数字滤波初始化对台风“烟花”数值模拟的影响

基于中尺度数值模式WRF（Weather Research and Forecasting）,分析在逐小时循环同化系统中,高频多次应用数字滤波初始化方案对台风“烟花”模拟结果的影响。结果表明：（1）数字滤波能够产生与天气现象相关的滤波增量。晴空区域由于向后积分过程中辐射等重要过程未开启,后向积分结束时近地面温度变化较小,在向前积分时白天到达地表的太阳短波辐射过度累积,夜间地表热辐射过度释放,造成晴空区白天2 m温度升高,夜间2 m温度降低。台风对流区域受后向积分为绝热过程的影响,原本上升运动中水汽凝结释放潜热脱离气块的降水无法在绝热下沉增温中吸收热量变为水汽,在后向积分时产生了热量的异常累积以及水汽的减少,导致强对流区域热力结构发生变化。（2）统计结果显示,随着数字滤波应用次数的增加,初始化过程对初始场和预报的影响逐渐积累,造成的预报差异持续整个模拟过程。（3）在循环同化的基础上多次应用数字滤波初始化,数字滤波初始化显示出较好的抑制高频噪声的作用。多次滤波后台风环流中心暖心增强引起台风强度增强,最低气压更加接近最佳路径资料;暖湿气流向鲁南地区输送的减弱造成鲁西南地区特大暴雨漏报;台风环流位置的偏南影响了后期与西风槽结合的时间导致后期移速偏慢。     

热带地区中期天气预报的个例研究

一、引 言 众所周众,热带地区的数值天气预报远远落后于中纬度地区的数值天气预报。国际上的数值预报试验例如GAPP大西洋热带地区数值试验和首次GAPP全球数值试验,对于热带地区数值天气预报的进展具有很大的作用。这篇文章的主要目的是说明在热带地区,也就是在非洲的北部到东大西洋的区域上。应用宾夕法尼亚有限区域模式,成功地做出了5天中期天气预报。模式中所用GATE资料是由Princeton地球物理流体力学实验室提供的。预报结果将详细地用高空单站观测实况进行验证,包括模拟的流场和GFDL分析之间的比较。一些能量的计算表明了各种物理机制如何影响波状扰动的发展。     

三个登陆浙江热带气旋数值试验及暴雨过程的湿位涡分析

首先利用非静力平衡中尺度数值模式MM5(V3)对2004年3个登陆浙江热带气旋的登陆过程进行了数值模拟试验,通过对路径、降水的对比验证表明,MM5模式对热带气旋的模拟是比较成功的。然后在模拟效果较好的基础上,利用高分辨的模拟结果,对台风暴雨过程的湿位涡进行了诊断分析,结果表明:3场台风暴雨的形成机制有显著差异,Rananim强降水是由其本身环流造成的,至于Mindulle和Haima的降水冷空气的侵入起到了重要作用。暴雨都发生在陡立密集区附近,对流层低层湿位涡负值中心与暴雨落区存在较好的对应关系,而其中心数值绝对值随时间的变化量与1h降水存在正相关关系,说明湿位涡负值中心可以作为降水时空分布的重要指标,为台风暴雨预报提供一种思路。     

热带环境场与副热带高压活动的遥相关分析

论证了夏季南海及热带西太平洋地区的积云对流活动与东亚上空副热带高压活动之间遥相关关系。结果表明，这种遥相关作用是通过上述热带地区积云对流活动激发出的天气尺度以上的准定常波列向东亚副热带上空的传播过程来实现的。通过这种机制，上述热带地区的热力强迫和环流构型等环境场因子的变化将导致东亚上空副热带高压强度和位置的差异。     

气候模式中海洋数据同化对热带降水偏差的影响

本文采用海洋卫星观测海表温度(SST)和海面高度异常(SLA)数据,对国家海洋局第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography Earth System Model version 1.0)中海洋模式分量进行了集合调整卡尔曼滤波(EAKF)同化,对比分析了大气环流、湿度和云量对海洋数据同化的响应,探讨了海洋同化对热带降水模拟偏差的影响。结果表明:海洋数据同化能有效改善海表温度和上层海洋热含量的模拟,30°S~30°N纬度带内年平均SST的绝均差降低60%。同化后大气模式模拟的赤道两侧信风得到明显改善,上升气流在赤道以北热带地区增强而在赤道以南热带地区减弱,热带降水模拟的动力结构更为合理,水汽和云量分布也更切合实际。热带年平均降水的空间分布和强度在同化后均得到改善,赤道以南的纬向年平均降水峰值显著降低,降水偏差明显减小,同化后30°S~30°N纬度带内年平均降水绝均差降低35%。     

TRMM海表降水率同化在热带气旋Danas(2001) 数值模拟中的应用研究

研究了TRMM/TMI海表降水率资料的四维变分同化在热带气旋(TC)数值模拟中的作用.使用中尺度气象模式MM5设计了若干数值试验模拟了TC Danas(2001)由热带低压初生到台风生成的发展过程.在满足MM5模式动力约束的前提下,将TRMM海表降水率资料直接同化进入较高分辨率(18 km)的模式初始场.结果表明,使用MM5模式的4D-VAR同化系统直接同化TRMM/TMI海表降水率资料是可行的.这种做法提高了TRMM资料的利用率,不仅在模式初始场中加入了更多实测信息,而且避免了两次同化(1DVAR+4DVAR)可能引起的误差.直接同化TRMM资料通过调整气压、温度、湿度等要素初始场,改善了模式对热带气旋结构(如暖心、涡度、散度)的描述和降水的模拟.在此基础上,同化不仅改进了对Danas强度的模拟,而且成功地模拟了热带气旋环境场的演变过程,因而改进了路径的模拟.     

基于大涡模拟和局部滤波同化方法的海洋环流模式

结合最小二乘法极值原理,提出了一种基于局部谱展开的滤波同化方法,把测量数据和数值计算过程中出现的高频短波滤掉,并将高度计数据同化到了求解过程中.结果既增加了数值稳定性,又提高了数值模拟的准确性.针对在海洋环流问题中水平的流动性质和垂直的不同的特点,我们还将大涡模拟的思想和直接涡黏的思想分别应用于水平方向和垂直方向,给出的方法是一种适用于海洋环流和浅水环流问题的大涡模拟湍流模式.对热带和北太平洋一年四季非定常季风作用下环流的数值模拟表明,提出的方法非常有效,数值结果与实际相当吻合.     

利用TRMM资料对热带气旋“威马逊”结构及其降水特征的研究

利用NASA提供的热带测雨卫星(TRMM)资料和NCEP/AVN模式的实况分析场研究了热带气旋“威马逊”(2002)的演变过程、结构和降水特征.对要素场及倾斜对流有效位能诊断分析发现,降水的分布和强度对热带气旋的发展有很好的指示作用.针对MM5的几种积云参数化方案进行了数值试验,初步研究了各方案在热带气旋定量降水预报(QPF)中的作用.     

热带印度洋偶极子发生和演变机制的数值研究

对中国科学院大气物理研究所(IAP)大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的第三代海洋模式(L30T63 OGCM)进行了改进。分析了该模式1959年1月—1998年12月的40a积分结果，以此研究热带印度洋偶极子发生、发展和消亡的物理机制。对数值模拟结果的分析表明，赤道印度洋表面异常东风引起的异常环流结构是偶极子发生、发展的主要动力学原因，其表面异常东风转换为异常西风所引起的异常环流结构调整是偶极子消亡的主要动力学原因；海气界面热通量异常的交换对热带印度洋海表温度距平偶极子模态的形成和演变起着重要的作用；垂直输送作用是热带印度洋次表层海温偶极子模态发生和演变的主要物理机制。     

一个区域海-气耦合模式的建立:模式验证及其对热带气旋“云娜”的模拟

本文以区域热带气旋模式(GRAPES-TCM)为基础,引入海洋环流模式(Estuarine,Coastal and Ocean Model(semi-implicit),ECOM-si)和Ocean Atmosphere Sea Ice Soil 3(OASIS3)耦合器,建立了一个区域海-气耦合模式。利用该模式对0414号热带气旋"云娜"进行了数值模拟,验证了模式的性能。结果表明,耦合模式模拟的"云娜"强度相比单独的大气模式更接近观测,单独大气模式模拟的近地面风场偏强,而耦合模式模拟的近地面风场的强度和非对称结构均与观测更为接近。数值实验中,"云娜"热带气旋过境引起的海表面温度的下降与实况接近,海表面温度下降引起的海-气热通量相比控制实验的结果明显下降,分析资料表明这一下降是合理的。海洋模式的引入导致了热带气旋"云娜"结构的变化,这种变化不但反应在径向风的减弱(强度下降),还反应在对流强度和最强对流发生位置的变化,并最终引起了热带气旋降水结构的改变。     

初夏南海海温对华南降水影响的数值模拟

本文采用P-σ五层原始方程模式以气候统计分析结果为依据就6月份南海海温对华南地区降水的影响进行了数值模拟.试验结果表明,由于南海的海表温度增暖,华南地区低层有水汽辐合,并有较强的上升运动配置,使该地区降水增加.同时东亚季风环流也随之加强,整个东亚高、低层都呈现有利于华南地区降水增加的环流形势.在低层,由于南海海温增暖,使越过中南半岛的西南季风和110°E附近的越赤道气流都得到加强,从而增加了向南海及华南地区的水汽输送.在高层,南亚高压呈“东部型”,在我国大陆上空得到加强.     

1994年6月东亚季风异常的数值模拟

用MM5区域气候模式对1994年6月东亚季风进行了数值模拟。模式模拟的月平均环流和降水与实况相接近。1994年6月东亚季风活动十分异常,中国东南部的西南季风、西太平洋副热带高压、南亚高压都出现了两次突变性的北跳,对此模式均做出了较好的模拟     

亚洲夏季风对偶极子型人为气溶胶排放变化的响应特征与机理

利用第六次国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）中的两组子试验,结合线性斜压模式模拟的结果,研究了近年来亚洲内部出现的东亚减少、南亚增加的偶极子型人为气溶胶排放变化调控亚洲夏季风响应的特征及物理机制。对东亚夏季风而言,在考虑海洋-大气耦合作用的气候系统总响应中,东亚夏季风环流和降水显著地加强;在不考虑海洋调控作用的大气直接响应过程中,东亚人为气溶胶排放减少导致的陆地升温使得海陆温差增大,进而通过引起东亚陆地上的气旋式环流异常加强东亚夏季风环流和降水。对南亚夏季风而言,其在偶极子型人为气溶胶强迫下呈现出更为复杂的变化特征。在大气直接响应过程中,人为气溶胶强迫引起的海陆热力差异变化导致南亚夏季风环流减弱、降水减少。在考虑海洋-大气耦合过程的总响应中,南亚夏季风环流表现出微弱增强,同时印度次大陆的南亚夏季风降水也出现增多的异常变化。这表明,局地和海洋-大气动力耦合过程在区域气候对人为气溶胶强迫的响应中扮演着非常重要的角色。此外,通过线性斜压模式发现,东亚和南亚局地的人为气溶胶强迫导致的大气加热场异常不仅能影响局地的夏季风环流,还可以通过引起大范围的表面气压异常进而调控整个亚洲夏季风环流的变化。     

SST年循环对El Niño事件局地海气过程的影响

利用Hadley中心逐月海表温度、欧洲中心ERA-40的10 m风场及CMAP降水资料探讨了年循环对热带太平洋El Niño海气相互作用过程的影响。尽管El Niño对应的海表温度异常主要出现在赤道东太平洋,经向上呈南北对称分布,然而其对应的大气响应在El Niño年衰减阶段却有着强的向南移动特征。在El Niño发展年的11月之前,强的西风和降水异常主要出现在赤道中太平洋;在12月份之后,赤道上的西风和降水异常迅速南移至5°S,随后西风一直维持在该位置直至衰亡。同时,西太平洋负降水和反气旋异常向北移动。这种SST异常与其大气响应的经向移动不一致,主要是由热带中太平洋气候态SST的季节性南移导致的。由于对流与海温之间存在非线性关系,即当总SST超过一定的阈值,对流降水才会迅速增强;因此相应的对流响应也随着总海温的南移而南移,风场响应也同时南移。此外,南半球增强的对流会通过经向环流进一步抑制北半球的降水,从而使西太平洋负降水和反气旋异常增强并北移。通过分析有/无年循环的两组数值试验结果验证了上述结论,即有年循环的试验较真实地模拟出了观测中异常西风南移和西北太平洋反气旋异常的出现;无年循环试验尽管能模拟出El Niño年赤道中太平洋的西风异常,但其却没有南北向的移动,西北太平洋的反气旋也没有出现。因此,热带中太平洋气候态暖海温的季节循环对El Niño事件大气响应有着至关重要的作用。     

一个区域耦合海气模式及其实验

本文研制了一个区域的简单耦合海气模式,并用来模拟热带太平洋ENSO循环.模式由一层大气模式和一层海洋模式构成.大气模式由运动方程和热力方程组成;海洋模式由运动方程、连续方程和海温方程组成.非绝热加热与风应力构成海气间耦合媒介项,其中大气对海洋的影响以风应力为主,海洋对大气的影响以非绝热加热为主.在理论分析和数值实验的基础上,成功地实现了简单海气耦合模式的正常运转,并且应于对1982-1983年埃尔尼诺现象的数值模拟.对该事件从发展到衰弱的全过程,特别是中期与成熟期获得了良好的模拟效果,显示出本模式的模拟能力,也验证了热带太平洋区域耦合海气作用对ENSO循环的重大贡献.     

热带外太平洋通过海洋过程对热带太平洋的影响

利用MOM2海洋环流模式分别研究了年际和年代际尺度上热带外太平洋通过海洋过程对热带太平洋的影响.利用1945~1993年COADS资料的表面通量强迫海洋模式,积分46 a作为模式控制试验.取热带外太平洋海表面强迫为气候值做敏感性试验.将控制试验结果减去敏感性结果就可以得到热带外太平洋通过海洋过程对热带太平洋的影响.结果表明,年际尺度上,主要是海洋波动过程起作用,但总的海洋过程的影响较小.年代际尺度上,主要是副热带环流输送起作用,其中包括平均环流输送的温度异常以及异常环流输送的平均温度,并且后者贡献相对较大.年际和年代际尺度上,热带太平洋的温度异常主要发生在密度跃层附近.研究发现热带外南太平洋对热带和热带外太平洋之间的水量交换有影响,而热带外北太平洋的影响较弱.     

北太平洋副热带潜沉率及其变化中海面风的作用

采用中国科学院大气物理研究所的高分辨率逐日风场驱动的全球海洋模式(LICOM1·0)对北太平洋海域的潜沉(Subduction)过程和副热带模态水形成区潜沉率的年际变化进行了数值模拟,并将模拟结果与同化的海洋模式资料(SODA)进行了比较。研究结果表明,该高分辨率的海洋模式对北太平洋的绝大部分海域晚冬混合层底水质点的运动方向和路径的数值模拟结果较好,模式模拟的副热带环流比SODA资料中的副热带环流流速强;模式模拟的混合层深度比SODA资料中的混合层深度深,更接近观测;模式中副热带海域的潜沉率大于SODA资料中的副热带海域的潜沉率。模式结果表明,副热带环流和副极地环流交界处是潜沉过程发生的最主要区,该区气候平均的潜沉率超过100m/a,最大为150m/a,海面风变异引起的海洋平流的年际和年代际变化,是该区潜沉率发生年际和年代际变化的主要原因;在太平洋副热带东部模态水形成区,气候平均的潜沉率超过50m/a,在该区潜沉率的年际变化中,局地风应力旋度决定的Ekman抽吸要比海洋平流效应更加重要。     

变性台风LUPIT爆发性发展研究

利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)提供的FNL(Final Analyses)资料和WRF模式(Weather Research Forecast Model)对2009年0920号超强台风LUPIT变性后再次爆发性发展的现象进行了研究,详细分析了潜热加热在热带气旋变性为温带爆发性气旋过程中的作用。研究发现:潜热释放是气旋快速发展阶段的重要影响因素,潜热通过影响环流促使气旋的爆发性发展,较为深厚的对流系统使潜热释放的位置发生在对流层的中高层。热量释放之后,地面气旋上空高空槽前的西南气流向槽前高压脊内输送热量,造成高层等压面坡度增大,涡度平流随高度增加,涡度平流的增加又进一步促进了上升运动加强,有利于更多水汽凝结,释放潜热,使得气旋海平面中心气压快速降低。天气尺度低压系统与对流活动相伴随的潜热释放之间的相互促进的正反馈过程类似于热带气旋的CISK机制,这可能是热带气旋变性后爆发性发展的一种重要机制。     

COSMIC掩星资料同化对台风“天兔”预报影响的试验

台风数值预报的关键之一在于给定准确的模式初始场。本文使用气象、电离层和气候星座观测系统(COSMIC)的卫星资料,通过资料同化技术改善数值天气预报模式的初始场,进而评估数据同化技术对台风(或热带气旋)预报的改善效果。使用我国自主研发的数值天气预报模式,对1319号台风“天兔”进行模拟试验,对温度场、湿度场、涡度散度场及假相当位温场进行诊断分析。试验结果表明,与同化常规探空资料相比,COSMIC资料的同化可减小模式预报台风路径误差,台风附近降水落区更为集中。研究评估了掩星资料同化对模式的改进作用,并能为台风预报技术和防灾减灾提供参考。     

东部非洲低空急流的数值研究

一个三维的有限区域、原始方程的数值模式用来研究东部非洲急流和夏季西南季风。这个模式适用于24°S—48°N和30°E—110°E的范围,在E—W和S—N方向上水平分解分别为1°和2°。Arakawa C方案中、模式的格点是交错的。垂直方向上有5个σ层。有限差分为二阶。显示分离方法是利用时间积分。在一度分解表面高度的基础上、波包和5点平滑的地带包括在这个模式中。横向的边界条件是自由滑动和对正常风分量的展开。但是、总的质量守恒。在模式中,对于驱动季风所规定的对流加热率为7月份平均观测值的五倍。纬向平均温度通过用2天时间尺度的瑞利恢复而保持。七月份平均纬向流通过张驰逼近而初值化。根据莫宁-奥布霍夫的平稳相关总方程式把边界层参数化了。在6天时间内的各种条件下,模式积分处于准稳定状态。同时发现,东非急流的强度和季风环流的结构对于地形,对流加热和加热强度是非常敏感的。但对感热和非线性平流的敏感性却是很小的