双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究 Ⅱ:数值模拟

在本文第Ⅰ部分关于双热带气旋相互作用物卵机制分析的基础上,利用正压原始方程模式对,平面上无大尺度环境流场情况下双热带气旋的相互作用进行了数值模拟研究,重点考察了双热带气旋水平流场相互作用的次级环流机制,文[1]中所提出的双热带气旋相互作用的临界距离效应概念在模式中得到了验证.同时通过模拟还发现,双热带气旋的联合强度越强、中心间距越小,则互旋越快;对于相互吸引的双热带气旋而言,合并后范围有所扩大,强度有一定的加强,并且较强的两个热带气旋比一强一弱的两个热带气旋维持的时间要长、较难于合并.这些结果与实际双热带气旋相互作用的观测事实极为一致.     

双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究 II:数值模拟

在本文第Ⅰ部分关于双热带气旋相互作用物卵机制分析的基础上,利用正压原始方程模式对,平面上无大尺度环境流场情况下双热带气旋的相互作用进行了数值模拟研究,重点考察了双热带气旋水平流场相互作用的次级环流机制,文[1]中所提出的双热带气旋相互作用的临界距离效应概念在模式中得到了验证.同时通过模拟还发现,双热带气旋的联合强度越强、中心间距越小,则互旋越快;对于相互吸引的双热带气旋而言,合并后范围有所扩大,强度有一定的加强,并且较强的两个热带气旋比一强一弱的两个热带气旋维持的时间要长、较难于合并.这些结果与实际双热带气旋相互作用的观测事实极为一致.     

高空槽对9711号台风变性加强影响的数值研究

9711号台风Winnie是一个在中国大陆长久维持(2-3 d)并产生强降水的热带气旋(TC),在其深入内陆过程中变性加强为一个温带气旋.用MM5V3对不同强度高空槽影响下Winnie的变性加强过程进行了数值研究.结果表明:(1)Winnie变性加强过程表现为强锋面侵入台风内部、冷空气包裹台风中心、一个温带气旋在近地层锋面上强烈发展的过程;(2)Winnie在陆上的变性加强与西风带高空槽的强度密切相关.TC与不同强度高空槽相互作用过程中,较深槽携带较强冷平流、正涡度平流以及较强的槽前高空辐散,从而有利于TC的维持和变性发展.数值试验中,高空槽越强,Winnie变性加强越明显,温带气旋的发展越快;(3)模拟结果的位涡分析表明, Winnie的温带变性发展与对流层高层正位涡下传、低层锋区和TC低压环流三者之间的相互作用有关.     

热带气旋强度变化研究进展

自20世纪90年代后期以来,热带气旋强度变化研究越来越受到人们的重视,随着研究的不断深入,热带气旋强度变化研究取得了可喜的进展,文中总结近年来热带气旋强度变化的主要研究成果,主要包括(1)热带气旋的发生、发展和最大可能强度的研究;(2)行星涡度梯度、环境均匀流、环境流场垂直切变以及热带气旋外流与环境流的相互作用对热带气旋强度的影响及物理机制;(3)热带气旋结构与强度的变化关系,着重总结环境流场导致的非对称结构变化而引起的热带气旋强度变化以及对涡旋倾斜发展理论验证,分析了涡旋Rossby波的最新研究;(4)海洋热状况变化以及海洋飞沫对热带气旋强度的影响研究成果。分析指出,今后进一步开展用现代化卫星探测资料研究热带气旋强度变化外,还应加强热带气旋外流与环境流场的相互作用,海-气交界面的参数化问题,热带气旋结构变化与TC强度变化关系以及这种关系的物理本质的研究,通过深入研究,认识热带气旋强度变化的物理机制,提高热带气旋强度变化的预报能力。     

国内外热带气旋强度变化研究现状

影响热带气旋强度变化的因子大致可以分为3类:环境气流与热带气旋环流的相互作用,下垫面与热带气旋环流的相互作用,热带气旋本身的内部结构变化。通过查阅近年来国内外相关文献,对热带气旋强度变化的研究进展进行了论述,为热带气旋强度研究提供参考。     

影响中国大陆热带气旋路径分类及其特征研究

热带气旋(TC)是影响中国的重要天气系统,对TC路径分类有助于认识热带气旋的活动特征。本文采用中国气象局热带气旋资料中心提供的1949至2016年6—11月最佳TC路径资料,选取TC质心、生命史、转向、强度等特征参数,利用K-means聚类方法将影响中国大陆的热带气旋分为4类。对4类路径进行比对分析后发现各类TC的走向、生命史、活动季节、登陆概率及区域等特征差异显著,TC单体强度和生命史在强厄尔尼诺发展年也有不同程度的增强。在年代际变化上,1998年以来,尽管各类TC频数变化趋势不同,但各类TC单体能量耗散指数均有不同程度的增长趋势,这可能与近年来强厄尔尼诺发展有关。     

台风\

利用地面观测资料、多普勒雷达资料、中央气象台热带气旋资料、数值模式预报资料以及全球再分析资料等,对北上热带气旋（TC）“巴威”引发的辽宁不同阶段降水特征和强降水形成机制进行分析。结果表明：（1）北上热带气旋“巴威”影响下,辽宁强降水过程分为TC远距离影响、外围螺旋雨带影响和TC本体影响三个阶段;前两个阶段辽宁均产生了对流性强降水,第二阶段对流强度弱于第一阶段,而第三阶段辽宁产生稳定性降水,降水强度偏弱。（2）TC北上过程中为辽宁降水提供持续的水汽和能量输送,前两个阶段均存在干冷空气作用和锋生强迫动力机制：TC输送的暖湿气流与辽宁境内干冷空气相互作用产生较强锋生,通过锋生强迫作用,第一阶段在对流不稳定下激发垂直对流,而第二阶段在湿对称不稳定下形成倾斜对流。TC本体影响阶段,TC强度快速减弱,辽宁位于TC热动力均减弱明显的偏西侧,同时缺乏适当的冷空气而锋生较弱,导致降水偏弱。（3）TC外围螺旋雨带影响时,强降水与850 hPa强锋生区域基本吻合,对TC降水预报具有一定指示作用。

     

热带气旋“巴威”北上引发辽宁省强降水的形成机制分析

利用地面观测资料、多普勒雷达资料、中央气象台热带气旋资料、数值模式预报资料以及全球再分析资料等,对北上热带气旋(TC)“巴威”引发的辽宁不同阶段降水特征和强降水形成机制进行分析。结果表明：(1)北上热带气旋“巴威”影响下,辽宁强降水过程分为TC远距离影响、外围螺旋雨带影响和TC本体影响三个阶段;前两个阶段辽宁均产生了对流性强降水,第二阶段对流强度弱于第一阶段,而第三阶段辽宁产生稳定性降水,降水强度偏弱。(2) TC北上过程中为辽宁降水提供持续的水汽和能量输送,前两个阶段均存在干冷空气作用和锋生强迫动力机制：TC输送的暖湿气流与辽宁境内干冷空气相互作用产生较强锋生,通过锋生强迫作用,第一阶段在对流不稳定下激发垂直对流,而第二阶段在湿对称不稳定下形成倾斜对流。TC本体影响阶段,TC强度快速减弱,辽宁位于TC热动力均减弱明显的偏西侧,同时缺乏适当的冷空气而锋生较弱,导致降水偏弱。(3) TC外围螺旋雨带影响时,强降水与850 h Pa强锋生区域基本吻合,对TC降水预报具有一定指示作用。     

西北太平洋热带气旋活动的纬度分布特征

利用中国气象局整编的1949~1998年的热带气旋年鉴资料, 分析了西北太平洋热带气旋 (TC) 的源地、活跃地、变性和消亡地、北上率、变性率和消亡率及强度和移动等气候特征的纬度分布, 揭示了热带气旋在不同纬度带活动的一些基本事实, 旨在为进一步研究热带气旋与不同纬度带环流系统之间相互作用的物理机制奠定基础。     

热带气旋强度与结构研究新进展

主要回顾热带气旋(TC)强度与结构变化的研究发展近况。以往热带气旋的理论研究认为在给定的大气和海洋热状况下,存在着一个TC所能达到的最大可能强度(MPI)。但实际上,海洋生成的热带气旋达到的最大强度普遍要比由MPI理论计算得到最大强度要低。近几年的研究表明,存在着内部和外部的不利因子通过对TC结构的改变来阻碍其加强,从而限制TC的强度。以往认为在诸多因子中,垂直风切变产生的内核区非对称结构与眼墙区下方海水上涌造成的海面冷却是制约TC达到MPI的主要因子。最新的研究进一步指出,产生TC非对称性的中尺度过程对其强度与结构的变化至关重要。中尺度过程包含有对流耦合的涡旋Rossby波、内外圈螺旋雨带、嵌于TC环流内的中尺度涡旋。外部的环境气流也是通过这些眼墙的中尺度过程影响到TC的强度与结构变化。     

混合层深度对热带气旋强度的影响

利用建立的中尺度海气耦合模式进行一组敏感性试验,以考察初始混合层深度对热带气旋(TC)强度的影响。试验结果表明,初始混合层深度对TC最大强度和增强时间影响都较大。一般来说,初始混合层越深,模拟的TC最大强度越大,TC增强时间越长。另外,TC与混合层深度的关系并不是线性的。当混合层较浅时,TC强度对其变化更为敏感。     

对南海热带气旋近海加强机理个例模拟研究

利用具有完备物理过程的中尺度模式MM5对发生于南海的0214号热带气旋(TC)“黄蜂”进行高分辨率的数值模拟,以此来研究热带气旋在近海发展为强热带风暴过程中结构变化对强度的作用,并对近海加强的内部动力机理做一些探讨。模拟结果发现在加强阶段,气旋环流中存在类似于涡旋Rossby波性质的波动在西北侧对流激发下绕中心逆时针传播,波动与眼墙区对流带相耦合,使得眼区趋于闭合;中尺度涡旋系统的轴对称化过程,通过与对称环流系统非线性相互作用,向气旋环流提供能量,其自身也得到维持与发展。这些结构的变化对TC近海加强和登陆后迅速减弱都产生了重要的影响。     

双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究(一)——物理机制的分析

本文对正压情况下双热带气旋的相互作用进行了机制分析.通过对两个理想涡旋间非线性涡度平流过程的分析,揭示了双涡气旋性互旋及其中心间距变化的涡度平流机制.分析表明,一个涡旋的切向风场对另一涡旋涡度场的平流相互作用可造成两者气旋性互旋;而一个涡旋的切向风场与另一涡旋涡度梯度间的相互作用所引起的次级环流可造成双涡中心间距的增大或减小(定义为排斥或吸引),由此提出了双涡相互作用的临界距离效应概念.对几类常用的理想热带气旋及合成热带气旋的分析证实,双热带气旋的相互作用存在这种临界距离效应,且临界距离平均在6—7个纬距     

影响广东省的热带气旋特征分析及灾害损失研究

本文基于1990~2015年影响广东省的热带气旋（Tropical cyclone,TC）数据,分析了影响广东省TC的时空特征、灾情年际变化以及灾害强度特征等。并利用灾害指标核算出灾害损失的经济价值,改进综合灾情指数模型。主要得出以下结论:26年来登陆广东省的TC共93个（占登陆我国TC总数的29.6%）,其中有67个对广东省造成了人员伤亡或者经济损失;影响广东省TC频次整体随时间变化不大,强度低的TC频次随年际呈现较为明显地减少变化趋势,而强度高的TC频次呈现较为明显的逐年上升趋势;粤西与珠江三角洲地区受TC侵袭频次明显高于粤东和粤北地区;热带气旋各项灾情指标造成的经济损失（以2015年为可比价）均在1997年出现转折,经济损失急速下滑;各项损失相对值与TC强度之间存在较好的指数正相关关系,低强度等级的热带气旋造成的综合灾情指数呈现较为明显的年际减小趋势,而高强度等级的热带气旋变化趋势不显著。     

登陆中国大陆、海南和台湾的热带气旋及其相互关系

首先,针对登陆中国热带气旋的登陆地点资料仅为地名的现状,利用1951-2004年西北太平洋热带气旋资料和登陆中国热带气旋资料,研究制定了登陆资料信息化方案.该方案包括海岸线近似、登陆位置计算、其他特征量计算和误差订正4个方面.对资料信息化结果的分析表明:信息化登陆资料效果是良好的.在此基础上,对登陆中国热带气旋的基本气候特征进行研究,重点分析了在大陆、海南和台湾登陆的3类热带气旋以及它们的相互关系.结果表明:登陆热带气旋频繁的地区为台湾东部沿海、福建至雷州半岛沿海和海南东部沿海;台湾东部沿海和浙江沿海部分地区是登陆热带气旋平均强度最大的地区,平均登陆强度达到台风级别,其中台湾南端的平均登陆强度为最强,达到强台风级别;5-11月为热带气旋登陆中国季节,集中期为7-9月,8月最多;登陆热带气旋的强度主要集中在热带低压-台风,尤其以强热带风暴和台风最多.对于全部大陆、海南和台湾三地,50多年来登陆热带气旋频数都存在不同程度的减少趋势,但只有登陆海南热带气旋的减少趋势是显著的;而所有登陆风暴(含以上强度)频数均无明显增多或减少趋势.总体而言,登陆大陆的TC最多、初旋最早、终旋最晚、登陆期最长;登陆海南的TC居中;而登陆台湾的TC最少、初旋最晚、终旋最早、登陆期最短.从登陆方式看,登陆一地的TC最多、登陆两地的TC次之,分别占总数的79.2%和20.6%,仅有1个TC登陆三地.在登陆两地的TC中,经台湾登陆大陆的TC频数最多、强度减弱最快,经海南登陆大陆的TC频数次之、强度减弱较慢,经大陆登陆海南的TC频数排行第3、强度减弱较快.     

热带气旋运动的动力学研究进展

热带气旋运动是由各种形式的外部强迫、内部过程及其相互作用所决定的。特别是环境气流与气旋环流以及β效应之间的相互作用可以产生次级的非对称气流,使热带气旋偏离大尺度环境气流的引导。这种偏差,被称为广义的β漂移。本文讨论了控制β漂移的物理因子和物理过程,尤其是涡旋结构与环境气流切变对它的影响,以及β漂移在热带气旋路径预报上的应用。另外,还总结了双台风相互作用、热带气旋摆动和与下垫面强迫有关的物理过程的影响。     

对流参数化影响热带气旋的模拟研究

利用GRAPES-TCM模式对2008年登陆我国的9个热带气旋(TC)进行了44次试验,分析了积云对流参数化方案Kain-Fritsch (KF)方案与Betts—Miller-Janjic(BMJ)方案对TC预报的影响.结果表明,KF方案预报TC的总体效果要好于BMJ方案,BMJ方案的优势主要体现在对强TC强度的预报.不同的对流参数化方案对TC路径的影响没有明显差异,但对TC强度和降水的影响与TC初始强度有关;不同的对流参数化方案预报的TC强度和降水强度各不相同,但不同方案预报TC强度的差异与TC降水强度的差异基本一致.采用不同的对流参数化方案预报TC强度和降水随着TC初始强度的不同而表现出不同的特点.     

登陆热带气旋与夏季风相互作用对暴雨的影响

利用《热带气旋年鉴》资料、NCEP/NCAR再分析资料采用动态合成分析方法,研究了登陆热带气旋降水与夏季风急流之间的关系,同时对登陆热带气旋与夏季风急流发生相互作用的典型个例强热带风暴Bilis (0604) 利用数值模拟方法研究了二者之间的相互作用对暴雨的影响。结果表明:登陆后造成大范围强降水的热带气旋往往与低层急流长时间相连,其水汽通量和潜热能显著大于弱降水热带气旋。数值试验结果表明:夏季风低空急流向热带气旋输送水汽对热带气旋结构维持有利,当水汽输送被截断后,热带气旋气旋性结构被破坏,强降水减弱、范围明显缩小;季风急流风速增强时可增加水汽通量输送,使得强降水范围增加、强度增强;在夏季风影响背景下,热带气旋在陆上的移动改变水汽和不稳定能量的分布,而热带气旋本身独特的动力结构使得强降水强度增加。     

Chaba (0417) 台风变性前后热力结构特征

运用美国NOAA-15极轨气象卫星高分辨率的AMSU探测资料, 结合NCEP/NCAR再分析资料和GMS-5气象卫星红外云顶亮温(TBB)资料, 对2004年Chaba(0417)台风(TC)变性前后的热力结构特征进行分析。发现变性前TC暖核结构呈对称分布, 在高空存在一强暖心; 变性后原TC对称暖心结构消失, 存在于温带气旋上空的相对暖区呈现出倾斜的非对称分布, 在高、低层各形成一弱的暖区中心, 锋面的斜压特性显著。通过热力结构对比, 进一步揭示出TC在向高纬度方向移动时, 与中纬度系统相互作用发生变性, 实质上是两个相继过程, 即热带气旋的消亡和温带气旋的生成发展。TC西侧高空干冷空气的入侵下沉, 破坏了其发展所需的水汽条件, 造成TC对称暖核结构的削弱和损毁。与此同时, 在TC残留区域, 由于空气较暖且存在气旋式环流, 暖空气在东侧呈气旋式上升, 与西侧高空入侵下沉的干冷空气形成偶极, TC暖气团与冷空气相交发展形成斜压的结果, 则为温带气旋的生成和发展创造了有利条件。     

高原东部夏季潜热与西北太平洋台风强度关系的初步研究

通过运用NCEP/NCAR月平均再分析资料,1975-2005年的高原东部夏季潜热资料,西北太平热带气旋资料,初步研究了气候背景下高原夏季潜热对西北太平洋区热带气旋(以下简称TC)强度的影响,指出夏季(7-9月)潜热强度与TC强度存在很好的反向变化特征,潜热强年TC偏弱,反之亦然。潜热引起西北太平洋环境场的垂直切变异常是导致TC强度变化的可能原因。