台风远距离暴雨的研究进展

台风是最强的暴雨天气系统，针对台风暴雨的研究由来已久，并把台风暴雨分为台风环流本身的暴雨和台风远距离暴雨。近几十年来，有关台风远距离暴雨的研究有了一些新的进展和成果。2007年的第十四届全国热带气旋研讨会上还给出了最新的台风远距离暴雨定义。谨从此定义出发，简要总结国内外在台风远距离暴雨方面的研究成果，并在分析归纳的基础上提出存在的问题和可能的研究方向。     

登陆台风远距离暴雨的观测研究和预报

对１９８７￣１９９２年在汕头以北登陆的全部台风个例分析表明：登陆台风陆上活动类型和远距离暴雨特点与台风在近海的活动方式有关；登陆台风远距离暴雨的发生与台风登陆前后大气低层东南气流里是否存在中尺度暖区有关，落区与中尺度暖区在台风、副高系统中的相对位置有关，最后，建立了台风远距离暴雨预报的天气学模式。     

中国大陆台风远距离极端降水的基本特征

台风远距离极端降水可以分为极端小时降水(Extreme Hourly Precipitation,EXHP)和极端持续性强降水(Extremely Persistent Heavy Rainfall,EPHR)两类,因其作用距离远、机理复杂,是强降水业务预报中的重大挑战。为了加深对台风远距离极端降水特征的认识,本文利用2009—2019年中国自动站融合CMORPH卫星降水数据、热带气旋的最佳路径数据集,揭示了中国大陆EXHP和EPHR事件的基本特征。结果表明:环渤海、长江中下游、四川盆地是由台风远距离降水引发的EPHR和EXHP事件的3个高发区,强降水持续时间≥5 h为台风远距离EPHR的判别标准,在3个不同的区域内,EXHP的阈值分别为34.05、30.52及27.19 mm·h^-1。EPHR的发生时次与EXHP重合率高。EPHR事件的持续时间最长可达44 h,最大累积降水量可达542.03 mm,而EXHP的小时降水量更强。环渤海地区极端降水多发于夜间到清晨,长江中下游地区多集中在上午,四川盆地则集中在凌晨。造成长江中下游远距离极端降水的最大台风强度在3个地区中最强。极端降水落区与台风的最远距离发生在环渤海地区,可达4 333.1 km。     

冷空气侵入对台风“罗莎”暴雨增幅的作用

用实况观测资料和NCEP／NCAR分析场资料,提供诊断分析方法对2007年16号台风“罗莎”的降水演变进行分析,重点讨论了台风登陆后和北方冷空气结合,产生的第2次强降水。结果表明：台风“罗莎”登陆后和北方中高纬西风槽结合,低层冷空气与台风的西北象限发生作用,使台风高层辐散,低层辐合加强,结果导致了台风对流加强,在有充足的水汽条件下可引发强降水。     

“罗莎”(0716)台风对071005北京秋季大雨的影响研究

2007年10月5—6日,北京地区在通常干爽的秋季出现了大雨过程。采用WRF模式进行数值模拟和敏感性试验发现,北京这次大雨天气在很大程度上受到东南沿海“罗莎”(0716)台风的远距离影响。主要表现在:(1) 台风外围环流波动在对流层顶向北传播,在北京上空与西风带波动叠加,形成对流层上层强辐散;(2) 台风北侧东风环流将东海和黄海的水汽汇聚于长江中下游地区,之后沿着副高边缘向北输送至40 °N附近的北京地区;(3) 受“罗莎”台风影响对流层中低层水汽辐合带向北推移1.5个纬距,形成北京地区的水汽辐合。动力分析显示,北京地区上空对流层500 hPa以下强辐合,500 hPa以上尤其是300～200 hPa强辐散,形成几乎整层的上升运动和600 hPa以下水汽的辐合,对大雨的产生十分有利。此外,大雨期间对流层顶长时间强的冷平流和对流层中低层的暖平流,在一定程度上对降水的维持起到了积极作用。敏感性试验同时表明,没有“罗莎”台风的影响,北京地区上空上述动力条件基本不存在。      

“麦莎”远距离台风暴雨的排熵指数分析

对2005年8月5日山东省一次远距离台风暴雨过程进行了诊断分析。从引起远距离台风暴雨的几个因素,分析此次山东地区强降水过程与台风“麦莎”及中纬度西风带系统的关系,判别台风暴雨的类型;应用耗散结构理论,分析了排熵指数与远距离台风暴雨区的关系。结果表明：该次暴雨过程是在远距离台风（0509号“麦莎”台风）和西风槽相互作用下产生的;非纬向的高、低空急流对本次暴雨过程起着重要作用;负熵变区（IRE〈0）对应着暴雨区,负熵变区的汇合反映远距离台风暴雨的落区,排熵指数对远距离台风暴雨分析预报有一定的指示作用。     

中国台风降水的气候特征

对中国台风降水的时空分布特征进行研究,发现台风降水分布在中国中东部广大地区,台风降水量自东南沿海向西北内陆逐渐减少.台风降水最大值出现在台湾岛的中东部地区和海南岛的个别地区,年平均台风降水量大于700 mm,最小值出现在内蒙古、山西、陕西、四川的部分地区,年平均台风降水量不足10 mm.台风降水一般出现在4～12月,峰值出现在8月.1957～2004年期间台风降水呈下降趋势.台风降水的异常主要由于亚洲地区大气环流和赤道中东太平洋沃克环流的异常变化所引起.进一步分析发现,台风降水在中国大部分地区为减少趋势,且这种趋势在台湾岛、海南岛、东南沿海部分地区和东北南部较显著.台风暴雨是我国东南沿海及部分内陆地区的极端强降水事件之一,这些地区的暴雨和大暴雨很大程度上是台风带来的.     

登陆台风内降水效率变化对降水增幅影响的分析

在应用高分辨率数值模式WRF(Weather Research & Forecasting model)对台风“海葵”(2012)发展演变成功模拟的基础上,研究登陆台风内降水效率变化对降水增幅的影响。通过物理场配置、水成物的分布和收支演变的诊断分析表明：在台风登陆后内部次级环流减弱,环境场水汽供应稳定并有所减少的条件下,台风内六种水成物粒子(水汽、云水、云冰、雪、雨和霰)在眼墙和螺旋雨带区域发生配置变化,对于提高台风系统降水效率,维持整体降水强度具有重要作用。将六种水成物按照水汽、云和降水的属性分为三类,分别进行收支诊断分析,发现不同水成物的分布与转化过程对于台风登陆后的降水效率变化具有重要影响,冰相粒子的减少、云体的消耗、以及霰粒子的转化,使得台风内部产生了空间范围更加集中、大值中心更贴近地面的降落型水成物,是台风登陆后降水维持和增幅的直接原因。因而,分析水成物的分布与转化过程对降水效率的影响,对于台风登陆后降水维持或增幅的预报具有重要价值。     

北京地区的台风降水特征研究

采用上海台风研究所1949-2006年台风降水和台风年鉴资料、中国FY-2卫星和日本气象厅TBB资料以及NCEP再分析资料,首先分析58年台风影响北京降水的气候特征,然后对8407号台风Freda和0509号台风Matsa影响下北京两次强度差异显著的降水过程进行对比研究.结果表明:(1)台风影响北京降水年均0.33次,出现在6-9月.降水过程多为大雨以上天气过程,持续时间一般2 d,最长可达5 d.(2)影响台风的活动范围大致为(20°-50°N,109°-128°E).路径主要包括西北行和转向东北行两类,并以前者居多.北京发生暴雨时,台风中心主要出现在江西-安徽-带、黄海或北京附近.(3)Freda对北京的影响发生在台风与西风槽相互作用过程中,而Matsa的影响表现为台风低压环流直接控制北京.两个台风均受冷空气影响而变性,具有明显的非对称结构,两次过程中北京位于台风不同的对流运动发展区域是造成降水强度差异的原因之一.(4)两次台风过程中北京均具有较好的水汽条件和对流不稳定层结,但动力抬升条件差异明显.Freda影响下北京具有较强的水平风垂直切变,偏南暖湿气流上升运动深厚.而Matsa影响下北京盛行偏北气流,中低层下沉运动显著,水汽抬升受到抑制.另外,北京西北高东南低的地形也是其台风降水产生差异的原因之一.在台风东侧,地形作为偏南气流的迎风坡可加强上升运动,而在台风西侧则作为偏北气流的背风坡增强下沉运动.     

热带扰动与远距离暴雨关系的统计分析与数值试验

对2006—2011年5—9月90~150°E、0°~50°N范围内远距离暴雨进行统计与合成分析,并选取典型个例进行诊断分析与数值试验,研究结果表明:1)在有利的大气背景下,强度较低的热带扰动也可以与中纬度系统共同作用引发远距离暴雨,对统计得出的21例依据水汽通道的类型分为3类:S型水汽通道、双水汽通道和西北向型水汽通道,其中S型水汽通道发生次数最多。2)低空急流合成分析表明,不论扰动强弱,热带扰动东侧的偏南低空急流是形成远距离暴雨的关键,是联系中低纬度系统的纽带和桥梁,对S型的个例进行诊断分析与数值试验也进一步显示,热带扰动东侧低空急流是中纬度暴雨区水汽输送的主要通道,偏南低空急流的强弱是影响远距离暴雨强度的主要因子之一。3)敏感性试验结果表明,热带扰动也可以引起Rossby波能量向东北方向传播,其强度与扰动强度成正比,从而改变远距离降水分布;去除热带扰动则无法形成波列,不利于能量的传播与远距离降水发展。     

A preliminary study on the relationship between Arctic Oscillation and daily SLP variance in the Northern Hemisphere during wintertime

In the present study, the authors investigated the relationship between the Arctic Oscillation (AO) and the high-frequency variability of daily sea level pressures in the Northern Hemisphere in winter (November through March), using NCEP/NCAR reanalysis datasets for the time period of 1948/49-2000/01.High-frequency signals are defined as those with timescales shorter than three weeks and measured in terms of variance, for each winter for each grid. The correlations between monthly mean AO index and high-frequency variance are conducted. A predominant feature is that several regional centers with high correlation show up in the middle to high latitudes. Significant areas include mid- to high-latitude Asia centered at Siberia, northern Europe and the middle-latitude North Atlantic east of northern Africa. Theirs trong correlations can also be confirmed by the singular value decomposition analysis of covariance between mean SLP and high-frequency variance. This indicates that the relationship of AO with daily Sea Level Pressure (SLP) is confined to some specific regions in association with the inherent atmospheric dynamics. In middle-latitude Asia, there is a significant (at the 95% level) trend of variance of-2.26% (10yr)^-1. Another region that displays a strong trend is the northwestern Pacific with a significant rate of change of 0.80% (10 yr)^-1. If the winter of 1948/49, an apparent outlier, is excluded, a steady linear trend of 1.51% (10 yr)^-1 shows up in northern Europe. The variance probability density functions (PDFs) are found to change in association with different AO phases. The changes corresponding to high and low AO phases, however, are asymmetric in these regions. Some regions such as northern Europe display much stronger changes in high AO years, whereas some other regions such as Siberia show a stronger connection to low AO conditions. These features are supported by ECMWF reanalysis data. However, the dynamical mechanisms involved in the AO-high frequency SLP variance connection have not been well understood,and this needs further study.     

基于自组织映射神经网络的吉林省春夏期降水统计模拟研究

利用1997—2015年吉林省春夏期(4—7月)逐日气象站地面观测资料,以气温、气压、相对湿度、水汽压、风速为协变量,建立各站点逐日降水量的基于自组织映射神经网络(Self-Organizing Maps,SOM)的统计预测模型;分析吉林省春夏期的主要天气模态,研究逐日降水和天气模态之间的关系,并基于此关系提出逐日降水量的蒙特卡罗模拟方法。结果表明:SOM对天气模态的分型质量较好,邻近天气模态的累积概率分布较相似,距离较远的天气模态累计概率分布差异较大。各天气模态下无降水的概率与日降水量区间宽度的相关系数为-0. 94,显著性水平小于0. 01。基于降水量累积概率分布,20种天气模态被划分成4类,并与降水易发程度和逐日降水量完全对应。在此基础上,对吉林省24个站点逐日降水量进行蒙特卡罗模拟,并进行预测性能分析。平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)和均方根误差(Root Mean Square Error,RM SE)的中位数分别为3. 12 mm和6. 13 mm,SBrier和Ssig分别为0. 06和0. 51,站点的逐日降水量预测性能整体较好。MAE和RMSE分布呈现东南大西北小,去除降水自然变异差异的影响,所有站点的误差都较小; SBrier和Ssig没有明显的空间分布特征。     

山东初冬一次极端降水和大风天气成因分析

利用常规地面、高空观测、雷达及ERA5再分析等资料,对山东初冬一次极端降水、大风天气成因分析,结果表明：低槽东移发展,冷空气南压,低空切变线配合东北、西北地区地面高压坝形成的“阻挡”形势利于极端降水的产生。本次水汽条件具有较强的极端性,水汽通量辐合远强于气候平均态,925 hPa和700 hPa水汽通量辐合大值区分别与雨、雪区域配合较好。降雨时垂直上升运动中心在边界层,升至600 hPa时转为降雪,降雨时低层辐合、高层辐散,降雪时由低到高呈辐散-辐合-辐散分布。冷锋过境条件对称不稳定触发产生对流,随后在冷锋后侧逆温层上由锋生过程的上升支环流强迫产生高架对流。强冷空气扰动从内蒙古高原下滑至华北平原,与近地面冷平流汇合增强,产生较强变压风,同时促进了势能向动能转换和动量下传。地形强迫造成下沉运动增强,华北地区低层形成锋面次级环流,环流前部锋区暖界面为地转偏差辐合,冷界面为地转偏差辐散。环流内有水平动能和地转偏差大值区,偏北气流和下沉运动使水平动能向南、向下输送,导致地面极端大风。     

我国降水振荡周期特征的初步分析

本文采用詹金斯的谱分析方法,计算了我国160个代表站月降水量资料的自谱值,揭示出我国近30年来降水振荡主要周期及其分布特征.结果表明:我国西部地区(110°E以西),主要周期相对地集中在31.4—39.0个月之间,表现出以准三年振动为主;而我国东部地区(110°E以东),主要周期集中在21.2一29.2个月之间,表现出以准两年振动为主.特别是通过对青藏高原以东地区降水振荡主周期及其分布特征的分析,为我国雨带类型的区域划分范围提供了比较充分的依据,并为长期预报提供重要的气候背景.     

台风中涡旋波1波扰动的形成机制及其变化特征

通常将台风中的螺旋云带看成是一种称为涡旋罗斯贝波的波动,双臂对应的切向波数为2,单臂对应的切向波数为1,目前这种波动发生发展的物理机制仍不很清楚,值得进一步研究.利用柱坐标下的正压流体涡度方程,研究了台风中涡旋罗斯贝波1波扰动的正压不稳定性及发展变化问题.结果表明,当基本流径向涡度梯度小于0时,由于涡度扰动的速度场对于基本涡度场的平流效应,1波(m=1)扰动可从基本流吸取能量而出现不稳定快速增长.但由于扰动旋臂的缠卷作用,径向速度将很快变小,因此,不稳定增长将受到一定的时间限制;波动的发展速度与半径有关,中心附近的波动先发展且向外传播,距中心较远的波动稍后发展.整体上看,波动由中心向外扩展,大尺度台风的螺旋云带比小尺度台风的螺旋云带发展更快.     

台风“利奇马”造成浙江极端降水的成因分析

利用NCEP/NCAR再分析资料(0.25°×0.25°)、FY-2G卫星的黑体亮度温度(TBB)、双偏振雷达、加密自动站资料,对2019年台风“利奇马”引发浙江极端暴雨过程的成因进行分析,结果表明:(1)“利奇马”引发的浙江特大暴雨过程是一次深厚台风本体降水,具有范围广、总量大、局地雨强极端的特点,山脉地形对降水的增幅作用显著。(2)台风登陆前后850 hPa水汽通量、850 hPa辐合和200 hPa辐散都超过气候平均值3~4个标准差,异常强的动力抬升和水汽输送为此次极端降水提供了有利的背景条件,物理量的异常度可作为判断极端降水的重要因子。(3)活跃的西南季风和副高南部的偏东急流为“利奇马”提供了充足的水汽和能量。925 hPa水汽通量辐合大值区域与暴雨落区的形态和位置对应较好,且辐合强度的变化对降水量具有一定的指示意义。(4)登陆前后台风中心密闭云区范围大、结构紧实,其中有多个中尺度对流系统强烈发展且移动缓慢,是浙江东部沿海地区产生极端降水的主要原因。基于双偏振雷达的降水估测产品在短临预报中参考价值高。(5)中层的弱干冷空气和低层的强暖湿气流促进了对流不稳定层结的发展和维持,在地面中尺度辐合线和地形的强迫抬升下不断触发中尺度对流系统并产生“列车效应”,是此次过程中西北部山区特大暴雨产生的重要原因。     

2008年初粤北罕见的低温雨雪冰冻天气过程分析

利用NCEP地面、探空、海温等分析资料,以及本地自动站和灾情资料,对2008年1月中旬-2月中旬粤北一场罕见的低温雨雪冰冻天气过程的特点、气候背景、地面和高空形势进行研究分析。结果发现：长时间的冻雨和雨夹雪是造成粤北损失巨大的主要原因,冷暖空气长时间在粤北上空交汇是造成雨雪天气的直接原因,拉尼娜事件引起大气环流异常是这次过程的气候背景,异常偏强的副热带高压和孟加拉湾到广西一带低槽的共同作用,为粤北上空输送了强盛的西南暖湿气流,北方长时间稳定的强冷空气从边界层侵入粤北后的冷舌,与对流层中低层的暖舌构成的逆温层,为冻雨的出现提供了有利的大气层结,极涡异常偏心对这次过程有指示意义。     

近50年营口夏季降水异常年与前期海气环流特征分析

利用1951～2000年营口夏季降水量和前期500hPa高度场、北太平洋海温资料,分析了夏季异常旱涝年的前期秋季(9～11月)、冬季(12月—翌年2月)500hPa高度场和北太平洋海温场及环流场特征。结果表明:前期秋、冬季海气资料与夏季降水相关较好,且存在“隔季相关”的现象。     

极端天气预报指数和集合异常预报法在浙江台风和梅雨暴雨预报中的应用北大核心

利用2016—2021年ECMWF集合预报,评估了极端天气指数EFI(Extreme Forecast Index)、尾偏移指数SOT(“Shift of Tail”index)以及集合异常预报法在浙江台风和梅雨暴雨预报中的应用效果。通过研究极端天气预报指数对浙江台风和梅雨暴雨的最优预报阈值,发现梅雨暴雨阈值比台风暴雨明显偏小,且随预报时效增加减小速度偏慢。最优阈值预报相比确定性模式预报,在台风和梅雨暴雨预报检验中体现出更好的稳定性、提前性和准确性。进一步研究发现,通过区分天气类型确定的最优预报阈值,可作为台风和梅雨暴雨落区预报的参考依据。925 hPa水汽通量散度的集合异常度对浙江台风暴雨的落区和强度变化有较好的预报效果,850 hPa涡度和700 hPa垂直速度的集合异常度可以反映稳定性梅雨暴雨的过程演变。