台风利奇马(1909)双眼墙特征及长时间维持机制

利用CIMSS微波卫星产品和多普勒天气雷达资料,分析超强台风利奇马（1909）的长时间双眼墙特征,并采用集合卡尔曼滤波方法同化雷达径向风资料,诊断利奇马双眼墙的三维结构演变特征。结果表明：在双眼墙演变过程初期,受强垂直风切变和中高层干空气入侵的影响,外眼墙对流减弱,呈非对称特征。Sawyer-Eliassen方程诊断结果显示：台风利奇马（1909）内、外眼墙次级环流之间的相互作用不明显,不同于发生眼墙替换过程的台风,其外眼墙处非绝热加热引起的下沉运动发生在内眼的眼心,内眼墙的上升运动并未受到外眼墙次级环流抑制。另外,在强垂直风切变条件下,非对称的外眼墙不能持续增强收缩并取代内眼墙,因此双眼墙结构得以长时间维持。可见,台风利奇马（1909）外眼墙的非对称结构和特殊的次级环流分布是其双眼墙能够长期维持的重要原因。     

超强台风“利奇马”(1909)双眼墙形成及发展过程分析

采用CMISS/MIMIC微波卫星产品,TCGP数据集和NECP/NCAR全球再分系资料,详细分析了超强台风"利奇马"(1909)的双眼墙过程中对流结构及动力结构的协同变化特征。结果表明:(1)在双眼墙形成前,"利奇马"内核对流雨带对称性增加,呈现环状包裹眼墙。在环状雨带和眼墙之间,下沉气流配合相对湿度干区在此发展,致使该区域对流受到抑制,最终发展为下沉晴空Moat区。而在内核环状对流雨带处,上升运动中心和次极大入流中心发展,增大绝对涡度的内输,促进次极大风速中心的形成,并有利于深对流发展。最终环状对流带发展成为外眼墙;(2)双眼墙结构形成后,次眼墙及其相伴的次级环流和对流雨带均增强并且内缩,Moat区变狭窄,对流抑制作用增强。相反,内眼墙对流强度及次级环流减弱,绝对涡度内输不足,导致"利奇马"强度减弱。     

台风利奇马(1909)极端强降雨观测特征及成因

利用自动气象站资料、FY-2G卫星TBB（black body temperature）产品、多普勒雷达组网资料和NCEP FNL分析资料对超强台风利奇马（1909）极端强降雨观测特征、热动力结构演变和水汽输送进行分析。结果表明：此次台风大暴雨覆盖华东大部,极端强降雨区（过程雨量超过350 mm）位于浙江东部和山东中部,21个国家级气象站突破日雨量历史极值;副热带高压、台风和西风槽相互作用以及华东沿海强劲东南风急流为台风利奇马（1909）长时间维持与强降雨发生提供了有利的环境条件。浙江东部极端强降雨主要由发展极为强盛的台风本体产生,垂直深厚涡旋系统强烈的上升运动和台风眼墙区密实的深对流系统导致雨强大且降雨集中;而山东中部极端强降雨则与台风非对称结构演变和冷空气侵入密切相关。倒槽锋生、台风北侧3条螺旋雨带北移汇入及地形迎风坡处的列车效应导致山东中部远距离暴雨发生,随着500 hPa干冷空气从低层不断侵入,在台风西侧118°E附近形成向西倾斜的假相当位温锋区,暖湿气流爬升引发第2阶段稳定性降雨。     

台风“利奇马”(1909)快速增强事件的降水演变

利用台风路径资料及GPM多星集合降水反演产品(IMERG),分析了“利奇马”台风快速增强(RI)事件的平均降水率、降水(>0 mm·h^-1)和短时强降水(>20 mm·h^-1)的覆盖率随时间的演变。进一步,将RI事件分为RI启动前0~24 h、RI启动期、RI持续期、RI结束前0~24 h,和RI结束后0~24 h等阶段,分析平均降水率、降水和短时强降水发生频率的空间分布。研究结果表明:(1)在整个RI事件中,平均降水率和短时强降水发生频率较高的区域主要集中在台风中心西北方位,但其面积和位置随阶段转换而变化;(2)在RI启动前0~24 h,降水覆盖率的高值区由台风内核逐渐扩大至台风外围,而平均降水率和短时强降水覆盖率在RI启动后才明显增强;(3)在RI启动前0~12 h到RI结束前0~24 h的4个阶段,平均降水率和短时强降水发生频率的高值区都出现在台风移动方向的正前方。     

台风“梅花”(1109)双眼墙生消过程的卫星资料分析

利用CIMSS/MIMIC微波、AMSU微波、静止红外、TRMM卫星资料,详细地叙述了“梅花”台风三次双眼墙生消的演变过程,定量分析了这三次过程之间及其与以往研究的异同点,包括双眼墙的生消周期、空间尺度、结构、强度以及所伴随的台风强度变化,在此基础上提出了双眼墙生消的演变模型。结果表明:(1) 螺旋云带型态演变是双眼墙生消过程的外在表现形式:随着台风眼墙与螺旋云带的脱离,螺旋云带自身首尾相连,在原台风眼墙的外围形成另一圈闭合环流,即双眼墙结构形成。外眼墙环流在加强加宽后向内收缩,内眼墙环流减弱并消失,只剩一单圈环流,或外眼墙环流演变为螺旋云带,则双眼墙结构消失;(2) 双眼墙结构持续的时间可以由几小时至数天,这可能与内、外眼墙直径无关,而与台风环流特别是外眼墙结构有关。当外眼墙环流对称化后,内、外眼墙将在数小时内完成眼璧置换过程;(3) 在一个成熟的双眼墙台风中,外眼墙对流发展高度较内眼墙高,内外眼墙之间是类似台风眼的下沉气流控制区;(4) 基于ADT的台风业务定强,可能不能正确地描述双眼墙台风强度的变化特征,而AMSU-A所反映的台风暖心强度,能较好说明双眼墙生消过程中台风强度的剧烈变化。      

超强台风“利奇马”(1909)的闪电活动特征

利用风云四号A星(FY-4A)装载的闪电成像仪探测到的闪电实时定位资料和中央气象台提供的台风定位资料,分析了2019年第9号超强台风“利奇马”的闪电时空演变特征。结果表明:“利奇马”在强台风阶段的日平均闪电密度最大,其次是超强台风阶段。处于增强阶段(△V>0 m·s^-1)时的闪电活动强于减弱阶段(△V<0 m·s^-1),气旋强度稳定时(-5 m·s^-1≤△V<5 m·s^-1),闪电活动最弱。台风成熟以后闪电密度基本呈现出三圈结构。闪电的空间分布具有不对称性,在台风移动方向左侧的闪电数量明显多于右侧。台风外围雨带中的闪电远远多于台风中心发生的闪电,台风中心发生的闪电所占比例不到总数的1%。在台风两次增强阶段均出现闪电的爆发,在台风最强阶段也有较多的闪电发生。在台风最强时期的前半段,眼壁闪电数明显爆发至最大,在台风减弱阶段,眼壁闪电发生很少。     

台风利奇马(1909)与台风摩羯(1814)云特征对比

利用FY-2H, Aqua, CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)和GPM(Global Preciptation Measurement)卫星产品, 对比同在浙江温岭沿海登陆且路径相似的台风利奇马(1909)和台风摩羯(1814), 分析其发展过程中云系水平、垂直结构特征以及登陆前台风三维结构特征。结果表明: 台风眼区是否可见、台风云系的螺旋明显程度、最强降水中心的形状变化、螺旋雨带区南北侧云顶高度的差异均是台风发展强弱的重要标志。台风发展成熟阶段云顶高度最大位于台风眼附近。台风登陆前, 台风越强, 单层云占比越高, 多层云占比越少; 台风越强, 光学厚度越大; 台风云系类别主要是深对流云和卷云, 成分以非定向冰为主; 螺旋雨带区云系的云底高度及厚度与台风发展强弱相关; 同一通道下高低亮温区的面积、台风的降水类型、三维降水结构中的对流柱长度和数量、垂直方向上的降水率均可作为台风发展强弱的依据。     

台风“利奇马”(1909)影响期间上海强降水成因诊断分析

2019年第9号台风“利奇马”(1909)在8月9—11日影响上海期间造成了严重的风雨影响。基于ERA5逐小时再分析资料和上海区域高时空分辨率的地面观测资料,采用非地转Q矢量分解等方法诊断分析了此次强降水成因。结果表明,台风“利奇马”在上海造成的强降水主要来自台风东侧的螺旋雨带。强降水区东南西北各边界的相对湿度在垂直方向上随时间的变化差异明显,水汽的垂直输送和大气整层水汽含量在台风强降水中起重要作用。进一步利用非地转Q矢量分解方法揭示了东边界的大尺度和北边界的中尺度系统在强降水中起主要作用。台风登陆时呈现出整层大气被抬升之后最大强迫中心由高层向低层下传的态势,且此下传效应中尺度比大尺度强迫更加明显,从而有利于强降水的发生。     

1909号超强台风“利奇马”强降水特征的诊断

基于TRMM卫星降雨资料、MERRA-2卫星位势高度、风速、垂直速度等资料，对1909号台风"利奇马"的移动特征及其引发浙江、江苏、山东等地暴雨进行诊断分析.分析结果发现，台风"利奇马"是北上型台风，移动路径主要受副高与1910号台风"罗莎"等系统影响.在北上的过程中，由于台风倒槽与西风槽携带的冷空气配合，且存在大量不稳定能量，引发了此次强降水过程.此外，低空急流及西风槽为降水提供了良好的动力上升条件，南海西南季风与台风"罗莎"是台风"利奇马"充沛的水汽与能量来源，为暴雨提供了良好的水汽条件.     

1909号台风“利奇马”登陆后强降水分布特征

利用逐小时加密观测站资料、三源融合降水资料以及NCEP/NCAR再分析数据,分析了2019年第9号台风"利奇马"登陆后强降水的分布及演变特征,并对不同时段内与强降水落区有关的大尺度环境条件及水汽条件等因素进行了分析。结果表明:"利奇马"登陆后强降水范围出现了三次增幅,分别出现在登陆后3 h、登陆后14 h和次日清晨。进一步分析发现降水效率在登陆后也明显增加,第一次强降水主要由台风本体降水造成,并与低空急流的维持以及水汽输送的贡献有关;第二次降水增幅与北侧螺旋雨带的稳定维持密切相关,另外干冷空气的侵入也是造成降水结构非对称的原因;第三次在山东半岛出现的强降水与台风倒槽和干冷空气的叠加形成的锋生作用有关。     

基于对象诊断的超强台风“利奇马”(1909)模式强降水预报检验

采用基于对象诊断的检验评估方法(the Method for Object-based Diagnostic Evaluation,MODE)对超强台风“利奇马”过程中ECMWF全球模式与GRAPES-MESO区域模式预报的强降水目标对象进行了分析,发现MODE技术相比于传统点对点的检验方法可以提供更加丰富的模式性能分析信息,将模式的预报能力(是否匹配)与预报偏差(位置偏差、面积偏差等属性)区分分析。研究结果表明:ECMWF全球模式预报的强降水对象与观测匹配度较高,雨带的位置也相对准确;GRAPES-MESO区域模式预报的强降水对象数量和面积存在一定程度的高估,空报情况较多,雨带位置误差较大,与观测对象的匹配度相对较低。此外,ECMWF全球模式预报的强降水对象存在偏北的系统偏差,GRAPES-MESO区域模式预报的强降水对象随预报时效的增加有偏南的趋势,两个模式在较长预报时效下都有偏东的系统偏差。     

超强台风“利奇马”登陆前后多模式降水预报评估对比分析

利用欧洲中期天气预报中心全球模式(ECMWF)、美国全球预报系统(GFS)、中国气象局全球区域一体化同化预报系统—全球数值预报系统(GRAPES_GFS)、上海区域中尺度数值预报业务系统(SMSWARMS)、以及浙江省中尺度数值预报业务系统(ZJWARMS)和浙江省快速更新同化预报系统(ZJWARRS)降水预报资料,开展了各模式对超强台风"利奇马"登陆前后浙江省强降水的预报性能检验评估。结果表明:(1)过程降水预报方面,ECMWF对降水落区预报表现最佳,但对降水极值中心强度的预报技巧较低; 3个区域模式各有优势,其中ZJWARRS和ZJWARMS对登陆点附近及浙西北强降水落区、强度的预报均与实况一致,SMSWARMS对几个强降水落区的预报也表现较好,但雨强偏弱。(2)对逐日降水预报技巧上,登陆前全球模式ECMWF、GFS评分较高,而临近登陆及登陆后区域模式表现较好;其中SMSWARMS、ZJWARRS和ZJWARMS在预报时效12 h内的大暴雨及特大暴雨的预报上有较大优势,尤其ZJWARRS对0～3 h大暴雨的预报技巧表现最为突出。(3)对强降水致灾地区(永嘉、临海、临安)的短时降水预报方面,ZJWARMS无论在落区还是强度预报方面均表现较好,ZJWARRS与之接近,对多个降水中心的预报方面可互为补充;SMSWARMS对降水中心的预报往往存在位置偏差且雨强显著偏弱;全球模式对致灾强降水的短临预报参考价值较低。(4)各模式对850 hPa水汽通量及辐合区的预报差异较大是导致"利奇马"预报降水差异显著的重要原因。对于浙江省级区域来说,ZJWARRS及ZJWARMS在强降水落区及强度的短临预报方面有显著优势。     

基于多源数据的“利奇马”台风大气环流、云及降水特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料、FY-4A静止卫星资料对“利奇马”生命过程的大气环流特征、云宏观特征进行了分析。针对“利奇马”超强台风期间的一次降水过程,利用GPM卫星的双频降水雷达(Dual-frequency Precipitation Radar,DPR)资料对其进行了宏微观特征分析。结果表明:在“利奇马”生命过程中,西太平洋副热带高压、40°N以北的高空槽脊、(35°N,80°E)的高压以及“罗莎”台风对“利奇马”的发展、移动均产生了重要的影响;其云系分布先后表现为螺旋状、逗点状、中心对称结构以及不规则形状,其南北两侧的云区范围、云顶高度也不断变化;在“利奇马”超强台风期间的一次降水过程中,近地表降水率大致呈环状分布,降水粒子浓度以及降水粒子半径的南北分布与东西分布相差较大,除了云墙降水为对流降水外,其他部分的降水以层云降水为主,层云降水对应的雨顶高度在4.5~12 km,主要集中在5.5~10 km;对流降水对应的雨顶高度在1~12 km,主要集中在2~5 km和6~11 km。     

台风“桑美”（0608）登陆前后降水结构的时空演变特征

利用雷达－雨量计联合测量降水技术得到的1小时雨量分布资料, 分析了台风“桑美”登陆前后距台风中心111 km以内的降水结构及其时空演变特征, 尤其是登陆前双眼墙循环过程中, 降水结构的变化特征。研究发现: 在登陆前“桑美”经历了双眼墙循环过程, 在此期间, 其内、外眼墙和雨带降水均以强降水为主, 内、外眼墙平均降水率均随时间增强, 而外眼墙增长幅度更大, 且平均降水率始终大于内眼墙, 但并没有伴随外眼半径减小的过程。而雨带平均降水率随时间变化很小, 略有下降。在登陆后,“桑美”内核和外围区仍是以强降水为主, 登陆前三小时左右内核区平均降水率有一个迅速增长的趋势, 登陆后随着台风强度的减弱, 其平均降水率迅速下降。“桑美”降水的空间分布特征显示, 其登陆前后降水结构有明显的非对称性, 在登陆前内、外眼墙和雨带最大降水均出现在台风移动路径的右侧, 且雨带的最大降水率始终位于内、外眼墙的右方; 登陆后, 内核区和外围降水更多地出现在移动路径的后方, 而不是登陆前的右侧。     

热带气旋“利奇马”(1909)暖心演变分析及变性过程探讨

利用NCEP GDAS/FNL再分析数据,根据TFP(Thermal Front Parameter)参数和锋生函数,对1909号热带气旋“利奇马”生命史中各主要阶段暖心特征和变性过程进行了诊断分析。结果表明:“利奇马”强度为热带风暴时,其暖心结构较为松散,500 hPa以上和600 hPa以下分别存在一个最强中心,在强度减弱阶段上下层暖心均偏离气旋中心;当其强度升至强热带风暴及以上级别时,低层暖心消失,高层暖心显著增强,结构变得紧凑,气旋中心上空暖区呈棒槌状分布。高层暖心强度与“利奇马”强度呈正相关,当“利奇马”维持超强台风时,其暖心可达10~14℃。“利奇马”与中纬度西风槽接触后,冷空气开始自对流层中低层进入其环流,低层冷空气入侵的程度比中层更明显;低层暖心被冷空气侵蚀而消失,高层暖心则逐渐减弱,结构亦变得松散。TFP参数和锋生函数计算结果表明受冷空气影响,“利奇马”斜压性逐渐增强,其中心西北侧形成一支暖锋,逐渐变性为温带气旋,但冷锋未见发展。变性过程中“利奇马”高层暖心强度虽减弱但仍然维持,但低层暖区被冷空气完全填塞,导致其变性后较快消亡。     

台风“利奇马”引发山东极端暴雨的多尺度特征分析

利用常规气象资料、NCEP FNL 1°×1°再分析、风廓线雷达、云顶亮温(black body temperature, TBB)及逐时自动气象站降雨量资料,对2019 年8 月10—13 日由台风“利奇马”引起山东极端暴雨的多尺度特征进行分析。结果表明：(1)此次台风特大暴雨主要为中低纬系统相互作用及台风倒槽本体直接影响产生,其与冷空气密切相关。冷暖空气交汇有利于山东大部地区稳定性降水长时间持续发生。冷空气从低层侵入暖湿气流底部,形成冷垫,使得暖湿气流在冷垫上滑行,加大降水强度。(2)低空急流指数的变化提前1 h 预示了降水的出现及未来小时雨量的增减,其峰值出现预示着未来3 h 的强降雨时段,即对强降雨时段的出现和雨强大小有一定的预示性,低空急流向低空的快速扩展对应着短时强降水的开始。可以用于强降水的短时临近预报。(3)Q 矢量散度负值的强弱对于未来6 h 的雨强大小有较好的指示意义。(4)淄博西河镇出现全省最大降雨量与其朝向东北的喇叭口地形和对流层低层东北风倒灌有关。(5)TBB 场能较直观地反映强降水过程中降水的分布和强度。风廓线雷达超低空风场的变化对雨强大小和出现最大雨强的时段有着明显的指示意义。     

台风“利奇马”登陆前后雨带强度与结构变化特征分析

利用GPM卫星3-IMERGM产品、NCEP/NCAR逐6 h水平分辨率0. 25°×0. 25°的再分析资料和后向追踪轨迹模拟技术,对"利奇马"登陆前后降水结构特征及雨带强度变化成因展开分析。研究发现:登陆前强雨带非对称分布与垂直风切变作用密切相关;临近登陆风切减弱,强雨区趋向环流向岸侧。轴对称环状降水率先后出现收缩和扩展,雨带强度经历两增两减变化。其中登陆前雨带增强发生在南亚高压和副热带高压加强、垂直风切持续减弱的有利环境背景下;浙闽沿海离岸风和中心西侧次级环流形成促进了对流雨带发展;"罗莎"台风外围北侧偏东气流为雨带提供有利水汽输送。登陆时刻雨强减弱发生在南压高压、副热带高压及"罗莎"北侧偏东风减弱背景下。雨强变化与水汽通量散度呈正相关,与垂直风切变呈反相关,整层可降水量增大相对降水率峰值有6 h左右提前量。     

台风利奇马登陆期间的对流结构特征及对强降雨影响

2019年9号台风利奇马在浙江造成极端降水,其中8月9日白天浙江东部受台风外围螺旋雨带长时间影响,9日夜间在台风内核对流影响下降水有显著增强;降水中心与浙江临海地区的天台山、括苍山和雁荡山等地形特征密切相关。GPM(Global Precipitation Measure)卫星遥感反演表明近岸台风螺旋雨带以层积混合型降水为主,台风眼墙区域以热带暖云对流型降水为主;眼墙区雨滴有效直径更大、雨滴数密度更高,有利于形成高降水强度。台风登陆前移动速度较慢,浙江沿海地区维持低层锋生和辐合,有利于外围螺旋雨带降水维持和增强;登陆前后受环境垂直切变等因素影响,台风中心左前侧眼墙区域对流活跃,在登陆点附近强降水区偏向于台风中心左侧。分钟级降水观测表明台风登陆期间浙江近海山区降水强度2～3倍于平原地区,其中地形性降水增幅效应与台风对流非对称结构差异对降水影响程度基本相当,有利于在台风中心左前侧的括苍山—雁荡山山区形成强降水中心。     

台风“利奇马”引发山东强降水成因分析

利用常规气象观测资料、台风最佳路径数据集资料、地面-卫星-雷达三源融合逐小时降水产品(0.05°×0.05°)、FY-2G云顶亮温(0.1°×0.1°)、NCEP／NCAR FNL(1°×1°)再分析资料,对2019年9号台风“利奇马”影响期间2019年8月11日发生的山东特大暴雨过程进行分析。结果表明:1)强降水主要受台风倒槽的影响,台风倒槽在山东中部暴雨区长时间稳定维持,台风东侧的低空东南急流把东海北部的水汽和能量向暴雨区输送,配合200 hPa高空急流的“抽吸作用”,在暴雨区上空辐合抬升,造成具有中尺度特征的暴雨。2)强降水区存在的正涡度区伴随强烈的上升运动、低层辐合、高层辐散的结构和次级环流耦合发展,为此次台风暴雨过程提供了有利的动力条件,而且动力条件的演变在此次台风暴雨过程中的作用比热力条件更重要。3)850 hPa水汽通量辐合中心,以及相匹配的在垂直方向的强上升运动区,对强降水落区和雨强有一定的指示意义。     

台风“利奇马”引导气流的计算方法研究

为了更准确计算台风的引导气流,基于相关系数计算方法,评估了各层环境风与台风移动速度的相关性。结果表明,剔除相关性差的低层环境风后,计算得到的引导气流与台风移动的一致性有所提高;引导气流分量的峰值谷值在时间上滞后于台风的峰谷值;低层风之所以与台风相关性差或与低空急流和地形的干扰有关。针对性调整引导气流计算方法,有助于提高引导气流与台风移动速度的相关性。