爆发性海洋气旋生成的模拟与预报

1.引言近十年来,副热带海洋气旋的快速增强受到了气象研究单位的关注.Sanders和Gyakum(1980)把快速发展定义为地转地调整到纬度60°时气旋在24小时内加深24hPa以上.这个问题之所以引起注意,是因为以前的业务模式对这类气旋加深的预报,系统性地偏弱.与此有关的实际问题是爆发性气旋发展给航运带来的危险.科学上的议题是这类风暴是否与一般的气旋有动力上的差别.     

用Zwack-Okossi方程对一次爆发性气旋的诊断分析

利用ＥＣＭＷＦ资料作初始场,ＭＭ４模式输出的结果和Ｚｗ ａｃｋ－ Ｏｋｏｓｓｉ方程作诊断工具,对１９８１年１２月２０～２１日生成在西北太平洋的一次爆发性气旋进行了数值试验和诊断分析。得到：气旋的爆发性发展主要是由正涡度平流和非地转场激发,其中涡度平流对气旋发展贡献最大,温度平流的影响则较小,两者主要是在对流层高层起作用,而非地转场则在对流层低层起主要作用。由水汽造成的非绝热加热对本次爆发性气旋的生成影响不大,积云对流潜热的反馈作用更小。另外次天气尺度系统对爆发性气旋形成贡献较小     

一次东海气旋爆发性发展数值模拟

在2006年6月1日发生在东海的爆发性气旋的天气学分析基础上,进行数值模拟,以进一步认识其爆发性发展的物理机制。结果表明:这次东海气旋的地面系统来自台湾岛附近的海上倒槽,在浙北沿海遇到高空比较深厚的低槽,大尺度高空槽通过槽前正涡度输送和槽前后冷暖平流对斜压不稳定的加强作用为气旋发展和维持提供有利的环境。同时,高空急流也通过其出口区的辐散和暖平流为气旋发展和维持提供有利的环境。中低层在舟山海域的强涡度平流的抬升作用产生降水,并通过水汽凝结引起潜热释放,进一步造成地面气旋系统的发展,此时气旋和降水形成正反馈机制。潜热释放被高空槽前斜压不稳定和急流出口区右侧辐散共同引起的上升运动激发后,对气旋的发展起着重要作用。     

西北太平洋地区一次爆发性气旋的诊断分析

采用NCEP 2.5°×2.5°每6 h再分析格点资料,对1979年1月9—12日西北太平洋地区一次爆发性气旋进行了诊断分析,重点讨论了气旋爆发的天气学特征和动力因子。结果表明：爆发性气旋的发展具有明显的非地转特性,高低空急流的耦合作用、涡度平流和凝结潜热的释放是气旋爆发性发展的主要强迫因子;爆发性气旋处于高空急流之下的对流层锋区,大气的斜压性很强,斜压能量是气旋初期生成和发展动能的主要来源。     

爆发性与非爆发性海洋温带气旋

本文选取分别代表爆发性发展(1983年3月)和非爆发性发展(1982年3月)的两个海洋温带气旋个例,对它们进行了比较研究。结果表明,无论是在基本要素场,还是诊断出的物理量场,两者都表现出明显的差异。其中,涡度、位势涡度、扰动动能和总动能之间的差别更大。在爆发阶段,前3项的增加量爆发性气旋是非爆发性气旋的2—4倍,而总动能的增大值两者悬殊更大,比值为13.6:1。     

爆发性气旋的统计研究

用１９８０～１９８９年资料,统计了发生在北半球的爆发性气旋的若干特征,并通过不同区域,不同时间及强度的爆发性气旋发生的频率的对比,得到了一些有意义的结果。     

西北太平洋一次爆发性气旋的诊断分析和敏感性试验

利用美国国家环境预报中心（NCEP）的FNL格点资料和大气数值模式WRF,对2012年1月11—13日发生于西北太平洋上的一次爆发性气旋过程进行诊断分析和数值模拟。气旋于1月11—12日在日本以东海域爆发性发展,经历2次转向后于13日在堪察加半岛附近减弱。研究表明,气旋发展中存在明显锋面结构,对流层高层的高位涡下传对气旋发展非常有利,气旋发展过程中伴随着一支低空急流的生成和发展,使辐合抬升更加明显。利用WRF模式对10日1800 UTC至13日0000 UTC气旋过程进行海温敏感性试验。结果表明,海温变化对气旋发展强度影响明显,但对气旋路径影响较小。     

海洋温带气旋爆发性发展数值试验

利用PSU/NCARMM4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、SST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200～300hPa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着的热力学响.试验还得出了日本岛地形及初、边值条件影响的重要结论.     

爆发性气旋的锋生位涡反演诊断

本文采用基于埃特尔位涡反演诊断和锋生函数诊断的锋生位涡反演诊断方法,对一次发生在西太平洋地区的爆发性气旋过程进行了诊断分析和机制研究。本文主要从锋生演变的角度,定量诊断了与对流层顶折迭现象相联系的高层位涡扰动,由凝结潜热释放造成的中层位涡扰动,与低层锋区扰动相联系的低层位涡扰动以及以低层水平辐合辐散为主要成份的非平衡风场在气旋发生发展的不同阶段所起的作用和影响,并对以上各物理过程相互作用,造成气旋爆发性发展的机制进行了分析讨论。     

亚洲内陆及其沿海地区爆发性气旋的统计特征

应用1965－1999年历史资料，对发生在亚洲及其沿海地区的爆发性气旋进行统计研究，得到了其时空分布、强度变化及其爆发时刻等各方面的若干统计特征。结果表明：35年中，爆发性气旋共出现136次，平均每年3.9次，且主要出现在冷季（10－3月）；其年际变化非常明显，最多的1987年出现11次。亚洲及其沿海地区的爆发性气旋的强度普遍较弱，无强爆发性气旋（≥2.0B）发生，且主要出现在沿海地区。平均来说，爆发性气旋在夜间发展强烈。这些结果对更进一步探索爆发性气旋的发展机制具有一定的意义。     

潜热和惯性不稳定与气旋爆发性发展关系的数值研究

利用PSU／NCARMM5模式对1981年12月19日20时-21日20时一次太平洋西部气旋强烈爆发过程进行干过程和控制过程对比数值模拟试验，得出：潜热释放使对流层顶和等温面抬高，气流在高层上升冷却形成扰动槽，其适应过程使高层出现惯性不稳定。惯性不稳定总是伴随强惯性稳定区存在，两者产生的加速度场可形成高层辐合、辐散引起气旋加强以及降水加大，降水加强又使潜热进一步加大和扰动槽加强，从而导致惯性不稳定加剧。这种正反馈的过程有利于气旋的加深。     

引发北方沙尘暴天气快速发展气旋的数值模拟研究

使用非静力中尺度模式,对2000年4月5～7日引发北方沙尘暴大风天气的蒙古气旋快速发生发展过程做了48 h的预报试验,发现含全物理过程时,该模式基本可再现出大尺度背景场演变和蒙古气旋快速发展的过程;气旋发展前期冷暖空气相当活跃,有很强的斜压性,锋生函数辐散项对气旋的发展作用最大;对流层高层的位涡大值区在向下向东传递过程中,中低层出现气旋快速发展,气旋达最强盛时,对流层中形成一个上下贯通的垂直涡柱;对流层顶"下陷",高层位涡大值区(即高空冷涡低槽的发展)与低层锋区出现相互作用,这可能是导致斜压扰动发展及气旋初始生成的重要机制;潜热释放在本次气旋发生发展过程中作用不显著.这与梅雨锋上低压(扰动)等系统的情况有很大差别.     

Impact of Surface Exchange Coefficients and Sea Surface Cooling on Tropical Cyclone Simulation

The surface flux exchange associated with the exchange coefficients and upper ocean conditions is essential to the development of tropical cyclones (TCs). Using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, the present study has investigated the impact of exchange coefficients and ocean coupling during Super Typhoon Saomai (2006). Firstly, two experiments with different formula of roughness are conducted. The experiment with the Donelan formula for drag coefficient (Cd) and ramped formula for enthalpy coefficient (Ck) can simulate stronger intensity compared to other experiments due to the increased surface wind and enthalpy fluxes. That is because the new formulas allows for a smaller Cd and larger Ck in the high wind regime than the former formulas did. Moreover, two coupled simulations between WRF and a one-dimensional ocean model are conducted to examine the feedback of sea surface cooling to the TC. In the experiments with a horizontal uniform mixed layer depth of 70 m, the sea surface cooling is too weak to change the evolution of TC. While in the experiment with an input mixed layer calculated using the Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) data, the significant sea surface cooling induces obvious impact on TC intensity and structure. Under the negative feedback of sea surface cooling, the sensible and latent heat fluxes decreases, especially in the right part of Saomai (2006). The negative feedback with coupled ocean model plays a vital role in simulating the intensity and structure of TC.     

一次爆发性气旋的发展与湿位涡关系的研究

通过对一次陆地爆发性气旋的数值模拟与湿位涡的诊断分析发现，气旋的爆发与湿位涡的平流关系密切，气旋的发展并不是在湿位涡中心位于气旋上空时才开始，而是当湿位涡中心位于气旋的后部，并在200hPa对下有明显的倒圆锥形下伸区时，才有利于气旋的发展。当湿位涡中心位于气旋上空时，气旋发展开始减慢。湿位涡局地变化的大小与水平方向位涡梯度的大小有关。湿斜压位涡负值区的上下贯通与气旋发展也有明显的关系。     

Characteristics of an Explosive Cyclone over Northeast China Revealed by Satellite Water Vapor Imagery

In this paper, an explosive cyclone(EC) that occurred over Northeast China in the spring of 2016 is studied by using 6.7 μm FY satellite water vapor(WV) imagery and NCEP(1°×1°) reanalysis data. Moreover, the evolutions of the upper-level jet stream(ULJ), the vertical motions, and the potential vorticity(PV) are analyzed in detail. Results show that different shapes of the WV image dark zones could reflect different stages of the EC. At the pre-explosion stage, a small dark zone and an S-shaped b...     

0703温带气旋特大风暴潮数值模拟对比分析

为验证德国汉堡大学所开发的三维陆架模式HAMSOM(Hamburg Shelf Ocean Model)对渤海海域气旋风暴潮模拟的可行性和准确度, 并对不同来源气象数据的模拟结果进行比较, 分别使用T213和NCEP资料的风场和气压场数据, 运用HAM SOM模式对2007年3月4—5日发生在渤海和黄海北部的气旋风暴潮增水过程进行了数值模拟。模拟结果较好地反映出烟台、威海两站风暴潮增水过程的水位变化, 较准确地模拟出风暴潮在渤海、黄海北部的增水过程, 且T213资料比NCEP资料的模拟结果更接近实况, 该模式对研究和模拟渤海气旋风暴潮比较适用。     

华北秋季大暴雨的天气分析与数值模拟

利用常规资料和MM5模拟结果分析了2003年10月10—12日华北地区大暴雨物理成因。分析表明,高层稳定持续的经向环流是大暴雨产生的大环流背景。低空暖切变线和低空急流的直接影响,以及西南涡的加强和日本海高压的阻挡起了重要作用。强烈的上升运动、能量的积累和充沛的水汽输送是大暴雨发生的必要条件。对流层中下层偏南急流、低层的偏东气流和高空的西南急流提供了充足的水汽和能量输送。强涡度柱与强散度区、强上升运动与饱和气柱的互耦,是大暴雨产生的重要机制。强冷空气与强暖湿空气在切变线附近长时间对峙,使大降水持续。这些是形成这次华北地区秋季大暴雨的重要原因。     

爆发性气旋的合成诊断及形成机制研究

该文对发生在太平洋和大西洋的16个爆发性气旋作了合成分折, 对强弱爆发性气旋作了对比及诊断.研究发现, 基本场上存在不少明显的差异.分析得出, 强爆发性气旋的形成与高空急流的非纬向性以及反气旋性弯曲密切相关.非纬向高空急流为爆发性气旋提供了强的辐散、斜压性、斜压不稳定场.高层强爆发性气旋前部的反气旋曲率易造成重力惯性波在能量北传时发展, 促使气旋快速加深.暖平流及非绝热加热可使反气旋曲率加强.一般情况下, 当气旋西部位涡的大值区与北部位涡的大值区叠加下沉时, 有利于气旋爆发性发展.