积云对流参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF高分辨率模式的模拟结果,探讨了8种积云对流参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的路径、频数及强度模拟的影响。结果发现:采用Kain-Fritsch方案模拟的热带气旋活动的空间分布与JTWC统计结果最接近。KF方案模拟的热带气旋生成频数(强度)明显高(强)于其他积云对流参数化方案,而BMJ方案模拟的热带气旋生成频数(强度)明显低(弱)于其他积云对流参数化方案。进一步分析发现,采用优化集合积云参数化方案(ECP)模拟热带气旋频数、ACE指数以及PDI指数的年际变化趋势较好,而采用KF积云对流参数化方案对热带气旋空间分布、频数及强度的模拟总体最优。     

CWRF边界层参数化对东亚近海热带气旋模拟的影响评估

基于CWRF模式结果,探讨了6种边界层参数化方案对30 a东亚近海热带气旋的强度、频数及路径模拟的可能影响。结果发现：CWRF模式中各边界层参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,模拟强度相比观测也均偏弱。热带气旋的强度、频数及出现频次的空间分布对模式边界层方案的选取较为敏感。CAM3方案模拟强热带气旋的能力较其他方案偏好,ACM方案在多数年份模拟的热带气旋个数偏多,且在不同月份模拟的热带气旋生成频率与观测最接近,CAM3方案模拟的热带气旋出现频次与观测的偏差在大部分地区偏小。综合来看,CWRF模式中边界层参数化选用CAM3方案模拟热带气旋活动的性能较好。     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

影响华东地区热带气旋年频数与热带对流场的关系

利用由美国NOAA系列卫星观测的OLR资料研究了影响华东地区热带气旋年频数（记为ATC）与热带对流场的关系，结果表明两者存在密切的联系：（1）当华东地区热带气旋年频数ATC为异常偏多（少）时，ITCZ位置累积距平为正（负）值，即ITCZ位置异常偏北（南）；（2）利用OLR设计了Walker综合指数WI，该指数的强弱可以反映ATC的异常情况，即当ATC为异常偏多（少）时，walker环流圈异常强（弱）；（3）OLR距平累积量场能较好的表征ATC异常年份所对应的低纬度及中高纬地区大气环流的配置，其可以作为预测影响华东地区热带气旋年频数的强信号。     

台湾海峡区域热带气旋内核深对流特征分析

利用1996-2010年的卫星红外云顶亮温(TBB)资料,研究经过台湾海峡的热带气旋(TC)内核深对流活动特征。根据TC受台湾岛影响的大小分为远海区域、登陆前近海区域、台湾岛区域和海峡区域4个阶段。分析发现,穿越台湾岛进入海峡区域的TC内核结构趋于松散,深对流系统的总面积较远海和近海区域TC小,但深对流系统个数较前期显著增加,活动位置远离TC中心。海峡区域的水体虽然有利于TC内核深对流系统在一定程度上的恢复发展,但并不能明显促进极端强对流系统的加强发展。位于台湾岛和海峡区域TC的深对流系统活动具有明显的非对称特征,特别是海峡区域TC的热塔分布,在TC前进方向左后侧出现的概率最高,超过了半数。     

热带气旋海棠(2005)强度数值模拟试验

通过设计台风追随自移动嵌套网格、考虑海洋飞沫作用改进MRF边界层参数化方案、设计垂直-倾斜对流参数化方案等对MM5 V3.7中尺度模式进行改进,以NCEP逐日再分析资料为初始场,对2005年第5号热带气旋"海棠"进行了数值模拟试验。结果表明:通过设计自移动嵌套网格解决了热带气旋业务数值预报模式中细网格区域大小和位置难于确定问题,通过提高模式分辨率能大幅增强数值模式对热带气旋强度的预报能力;考虑海洋飞沫作用后,热带气旋范围内低层热通量明显增强,从而使模式大气低层增温和增湿明显,有利热带气旋内对流发生发展;考虑倾斜对流不稳定作用后,使倾斜对流有效位能得到释放,进一步提高了模式对热带气旋内部物理过程的描述能力。通过改进MM5模式,有效提高了热带气旋强度的数值模拟能力。     

热带气旋内部非对称积云对流对其移动的影响

在一个简单的两层板对称CISK模式中，我们考虑了热带气旋内部非对称积云对流的作用，并由此推导出热带气旋移动的动力学速度公式。利用SPECTRUM-90这套热带气旋试验资料，本文着重分析了热带气旋内部非对称积云对流对其运动的影响，以探索热带气旋移动与引导气流偏差的可能机理。计算结果表明，考虑积云对流非对称作用产生的动力学速度确能明显改善热带气旋的路径预报效果，尤其对于一些疑难路径，这种改善作用更突出。因此，CISK理论不仅是热带气旋发展和维持的重要机制，而且对热带气旋移动的影响也不可忽视。     

近30年影响我国东南沿海的热带气旋降水强度变化特征分析

利用中国地面台站逐日降水资料和中国气象局上海台风研究所整编的热带气旋最佳路径资料研究了1978～2007年影响我国热带气旋降水强度的变化及其对我国东南沿海盛夏降水变化的影响.近30年影响我国东南沿海盛夏的热带气旋降水增加是导致我国东南沿海盛夏降水显著增加的主要原因.仅从热带气旋降水来看,东南沿海和内陆(包括江西、湖南东部和湖北南部)热带气旋降水强度显著增加,而影响热带气旋降水频次略有增加.通过对雨量站与引起降水热带气旋的中心距离的变化分析发现:内陆地区影响热带气旋距离显著下降,近距离热带气旋引起降水的增加,是该区域热带气旋降水强度增加的主要来源;而东南沿海地区近距离热带气旋降水增加不明显,热带气旋降水强度的增加主要由于同距离热带气旋降水强度的增加.热带气旋经过频次的空间的变化结果证实,近30年经过中国沿海的TC个数变化不大,仅福建沿海一带略有增加,而内陆地区则增加明显,且经过该区域时热带气旋移动速度变慢,这均与该区域近距离热带气旋降水的增加一致.     

基于CWRF的中国近海热带气旋集合模拟及其对物理参数化方案的敏感性研究

为评估CWRF模式的降尺度能力和其热带气旋模拟对物理参数化方案的敏感性,本文利用ERI再分析资料驱动CWRF在30km网格上对1982-2016年中国近海热带气旋开展了一次集合模拟.结果表明:CWRF与ERI均能模拟出热带气旋的季节变化和年际变化形势且均存在低估,但相较ERI,CWRF的降尺度技术和集合模拟可以再现更多...     

热带大气季节内振荡数值模拟对积云对流参数化方案的敏感性

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)的大气环流模式(SAMIL-R42L9)研究了热带大气季节内振荡(MJO)的模拟对积云对流参数化方案的敏感性,结果表明两种对流参数化方案——湿对流调整方案(MCA)和Zhang-McFarlane(1995年)方案对MJO的模拟能力有明显的差异。MCA方案较好地模拟出了MJO的基本特征,包括季节内的时间尺度和向东的传播。Zhang-McFarlane(1995年)对流方案模拟的MJO振幅非常弱,而且缺乏连续的传播特征,在MJO的演变过程中弱的低层水汽辐合使MJO难以维持和传播。两种不同的对流参数化方案产生的非绝热加热垂直廓线明显不同,Zhang-McFarlane(1995年)方案产生的非绝热加热强度在对流层各层过于一致,没有明显的最大加热层,而且平均的加热强度太弱,这是该方案难以模拟出合理的MJO的主要原因之一。因此,模式对热带大气季节内振荡的模拟能力很大程度上依赖于所使用的积云对流参数化方案,当积云参数化方案改变时模式模拟的MJO也发生明显变化,而非绝热加热廓线是对流参数化方案影响MJO模拟的一个重要影响因子。3种不同的非绝热加热垂直分布的敏感性试验表明,当最大的加热层位于对流层中低层尤其是对流层中层时,更容易产生出与观测较为接近的季节内的扰动,而当最大加热位于对流层高层时,更易于激发出西传的扰动。     

积云对流参数化方案对气候数值模拟的影响

利用一个“全球五层大气环流谱模式”,试验和比较了三种不同积云对流参数化方案,即Manabe方案、Kuo方案和Arakawa-Schubert（A-S）方案,对全球气候数值模拟的影响。数值模拟的结果表明了三种方案对全球降水的模拟差别较大,差别比较明显的区域是东亚、北美和北非,且夏季的差别比冬季大。与实况相比,采用Kuo方案对东亚季风降水的模拟结果较好,而采用A-S方案对热带西太平洋、热带印度洋与北美地区降水的模拟结果较好,但采用Manabe方案却模拟不出东亚地区夏季风降水特征;并且从环流数值模拟的结果看,采用这三种方案均模拟出北半球冬、夏季中、高纬地区的环流结构,但与实况相比,采用Kuo方案能较好地模拟出冬季极涡分裂过程,并能较好地模拟出中高纬地区和东亚地区的环流系统,而采用A-S方案能较好地模拟出冬、夏季北美环流系统和太平洋副热带高压;此外,这三种方案对加热场与水汽场的描述方面也有很大不同,A-S方案的结果呈现出不同于Kuo和Manabe方案结果的特征,表明了A-S方案能反映强对流特征,而Kuo方案和 Manabe方案所描述的加热场和水汽场虽有相似之处,但在30#+[o]N以南的副热带地区,Kuo方案所描述的对流系统加热要比Manabe方案强。     

热带气旋路径趋势数值预报的试验研究

给出了一个嵌套于欧洲中期天气预报中心全球谱模式中的套网格模式,用于预报热带气旋路径趋势,提出了一种以欧洲中期天气预报中心提供的时距为24小时的预报场为基础的“接力预报”方法;设计了五种不同的“接力预报”方案;并对8507号和8509号两个热带气旋就各种不同预报方案进行了数值预报试验。结果表明,本模式对热带气旋路径趋势具有较强的预报能力,对疑难路径也具有一定的预报能力,为开展热带气旋的路径趋势预报提供了一个新的途径。文中还对影响热带气旋路径趋势的一些主要因子结合各预报结果进行了分析,为模式尽早投入业务提供了一定的依据。     

SAMIL模式中Tiedtke 积云对流方案对热带降水模拟的影响

目前, 大多数全球耦合模式及大气环流模式在降水模拟中普遍存在不同程度的“热带偏差”问题, 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室所发展的全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26也存在这一现象, 主要表现在SPCZ (南太平洋辐合区) 降水过强且过分东伸、 赤道附近降水偏少等方面。本文通过修改SAMIL中的积云对流方案有效地削弱了这一偏差, 并进一步探讨其原因, 发现对流方案修改后, 改变了对流层低层至地面的温度分布状态, 进而影响了风速及散度场的模拟, 最终通过垂直速度的调整反作用于对流过程。比较修改前后对流过程云底质量通量, 发现修改后的方案主要通过削弱浅对流来提高热带降水的模拟性能。     

热带气旋路径集合预报试验

以MM5模式为试验模式,分别用增长模繁殖法（BGM）和模式物理过程扰（MPP）形成12个集合成员,对2005年登陆我国的8个热带气旋进行了52次路径集合预报试验,以寻找适合西北太平洋热带气旋路径的集合预报方法。结果表明：BGM方法的集合预报结果总体上好于控制试验结果,其中对强度较弱的热带气旋的集合预报效果更好。MPP方法的集合预报结果总体上不如控制试验结果,但对初始时刻强度达到台风的热带气旋的集合预报效果较好,集合预报相对于控制试验的改进效果明显。基于BGM方法和MPP方法集合预报的不同特点,将两种方法相结合形成扰动成员,这一综合方法的集合预报效果好于单一方法的集合预报效果。BGM方法和MPP方法的系统发散度总体上都偏小。     

Convective Asymmetries Associated with Tropical Cyclone Landfall： β-Plane Simulations

The physical processes associated with changes in the convective structure of an idealized tropical cyclone (TC) during landfall on a beta-plane were studied using the fifth-generation Pennsylvania State University--National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model, version 3 (MM5). The simulation results suggested that the suppression of moisture supply and increased friction acted to enhance the convection from the left and front quadrants of the TC to the front and right of the TC during different periods of landfall. When surface moisture flux was turned off, convection in other parts of the quadrant was clearly suppressed and the total rainfall was reduced. When surface friction was increased, precipitation showed a marked increase after the TC made landfall. Wetter air at low and intermediate levels, and drier air at high levels around the onshore side of the coastline led to a high value of convective available potential energy (CAPE). Consequently, convection was enhanced immediately downstream of this area when the surface moisture flux was cut off. When surface friction was increased, the physical process was similar prior to landfall. After landfall, increased convergence at the onshore side of the land resulted in enhanced convection in front of the TC. Consistent with previous findings, our results suggest that during landfall the TC structure changes from one of thermodynamic symmetry to asymmetry due to differential moisture flux between the land and sea surface. The asymmetry of the thermodynamic structure, which can be explained by the distribution of CAPE, causes an asymmetric rainfall structure.     

RIEMS中积云对流参数化方案对我国降水的影响

利用区域环境集成系统模式RIEMS选择Kuo-anthes(KA)和Grell(GCC)积云对流参数化方案,进行1991年5～8月敏感性试验,重点考察了区域环境集成系统模式中两种积云对流参数化方案对1991年江淮流域持续性暴雨的模拟能力.结果表明:1)对于200 hPa西风急流的位置和强度来说,采用GCC积云对流参数化方案较采用KA对流参数化方案,RIEMS模式模拟的结果更加接近观测;2)不管模式采用哪种参数化方案,RIEMS模式都能模拟出850 hPa上的水汽输送和流场,但模式模拟的水汽输送都比观测强;3)不管是采用GCC方案还是KA方案RIEMS模式基本上能够模拟出平均气温的空间分布,但对于长江以南地区,模式模拟的温度较观测偏低,对长江以北地区模式模拟的温度偏高.而采用GCC方案模式模拟的温度更加接近观测,并且对大部分地区温度偏差在-1.65～1.5℃;4)对于降水来说,采用GCC方案模式能够较好地模拟降水的空间分布特征以及雨带季节性移动,但模拟的雨带较观测的偏北,大约为1～2纬度.尽管GCC积云对流参数化方案在RIEMS模式中模拟中国地区降水更加接近观测,但由于积云对流参数化在不同水平分辨率下影响模式模拟的效果,因此对利用RIEMS模式进行数值模拟应考虑不同水平分辨下积云对流参数化方案的适用范围.     

Sensitivity of Tropical Cyclone Intensity and Structure to Planetary Boundary Layer Parameterization

The advanced weather research and forecasting model is used to investigate the influence of planetary boundary layer (PBL) processes on intensity and structure of the storm Phailin (2013). Five simulations are conducted with five PBL schemes; Yonsei University (YSU), Mellor?Yamada?Nakanishi?Niino order2.5 (MYNN2), Assymetric Convective Model2 (ACM2), Medium Range Forecast (MRF), and Bougeault and Lacarrere (BouLac). The simulation duration includes the pre???intensification and rapid intensification phase of Phailin before landfall. Results indicate that during the pre???intensification phase, storm’s track and intensity are not much sensitivity to PBL but structural changes are noted. A significant sensitivity of track and intensity to PBL parameterizations are found during rapid intensification phase. BouLac and MRF produced two extremes with 39 hPa intense and 16 km compact storm for BouLac than MRF. Further analysis reveals an outward movement of air parcel just above the boundary layer which causes spin-down for YSU and MYNN2. BouLac is associated with stronger eddy diffusivity and moisture fluxes within the boundary layer and stronger cyclonic vorticity just above the boundary layer than other experiments. Stronger cyclonic vorticity above the boundary layer in BouLac favors intense updraft, facilitating more moisture transport from the boundary layer to upper layers aiding stronger secondary circulation and robustly intensifying the storm. A relatively deeper and drier inflow layer associated with weaker cyclonic vorticity just above the boundary layer reduces the moisture transport and weaken the secondary circulation for MRF than others.     

热带气旋频数的二次型预测模型

使用1951—2005年北半球500 hPa高度场格点资料、1949—2005年海温场 (SST) 格点资料, 计算与后期热带气旋发生频数的相关系数, 分析两个相关场显著相关区的统计特征, 进一步分析其天气气候学意义和物理意义。选取若干相关系数高的格点, 构成组合因子, 建立二次型曲线预测方程, 进行西北太平洋、南海及登陆我国、登陆广东的热带气旋年月频数的预测。预测试验和检验表明, 二次型预测模型有较高的拟合能力, 在业务应用中有较好的效果。     

不同深对流参数化方案在降水预报中的比较试验

用中尺度模式（ＭＭ５）与国家气象中心全球谱模式相嵌套,对华东地区２７个测站两个月（１９９７年３月和７月）的降水预报,进行了３类深对流参数化方案的比较试验,发现不同深对流参数化方案对降水预报质量的影响存在一定的差异,而且这种差异在７月份要比３月份明显。     

On Sea Surface Roughness Parameterization and Its Effect on Tropical Cyclone Structure and Intensity

A new parameterization scheme of sea surface momentum roughness length for all wind regimes, including high winds, under tropical cyclone (TC) conditions is constructed based on measurements from Global Positioning System (GPS) dropsonde. It reproduces the observed regime transition, namely, an increase of the drag coefficient with an increase in wind speed up to 40 m s-1 , followed by a decrease with a further increase in wind speed. The effect of this parameterization on the structure and intensity of TCs...