南海台风风暴潮数值模拟及其对气象强迫场的敏感性试验

基于FVCOM建立一个南海台风风暴潮与天文潮耦合数值预报模型。在模型的驱动场中加入模型风场与EC0.25 °业务化细网格预报风场融合而成的“组合强迫场”,该方法可提高对台风外围影响岸段的风暴增水及单站先兆增水的模拟精度。利用该模型对2007年9月的天文潮和0814号“黑格比”台风风暴潮过程进行模拟,选取的8个沿海验潮站的平均绝对误差为18.92 cm,平均相对误差为13.33%,对“黑格比”台风过程的最大增水时刻的模拟与实况相近,对最大增水值模拟的误差约为10 cm。分别采用模型气象场和组合气象场对1319号台风“天兔”的风暴潮过程进行模拟,两种方式对过程最大增水值和其出现时刻的模拟结果相似,但是组合气象场较好模拟出台风外围风场在福建中南部引起的增水,以及主要影响岸段潮位站在台风登陆前期的先兆增水,弥补了模型气象场在这方面的不足。      

用风场计算台风的引导气流

理论和实践证明,台风的移动与地转引导气流之间存在着一定的、甚至较大的偏差[1,2]。其它一些台风引导气流的计算方法,例如[1]中所述的,也有一定的误差。这里我们赏试用风场来计算台风的引导气流以期克服一定的误差。     

海面风场订正对风暴潮数值模拟的影响

海洋模式在模拟风暴增水时对于风场的依赖性比较大,准确的风场模拟是正确模拟风暴潮的重要前提.用渤海海域4次典型的风暴潮个例,检验改良的渤海风场推算模式对风暴潮数值模拟的影响,分别用订正前后的风场驱动风暴潮数值模式得到逐时的渤海增水场,并与塘沽实测值比较表明:在4个过程中海面风场订正后风暴潮模式的模拟结果均得到了明显的改进...     

南海区域台风路径数值预报业务模式的研究

提出一套解决台风数值预报初始场的方案，构造一个与模式物理过程相协调的人造台同环流，并在此基础上产生人造资料，将人造资料与常规资料混合起来分析，再经过正规模初始化，使模型台风进一步与作者新近研制的有限区域数值预报模式相协调，最后对南海区域台风路径预报作了多方面的敏感性试验，对１９９３、１９９４两年在华南登陆的台风逐一进行预报的结果说明，本模式对华南区域台风的路径完全具有预报能力。     

台风数值模式中计算参数的确定

利用大气环流九层谱模式,即澳大利亚Ｌ９Ｒ１５ＡＧＣＭ,进行了青藏高原雪盖增大对夏季东亚大气环流及其季节变化影响的数值试验。试验结果表明,青藏高原冬季多雪,则导致西太平洋副高减弱东撤,南亚高压减弱南移,东亚季风减弱及季节变化异常。它还使西太平洋副高季节性北移稍提前,减低了北移所达的纬度,以及缩短了东亚夏季流型的持续时间。这些大多与过去的观测事实基本一致。     

南海北部风浪特征的计算

探讨南海北部海域风浪成长时有效波高与风速、风时、风区之间的关系,同时分析了5种风浪要素的推算方法,探讨其在南海北部海域的适用性。结果表明：1）在南海北部,风速和风时呈现线性增长的关系,风速越大,风浪从过度状态成长到充分成长状态所需风时就越长;风速大小和风区长度之间满足平方关系,风速越大,风浪充分成长所需风区长度就越长。2）在南海北部,有效波高的大小与风速的大小、风时的长短、风区的长度3者密切相关。3）SMB方法、W ilson IV方法和青岛方法,在计算南海北部的风浪关系中体现出了一定的稳定性和适应性。     

多普勒雷达探测“艾利”台风风场不对称结构

2004年8月25日, “艾利”台风在靠近我国台湾东北部海域后不同于正常路径, 先后发生两次左折, 先是西北转偏西, 再偏西转西南, 这种路径在历史上极为罕见。通过“艾利”台风的雷达观测事实, 从单多普勒雷达和双多普勒雷达均发现在台风前进方向的右前方, 即西北象限风速极值大于其他象限, 进一步证明了“艾利”台风的风场分布遵循波数为1的非对称性, 从位于台风不同象限的福州长乐和厦门两站雷达资料, 以及常规的地面观测、高空探测资料和NCEP数值预报再分析资料都得到证实。研究表明, “艾利”台风处在大陆高压东南侧, 台风外围存在一支7 m/s左右的环境风场引导气流。因此, 西北象限风速极值大于其他象限的不对称分布可能是由环境风场和台风本身两方面共同造成的, 这种不对称分布有利于维持“艾利”台风向西南方向移动。在我国东南沿海地区, 由于单部多普勒雷达不可能同时探测到台风的西北、东北和西南3个象限的风速极值, 而双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测台风, 则可以同时探测到3个象限的风速极值, 根据风速极值可能存在的不对称分布情况来预测台风的路径转折趋势, 因此重视双多普勒雷达或多多普勒雷达联合探测对于提高监测预报水平具有重要的意义。     

对台风“麦莎”风暴潮过程的数值模拟

利用NCEP再分析资料和中尺度天气数值预报模式MM5/V3.7,模拟2005年8月8日第9号台风“麦莎”减弱的热带风暴造成渤海风暴潮的天气过程,得出与风暴潮发生相关的气象要素预报场,即风场和气压场;将其输入HAMSOM海洋模式模拟出本次渤海风暴潮过程增水的格点场。选用塘沽、京唐港2个验潮站的实际增水与HAMSOM模拟的增水进行比较、分析。结果表明：①用大气与海洋模式结合的方法客观定量地计算风暴增水是可行的,HAMSOM能够模拟台风风暴潮的增水过程。②本次过程中,HAMSOM对渤海西部（120°E以西）的增水模拟得比较好,对渤海东部增水的模拟与实况差距较大。③HAMSOM对塘沽增水高峰时段（8日12：00～20：00）及京唐港整个过程增水的模拟都很接近实况,绝对误差均在15cm以内,对本次风暴潮的预报有很好的参考作用。④HAMSOM对塘沽和京唐港2站的最大增水模拟的精度都较高,出现时间也与实况基本同步。     

南海异常路径台风预报的数值试验

利用广州热带海洋气象研究所最近发展的热带有限区台风数值预报模式,对1991年登陆广东的9116号强热带风暴(Joel)进行了数值预报试验。结果表明:模型台风的加入,模式水平和垂直分辨率的提高,物理过程的完善,能大大提高台风路径的预报准确率。     

南海海面风场客观分析的原理和计算

针对南海海面气象资料稀少、海陆交界处风资料又很不连续的情况,在做南海海面风场的细网格客观分析时,本文充分考虑海域和周围陆地的气压信息,用新的“四点法”扫描先做气压客观分析,然后才用假地转(梯度)风原理和实况风记录的订正去求得格点风资料。根据本分析原理设计成一整套功能齐全的微机计算和资料管理程序,操作方便,计算省时。经五个月的业务试用效果良好。      

一个风暴潮数值模式及其开边界问题

在文献[1]的基础上,本文设计了一个风暴潮数值模式,并讨论了在近岸海洋动力学计算中具有普遍意义的开边界问题.所用的计算格式在有开边界和不规则海岸边界的情形下,仍能较好地保持原海流问题的质量和能量变化关系,因而具有较好的计算稳定性和计算精度.本文计算了“7203”号和“8509”号台风暴潮,并与实况相比较,所得计算结果图象清晰地再现了渤海这两次台风增水过程的基本特征.     

南海北部陆架边缘海台风下海流的一个初步分析

1983年8311号台风(Georgia)穿越南海北部某测流站,从而获得了四个层次的台风下实测海流资料.本文利用这次资料,试对台风下的海流概况以及海流对台风作用的响应等问题作了初步分析,结果表明:台风对海流的强迫作用是十分强烈的;它使各层海流依顺时针方向作旋转运动,其平均流速值比常风下海流的约大2倍;最大流速滞后于最大风速6—8个小时;在台风中心经过后3—4天强流才消失.     

台风影响上下海近海风场特性的数值模拟分析

选择近年来影响上海最严重的不同路径台风个例,首先利用TAPM数值模式对出现最大风速过程期间,海岸线的风速变化作了数值模拟计算,然后与海岸测风梯度塔的同步观测数据进行对比,在验证了模式计算结果的准确性和可靠性基础上,对台风影响下上海近海区域最大风速的分布特征、不同高度风速变化规律进行分析评估.同时采用海上测风平台的观测数据,对近海海面上的湍流强度作了计算.结果表明:当台风影响上海地区时,上海近海海上的最大风速有较明显的梯度变化;海面上风速随高度变化远比陆上小,各高度层风速如用指数律公式计算,幂指数可取O.09-0.10;海面上的湍流强度亦较小,基本上在0.10以下范围内波动.     

台风影响下上海近海风场特性的数值模拟分析

选择近年来影响上海最严重的不同路径台风个例,首先利用TAPM数值模式对出现最大风速过程期间,海岸线的风速变化作了数值模拟计算,然后与海岸测风梯度塔的同步观测数据进行对比,在验证了模式计算结果的准确性和可靠性基础上,对台风影响下上海近海区域最大风速的分布特征、不同高度风速变化规律进行分析评估。同时采用海上测风平台的观测数据,对近海海面上的湍流强度作了计算。结果表明：当台风影响上海地区时,上海近海海上的最大风速有较明显的梯度变化;海面上风速随高度变化远比陆上小,各高度层风速如用指数律公式计算,幂指数可取0.09～0.10;海面上的湍流强度亦较小,基本上在0.10以下范围内波动。     

2012年中国南海台风模式预报情况

通过统计和评估中国南海台风模式2012年的预报结果,得出了2012年各种类型热带气旋的预报质量情况。由于在动力过程优化及水物质和边界层的改进方面做了不少工作,使得中国南海台风模式的全年平均距离误差第一次在历史上突破了100 km以下,且无论是24 h、48 h及72 h的路径还是强度预报都比历年要好很多,从2012年全年的台风路径预报效果来看,有一半的台风24 h路径预报误差在100 km以下大部分台风48 h路径预报误差在200 km以下。另外,2012年中国南海台风模式对强TC的路径预报仍然象往年一样要优于弱TC;而强度预报则相反,对于较弱的强热带风暴预报其效果反而最好。个例分析发现副高强度位置及相关的西伸活动对台风路径预报有较大影响;同时,减少模式位势高度的总体平均RMSE误差对台风路径预报准确率的提高有相当重要的作用。      

广东前汛期降水与南海北部风场准双周振荡的关系

利用1961—2008年广东逐日降水、NCEP/NCAR逐日再分析资料,先采用EOF分析、相关分析定义了影响广东前汛期降水的850 hPa关键区——“南海北部风场指数”,再利用功率谱分析、Lanczos时间滤波器等方法研究了近48年广东前汛期降水与南海北部风场指数的低频振荡特征,并研究了广东暴雨与南海北部风场指数准双周振荡的关系。结果表明,广东前汛期降水与南海北部风场指数均以准单周、准双周振荡为主,而30～60天的季节内振荡不显著。南海北部风场指数与广东前汛期降水准双周振荡序列存在显著正相关,且明显高于准单周振荡序列的相关。近48年4—6月南海北部风场指数的准双周振荡波峰前后3天(个别4天)的广东省前汛期暴雨出现概率为78.2%。最后利用合成分析方法分析了南海北部风场指数准双周振荡的波峰附近有典型西南风暖区暴雨发生的大气环流场演变特征,可为广东暖区暴雨过程的中期预报提供参考依据。      

全球数值模式中的台风初始化Ⅰ: 方案设计

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而 未决的难题。中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使 用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术。实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构, 即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠 现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差。最近,基于国家气象中心全球资料分析同化 预报循环系统,设计和发展了一套新的 台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成。相 比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维 空间的涡旋结构。应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi) 进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好, 同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案 对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低。     

一个中国沿岸台风风暴潮数值预报系统的建立与应用

依据三维斜压海洋环流模式POM建立了一个中国沿岸台风风暴潮数值预报业务系统.台风风场模型考虑了台风移动和周围环境风场的影响,采用了较合理的强风情况下的风应力计算公式,建立了稳定合理的模式海洋环流气候状态和模式边界条件.大量的数值模拟结果表明,该模式能较好地重现历史台风风暴增水过程,对近2年台风风暴潮个例的预报结果表明,该业务系统对台风风暴增水具有较好的预报能力,文章同时分析了模式存在的一些问题.该业务系统实现了从资料采集、模式运行到预报结果输出的全自动化,显示采用图片和MICAPS两种方式,后者与现有气象业务平台一致.     

南海台风模式对台风利奇马快速增强预报能力研究

针对台风利奇马（1909）,分析中国气象局南海台风模式（CMA-TRAMS）和欧洲中期天气预报中心高分辨率模式（HRES）对台风快速增强的业务预报情况,并基于CMA-TRAMS,从水平分辨率、初始场和边界条件、物理参数化方案等角度设计并开展数值敏感性试验。CMA-TRAMS和HRES对“利奇马”增强具有一定预报能力,但对快速增强的速度预报明显低于实况,均不能满足24h和12h快速增强标准,可达到6h快速增强标准。CMA-TRAMS采用3km分辨率对“利奇马”移动路径和强度变化的预报效果优于9km分辨率,但未改进快速增强预报效果;采用3km嵌套9km的方案,模式对台风快速增强的预报效果明显提升。采用MRF边界层参数化方案对台风路径、强度、快速增强的预报效果总体优于YSU方案。海温参数化结合32层垂直分辨率的初始场和边界条件的方案明显提高了快速增强预报效果,预报快速增强的频次、增强的最大速度更接近实况。分析表明,海温参数化方案使海气温差增大,在短时间内对大气、海洋之间的热量输送和交换有明显影响,海洋向大气输送的感热通量和台风内核区的潜热通量加强使内核更暖湿、气压负倾向增大,是预报效果改进的主要原因。     

QuikSCAT和ASCAT卫星反演风场在中国南海北部的适用性研究

对QuikSCAT和ASCAT原始轨道10 m反演风场与浮标资料在中国南海北部的统计检验分析结果表明:两套卫星资料在中国南海北部具有较好的适用性,QuickSCAT反演风速偏高0.46 m·s~(-1),ASCAT反演风速在近海偏高0.45 m·s~(-1),在开阔海域偏高0.07 m·s~(-1)。超过半数的QuickSCAT反演风向误差30°。在近岸海域,ASCAT反演风向误差30°的超过56%,在开阔海域,误差绝对值30°的达到64%。小风时卫星反演风速偏大,大风时卫星反演风速明显偏小,且白天的偏差大于夜间;在5~10 m·s~(-1)风速条件下,两者的一致性较好。用WRF模式模拟的近海风能资源存在高估的可能,卫星资料对近海风能资源评估是个有益的补充,本文对卫星反演风场误差的分析结果也可以为卫星反演风场的资料同化提供参考。