热带气旋强度变化研究进展

自20世纪90年代后期以来,热带气旋强度变化研究越来越受到人们的重视,随着研究的不断深入,热带气旋强度变化研究取得了可喜的进展,文中总结近年来热带气旋强度变化的主要研究成果,主要包括(1)热带气旋的发生、发展和最大可能强度的研究;(2)行星涡度梯度、环境均匀流、环境流场垂直切变以及热带气旋外流与环境流的相互作用对热带气旋强度的影响及物理机制;(3)热带气旋结构与强度的变化关系,着重总结环境流场导致的非对称结构变化而引起的热带气旋强度变化以及对涡旋倾斜发展理论验证,分析了涡旋Rossby波的最新研究;(4)海洋热状况变化以及海洋飞沫对热带气旋强度的影响研究成果。分析指出,今后进一步开展用现代化卫星探测资料研究热带气旋强度变化外,还应加强热带气旋外流与环境流场的相互作用,海-气交界面的参数化问题,热带气旋结构变化与TC强度变化关系以及这种关系的物理本质的研究,通过深入研究,认识热带气旋强度变化的物理机制,提高热带气旋强度变化的预报能力。     

提高模式分辨率后热带气旋生成迟缓的原因分析

利用目前国际上最先进的中尺度WRF模式模拟热带气旋生成,网格分辨率从9 km增加到3 km,3 km网格中积云参数化方案不起作用,依靠微物理方案来模拟对流尺度系统特征,模式中热带气旋的生成过程变得迟缓。当低压扰动发展到一定程度后再加入3 km网格,生成过程有加快趋势。本研究针对该现象进行分析。结果表明:只用微物理方案使低层(950～700 hPa)风速的垂直切变减小,不利于对流发展;切变减小主要是由于动量垂直输送项的差异所致。在加入细网格的6 h内,低层对流尺度(减去区域平均)的动量垂直输送量平均增加了一倍,某些时刻达到了5倍以上;动量混合增加是由于微物理方案模拟的垂直速度增加所致。此外,只用微物理方案导致对流有效位能迅速被消耗。低层垂直切变和对流有效位能的减小都不利于对流发展,从而导致热带气旋生成发展过程迟缓。本研究表明,目前WRF中的微物理方案在模拟热带气旋生成过程中的对流发展时仍然存在问题。     

南半球冷空气入侵与热带气旋的形成

文中采用NCAR/PSU研制的非静力中尺度模式MM 5 ,研究了南半球冷空气入侵在热带气旋形成中的作用。初始场为纬向平均场 ,不含任何扰动 ,但为热带气旋的发生提供了基本条件 ;通过改变设在赤道的南边界条件 ,设计系列数值试验反映南半球不同强度冷空气的入侵。数值试验结果表明 :南半球冷空气侵袭后 ,在菲律宾以东洋面上形成热带气旋 ;没有冷空气入侵时 ,只有扰动产生 ,没有热带气旋形成。在对流不稳定的背景场中 ,即使没有冷空气入侵 ,低层小尺度辐合引起强上升运动 ,产生的非绝热加热 ,在热带洋面上也能形成扰动。但是非绝热加热使得稳定度增加 ,没有低层强辐合的支持 ,对流不能持续 ,扰动不能发展成为热带气旋。南半球冷空气的入侵 ,一方面气温降低 ,使得中低层层结稳定度降低 ;另一方面 ,冷空气形成向北的气压梯度 ,在低纬度产生南风 ,导致低层强辐合。稳定度因子和低层辐合的共同作用 ,驱动深厚的垂直环流 ,产生十分显著的非绝热加热 ,形成了暖心的热带气旋。上述研究结果一定程度上肯定了存有疑义的冷空气学说     

热带气旋强度与结构研究新进展

主要回顾热带气旋(TC)强度与结构变化的研究发展近况。以往热带气旋的理论研究认为在给定的大气和海洋热状况下,存在着一个TC所能达到的最大可能强度(MPI)。但实际上,海洋生成的热带气旋达到的最大强度普遍要比由MPI理论计算得到最大强度要低。近几年的研究表明,存在着内部和外部的不利因子通过对TC结构的改变来阻碍其加强,从而限制TC的强度。以往认为在诸多因子中,垂直风切变产生的内核区非对称结构与眼墙区下方海水上涌造成的海面冷却是制约TC达到MPI的主要因子。最新的研究进一步指出,产生TC非对称性的中尺度过程对其强度与结构的变化至关重要。中尺度过程包含有对流耦合的涡旋Rossby波、内外圈螺旋雨带、嵌于TC环流内的中尺度涡旋。外部的环境气流也是通过这些眼墙的中尺度过程影响到TC的强度与结构变化。     

Interaction of typhoon and mesoscale vortex

Under two types of initial tropical cyclone structures that are characterized by high and low vorticity zones, four sets of numerical experiments have been performed to investigate the interaction of a tropical cyclone with an adjacent mesoscale vortex (MSV) and its impact on the tropical cyclone intensity change,using a quasi-geostrophic barotropic vorticity equation model with a horizontal resolution of 0.5 km. The results suggest that the interaction of a tropical cyclone characterized by a high vorticity zonal structure and an MSV would result in an intensification of the cyclone. Its central pressure decreases by more than 14 hPa. In the process of tile interaction, the west and middle segments of the high vorticity zone evolve into two peripheral spiral bands of the tropical cyclone, and the merging of the east segment and the inward propagating MSV forms a new vorticity accumulation area, wherein the maximum vorticity is remarkably greater than that in the center of the initial tropical cyclone circulation. It is this process of merging and strengthening that causes a greater pressure decrease in the center of the tropical cyclone. This process is also more complicated than those that have been studied in the past, which indicated that only the inward transfer of vorticity of the MSV can result in the strengthening of the tropical cyclone.     

初始涡旋结构对热带气旋强度变化影响的数值研究

本文利用中尺度WRF模式,通过构造3个位于不同高度上强度相同的初始涡旋暖心中心(分别称为Low试验、Mid试验和High试验),认识暖心垂直结构对热带气旋发展的影响。理想数值试验发现,在积分6 h后在Low试验和Mid试验中最大风速半径开始收缩,眼墙内对流发展,高层暖心发展明显比High试验强,强度增加明显快于High试验,达到快速增强的标准。进一步诊断发现,暖心偏低的试验中初始CAPE值较大,低层风垂直切变较强,有利于眼墙内对流发展,非绝热加热在高层暖心形成过程中起重要作用,最大风速半径收缩比High试验快,热带气旋强度快速增加。本研究清楚表明,数值预报模式中构造初始涡旋的暖心高度对模拟热带气旋的强度发展有重要影响。     

台风榴莲（2001）生成初期中尺度涡旋合并过程研究

由于热带海洋上观测资料的稀缺和热带气旋系统本身发生、发展的复杂性,热带气旋生成机制研究领域至今仍然存在很多未解之谜。已有的观测和模拟研究证明,中尺度涡旋合并过程对于热带气旋的生成可能有触发作用,但尚未见到南海季风槽内热带气旋生成过程中中尺度涡旋合并现象的实例模拟研究。利用新一代中尺度天气研究与预报模式WRF对南海热带气旋榴莲(2001)生成过程中的中尺度涡旋合并过程进行了高分辨率(4 km)数值模拟,并与观测资料进行对比,利用模式输出结果重点分析两个中尺度涡旋合并过程中的主要动力学和热力学特征,并在此基础上进一步分析了合并过程中系统中心附近涡度方程中各项涡度收支的演变情况,最后通过两个敏感性试验与控制试验结果的对比,初步探讨中尺度涡旋合并过程对于热带气旋榴莲生成的作用。结果表明,南海季风槽中的新生中层中尺度涡旋V2,是榴莲生成过程中的主导涡旋,预先存在的东部低层的中尺度涡旋V1对于台风榴莲的生成则起到了辅助作用,两个不同高度的涡旋合并叠加促使涡度的辐合、辐散项率先在低层引起涡度的快速增长,随后垂直输送项在对流层中层对涡度的增长起主要作用。两个涡旋的最终合并,使热带气旋系统正绝对涡度在垂直方向上从低层到中层得以贯通,进而触发榴莲的生成。     

登陆热带气旋研究的进展

随着大气探测技术的发展 ,登陆热带气旋研究已经成为热带气旋研究中一个新的领域。新的探测技术能初步揭示出热带气旋登陆过程中发生的多种改变。近年来 ,国内外科学家实施了一系列外场科学试验 (Fieldscientificexperi ments) ,对登陆热带气旋进行探测和研究 ,旨在提高预报的准确率。登陆热带气旋研究内容包括 :海岸和内陆山脉地形影响 ,结构和强度变化 ,登陆热带气旋的暴雨强度和分布 ,大风强度和分布 ,风暴潮强度和范围 ,登陆热带气旋在陆上的维持机制 ,陆地涡旋的路径和入海加强 ,边界层结构 ,陆面过程和能量交换 ,变性过程等。研究采用外场科学试验与数值模拟相结合的方法。模拟或预报模式中使用同化资料尤其是卫星同化资料来构造初值场 ,取得较好结果。登陆热带气旋的研究目前正在展开 ,并取得了一些重要结果。研究表明 ,潜热释放和斜压位能释放是近海或登陆热带气旋加强或维持的两种主要能源。这两种能量可分别从水汽输送和热带气旋与中纬度环流的相互作用中获得。另外 ,陆面饱和湿地或水面的潜热输送、热带气旋与中尺度涡旋或热带云团的合并以及高空流出气流强辐散也对其加强和维持有利。世界气象组织的热带气象研究计划 (TMRP)正在组织对这一领域的总结和下一步的研究计划。这项研究将对预报和     

Influence of the tropical cyclone Omar on the weather in Europe

A case of the Atlantic tropical cyclone influence on the weather of Europe is considered. It is demonstrated on the basis of computations of the numerical mesoscale ETA model that one of the reasons of the positive air temperature anomaly in fall 2008 was the tropical cyclone Omar. The detailed analysis was carried out of the computation results of the movement and evolution of the tropical cyclone Omar and of the atmospheric structures surrounding it. The energy characteristics, the explicit and latent heat fluxes, and the precipitation in the tropical cyclone were computed. The computations revealed that starting since the certain moment, the tropical storm Omar actively interacted with the polar front which shifted to the low latitudes and with the extratropical disturbance of synoptic scale which originated on this front. It was obtained that this interaction resulted in the transfer of the huge tropical cyclone energy to the extratropical pole-front cyclone and in the intensification of the latter one. It is demonstrated that the air which circulated in the tropical cyclone and possessed high the thermohygrometric characteristics entered the warm sector of extratropical cyclone and was carried out to Europe.     

Current understanding of tropical cyclone structure and intensity changes – a review

Summary Current understanding of tropical cyclone (TC) structure and intensity changes has been reviewed in this article. Recent studies in this area tend to focus on two issues: (1) what factors determine the maximum potential intensity (MPI) that a TC can achieve given the thermodynamic state of the atmosphere and the ocean? and (2) what factors prevent the TCs from reaching their MPIs? Although the MPI theories appear mature, recent studies of the so-called superintensity pose a potential challenge. It is notable that the maximum intensities reached by real TCs in all ocean basins are generally lower than those inferred from the theoretical MPI, indicating that internal dynamics and external forcing from environmental flow prohibit the TC intensification most and limit the TC intensity. It remains to be seen whether such factors can be included in improved MPI approaches.Among many limiting factors, the unfavorable environmental conditions, especially the vertical shear-induced asymmetry in the inner core region and the cooling of sea surface due to the oceanic upwelling under the eyewall region, have been postulated as the primary impediment to a TC reaching its MPI. However, recent studies show that the mesoscale processes, which create asymmetries in the TC core region, play key roles in TC structure and intensity changes. These include the inner and outer spiral rainbands, convectively coupled vortex Rossby waves, eyewall cycles, and embedded mesovortices in TC circulation. It is also through these inner core processes that the external environmental flow affects the TC structure and intensity changes. It is proposed that future research be focused on improving the understanding of how the eyewall processes respond to all external forcing and affect the TC structure and intensity changes. Rapid TC intensity changes (both strengthening and weakening) are believed to involve complex interactions between different scales and to be worthy of future research.The boundary-layer processes are crucial to TC formation, maintenance, and decaying. Significant progress has been made to deduce the drag coefficient on high wind conditions from the measurements of boundary layer winds in the vicinity of hurricane eyewalls by Global Positioning System (GPS) dropsondes. This breakthrough can lead to reduction of the uncertainties in the calculation of surface fluxes, thus improving TC intensity forecast by numerical weather prediction models.     

Effect of Horizontal Nonuniformity of Diabatic Heating on Tropical Cyclone Intensity and Structure

1. IntroductionMuch attention has been paid to the role playedby diabatic heating in the genesis and intensificationof tropical cyclone (TC). Based on a two-dimensionalprimitive equation model, Li (1984) proposed that theevolution of TC should be different if the maximumheating appears at different height. Yang et al. (1995)found that abrupt intensification of TC at the mid-latitudes is closely related to the vertical structure ofconvective heating. May and Holland (1998) suggestedthat the…     

西北太平洋热带气旋闪电时空尺度和光辐射能

利用1998-2014年热带测雨(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM)卫星上携带的闪电成像仪(light ning imaging sensor,LIS)数据,建立西北太平洋热带气旋闪电数据集,并研究该区域热带气旋闪电属性特征.结果 表明:热带气旋闪电各属性值均呈对数正态分...     

西北太平洋热带气旋生成客观预测模型

该文提出一种西北太平洋热带气旋年生成活动的客观预测模型。研究大尺度环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的作用,使用最小角回归算法对初始14个预测因子进行选择和降维,将资料集分为训练集(1979—2015年)和验证集(2016—2020年),建立随机森林回归模型预测热带气旋年生成频次。分析环境因子对西北太平洋热带气旋生成位置的作用,使用逐步回归算法筛选影响显著的预测因子,建立局部泊松回归模型预测热带气旋生成空间位置的概率。结果表明:随机森林回归模型可以预测西北热带气旋频次的主要变化和趋势,揭示环境因子对西北太平洋热带气旋年生成频次的影响。局部泊松回归模型对于气旋生成位置概率有一定预测能力。利用随机森林回归模型和局部泊松回归模型模拟1979—2020年西北太平洋热带气旋生成,结果与观测基本一致,可见模型可为热带气旋危险性分析提供参考。     

山脉地形对热带风暴Fitow结构和运动影响的数值试验

热带风暴自东向西穿越琼州海峡时常常与海南西部的强天气相对应,尤其当风暴中心在海峡中部或海峡西端出口处有向西南方向的偏折时。Fitow(0114)是这类热带风暴的一个典型。通过对Fitow热带风暴的研究和分析,揭示了一个事实:Fitow在沿海峡西行过程中,其外围中尺度结构发生明显变化———风暴中心西南象限有一个中尺度对流(MCS)小涡生成和发展。受到这个诱生MCS小涡的“吸引”,Fitow在穿行海南岛北部和琼州海峡时,路径向西南方向偏折。数值模拟结果表明,海南岛中部的五指山地形对Fitow自东向西穿行海峡时的这种结构变化有显著影响:(1)当热带风暴Fitow(0114)自东向西穿过岛屿北部和琼州海峡时,其外围西北气流与山脉的辐合地带往往会诱生出中尺度强对流涡旋系统(MCS)。这种系统经过尺度分离和滤波处理后便会在山脉西北麓显现出来。(2)MCS小涡只生成在地形高度之下的大气层;地形高度之上并不显现这一小涡。用0高度作敏感试验的结果,在相同位置并不生成这种MCS小涡。(3)诱生小涡(MCS)的存在,对Fitow会产生“吸引”作用,使其向西南方向MCS所在处偏折。且MCS越深厚,维持时间越长,对Fitow中心的“吸引”程度越大,其中心向西南方向的偏折和移动越明显。0.0 km高度无MCS小涡时,Fitow中心并无这种偏折,而是向西北方向移动,在雷州半岛登陆。     

热带气旋生成指数对印度洋热带气旋频数变化的适用性研究

本文利用ERA5 1979-2019年逐月大气再分析资料计算南北印度洋热带气旋生成指数，并和IBTrACS观测数据进行比较，探讨用热带气旋生成指数研究南北印度洋热带气旋变化特征的适用性.研究发现热带气旋生成指数能较好地刻画南北印度洋热带气旋的空间分布特征、北印度洋热带气旋个数月变化的双峰结构，以及南印度洋比北印度洋热带气旋发生概率高等特征.最新的IBTrACS v4.0观测资料显示，40年来北印度洋热带气旋每年总生成个数平均每10年增加1.3个，频数的增加主要来源于热带低压和热带风暴，而南印度洋热带气旋每年总生成个数每10年减少2.8个.热带气旋生成指数能很好地描述北印度洋热带气旋生成个数的上升趋势，但对南印度洋热带气旋生成个数趋势的刻画与观测不一致，可能原因需要进一步深入研究.     

贵州南部山区一次大暴雨的数值模拟

利用WRF模式,对2008年5月27日夜间贵州南部山区大暴雨天气进行了数值模拟。复杂地形条件下,数值模拟有一定难度。本次数值模拟能够反映此次大暴雨的降水区域、降水特征和降水强度。在此基础上,利用高分辨率的数值结果,对该暴雨过程的中尺度气旋及地形对降水的作用进行了分析,结果表明：中β尺度气旋是造成此次局地暴雨的直接系统;气旋在结构上表现出中低层强烈的辐合和正涡度柱的耦合,出现了伸展到对流层顶的深厚强上升运动;造成大暴雨的辐合线生成在贵州西部地形梯度较大地方,辐合线上发展起来的中尺度气旋在850 hPa和地面上表现为生成在一个开口向南的喇叭口地形上,由于喇叭口地形对气流的辐合和抬升作用,水汽辐合和上升运动在该地达到最强,无疑对降水的落区和强度有重要影响。     

影响华北地区的黄河气旋过程分析

利用每小时数值云图、ＴＢＢ资料，常规天气图资料和数值产品资料，分析了１９９４年６月２４－２６日黄河气旋过程，讨论了环境场条件，不同尺度云团的相互作用对气旋生成的影响，给出了中尺度云团的发展演变以及与强降雨的关系，揭示了气旋降雨的中尺度特征，概括了气旋发生发展的综合模型，对气旋的短期预报有一定的参考价值。     

影响广西的热带气旋与热带季风的某些关系

利用常规的热带气旋气候资料和最近（1998）实施的南海季风试验研究成果资料，统计分析影响广西的热带气旋活动与热带季风爆发迟早，强弱等变异的关系，揭示了一些统计特征，并探讨其中的某些规律，初步分析了热带季风对热带气旋的作用，指出热带季风气流进入热带气旋环流对热带气旋的发展有正贡献。     

非绝热加热对热带气旋非对称结构影响的数值试验

利用含非绝热加热强迫的正压涡度方程。将非绝热加热作适当的参数化处理。对初始对称 热带气旋作了一系列数值试验,结果表明：不仅β项、平流项在热带气旋非对称结构的形成中有重要作用,而且非绝热加热对热带气旋的非对称结构亦有重要影响,从而验证了非绝热加热是热带气旋非对称结构形成的一种可能机制的结论。     

The Genesis of Tropical Cyclone Bilis (2000) Associated with Cross-equatorial Surges

The purpose of this paper is to explore how a tropical cyclone forms from a pre-existing large-scale depression which has been observed and associated with cross-equatorial surges in the western North Pacific. Tropical cyclone Bilis(2000) was selected as the case to study.The research data used are from the results of the non-hydrostatic mesoscale model(MM5),which has successfully simulated the transformation of a pre-existing weak large-scale tropical depression into a strong tropical storm.The scale separation technique is used to separate the synoptic-scale and sub-synoptic-scale fields from the model output fields. The scale-separated fields show that the pre-existing synoptic-scale tropical depression and the subsynoptic scale tropical cyclone formed later were different scale systems from beginning to end.It is also shown that the pre-existing synoptic-scale tropical depression did not contract to become the tropical cyclone. A series of weak,sub-synoptic-scale low and high pressure systems appeared and disappeared in the synopticscale depression,with one of the low systems near the center of the synoptic-scale depression having deepened to become the tropical cyclone. The roles of the synoptic-scale flow and the sub-synoptic scale disturbances in the formation of the tropical cyclone are investigated by diagnoses of the scale-separated vertical vorticity equation.The results show that the early development of the sub-synoptic scale vortex was fundamentally dependent on the strengthening synoptic-scale environmental depression.The depression was strengthened by cross-equatorial surges,which increased the convergence of the synoptic-scale depression at low levels and triggered the formation of the tropical cyclone.