热带气旋的内、外区结构──Ⅰ.正压模式

将热带气旋分为内外两区，两区的空间、时间及物理量有不同的尺度，应用尺度分析和摄动法到热带气旋的两个区域，分别在正压模式和斜压模式中求得了这两个区域的控制方程，在两个模式中，还解析地求得了两个区域的流场和气压场，得到的结果与实际热带气旋的结构较为接近。研究表明，热带气旋内区和外区有不同的控制方程，内区受旋转风和一个演化方程制约，而外区受梯度风和另一个演化方程制约。     

热带气旋的内、外区结构──Ⅰ.正压模式

将热带气旋分为内外两区，两区的空间、时间及物理量有不同的尺度，应用尺度分析和摄动法到热带气旋的两个区域，分别在正压模式和斜压模式中求得了这两个区域的控制方程，在两个模式中，还解析地求得了两个区域的流场和气压场，得到的结构与实际热带气旋的结构较为接近。研究表明，热带气旋内区和外区有不同的控制方程，内区受旋转风和一个演化方程制约，而外区受梯度风和另一个演化方程制约。     

基于气候系统模式FGOALS-g2的热带气旋活动及其影响的动力降尺度模拟

热带气旋是气候模拟关注的重要对象,但是,由于当前的气候系统模式分辨率较低,难以合理再现热带气旋分布特征,因此,动力降尺度就成为一种有效的手段。本文使用区域气候模式RegCM3,对中国科学院大气物理研究所气候系统模式FGOALS-g2的模拟结果进行动力降尺度,基于热带气旋路径追踪法,从热带气旋的路径、强度和降水三个方面,检验了动力降尺度在热带气旋模拟能力上的增值。结果表明,动力降尺度结果大幅提升了热带气旋路径频率的模拟,较之全球模式,其与观测的路径频率分布的空间相关系数从0.57提升至0.74;区域模式模拟的热带气旋强度与观测更为一致,全球模式难以模拟40 m s?1以上风速的热带气旋,区域模式能够模拟风速为60 m s?1的热带气旋;在热带气旋降水方面,降尺度后的热带气旋降水贡献率和平均热带气旋降水强度均有所改善,在西北太平洋区域较之全球模式,区域模式将热带气旋降水贡献率和降水强度提高了10%和4.7 mm d?1。动力降尺度后TC（tropical cyclone）的模拟技巧得到提升的区域为西北太平洋区域,但在中国南海区域,技巧提升的不显著甚至有所下降。关于动力降尺度结果在西北太平洋区域的技巧提升,分析表明能够更好体现CISK（Conditional Instability of the Second Kind）机制是主要原因,区域模式模拟的水汽增多、正涡度增强、上升运动增强而垂直风切变减弱都有显著贡献。     

登陆热带气旋暴雨的中小尺度特征及热带气旋环流内部不同尺度系统的相互作用

本文根据17个登陆热带气旋的GMS云图、雷达回波照片、常规气象资料和116个气象台站每小时的自记雨量,分析了登陆热带气旋暴雨的时、空尺度以及暴雨落区,揭示了热带气旋暴雨的中小尺度特征和暴雨强度变化中的中尺度振荡,概括出热带气旋环流内部不同尺度系统的两种相互作用。最后还就一实例作了较详细的分析。      

内核及外围尺度与热带气旋强度关系的初步研究

基于日本气象厅（JMA）区域谱模式（RSM）20 km分辨率的再分析资料,计算并统计了2001—2007年西北太平洋热带气旋逐6小时（共2 174个样本）的内核及外围尺度特征,初步分析了内核及外围尺度分别与热带气旋强度变化的关系。结果表明,外围尺度的增大（减小）有利于热带气旋的增强（减弱）;内核区较大（最大风速半径大于120 km）时,内核区的收缩（放大）有利于热带气旋的增强（减弱）;对于较小（最大风速半径不足120 km）内核区的热带气旋,其内核区的收缩（放大）反而易使热带气旋减弱（增强）。      

热带气旋生成过程的中尺度涡旋活动数值模拟

热带气旋生成过程中包含不同尺度环流及其相互作用。为此,本文将热带气旋生成数值模拟的起点提前到模拟中尺度涡旋(MCV)的生成,从而利用高分辨率数值试验结果,对热带气旋过程中的不同尺度涡旋活动进行分析。模式首先模拟了季风涡旋的东南侧增强的西南气流中出现低形变旋转性扰动,随着扰动的旋转性增强,中层出现水平尺度为200 km左右的MCV。在扰动区内的不同高度上还发现10~20 km尺度不等的中γ气旋性涡旋扰动,其中部分涡旋扰动具有热塔的特征,中γ气旋性涡旋扰动在MCV的旋转环境内不断组织化,低层气旋性涡旋扰动的分布比中层更加集中。模拟表明这些较小尺度的气旋性中尺度涡旋扰动对热带气旋的生成有重要作用。     

应用于斯里兰卡和印度半岛南部风暴潮和海流模拟的有限差分方法

风暴潮预报是流体力学中一个著名的问题。本文描述了一个用有限差分方法的沿海地区数值模式，该模式已被用于在斯里兰卡和印度半岛南部沿海由热带气旋产生的风暴潮预报。我们以１９６４年的Ｒａｍｅｓｗａｒａｍ气旋、１９９２年的Ｔｕｔｉｃｏｒｉｎ气旋的强迫风应力分布为代表作了两次风暴潮模拟试验，试验结果都与记录的相应最大潮位非常吻合。     

多个热带气旋相互作用对南海热带气旋异常路径影响的数值模拟研究

本文利用数值预报式来研究可能造成南海热带气旋异常路径的一个因子，即多个热带气旋之间的相互作用。这里所说的热带气旋相互作用不是指通常所说的两个热带气旋很靠近时的相互吸引（排斥）或旋转这一类涡旋间的直接相互作用，而是指相隔远距离的热带气旋门，通过改变环境流场而造成的间接影响。所选的例子是位于南海的9009号热带气旋（Tasha）。与它同时存在的热带气旋中9008（Steve）与9010（Vernon）。先作了这次多个活动的数值预报试验，以判断模式的预报能力，然后通过有控制地改变9008与9010号热带气旋的参数，来考察这两个热带气旋活动对9009号热带气旋的路径的影响，并对这种影响的机理作一定的诊断分析。     

西北太平洋热带气旋快速增强阶段的风速分布特征

利用联合台风预警中心的最优路径（best-track）资料,筛选出西北太平洋地区快速增强和非快速增强两类热带气旋样本。利用美国国家海洋与大气管理局（NOAA）的多平台热带气旋表面风分析资料,对比分析了两类样本的风速和涡度的分布特征。结果显示,快速增强的热带气旋样本通常结构更紧凑,最大风速较大,最大风速半径较小,台风内区的风速较大。在涡度上表现为快速增强热带气旋样本内区的涡度和涡度梯度较大。对两类样本进行t检验,结果显示两类样本内区的切向风差异明显,说明热带气旋的内区风速分布与其发展之间存在密切联系。其物理机制可能是:当存在较大的内区涡度梯度时,涡度隔离机制有利于对流单体向涡旋中心汇聚,此外较大的涡度意味着较大的惯性稳定度,有利于非绝热加热向热带气旋动能的转换,二者共同作用有利于热带气旋的快速发展。      

双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究 II:数值模拟

在本文第Ⅰ部分关于双热带气旋相互作用物卵机制分析的基础上,利用正压原始方程模式对,平面上无大尺度环境流场情况下双热带气旋的相互作用进行了数值模拟研究,重点考察了双热带气旋水平流场相互作用的次级环流机制,文[1]中所提出的双热带气旋相互作用的临界距离效应概念在模式中得到了验证.同时通过模拟还发现,双热带气旋的联合强度越强、中心间距越小,则互旋越快;对于相互吸引的双热带气旋而言,合并后范围有所扩大,强度有一定的加强,并且较强的两个热带气旋比一强一弱的两个热带气旋维持的时间要长、较难于合并.这些结果与实际双热带气旋相互作用的观测事实极为一致.     

双热带气旋相互作用的机制分析及数值研究 Ⅱ:数值模拟

在本文第Ⅰ部分关于双热带气旋相互作用物卵机制分析的基础上,利用正压原始方程模式对,平面上无大尺度环境流场情况下双热带气旋的相互作用进行了数值模拟研究,重点考察了双热带气旋水平流场相互作用的次级环流机制,文[1]中所提出的双热带气旋相互作用的临界距离效应概念在模式中得到了验证.同时通过模拟还发现,双热带气旋的联合强度越强、中心间距越小,则互旋越快;对于相互吸引的双热带气旋而言,合并后范围有所扩大,强度有一定的加强,并且较强的两个热带气旋比一强一弱的两个热带气旋维持的时间要长、较难于合并.这些结果与实际双热带气旋相互作用的观测事实极为一致.     

一种基于多物理量阈值定义的热带气旋生成预报方法及在ECMWF全球模式中的应用验证

对于热带气旋的路径与强度预测,数值天气预报模式提供了相当有用的参考或指导预报。为进一步了解数值模式对掌握热带气旋生成的特性,基于近年国内外对热带气旋生成预报的研究结果,构造了一套热带气旋生成的多阈值组合判据系统,并利用该判据和ECMWF模式资料对2013—2015年于西太平洋海域生成的热带气旋进行了预报试验。结果表明,对于热带气旋生成的判据,使用不同百分位的历史统计阈值会对预报效果造成显著影响。在特定区间对某个物理量阈值进行合理的调整可以有效改善预报效果。在西太平洋海区,850 hPa相对涡度阈值的微幅调整对结果的影响最为敏感。最优阈值组合方案的预报命中率检验结果表明,在数值模式起报时间为低压生成时间的前12~72小时时效曲线上,24和48小时时效是拐点,24小时时效之前,命中率基本维持在0.7以上的高位,随预报时间的降幅很小;之后预报质量陡降,48小时时效后预报效果趋向稳定。此外,不同年份的预报效果存在明显差异。在西太平洋不同海域,ECMWF模式对热带气旋的生成预报质量差异明显。菲律宾以东的洋面在不同起报时间的预报能力明显高于南海海域。西太平洋海区存在两个明显的高错报率区域:一个位于南海中、北部至菲律宾群岛近海,一个位于西太平洋中部。在不同大洋之间,ECMWF模式的热带气旋生成预报性能也存在显著分别。起报时间在热带气旋生成前24小时内,西太平洋海区对热带气旋生成的预报要明显优于大西洋海区。     

基于历史资料的热带气旋大风定点预报及检验

热带气旋是沿海地区最具破坏力的自然灾害之一。研究近海热带气旋对深圳三个重点港湾码头站的定量阵风预报。在前人研究的基础上,除了考虑热带气旋强度、热带气旋相对于气象台站的距离、方位角等热带气旋特性因素外,进一步详细分析了热带气旋尺寸对热带气旋引发重点区域的定点阵风预报影响。研究使用2014年以前的港湾码头站在热带气旋影响期间的小时极大风观测记录与各热带气旋特性因素建立预报模型,用2015—2018年的14个近海热带气旋对港湾码头站的小时极大风影响来检验预报模型的实用性。结果发现在进一步考虑了热带气旋尺寸因素对热带气旋引发定点大风影响后,预报模型可以精准地预报重点区域的最大阵风值,其预报结果可为行业气象风险评估提供有价值的参考。      

关于热带气旋尺度变化机制的初步分析

应用小参数方法和缓变波包理论分析了热带气旋尺度变化的主要原因。分析指出：热带气旋尺度变化主要决定于其内部要 通常的热带气旋内惯性性重力波由中心外传播的情况下，当层结稳定度和惯性稳定度参数随着离中心的距离增加而增加时，热带气旋尺度增加，它可以称为热带气旋“膨胀”；而当层结稳定度和惯性稳定度参数随着离中心的距离增加而减小时，热带气旋尺度减小，它可以称为热带气旋“收缩”。     

1994年8月亚洲季风区水汽的源汇分布和输送

用正压原始方程模式,对热带气旋穿越副热带高压的异常路径进行了数值试验,揭示出热带气旋自身特征及其与副高中心的经向距离、副高的位置和强度变化是直接影响热带气旋移动路径的敏感因子。也反映出热带气旋与其邻近的天气尺度的副热带高压以及β效应三者之间非线性相互作用的复杂机制。     

云迹风在热带气旋路径数值预报中的应用研究

通过一系列四维变分同化试验对GMS5卫星资料反演的云迹风资料在西北太平洋热带气旋的初始化及路径数值预报中的作用进行研究,同化资料为中国国家卫星气象中心提供的GMS5水汽和红外云迹风资料,其中70%在400hPa以上,50%集中在200～300hPa。应用美国NCAR/PSU中尺度模式MM5及其四维变分同化系统,同化窗口为6h,对初始时刻和6h后的云迹风进行同化。同化前对云迹风资料进行了简单的类似ECMWF初值检验方法的质量控制。对2002年8个西北太平洋热带气旋共进行了22组试验。结果表明,采用四维变分同化技术同化云迹风对热带气旋路径预报有一定改善,12,24,36和48h预报的平均距离误差分别降低5%,12%,10%和7%,但同化云迹风的作用与初始气旋强度有关。选择初始中心海平面气压960hPa作为强、弱气旋的分类标准,则11个较强气旋平均路径误差12h减小了13%,12h以后的预报误差减小率维持在20%以上。而对于11个较弱气旋,平均路径误差反而略有增加,说明同化云迹风资料对不同初始强度的气旋作用也有所不同。其主要原因是由于强度较强的热带气旋往往具有较为深厚的垂直结构,因此受高层大气流场的影响更明显;同时,较弱热带气旋的云迹风观测相对稀少且凌乱,并且更容易受环境气流的影响,因此对于较弱的热带气旋,当模式变量与模式或变量之间在同化后不够协调的话,就会产生负效应。     

云迹风资料在热带气旋移向预报中的应用

利用云迹风并结合实测风,从涡度方程出发,对１９９８年南海和西太平洋的几个热带气候进行诊断计算。结果反映,涡度局地变率ｅ↓ζ／ｅｔ对热带气旋移动有指示意义,它既可批示热带气旋正常路径,在引导气流不明显的情况下,也能对气旋的转折路径有较明显的反映,气旋常朝涡度局地变率最在的方向移动。当热带气旋周围有数个ｅ↓ζ／ｅｔ中心时写和提交 矢量合成法确定了气旋的最大可能移动方向。此外,玷如引导气流一样,热带气旋     

非对称环流的细致结构与台风路径的摆动

应用准地转三层斜压模式数值模拟热带气旋的移动，详细分析热带气旋非对称环流的三度空间结构及其与热带气旋移动的关系。结果表明：非线性涡度平流与线性β项相结合不但可以产生大尺度β涡旋对，而且还可产生小尺度涡旋对；这两种不同尺度的非对称涡旋不断相互作用，导致热带旋移速的振荡和移向的摆动。     

热带气旋运动与外围气流的关系

很早以前人们就观察到热带气旋的运动在很大程度上,是沿气旋外围的天气尺度气流而运动的。这些观测结果导致了气旋运动的引导气流理论。似乎可以将热带气旋看作是埋置在气流内的点涡,因此其中心运动的方向及速度可用其外围风的方向和速度或横过气旋的气压梯度或高度梯度近似表示。气旋外围的风向风速与气旋运动有最好相关的那一层被称之为引导层。根据这一理论,许多热带气旋路径预报方法得到了发展。例如锐尔等人。这些方法的详细介绍,可参见《世界气象组织热带气旋计划报告》(1979)。尽管不同的预报方法采用不同的引导层,但一般都认为对流层中层(700及500mb)对于预报热带气旋运动是最好的引导层。采用对流层上部的风和高     

QuikSCAT洋面风资料及其在热带气旋分析中的应用

QuikSCAT洋面风场资料可以提供海面上10米的风场信息，为热带气旋的进一步监测与分析提供帮助。通过对QuikSCAT洋面风轨道资料再处理和精度检验，国家卫星气象中心生成了更高分辨率的格点风场数据。通过洋面风资料对近年编号热带气旋的辅助分析实验，分析总结了洋面风资料在热带气旋定位、定强、发展趋势以及大风分析中的一些应用方法。结果表明：尽管存在一定误差，QuikSCAT洋面风场资料可以有效校正海上热带气旋特别是弱热带气旋的定位和定强偏差，反映热带气旋大风区的分布和低层环境流场，为进一步推断热带气旋的发展和移动趋势提供帮助。