台湾岛地形诱生次级环流系统对热带气旋异常运动的影响机制

对经过中国台湾岛和海南岛、吕宋岛、日本诸岛以及朝鲜半岛的热带气旋在过岛前后的运动、结构和强度的时空变化进行了统计诊断分析。研究结果表明,台湾岛附近热带气旋运动左偏（定义为偏于以前路径的左侧）机率最大,且台湾岛周围是产生诱生低压的高频区。采用理想东、西风环境场作为数值模拟背景场,数值研究了岛屿地形强迫与台湾附近的环境流场的相互作用及其对热带气旋运动偏转的影响,提出了岛屿地形强迫、背景场和热带气旋涡旋三者相互作用对热带气旋路径突然转折影响的观点,即台湾地形有利于环境场中诱生出一对偏差偶极涡,这对诱生偏差偶极涡将导致逼近岛屿的热带气旋产生运动方向的突然偏折,且在不同基本气流条件下,岛屿地形对热带气旋运动可能产生显著不同的影响。     

THE CHARACTERISTICS OF HIGH WIND DISTRIBUTION IN CHINA'S COASTAL REGION AND THEIR CAUSES

This work investigates the distribution of high winds above Beaufort scale 6 in the offshore zones of China using high-resolution satellite measurements.A numerical experiment is carried out in order to find out the effects of Taiwan Island on the formation of strong winds.The analysis indicates that the distribution of high wind occurrence is similar to that of the average wind velocity in winter.High winds tend to be anchored in special topographical regions,such as the Taiwan Strait,the Bashi Channel and the southeast coast of Vietnam.High winds occur much more frequently over the warmer than the colder flank of Kuroshio front as it meanders from Taiwan to Japan.The frequency of high winds decreases drastically in spring.The Taiwan Strait maintains the largest high wind occurrence.Besides,high winds remain frequent in the Bashi Channel,the southeast tip of Taiwan Island and the warmer flank of Kuroshio front.In summer,high winds generally occur infrequently except over a broad region off the southeast coast of Vietnam near 10°N and the frequency there decreases from southwest to northeast.High winds around Taiwan Island present near axisymmetric distribution with larger frequency along southeast-northwest direction and smaller frequency along southwest-northeast direction.The dominant direction of high winds exhibits a counterclockwise circulation surrounding the island.The frequency of high winds increases rapidly in autumn and almost repeats the distribution that appears in winter.The simulation results suggest that the effects of Taiwan Island topography on high winds vary with seasons.In winter,topography is the major cause of high winds in the surrounding oceanic zones.High winds in both Taiwan Strait and the southeast corner of the island disappear and the frequency decreases gradually from south to north when the terrain is removed.However,in summer,high wind frequency derived from two simulations with and without terrain is almost identical.We attribute this phenomenon to the factors which are responsible for the formation of high winds.     

台湾岛地形对“麦德姆”台风的影响

采用WRF模式,以2014年10号台风"麦德姆"为例,针对台湾岛中央山脉的局部地形,设计精细化地形试验,数值模拟了"麦德姆"台风登陆台湾岛前后地形对其路径、强度及风雨分布的影响。研究结果表明:真实的地形能更好的模拟和再现"麦德姆"台风发生发展的过程;台湾岛中央山脉地形对登岛"麦德姆"台风的路径有实质性的影响,降低台湾地形高度试验导致台风路径向西南偏转,而提高台湾岛地形高度则导致台风路径向东北偏转,地形高度改变的程度与路径偏转程度成正相关,地形高度改变所导致阻挡效应及台风环流与大尺度环流的相互作用是导致路径偏转的主要原因;台湾岛地形高度的改变对台风强度有明显的影响,增加或减少台湾岛地形高度,都会使台风强度有所减弱,这与地形变化引起的动力狭管效应、云水物质分布及外围云带的对流运动有关;台湾岛地形影响"麦德姆"台风降水的机制更为复杂,其不仅与地形引发的台风强度及结构变化有关,更与地形引起的眼区对流活动和螺旋云带及外围云系的时空分布有关。     

登陆台湾岛热带气旋强度和结构变化的统计分析

利用1949—2008年共60年的《台风年鉴》、《热带气旋年鉴》资料及CMA-STI热带气旋最佳路径数据集,2001—2008年美国联合台风警报中心(JTWC)热带气旋尺度相关资料及日本气象厅(JMA)的TBB资料,统计分析西北太平洋(包括南海)热带气旋(TC)在登陆台湾过程中强度和结构变化的基本特征,主要结论有:(1)TC登陆台湾时强度为台风及以上级别的样本数占总样本数约60%,主要出现在6—9月,东部登陆TC的强度一般比在西部登陆的强;(2)大部分TC在岛上维持6 h左右,登陆时最大风速≤5级和强度为超强台风的TC穿越台湾岛时移动比较缓慢;(3)126个登陆台湾的TC样本过岛后近中心海平面气压平均增加5.61 hPa,近中心最大风速平均减小3.58 m/s,在台湾东部地区登陆TC的衰减率比在西部登陆的大3倍左右;(4)TC在登陆台湾前6 h至离岛后6 h期间其8级和10级风圈半径均明显减小,TC形状略呈长轴为NE-SW向的椭圆状,而其最大风速的半径却逐渐增大;(5)TBB分析结果显示,TC登陆台湾前,其外围对流主要出现在南侧和西侧,结构不对称,登陆以后,TC北部及东部的对流显著发展,外围结构区域对称;但中心附近的强对流则从登陆前6 h开始逐渐减弱消失。表明TC穿越台湾过程中内核结构松散、强度减弱。     

台湾地形对台风Meranti(1010)经过海峡地区时迅速增强的影响研究

台风在趋近大陆过程中强度一般衰减, 但Meranti(1010)北上进入台湾海峡过程中却迅速加强, 且在登陆福建时达到最强。采用中国气象局台风资料、NCEP GFS 0.5°×0.5°再分析资料及台湾雷达资料, 结合中尺度数值模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)开展台湾地形敏感性试验, 研究Meranti进入台湾海峡过程中的结构变化及迅速加强机理。结果表明:台湾地形是Meranti迅速加强的一个重要影响因子。Meranti北上过程中, 一方面通过台湾岛地形分流作用及其背风坡效应在台湾海峡内诱生中尺度涡旋, 形成正负相间的涡度分布, 激发出与台风相关的扰动波列。地形强迫抬升及扰动波列可加强垂直运动和积云对流, 有利于台风对流发展。另一方面, 台湾地形还通过改变环境气流使台风高空辐散场加强, 环境风垂直切变减小, 形成有利于台风发展的环流背景。比较不同高度台湾地形试验中台风动能收支发现, 台湾地形激发的扰动波列和积云对流增强了次网格尺度系统与台风间能量的交换, 成为Meranti登陆前迅速加强的主要动能源。     

A mesoscale analysis of heavy rain caused by frontal and topographical heterogeneities on Taiwan Island

The prevailing mesoscale model MM5 (V3) is used to simulate a heavy rain case caused by interaction between a move-in front and topographical heterogeneities on Taiwan Island. It is found that both thermodynamic and dynamic fields along the front are heterogeneous in time and space. The heterogeneity becomes more significant as the effect of topography is added on. The heterogeneous distribution of physical variables along the front is the main reason for the heterogeneous frontal rain band; the optimum cooperation of the low level and upper level jet is another reason for the development of the rain band.Topography can strengthen the rainfall and causes extremely heavy rain cells. Updraft induced by topography extends to a rather low level, while the uplifted air by frontal circulation can reach to higher levels.The quasi-steady topographic circulation overlaps the frontal circulation when the front moves over Taiwan Island; the advantageous cooperation of various mesoscale conditions causes the large upward velocity on the windward side of the island.     

台风Nari(0116)登陆台湾过程中结构强度 变化的诊断分析

利用中国气象局上海台风研究所整编的2001年《热带气旋年鉴》、美国NCEP最后分析FNL 1°×1°全球格点资料以及日本气象厅云顶亮温(TBB)资料等,对0116号台风Nari自北向南穿越台湾岛过程中的结构强度变化进行诊断分析,结果表明:(1)登陆过程中Nari云系结构从圆形变为半圆形,其环流西部对流云团旺盛,而东部为无云或少云区.Nari在岛上期间一直维持这种非对称结构特征.(2)在穿越台湾岛过程中,Nari西部环流内低空急流轴从其北侧逆时针延伸至南侧.一方面,切向风角动量的增加和传播有利于台风涡旋环流的加强,另一方面,低空急流附近的水汽通量辐合及急流轴左侧较强的正涡度区,有利于气旋性环流的长久维持.(3)Nari的结构强度变化与台湾岛地形及海峡效应有密切关系.Nari环流西部位于台湾岛迎风一侧上升运动加强,而Nari环流东部位于背风一侧上升运动则受抑制,对Nari形成半圆形非对称对流分布起积极作用;而台湾海峡的狭管效应加速台风通过气流,有利于Nari环流西部低空急流的形成和增强.(4)动能收支诊断表明,Nari登陆过程中动能的主要来源是动能制造项,水平辐合运动也对其提供动能.     

台湾岛云量,降水量的EOF分析及其与EL Nino关系的研究

本文根据最新整理的台湾岛地面气象要素观测资料,利用ＥＯＦ方法分析了台湾总云量、低云量和降水量的年变化和年际变化特征,结果表明：季节变化中,总云量、低云量和降水量的ＥＯＦ模态一各自反映了它们的基本气候特征,即台湾岛的东北（包括台北）及东部地区全年总云量、低云量较多,除花莲以外,云量以低云为主,１２月￣５月较多,６月￣１１月较少;台湾岛的西南地区虽然全年总云量、低云量较少,但夏季云量明显增多,台湾岛的     

山脉地形对热带风暴Fitow结构和运动影响的数值试验

热带风暴自东向西穿越琼州海峡时常常与海南西部的强天气相对应,尤其当风暴中心在海峡中部或海峡西端出口处有向西南方向的偏折时。Fitow(0114)是这类热带风暴的一个典型。通过对Fitow热带风暴的研究和分析,揭示了一个事实:Fitow在沿海峡西行过程中,其外围中尺度结构发生明显变化———风暴中心西南象限有一个中尺度对流(MCS)小涡生成和发展。受到这个诱生MCS小涡的“吸引”,Fitow在穿行海南岛北部和琼州海峡时,路径向西南方向偏折。数值模拟结果表明,海南岛中部的五指山地形对Fitow自东向西穿行海峡时的这种结构变化有显著影响:(1)当热带风暴Fitow(0114)自东向西穿过岛屿北部和琼州海峡时,其外围西北气流与山脉的辐合地带往往会诱生出中尺度强对流涡旋系统(MCS)。这种系统经过尺度分离和滤波处理后便会在山脉西北麓显现出来。(2)MCS小涡只生成在地形高度之下的大气层;地形高度之上并不显现这一小涡。用0高度作敏感试验的结果,在相同位置并不生成这种MCS小涡。(3)诱生小涡(MCS)的存在,对Fitow会产生“吸引”作用,使其向西南方向MCS所在处偏折。且MCS越深厚,维持时间越长,对Fitow中心的“吸引”程度越大,其中心向西南方向的偏折和移动越明显。0.0 km高度无MCS小涡时,Fitow中心并无这种偏折,而是向西北方向移动,在雷州半岛登陆。     

High resolution numerical simulation of Tropical Cyclone Drena undergoing extra-tropical transition

Summary Tropical Cyclone Drena, a relatively long lived cyclone lasting from January 2, 1997 to January 10, 1997, crossed over three well separated island groups and affected a fourth in the south western Pacific Ocean during different stages of its life cycle. Midway through its transition into an extra-tropical low, it passed over the eastern edge of Norfolk Island, an isolated island located in the western Pacific Ocean midway between New Zealand and New Caledonia, at 0615 UTC (1745 local) on January 9, 1997. The tropical cyclone exhibited markedly different characteristics during each phase of its life cycle, with thick fog being reported during the eye passage at Norfolk Island. Although routine global and Australian region numerical models were able to provide the operational forecasters with broad scale guidance as to the movement of the tropical cyclone, the level of detail available at these resolutions is insufficient to identify the characteristics important to communities in the tropical cyclone's path. The high resolution numerical model (HIRES) developed by the University of New South Wales, was run at a resolution of 25 kilometres to investigate the evolution of the tropical cyclone from a warm cored, quasi-symmetrical vortex into a highly asymmetrical mid latitude low pressure system. The model captures the observed wind and precipitation structure of the cyclone very well during this crucial transition phase. The comparison extends into the vertical with a model derived vertical cross section depicting the key features observed in a sequence of ten specially requested radiosonde flights, released at six hourly intervals, from Norfolk Island which transect the passage of the tropical cyclone over this remote island.With 10 Figures     

Effects of boundary-layer stability on urban heat island-induced circulation

Summary The effects of atmospheric boundary-layer stability on urban heat island-induced circulation are numerically and theoretically investigated using a nonlinear numerical model (ARPS) and a two-layer linear analytical model. Numerical model simulations show that as the boundary layer becomes less stable, a downwind updraft cell induced by the urban heat island strengthens. It is also shown that as the boundary layer becomes less stable, both the height of the maximum updraft velocity and the vertical extent of the downwind updraft cell increase. Hence, in the daytime with a nearly neutral or less stable boundary layer the urban heat island-induced circulation can become strong, even though the urban heat island is weak. It is suggested that these findings can be a mechanism for urban-induced thunderstorms observed in the late afternoon or evening with a nearly neutral or less stable boundary layer. The boundary-layer stability affects the spatial distribution of scalar concentration through its influencing urban heat island-induced circulation. Analytical results from a two-layer model with different boundary-layer stabilities in the lower and upper layers are in general qualitatively consistent with the numerical simulation results, although the low-level maximum vertical velocity does not change monotonically with lower-layer stability.     

A SIMULATION STUDY OF THE INFLUENCE OF LAND FRICTION ON LANDFALL TROPICAL CYCLONE TRACK AND INTENSITY

A quasi-geostrophic barotropic vorticity equation model is used to simulate the influences of topographic forcing and land friction on landfall tropical cyclone track and intensity. The simulation results show that tropical cyclone track may have sudden deflection when the action of topographic friction dissipation is considered, and sudden deflection of the track is easy to happen and sudden change of tropical cyclone intensity is not clear when the intensity of tropical cyclone is weak and the land friction is strong.The land friction may be an important factor that causes sudden deflection of tropical cyclone track around landfall.     

地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度影响的研究

采用准地转的正压模式, 研究了无非绝热加热时地形和边界层摩擦对登陆热带气旋路径和强度的影响.结果表明: 地形作用对登陆热带气旋西北移动路径的影响比较明显, 而对登陆热带气旋强度的影响不明显; 边界层摩擦可以通过改变热带气旋X方向上和Y方向上的移动速度以及改变热带气旋水平环流结构对登陆热带气旋西北移动路径产生一定的影响, 边界层摩擦对登陆热带气旋强度的影响非常明显, 其中摩擦是造成登陆热带气旋强度迅速减弱的一个重要因素.     

台湾岛地形对登陆台风“莫兰蒂”(1614)强对流雨带发展影响的模拟研究

2016年9月14~15日超强台风“莫兰蒂”（1614）登陆厦门后在福建省中北部引发了特大暴雨天气过程,特大暴雨由台风登陆后北侧至东北侧一个缓慢移动的长生命史中尺度强对流螺旋雨带活动造成。利用中尺度数值模式WRF（V3.9）对台风登陆引发福建省中北部特大暴雨过程进行了大区域无嵌套数值模拟,较准确地模拟了台风引发特大暴雨的强度和落区,并成功地再现了台风登陆后北侧至东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带的发生、发展过程。分析发现,台风大风区外围几个零散的中尺度辐合区在移入台湾地形下游的弱风切变区、正涡度带、湿静力能（假相当位温、比湿）锋区后,组织发展成一个带状的中尺度辐合带而形成强对流螺旋雨带,长时间地维持和发展,并向东北方向缓慢移动。台湾地形在有利于强对流螺旋雨带长时间组织发展和维持的中尺度环境场的形成中扮演着重要角色,即地形效应在其下游形成的正涡度带（正位涡带）、雨带（位于高湿静力能区）南侧低湿静力能带（即湿静力能锋区）,对强对流螺旋雨带的长时间发展维持非常重要。地形敏感性试验的结果进一步证实了台湾地形在台风登陆后东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带形成及维持中的重要作用。     

陆地摩擦对登陆热带气旋路径和强度影响的模拟研究

采用准地转正压涡度方程模式,对地形强迫和陆地摩擦作用下登陆热带气旋的路径和强度进行了模拟研究。模拟结果表明：在考虑地形摩擦耗散作用时,热带气旋可能出现路径的突然偏折;在热带气旋强度比较弱而陆地摩擦作用比较强的情况下,热带气旋路径容易发生突然偏折,且其强度的突然变化不明显;陆地摩擦作用可能是造成登陆前后热带气旋路径突然偏折的一个重要因素。     

华东沿海地形对登陆热带气旋运动影响的理想数值研究

利用中尺度数值模式设计一组高分辨率理想试验,采用位涡趋势方法定量诊断分析热带气旋在登陆我国华东沿海地形时,其运动发生的精细化变化以及不同因子的贡献。结果表明,平地的存在使得登陆热带气旋移速相对更快,当华东沿海地形存在时,热带气旋移速显著增大,这种增速现象主要是由于平地和地形所引起的非对称气流以及相应的引导气流变化所致,这很可能是导致预报路径误差的一个重要原因。平地试验中,陆地在热带气旋低层激发出中小尺度的非对称气流,与之不同的是,实际地形的加入激发出更大尺度并且更强的非对称偏南气流。位涡趋势方法的诊断结果表明,非引导效应总体而言对热带气旋运动贡献较小,这是因为这些因子相互抵消,但在不同的垂直层次上,不同的非引导因子贡献存在明显的差异。     

多云天气下海南岛地形对局地海风环流结构影响的数值模拟

采用WRF中尺度天气预报模式,针对海南岛多云天气条件下的一次典型海风个例,对局地海风环流结构进行数值模拟,分析海风环流的演变特征,并通过设计改变海南岛地形的敏感性试验,探究地形对海南岛局地海风环流结构以及云水分布的影响。结果表明:海岛西部陡峭的山区造成海风强迫抬升,偏南背景风使得海岛北部高空回流明显,海岛西部、北部的海风结构较为完整;地形高度越高,海岛南部山区的阻挡作用越强,西部地区的海风高空回流特征越显著,西部、西北部云水混合比的位置也越深入内陆;受南海季风的影响,与晴空天气相比,多云天气下海风强盛期全岛的最大风速稍大,海风在垂直方向上达到的高度更高;移平地形后,多云天气下全岛风速平均仅减少2~3 m·s^-1,而晴空天气下全岛风速则大大减弱,即多云天气下海风环流水平结构受地形的影响比晴空天气下弱。     

海洋温带气旋爆发性发展数值试验

利用 Ｐ Ｓ Ｕ／ Ｎ Ｃ Ａ Ｒ Ｍ Ｍ ４ 对５ 个西北太平洋温带气旋的爆发性发展进行了一系列数值模拟和敏感性试验,并对重要的物理过程进行了分析和诊断。采用相同物理过程及边界条件的控制试验成功地模拟出了主要的爆发性气旋加深率,为海洋爆发性气旋的业务数值预报提供了可能。敏感性试验获得了湿物理过程、能量频散、 Ｓ Ｓ Ｔ 和海面能通量、日本岛地形及初、边值条件等影响气旋加深率的定量认识,分析表明水的微物理过程,特别是网格尺度的水汽凝结、未饱和层的云滴和雨滴蒸发,是气旋爆发性发展中最重要的物理过程;在高空 ２００～３００ｈ Ｐａ 层的云滴蒸发效应可能是形成相应层气旋中心非绝热冷却峰值的主要原因;由内在热力动力学过程所决定的潜热释放比对流参数化任意规定的加热分布更接近实际并能产生更好的模拟结果;没有能量频散效应时可减小模拟加深的 ３０％ ;海面能通量在初始时刻比在爆发性发展时更重要,不计初始时海面能通量将影响模拟加深约 ２５％ ,而不计爆发性发展时的海面能通量,这种影响不及前者的一半;爆发性发展时的海面能通量呈不均匀分布并能诱导反锋面热力环流在局部抑制气旋的加深;大气模式对海气边界层能通量交换的变化和海洋增暖产生了显著的热力学响     

近10年台湾海峡海面风场的时空特征变化动态分析

利用台湾海峡ASCAT海面风场数据和气象观测资料,通过EOF和统计方法综合分析台湾海峡海面风场2007—2017年10年的时空模态变化特征,使用Mann-Kendall法和滑动t-检验法对10年间海面风速进行突变检验,对台湾海峡海面风场季节变化时空特征进行分析研究。(1) “狭管效应”在台湾海峡海面风场上呈现明显的季节性特征,其中春季、秋季和冬季海面风场季节性特征显著,夏季表现不明显。受台湾岛地形和季风环流影响,台湾岛南北两端海面易出现风速增强的角流区,岛中央山脉背风区易出现低风速尾流区。(2) 10年间台湾海峡海面月平均风场EOF空间模态受台湾岛地形影响显著,台湾海峡海域为异常值偏差中心,易发生风速突然增幅和风向改变。时间模态大体表现为季节性振荡型变化,振幅在10年中表现为不活跃,呈逐年递减趋势。(3) Mann-Kendall法和滑动t-检验法等方法的突变检验结果表明风速并未发生显著性突变,10年间台湾海峡海面风速特征表现为从正相位向负相位的改变,且随着趋势持续加大,将可能发生风速突变。