利用瑞利激光雷达观测北京地区上平流层地形重力波活动

本文利用中国科学院空间科学与应用研究中心的瑞利激光雷达首次观测到了平流层地形重力波活动的现象,并结合美国国家环境预报中心(NCEP)的全球预报系统(GFS)的风场数据分析了该地形重力波的基本参数.与惯性重力波相比较,地形重力波的密度扰动没有下传的相位,在同一高度上,其扰动相位保持不变.北京空间科学与应用研究中心瑞利激光雷达自2012年开始观测实验以来,已经观测到多起地形重力波活动事件.本文以2013年11月11日的观测数据为例,研究北京上空的地形重力波活动,并结合GFS风场数据分析了北京上平流层地形重力波的波长、传播方向、传播速度等参量.通过分析得到在2013年11月11日北京上空存在一列传播方向为北偏西52.4°,水平波长为5.5km,平均垂直波长约为6.0km的地形重力波.     

台风“梅花”诱发平流层重力波的数值模拟与AIRS观测

为了分析台风这类强对流诱发平流层重力波的过程,本文利用中尺度数值模式WRF-ARW(V3.5)和卫星高光谱红外大气探测器AIRS数据对2011年第9号强热带气旋"梅花"的重力波特征进行了分析.首先,针对模式输出的垂直速度场资料的分析表明,台风在对流层各个方向上几乎都具有诱发重力波的能量,而在平流层内则呈现出只集中于台风中心以东的半圆弧状波动,且重力波到达平流层后其影响的水平范围可达1000km.此外,平流层波动与对流层雨带在形态、位置以及尺度上均具有一定的相似性.其次,对风场的分析结果表明,不同高度上波动形态的差异主要是由于重力波垂直上传的过程中受到了平流层向西传的背景风场以及风切变的调制作用,揭示了重力波逆着背景流垂直上传的特征.随后,基于FFT波谱分析的结果表明,"梅花"诱发的平流层重力波水平波长中心值达到了1000km,周期在15~25h,垂直波长主要在8~12km.最后,利用AIRS观测资料分析了平流层30~40km高度上的大气波动,得到了与数值模拟结果相一致的半圆弧状波动.对比结果也验证了WRF对台风诱发平流层重力波的波动形态、传播方向、不同时刻扰动强度的变化以及影响范围的模拟效果.此外,也揭示了多资料的结合对比有助于更加全面地了解台风诱发平流层重力波的波动特征.     

利用激光雷达测量重力波三维结构

激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息.     

耗散大气中水平不均匀风场对内重力波传播的影响

采用包括耗散的射线跟踪方法，计算了在水平不均匀风场作用下，不同尺度重力波从对流层直至220km观测高度的传播，结果表明，垂直于重力波传播方向的风以及风剪切能够引起波射线的折射，从而导致重力波明显偏离初始传播方向.在强顺风场作用下，由于风场引起的捕获，大量重力波不能传播到观测高度.由于风场引起的多普勒频移，小周期的重力波在弱顺风条件下能够传播到观测高度.由于反射作用，强逆风场不支持周期低于约18min的较高频重力波的传播.而在弱逆风作用下，大部分中尺度范围重力波都能够传播到观测高度.本文统计了武汉电离层观象台的TID观测数据随热层风场的分布，统计结果与模拟结果符合较好.     

热带气旋路径预报的遗传算法客观综合决策研究

研究了一种采用遗传算法(GA)用于台风移动的多预测结论的客观综合决策方法. 通过对1884~2002年的台风数据超大样本训练学习, 设计了用于台风路径预测的遗传学习人工神经元网络(GLANN), 可以把台风移动的预测转化为在其移动中对运动环境动态变化的适应. 采用GA进行网络结构描述, 提出一种遗传选择适应度函数设计, 并给出获得适应度最高(误差最小)的计算方法. 采用人工神经元网络遗传算法与其他方法, 对近年来异常路径台风进行了预报能力的平行对比分析. 参加对比试验的台风有多种类型, 包括海、陆生命史较长, 且登陆影响严重的9711号台风(Winnie), 20世纪90年代以来登陆并影响我国的10个疑难路径台风, 1998年登陆及影响我国的台风, 以及2000年在西北太平洋和南中国海生成的台风24~48 h预报. 试验结果表明, GA方法优于其他方法, 对异常路径台风表现出明显的预报能力.     

基于多台站OH全天空气辉成像仪观测的中国中纬地区重力波传播特性

利用位于中国中纬地区6个OH气辉成像仪2012年1月至2013年12月两年的观测数据,我们研究分析了重力波传播特征.结果表明重力波的水平波长、观测周期和水平相速度分别主要分布于10~35km,4~12min和30~100m·s-1范围.夏季,重力波主要沿极向方向传播.然而,冬季,他们有向赤道方向和平行于赤道方向的传播趋势.同时,我们结合TRMM卫星和ECMWF数据,发现在夏季重力波的北向传播趋势可能主要由观测台站南方的对流活动导致.然而,对流层顶附近的急流可能在冬季重力波的主要传播方向方面做出较大贡献.分析结果也表明,低层-中层大气背景风的滤波效应仅在夏季与中国中纬地区重力波纬向传播方向各向异性吻合较好.     

台风“麦莎”（Matsa）诱发平流层重力波的数值模拟

本文利用新一代中尺度预报模式WRF-ARW（V3.0）对2005年台风＂麦莎＂诱发的平流层重力波进行了数值模拟研究.覆盖整个＂麦莎＂台风主要生命史为期8天的模拟再现了＂麦莎＂的主要特征,与观测资料进行对比,模拟结果在台风基本特征（路径、强度、螺旋云带分布）以及平流层大气平均状态方面上,都与观测资料有较好的一致性.在此基础上,对＂麦莎＂诱发的平流层重力波进行了分析研究,分析结果表明：伴随台风向西北方向移动,在其上空以台风为中心的区域中,持续地出现显著平流层重力波,这些波动呈弧状的波阵面离开台风,并主要在背景流的上游中传播.这些波动特征表明了平流层重力波与台风之间存在紧密联系,我们把这种波动称为＂热带气旋-平流层重力波＂.模拟结果还显示,这些波动应该具有相当大的水平尺度,才使得在20km高度上清晰的波阵面出现在距台风中心1000km以外的位置,这与过去的观测分析结果揭示的与台风相伴的平流层大尺度重力波现象是一致的.     

基于OH全天空气辉成像仪观测的中国低纬地区的重力波传播统计特征

利用位于海南富克(19.5°N,109.1°E)和广西桂平(23.4°N,110.1°E)两个台站两年多的OH全天空气辉成像仪观测数据,对中国低纬地区的重力波传播统计特征进行了研究.从富克和桂平的气辉成像观测中, 分别提取了65和86个重力波事件.研究结果表明,观测水平波长,观测周期和水平相速度分别集中分布在10~35 km, 4~14 min和20~90 m·s^-1范围.重力波传播方向,在夏季表现出很强的东北方向传播.然而,在冬季主要沿东南和西南方向传播. 同时,结合流星雷达风场观测和TIMED/SABER卫星的温度数据,也发现在中层-低热层中传播的大多数重力波表现为耗散传播.且低层-中层大气中背景风场的滤波作用和多普勒频移可能对纬向方向传播的重力波产生的各向异性起到重要的调制作用.然而,经向方向传播的重力波产生的各向异性可能同时被低层大气中波源的非均匀分布以及潮汐变化所影响.     

用福建连续重力资料研究台风“麦德姆”活动特征

<正>1台风信号频谱特征2014年第10号台风"麦德姆"在横穿台湾岛之后,于7月23日15时30分在福建福清沿海登陆,登陆时强度由台风减弱为热带风暴。为研究台风期间福州、厦门、漳州3个连续重力观测台站记录的地脉动信号强度和卓越频率随时间变化过程,编写了傅里叶变换Matlab程序代码,运行结果图略。台风从趋近到远离台站,信号强度从增强到减弱。其中福州台记录到台风登陆时信号强度迅速减弱,之后信号又增强然后     

台风暴雨过程中位势散度波作用密度分析和预报应用研究

在位涡的基础上,考虑散度效应,把水平风矢量旋转90°后的旋度在广义位温梯度方向上的投影定义为位势散度,并把其二阶扰动量定义为位势散度波作用密度,该波作用密度代表扰动热量的扰动输送,与位势稳定度的发展演变有关.登陆台风Morakot(2009)的诊断分析表明,在台风登陆台湾岛,进入台湾海峡和登陆大陆三个阶段,波作用密度高值区与大陆和台湾降水区相重叠,扰动热量的扰动输送显著;在前两个阶段,大陆和台湾降水区波作用密度逐渐增大,扰动热量的扰动输送逐步增强;在台风登陆福建霞浦市后,大陆地区波作用密度减小,扰动热量的扰动输送减弱.在影响波作用密度局地变化的诸多物理因素中,扰动非地转风位涡项是主要强迫项.统计分析表明,波作用密度与观测降水有一定的相关性,据此发展了位势散度波作用密度降水预报方程,其本质是数值模式预报资料的动力延伸释用,预报应用表明,利用24 h模式预报场计算的波作用密度降水能够较好地再现观测降水的落区,对台风Morakot引发的暴雨有一定的预报技巧.     

Development and evaluation of a storm surge warning system in Taiwan

An operational storm surge forecasting system aimed at providing warning information for storm surges has been developed and evaluated using four typhoon events. The warning system triggered by typhoon forecasts from Taiwan Cooperative Precipitation Ensemble Forecast Experiment (TAPEX) has been executed with two storm surge forecasting scenarios with and without tides. Three numerical experiments applying different meteorological inputs have been designed to assess the impact of typhoon forcing on storm surges. One uses synthetic wind fields, and the others use realistic wind fields with and without adjustments to the initial wind fields for the background circulation. Local observations from Central Weather Bureau (CWB) weather stations and tide gauge stations are used to evaluate the wind fields and storm surges from our numerical experiments. The comparison results show that the accuracy of the storm surge forecast is dominated by the track, the intensity, and the driving flow of a typhoon. When the structure of a typhoon is disturbed by Taiwan’s topography, using meteorological inputs from real wind fields can result in a better typhoon simulation than using inputs from synthetic wind fields. The driving flow also determines the impact of topography on typhoon movement. For quickly moving typhoons, storm forcing from TAPEX is reliable when a typhoon is strong enough to be relatively unaffected by environmental flows; otherwise, storm forcing from a sophisticated typhoon initialization scheme that better simulates the typhoon and environmental flows results in a more accurate prediction of storm surges. Therefore, when a typhoon moves slowly and interacts more with the topography and environmental flows, incorporating realistic wind fields with adjustments to the initial wind fields for the background circulation in the warning system will obtain better predictions for a typhoon and its resultant storm surges.     

Typhoon-induced ocean responses off the southwest coast of Taiwan

Typhoons can cause substantial sea surface cooling (typically 2–4 °C), which is usually biased to the right side of the storm track. Under influence of the complex bathymetry of the southern Taiwan Strait (TS), two types of sea surface temperature (SST) response, cooling and warming, each associated with a different type of typhoon track were identified using satellite and mooring observations. When a typhoon moved westward (or northwestward) and passed through the TS (track A), the SST cooling in the TS was biased toward the left of the storm track. Numerical model results indicated that in track A, strong wind stress accelerates the flow east of the Taiwan Banks and drove the bottom flow to uplift due to the topography. Moreover, both wind stress and wind stress curl enhanced the Luzon loop. After the typhoon passed, the mean circulation was modified around strong cooling in the southern TS, causing more South China Sea surface water to be distributed to the Kuroshio region. However, when a typhoon moved westward (or northwestward) and passed south of the TS, SST warming was induced in the southern TS (track B). The model results indicated that when the typhoon passed to the south of the TS, the typhoon-induced horizontal divergent flow travelled to the north, where it encountered the shallower shelf of the TS that was confined to the water, causing warm water transported into this area to accumulate and downwelling to occur. This can be regarded as redistributing the heat content in the shelf area. After the typhoon, the thickened mixed layer resulting from downwelling prevented the formation of near-inertial waves and reduced the vertical mixing.     

华南近海台风突然增强的初秋季节锁相

使用美国台风联合中心(JTWC)的最佳路径资料对近50年(1961-2010年)海南岛至台湾岛之间的华南近海台风路径和强度做统计分析,得到台风增强的季节锁相时段.经过大气变量的物理分解,海陆分布热力强迫的季节风场揭示出:盛夏时节,东亚副热带季风槽位于沿江江南,华南近海盛行西南季风;中秋时节,东亚副热带季风槽南退到南海中部,对华南近海台风的增强没有影响;在夏末秋初的转换季节,东亚副热带季风槽正好位于华南近海,有些台风进入华南近海季风槽中就有可能增强,形成所谓的季节锁相.     

Numerical study of upper ocean response to a typhoon moving zonally across the Luzon Strait

The Luzon Strait (LS) is a wide channel between Taiwan and the Luzon islands. Eastward of the LS, the Kuroshio Current (KC) flows northward along the eastern coasts of Luzon and Taiwan. A typhoon is a strong and localized low-pressure weather system that occurs frequently in the vicinity of the Taiwan area. One typical typhoon track, passing through the seas surrounding Taiwan, is a zonal path across the LS. The satellite measured SST, corresponding to typhoons Pabuk (5 Aug. 2007–12 Aug. 2007) and Dujuan (29 Aug. 2003–5 Sep. 2003), which both moved along this path, demonstrated that a classic right bias cooling occurs to the north of the storm track, during the typhoon forced period. However, some cold anomaly water also present toward left (south) of the storm track east of the LS in the relaxation period. This paper adopted a three-dimensional hydrostatic primitive equation model to study the possible causes of this southward transport of cold waters. Both model results and the observed SST anomaly revealed that the strength of the upper ocean cooling depends on whether a resonant regime between the typhoon winds and the near-inertial currents can be excited. To the east of the LS, the convergence between the warm Kuroshio water and the cold wakes in the poststorm period will enhance the southward spreading of cold anomaly water. The enhanced vertical mixing, induced by the southward propagation of nearly inertial waves associated with the cold wakes, can also produce some cold anomaly to the south of a storm track in the poststorm period. Both mechanisms can contribute to the occurrence of some cold anomaly water to the south of the storm track east of the KC. To the west of the LS, the convergence between the warm Kuroshio water and the cold upwelling water from the northern South China Sea can further strengthen the Kuroshio front in the LS.     

An integrated decision method for prediction of tropical cyclone movement by using genetic algorithm

Typhoon disaster is one of the most influentialnatural disasters. The strong storm surge of Bangla-desh cyclone, which happened in November 1970,resulted in 300000 deaths. Asia and the western Pa-cific can be regarded as an area where is affected mostseverely by the disasters of tropical storms[1]. Themost important thing is to improve the accuracy oftyphoon tracks prediction internationally. Lande-sea,C.[2] pointed out that for a successful forecast oftropic cyclone (TC) tracks, it is not …     

台风激发的第二类地脉动特征及激发模式分析

0.003~1 Hz频段的地脉动主要来源于海浪运动与固体地球的耦合作用,台风引起的强烈海浪运动往往可使地脉动能量显著增强.由于涉及大气-海洋-固体地球三个圈层之间的复杂动量传递与耦合过程,迄今为止,关于台风激发地脉动的具体源区位置及激发机制尚存在争议.本文选取日本、中国东南沿海及台湾地区的地震台站波形连续记录,研究了2008年台风"森拉克"和"黑格比"激发地脉动的时频特征,开展相应数值模拟,并与观测数据进行了对比分析研究.结果表明台风激发第二类地脉动存在两种主要模式:(1)近岸源区激发,即台风引起波浪入射至海岸反射并与后续来波相互作用形成驻波作用于海底而激发;(2)台风中心附近源区激发,即台风中心移动过程中不同时期激发的同频率波浪相向传播、相互作用产生驻波作用于海底而激发,源区位置主要集中于台风中心左后方.此外,结合波浪再分析数据、台风风场特征,我们进一步对第二类地脉动激发过程中的影响因素进行了分析,发现:第一种模式激发的地脉动与近岸源区波浪场强度、观测点至源区距离及台风中心至海岸线距离等因素相关;而第二种模式激发的地脉动则主要受台风中心附近波浪场的频率成分与传播方向影响.     

双台风“玛娃(2005)”和“古超(2005)”移动路径与强度的伴随敏感性分析

本文利用WRF模式及其伴随模式研究了2005年发生在西北太平洋的一对双台风玛娃和古超的移动路径与强度的伴随敏感性特征,一方面探讨了环境场对双台风的影响,另一方面也讨论了双台风之间的相互影响过程的差异.首先,利用双台风初始化技术准确地模拟了双台风的演变过程,并以此模拟结果为背景场计算了台风的中心扰动气压和引导气流的伴随敏感性.研究结果表明：伴随敏感性不但能反映环境场对双台风的影响,还能指示双台风之间相互影响过程的差异.从台风强度的敏感性来看,影响台风强度变化的高影响区均位于台风中心附近,弱台风古超的强度敏感性的量级要大于强台风玛娃的强度敏感性,表明双台风中较弱的那个更容易受到外部环境变化的影响.台风引导气流的敏感性分布也存在较大差异,强台风玛娃的移动主要受到其西北侧的高空槽,其自身环流以及台风古超的影响,而弱台风古超的引导气流的敏感性主要位于其自身环流附近以及双台风之间的区域.最后,通过在理想试验中增加初始时刻高空槽的强度以及弱台风古超的强度,证实了台风玛娃的移动路径的变化与伴随敏感性的分析一致.     

佘山台四分量钻孔应变仪记录的台风扰动特征分析

通过对佘山台四分量钻孔应变仪在台风“浣熊”(Neoguri)和“海葵” (Haikui)经过期间所记录的信号进行小波分解、连续频谱分析以及优势振动方向计算,监测到台风对近岸造成显著低频扰动,并分析了扰动信号在时间空间频率域的影响特征,在此基础上探讨了扰动的激发机制.分析结果显示:在台风发育过程中,覆盖周期为2—16分钟的3个频段能量呈现显著的上升—峰值—下降规律,且这种升降变化与台风中心到台站之间的距离具有良好的相关性,其中周期2—4分钟为扰动的优势频段,能量幅值则随周期的增大而不断减弱.四分量钻孔应变仪在两次台风逼近期间的优势振动方向均为160°左右.通过对比风速数据,结合海岸地形,认为风对陆地的作用并不是引起低频扰动的主要原因,更可能是台风以海浪为介质,通过不断与呈光滑凹形形态的杭州湾北部海岸线的反射作用,进而激发自由振荡频段的低频扰动信号.      

Evaluation of wind effects on a supertall building based on full‐scale measurements

This paper describes the results obtained from the full‐scale measurements of wind effects on a 70‐storey building in Hong Kong. The building which has a height of approximately 370 m is the second tallest structure in Hong Kong. The field data such as wind speed, wind direction and wind‐induced acceleration responses have been measured since 1995 including the close passage of two typhoons; typhoon Sally and typhoon Kent. Detailed analysis of the field data is conducted. The full‐scale measurements are compared with the wind tunnel results obtained in the Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory at Western Ontario University. The amplitude‐dependent characteristics of damping and natural frequency that were obtained by using the random decrement technique are investigated. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.     

Mature typhoon “cloud gyro” model and numerical simulation study

Science China Earth Sciences - Due to the coarse temporal resolution of the best track databases for typhoons, some small-scale characteristics of typhoon motion have been neglected. In order to...