热带气旋“Malakas”与中纬度系统的相互作用及其结构变化

本文利用中尺度数值模式WRF和LAGRANTO轨迹模式对2010年变性台风"Malakas"进行数值模拟和轨迹分析,分析了Malakas在变性过程中与中纬度系统的相互作用,以及在相互作用过程中Malakas的结构变化特征。结果表明:Malakas变性过程经历了三个阶段:(1)高层扰动加强期,高层的正位涡产生的气旋性环流使低层Malakas中心北部的斜压带西侧产生负的温度平流,表现为冷空气的入侵;(2)Malakas和中纬度系统相互作用时期,台风北上导致斜压带出现,深对流的爆发使低层暖湿气流沿着斜压带上升,快速上升气流中的潜热释放导致低PV空气向对流层上部净输送,在其北部高层重新构建出一个脊;(3)Malakas变性成温带气旋,残存的台风内核与斜压带逐渐合并,负的位涡平流带着非绝热外出流驱动了下游最初脊的构建,加速并且固定了中纬度急流,并整体放大了上层Rossby波模式。     

台风登陆前后雨带断裂与非对称降水的成因分析

利用美国WRF(Weather Research Forecast)模式对“海棠”台风(0505)登陆前后的雨带变化进行分析和模拟试验。结果显示：台风登陆前后其雨带会产生断裂,这种现象可发生在陆地和海上,使非对称降水更加明显。分析得出雨带断裂不仅与地形有关,而且与高层台风环流和中纬度系统的相互作用有关：台风登陆前后,200 hPa南亚高压和台风外围的辐散气流结合形成在台风西北方向的弱倒槽,台风中心西侧及西北侧的中低层辐散流场稳定维持,使高层气旋性流场加强,与气旋性流场相伴的正涡度一部分随气流逆时针旋转,并逐步平流至台风中心附近的正涡度区形成一个沿22～25 °N的正涡度输送带并延伸至台风中心东部,而中心东部高层的正涡度带中有下沉运动,不利于降水发展而导致雨带断裂是非对称降水的主要原因。高层台风的带状涡度向外围的传播可导致中纬度气旋性环流的进一步加强和正涡度向台风输送的加强,使雨带断裂更加明显。     

登陆台风变性过程的物理机制分析

0509号台风“Matsa”和0712号台风“Wipha”,均在中国大陆发生变性成为温带气旋。但前者变性后再度加强,后者变性后减弱消亡。用日本JRA25再分析资料,对其变性过程对比分析。表明：“Matsa”和“Wipha”均是在登陆后北上与中高纬西风槽相互作用的过程中,受到冷空气入侵后变性,从垂直对称分布演变为倾斜的非对称分布,且在北上过程中与中纬度高空锋区作用,但“Matsa”中心嵌入中纬度高空锋区,有再加强过程;而“Wipha”仅外围环流与锋区接触,中心未进入锋区,无再加强过程。通过对大气稳定度和垂直螺旋度等进一步分析表明：“Matsa”变性过程是系统性冷空气的南侵,而Wipha的变性只有弱冷空气的入侵;台风中心所在的垂直涡度ζ_p的增长大值区是否落在△θ_e<0的大气对流性不稳定的区域内,对台风变性后是否再加强有一定影响。此外,垂直螺旋度的高低空配置及正涡度柱与上升运动的相互配合是使台风变性加强的重要因素。     

中低纬度环流系统的相互作用及其暴雨特征的模拟研究

利用MM5模式分别模拟了台风、中纬度西风槽对台风远距离槽前降水的影响.试验结果表明,(1)台风的强度影响了台风东侧东南急流向中纬度槽前的水汽输送.低层水汽输送,造成中纬度暴雨区强水汽辐合和不稳定能量积聚,故槽前降雨的强度与其南方台风东侧的水汽输送有着相当密切的关系.(2)中纬度西风槽提供了有利于台风远距离降水的大尺度背景场.西风槽的存在,有利于垂直运动的发展和维持,有利于降雨的产生和发展.模拟结果表明,槽的加强和减弱将会相应地造成中纬度暴雨区的加强和减弱.     

Winnie(1997)和Bilis(2000)变性过程的湿位涡分析

9711号台风Winnie和0010号台风Bills均在中国大陆发生变性,但前者变性后再度加强,而后者变性后减弱消亡。从湿位涡理论出发,对比分析两者的变性过程,结果表明：作为变性台风,Winnie和Bilis均在北上过程中与中纬度西风槽发生作用,但前者与高空槽发生耦合,后者仅接近高空槽底部,没有发生耦合;Winnie变性加强过程表现为一个温带气旋在低层锋区上的强烈发展过程,主要与高层正位涡扰动下传、低层锋区及热带气旋低压环流之间的相互作用有关。Pm湿斜压项增长引起的倾斜涡度发展是登陆热带气旋变性加强的主要因子。在Bills变性过程中,高层无明显的正位涡扰动下传,热带气旋低压环流内无锋区面出现,大气斜压性弱且变化不明显。     

热带气旋的温带变性过程对中纬度下游环流的影响

用WRF模式对变性台风(TC)马勒卡进行模拟,研究了在台风的变性过程(ET)的作用下中纬度下游环流特别是中纬度急流的发展,对台风的强度及其相对上游槽位置的敏感性。结果表明:TC与中纬度系统的相互作用会使得中纬度急流处的斜压不稳定性增大,急流增强。下游环流的发展对TC强度及TC与西风带上游槽的相对位置非常敏感。若TC增强,TC溢出流作用于中纬度急流,使之不稳定性增强,强度也增强,从而导致中纬度下游急流的强度、范围都增强,下游槽脊更显著。若台风减弱则反之。类似的,若TC靠近上游槽,其对中纬度急流的作用得到进一步加强和提前,急流的不稳定性增加,强度增强,下游的急流和槽脊也得到增强。若TC远离上游槽,则反之。     

台风“Chanchu”变性过程位涡及锋生特征分析

利用非静力中尺度WRF模式输出的0601号"Chanchu"台风模拟资料分析了台风变性过程中的结构演变特征,并从位涡的角度,利用湿位涡方程对"Chanchu"变性过程中强度减弱但却能引发强风暴雨的原因进行了探讨。分析表明:台风在变性过程中,尺度逐渐增大并与东移南下的高空槽不断接近,在与高空槽相互作用之前,台风眼壁及外围雨带雷达回波减弱,最大风速减小,最大风速半径圈向外拓展;高低层位涡相接之后,由于高层正位涡的下传携带冷空气侵入台风,在低层锋区上诱发出气旋性环流,进而重新引发强对流,并在角动量的输送作用下,台风外围环流风速再次增大。变性后高空槽和台风在位相上仍有一定距离,高空槽仅与台风的外围环流相互作用,冷空气没有入侵台风内部,这是"Chanchu"没有重新加强的原因之一。利用锋生函数对引起锋生的各分量进行分析,结果显示非绝热加热是造成锋生的主要原因,散度和变形项的贡献次之,倾斜项对锋生几乎没有贡献。     

台风Matsa(2005)和Wipha(2007)变性过程对比分析

利用日本气象厅热带气旋年鉴资料和JRA-25再分析资料,对0509号台风Matsa和0712号台风Wipha变性过程进行了对比分析。结果表明,台风Matsa和Wipha均是在我国登陆后转向东北方向运动过程中发生变性,但Matsa嵌入中纬度高空锋区,变性为温带气旋后有再加强过程,而Wipha仅外围环流与锋区接触,变性为温带气旋后无再加强过程。通过等熵面位涡分析进一步表明,Matsa变性加强表现为高层正位涡与低层暖平流的耦合,以及高层正位涡下传至中低层;Wipha的变性过程中,高层正位涡并未与低层暖平流耦合,高层正位涡无明显的下传。     

副热带高压对登陆台风影响的数值模拟研究

中国登陆台风多发于夏季,尤其对于登陆后继续北上深入内陆的热带气旋,逐渐与其所处的中纬度环境场发生相互作用,强度衰减缓慢甚至再次发展,且伴随有台风动力、热力结构的转变(ET过程).同时,夏季多伴有副热带高压的活跃与西伸趋势,然而该系统与台风之间相互作用的物理机制仍不十分清楚,这已成为提高台风预报能力的主要障碍之一.文中选取1997年第11号台风"温妮"为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.采用Davis等提出的片段位涡反演方法,改变模式积分初始时刻台风东部副热带高压强度,通过数值模拟与诊断分析的方法,深入研究不同强度副热带高压系统对台风陆上维持、变性和发展的影响.研究表明,副热带高压强度的加强加快了台风中心的北移速度,冷空气提前下沉入侵台风中心,加快台风的变性,配合暖气团的强迫抬升激发强烈的对流层中高层锋生,台风变性后冉次加强幅度增大.副热带高压强度的改变直接影响台风中心上空高空形势,而后者与台风强度的变化有较好的相关性.     

1215号“布拉万”台风暴雨及降水非对称性分布的成因分析

利用中尺度非静力模式WRF对2012年第15号台风“布拉万”在中国东北地区造成的暴雨过程进行了数值模拟,结合观测资料对模拟结果进行了验证,利用模式输出的高分辨率资料,对“布拉万”台风造成的强降水及其非对称性分布的成因进行了诊断分析。结果表明,模式很好地再现了台风登陆过程中的路径、强度变化和降水分布,受中纬度西风槽带来的干冷空气影响,“布拉万”台风登陆后的降水和环流结构具有明显的不对称性,降水主要集中在台风中心西北侧的能量锋区附近。水汽散度通量和水汽螺旋度能够较好地描述强降水过程的发生、发展及其非对称性分布的时空特征,在强降水区,水汽散度通量表现为正值强信号,而水汽螺旋度表现为负值强信号,在非降水区和弱降水区,两者均表现为弱信号。等熵位涡分析显示,对流不稳定只是此次台风暴雨前期和初始阶段的不稳定条件,而湿位涡(MPV)的湿斜压项(MPV₂)则是暴雨增强和出现非对称性分布的主要机制。在暴雨形成过程中,由于冷空气侵入造成了在台风环流西北侧湿等熵面的陡立倾斜和水平风垂直切变的增强,导致了气旋性涡度的显著增强,气旋性涡度增强造成的强烈上升运动将降水区东南侧输送过来的暖湿空气向上输送,从而导致了暴雨的发生,这其中条件性对称不稳定是降水得以加强的一种重要不稳定机制。     

闽南地区酸雨特征与其影响天气系统的统计分析

使用WRF有限区域模式对2002年第5号台风(Rammasun)减弱后在长白山脉诱生新涡旋产生复合系统的过程进行了60h的模拟。通过对模拟结果的倾斜涡度发展分析,揭示了当减弱的热带气旋移近较高大山脉时,通过与环境场的相互作用可以使空气产生沿倾斜等熵面的下滑运动。在此基础上,热带气旋减弱引起的风的垂直切变的改变可以引起垂直涡度的发展从而诱生新的涡旋中心。     

干冷空气活动对超强台风“桑美”(2006)近海突然增强影响的数值模拟研究

利用中尺度模式WRF V2.2对超强台风“桑美”(2006)进行数值模拟,在模式较好地模拟出台风路径和强度及其近海突然增强过程基础上,分析在“桑美”近海突然增强过程中,环境场中的干冷空气在湿度场和温度场上的表现特征以及对近海台风突然增强的作用及其可能机制。结果表明:“桑美”在近海突然增强与环境场中干冷空气活动密切相关,高时空分辨率的FY-2C气象卫星水汽图像可以形象地揭示出台风发展演变过程中干冷空气的发展演变特征,干冷空气在高层的范围和强度明显强于中层。随着“桑美”西北侧的干冷空气不断靠近台风环流,台风在近海发展加强;而随着“桑美”西南侧干冷空气逐渐逆时针卷入台风环流,台风开始减弱。干冷空气沿着等熵面由高层向中层、由高纬向中低纬入侵,在“桑美”北上时,两者发生相互作用,“上干下湿”的层结分布,有利于台风增强。干冷空气与沿西北向移动的暖湿台风环流系统发生相互作用,干冷空气及其穿越等熵面的下沉运动所产生的冷平流效应有利于台风发展;干冷空气随着等熵面高度的下降出现明显西倾,有利于台风发展。      

高空槽对9711号台风变性加强影响的数值研究

9711号台风Winnie是一个在中国大陆长久维持(2—3 d)并产生强降水的热带气旋(TC),在其深入内陆过程中变性加强为一个温带气旋。用MM5V3对不同强度高空槽影响下Winnie的变性加强过程进行了数值研究。结果表明:(1)Winnie变性加强过程表现为强锋面侵入台风内部、冷空气包裹台风中心、一个温带气旋在近地层锋面上强烈发展的过程;(2)Winnie在陆上的变性加强与西风带高空槽的强度密切相关。TC与不同强度高空槽相互作用过程中,较深槽携带较强冷平流、正涡度平流以及较强的槽前高空辐散,从而有利于TC的维持和变性发展。数值试验中,高空槽越强,Winnie变性加强越明显,温带气旋的发展越快;(3)模拟结果的位涡分析表明,Winnie的温带变性发展与对流层高层正位涡下传、低层锋区和TC低压环流三者之间的相互作用有关。     

双TC和梅雨锋共同作用下的一次暴雨过程分析

通过NCEP再分析资料计算各种物理量和应用卫星云图、雷达资料,并用WRF中尺模式做数值模拟,从动力过程、水汽输送过程、中小尺度系统等3个方面对TC和梅雨锋共同作用在浙北产生的一次暴雨过程进行分析。结论如下:(1)动力过程特点:300 hPa急流出口区辐散,中层3支气流汇合形成变形场锋生,产生强烈上升运动。低层TC外围的东南气流输入暖平流和湿位涡,使海上台风倒槽向北传播发展,最终形成气旋。TC高层流出气流对梅雨锋南侧垂直环流的维持有利;(2)水汽主要由两个TC外围的环流输送;(3)卫星云图和雷达回波显示有不同的降水云团合并且有加强的过程。用WRF中尺模式做数值模拟显示:700 hPa中小尺度的切变线或辐合区与强降水回波相对应。过程主要特点是中低层两个TC外围的气流与西风带气流在华东地区汇合,形成变形场锋生,产生强烈的辐合上升。在不同的气流汇合后产生了强急流输送水汽,加强垂直环流和中小尺度的辐合,是强降水产生的主要原因。西南季风经过台风绕流后在合适的环境场下仍有可能到达华东地区,这时往往与中纬度西风带汇合,在这种情况下会加强梅雨降水。     

冷空气影响辽东半岛热带气旋降水的数值试验

Matsa（0509）是直接登陆辽东半岛的变性台风,利用MM5v3模式对2005年8月8~9日在山东半岛和辽东半岛发生的暴雨过程进行模拟,并通过敏感试验研究冷空气对辽东半岛热带气旋降水的影响。结果表明:冷空气入侵热带气旋外围,对辽东半岛地区对流云团的强度、上升运动及其降水具有明显的增强作用。对流层中下层弱冷空气和对流层中上层较强冷空气的作用,使辽东半岛地区的回波强度和上升运动明显加强,有利于半岛地区暴雨增幅,其中对流层中上层较强冷空气对辽东半岛暴雨的作用显著。无冷空气影响或对流层中下层强冷空气作用时,辽东半岛上空的上升运动和回波强度明显减弱,强对流维持时间短,半岛地区的降水量明显减少。     

夏季陆地爆发性气旋的模拟与诊断分析

利用观测资料、FY-2C卫星云图和NCEP再分析资料,对2003年6月22—23日黄河下游的气旋爆发性发展过程进行天气学分析和中尺度数值模拟与诊断,研究这次爆发性气旋的发展特征。结果表明：河套高空槽东移与山东南部的切变线合并产生这次爆发性气旋。MM5数值模式可以很好地模拟夏季陆地爆发性气旋发展过程。夏季陆地爆发性气旋发生在与高度场气旋性弯曲相重合的高空急流出口区,气旋从急流出口区右侧向左侧行进的过程中爆发性发展。气旋爆发性发展需要高空有急流,低空有西南和东南风急流为其提供强的暖平流和水汽通道。气旋的爆发性发展伴随着上升运动强烈发展,上升运动区高层强辐散、低层强辐舍。气旋爆发性发展在高能场中,大气具有强对流性不稳定。     

"泰利"台风低压大暴雨过程分析和数值模拟试验

利用NECP1o×1o的6h分析资料和常规观测等资料,对2005年9月2～4日“泰利”台风低压引发的大暴雨过程的不同尺度的天气系统进行了分析,并用非静力中尺度数值预报模式MM5v3.7进行了数值模拟。结果表明,这次大暴雨天气是在和强大稳定的大陆副高与西太平洋副高、中纬度西风带低槽及其引导从地面南下的冷空气、台风低压和台风倒槽、中尺度对流系统相互作用下发生发展的;深厚的强上升运动及其释放的大量潜热是大暴雨维持的重要机制;模式比较成功地模拟了发生在大地形迎风坡下的大暴雨,而对发生在庐山这种范围很小且陡峭地形下的特大暴雨,则模拟降水量偏小。     

2022年8月南海典型空心台风“木兰”的诊断分析及高分辨率模拟

利用站点观测、FNL分析数据和融合降水等多源资料,对2022年8月南海空心台风“木兰”的特征及成因开展系统的诊断分析,结果表明“木兰”属于南海的季风低压发展而成的弱台风,具有季风低压的特征,整个台风过程无明显台风眼,前期气旋环流中有多个小环流。虽为弱台风,但其东北侧的低空东南急流配合南海充沛的水汽输送,以及陆地局部的强对流活动,造成了我国广东、广西和云南南部等地的大风和暴雨天气。使用中尺度模式WRF开展分辨率为9 km和3 km的嵌套模拟,结果显示模式能合理再现“木兰”的环流结构特征和演变过程,但模拟的副热带高压南侧季风槽偏强,风速偏大。模式模拟的台风路径与观测整体上较为吻合,与FNL分析资料的结果相比,WRF对降水量的模拟有显著改进,此外,WRF模式分辨率的提高可降低模拟降水的误差。     

一次台风大暴雨成因及落区分析

对2007年9月19日到20日一次台风暴雨过程进行了数值模拟,利用模式输出资料具体分析了本次台风登陆减弱后的低压结构特征和大暴雨落区。结果表明:流场上高空辐散低空辐合特征明显,台风右侧来自海洋的低空潮湿偏南气流向中纬度槽前和台风倒槽前部输送的大量水汽在鲁东南东部和山东半岛南部辐合,形成强降水区;台风中心风速较小,和东部海上强风速中心形成明显"风速偶",降水区主要发生在中、低层"风速偶"之间的强风速梯度中。由于下垫面分为海上和陆上两部分,台风低压物理量场结构存在东西不对称性质,上升运动更加强烈,降水强度更大。降水的增幅与高空东南急流及高空正涡度中心和负散度中心的明显脉动下传有关系。     

台风狮子山与中纬度系统相互作用所致暴雨成因分析

使用常规观测资料和NCEP FNL的1.0°×1.0°气象再分析资料,对2016年第10号(简称1610号)台风"狮子山"北上与中纬度系统相互作用在中国东北地区引发暴雨过程进行追踪和诊断分析,探究此次暴雨天气发生、发展的动力学、热力学和不稳定机制。分析结果表明:东北地区的强降水先后由西风带低涡和台风"狮子山"2个系统活动造成。在2个气旋逐渐接近过程中,台风东北侧的东南急流把海上的热量和水汽向低涡环流输送,在倒槽切变处辐合抬升,产生暴雨。大暴雨区位于倾斜锋区附近,对流稳定,中层存在湿对称不稳定,有利于加强降水强度。东北地区东部处于高空急流核右后方和低空急流核前方,高、低空急流耦合的区域,使高层强辐散和低层强辐合叠置,加强了暴雨区的上升运动,从而加强了降水强度。地形对暴雨有增幅作用。