对台风麦莎(2005)的熵流特征初步分析

根据热力学第二定律推导出熵平衡方程,并在数值模拟输出结果的基础上利用熵平衡方程中的熵流项来分析2005年台风"麦莎"发生、发展和消亡各阶段的熵流特征.(1) 从对流层的低层到对流层的高层,台风中心附近的熵流分布会逐渐由负熵流占优势互补趋向于以正熵流为主;(2) 对流层中层500 hPa的负熵流分布显示出,随着台风的强度加强(减弱),台风中心附近的负熵流强度也会随之加强(减弱);(3) 台风中心附近的负熵流分布和强度特征对于台风强度和未来移动路径有一定的指示意义.     

台风Chanchu(0601)变性过程中的强度变化及环境场分析

利用非静力中尺度WRF模式模拟的台风Chanchu(0601)的输出资料,探讨了Chanchu减弱变性过程的强度及结构变化。分析结果表明:在台风Chanchu北移过程中,高层的暖心被破坏,强度快速减弱,眼壁对流发展高度降低,眼壁对流由对称结构演变为非对称,内核对流减弱。此减弱变性过程与惯性稳定度减小、垂直风切变增强、低层锋生等环境要素有关。惯性稳定度与台风强度变化一致,随着惯性稳定度降低,最大切向风减弱并不断外扩,Rossby变形半径增大从而潜热释放不集中难以维持台风强度,台风减弱;同时,内核区的高层暖心更易径向频散,从而高层暖心难以维持;环境的垂直风切变增强使台风的斜压性增强,台风垂直结构的倾斜度增大,对流发展高度降低;低层冷空气侵入台风中心趋于填塞,也利于台风强度减弱;台风登陆以后冷暖空气对比导致的锋生使得不稳定能量释放从而重新加强了Chanchu环流内的中低层对流活动,但较台风最强时刻而言对流强度减弱。总体减少的对流和降低的对流高度,导致潜热能释放减小,其向心输送也减少,不足以维持强暖心结构,最终使得台风减弱并变性。      

浙江沿海登陆台风结构特性的多普勒雷达资料分析

利用浙江省新一代多普勒雷达组网资料,选取在浙江东南沿海近乎同一地点登陆的3个台风进行研究。从登陆前6 h到登陆后7 h,对比分析3个台风在登陆前后的雷达回波和降水结构时空变化特征。利用单多普勒雷达四维变分风场反演技术,对温州多普勒雷达探测资料进行了风场反演。结合利用雷达回波强度资料,对3个台风登陆前后1 h在云岩、昌禅等地造成特大暴雨的中尺度对流系统的三维结构及其演变特征进行了详细分析。结果表明,台风强度与其螺旋云带中的对流单体密切相关。台风强度愈强,其中低层环状平均回波强度就愈强,对流活动也就愈旺盛,降水强度也愈大。台风登陆前,回波(雨带)从眼墙向外围传播。台风登陆后,随着台风外围回波(雨带)明显减弱,台风眼墙回波(雨带)则明显增强,台风眼区逐渐被强回波所取代,使台风登陆后眼墙的平均雨强比登陆前增大。台风登陆后1 h,由于低(高)层水平辐合(散)增强,强对流回波中倾斜的上升(下沉)气流明显增大,使对流运动更加活跃,造成登陆后1 h的降雨量显著增强。台风强度与登陆后1 h降雨量的增强幅度成正比。台风强度越强,垂直风切变就越大,垂直切变风速大值区与最大降雨区有较好的对应关系。台风登陆后1 h,垂直切变风速的明显增加对登陆台风螺旋雨带中的中小尺度对流的加强和维持起到了非常重要的作用。     

台风“珍珠”(2006)螺旋雨带发展机制的数值模拟研究

基于2 km分辨率的ARW-WRF数值模拟资料,讨论了台风"珍珠"(2006)螺旋雨带中对流单体及内雨带的发展机制。结果表明:模式很好地再现了台风的路径和强度。作为雨带中仅仅存在于眼壁外侧的内雨带,其传播机制与重力波、涡旋Rossby波及混合波没有联系,其可能发展机制仅与低层出流、水平风场和变形场有关。低层出流使得内雨带径向向外运动,而低层的水平风场和变形场使其形成螺旋结构。同时,就螺旋雨带中精细对流单体的发展而言,涡度收支方程定量分析表明,其主要通过两种方式获得垂直涡度:水平涡度倾斜为垂直涡度;上升运动拉伸垂直涡度。随着平流输送,对流单体在眼壁附近合并和汇聚。     

熵流与大气系统的演变

熵流是大气耗散结构理论的核心概念。作者从强天气现象观测事实分析与理论研究两个方面入手，讨论了熵流与大气系统演变的关系。前者主要涉及美国近50年龙卷、雷暴大风和冰雹事件的时间演变，后者从Gibbs关系出发导得熵平衡方程，并对一个强天气系统台风麦莎（2005）进行熵流分析，从而揭示出熵作为一个热力学无序度的度量对大气系统的适用性。研究显示，负熵流有助于大气系统的发展，而大气圈作为一个整体将朝着愈益背离平衡态的高度组织化的方向演变。     

超强台风“利奇马”(1909)双眼墙形成及发展过程分析

采用CMISS/MIMIC微波卫星产品,TCGP数据集和NECP/NCAR全球再分系资料,详细分析了超强台风"利奇马"(1909)的双眼墙过程中对流结构及动力结构的协同变化特征。结果表明:(1)在双眼墙形成前,"利奇马"内核对流雨带对称性增加,呈现环状包裹眼墙。在环状雨带和眼墙之间,下沉气流配合相对湿度干区在此发展,致使该区域对流受到抑制,最终发展为下沉晴空Moat区。而在内核环状对流雨带处,上升运动中心和次极大入流中心发展,增大绝对涡度的内输,促进次极大风速中心的形成,并有利于深对流发展。最终环状对流带发展成为外眼墙;(2)双眼墙结构形成后,次眼墙及其相伴的次级环流和对流雨带均增强并且内缩,Moat区变狭窄,对流抑制作用增强。相反,内眼墙对流强度及次级环流减弱,绝对涡度内输不足,导致"利奇马"强度减弱。     

“达维”台风大暴雨过程熵流特征分析

应用耗散结构理论,对2012年8月3—4日发生在河北省海岸带的一次台风暴雨过程进行诊断分析,着重分析了大气排熵指数、边界层上部平均广义相当位温与暴雨的发生和落区的关系。结果表明:副热带高压稳定少动和台风外围强盛的东南风急流造成了本次历史罕见的大暴雨局地特大暴雨天气;大气排熵指数由高值向低值的演变有利于对流的发展,从而导致对流暴雨形成;负熵流区涵盖了强对流或对流性大暴雨发生的主要区域,暴雨产生前5~6 h,有高熵空气在边界层上部聚集,暴雨区位于高熵中心附近、低空切变线和地面辐合线附近,与高熵舌伸展的区域相一致。     

1522强台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变与机理研究Ⅰ:谱宽和速度

为揭示多普勒雷达速度谱宽资料对1522号台风“彩虹”螺旋雨带中衍生龙卷的超级单体演变规律的指示作用,基于常规观测资料、多普勒雷达资料和ECWMF再分析资料,分析3个衍生龙卷的超级单体速度谱宽和中气旋速度演变特征。研究表明,速度谱宽可提前10~30 min预示强对流风暴的变化。根据速度谱宽σ与湍能耗散率ε的关系分析,提出了谱宽变化与超级单体内中气旋和龙卷发生发展关系的概念模型。当对流单体进入新的发展阶段时,谱宽值加大呈增强状态;当对流单体处于维持稳定阶段时,谱宽值减小则呈减弱状态。衍生汕尾海丰水龙卷的中气旋最大切向速度19.5 m/s,属中等强度中气旋。衍生顺德龙卷和番禺龙卷的中气旋最大切向速度＞27 m/s,均属强中气旋。用多普勒雷达中气旋算法识别的中气旋在距离较远（＞80 km）和较近(＜17 km)距离上有漏报现象,人工纠正有利于更正预报结果,更准确地指导防灾减灾。      

强垂直风切变环境下对流单体对飓风强度的影响

利用高分辨率模式输出资料,诊断分析强垂直风切变环境下飓风Bonnie(1998)中风暴相对螺旋度的分布特征,再现了Molinari等(2008)利用下投式探空仪获得的该飓风内部风暴相对螺旋度的离散观测结果。通过对比不同垂直风切变环境下,不同区域风暴的相对螺旋度、对流有效位能及风速的水平分布,揭示出与高值风暴相对螺旋度相联系的强对流单体的分布与环境垂直风切变的密切联系。基于风暴相对螺旋度和对流有效位能的配置分析,研究强环境垂直风切变时段,眼壁附近的深厚涡旋对流以及螺旋雨带中的小型对流单体的三维结构和演变特征。分析表明,环境垂直风切变较强时,在眼壁附近的顺切变区存在典型的深厚涡旋对流系统,这类深厚涡旋系统能够激发二级垂直环流,有利于旋转上升运动的维持,并在近眼心区域引发补偿性的干暖下沉气流,有助于飓风暖心的维持和加强;同时,螺旋雨带中也存在以涡度为特征的小型对流单体,这些对流单体随着平流不断移入飓风中心,使得飓风中心垂直涡度增加,最终导致飓风强度的增强。      

台风“Chanchu”变性过程位涡及锋生特征分析

利用非静力中尺度WRF模式输出的0601号"Chanchu"台风模拟资料分析了台风变性过程中的结构演变特征,并从位涡的角度,利用湿位涡方程对"Chanchu"变性过程中强度减弱但却能引发强风暴雨的原因进行了探讨。分析表明:台风在变性过程中,尺度逐渐增大并与东移南下的高空槽不断接近,在与高空槽相互作用之前,台风眼壁及外围雨带雷达回波减弱,最大风速减小,最大风速半径圈向外拓展;高低层位涡相接之后,由于高层正位涡的下传携带冷空气侵入台风,在低层锋区上诱发出气旋性环流,进而重新引发强对流,并在角动量的输送作用下,台风外围环流风速再次增大。变性后高空槽和台风在位相上仍有一定距离,高空槽仅与台风的外围环流相互作用,冷空气没有入侵台风内部,这是"Chanchu"没有重新加强的原因之一。利用锋生函数对引起锋生的各分量进行分析,结果显示非绝热加热是造成锋生的主要原因,散度和变形项的贡献次之,倾斜项对锋生几乎没有贡献。     

台风“温比亚”影响山东期间GPM资料的降水分析

为研究GPM（Global Precipitation Measurement）资料对台风雨带降水结构的探测能力,利用GPM卫星资料、地基雷达资料和地面降水实况对2018 年第18号台风“温比亚”影响山东期间的降水结构进行分析。结果表明：台风螺旋雨带造成的降水远大于台风外围云系产生的降水;台风螺旋雨带的雨顶高度大于外围云系的雨顶高度,基本在7 km以上,最大雨顶高度达到15 km;台风螺旋雨带及其外围云系都以层云和对流云降水为主,其中螺旋雨带中对流云降水所占比例高于外围云系,对流云的平均降水率是层云的3倍左右,对流云降水对应近地面降水率和雨顶高度的大值区;台风螺旋雨带的降水柱与外围云系中的降水柱相比,具有数量多、密度大、高度高的特点,这与台风螺旋雨带中对流发展旺盛有关;2A DPR数据产品对降水估测具有较好的指示意义。研究结果为用GPM产品估测降水结构提供了参考依据。     

A Numerical Study of Mesoscale-Topography Influence on the Heavy Rainband of Typhoon Hato (2017)

During the movement of Typhoon Hato (2017) over land, heavy rainfall occurred when the spiral rainband which was about 100 km distance away from the center of the typhoon passed the Dayao Mountain (with an elevation of 1.2 km). In this study, the structures and forming mechanism of the heavy rainband along the mountain range are investigated by using high-resolution model simulations. The results show the importance of topography in causing the heavy rainband. Upslope of the steep terrain lifts the cyclonic flow to produce strong upward motion when the rainband passes across with high wind speed. At the same time, the warm and humid air is lifted to the steep slope, causing unstable energy to accumulate over the windward slope, which is conducive to the occurrence of rainfall. In particular, the convective cells generated upstream of rainband will further strengthen and develop due to the uplift when they move close to the mountain foot. Some precipitation particles in the convective cells fall to the ground while others move downstream with the intense updrafts, forming heavy rainfall near the summit. As a result, the largest accumulative rainfall coincides well with the orientation of the mountain ridge.     

台风“万宜”螺旋带的数值模拟研究

利用数值模式WRF(V3.1.1)对2007年04号台风"万宜"进行了72h(7月10日00时-13日00时,UTC)模拟。结果显示,WRF模式较好地模拟了台风移动的路径以及强度变化,而且成功模拟了螺旋带的时空演变。模拟的多个要素均呈螺旋带波状特征,但螺旋带中的各物理量的空间分布并不相同。在热带气旋发展初期,螺旋带向眼壁靠拢,眼壁组织化后,螺旋带向外传播,此时,靠近眼壁的螺旋带的涡度、垂直速度等物理量大值区伸展到中高层,而局地激发产生的螺旋带则集中在下层,表现为正、负涡度交替出现的波列特征。     

MICROPHYSICAL CHARACTERISTICS OF THE RAINDROP SIZE DISTRIBUTION IN TYPHOON MORAKOT (2009)

Microphysical characteristics of the raindrop size distribution(RSD)in Typhoon Morakot(2009) have been studied through the PARSIVEL disdrometer measurements at one site in Fujian province,China during the passage of the storm from 7 to 10 August 2009.The time evolution of the RSD reveals different segments of the storm.Significant difference was observed in the microphysical characteristics between the outer rainband and the eyewall;the eyewall precipitation had a broader size distribution(a smaller slope) than the outer rainband and eye region.The outer rainband and the eye region produced stratiform rains while the eyewall precipitation was convective or mixed stratiform-convective.The RSD was typically characterized by a single peak distribution and well represented by the gamma distribution.The relations between the shape(μ)and slope(Λ)of the gamma distribution and between the reflectivity(Z)and rainfall rate(R)have been investigated.Based on the NW-Dm relationships,we suggest that the stratiform rain for the outer rainband and the eye region was formed by the melting of graupel or rimed ice particles,which likely originated from the eyewall clouds.     

0709号超强台风圣帕(Sepat)的闪电活动特征

利用全球闪电定位网 (WWLLN) 获取的闪电定位资料和中国气象局 (CMA) 提供的台风定位资料, 分析了2007年第9号超强台风圣帕的闪电时空演变特征。分析结果表明: 在热带低压至强热带风暴时期, 台风中心闪电活动频繁, 外围闪电少; 台风成熟时期, 呈现明显的三圈结构; 减弱消散时期, 中心闪电骤减, 几乎为零, 外围闪电密度远远超过中心闪电密度。眼壁闪电和台风总闪电存在阶段性变化。在台风中心最大风速急剧增大的阶段, 眼壁上的闪电两次爆发, 而在第二次眼壁闪电爆发后的两个小时, 中心风速达到最大值, 表明闪电活动有可能对台风增强有指示意义。台风眼壁置换是台风强度发生变化的一个转折点, 也是台风闪电活动发生变化的一个转折点, 从台风眼壁置换开始, 眼壁上闪电数接近于零。闪电次数跟云顶亮温存在显著性相关。结合热带测雨计划任务卫星 (TRMM) 上装载的闪电成像仪 (LIS) 和微波辐射计 (TMI) 资料, 进一步对比分析了台风闪电与强对流区域的关系, 发现闪电易发生在修正极化亮温低于225 K的深对流系统中, 但并不是所有的深对流中都能探测到闪电的发生。WWLLN和LIS探测到闪电发生区域基本一致。     

台风利奇马(1909)与台风摩羯(1814)云特征对比

利用FY-2H,Aqua,CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)和GPM(Global Preciptation Measurement)卫星产品,对比同在浙江温岭沿海登陆且路径相似的台风利奇马(1909)和...     

SATELLITE-BASED ANALYSIS ON THE CONCENTRIC EYEWALL REPLACEMENT CYCLES OF SUPER TYPHOON MUIFA (1109)

Multisatellite data is used to analyze the characteristics of three eyewall replacement cycles (ERCs) during the lifetime of Typhoon Muifa (1109). Spiral rainbands evolutions, concentric eyewall (CE) structure modes, CE durations, and intensity changes are discussed in detail. In addition, an ERC evolution model of Typhoon Muifa is given. There are four main findings. (1) The outer spiral rainband joins end to end to form the outer eyewall after it disconnects from the original (inner) eyewall. The inner eyewall weakens as the outer eyewall becomes axisymmetric and is intensified. The contraction of the outer eyewall causes the inner eyewall to dissipate rapidly. Finally, the ERC ends with an annular eyewall or spiral rainbands. (2) Although the CE duration times of Typhoon Muifa’s three ERCs covered a large range, the CE structures were all maintained for approximately 5 h from the formation of the axisymmetric outer eyewall to the end of the cycle. (3) There is no obvious precipitation reflectivity in the eye or moat region for the subsidence flow. The convection within the two eyewalls is organized as a radially outward slope with increasing height. (4) Typhoon intensity estimation results based on ADT may not explain the intensity variations associated with ERC correctly, while the typhoon’s warm core data retrieved from AMSU-A works well.     

Simulation of the Electrification of a Tropical Cyclone Using the WRF-ARW Model：An Idealized Case

Evolution of the electrifi cation of an idealized tropical cyclone （TC） is simulated by using the Advanced Weather Research and Forecasting （WRF-ARW） model. The model was modifi ed by addition of explicit electrifi cation and a new bulk discharge scheme. The characteristics of TC lightning is further examined by analyses of the electrifi cation and the charge structure of the TC. The fi ndings thus obtained are able to unify most of the previous inconsisitent observational and simulation studies. The results indicate that the TC eyewall generally exhibits an inverted dipole charge structure with negative charge above the positive. In the intensifi cation stage, however, the extremely tall towers of the eyewall may exhibit a normal tripole structure with a main negative region between two regions of positive charge. The outer spiral rainband cells display a simple normal dipole structure during all the stages. It is further found that the diff erences in the charge structure are associated with diff erent updrafts and particle distributions. Weak updrafts, together with a coexistence region of diff erent particles at lower levels in the eyewall, result in charging processes that occur mainly in the positive graupel charging zone （PGCZ）. In the intensifi cation stage, the occurrence of charging processes in both positive and negative graupel charging zones is associated with strong updraft in the extremely tall towers. In addition, the coexistence region of graupel and ice crystals is mainly situated at upper levels in the outer rainband, so the charging processes mainly occur in the negative graupel charging zone （NGCZ）.     

Sepat台风（0709）登陆过程中眼放大现象研究

台风登陆过程中常发生结构变化,从而引起其强度、路径以及风雨分布等一系列变化,导致登陆台风灾害十分复杂.0709号台风Sepat在穿过台湾岛时结构变化明显,出现了台风眼放大现象.基于上海台风研究所台风资料、FY-Ⅱ卫星半小时一次的遥感资料、台湾雷达逐时合成回波图像以及NCEP每日4次1°×1°格距的再分析资料,研究了Sepat登陆过程中的眼放大现象.结果表明:(1)Sepat登陆台湾后眼墙塌陷、眼消失,但随后在从台湾海峡移向大陆过程中重新出现了台风眼并伴有眼放大现象,眼直径扩展至约600 km;(2)这种眼放大现象,实际上是台风内核区对流云团分裂扩散过程中与外围螺旋云带一起重新发展出的环状结构.台风眼的扩大与眼区下垫面温度降低、低层大气不稳定度减弱、径向外流加强、下沉运动区范围扩大等因素有关;(3)在台风外围,环境干空气侵入台风环流并在其西部形成了弧状湿度锋.锋区既促进对流运动发展,也阻碍了台风眼区云团进一步向外扩散,使对流云团在锋区附近排列成半圆弧状云带,并在台风气旋性环流组织下与台风东部的螺旋云带一起形成了环状眼墙;(4)台风的减弱消亡与其眼区放大现象密切相关.台风眼放大过程中,由于眼内干空气下沉范围加大、对流凝结潜热加热减弱,不利于暖心结构维持,台风强度亦随之衰减.同时,其增强的径向外流在一定程度上阻止水汽能量向台风内核区输入,促使台风内核对流运动的减弱和消亡.     

THE FORMATION MECHANISM OF CONCENTRIC DOUBLE EYEWALL TYPHOON——PART Ⅱ:NUMERICAL SIMULATIONS*

In the context of a non-hydrostatic axisymmetric compressible numerical model,the concentric double eyewall structure of the typhoon was replicated well to discuss the formation mechanism of concentric eyewall with the aid of gradient wind adjustment.Evidence suggests that in the weakening phase of the typhoon,the heterogeneous radial distribution of the sensible and convective latent heating over the sea surface will induce the gradient wind unbalance accompanied by mutual gradient wind adjustment between the thermodynamic field and dynamic fields,which results in a two-peak tangential wind and concentric double eyewall structure.