采用预报涡旋的初始化方案对2015年台风“莲花”、“灿鸿”的试验研究

提出了一种采用预报涡旋的初始化方案,用预报涡旋代替bogus模型参与构建模式初始场,采用权重形式合成预报涡旋和分析涡旋获取台风初始涡旋。针对2015年“莲花”和“灿鸿”台风,基于该初始化方案设计了一系列对比试验进行数值模拟,并对结果进行分析。结果表明:(1)该方案得到的台风初始涡旋结构比bogus模型合理;(2)预报涡旋权重不宜取太大;(3)从长时效预报效果看,采用24 h内预报涡旋比采用长时效预报涡旋台风的路径和强度误差减小;(4)采用同一权重方案对“莲花”、“灿鸿”预报的改进效果不同,其原因与预报涡旋和分析涡旋的协调程度有关。多台风情形下可在初步评估的基础上采用不同时效的预报涡旋和不同权重方案。      

守恒系统中台风强度变化及其可能因子的数值研究

用一个高分辨率的 f平面正压涡度方程模式 ,实施了时间积分为 36h的 2 1组试验 ,研究相邻中尺度涡旋与台风涡旋的相互作用。结果指出 :这种相互作用能否导致台风加强 ,取决于两类因子 :一是台风涡旋最大风速的取值以及圆形基流切变的强弱 ;二是切变基流中的中尺度涡旋的自身条件 ,包括中尺度涡旋的分布、尺度、强度和结构。台风强度与初始中尺度涡旋的尺度、强度之间存在着非线性的联系     

台风最大风速增强的数值研究

用一个高分辨率的正压模式，实施了8组时间积分为36h的试验，分析了中尺度涡旋和台风涡旋的相互作用及其对台风强度变化的影响，讨论了初始中尺度涡旋空间尺度大小与台风强度变化之间的联系。结果表明：在一定的合理的参数条件下，这种相互作用可以使台风切向风速量大值增加，显示出台风增强的现象。     

台风数值模拟中bogus涡旋四维变分同化的研究

研究用MM5四维变分同化系统同化bogus涡旋变量对台风数值模拟的影响,对2002年13号台风Phanfone进行48h预报,结果表明：用四维变分方法同化bogus涡旋变量效果优于在背景场中直接植入模型涡旋的传统bogus技术。同时同化bogus涡旋的风、气压、温度和比湿效果不如只同化气压和其中任一变量。同化bogus涡旋的气压和比湿,能够调整模式初始场的其他变量,得到结构更清晰、与环境场更协调的初始涡旋,从而在一定程度上提高了台风Phanfone路径和强度预报的准确性。     

β项和非线性平流对台风结构的作用

用二维Ｆｏｕｒｉｅｒ展开的解析方法和准地转正压模式数值试验的途径，在线性框架内分析了β项对台风结构的影响。指出相速不同和台风能量向外频散两者共同的作用使台风最大风速随时间合理地变化，而不是无限制地增长。非线性平流使台风涡旋衰减速率加快，因能量频散在台风中心以东方向形成的高值系统又使台风涡旋易于维持。     

基于深度图像目标检测的智能台风涡旋识别技术

基于2005—2020年的中国气象局台风最佳路径数据集以及葵花(Himawari)8和风云(FY)卫星云图数据,首先将卫星原始数据转换为FULLDISK灰度图像作为台风涡旋识别技术的图像来源,并制定新的VOC(Visual Object Classes)标注规范,构建了样本标注数据集。利用运行速度快、识别准确率高的人工智能领域经典目标检测SSD(Single Shot MultiBox Detector)模型作为台风涡旋识别的基础模型,并针对台风涡旋识别的独特性,特别是弱涡旋识别困难,提出一种迭代的SSD目标检测模型,明显提高了台风涡旋的识别精度。通过目标检测技术对卫星云图进行智能特征分析、抽取、识别和定位,实现了自动涡旋正确识别和定位,最终建立了智能台风涡旋识别技术。测试结果显示：该技术对强热带风暴级以下强度台风涡旋正确识别率为40%～80%,对强热带风暴级及以上强度台风涡旋正确识别率达90%以上,能够精准识别强台风级及以上强度涡旋,该技术为今后业务利用高时空分辨率卫星图像对台风进行实时精密监测提供了技术支撑。     

GRAPES区域集合预报条件性台风涡旋重定位方法研究

为了在集合预报中更合理描述台风涡旋中心定位的不确定性,采用2009—2018年中国气象局和日本气象厅台风最佳路径数据,分析台风最佳路径涡旋中心定位的不确定性特征,在此基础上设计条件性台风涡旋重定位方法（Conditional Typhoon Vortex Relocation,CTVR）,构建集合成员台风涡旋中心重定位阈值条件、台风涡旋分离数学处理及涡旋重定位等数学处理过程,利用中国气象局数值预报中心区域集合预报系统（Global/Regional Assimilation and Prediciton System-Regional Ensemble System,GRAPES-REPS）对2018年西北太平洋上的3个台风（1808号“玛莉亚”、1824号“谭美”和1825号“康妮”）进行轴对称结构和轴对称+非对称结构条件性台风涡旋重定位两种方案的集合预报试验和检验评估。结果表明:（1）中国气象局和日本气象厅台风最佳路径误差平均值为13.72 km,可视为台风涡旋中心定位不确定性的合理估计值;（2）统计检验结果和典型个例分析表明,采用轴对称结构和轴对称+非对称结构条件性台风涡旋重定位方法的台风集合预报路径误差及集合预报一致性结果比较接近;（3）条件性台风涡旋重定位方法可以有效改进GRAPES-REPS区域集合预报台风路径概率预报效果,如台风路径集合预报平均误差有所减小,集合预报一致性（路径离散度与路径均方根误差比值）增大,特别是预报初期概率预报效果改进更为显著,而预报中后期改进有限;（4）通过对“玛莉亚”台风集合预报诊断分析发现,经过条件性台风涡旋重定位后,各集合成员的台风路径误差在预报初期明显减小且路径收敛,但随着预报时效的延长台风路径逐渐发散。应用条件性台风涡旋重定位方法后,台风涡旋环流与大尺度环境场仍然比较连续协调,且台风涡旋环流外的大尺度环境场具有一致性特点,最低气压误差、最大风速误差和降水预报技巧基本不变。可见,条件性台风涡旋重定位方法的应用可以提供更准确的台风路径预报不确定性信息,帮助预报员做出更准确的预报决策。      

台风环流区域内中尺度涡量传播特征的研究

用一个高分辨率f平面直角坐标系的正压准地转模式,实施了10组积分时间为36 h的试验,研究了初始位于台风外区的一个中尺度涡旋与台风涡旋的相互作用。结果表明:这种相互作用可以激发一个从外区伸展到内区的较小尺度的涡旋对,以此方式将涡量内传至台风中心附近。同时,中尺度涡旋呈现涡量集中化的特征。涡量内传与涡量集中化共存,使内区涡量增多,导致台风增强。此外,在一定条件下,这种相互作用还可以使涡量带破碎和断裂,形成一系列空间尺度更小的涡块。     

较小尺度涡旋与台风的相互作用及其对台风路径的影响

用一个准地转正压模式实施５组积分时间为５天的试验，研究台风环流与较小尺度涡旋之间的相互作用。结果指出，涡旋相互作用可以改变台风环流的非对称结构，进而引起台风移动偏离正常路径。     

中尺度涡旋和台风涡旋相互作用的数值研究

用一个高分辨率的正压涡度方程模式，实施了4组积分时间为24h的试验，研究了台风环流区域内中尺度涡旋的不同初始径向位置条件下与台风涡旋的相互作用，结果表明，中尺度涡旋初始径向位置不同，可以引起随后扰动相对涡度场演变特征的改变。     

涡列涡量内传的数值研究

用一个高分辨率的准地转正压模式实施了4组积分时间为24h的试验,研究台风环流区域中尺度涡列对台风强度的影响,并与单个中尺度涡旋的情况作了对比。结果表明:涡列内传过程中出现了两次涡合并现象,涡列涡量内传对台风强度的影响能力较弱,单个中尺度涡旋涡量内传可使台风增强。     

斜压大气中台风涡旋自组织的研究

文中利用MM5(V3),实施了8个数值试验,对斜压大气中台风涡旋自组织的问题进行了初步研究.结果表明:(1)在试验1中,没有引进一个半径为80 km的小涡旋,两个初始分离的半径为500 km的轴对称涡旋,一边互旋,一边相互排斥,两个涡旋中心之间的距离不断加大,致使双涡最终分离.(2)在试验2中引进了一个半径为80 km的小涡旋,其他条件同试验1,两个初始分离的轴对称涡旋一边互旋,一边相互逼近,经自组织形成了一个由内区和螺旋带组成的类似于台风环流的较大尺度的涡旋.这个结果支持周秀骥在十多年前提出的重要观点,也支持以往在正压框架内的同类研究结果.(3)试验3-8为在前两个试验的基础上取不同初始涡旋参数的敏感性试验,其中,试验3和4为引入小涡旋不同初始位置对台风涡旋自组织的影响,试验5和6为不同初始轴对称双涡间距对台风涡旋自组织的影响,试验7和8反映了不同初始轴对称双涡强度对台风涡旋自组织的作用.它表明对涡旋自组织过程影响最大的涡旋初始参数是涡旋之间的距离,其与正压模式中的结果是类似的.     

涡列涡量内传的数值研究

用一个高分辨率的准地转正压模式实施了4组积分时间为24h的试验，研究台风环流区域中尺度涡列对台风强度的影响。并与单个中尺度涡旋的情况作了对比。结果表明：涡列内传过程中出现了两次涡合并现象。涡列涡量内传对台风强度的影响能力较弱。单个中尺度涡旋涡量内传可使台风增强。     

全球数值模式中的台风初始化Ⅱ: 业务应用

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,仍然是一个悬而末决的难题.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.     

GRAPES-TCM台风模式的新涡旋初始化方案——原理和实施

在更新的GRAPES-TCM (Global/Regional Assimilation and Prediction System-Tropical Cyclone Model)台风模式架构下,引进与发展了一个新的涡旋初始化方案。该方案对台风涡旋进行极小化订正,减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,所产生的涡旋满足特定的动力与热力平衡,且保持了与模式动力及热力的一致性。新的涡旋初始化方案能更精细地体现初始台风的强度与结构,强度更接近于观测,结构更为合理。试验表明其可以有效地改善台风路径与强度的预报精度。     

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,仍然是一个悬而末决的难题.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.     

T639全球模式的台风初始化方案升级试验

由于洋面上缺少有效的台风观测资料,台风初始化对全球数值预报业务模式而言,仍然是一个悬而未决的问题。国家气象中心自从2009年将T639全球数值预报系统投入业务运行以来,应用了一套完整可行的台风初始化方案,其技术路线是在台风刚发生时的预报时刻,在背景场嵌入人造bogus涡旋;而在后续的循环滚动预报时刻,采取涡旋重定位和涡旋调整技术方案;因此,第一个预报时刻的涡旋形成技术直接影响到后续时刻的台风涡旋质量乃至预报效果。但是,人造bogus涡旋主要依据统计的经验模型建立,其结构与全球数值模式的动力学、物理学属性并不匹配。基于国家气象中心T639全球资料分析同化-预报循环系统,一套升级版的台风初始化方案被发展了起来,与业务方案的主要区别在于升级方案利用资料同化技术来形成初始涡旋而不是直接嵌入人造bogus涡旋;这在很大程度上减少了人为主观因素对台风初始结构的影响,而更多地是依靠变分资料同化来协调约束产生三维空间的涡旋环流,这样产生的涡旋环流不但与周围环境场比较协调,而且与模式的动力学、物理学属性也比较匹配。应用新方案,本文对生成于西北太平洋2011-2012年27个台风进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风初始涡旋环流结构方面有着不错的表现,相比于业务使用的方案而言,新方案台风路径平均预报误差有了不错幅度的降低,2~5 d预报平均路径误差普遍降低了3%~15%。     

非对称台风bogus方案设计和初步试验

国家气象中心台风路径数值预报模式自1996年6月投入业务运行以来, 一直在背景场中采用经验平滑滤波技术消除浅台风和嵌入轴对称的台风bogus涡旋技术。但事实上, 在采用经验平滑技术消除背景场中弱的位置不准确的浅台风涡旋同时, 也滤除了台风中心周围一些宝贵的非对称气流结构, 同时, 由于实际的台风涡旋结构是非对称的, 因而对采用轴对称涡旋的模式初始场而言, 或多或少的贡献了一些模式预报结果的路径误差。为了调查这部分非对称结构对台风预报路径误差的影响, 从T213L31全球谱模式提供的背景场中抽取浅台风周围的非对称流场, 将之加入到轴对称的台风bogus涡旋中。初步的个例试验发现, 加入非对称流场后, 能有效地减少台风路径预报误差。     

相同强度双台风相互作用的物理机制

在无基本气流的假定下,应用无辐数正压模式研究双台风相互作用的物理机制。台风Ａ位于观风Ｂ以西,两台风相距６０ｋｍ,且具有相同的强度。在台风Ａ（台风Ｂ）的非对称流场中,由台风Ａ（台风Ｂ）的线性β效应产生的非对称涡旋的方位相位与由台风Ｂ（台风Ａ）形成的非对称涡旋方位相位相反（相同）。因此,台风Ａ（台风Ｂ）的大尺度非对称涡旋较弱（较强）。小尺度涡旋逆时针旋转导致台风Ａ逆时将打转。稳定的偏南非对称气流使台风     

黄海典型气旋与反气旋式海洋涡旋特征及影响机制模拟研究

为探讨黄海海洋涡旋的三维结构特征、能量输送与转换及影响机制,对黄海海域典型台风海洋气旋与近海海湾反气旋式涡旋个例进行数值模拟和时空诊断分析。采用FVCOM(Finite Volume Community Ocean Model)区域海洋数值模式精细化描述台风海洋涡旋与近海海洋中小尺度涡旋系统。对涡旋能量传输特征模拟显示,气旋式和反气旋式海洋涡旋中,非对称强流区动能能量下传比涡旋中心部位的强度更强,维持时间更长,下传深度更深。反气旋式海洋涡旋因Ekman流动形成的向中心辐合作用,造成此类差异更显著。气旋涡的动能主要来源于台风的近海面风应力动能和海洋涡旋有效位能的转换,反气旋涡旋区域风动力偏弱,其动能强度维持在低位,其涡旋增强伴随着有效位能的增加。环境因子影响机制从风浪,底摩擦和地形三方面讨论。结果显示:耦合波浪模块后,台风强风应力和风浪的综合作用扩大台风海洋涡旋尺度,并增强涡旋环流强度,同时对相邻的反气旋涡有压缩和减弱作用。风浪效应对台风海洋涡旋有正贡献。强台风过程表层环流响应台风应力而浅水地形和底摩擦强烈影响涡旋下层,造成台风海洋涡旋结构在垂直方向上偏移,并影响到下层环流速度减小,流向与表层相反。在海洋气旋涡和反气旋涡的显著辐散区,其混合层下方有温盐要素的涌升对应,辐合区有温盐要素的下沉对应;同时海底地形的升降也造成温盐强迫上升与下降,其强度与地形起伏尺度成正比,较环流系统作用更强。