基于CNOP方法的台风目标观测中三种敏感区 确定方案的比较研究

在目标观测中,敏感区的确定是个关键性的问题。本文详细研究了如何用条件非线性最优扰动（CNOP）方法确定敏感区。提出了三种确定敏感区的方案:水平投影方案、单点能量投影方案以及垂直积分能量方案。比较了三种方案确定的敏感区的差异,分析了它们所阐释的物理意义,讨论了它们的优缺点,并通过理想回报试验考查了不同方案确定的敏感区的有效性。对六个台风个例的应用结果显示,单点能量投影方案与垂直积分能量方案下识别的敏感区较为相似,二者与水平投影方案确定的敏感区则有较大的区别。两种能量方案确定的敏感区更多地反映了环境场对台风的影响,而水平投影方案则反映了台风自身对流不对称性结构对台风发展变化的影响。理想回报试验结果表明,由两种能量方案确定的敏感区对预报误差能量的减小程度以及路径预报的改善程度都要大于水平投影方案确定的敏感区的效果,且垂直积分能量方案确定的敏感区的有效性最高。而在强度预报方面,三种方案对预报效果的改善程度相当。因此,总的说在台风目标观测研究中,利用CNOP方法确定敏感区时,垂直积分能量方案是较佳的方案。     

一次台风暴雨过程的水汽特征分析

对2014年7月18-19日桂东南受1409号台风＂威马逊＂影响,出现一次降雨强度大、影响范围广、降雨时间长的暴雨过程进行水汽特征分析,得出和验证了有利于出现强降水的大尺度环流背景下,充分的水汽供应是暴雨形成的基本条件之一,水汽通量场反映了水汽源源不断向桂东南输送,水汽通量散度进一步反映有大量的水汽往桂东南输送。     

南海台风模式对“海燕”移动路径的预报

超强台风"海燕"是2013年最著名的台风。分析中国南海台风模式对"海燕"整个过程的预报,发现模式基本预报出"海燕"的快速穿过菲律宾和登陆越南后北翘东折的移动路径,但也存在一些不足,例如强度预报偏弱。通过高分辨率数值模拟分析了"海燕"的变化机理,发现高层暖心、高中低层一致东风气流是其超强发展和快速西移的主要特征。进一步的模式预报试验中,探讨了模拟技术对提高台风预报水平的影响作用。分析结果表明,准确的模式物理参数化(如边界层、积云对流和地形参数化)和模式初始大气构造等,以及提高模式分辨率有助于提高台风预报水平。     

2004年台风“艾利”与“米雷”路径异常变化分析

2004年西北太平洋上生成的台风"艾利"和"米雷"开始都是向西北方向移动,当快要进入东海时两个台风的路径均发生变化,"艾利"转向西南方向,形成倒抛物线形的路径,而"米雷"突然向东北方向转折。通过对这两个台风的不同时间尺度环境场及其与台风相互作用的分析表明,对于西南转向的"艾利",副热带高压(副高)西伸明显,台风位于副高的南侧,天气尺度风场对副高低频分量的涡度平流,使得台风西北侧出现负涡度,同时由于罗斯贝波能量频散,台风东南侧出现负涡度,与负涡度相联系的天气尺度异常环流导致台风西北侧和东南侧的天气尺度引导气流的作用相互抵消,台风主要在低频环流引导下向西南方向移动;对于突然向东北转向的"米雷",副高位置偏东,转向时刻只有东南侧增强的天气尺度西南风,天气尺度引导气流导致台风向东北转折。     

台风水汽稳定同位素组成与天气过程的关系——以2015 年13 号台风“苏迪罗”为例

基于台风“苏迪罗”（1513）影响前后南京实时高频监测的水汽稳定同位素数据,并结合再分析资料、HYSPLIT后向轨迹模型分析了大气水汽δ¹⁸O与天气过程之间的关系以及大气水汽过量氘所指示的水汽来源。结果表明,1）整个台风影响过程水汽δ¹⁸O先保持基本不变后一直下降的趋势,而水汽过量氘则呈现完全相反的变化趋势。2）根据台风“苏迪罗”影响前后南京水汽δ¹⁸O变化特征,将其划分为3个阶段：Ⅰ阶段水汽δ¹⁸O较高与南京地区较为稳定的大气条件相对应,水汽过量氘值较低指示南京地区主要受海洋水汽影响;Ⅱ阶段台风环流及其残压和北方南下冷空气相互作用造成南京地区强降水,水汽凝结和降雨蒸发的共同作用导致水汽δ¹⁸O不断贫化,较高的水汽过量氘表明南京地区主要受海洋和局地混合水汽的影响;Ⅲ阶段可能是中尺度下沉气流导致南京地区极端偏负的δ¹⁸O和高水汽过量氘。     

台风艾云尼非对称降水及动热力结构演变特征分析

台风艾云尼（1804号）第2次登陆广东过程中降水表现出显著的非对称分布,强降水主要位于其路径前进方向的右侧（简称台风右侧）。利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料、广东风廓线雷达观测资料以及降水观测资料,对造成非对称降水的环流背景和动力、热力结构演变特征进行了分析。结果表明:艾云尼左右两侧水汽输送及动力、热力条件差异是造成降水非对称的主要原因。加强的低空急流以及台风马力斯（1805号）水汽的输送为台风右侧强降水的产生提供了更好的水汽背景,而低空急流的加强配合高空强的辐散抽吸使得右侧垂直上升运动也明显大于左侧。边界层内强盛的低空急流以及珠江三角洲地区下垫面强摩擦辐合作用导致艾云尼右前侧径向入流强度更强、强入流层厚度更厚、边界层高度更高,且由于距离台风眼墙越近风速越大,上述现象越明显,为强降水的产生提供的动力和水汽条件越好。强降水期间艾云尼右侧低层大气维持不稳定状态,分析表明强低空急流携带的θ_se平流及其随高度的减弱弥补了强降水造成的能量损耗,是不稳定能量维持的重要原因。      

GRAPES Hybrid-3DVar对台风苏迪罗的数值试验

为了把反映天气形势变化的背景误差协方差引入到变分分析系统中来提高分析质量,本文在GRAPES区域三维变分框架的基础上通过扩展控制变量方法实现动态与静态背景误差协方差耦合,建立混合三维变分分析系统（GRAPES Hybrid-3DVar）。通过控制变量扰动产生的集合样本进行单点观测分析试验验证Hybrid-3DVar及其局地化方案的合理性,并针对台风苏迪罗进行实际观测资料同化和数值预报试验,结果表明:用集合样本描述的背景误差协方差是随着天气流型变化的,动力场和质量场的离散度在台风中心处最大,因而混合同化的分析增量包含更多细微结构和中小尺度信息;其分析和24 h内预报要素质量优于3DVar,24 h内降水强度和落区预报也更准确,混合同化分析改善了3DVar分析的降水空报问题;同时混合同化分析的24 h内台风路径预报也最接近实况,台风强度预报在48 h之内都比3DVar更接近观测。     

2017年“海棠”台风影响辽宁不同区域极端暴雨成因分析

利用常规观测、NCEP FNL、葵花8号卫星、GNSS反演大气可降水量、智能网格实况产品等资料,分析2017年“海棠”台风造成辽宁西部朝阳地区和东南部岫岩县的极端暴雨成因。结果表明：辽宁西部和东南半岛均出现区域性的极端特大暴雨,岫岩县小时雨强更大,最大雨强达到113 mm·h^-1,对流性降水特征明显。两个区域暴雨过程均受到热带、副热带、西风带系统共同作用,狭长型“海棠”台风沿着副热带高压西侧逐渐北上,并且与西风带短波槽相互作用,导致辽宁西部出现强降水,随后加强的涡旋系统后侧干冷空气与低空暖湿水汽输送带相互作用,导致岫岩县出现极端暴雨过程。热带台风“奥鹿”对副热带高压南落东退起到阻挡作用。两个区域均具有来自于南海的水汽通道,另外东南半岛也受到了“奥鹿”台风北侧水汽输送的影响。朝阳市和岫岩县大气可降水量值长时间接近65 mm和70 mm,异常指数最高达到3.0和2.5,表明此次暴雨水汽条件的极端性。辽宁西部降水期间动力不稳定更强,辐合层由地面伸展到500 hPa,而东南半岛降水期间上干下湿的水汽分布以及更强的冷暖空气交汇,有利于产生对流性降水。两个区域均受到多个中尺度云团的共同影响,朝阳地区初期降水由中γ尺度辐合线触发,后期台风在北上过程中与高空槽后部的干冷空气相互作用,形成的暖锋云系以及冷锋云系导致朝阳地区出现持续性强降水;加强的涡旋后部干空气侵入到暖湿水汽输送带中,配合岫岩县山区地面辐合线稳定不动,不断有积云触发并且直接影响岫岩县,导致岫岩县产生极端对流性暴雨。     

多尺度天气分析理论和应用Ⅱ:锋面和气旋的形成机制

利用多尺度天气分析理论,研究了锋面和气旋的形成机制.结果表明,冷、暖气团是由不同性质的亚微团在环境力的作用下向不同方向运动而形成的,而它们的交界面就是锋面.急流附近强动能梯度力能促进微团的分离,因此锋面与急流有很好的对应关系.另外,低空急流附近存在上干冷下暖湿的稳定气流,原因在于急流之上的能量梯度力与重力的方向相反,导致该区域微团所受到的作用力为零,形成稳定的结构.但当微团运动到急流出口处时,这种平衡不再存在,暖湿微团向上运动而干冷微团向下运动,形成剧烈的天气变化.地球自转所形成的离心力使得轻微团产生向北、向上的运动分量,导致极锋向北倾斜.气旋的形成同样是由亚微刚的分离而产生的.当轻微团离开微团,在绝对环境涡度场的作用下将发生旋转,旋转的方向与初始涡度的方向一致,在北半球地转涡度的垂直分量向上,为逆时针旋转,南半球为顺时针旋转.在气旋的形成过程中,轻亚微团在气压梯度力场和绝对涡度力的作用下呈现螺旋运动,是气旋系统普遍存在螺旋云带和雨带的原因.水汽是气旋在形成和加强过程中的基本能源,由于发生地的不同,温带气旋和台风在水汽输送方式上亦有差别:温带气旋主要依靠低空暖输送带进行水汽输送;台风因为发生在热带海洋,水汽充沛,各个层次都有水汽供应.气旋运动主要受三个力的制约:环境气压梯度场力、绝对涡度场力和环境涡度力,这三个力的作用导致台风在沿副热带高压边缘运动的同时,还存在蛇形路径和打转运动.     

台风“麦莎”的强度对台风前部飑线发展过程影响的研究

对2005年8月5日16时(UTC,下同)至6日00时发生的一次台风前部飑线过程进行了数值模拟,分析表明:台前飑线在母体台风和副高之间的湿区生成。台风为这次台前飑线过程提供了有利的条件,包括强的低空急流输送充沛的水汽,强的不稳定环境产生大的对流有效位能以及强的地表辐合,使得初始的离散的对流单体组织发展形成台前飑线。成熟时期的台前飑线虽然比中纬度和热带飑线的变压强度小,但是具有更强的低层暖湿空气入流,中层的入流范围也更加宽广。敏感性试验结果表明:台风强度越强,其台前飑线的回波强度越强,移动速度更快,生命史也更长。强台风使得低空垂直风切变更大,有利于台前飑线的生成和发展,在台前飑线发展成熟后,低空垂直风切变强度减小,不利于台前飑线的维持,加之低空水汽输送的减少,使其逐渐趋向衰亡。