热带气旋生成问题研究综述

热带气旋可以造成严重自然灾害。在全球变暖的气候背景下,热带气旋生成问题成为当前国际热带气旋研究领域的学术热点和难点。从热带气旋生成的环境条件、大尺度扰动源、重要物理机制和热带气旋生成期的定义等几个方面,较系统地回顾总结了国内外关于热带气旋生成相关研究的主要进展,特别是近年来关于热带气旋生成过程中多尺度相互作用机制的研究新成果,并提出当前亟需研究的一些科学问题。      

SANDRA法对北京小时强降水扰动环流场的分型研究

利用cost733class软件中的SANDRA(Simulated ANnealing and Diversified RAndomization)客观分型方法对北京地区2007～2014年暖季5～9月的小时强降水日的500 hPa扰动位势高度场进行分型研究。结果显示,所划分的4类环流形势分别在蒙古、东北—华北地区、河套地区和俄罗斯远东地区存在扰动低压区。根据4类环流形势的质心,将2007～2014年暖季所有日划归4类,计算每类小时强降水日占各自类型总天数的百分比得出蒙古扰动低压类的小时强降水日出现概率最大。统计小时强降水日的探空廓线得出,925 hPa和850 hPa的比湿中位数分别为13.01 g kg~(-1)和10.64 g kg~(-1),这2个层级上最常出现的风向是180°～225°。     

“碧利斯”(0604)暴雨过程不同类型降水云微物理特征分析

本文利用"碧利斯"(0604)暴雨增幅过程高分辨率的数值模拟资料, 将降水分成对流降水和层云降水, 对比分析了不同类型降水云微物理特征和过程的差异, 探讨了不同类型降水对暴雨增幅的贡献, 结果指出:(1)暴雨增幅前, 降水基本为层云降水, 对流降水只存在于零星的几个小区域, 暴雨增幅发生时段, 对流降水所占比例较暴雨增幅前有显著增加, 平均降水强度达层云降水强度的3倍多。(2)暴雨增幅时段, 云系发展更加旺盛, 云中各种水凝物含量较增幅前明显增加, 其中, 对流和层云降水区云中水凝物含量均有一定程度增长, 但对流降水区增加更显著;而无论增幅前还是增幅时段, 对流降水区云中水凝物含量均要明显大于层云降水区, 并且两者的这种差异随着地面降水强度的增强而增大。(3)暴雨增幅前后, 对流降水区雨滴的两个主要来源最终均可以追踪到云水, 通过云水与大的液相粒子(雨滴)和大的固相粒子(雪)之间、以及大的固相粒子(雪和霰)之间的相互作用和转化, 造成雨滴增长, 并最终形成地面降水, 而层云降水区中与雨滴形成相关的上述主要云微物理过程明显变弱, 但层云降水区中暴雨增幅时段的上述过程又要强于增幅前, 说明层云降水对暴雨增幅也有一定贡献。     

ENSEMBLE PREDICTION EXPERIMENTS OF TRACKS OF TROPICAL CYCLONES BY USING MULTIPLE CUMULUS PARAMETERIZATION SCHEMES

Ensemble prediction experiments of the tracks of eight tropical cyclones occurring between 2004 -2006 over the western Pacific have been performed by using MM5 with five cumulus parameterizations chemes. The results show that the predictions of the tracks of the tropical cyclones are sensitive to the selection of cumulus parameterization schemes. Each scheme has its own advantage and disadvantage, and the predications without cumulus parameterization schemes are not the worst, sometimes even better than the others. And all of the three ensemble methods improve the predictions of the tracks significantly, among which the ensemble method without parameterization schemes, the Grell, Betts-Miller and Kain-Fritsch schemes are the best.     

1999年梅雨锋系结构特征的模拟诊断

通过中尺度模式MM5对1999年江淮流域一次梅雨锋暴雨过程的数值模拟,利用高分辨率模拟资料,诊断了江淮地区梅雨锋系的双锋结构特征及相应的大气相当位温、位温和湿度(比湿)分布特征.结果表明,大气位温梯度和湿度梯度均对江淮梅雨锋系双锋结构中相应的两个相当位温梯度大值带的存在有着重要贡献,而湿度梯度的贡献更大.进而从理论上推导了大气湿度梯度倾向方程,指出大气湿度梯度的变化与平流效应、散度效应、水平或垂直涡管(次级环流)效应以及水汽源汇的梯度有关;利用中尺度模拟资料对湿度梯度倾向方程的经向分量进行了简单的方程诊断,模拟时段平均的诊断分析表明,大气经向湿度梯度绝对值的变化主要同散度效应、与水平涡管相关的次级环流效应以及水汽源汇效应相关.由于水汽源汇是由与水汽相关的相变过程造成,与云物理过程的发展和演变直接相关,因此,大气湿度梯度的演变与云物理过程,并进而与云或降水系统的分布、发展和演变相关.梅雨锋系的存在为其附近暴雨中尺度系统的发展提供了有利的环境条件,起到一定的组织或控制作用;反过来,暴雨系统的发展、降水云系的发展和演变,又通过改变大气温、湿状况,对梅雨锋系产生影响.     

2001年台风“榴莲”生成前期对流“热塔”的数值模拟

积云对流热塔(hot tower)对台风生成具有重要意义,但以往对热塔的认识一直停留在概念性语言描述上。采用PSU-NCAR MM5模式对2001年台风“榴莲”在正压环境条件下的生成过程,进行了成功的高分辨率(6 km)显式数值模拟。利用模式输出的高时空分辨率资料,对与台风“榴莲”生成相关的对流热塔进行了比较细致的考察,分析了成熟热塔的结构图像,并通过实例证实了Montgomery(2006)提出的热塔偶极涡度对概念模型。其主要特征包括：(1) 热塔内部垂直上升运动强烈,从边界层开始,直达甚至穿透对流层顶,最大上升速度中心位于对流层中上层;(2) 在地面到200 hPa之间,具有强雷达回波特征的对流云塔垂直耸立,边界光滑;(3) 热塔的侧边界相当位温面十分陡立,基本呈中心对称分布;(4) 热塔远比周围环境空气温度高,高温扰动中心可达4 K以上,位于最大上升速度中心上方附近;(5) 所有热塔都伴随有偶极涡度对,在垂直剖面图上偶极涡度对呈现多样性,以单偶极和双偶极为主要形式,有时也存在三偶极的形式;(6) 偶极涡度对进一步与偶极涡旋对对应;(7) 垂直速度和正涡度柱在对流层中上层基本不重合;(8) 热塔内水平风速剧烈地向垂直方向扭转。另外,初步分析了偶极涡度对的形成机制,偶极涡度对的产生归因于水平涡管向垂直涡管的剧烈扭转。     

暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究

本文总结了近年来我们在暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究领域的主要成果。从广义位涡理论、梅雨锋及变形锋生、暴雨中尺度系统的不稳定性、有限区域风场分解技术对暴雨中尺度系统的识别、中尺度波流相互作用理论以及数值模拟研究等方面进行了分类概括。对暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断的研究回顾表明,雷达资料同化进入模式有效地改进了对中尺度系统发生、发展的模拟结果;一些新的物理量,如非均匀饱和位涡、对流涡度矢量、变形场锋生以及有限区域风场分解方法等在暴雨中尺度系统及热带对流发展诊断分析中得到了广泛应用。同时,波流相互作用理论也被应用到了中尺度系统发展的动力分析研究中。     

对流涡度矢量和湿涡度矢量在暴雨诊断分析中的应用研究

利用对流涡度矢量(CVV, (ζa×θe)/ρ)和湿涡度矢量(MVV, (ζa×θv)/ρ)对华北地区一次大范围的大到暴雨天气过程进行了诊断研究.结果表明,CVV和MVV垂直分量与云和降水密切相关,暴雨区区域平均和垂直积分的CVV和MVV垂直分量与云中水凝物混合比的相关系数分别为0.92和0.95,与降水率的相关系数分别为0.71和0.47.云中水凝物分为液态水凝物和固态水凝物,虽然同态水凝物的含量相对较少,但它在云的变化中起着更重要的作用.滞后相关分析表明,降水率的峰值到来之前4-5 h云中水凝物含晕最少,降水率的峰值到来之后1-2 h,云中水凝物含量最多.云中水凝物与降水率的滞后相关系数主要是由液态水凝物与降水率的滞后相关系数决定的,只有约1/4的滞后相关系数是由固态水凝物与降水率的滞后相关系数贡献的.CVV和MVV的垂直分量与云中水凝物具有非常好的相关性(同时及滞后),与降水率的相关也较好,可以代表云和对流系统的发展.CVV和MVV垂直分量的局地变化超前降水率3 h左右,可以作为降水发生的先兆,对降水的预报有潜在的意义.CVV垂直分量的局地变化与降水率的相关系数大于MVV垂直分量的局地变化与降水率的相关系数,因此在实际预报中可以利用CVV垂直分量的局地变化来估计未来降水的变化.     

2007年7月江淮流域降水过程云分辨尺度模拟研究——数值模拟及验证

利用美国Goddard中心的云分辨尺度模式,对2007年7月2—9日江淮流域的一次暴雨过程进行了高分辨率的模拟研究。首先利用NCAR/NCEP再分析资料、地面降水观测以及卫星云图等常规和非常规观测资料,对此次降水过程开展了天气尺度分析,对过程降水特点有了初步了解;进而利用NCAR/NCEP再分析资料形成云模式大尺度强迫场,对降水过程开展了长度约8天的高分辨率数值模拟。通过观测与模拟的地面雨强以及雷达反射率等的对比分析发现,模式很好地模拟出了此次强降水过程的时空分布和演变特征,以及主要的雷达回波结构特点,模拟结果可用于进一步针对江淮流域地面强降水过程细致的定量诊断分析研究。     

台风榴莲(2001)在季风槽中生成的机制探讨

利用NCEP 1°×1°分析资料、TMI海温资料、卫星云图资料对季风槽中南海台风榴莲(2001)生成机制进行了分析,揭示了大尺度环境流场、温暖洋面、中尺度对流活动对热带气旋(TC)生成的控制作用.结果表明,水平风速垂直切变的演变在一定程度上指示着TC在暖湿洋面上生成的时间,水平风速垂直切变由强向弱转变,在TC发生前18小时迅速减小到10 m/s,随后在10 m/s以下维持少变,垂直切变的变化主要反映了对流层高层环流形势的演变;在对流层中低层,季风槽的形成和加强对TC的生成有重要作用,由于热带温暖洋面作用,季风槽首先表现出有利于单体对流和带状对流发生发展的条件性对流不稳定特征,随着季风槽的加强,季风槽进一步表现出有利于中尺度扰动发生发展的正压不稳定特征;季风槽槽线南侧的低空急流的经向分布很宽广,由105°E越赤道气流和中南半岛偏西气流(其源头是索马里越赤道低空急流)汇合而成,急流的加强活动具有经向差异,由于边界层高θ_e空气辐合抬升产生两条经向距离约300 km的显著带状对流云系,槽线南侧风速分布的经向差异导致两条带状云系发生追赶,并逐步在季风槽底部槽线附近合并加强为MCC,进而导致中尺度涡旋(MCV)的产生并最终发展成为TC.分析结果还表明,为深对供应丰富对流有效位能的主要是来自台风发生区域本地南海暖洋面的地面热通量,南海暖洋面对TC生成有重要贡献.台风榴莲的生成是一个多尺度相互作用过程,主要包括涡旋对流热塔、与带状对流云系伴随的涡度带的升尺度,涡度带合并成长为MCV,以及大尺度条件对TC在季风槽中生成的时间及地点的控制作用等.