北大西洋海表面温度锋与大西洋风暴路径及大气大尺度异常的关系研究

运用NCEP、Had ISST再分析资料,北大西洋涛动(NAO)月指数序列,探讨了海表面温度(SST)锋的时空变化特征,揭示了北大西洋SST锋的主要气候变率及其与北大西洋风暴轴和大气大尺度环流异常的关系。研究表明,剔除季节循环后的SST锋显示其最主要变率为锋区的向南/北摆动,其对应的风暴轴发生相应的西南/东北移动,并同时在北大西洋上空对应一个跨海盆的位势高度负/正异常。这种环流异常可引起高纬度海平面气压(SLP)的反气旋/气旋式环流,这有利于增强海表面风对大洋副极地环流的负/正涡度异常输入,进一步减弱/加强了高纬度上层冷水向SST锋区的输送。北大西洋SST锋的另一主要模态为锋区在南北方向的分支和合并。当SST锋异常在40°N~45°N以单支形式加强时,对流层位势高度场和SLP南北梯度增大,对应NAO正位相,此时风暴轴也为单支型;同时SLP异常场促使冰岛附近具有气旋式风应力异常,亚速尔地区具有反气旋式风应力异常,导致副极地环流和副热带环流均加强,增加高纬度冷水和低纬度暖水在锋区的输入,从而进一步增强40°N~45°N附近的SST锋区。当SST锋异常在40°N~45°N纬带南北发生分支时,风暴轴也同时出现北强南弱的南北分支,此时对应了负位相NAO,来自北南的冷暖水输送减弱,SST锋也发生减弱分支。此外,位于大洋内区的SST锋东端也存在一个偶极子型的模态,尽管其解释方差相对较小,但仍与偏东北的NAO型具有显著相关。谱分析表明,北大西洋SST锋与风暴轴具有1~3年和年代际共振,与中高纬大尺度环流也存在周期1~3年的共变信号,其中准一年共变信号体现了SST锋和NAO之间的对应关系。进一步诊断分析表明,SST锋上空的近表层大气斜压性和经向温度梯度随着SST锋的增强而增强,经向热通量的向北输送导致涡动有效位能的增加;海洋的非绝热加热产生更强的垂直热量通量,这有利于涡动有效位能释放成为涡动动能,从而表现为该区域的风暴轴加强,并进一步影响风暴轴中的天气尺度扰动与下游大尺度环流异常的相互作用过程。     

强台风黑格比的路径和降水诊断分析

利用1°×1°的NCEP全球再分析资料和常规气象要素、中尺度自动站、地面加密探测和多普勒雷达等资料,综合分析环流背景对强台风黑格比的路径和降水变化的影响,并对黑格比影响过程的物理量特征进行诊断分析.结果表明:(1)台风路径稳定西北偏西行的主要原因是500hPa副高为带状分布,副高南侧边缘偏东和东南引导气流加强,台风北侧最大东风风速与南侧的最大西风风速之差增大;(2)多普勒雷达基本反射率分析发现对流单体回波在雨带的上游(海上)发展,移动到下游(陆地)迅速减弱;空中垂直液态含水量对于台风降水的演变趋势、降水量估测和降水落区有较好的指示意义.在台风暴雨系统中垂直累积液态含水量产品,由于液态含水量的密实程度不同,降水效率差异极大,有时可使降水量的差异达到2.5倍甚至更大:多普勒雷达产品1小时降水量与实际降水落区和降水量有较好的一致性,而降水落区的表现最好.1小时降水量产品与雷达反射率以及空中垂直液态含水量产品有着很好的对应关系.(3)"黑格比"在西北偏西移动过程中其垂直运动、涡度、水汽通量散度等各物理量场均表现出有利于降水加大的特征.     

不同数字滤波方法在风暴轴研究中的性能比较

比较了Butterworth带通滤波器和不同截断方式下的对称滤波器在风暴轴研究中对天气尺度瞬变波动的滤波性能。理论分析表明：当n≥9时,在天气尺度为2．5～6．0d的定义下,对称滤波器对天气尺度瞬变波动的滤波性能优于Butterworth带通滤波器。针对逐日观测资料,对称滤波器在研究天气尺度瞬变波动问题时取截断参数n=15相对最优。在此截断参数条件下,正弦截断对称滤波器的滤波性能优于梯形截断对称滤波器,且两者均优于Butterworth带通滤波器,这种优势在风暴轴偏强的厄尔尼诺年体现得更为明显。在样本序列较短的情况下,为了得到天气尺度瞬变波动,利用Butterworth带通滤波器并选取带通滤波参数为2．5～8．0d的做法是可取的。     

冬季黑潮暖流区加热异常对东亚副热带西风急流影响的数值研究

通过对大气环流格点模式GAMIL性能的检验表明, 模式较好地再现了东亚地区大气环流型态、高空西风急流变化及表面加热场的季节变化。在此基础上, 设计敏感性试验研究了冬季西太平洋黑潮暖流关键区加热异常对高空西风急流影响, 数值试验结果表明冬季西太平洋黑潮暖流区加热正异常将引起东亚大槽偏东, 大陆冷高压、阿留申低压及位于低纬太平洋上的西太平洋副高均有所增强, 从而导致了冬季风环流加强。相应地, 东北太平洋上出现了明显的气旋差值环流, 而在中高纬大陆海洋交界地区出现反气旋式差值环流; 同时, 西风急流区南侧的低纬地区位势高度及温度场为正异常, 而北侧的中高纬地区为负异常, 这种分布将使得急流区经向气压梯度和南北温差加大, 导致急流的增强。模式结果分别从热力适应理论及热成风的角度验证了黑潮暖流区表面加热异常对急流的影响机理。     

“浣熊”、“海高斯”对海南岛降水的对比分析

通过自动气象站加密资料,NCEP1°×1°每6 h 再分析资料,卫星云图资料及物理量诊断分析方法,对0801号台风"浣熊"和0817号热带风暴"海高斯"进行综合对比,发现登陆前12h有相似路径且登陆点相同的两个热带气旋,对海南岛的降水却截然不同,台风的降水强度并不比热带风暴强.分析发现,受不同季节的冷空气影响,登陆后路径发生转向以及不同的台风云系结构特征,导致它们在动力结构、水汽分布特征和垂直运动等方面存在明显的差异,而这些差异是它们对海南岛造成不同强度降水的主要原因.     

2008年北京奥运会期间污染控制效果数值模拟——以个例分析为例

利用2007和2008年北京地区空气质量监测资料和NCEP再分析资料,分析了北京地区空气动力学当量直径小于等于10μm颗粒物(PM10)污染过程与天气形势及天气系统之间的关系。结果表明:西太平洋热带气旋路径对北京地区发生PM10污染具有预示作用,即当热带气旋北上并在朝鲜半岛或日本登陆的情况下,北京地区一般受持续均压场等弱中尺度天气系统控制,这种中尺度天气系统不利于污染物的扩散,因此北京地区经常发生区域性的PM10空气污染事件。在2007年9次台风北上登陆朝鲜半岛或日本的过程中,北京地区伴随发生了9次PM10污染过程,预示准确率达100%,2008年的预示准确率也达到了80%以上。为了说明北京奥运会期间污染控制措施对改善北京空气质量有实际效果,利用中国科学院大气物理研究所区域空气质量模式NAQPMS,采用无控制措施源和有控制措施源,对2008年北京残奥会期间一次西太平洋北上型热带气旋天气条件下的空气质量状况进行了数值模拟试验,揭示了此次过程北京地区未发生PM10空气污染的原因。     

EXPERIMENTAL STUDY ON A DYNAMIC ASYMMETRICAL TYPHOON INITIALIZATION SCHEME BASED ON 4D-VAR

Axisymmetric bogus vortexes at sea level are usually used in the traditional bogus data assimilation (BDA) scheme. In the traditional scheme, the vortex could not accurately describe the specific characteristics of a typhoon, and the evolving real typhoon is forced to unreasonably adapt to this changeless vortex. For this reason, an asymmetrical typhoon bogus method with information blended from the analysis and the observation is put forward in this paper, in which the impact of the Subtropical High is also taken into consideration. With the fifth-generation Penn State/NCAR Mesoscale Model (MM5) and its adjoint model, a four-dimensional variational data assimilation (4D-Var) technique is employed to build a dynamic asymmetrical BDA scheme to assimilate different asymmetrical bogus vortexes at different time. The track and intensity of six summer typhoons much influenced by the Subtropical High are simulated and the results are compared. It is shown that the improvement in track simulation in the new scheme is more significant than that in the traditional scheme. Moreover, the periods for which the track cannot be simulated well by the traditional scheme can be improved with the new scheme. The results also reveal that although the simulated typhoon intensity in the new scheme is generally weaker than that in the traditional scheme, this trend enables the new scheme to simulate, in the later period, closer-to-observation intensity than the traditional scheme. However, despite the fact that the observed intensity has been largely weakened, the simulated intensity at later periods of the BDA schemes is still very intensive, resulting in overly development of the typhoon during the simulation. The limitation to the simulation effect of the BDA scheme due to this condition needs to be further studied.     

冬季北太平洋风暴轴指数的评估及其改进

首先对风暴轴的定义及其强度和位置表征方法进行了归纳总结, 然后利用1958～2001年44年冬季ERA40位势高度场资料重新评估了几种不同的风暴轴特征指数, 分析得到: 这些不同的定义方法在表征风暴轴强度变化方面具有一致性, 但在描述风暴轴的位置变动方面有较大差异。根据冬季北太平洋风暴轴主体的强度和位置变化特征, 提出了一组更为恰当的动态定量的表征方法, 即取北太平洋及其周边区域 (30°N～60°N, 120°E～120°W) 冬季500 hPa位势高度天气尺度滤波方差大于20 dagpm2的所有格点滤波方差的平均值, 以及满足上述条件所有格点的经度平均和纬度平均分别作为冬季北太平洋风暴轴的强度指数 (NII)、经度指数 (NXI) 和纬度指数 (NYI)。通过比较分析, 证明了新定义的指数更能反映风暴轴实际的变动特征。继而利用新指数分析了冬季北太平洋风暴轴的强度和位置的长期变化, 得到以下结论:44年中, 冬季北太平洋风暴轴的强度微弱增加, 且在1970年代中期以前北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化关系复杂; 1970年代中期以后北太平洋风暴轴的强度和位置的年代际变化具有准协同一致性, 表现为偏弱期位置偏西偏南, 偏强期位置偏东偏北。而且, 这种长期变化与太平洋海气系统成员的低频变化有相关性, 其变化成因是复杂的。     

大气季节内振荡对西北太平洋台风路径的影响研究

台风路径一直是天气预报的难点之一。本文研究了大气季节内振荡 (ISO) 对西北太平洋台风路径的影响, 指出大气ISO对台风路径预报有重要参考意义。细化传统台风路径的划分方法, 将台风路径进一步分为5种: 西移型、 西北移型、 日本以西型、 日本登陆型、 日本以东型。分别对不同路径的台风所对应的低频流场进行超前滞后合成分析, 发现台风生成时850 hPa低频气旋的正涡度带走向往往预示着台风的未来走向, 200 hPa低频环流形势, 意味着上层引导气流的方向, 对台风的路径也有一定的指示作用。低频流场演变特征表明, 大气ISO在对流层低层到中层通过低频气旋或低频反气旋的环流形势影响季风槽及副热带高压的位置和强度, 从而影响台风的活动。低频气旋的作用使台风易于沿着低频气旋的正涡度带移动。菲律宾以东热带地区生成的低频气旋的加强有利于季风槽的加强和东伸, 另外, 它的经向北传对副热带高压的位置也有影响。在副热带地区存在大气ISO流型以低频波列的形式向西传播, 对副热带高压的季节内时间尺度东西振荡有重要作用。热带与副热带地区大气ISO的共同作用, 对台风路径有决定性意义。初步认为, 对于西移路径和西北移路径, 热带大气ISO的影响起着更为重要的作用; 对于日本登陆型和日本以东型路径, 副热带大气ISO的影响起着更为重要的作用。大气季节内振荡的环流场可以作为台风路径预报的依据之一。     

北太平洋风暴轴对黑潮延伸体系统变异的响应及其能量转换机制

西北太平洋纬向扰动海温经验正交函数（EOF）分解第一和第三模态、第二和第四模态分别代表同期黑潮延伸体和亲潮强弱的配置关系,将两者的典型位相合成,可以分别得到延伸体收缩和扩张状态时的典型模态海温,本文以此及气候态海温作为初始海温强迫场,利用CESM1.2.0模式,讨论了延伸体的系统变异对北太平洋风暴轴的影响及其在不同能量转换过程的主要影响机制,结果表明,延伸体收缩状态下,北太平洋风暴轴强度整体加强,而扩张模态下强度减弱。空间分布上,收缩模态下,风暴轴主要体现为经向方向的变化,中心及其以北强度加强,中心以南减弱;扩张状态下,则主要表现为纬向方向的差异,中心及以西强度减弱明显,中心以东有所增强。对能量转换的诊断分析表明,正压能量转换过程对涡动动能的变化贡献很小,且在风暴轴中心附近,其作用主要为消耗涡动动能,延伸体收缩状态下其消耗作用增强,而扩张状态下消耗作用减弱,这一差异主要是由于不同海温异常强迫下瞬变涡旋的形变不同造成;斜压有效位能释放比正压能量转换大一个量级以上,该过程几乎全部通过基流的经向温度梯度和经向涡动热量输送的相互作用完成,在这一过程中大气斜压性（经向温度梯度）起了关键性作用,大气斜压性异常、基流经向温度梯度异常、斜压有效位能释放异常与风暴轴异常的空间分布均具有较好的对应关系,该过程可能也是延伸体海温异常影响北太平洋风暴轴的主要物理过程;涡动有效位能需要进一步转换为涡动动能才能产生瞬变涡旋运动,涡动有效位能释放的量级与斜压有效位能的释放相当,但数值要小,这一过程通过冷暖空气的上升下沉运动完成,延伸体异常模态下,扰动垂直速度和扰动温度的负相关性的变化与涡动有效位能向涡动动能转换的变化也有较好的对应关系。