涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的数值研究

设计了一个高分辨率f平面准地转正压涡度方程半谱模式，用以研究非线性对台风切向风速变化，以及不同初始异常条件下台风环流内涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化特征。6类(14组)试验的数值结果表明：非线性使台风切向风速的增强减弱，可能使最大风速半径收缩。初始扰动中心位置对涡旋Rossby波传播和台风切向风速变化的影响明显。扰动中心在最大风速半径附近时，台风最大切向风速增强最多；异常中心在台风外区时，使最大切向风速减小。初始异常尺度(范围)减小对台风最大切向风速变化的影响减弱。双涡分布条件下，台风环流外区的涡旋使内区或近眼壁区对流涡旋对台风最大切向风速的影响减弱。     

切向风速水平廓线对台风路径和强度的影响

用一个β平面的准地转模式和一个高分辨率的f平面准地转模式，实施了6组试验，研究了初始台风切向风速水平廓线对台风路径和强度的影响。结果表明：切向风速峰值区狭窄，最大风速半径较小的廓线，与偏西北方向的路径以及强度维持或增强相对应；峰值区宽平，最大风速半径较大的廓线，与北折转向的路径以及强度衰减相对应。     

台风最大风速增强的数值研究

用一个高分辨率的正压模式，实施了8组时间积分为36h的试验，分析了中尺度涡旋和台风涡旋的相互作用及其对台风强度变化的影响，讨论了初始中尺度涡旋空间尺度大小与台风强度变化之间的联系。结果表明：在一定的合理的参数条件下，这种相互作用可以使台风切向风速量大值增加，显示出台风增强的现象。     

涡列涡量内传的数值研究

用一个高分辨率的准地转正压模式实施了4组积分时间为24h的试验,研究台风环流区域中尺度涡列对台风强度的影响,并与单个中尺度涡旋的情况作了对比。结果表明:涡列内传过程中出现了两次涡合并现象,涡列涡量内传对台风强度的影响能力较弱,单个中尺度涡旋涡量内传可使台风增强。     

台风环流区域内中尺度涡量传播特征的研究

用一个高分辨率f平面直角坐标系的正压准地转模式,实施了10组积分时间为36h的试验,研究了初始位于台风外区的一个中尺度涡旋与台风涡旋的相互作用.结果表明:这种相互作用可以激发一个从外区伸展到内区的较小尺度的涡旋对,以此方式将涡量内传至台风中心附近.同时,中尺度涡旋呈现涡量集中化的特征.涡量内传与涡量集中化共存,使内区涡量增多,导致台风增强.此外,在一定条件下,这种相互作用还可以使涡量带破碎和断裂,形成一系列空间尺度更小的涡块.     

台风内部的中尺度波动与多边形眼墙的形成

用小波变换分析了1948～2003年南海夏季风强度指数序列振荡特征,并研究了Lanczos滤波器滤出的不同时间尺度上南海夏季风强度与SODA资料提供的海洋热力条件的关系。结果表明,南海夏季风强度变化存在准4年的年际变化、约9年周期的十年际变化和38年左右周期的年代际变化。年际变化最强,年代际变化最弱。不同尺度上的南海夏季风强度变化与海洋热力条件的显著相关区有很大的地域差异。南海夏季风强度的年际变化主要与近赤道地区的热带海洋变化有关,相关关系呈准2年变化。若前一年秋冬季节的赤道东印度洋、赤道西太平洋出现海温和温跃层深度正异常和赤道西印度洋、赤道中东太平洋出现海温和温跃层深度负异常时,对应于当年的年际尺度上的南海夏季风加强;反之则减弱。南海夏季风强度与后期海温的对应关系为:南海夏季风加强,秋季时,南海周边海区和澳大利亚东部海区海温显著负相关;冬季时,热带西印度洋、赤道中东太平洋和赤道大西洋海温出现显著的正相关。南海夏季风强度的年代变化受PDO的调制。年代际尺度上南海夏季风强度的变化即与全球变暖有关,也与PDO有关。     

台风涡旋系统的波动性质及其数值模拟

本文使用柱坐标系下的正压浅水方程组以及斜压扰动方程组,分析得出台风涡旋系统中的涡旋Rossby波划分为两种类型。由于切向基本气流的二阶径向水平切变或者基本气流的垂直涡度在径向方向的变化(β*因子)所导致的涡旋Rossby波称之为第一类涡旋Rossby波(正压涡旋Rossby波),它产生的根本原因是β*因子的作用。这种第一类涡旋Rossby波相对于切向基本气流是单向传播的,其传播方向则与β*因子的正负符号有关。当基本流场垂直涡度-ζz沿着径向r方向增大时,第一类涡旋Rossby波是沿着切向圆周方向逆时针方向传播的;反之则是沿着切向圆周方向顺时针方向传播。如果考虑切向基流的二次垂直切变时,可以得到台风涡旋系统中第二类涡旋Rossby波(斜压涡旋Rossby波)的相速度表达式,第二类涡旋Rossby波产生的物理根源是切向基本流场风速的二次垂直切变或者基本流场径向r方向的平均涡度在空间z方向上的不均匀性(亦即β**因子)。第二类涡旋Rossby波相对于切向基本气流也是单向传播的,当-ζr沿着空间z方向上增大时,第二类涡旋Rossby波就是相对于基本气流-V0是顺时针方向传播的;反之则是相对于基本气流逆时针方向传播。在基本流场的风速-V存在二次径向水平切变或者垂直切变时,台风中的波动可能是混合的涡旋Rossby波——重力波;而当基本流场的风速-V仅仅存在线性切变,不存在二次切变时,此时根本不存在涡旋Rossby波,台风系统中的波动则仅仅是重力惯性波。最后,采用WRF模式对“云娜”台风进行了数值模拟,验证了上述结论。     

一次“北涡南槽”型广西强降水过程的数值模拟与诊断分析

利用一次台风的模拟资料,对台风内部的中尺度波动进行诊断。通过分析中尺度波的结构发现,台风内的中尺度波动具有重力惯性波和涡旋Rossby波的混合特征。一方面,波动的扰动高压对应于负的涡度扰动和反气旋性环流,扰动低压对应于正的涡度扰动和气旋性环流,波动的最大振幅出现在最大风速半径附近。另一方面,波动展示了强烈的辐合辐散和非地转特性。并提出了台风多边形眼墙和中尺度波动之间的联系机制模型。     

1822号台风“山竹”的涡旋Rossby波特征分析

采用WRF中尺度模式对2018年22号台风“山竹”进行高分辨率的数值模拟,在此基础上,分析台风的精细动力结构和雨带特征。分析结果发现,台风“山竹”的眼墙处具有低层辐合流入、高层辐散流出的动力配置;台风眼墙附近存在切向风速的高值区和明显的垂直上升区,并且随着高度逐渐向外侧倾斜,同时该处的雷达回波也较强,对流系统较为深厚。然后利用尺度分离方法得到涡旋罗斯贝(Rossby）波的扰动场,进一步分析了台风“山竹”内部的涡旋Rossby波特征。研究发现：1）1波和2波会同时沿着切向和径向方向传播,2波的振幅明显小于1波;1波和2波的正涡度扰动大值区基本覆盖强的雷达回波区域,同时伴有较强的对流活动。2）垂直方向上,降水区的涡度扰动呈现出上层为正、下层为负的动力配置时,同时散度扰动的垂直方向也有类似配置时,则会加强对流系统的发展,有利于降水的增强。由此可见,1波和2波扰动的上层辐散下层辐合的动力配置会促使对流系统的加强,同时也会对台风降水的强度和分布有一定的作用。     

THE TOPOGRAPHIC PARAMETER SENSITIVITY TO VORTICITY PROPAGATION AND TYPHOON TANGENTIAL VELOCITY CHANGES

1 INTRODUCTION Being one of the important factors that govern the track and intensity change of the tropical cyclone (TC) [1, 2], topographic features are closely related with topographic parameters and the speed of latitudinal flows. As shown in a statistical study by Brand et al., with its passage through the islands of the Philippines, the TC begins to decrease the mean maximum surface wind speed from 47 m/s to 45 m/s 4 hours before reaching the Philippines. They also find that when …     

Rossby参数β在涡旋Rossby波中的作用

利用尺度分析方法得到Rossby参数β在强涡旋中有着不可忽略的作用.在无基本气流径向切变的涡旋系统中,在Rossby参数β的作用下有涡旋Rossby波出现.由于涡旋Rossby波存在,从而破坏了涡旋系统的轴对称性,表现出非轴对称特征.在考虑切向基本气流的涡度径向变化时,涡旋Rossby波的频散关系同时包含了切向基本气流涡度径向切变项和β项的作用.一般情况下涡旋Rossby波在切向基本气流涡度径向切变的作用下有向外频散能量的特性,而β项的作用随方位角θ而变化,使涡旋能量频散不对称.     

斜压涡度的变化与台风暴雨的关系研究

台风暴雨作为台风引起的最主要灾害之一,一直被人们关注。台风常被认为是对称结构,但从实际状况来看台风的非对称性非常明显,所以有必要研究斜压性涡度在台风中的表现。在高分辨率数值模拟的基础上,通过引入斜压涡度的概念,分析和总结了斜压涡度在2009年台风“莫拉克”暴雨过程中的表现。通过模拟与分析得到如下的结果:斜压涡度和MPV对比,可以看出在登陆前和登陆后,明显低层斜压涡度有更强的异常信号,围绕台风内核呈现正负正的位相特点;从沿着台风中心时间剖面可以看出,登陆前斜压涡度低层多为负正负的位相,并且随着时间的推移,斜压涡度有从大气的高层向台风的移动中心传递的趋势,即在台风即将到达时原先的正涡度被替换为负涡度,所以对其移动有一定指示意义;在台风“莫拉克”过台湾岛时,其斜压涡度表现为负涡度消失,在山地附近有正涡度生成,完成过岛,台风中心被替换;斜压涡度的异常值主要位于大气的低层时,一般会产生较强的降水。      

台风涡旋的结构及其与台风运动的关系

用ＦＳＵ区域模式讨论台风涡旋结构及其与运动的关系，台风涡旋的运动在无基本环流和β平面条件下取决于轴不对称环流。而不对称环流的发展源自于从对称环流动能的转换。其率取决对称环流，不对称环流和地球涡度经向梯度三者的相互作用。由于不对称环流动能产生率随高度不变，故台风作为一个统一体以相同的移速移动。不对称环流的径向结构取决于对称环流的径向结构。     

THE THEORY OF MOIST POTENTIAL VORTICITY AND ITS APPLICATION IN THE DIAGNOSIS OF TYPHOON RAINFALL AND INTENSITY

This paper tests the impacts of cloud-induced mass forcing on the moist potential vorticity (MPV) anomaly associated with torrential rains caused by Typhoon No.9914 (Dan) by using fine model simulation data outputted by the Fifth-Generation NCAR / Penn State Mesoscale Model (MM5). The diagnostic results show that the positive MPV anomaly region, which is obtained by integrating the MPV from 600 hPa to 300 hPa in the vertical, roughly coincides with the precipitation at their synchronous stages either in position or in the distribution pattern, and the maximum positive MPV area of Dan is located mainly between 600 hPa and 300 hPa, which is much higher than torrential rain cases. Further analyses also showed that the value of positive MPV anomaly increased or decreased with the development of Dan, and the positive MPV anomaly may also be served as a tracer to indicate the evolution of tropical cyclone intensity.     

SENSITIVITY OF LANDFALLING TYPHOON STRUCTURE AND PRECIPITATION TO VARYING CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES

Typhoon KROSA in 2007 is simulated using GRAPES, a mesoscale numerical model, in which a two-parameter mixed-phase microphysics scheme is implanted. A series of numerical experiments are designed to test the sensitivity of landfalling typhoon structure and precipitation to varying cloud microphysics and latent heat release. It is found that typhoon track is sensitive to different microphysical processes and latent heat release. The cloud structures of simulated cyclones can be quite different with that of varying microphysical processes. Graupel particles play an important role in the formation of local heavy rainfall and the maintenance of spiral rainbands. Analysis reveals that the feedback of latent heat to dynamic fields can significantly change the content and distribution of cloud hydrometeors, thus having an impact on surface precipitation.     

环流非对称结构与台风移速关系的数值研究

利用准地转正压模式,在无环境气流的情况下,对初始轴对称和非轴对称理想台风实施两组共13个数值试验,研究台风环流不同区域的非对称性与其移速的关系。结果表明：（1）台风环流某些区域的非对称性与其移速有稳定的强相关,如,大风半径外围50～100KM附近东—西向东北—西南向的非对称性;（2）大风半径的位角,使台风外围环流的非对称性与其移速相关增强,而最大风速和初始非对称方位用的变化对上述相关性几乎没有影响。     

THE EFFECTS OF THE PLATEAU'S TOPOGRAPHIC GRADIENT ON ROSSBY WAVES AND ITS NUMERICAL SIMULATION

By using barotropic model equations, this article analyzed the characteristics of Rossby waves, the propagation features of wave energy and the influence of dynamic and thermal effects of the Tibetan Plateau on Rossby waves, and the focus is on discussing the plateau's topographic gradient effects on atmospheric Rossby waves. Then based on the WRF3.2 and the NCEP/NCAR FNL reanalysis data, we devised comparative tests of changing the plateau's topographic gradient and simulated a process of persistent heavy rain that happened in May 2010 in South China. The results are shown as follows. The Tibetan Plateau’s topography is conducive to the formation of atmospheric Rossby waves. while the plateau's terrain, its friction and heating effects can all make the atmospheric Rossby waves develop into the planetary waves; The effects of plateau's north and south slopes on the Rossby wave’ phase velocity is opposite, and when the slope reached a certain value can the quasi-steady normal fluctuations be generated; Simultaneously, due to the plateau's topographic gradient, descending motion appears at the west side of the plateau while ascending motion appears at the east side, and the vertical movement increased with the amplification of topographic gradients. The plateau's topographic gradient also obviously amplified the precipitation in South China, and the rainfall area increased with the amplification of topographic gradients and gradually moved from south to north and from west to east, which is conducive to the occurrence and development of convective activities in the downstream areas of the Tibetan Plateau; Moreover, for the plateau’s dynamic and thermal effects, the Rossby wave’ propagation shows upstream effects of energy dispersion, so the plateau can then affect the weather in downstream areas. Moreover, the wave group velocity increased with the degree of topographic slope.     

地形对重力惯性波传播与发展的影响

本文用ＷＫＫＢＪ方法研究了地形对重力惯性波传播与发展的影响，得到了地形影响下重力惯性波的波作用量守恒方程。结果表明：重力惯性波能量有向地形较高的区域传播的趋势，并且波包振幅上坡时加大，下坡时减小。