根误差较背景场显著减小, 同化过程是有效的。与仅同化GTS常规资料和同化ATMS资料的试验相比, 同化晴空MWHS-2辐射率资料后的增量场在台风中心附近有负的高度增量和正的温度增量, 从动力与热力上有助于台风的维持。在确定性预报最后的12h, 同化晴空MWHS-2辐射率资料的试验能够改进500hPa环流形势的模拟, 加强西南方向引导气流的强度, 从而最终减小台风路径预报的误差。     

基于CNOP方法的台风目标观测中三种敏感区 确定方案的比较研究

在目标观测中,敏感区的确定是个关键性的问题。本文详细研究了如何用条件非线性最优扰动（CNOP）方法确定敏感区。提出了三种确定敏感区的方案:水平投影方案、单点能量投影方案以及垂直积分能量方案。比较了三种方案确定的敏感区的差异,分析了它们所阐释的物理意义,讨论了它们的优缺点,并通过理想回报试验考查了不同方案确定的敏感区的有效性。对六个台风个例的应用结果显示,单点能量投影方案与垂直积分能量方案下识别的敏感区较为相似,二者与水平投影方案确定的敏感区则有较大的区别。两种能量方案确定的敏感区更多地反映了环境场对台风的影响,而水平投影方案则反映了台风自身对流不对称性结构对台风发展变化的影响。理想回报试验结果表明,由两种能量方案确定的敏感区对预报误差能量的减小程度以及路径预报的改善程度都要大于水平投影方案确定的敏感区的效果,且垂直积分能量方案确定的敏感区的有效性最高。而在强度预报方面,三种方案对预报效果的改善程度相当。因此,总的说在台风目标观测研究中,利用CNOP方法确定敏感区时,垂直积分能量方案是较佳的方案。     

一次台风暴雨过程的水汽特征分析

对2014年7月18-19日桂东南受1409号台风＂威马逊＂影响,出现一次降雨强度大、影响范围广、降雨时间长的暴雨过程进行水汽特征分析,得出和验证了有利于出现强降水的大尺度环流背景下,充分的水汽供应是暴雨形成的基本条件之一,水汽通量场反映了水汽源源不断向桂东南输送,水汽通量散度进一步反映有大量的水汽往桂东南输送。     

南海台风模式对“海燕”移动路径的预报

超强台风"海燕"是2013年最著名的台风。分析中国南海台风模式对"海燕"整个过程的预报,发现模式基本预报出"海燕"的快速穿过菲律宾和登陆越南后北翘东折的移动路径,但也存在一些不足,例如强度预报偏弱。通过高分辨率数值模拟分析了"海燕"的变化机理,发现高层暖心、高中低层一致东风气流是其超强发展和快速西移的主要特征。进一步的模式预报试验中,探讨了模拟技术对提高台风预报水平的影响作用。分析结果表明,准确的模式物理参数化(如边界层、积云对流和地形参数化)和模式初始大气构造等,以及提高模式分辨率有助于提高台风预报水平。     

2004年台风“艾利”与“米雷”路径异常变化分析

2004年西北太平洋上生成的台风"艾利"和"米雷"开始都是向西北方向移动,当快要进入东海时两个台风的路径均发生变化,"艾利"转向西南方向,形成倒抛物线形的路径,而"米雷"突然向东北方向转折。通过对这两个台风的不同时间尺度环境场及其与台风相互作用的分析表明,对于西南转向的"艾利",副热带高压(副高)西伸明显,台风位于副高的南侧,天气尺度风场对副高低频分量的涡度平流,使得台风西北侧出现负涡度,同时由于罗斯贝波能量频散,台风东南侧出现负涡度,与负涡度相联系的天气尺度异常环流导致台风西北侧和东南侧的天气尺度引导气流的作用相互抵消,台风主要在低频环流引导下向西南方向移动;对于突然向东北转向的"米雷",副高位置偏东,转向时刻只有东南侧增强的天气尺度西南风,天气尺度引导气流导致台风向东北转折。     

台风水汽稳定同位素组成与天气过程的关系——以2015 年13 号台风“苏迪罗”为例

基于台风“苏迪罗”（1513）影响前后南京实时高频监测的水汽稳定同位素数据,并结合再分析资料、HYSPLIT后向轨迹模型分析了大气水汽δ¹⁸O与天气过程之间的关系以及大气水汽过量氘所指示的水汽来源。结果表明,1）整个台风影响过程水汽δ¹⁸O先保持基本不变后一直下降的趋势,而水汽过量氘则呈现完全相反的变化趋势。2）根据台风“苏迪罗”影响前后南京水汽δ¹⁸O变化特征,将其划分为3个阶段：Ⅰ阶段水汽δ¹⁸O较高与南京地区较为稳定的大气条件相对应,水汽过量氘值较低指示南京地区主要受海洋水汽影响;Ⅱ阶段台风环流及其残压和北方南下冷空气相互作用造成南京地区强降水,水汽凝结和降雨蒸发的共同作用导致水汽δ¹⁸O不断贫化,较高的水汽过量氘表明南京地区主要受海洋和局地混合水汽的影响;Ⅲ阶段可能是中尺度下沉气流导致南京地区极端偏负的δ¹⁸O和高水汽过量氘。     

台风艾云尼非对称降水及动热力结构演变特征分析

台风艾云尼（1804号）第2次登陆广东过程中降水表现出显著的非对称分布,强降水主要位于其路径前进方向的右侧（简称台风右侧）。利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、广东风廓线雷达观测资料以及降水观测资料,对造成非对称降水的环流背景和动力、热力结构演变特征进行了分析。结果表明:艾云尼左右两侧水汽输送及动力、热力条件差异是造成降水非对称的主要原因。加强的低空急流以及台风马力斯（1805号）水汽的输送为台风右侧强降水的产生提供了更好的水汽背景,而低空急流的加强配合高空强的辐散抽吸使得右侧垂直上升运动也明显大于左侧。边界层内强盛的低空急流以及珠江三角洲地区下垫面强摩擦辐合作用导致艾云尼右前侧径向入流强度更强、强入流层厚度更厚、边界层高度更高,且由于距离台风眼墙越近风速越大,上述现象越明显,为强降水的产生提供的动力和水汽条件越好。强降水期间艾云尼右侧低层大气维持不稳定状态,分析表明强低空急流携带的θ_se平流及其随高度的减弱弥补了强降水造成的能量损耗,是不稳定能量维持的重要原因。      

GRAPES Hybrid-3DVar对台风苏迪罗的数值试验

为了把反映天气形势变化的背景误差协方差引入到变分分析系统中来提高分析质量,本文在GRAPES区域三维变分框架的基础上通过扩展控制变量方法实现动态与静态背景误差协方差耦合,建立混合三维变分分析系统（GRAPES Hybrid-3DVar）。通过控制变量扰动产生的集合样本进行单点观测分析试验验证Hybrid-3DVar及其局地化方案的合理性,并针对台风苏迪罗进行实际观测资料同化和数值预报试验,结果表明:用集合样本描述的背景误差协方差是随着天气流型变化的,动力场和质量场的离散度在台风中心处最大,因而混合同化的分析增量包含更多细微结构和中小尺度信息;其分析和24 h内预报要素质量优于3DVar,24 h内降水强度和落区预报也更准确,混合同化分析改善了3DVar分析的降水空报问题;同时混合同化分析的24 h内台风路径预报也最接近实况,台风强度预报在48 h之内都比3DVar更接近观测。     

2017年“海棠”台风影响辽宁不同区域极端暴雨成因分析

利用常规观测、NCEP FNL、葵花8号卫星、GNSS反演大气可降水量、智能网格实况产品等资料,分析2017年“海棠”台风造成辽宁西部朝阳地区和东南部岫岩县的极端暴雨成因。结果表明：辽宁西部和东南半岛均出现区域性的极端特大暴雨,岫岩县小时雨强更大,最大雨强达到113 mm·h^-1,对流性降水特征明显。两个区域暴雨过程均受到热带、副热带、西风带系统共同作用,狭长型“海棠”台风沿着副热带高压西侧逐渐北上,并且与西风带短波槽相互作用,导致辽宁西部出现强降水,随后加强的涡旋系统后侧干冷空气与低空暖湿水汽输送带相互作用,导致岫岩县出现极端暴雨过程。热带台风“奥鹿”对副热带高压南落东退起到阻挡作用。两个区域均具有来自于南海的水汽通道,另外东南半岛也受到了“奥鹿”台风北侧水汽输送的影响。朝阳市和岫岩县大气可降水量值长时间接近65 mm和70 mm,异常指数最高达到3.0和2.5,表明此次暴雨水汽条件的极端性。辽宁西部降水期间动力不稳定更强,辐合层由地面伸展到500 hPa,而东南半岛降水期间上干下湿的水汽分布以及更强的冷暖空气交汇,有利于产生对流性降水。两个区域均受到多个中尺度云团的共同影响,朝阳地区初期降水由中γ尺度辐合线触发,后期台风在北上过程中与高空槽后部的干冷空气相互作用,形成的暖锋云系以及冷锋云系导致朝阳地区出现持续性强降水;加强的涡旋后部干空气侵入到暖湿水汽输送带中,配合岫岩县山区地面辐合线稳定不动,不断有积云触发并且直接影响岫岩县,导致岫岩县产生极端对流性暴雨。