双多普勒雷达资料同化在飓风“艾克”预报中的应用研究

本文采用美国国家大气研究中心（NCAR）开发的中尺度数值模式WRFV3.7及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年飓风“艾克”进行了数值模拟研究。利用多普勒天气雷达观测资料具有高时空分辨率的优点,将美国两部多普勒天气雷达资料进行速度退模糊等必要质量控制后同化进中尺度数值模式,考察雷达资料同化对飓风“艾克”预报的改进程度。试验结果表明:将雷达资料用于对流尺度分辨率下飓风初始化需要对变分同化系统中特征尺度化因子进行优化调整,使观测资料能够以较为合理的方式调整模式初始场并进而改进预报;雷达径向风同化可以有效调整模式初始场中的飓风动力和热力结构,而经过尺度化因子调整后的雷达径向风同化则在飓风观测中心位置产生较为合理的气旋性风场增量,提供更为确切的中小尺度信息,使模式初始场更加接近观测并进而改进对飓风路径和强度的预报。     

嵌套域上的谱预报模式及其对飓风边界层不对称气流的应用

一、引 言 Ooyama(1982)论述了一个热带气旋的数值模式应该包括中尺度对流系统的动力学,它比以往只考虑热力学可能更明确。Lord等人(1984)最近的文章进一步指出:甚至在微物理学中的冰相也不可忽视它在中尺度输送中的作用。在谱模式的另一方面,三维天气的环境对涡旋运动的预报和气旋生成问题也是必不可少的。作为我们对飓风动力学和预报有计划研究的第一步,正在研究一个嵌套多重定义域上的谱预报模式,它包含了所有重要的尺度。尽管完备的模式还有待于完成,但谱嵌套方法已证实了:在一维和二维试验中,它明显地优于格点有限差分的任何已知嵌套方法。 本文中对谱嵌套原则进行评述,并讨论一个平动的飓风对摩擦边界层中二维非对称流的应用。1982年Debby飓风的雷达回波与根据模式计算辐合场二者之间的极端一致,令人满意地证实了,在一个飓风的内区中需要高的分辨率。这种一致也进一步表明:涡旋和环境流场之间通过边界层的非线性气流而产生的运动学相互作用的重要性。     

非超级单体龙卷风暴低层流场特征及模拟分析

基于多普勒天气雷达资料,结合中尺度数值模拟结果,对发生在黄淮流域的2次EF2级非超级单体龙卷风暴结构及低层流场结构特征进行了诊断分析。结果表明,2次龙卷过程都发生在副高边缘,低层存在较大的垂直风切变和强烈的水汽辐合;2次龙卷都有多次及地的特征,其母体风暴生命期都在2h以上;低层速度产品上有显著的小尺度涡旋特征,涡旋中心相邻像素之间的速度差20m·s-1,对EF2级龙卷预警具有6~20min的时间提前量;风暴后部中下层相对风暴的速度切变显著加强并迅速下传是诱发20100717龙卷涡旋的主因;风暴内部强烈上升气流导致低层涡旋发展,诱发20120818龙卷涡旋的产生。中尺度WRF模式模拟结果能够较好地再现风暴底部气流结构特征。     

台风"卡努"的数值模拟试验

台风“卡努”(Khanun,200515)是近年来登陆台风中给沿途造成重大灾害的台风之一。本文以第五代中尺度气象模式(MM5V3)为基础,采用三重嵌套的高分辨率网格设置,分别用四种初始化方案,对台风“卡努”进行了数值模拟试验,分析和探讨了模式的初始化对预报效果的影响。结果表明,MM5模式对台风的模拟预报具有一定的能力,按照常规的方法利用Bogus人造台风涡旋对初始场进行调整以及加入常规观测资料,路径和强度的预报效果都有明显的改进;再加入Quikscat卫星海面风非常规资料,能够减小台风路径预报逐小时预报误差,台风的强度预报也有所改善。     

海浪数值预报的移套网格方法

网格分辨率对ＷＡＭ海浪模式预报结果的准确伺有重要影响。本文提出了一种移动套网格方法，并在西北太平洋海域的区域化模型中加以实现。利用模型飓风场物模拟风场检验了该方法，结果表明，该方法在计算量增加不多的前提下，可以有铲地校正由于网格过粗导致的ＷＡＭ模式预报结果偏代的缺陷，对业务预报具有重要实用意义。     

基本气流对台风移动的影响及其产生的偏差分析

一、引 言 在实际天气图上,台风及其周围的气压场或流场,是由台风本身的气压场或环流加上环境的气压场或基本气流所组成。求环境基本气流的方法之一,就是从实际流场中消去台风的本身环流.董克勤和C.纽曼在分析大西洋飓风的引导气流时,曾提出了一个计算地转基本气流的网格点方案。本文采用了他们的计算方案。并将东西方向的格点距,由5个纬距改为5个经距(图1)在实际天气图上,用内插的方法读出a、b、c……n各点的位势高度值或气压值以后,用下列公式求出地转基本气流的东西向分量U_g和南北分量Vg。式中g为重力加速度,f是柯氏参数,H代表某一格点的高度     

珠江口地区台风风暴潮的数值模拟试验

本文选取了3个珠江口对造成严重风暴潮灾害的南海西北向路径的台风作为个例,利用国家海洋环境预报中心建立的业务化的台风风暴潮模式进行风暴潮后报检验.将结果与珠江口地区三个验潮站实际观测资料进行对比发现:模式的后报效果比较理想,对业务预报中最为关心的最大风暴增水值模拟较好,说明该模式对模拟这类型路径台风引起的风暴增水有较好的预报适用性.并且进一步发现:强度越大的台风,增水峰值模拟效果越好;该地区各验潮站的最大增水通常发生在台风中心距离验潮站最短的几个小时内.     

山东"99·8"大暴雨维持机制的数值模拟

利用中尺度大气非静力模式MM5对山东1999年8月11～12日的大暴雨过程进行了数值模拟。将模拟的气压场、风场、相对湿度场、降水与实况进行对比检验，在模拟效果比较合理的情况下，着重对大暴雨的维持机制进行了研究。结果表明：位于我国东北、渤海和山东上空的东北西南向的锋面系统、位于锋面西南端山东江苏上空的苏鲁中-α涡旋及其诱发出的位于其北部的中-β涡旋是影响山东大暴雨的天气尺度系统和中尺度对流系统；中-α涡旋的东支气流—东南风为中-β涡旋输送水汽；锋面系统抬升了中-β涡旋北部的东南暖湿气流，形成垂直上升运动，并形成雷暴云团，同时激发出新的对流单体；雷暴云团在西移的过程中，受到泰沂山区的抬升作用，在山前也形成强烈的垂直上升运动；因此，大暴雨得以维持。     

基于四维变分同化方法的南海中尺度涡后报实验

海洋中尺度涡在本质上是属于满足准地转平衡的大尺度运动,因此理论上,其在短时间内的运动将主要受到准地转平衡关系的约束,而外部强迫场的影响在短期内不会明显改变其运动特征。基于上述思想,我们提出了一种基于四维变分同化初始场的中尺度涡旋预报方案。为了检验该方案的可行性,本文使用区域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和其内建的增量强约束四维变分同化(incremental strong constraint four dimensional variational, I4D-Var)模块,建立了一个南海海洋同化模拟系统。首先,通过I4D-Var方法将AVISO卫星高度计资料同化到海洋数值模拟中,获得了理想的中尺度涡同化模拟结果。同化、模式模拟和观测三者的中尺度涡统计结果表明,该同化系统模拟的南海中尺度涡的路径、半径、海表高度异常和振幅等特征信息与AVISO(Archiving ValidationandInterpolationofSatelliteOceanographicData)观测结果高度吻合,同时在深度上的分析表明,涡旋对应的温度、盐度和密度均得到有效的调整。然后,将该同化系统的模拟结果做为初始场,对某一特定时段的南海中尺度涡进行了后报模拟和结果的定量化分析。通过比较后报模拟与观测资料中对应涡旋的海表面高度异常(sea surface height anomalies, SSHA)相关系数、涡心差距和半径绝对误差,证明该方案的中尺度涡后报时效至少可达10 d以上。后报实验结果验证了该中尺度涡预报方案的可行性,从而为中尺度涡的预报提供一定的理论基础和可行性方案。     

美国飓风暴潮预报

美国国家天气局已发展了一种飓风暴潮模式,即SLOSH模式,用其计算飓风暴潮,给定风暴资料,做为输入参数。这个数值模式把动力海岸线、由风暴引起的洪水漫滩、次网格特征具体化,如障碍物、障碍物之间的缺口、海水沿可变宽度河道的一维流动。SLOSH模式已被用于墨西哥湾沿岸美国的大部分地区和大西洋海岸常遭飓风袭击的区域。本文提供了模式使用的情况和对于飓风暴潮预报的某些局限性。SLOSH模式应用的一些特例取自1985年Elena飓风。 SLOSH模式除了用于实时风暴潮预报外,还广泛用于飓风防汛疏散计划。这个模式用几百个假想的飓风进行运算,是依据区域气候学来选择所计算的飓风,对每个预想的风暴,模式计算出淹水范围,把这些淹水类型结合起来,可帮助确定一个区域遭飓风袭击的程度。同时,模式计算的风,可帮助规划人员确定疏散时路线,是否由于大风而阻塞。联邦和地方政府机构把这些息信与人口研究和道路能力估计结合起来,制定出一种综合的疏散计划。这种计划的成果之一是“疏散时间”——当飓风来临时沿海地区为了安全疏散需要提前撤离的时间。     

一个中国边缘海的风-浪-流预报系统

海洋预报是进行海上活动的安全保障,海洋预报系统技术已经成为现代海洋气象业务的技术支撑。海洋观测、数据同化、数值模拟和高性能计算机等技术的进步极大地推动着海洋业务化预报的发展。采用大气数值模式（WRF）、海洋数值模式（CROCO）和海浪数值模式（SWAN）的多模式高分辨率离线耦合方式,添加南京信息工程大学“海洋数值模拟与观测实验室”团队自主研发的一系列海洋模式参数化方案,包括浪致混合参数化方案、亚中尺度参数化方案、海山诱导混合参数化方案以及涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合参数化方案,并通过同化技术和最新的人工智能技术与观测资料相结合,构建一种面向中国边缘海的风浪流多参数耦合预报系统,用于海上风电功率的预报和其他海洋灾害预警。实际观测资料的验证表明,该预报系统能较准确地模拟海上风场、海流、海温、波浪、潮汐等海洋气象要素。同时实现了按需实时可视化全景展示。     

南海反气旋涡旋温度细结构特征分析

基于水下滑翔机观测资料,对南海北部一个反气旋涡旋的温度细结构进行了特征分析.温度细结构强度由温度的脉动值确定,并随着尺度的增加呈指数衰减.在垂直方向上,细结构强度随着深度的加深而减弱,细结构特征在海洋表层(0～100m)和表层以下(＞100 m)存在显著区别.表层内,垂向混合和水平混合对细结构强度均有贡献,细结构强度大...     

有限域模式中对流参数化方案的比较

一、引 言 对流是强降水现象的最重要影响因子之一,如雷暴、梅雨季节中的强烈降水等等。对有限域模式而言,如此强烈降水的生成已经是个难题,因此,我们应当清楚,怎样一个对流参数化方案在模式中工作,和使用不同方案时什么差别会出现。 我们调查研究,在梅雨季节个例中具有大尺度对流方案的湿调整方案和郭氏方案两者之间的差别。同时,我们也调查研究,当使用湿调整方案时小网格尺度的效果。 二、模式和原始数据 象参数化方案一样,方案被纳入业务,在日本气象厅被应用到模拟方案。我们使用原始有限域模式,模式有:(a )水平网格尺度63.5公里和55×55网格,(b)水平网格尺度25.4公里和111×111网格,两个模式在铅直方面有13层。原始资料由业务客观分析方案提供(d=254公里)。产品为从初始条件1983年7月22日00世界时的24小时。     

鲁中地区一次超级单体风暴的雷达观测分析

利用济南、滨州和潍坊多普勒天气雷达及常规观测资料,对2016年6月14日下午到晚间发生在鲁中地区的超级单体回波演变和结构特征进行了分析。结果表明,该超级单体风暴产生在较大的对流有效位能和有利的风垂直切变条件下。其演变分为经典超级单体和强降水超级单体两个阶段。经典超级单体由普通单体迅速演变而来,其特征十分明显。强降水超级单体由经典超级单体风暴与其后侧下沉气流触发的普通单体风暴合并形成。合并过程造成风暴旋转强度增强,并产生类似龙卷的小尺度涡旋,导致了地面大风和大冰雹的出现。     

黄河三角洲一次非中气旋龙卷观测分析

利用区域气象观测站、欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）第五代大气再分析数据集（ECMWF Reanalysis v5,ERA5）、风廓线组网产品、S波段新一代天气雷达（S-band Doppler weather radar in China New Generation Weather Radar Network,CINRAD/SA）和X波段相控阵天气雷达（X-band phased array weather radar,XPAR）等资料,对2021年8月10日发生在黄河三角洲的3个EF0—EF1级非中气旋龙卷过程进行了详细分析。结果表明：（1）此次龙卷天气发生在高空干冷西北气流、低层横槽前暖脊和地面倒槽涡旋背景下,强烈的对流不稳定、0~6.0 km深厚层垂直风切变、大的低层湿度和接近1 000 m的抬升凝结高度,是此次弱非中气旋龙卷生成的有利环境条件;不利的条件是0~1.0 km低层垂直风切变非常弱。（2）海风锋、阵风锋触发对流,横槽分裂南下使上升运动加强;龙卷风暴影响时,临近区域气象观测站要素表现出明显变化,但风场的辐散特征表明观测站附近的大风还与风暴下沉气流有关。（3）龙卷母风暴为多单体合并、后向传播型风暴,双龙卷的形成与单体合并发展有关;雷暴下沉气流形成的阵风锋（出流边界）与海风锋合并使气旋性小尺度涡旋加强,当该小尺度气旋遇到经单体合并后发展加强的上升运动时,旋转运动进一步增强,从而激发了第3个龙卷。（4）CINRAD/SA只观测到气旋性涡旋和风暴顶辐散;XPAR在双龙卷期间观测到强切变和龙卷碎片特征,相关系数低值区明显。     

第12章 试例Ⅵ:静止和移动的飓风

12.1 风场和边界条件 本试例中讨论了两个典型的强飓风风场,第一个为静止飓风,第二个为每秒15米的速度向北移动的相同强度的飓风。图12.1给出了一个典型的向北移动的强飓风风速和风向的空间分布,也给出了为表示二维波谱而选定的输出网格点。每秒40米的最大风速位于飓风眼东北50公里处,风速存在着明显的不对称（飓风中心的东边和北边风速较强）,风向存在着南北不对称（后象限流入强）。     

国家海洋环境预报中心的业务客观分析系统：第一部分：系统结构及其功能

前 言 自1989年1月起,主要依据Cressman方法的一个客观分析系统,在国家海洋环境预报中心投入了业务运行。分析区域包括了整个北半球,极射投影。分析网格包括51×51个格点,格距381公里。提取观测资料时网格要向外扩充四圈半。分析时使用的观测资料有:地面观测、船舶站报告、海洋天气船报告、飞机报告、卫星测风、探空记录和气球测风。(尽管有些资料,如飞机报和卫星测风至今尚未收到)分析层次包括地面层和六个标准等压面层:850hPa、700hPa、500hPa、300hPa、200hPa和100hPa。 该系统能提供的分析产品表示在表1中:     

低层基本气流对台风的引导作用

根据历史情况,热带气旋的引导气流概念经历了这样的发展和演变[1]: 最初的引导概念来自月平均地面气压场,以后随着高层大气观测的发展,出现了愈来愈向高层寻找引导气流的倾向,但不久的一些研究表明,热带气旋的移动与其所处各层大气的基本气流有关,一般与对流层中层500毫巴或700毫巴基本气流最接近.因此,在至今的台风预报业务中,通常着重应用500毫巴或700毫巴形势场分析引导气流的情况.一些台风路径的正压数值预报模式也以中层500毫巴形势场为基础.     

日照一次EF2级龙卷的环境场及雷达特征

利用常规观测资料、区域自动气象观测站加密观测资料、多普勒雷达资料和NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料,对2019年8月16日发生在日照一次龙卷天气过程的天气形势、环境物理量和涡旋特征进行了分析。结果表明:地面β中尺度辐合线和高空冷涡是此次龙卷发生的主要影响系统,较湿的近地面层、较低的抬升凝结高度为龙卷的发生提供了有利的环境条件。地面辐合线上的γ中尺度涡旋在显著深厚湿对流潜势下触发了对流,较大的对流有效位能(convective available potential energy,CAPE)和较强的0~3 km垂直风切变有利于初生对流的发展、合并,形成超级单体风暴。龙卷发生时,超级单体风暴低层右前侧出现钩状回波、入流缺口。较强的风暴单体、深厚持久的中气旋、中气旋强中心和底部迅速下降并重合、气旋性涡旋加强、最大风切变跃增、多个时次体扫出现龙卷涡旋特征(tornadic vortex signature,TVS)是地面龙卷发生的主要特征。对龙卷风暴单体移动起主导作用的因子在不同时段有所不同,前期主要受平流的影响;风暴单体合并的过程中,风暴移动受传播和平流的共同影响;风暴单体完全合并后,引导气流对风暴的移动又起主要作用。     

一次由气旋发展与边界层东北气流触发的强对流天气分析

利用多种探测资料及NCEP/NCAR FNL 1°×1°再分析资料,对2019年4月24日发生在山西的大范围强对流天气进行了分析。结果表明:1)此次过程是在弱天气尺度强迫背景下,地面锋面气旋发展和低层偏东北气流伸入河套地区,触发了1个持续拉长状对流系统(persistent elongated convective systems,PECS)和1个β中尺度持续拉长状对流系统(meso-β-scale PECS,MβECS)发生发展造成的。2)与MβECS对应,雷达回波上表现为涡旋状的回波中镶嵌着多个对流单体,PECS则表现为4个线状回波和1个强降水单体风暴。雷达产品能更精细刻画较小尺度系统特征,但分类强对流的某些典型特征并不明显。3)物理量诊断揭示,低层锋生作用不仅使暖锋加强触发MβECS发展造成北部强对流,且使得冷锋加强和气旋发展,此背景下形成的边界层急流和地面中尺度系统导致中南部对流单体合并、加强并高度组织化。强对流范围和强度与涡旋或辐合线尺度及风场辐合强度密切相关,气旋内温压风湿场的扰动特征能更好地解释较小尺度系统形成发展的物理机制,且这些特征较强对流提前1～3 h出现,对强对流临近预报具有很好的指示意义。4)低层东北气流是干冷与暖湿空气的一个倾斜交界面,该面上各种要素并不均匀,围绕该支气流形成一个气旋式次级环流圈,是中尺度对流系统的重要触发机制;气流两侧存在较大纬向风垂直切变,是造成对流风暴传播、持续时间长的重要原因之一。