云凝结核浓度对不同强度南海热带气旋强度影响的个例模拟研究

利用云分辨天气研究和预报模式(CR-WRF)模拟在清洁大气和污染大气下,气溶胶的云凝结核作用对不同强度南海热带气旋(TC)的强度变化影响,对比分析了动力结构和微物理结构的变化。(1)在污染大气环境中,更多气溶胶能进入到弱TC内部云带区,并充当凝结核作用,TC内部各相态水凝物含量都有明显增多,释放潜热有利于TC内部的对流发展,弱TC中心海平面气压下降,强度加强。(2)在污染大气环境中,气溶胶主要影响强TC的外部螺旋云带区;外部云带区各相态水凝物增多,释放潜热有利于该处对流的发展;外部云带区对流与云墙区内对流形成竞争,导致入流减弱,云墙区内上升运动减弱,强TC中心海平面气压上升,强度减弱。     

双热带气旋合并过程涡旋强度与吸引效应相关特征数值模拟

利用中尺度模式HWRF(Hurricane Weather Research and Forecast System)模拟双热带气旋"狮子山"(2010)与"南川"(2010)涡旋合并过程,并通过强度敏感性试验揭示两涡旋强度对合并过程的影响。分析表明:在两者的合并过程中,"狮子山"涡旋强度明显大于"南川";"狮子山"涡旋对"南川"涡旋具有更大的"吸引"效应,两者西侧呈相对强的能量、水汽"连体"通道。HWRF能够较好的模拟出双热带气旋"狮子山"与"南川"的强度、移动路径,尤其是两涡旋的合并过程。进一步分析控制试验双热带气旋水平与垂直结构揭示出两涡旋"互旋"过程中,"弱涡旋"并入"强涡旋"相互影响特征。有关"狮子山"与"南川"强度的敏感试验亦表明,两者各自涡旋强度"合并方向"具有关键影响。在敏感性试验中,改变涡旋强度后两者路径亦存在"互旋"现象,但与控制试验两涡旋"合并方向"相反,即敏感性试验热带气旋"狮子山"涡旋削弱,而"南川"涡旋强度相对增强,导致原涡旋西侧水汽、能量输送连体通道明显削弱,同时由于"南川"涡旋的强度强于"狮子山",两者东侧水汽、能量输送通道亦加强,导致"南川"涡旋对"狮子山"的涡旋存在"吸引"效应。"狮子山"涡旋残留云带一部分合并入"南川",一部分则随西南气流进入台风"圆规"。     

局地海表温度异常影响热带气旋路径的模拟研究

本文以热带气旋"鲇鱼"(2010)为例,利用WRF模式和"鲇鱼"移动路径上不同的局地海表温度(SST)强迫进行了敏感性数值模拟。控制试验(CTRL)采用NCEP的SST强迫,敏感性试验分别在"鲇鱼"登陆菲律宾前的路径上增加(EXP1)和减小(EXP2)SST。结果表明:CTRL试验模拟的热带气旋路径与实况非常一致,EXP1试验模拟的热带气旋路径提前转向,移动路径偏东,EXP2试验模拟的热带气旋路径转向滞后,且移动路径偏西。对SST异常导致热带气旋路径出现差异的原因分析发现,热带气旋在吕宋岛东侧经过异常暖SST海面时,热带气旋强度增强,产生异常的正涡度平流,且500 h Pa以上凝结潜热释放增强副热带高压敏感区出现温度场的正异常,500h Pa以下水凝物的混合和蒸发作用增强造成副热带高压敏感区温度场的负异常,加之正的异常涡度平流和异常的上暖下冷温度场配置使得500 h Pa位势高度降低,副热带高压强度减弱,副热带高压西伸范围减小,导致热带气旋提前向北转向,移动路径偏东。反之,当热带气旋在吕宋岛东侧经过异常冷SST海面时,副热带高压西伸范围扩大,导致热带气旋向北转向滞后,路径偏西。     

热带气旋海棠(2005)强度数值模拟试验

通过设计台风追随自移动嵌套网格、考虑海洋飞沫作用改进MRF边界层参数化方案、设计垂直-倾斜对流参数化方案等对MM5 V3.7中尺度模式进行改进,以NCEP逐日再分析资料为初始场,对2005年第5号热带气旋"海棠"进行了数值模拟试验。结果表明:通过设计自移动嵌套网格解决了热带气旋业务数值预报模式中细网格区域大小和位置难于确定问题,通过提高模式分辨率能大幅增强数值模式对热带气旋强度的预报能力;考虑海洋飞沫作用后,热带气旋范围内低层热通量明显增强,从而使模式大气低层增温和增湿明显,有利热带气旋内对流发生发展;考虑倾斜对流不稳定作用后,使倾斜对流有效位能得到释放,进一步提高了模式对热带气旋内部物理过程的描述能力。通过改进MM5模式,有效提高了热带气旋强度的数值模拟能力。     

云凝结核浓度对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

本文将非感应起电机制耦合到WRF中尺度模式中,选取Morrison双参数微物理方案,采用整体放电参数化方案,改变初始云凝结核（CCN）浓度（浓度变化从500 cm-3到4000 cm-3）,共模拟15组试验,讨论了CCN浓度（n_CCN）对雷暴云起电强度的影响。通过研究发现:随n_CCN增加,霰粒子数浓度减少,混合比增加,导致霰粒子平均尺度增加;冰晶粒子数浓度增加,混合比基本不变,导致冰晶粒子平均尺度减小。此外,霰粒子平均尺度增大,下落末速度增大,冰晶粒子平均尺度减小,下落末速度减小,二者末速度差值增加,导致单次碰撞电荷分离量增加。综上所述,气溶胶浓度增加使霰粒子与冰晶粒子碰撞分离过程增强,单次碰撞电荷分离量增加,正负电荷密度平均值增加,从而增强雷暴起电强度。     

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。     

一次热带气旋过程对出梅影响的数值模拟研究

采用中尺度数值模式WRF对2001年江淮梅雨期热带气旋(Tropical Cyclone,TC)进行数值模拟,研究TC"飞燕"对梅雨结束过程的影响。结果表明,模式能够较好地模拟出"飞燕"的路径与强度演变,并能够较为精确地再现梅雨后期的降水强度和落区。对比分析消除"飞燕"影响的敏感性数值试验结果发现,"飞燕"影响梅雨的机制在于:随着其向东北向移动,西太平洋副热带高压北抬,东亚高、低空急流强度均有所减弱,低空切变辐合变弱,梅雨锋强度减弱,使得来自西南方向的水汽输送减少,造成假相当位温梯度和湿位涡倾斜项减小,垂直上升运动明显削弱,降水中断,导致梅雨结束。而消除"飞燕"影响后,梅雨后期降水仍然较多,梅雨期将有所延长。     

多个热带气旋相互作用对南海热带气旋异常路径影响的数值模拟研究

本文利用数值预报式来研究可能造成南海热带气旋异常路径的一个因子，即多个热带气旋之间的相互作用。这里所说的热带气旋相互作用不是指通常所说的两个热带气旋很靠近时的相互吸引（排斥）或旋转这一类涡旋间的直接相互作用，而是指相隔远距离的热带气旋门，通过改变环境流场而造成的间接影响。所选的例子是位于南海的9009号热带气旋（Tasha）。与它同时存在的热带气旋中9008（Steve）与9010（Vernon）。先作了这次多个活动的数值预报试验，以判断模式的预报能力，然后通过有控制地改变9008与9010号热带气旋的参数，来考察这两个热带气旋活动对9009号热带气旋的路径的影响，并对这种影响的机理作一定的诊断分析。     

Simulation of the Electrification of a Tropical Cyclone Using the WRF-ARW Model：An Idealized Case

Evolution of the electrifi cation of an idealized tropical cyclone （TC） is simulated by using the Advanced Weather Research and Forecasting （WRF-ARW） model. The model was modifi ed by addition of explicit electrifi cation and a new bulk discharge scheme. The characteristics of TC lightning is further examined by analyses of the electrifi cation and the charge structure of the TC. The fi ndings thus obtained are able to unify most of the previous inconsisitent observational and simulation studies. The results indicate that the TC eyewall generally exhibits an inverted dipole charge structure with negative charge above the positive. In the intensifi cation stage, however, the extremely tall towers of the eyewall may exhibit a normal tripole structure with a main negative region between two regions of positive charge. The outer spiral rainband cells display a simple normal dipole structure during all the stages. It is further found that the diff erences in the charge structure are associated with diff erent updrafts and particle distributions. Weak updrafts, together with a coexistence region of diff erent particles at lower levels in the eyewall, result in charging processes that occur mainly in the positive graupel charging zone （PGCZ）. In the intensifi cation stage, the occurrence of charging processes in both positive and negative graupel charging zones is associated with strong updraft in the extremely tall towers. In addition, the coexistence region of graupel and ice crystals is mainly situated at upper levels in the outer rainband, so the charging processes mainly occur in the negative graupel charging zone （NGCZ）.     

Impacts of the Lowest Model Level Height on Tropical Cyclone Intensity and Structure简

Variable thicknesses in the lowest half-ηmodel level （LML） are often used in atmospheric models to compute surface diagnostic fields such as surface latent and sensible heat fluxes.The effects of the LML on simulated tropical cyclone （TC）evolution were investigated in this study using the Weather Research and Forecasting （WRF） model.The results demonstrated notable influences of the LML on TC evolution when the LML was placed below 12 m.The TC intensification rate decreased progressively with a lowering of the LML,but its ultimate intensity change was relatively small.The maximum 10-m winds showed different behavior to minimum sea level pressure and azimuthally-averaged tangential winds,and thus the windpressure relationship was changed accordingly by varying the LML.The TC circulation was more contracted in association with a higher LML.Surface latent heat fluxes were enhanced greatly by elevating the LML,wherein the wind speed at the LML played a dominant role.The changes in the wind speed at the LML were dependent not only on their profile differences,but also the different heights they were taken from.Due to the enhanced surface heat fluxes,more intense latent heat release occurred in the eyewall,which boosted the storm＇s intensification.A higher LML tended to produce a stronger storm,and therefore the surface friction was reinforced,which in turn induced stronger boundary layer inflow together with increased diabatic heating.     

西北太平洋台风季节预报的数值模拟

利用中尺度气象模式WRF（weather research and forecasting）对2006年7月1日-9月30日的西北太平洋夏季台风进行了动力季节预报试验。结果表明：1）在对3个月以内的台风作动力季节预报试验时,WRF模式模拟的台风总个数与实况接近,模式模拟的总登陆台风数与实况相比偏小。从各月模拟情况看,台风总数与登陆数的模拟均与实况有差距。WRF模式对台风强度的模拟总体偏弱。2）WRF在模拟2006年7q月台风以及平均高度场、水平风垂直切变时,7月与实况接近,随时间增长,与实况的差别明显增大．WRF模式具有一定的台风动力季节预报能力,但其预报时限有待探讨。     

北上热带气旋气候特征分析

北上热带气旋是影响我国华北和东北地区的重要天气系统,其带来的大风和暴雨,常常造成我国北方地区的风灾和水灾。利用建国以来56 a的气象资料,对影响我国的北上热带气旋进行气候分析。结果表明:从时间上看,平均每年约有3个北上热带气旋,最早出现在5月下旬,最晚出现在11月中旬,其中以7月和8月为最多;每年6—9月为北上热带气旋登陆季节,7月和8月登陆的热带气旋占85%。从强度上看,能够到达北方的热带气旋一般都是较强的热带气旋,在进入北上热带气旋定义区后,总体强度明显减弱,但在进入黄渤海时仍能够达到台风的强度;与北上热带气旋相比,北上登陆热带气旋的强度更大。统计分析发现,在辽宁和华北登陆的热带气旋,其强度大于在山东半岛登陆的热带气旋。北上登陆热带气旋和北转向、中转向的热带气旋一般均能产生暴雨和大风。     

热带气旋结构和强度变化研究进展

热带气旋结构和强度变化的物理过程和影响因子十分复杂,其登陆过程中海-陆-气三者之间的复杂作用常使其结构和强度发生突变,给热带气旋预报带来较大困难。近年来外场科学试验及数值模拟等科学方法都取得较大改进,在此基础上对热带气旋结构和强度研究取得了新的进展,如热带气旋强度突变及不同下垫面对热带气旋强度变化的影响等。但对热带气旋非对称结构对其强度的影响及热带气旋内部结构变化与其强度之间的联系等问题的研究仍不全面。本文通过查阅国内外相关研究文献,从环境气流、下垫面及内部结构3个主要方面,总结影响热带气旋结构和强度变化的主要因子,以期为改进热带气旋结构和强度的预报方法提供有意义的理论依据。     

基于A-Train卫星编队资料的热带气旋强度估算

准确估算热带气旋(TC)强度,对于预测TC发展、减少财产损失具有重要的意义。前人将TC看作满足静力平衡和梯度风平衡的轴对称涡旋系统,基于云顶高度、云顶温度、海表面气压等物理量建立了TC强度估算模型,该模型未考虑环境垂直风切变对TC强度的影响。本文提出一种修正模型,通过统计拟合手段将垂直风切变加入原模型中。从2006—2015年的Cloud Sat资料中筛选出穿心个例共63个。针对云雷达(CPR)数据特点,提出根据反射率因子的垂直分布确定眼墙和外围边界位置的方法。分别用原模型与修正模型对这63个TC个例进行强度估算。与最佳路径数据相比,原模型结果总体偏大,尤其对风切变较大、强度较小的个例估算效果不佳。修正模型对于风切变大于5 m·s~(-1)的个例误差明显减小,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平均绝对误差百分比MAPE分别从5.8 m·s~(-1)、7.7 m·s~(-1)和19.5%变为3.5 m·s~(-1)、4.9 m·s~(-1)和11.5%。在一定强度范围内,修正模型估算效果随着强度的增强而提升。修正模型对于成熟阶段的个例效果更好,北半球的估算精度高于南半球,纬度越高,估算误差越小。试验结果表明,用该修正模型估算TC强度是可行的,可以对现有的技术进行辅助和补充。     

西北太平洋台风尺度与强度变化之间关系初探

为探究西北太平洋台风尺度对台风强度变化的影响,从美国联合台风预警中心(JTWC)2006—2015年最优路径(best track)观测资料中筛选出快速增强和非快速增强两类台风样本,采用台风最大风速半径(RMW)、34 kn(1 kn=0.51 m/s)风速等值线半径(AR34)和最外围闭合等压线半径(ROCI)三个尺度参数,初步分析了台风尺度与强度变化之间的关系。结果表明:内核尺度(RMW和AR34)与台风强度变化之间存在显著负相关,而外核尺度(ROCI)与台风强度变化之间的相关性较弱。经历和未经历快速增强过程的两类台风的初始尺度,前者显著小于后者。可以使用RMW和AR34代表的尺度参数来辅助中小尺度台风的强度预报和快速增强过程的预测。     

Effect of tropical cyclone intensity and instability on the evolution of spiral bands

The evolution of spiral-band-like structures triggered by asymmetric heating in three tropical-cyclone-like vortices of different intensities is examined using the Three-Dimensional Vortex Perturbation Analyzer and Simulator （3DVPAS） model. To simulate the spiral bands, asymmetric thermal perturbations are imposed on the radius of maximum wind （RMW） of vortices, which can be considered as the location near the eyewall of real tropical cyclones （TCs）. All the three vortices experience a hydrostatic adjustment after the introduction of thermal asymmetries. It takes more time for weaker and stable vortices to finish such a process. The spiral-band-like structures, especially those distant from the vortex centers, form and evolve accompanying this process. In the quasi-balance state, the spiral bands are gradually concentrated to the inner core, the wave behavior of which resembles the features of classic vortex Rossby （VR） waves. The unstable vortices regain nonhydrostatic features after the quasi-balance stage. The spiral bands further from the vortex center, similar to distant spiral bands in real TCs, form and maintain more easily in the moderate basic-state vortex, satisfying the conditions of barotropic instability. The widest radial extent and longest-lived distant bands always exist in weak and stable vortices. This study represents an attempt to determine the role of TC intensity and stability in the formation and evolution of spiral bands via hydrostatic balance adjustment, and provides some valuable insights into the formation of distant spiral rainbands.     

数值模式的热带气旋强度预报订正及其集成应用

提供热带气旋强度预报产品的业务数值天气预报模式有很多,并已表现出一定的预报技巧,为提高对模式热带气旋强度预报产品的定量应用能力,分析2010—2012年7个业务数值模式的西北太平洋热带气旋强度预报,发现预报误差不仅受到模式热带气旋初始强度误差的显著影响,还与热带气旋及其所处环境的初始状况有密切关系,包括热带气旋初始强度、尺度、移速、环境气压、环境风切变、热带气旋发展潜势等。根据这些因子与各模式热带气旋强度预报误差之间的相关性,采用逐步回归方法建立热带气旋强度预报误差的统计预估模型,并通过逐个热带气旋滚动式建模来进行独立样本检验。检验结果表明,基于误差预估的模式订正预报比模式直接输出的热带气旋强度预报有显著改进,在此基础上建立的热带气旋强度多模式集成预报方案相对气候持续性预报方法在12 h有28%的正技巧,在24—72 h则稳定在15%—20%,具有业务参考价值。