结合“海棠”台风（2005）定量分析非绝热加热对湿 Q 矢量诊断能力的影响

湿Q矢量最大特点就是考虑了非绝热加热作用,各种湿Q矢量差异也主要表现在对非绝热加热计算处理方案的不同.因此,通过比较分析非绝热加热作用,可揭示出不同湿Q矢量之间诊断能力的差异.2005年第5号登陆台风"海棠"在7月19日08时20 H 08时,给福建省东北部及浙江省造成大范围暴雨.WRF模式成功模拟出此次台风暴雨过程.文章将结合"海棠"台风(2005)登陆台风暴雨过程,利用 WRF模式模拟输出的气象要素,通过计算降水场,定量分析了非绝热加热作用及其对湿Q矢量诊断能力的影响.结果表明:(1)对于公包括大尺度凝结加热的非绝热加热作用H1及包括了潜热加热(大尺度凝结加热和对流凝结加热)、感热加热和辐射加热的非绝热加热作用H2来讲,局地变化项的强迫作用较垂直平流项、水平平流项的强迫作用约小1-2个量级,可以忽略不计,垂直平流项的强迫作用是主要成分,对于水平平流项来讲,尽管其强迫作用明显小于垂直平流项的强迫作用,但也明显大于局地变化项的强迫作用,考虑其将更有利于充分反映H1、H2的强迫作用.对于包括非均匀饱和大气中潜热加热的H3来讲,水平平流项与垂直平流项的强迫作用相当,均为主要成分,而局地变化项的强迫作用为次要成分且不容忽视,对其考虑将有助于全面描述H2的强迫作用.(2)非绝热加热作用H1、H2以及H3强迫产生的24 h累积降水场具有相似的水平分佰特征,三者强迫产生的逐时雨量随时间演变特征也非常相似,这表明水汽凝结潜热是非绝热加热作用的主要成分.(3)进一步结合模拟降水场分析表明,相对于H1强迫产生的降水场来讲,H2与H3强迫产生的降水场更接近模拟结果,这揭示出包含H2的湿Q矢量与包含H2的湿Q矢量诊断能力相近,且对降水反映能力较包含H1的湿Q矢量诊断能力强.(4)不同湿Q矢量各自有其自身诊断特点,根据不同研究目的的需要,可有针对性的选取相应的湿Q矢量来作为研究工具.如需要具体、细敛分析水汽潜热的强迫作用,可以选朋包含H1、H3的湿Q矢量,如仅需考虑总的湿Q矢量强迫作用,则可以直接选用包含H2的湿矢量.     

"海棠"(Haitang)台风降水非对称分布成因初步研究

2005年第5号台风"海棠"登陆福建省前后所引发的降水呈明显的南北非对称分布特征。逐时MT1R静止气象卫星IR1云图分析揭示,陆地上台风环流云系呈南北非对称分布。浓白色的降水云区主要位于台风北侧,而在此期间,台风南侧云系则相对较暗。在WRF模式成功模拟的基础上,分析模拟的700 hPa高度上相对湿度和垂直上升运动场表明,垂直上升运动场呈现出与降水场相似的南北非对称分布特征,而台风南北两侧空气相对湿度呈均匀分布。进一步改进的湿Q矢量(Q*)以及地形抬升和地表摩擦作用(简称地形因子)分析表明,Q*矢量散度辐合区、地形因子强迫产生的垂直上升速度区都呈南北非对称分布特征。综合考虑指出,"海棠"台风降水分布的南北非对称性,主要由动力因子(Q*矢量(相当于上升运动)、地形抬升与地表摩擦以及垂直上升运动场)引起的,而热力条件(包括相对湿度)是不重要的。     

台风“艾利”降水的非对称结构分析

利用NASA提供的热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)的高分辨率资料分析了2004年台风“艾利”降水的结构特征,发现在不同发展阶段其特征存在着很大的不同。为了分析产生降水非对称的原因,又利用NCEP(the National Centers for Environmental Prediction) 再分析资料计算了垂直积分的水汽通量矢量。结果表明,本次过程由于伴随着双台风特有的环流形势,其北侧的偏东气流和南侧的西南气流对水汽输送的作用,在台风“艾利”发展的不同时期存在很大的不同,形成了这次台风过程特有的水汽来源特点。台风对流强降水区、水汽通量最大区和强上升运动区三者的分布在台风不同发展阶段存在着较大的差异,正是水汽通量和垂直运动的非均匀分布才造成这次台风降水的非对称分布。     

台风登陆后非对称降水的非地转湿Q矢量研究

利用NCEP再分析资料和热带降水测量卫星资料,采用改进后考虑非绝热加热的非地转湿Q矢量理论,对“0907”号热带风暴“天鹅”登陆后非对称降水特征进行研究.结果表明:(1)台风登陆后雨带出现断裂,降水呈现明显非对称性特征,强降水主要位于第二象限;(2)非地转湿Q矢量散度分布较好描述了台风登陆后降水的非对称性,与降水的分布有较好的对应关系,强降水主要位于湿Q矢量散度梯度的大值区;(3)沿台风移动方向上,非地转湿Q矢量辐合、辐散交替分布构成雨区内的垂直环流结构,其中倾斜上升支的非对称结构,造成了降水的非对称性;(4)经过台风中心存在纬向的次级环流,对降水起抑制作用,其东西向的不对称结构有利于降水的非对称性发展;(5)非绝热加热项有利于加强降水的非对称性特征.     

“海棠”台风（2005）降水非对称分布特征成因之大气因子研究

利用NCEP/NCAR FNL（Final Analysis）资料,通过分析1 000～600 hPa（低层）、500～100 hPa（高层）气柱内水汽条件、垂直上升运动条件及计算非地转干Q矢量及其分解、非绝热加热作用,进一步揭示大气因子对“海棠”台风（2005）降水非对称分布特征形成的贡献。结果表明:（1） 台风路径左右两侧低层大气湿度条件相当,而高层大气的湿度则是右侧明显比左侧大。（2） 台风路径右侧的高、低层大气中的垂直上升运动的范围、强度均比左侧广、强。（3） 台风路径左右两侧的高层大气对垂直上升运动的强迫作用相当,而台风路径右侧低层大气垂直上升运动的范围、强度明显比左侧广、强。均呈现出明显的非对称分布特点。进一步Q矢量分解诊断分析表明,低层大气中尺度天气系统对垂直上升运动的强迫作用比大尺度天气系统的强迫作用大。（4） 台风路径左右两侧的高、低层大气中均一直存在非绝热加热作用,且在范围及强度上均呈现出一定的非对称分布特点。高层大气的湿度条件、低层大气对垂直上升运动的强迫作用,尤其是低层大气中尺度天气系统的强迫作用,及高、低层大气中的非绝热加热作用,均呈现出与“海棠”台风（2005）降水场相似的非对称分布特征,表明上述大气因子均有助于降水非对称分布特征的形成。      

影响登陆台风降水量的主要因素分析

利用湿Q矢量对数值预报模式输出的风场、温度场、温度露点场进行动力释用,并考虑地形强迫作用,得到一个独立于数值模式直接预报输出降水场的释用预报降水场即湿Q矢量释用（Q^MVIP）技术。结合2010—2014年汛期（6—9月）登陆我国华东14个历史台风降水实况资料以及华东区域中尺度模式（基于WRF V3.1）（简称WRF模式）预报产品,统计检验分析了Q^MVIP技术对登陆台风降水的定量预报能力。结果表明,Q^MVIP技术较WRF模式明显改善了对25.0 mm·(24 h)^-1以上及50.0 mm·(24 h)^-1以上降水的定量预报能力。进一步结合“菲特”台风（2013）登陆前后所引发的24 h累积降水场进行比较分析发现,Q^MVIP技术对台风暴雨落区、强度的反映能力均优于WRF模式。这表明,湿Q矢量释用技术可以在一定程度上弥补现有数值预报模式对登陆台风定量降水预报（QPF）能力的不足。

     

台风登陆前后雨带断裂与非对称降水的成因分析

利用美国WRF(Weather Research Forecast)模式对“海棠”台风(0505)登陆前后的雨带变化进行分析和模拟试验。结果显示：台风登陆前后其雨带会产生断裂,这种现象可发生在陆地和海上,使非对称降水更加明显。分析得出雨带断裂不仅与地形有关,而且与高层台风环流和中纬度系统的相互作用有关：台风登陆前后,200 hPa南亚高压和台风外围的辐散气流结合形成在台风西北方向的弱倒槽,台风中心西侧及西北侧的中低层辐散流场稳定维持,使高层气旋性流场加强,与气旋性流场相伴的正涡度一部分随气流逆时针旋转,并逐步平流至台风中心附近的正涡度区形成一个沿22～25 °N的正涡度输送带并延伸至台风中心东部,而中心东部高层的正涡度带中有下沉运动,不利于降水发展而导致雨带断裂是非对称降水的主要原因。高层台风的带状涡度向外围的传播可导致中纬度气旋性环流的进一步加强和正涡度向台风输送的加强,使雨带断裂更加明显。     

台风“苏拉”登陆福建后降水的非对称成因分析

利用常规天气资料、NCEP再分析资料、卫星云图、新一代天气雷达等资料,分析了2012年第9号台风"苏拉"降水预报失败的原因及其暴雨成因。结果表明:此次台风暴雨预报失败的主要原因在于预报过程中没有关注台风垂直结构的改变及其对降水落区的影响。"苏拉"台风暴雨是在中高纬稳定的环流形势下发生的,低层到高层引导气流的变化导致"苏拉"高层风暴中心向南倾斜;环境风垂直切变导致了台风降水的非对称分布,环境风垂直切变方向的左侧是强降水发展的区域;此外,随着台风环流中心在垂直方向发生偏移,改变了涡度平流的垂直分布,从而导致了福建省南部的暴雨。因此关注登陆台风中心在垂直方向的偏移对台风降水预报非常重要。     

“达维”(2005)台风经过海南岛过程非对称降水的成因分析

2005年9月25日08时—27日08时,强台风“达维”从海南岛中部陆地经过的48小时期间,给海南岛带来一次强降水,表现出海南岛南侧降水大于北侧的非对称特征。利用热带测雨雷达资料(TRMM)对这次非对称降水的中尺度特征进行分析,并从次天气尺度系统扰动、垂直风切变、地形作用等方面对其成因进行探讨。结果表明:⑴ 次天气尺度扰动系统为中尺度雨团、中尺度雨带的形成提供了有利的动力条件;⑵ 垂直风切变下风方向左侧有利于对流发展的区域始终位于海南岛南部,导致降水出现非对称特征;⑶ 海南岛山脉地形通过刺激小对流单体的形成与合并发展,从而促进中尺度降水系统形成,最终致使海南岛南部暴雨增幅。      

台风“山竹”登陆结构变化及造成广西强降水异常分布的成因分析

利用地面加密自动站观测资料、多普勒天气雷达及NCEP格点再分析资料,对2018年第22号台风“山竹”登陆前后环境场、动力热力场结构变化特征进行了分析,并初步探讨台风造成广西强降水分布异常的成因。(1) 200 hPa南亚高压稳定维持、西南季风与越赤道气流、西太平洋气流卷入提供水汽和能量是台风登陆后强度减弱缓慢的重要因素。(2)台风登陆移入广西过程中,其中高层θ_se漏斗状结构、正涡度柱状结构维持,东侧和北侧低层有深厚入流辐合上升,高层有明显出流。(3)水平风场的不对称分布导致台风东侧到北侧存在明显的风向切变和风速辐合,出现垂直螺旋度正值中心和强水汽辐合区,对应有螺旋对流回波带发展、维持,这可能是“山竹”强降水出现在台风偏北侧的重要原因。(4)云贵高原冷空气的侵入加剧了热力不稳定,加上地形抬升增幅作用,导致桂北和桂西持续强降水。(5) “山竹”降水分布与低层湿位涡负值区有较好对应,强降水主要出现在湿正压项(MPV1)负值中心附近和MPV1负值区与湿斜压项(MPV2)正值区相叠加的区域。      

登陆台风短时定量降水预报方法初探

利用登陆台风的GMS-5 IR1 TBB资料及地面自动站逐时雨量资料,初步建立了适用于登陆台风的定量降水估计(QPE)方法,基于QPE结果,采用外推法,初步实现了对登陆台风未来0~3 h的短时定量降水预报(QPF)。应用于0104号登陆台风“尤特”和0414号登陆台风“云娜”两个例表明:对单站逐小时雨量定量预报而言,如果50%相对误差可以接受,01、、23、h的QPF准确率分别达20%~70%、30%~80%、30%~70%、20%~60%;对于单站过程雨量定量预报而言,如果50%相对误差可以接受,0、1、2、3 h的QPF准确率基本都达60%~80%;对未来0~3 h的面雨量也具有一定定量预报能力。0~3 h QPF结果对实际短时登陆台风降水业务预报工作具有一定的参考价值。     

湿Q矢量释用技术及其在定量降水预报中的应用

新发展了一种湿Q矢量释用技术:利用松弛法迭代求解以非地转干Q矢量散度为强迫项的方程得到垂直运动场ω ₁, 然后由ω ₁计算湿Q矢量散度场, 接着再利用松弛法迭代求解以湿Q矢量散度场为强迫项的ω方程得到垂直运动ω ₂, 最后由ω ₂结合水汽条件进行降水量计算, 得到湿Q矢量释用降水场。结合一次典型的江淮梅雨锋暴雨过程研究表明, 湿Q矢量释用降水场对同期观测降水场水平分布特征、极端降水强度都具有一定的反映能力, 反映出湿Q矢量释用技术具备实际应用的可行性和一定合理性。将此释用技术应用于华东区域数值预报模式 (基于MM5 V3.6而建立, 以下简称MM5) 产品, 得到湿Q矢量释用定量降水预报 (QPF) 场, 其独立于模式本身输出的QPF场, 但与模式QPF场具有相同的时空分辨率。针对2004年6—8月汛期华东地区一次梅雨锋降水过程和一次登陆台风降水过程, 结合实况雨量资料, 比较分析了湿Q矢量释用QPF场和MM5模式QPF场对实际观测降水场的反映能力, 结果表明, 前者对有无降水、10.0 mm/24 h以上明显降水的反映能力明显优于后者。进一步进行预报统计检验表明, 湿Q矢量释用预报有无降水、小雨及10.0 mm/24 h以上降水的TS评分、正确率都明显高于MM5模式, 而漏报率、空报率则是前者明显低于后者。这也充分反映出湿Q矢量释用技术应用于QPF研究的有效性。最后, 探讨了数值预报产品释用技术对数值预报模式性能的依赖性, 并指出未来对湿Q矢量释用技术进一步改进的方向及其广泛应用前景。     

“海棠”台风（2005）结构对其降水影响的Q矢量分解研究

摘要： 基于WRF模式对2005年台风“海棠”登陆降水过程的成功模拟, 本文初步尝试利用修改后的非地转干Q矢量(QN矢量)PG分解, 定量揭示台风结构对台风降水和台风雨强差异形成的影响。结果表明： （1）在台风登陆过程的不同阶段, 对台风降水起主要贡献的台风结构因子是不同的。在台风登陆过程前12 h期间, 对降水贡献最为显著的为QNshdv, 其次是QNalst和QNcrst, 而QNcurv的贡献最小; 在后12 h期间, 对降水贡献最为显著的为QNcrst, 其次是QNcurv, QNshdv的贡献列第三, 而QNalst的贡献最小。（2）各台风结构因子QNalst、 QNcurv、 QNshdv及QNcrst对台风降水发生的贡献都存在明显的时、 空变化。（3）在台风登陆降水过程中, 对每个时刻暴雨雨强形成有贡献的台风结构因子是不同的。相对来讲, QNcurv对暴雨、 大暴雨及特大暴雨之间雨强差异形成的贡献最为显著, QNalst与QNcrst的贡献情况较为接近, 而QNshdv的贡献则相对最小。通过QN矢量PG分解, 可以定量揭示出登陆台风结构对台风降水的影响, 这也是总的QN矢量（即QN矢量）难以揭示的潜在物理机制。     

A Numerical Study of the Severe Heavy Rainfall Associated with Typhoon Haitang （2005）

Typhoons landing in the central and north of Fujian Province often seriously impact Zhejiang Province. Much attention has been given to exceptionally torrential rain in the South/North Yandang mountainous regions in the southeast of Zhejiang Province associated with typhoon-landing. Typhoon Haitang （2005） is a typical case of such a category, which landed in Huangqi Town of Lianjiang County in Fujian Province, and meanwhile greatly impacted Southeast Zhejiang. A numerical simulation has been performed with the PSU/NCAR non-hydrostatic model MM5V3 to study the torrential rain associated with Typhoon Haitang. The comparison of simulated and observed rainfalls shows that the MM5V3 was able to well simulate not only the intensity but also the locations of severe heavy rain of Typhoon Haitang, especially the locations of the south/north heavy rain center areas in the South/North Yandang mountainous regions. Meanwhile, the diagnostic analysis has been also carried out for better understanding of the severe heavy rain mechanism by using the model output data of high resolution. The diagnostic analysis indicates that the westward tilt of the axis of vorticity from lower layer to upper layer over the south heavy rain center area and the coupled structure of convergence in the lower layer and divergence in the upper level over the north heavy rain center area, were both propitious to stronger upward motion in the layers between the mid and upper atmosphere, and the secondary circulation induced by the vertical shear of the ambient winds further strengthened the upward motion in the heavy rain areas. After Haitang passed through Taiwan Island into the Taiwan Strait, the water vapor east of Taiwan Island was continuously transferred by typhoon circulation towards South Wenzhou, leading to the torrential rainfall in the South Yandang mountainous region south of Wenzhou. Subsequently~ Haitang moved northwards, the water vapor belt east of Taiwan Island slowly advanced northwards, the precipitation rate obviously enhanced i     

海棠\

“海棠”台风(2005)再次登陆福建省前后24 h期间(2005年7月19日00时—20日00时(世界时,下同)),给位于台风路径右侧的福建省东北部及浙江省境内(记为R区)造成大范围暴雨,同时,位于台风路径左侧福建省中南部及广东省境内(记为L区)仅有小雨发生,台风路径左右两侧暴雨落区呈明显非对称分布。基于WRF模式模拟结果诊断分析了“海棠”台风(2005)暴雨及其非对称分布特征成因,结果表明：(1)中尺度天气系统对“海棠”台风暴雨的垂直运动场的强迫作用是主要的,大尺度天气系统所起的强迫作用基本处于次要位置。地形抬升对“海棠”台风暴雨形成一直起着稳定、持续的促进作用,地表摩擦作用主要在台风登陆以后与“海棠”台风暴雨形成密切相关。(2) Q矢量强迫产生的降水场、地形强迫产生的降水场均呈左右非对称分布特征,气象因子是“海棠”台风降水非对称特征形成的主要因素,它一方面直接导致降水非对称特征形成,同时还引发地形因子强迫发挥了重要的促进作用。(3)进一步界定诊断范围对比分析表明,对于R区来讲,存在强烈的上升运动,并将低层汇聚的充沛水汽向上层输送,导致R区强降水发生,而对于L区来讲,上述与降水发生密切相关条件均较R区弱,不利于强降水发生。最后,对未来台风降水成因研究工作进行了初步展望。

     

华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力, 本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF 模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性, 在3℃ 层, 飞机观测的LWC 最大值为0.8 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为0.78 g m-3, 两者接近;在－8℃ 层, 飞机观测LWC 最大值为1.5 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为1.1 g m-3, 模拟值偏小;在－5℃ 层以下, 模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布, 包括融化层的分布, 模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水, 在－6～－10℃, 由于模式中雪粒子凇附增长过程较大, 聚合过程发生的高度偏高, 导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值, 说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面, 在－8℃ 层, 由于模拟的雪粒子质量浓度偏高, 所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值, 模拟偏小;在－5℃ 层, 两者比较接近;在3℃ 层, 由于云中小粒子浓度逐渐减少, 所以模式计算的斜率接近观测值, 但是截距大于观测值, 说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进, 模式中谱形参数μ 不应一直设置为0, 而是应该随着高度变化而变化。