台风"云娜"中的涡旋Rossby波研究

运用非静力平衡中尺度模式WRF(V2.03),对2004年14号台风“云娜”在登陆后产生强降水的过程进行了42h模拟,并对螺旋云雨带的涡度场结构进行了分析。分析结果表明,WRF能较好地模拟出台风在陆地上的移动路径,及其产生的台风暴雨的螺旋状分布。台风螺旋云雨带的形成与维持,可以用涡旋Rossby波理论来解释:可以通过改变局地相对涡度径向梯度分布,从而沿台风径向激发出“局地涡旋Rossby波”。     

采用外场观测试验资料对登陆台风"黄蜂"的风场及湍流特征的观测研究

热带气旋登陆时的破坏力和灾害经常非常严重.其强灾害的产生与热带气旋登陆时能量短时内的突然释放及台风中强烈的中尺度扰动特征有很大关系.常规观测站网及常规观测设备,无论时间和空间的分辨能力,都不能很好的反映这种特征,因而给台风灾害的准确预报带来困难.该文采用CLATEX(China Landfall Typhoon Experiment)登陆台风现场科学试验的观测资料,分析2002年强热带风暴"黄蜂"的风场、中尺度扰动场及动量通量特征;研究其登陆期间湍流动量通量变化特征.结果表明,使用首次在登陆台风外场观测试验中的风廓线仪观测资料,能较好的分析强热带风暴"黄蜂"的风场结构.有助于对登陆台风的风场和湍流动量通量时空分布及机理有进一步认识.     

超强台风“Saomai”的数值模拟及诊断分析

利用美国NCEP/NCAR全球预报系统的GFS资料以及中尺度非静力模式WRF,针对超强台风“Saomai”进行高分辨率数值模拟及诊断分析,模拟区域采用单层网格,分辨率为5km。研究结果表明,高分辨率数值模拟较好地再现了台风“Saomai”的发展演变过程及登陆情况。模拟的台风路径与实况较为吻合,变化趋势也基本一致;同时,模式对台风“Saomai”的环流场结构和台风登陆期间的累积降水分布特征也取得了较好的模拟效果。进一步通过850hPa涡度、相对螺旋度、水汽通量等对台风“Saomai”发展演变及登陆期间引起的暴雨开展模拟诊断,结果表明:在模拟时间段内,涡度和相对螺旋度的强中心与暴雨区中心有较好对应,水汽通量对降水趋势有较好的指示,上述诊断物理量的演变与降水的时空变化较为一致,在一定程度上具有指示意义。     

台风莫拉克动力结构的高分辨率数值模拟及诊断分析

本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2009年8号台风莫拉克进行了高分辨率数值模拟,模拟过程采用三重嵌套,最高分辨率为2 km,共积分72 h(3 d).对实际观测资料与模式模拟结果进行了细致对比和验证分析,结果表明,“莫拉克”台风的发展演变以及登陆过程得到了较好模拟再现,模拟的台风路径与观测路径较为一致,同时“莫拉克”台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征也有较好再现.利用物理量广义波作用密度因子对“莫拉克”引发的暴雨过程进行诊断分析,结果表明,波作用密度的异常值区始终伴随着降水区的发展而起伏变化,两者在水平分布和时间演变趋势上都较为相似,表明“莫拉克”台风降水活动受波动影响明显,广义波作用密度能够综合表征莫拉克台风降水系统动力场和热力场扰动的典型垂直结构,对强降水落区有较好的指示作用.     

登陆孟湾风暴结构演变特征数值模拟研究

利用MM5V3中尺度数值模式对2004年5月19日登陆的孟湾风暴进行了数值模拟分析,讨论了风暴中心移动路径,分析了风暴登陆前后的流场、动力场和热力场结构,并与西太平洋登陆台风的结构变化做了比较。结果表明,风暴中心的模拟路径与实况路径虽有一定误差,但总趋势均向东北方向移动,表明模式对本个例的模拟预报可以参考;孟湾风暴登陆前后,其结构与登陆台风变性阶段一样,经历了从热带气旋的基本对称的垂直分布结构演变到斜压非对称结构;风暴登陆后,由于地形和冷空气的作用,动力场和热力场表现为对流层中低层锋区增强、倾斜涡度发展,导致对流不稳定和斜压不稳定。     

一次台风登陆过程的变分同化模拟试验

本文主要对0509号台风"麦莎"的登陆过程进行模拟试验,把云迹风资料引入三维变分同化系统,分析了同化水汽通道和红外通道的云迹风资料对初始场的影响;利用美国新一代中尺度模式WRF针对台风登陆前后过程做了48 h数值模拟试验,模拟结果表明:引入同化云迹风资料后,对模拟台风登陆前后的路径移向, 降雨分布及强度变化方面,都有一定程度的改善,进而初步探讨了"麦莎"台风陆上长期维持的机制.     

登陆台风Winnie(1997)的数值模拟研究Ⅰ:结果检验和云系的模拟

用非静力平衡的中尺度模式MM5 (V2 )对 1997年 11号台风Winnie在登陆后演变为温带气旋的过程进行了48h模拟。结果表明 :MM 5不仅比较好地模拟出台风在陆地上的移动路径及其产生的降水 ,而且成功地模拟出了台风登陆后次中心的产生。利用模拟大气中的水物质 (云水、雨水、冰晶、雪水和霰 )模拟了台风云图 ,很好地展示了在卫星实际观测的红外云图上 ,Winnie台风在登陆后其云系的结构从热带气旋的螺旋结构到温带气旋的锋面云系结构的转变过程。因此对Winnie台风的数值模拟可以作为深入研究台风登陆后从热带气旋演变为温带气旋的变性过程的基础。     

强台风"云娜"登陆过程的研究——基于AREM模式的数值分析

使用新改进的双重嵌套AREM数值预报模式,并与高时空分辨率的探测资料相结合,针对台风“云娜”登陆加强的特点进行数值模拟分析,结果表明该模式对“云娜”台风环流特征、强度变化趋势和台风降雨等都有较强的预报能力。在此基础上,定量研究其登陆加强过程中三维大气中尺度场动、热力特征及演变过程,并探讨了其登陆加强的机理。由此得出了与“云娜”登陆加强相关的重要影响因子:(1)副热带高压西南侧的偏东引导气流加强是“云娜”登陆前移速加快、强度增强的有利环境场条件。(2)“云娜”近海移速加快时有较强的东密西疏的不对称流场结构,特别是其垂直速度场以及强对流发展的水平分布的强不对称特征与该气旋登陆加强同时发生,也可能与台风强度维持和加强存在一定的相关。(3)在“云娜”中心西南侧的强凝结潜热释放过程,有可能助其在登陆时加强。此外,在“云娜”发展加强阶段,低层暖湿、中层干冷的位势不稳定层结,有利于对流的强盛发展。(4)“云娜”登陆前后有强低空急流与之联结,并有垂直对流运动发展,由此可获得不断增强的潜热能量是其登陆加强的另一个重要机制。     

台风“凤凰”登陆过程的高分辨率数值模拟及其降水的诊断分析

本文利用中尺度非静力数值模式WRF对2008年第8号台风 “凤凰” 的登陆过程开展了高分辨率数值模拟, 模拟采用3重嵌套, 最高分辨率3 km, 共积分120小时 (5天)。利用收集到的常规和非常规观测资料与模式模拟结果进行了细致的对比验证分析。结果指出, 模式较好地模拟再现了 “凤凰” 台风的发展演变以及登陆过程, 模拟的台风路径与观测路径较为一致, 同时模式也较好地把握住了整个模拟时段当中, “凤凰” 台风的强度演变过程以及主要的雷达回波特征, 模拟取得了初步成功。进一步, 利用高分辨率的模拟资料对此次台风登陆过程开展了散度垂直通量|Q|的诊断分析, 结果表明, 在整个研究时段内, |Q|的异常值区始终覆盖在地面雨区之上, 二者的空间分布和时间演变趋势比较相似, 并且在雨区内|Q|表现为强信号, 而在非雨区|Q|表现为弱信号。这表明散度垂直通量能够描述暴雨过程中低层大气辐合和高层大气辐散的垂直动力结构, 对强降水落区有较好的指示作用。     

台风“凡亚比”的诊断分析和数值模拟研究

运用WRF模式对2010年11号台风"凡亚比"进行数值模拟和诊断分析,将模式模拟的结果与观测资料进行对比表明,模式对台风"凡亚比"的登陆过程模拟效果还是比较好的,基本表现出了台风的演变过程的特征;模式较好地模拟出了台风的几次转向,除了后期路径整体偏北以外,模拟路径与观测路径较为接近;经过一段时间的运转后,模式模拟效果逐渐改善,虽然降水强度与实况还存在着一定差距,但是基本模拟出了降水落区和降水中心。     

非静力AREM模式设计及其数值模拟II:数值模拟试验

在程锐等（2018）中,我们完成了非静力AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）模式动力框架设计。本文将通过理想和实例试验检验其模拟能力。设计理想试验并通过与国际成熟的中尺度非静力框架比较,直接检验非静力AREM三维动力框架在细致分辨率（约1 km）下的模拟性能。可以看出,非静力AREM与ARPS（Advanced Regional Prediction System）、WRF（Weather Research and Forecasting Model）模拟出类似的积云对流结构及演变特征,从而基本确证了本文发展的非静力框架的正确性。结合原静力平衡模式的初始化和物理参数化过程,形成非静力AREM模式系统。台风实例模拟表明,粗分辨率下静力、非静力AREM模式性能接近;但在高分辨率下,非静力明显优于静力模式。我们还开展了批量降水试验检验,对非静力AREM模式性能进行了进一步的验证。     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅰ:云微物理参数化对云结构及降水特征的影响

首先对AREM模式模拟的台风基本结构和云结构进行验证,检验了模拟结果的可靠性.在此基础上,设计了5组试验来研究云微物理参数化方案对台风"云娜"云结构及降水特征的影响.试验设计主要突出冰相云微物理过程、云微物理特征引发的冷却效应以及霰下落速度的重要性.结果表明:云微物理参数化过程对云的发展和降水特征的影响更为显著.各试验的水凝物分布和强度不同,降水类型和强度存在较大差异,由此引起的云中热力结构也有较大区别;在所有试验方案中,24 h降水率最大差异为52.5 mm/h.云微物理过程对云和降水特征的具体影响表现在:(1)如果不考虑雨水蒸发冷却效应,此时台风内核上升运动强度最强(达到-19 Pa/s),雨水和霰粒子增长最明显,相对于对照试验增量分别为1.8和2.5 g/kg.(2)霰和雪的融化对于螺旋雨带中雨滴的增长十分重要,但他们可能不是云墙中雨水形成的主导因子.(3)不同方案的降水模拟特征也存在较大差别,采用暖云参数化后,降水区域最小,但其中对流降水比例最大(63.19%);霰落速减半后,降水区域最大,其中非对流降水比例也最大(51.15%).     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅱ:云微物理参数化对强度和路径的影响

在分析云微物理参数化对云结构和降水特征的影响的基础上,研究云微物理参数化过程对台风"云娜"强度与路径的影响.结果表明:云微物理过程对台风强度和路径有一定影响,其中不考虑雨水蒸发冷却效应后,比其他试验最终地面最大风速强7 m/s以上,但此时登陆地点误差最大,与对照试验偏离150 km左右.我们还从螺旋雨带结构变化及环境风切变影响角度分析台风临近登陆时强度模拟减弱的原因,发现过强的外围螺旋雨带以及环境风场垂直切变对于台风的加深、维持是不利的,他们可能会造成"云娜"临近登陆时强度的下降.不难看出,云微物理过程可以加强甚至产生外螺旋雨带,当外围雨带发展加强之后,可以引起局地辐合强度增强,从而限制了大量水汽和能量向台风内核输送,从而会导致台风强度下降.此外,外围螺旋雨带的发展,还可以从对流层中层带来干冷空气入侵行星边界层;而当入流边界层中雨水下落时,其自身的蒸发也会使周围气块温度下降;这些干冷气团在入流气流的输送下进入台风内核,从而对云墙产生了"冷侵蚀",最终引起台风强度下降.因此,减小上述两方面的模拟误差,应能改进台风"云娜"登陆过程中强度的模拟效果.     

人造台风模型中三维风场的改进及敏感性模拟研究

对MM5的人造台风风场方案进行了分析,并引入台风移速、移向、摩擦等客观因素构造非对称切向风场,尝试选择合理的径向风方案,并考虑风场垂直结构,改进出三维非对称台风风场模型.通过对"云娜"台风模式初始场的对比发现,径向风及高空反气旋环流的引入突出了台风的基本特征,与观测事实相接近.最后进行敏感性数值模拟,通过比较台风路径及移速、海平面气压、最大风速等模拟要素,结果表明:改进后的台风模型通过订正初始场,对台风路径及强度预报效果的提高也有正效应.     

A Numerical Simulation Study of Typhoon Rananim（0414）

Using the high-resolution non-hydrostatic model ARPS (Advanced Regional Prediction System),the Typhoon Rananim (0414) was simulated by using the CINRAD Doppler radar data.The results before and after typhoon landfall show that model ARPS performs well to simulate the track,the variation of center pressure,as well as severe heavy rain of Rananim.Meanwhile,the simulated composite reflectivity was compared with the observed radar composite reflectivity.The numerical results reveal that the asymmetrical structure of Rananim plays an important role in its westward deflecting after landfall.The sensitivity simulation experiments of terrain effects on Rananim (0414) were also investigated,and the terrain of the southeastern China has important effects on Rananim turning right slightly of its track and increasing its intensity obviously,but when typhoon is far away from the coastline,the terrain only impacts slightly on the storm intensity during its landfall.The results show that topographic lifting contributes greatly to precipitation enhancement,and makes the distribution of precipitation more uneven.     

Impact of Cloud Microphysical Processes on the Simulation of Typhoon Rananim near Shore. Part I: Cloud Structure and Precipitation Features

By using the Advanced Regional Eta-coordinate Model (AREM), the basic structure and cloud features of Typhoon Rananim are simulated and verified against observations. Five sets of experiments are designed to investigate the effects of the cloud microphysical processes on the model cloud structure and precipitation features. The importance of the ice-phase microphysics, the cooling effect related to microphysical characteristics change, and the influence of terminal velocity of graupel are examined. The resu...     

不同微物理方案对台风“利奇马”雨带模拟的影响分析

云微物理过程是影响台风降水数值模拟的关键过程。利用华东中尺度模式系统,选取Thompson与CLR两种微物理参数化方案对台风“利奇马”进行数值模拟,对比观测、卫星资料,评估两个微物理参数化方案对台风模拟的影响,结果表明:相比于Thompson方案,CLR方案对台风“利奇马”的模拟在登陆后的路径、强度、降水明显更接近观测;Thompson方案在距离台风中心约100 km形成较强的螺旋雨带,而CLR方案在距离台风中心150 km左右的位置形成了较弱的螺旋雨带。进一步的分析表明,CLR方案模拟出的外围雨带距离台风中心的距离更远,是由于CLR方案中冰、霰等冰相态水凝物下落速度更小,更有可能被推送到距离台风中心更远的位置,从而形成不同的雨带分布。      

The Dynamical Characteristics and Wave Structure of Typhoon Rananim （2004）

Typhoon Rananim (2004) was one of the severest typhoons landfalling the Chinese mainland from 1996 to 2004. It brought serious damage and induced prodigious economical loss. Using a new generation of mesoscale model, named the Weather Research and Forecasting (WRF) modeling system, with 1.667 km grid horizontal spacing on the finest nested mesh, Rananim was successfully simulated in terms of track, intensity, eye, eyewall, and spiral rainbands. We compared the structures of Rananim to those of hurricanes in previous studies and observations to assess the validity of simulation. The three-dimensional (3D) dynamic and thermal structures of eye and eyewall were studied based on the simulated results. The focus was investigation of the characteristics of the vortex Rossby waves in the inner-core region. We found that the Rossby vortex waves propagate azimuthally upwind against the azimuthal mean tangential flow around the eyewall, and their period was longer than that of an air parcel moving within the azimuthal mean tangential flow. They also propagated outward against the boundary layer inflow of the azimuthal mean vortex. Futhermore, we studied the connection between the spiral potential vorticity (PV) bands and spiral rainbands, and found that the vortex Rossby waves played an important role in the formation process of spiral rainbands.     

垂直-倾斜对流一体化参数化方案的实现及数值试验

在Kuo-Anthes垂直对流参数化方案和Nordeng倾斜对流参数化方案基础上,提出了垂直-倾斜对流一体化参数化方案,并引入MM5模式中.利用该方案对2008年1月28-29日发生在中国南方的一次暴雪过程和2005年"海棠"台风过程进行了数值模拟,模拟结果表明,此次暴雪过程在垂直方向主要表现对流稳定状态,但在对流层低层始终存在条件件对称不稳定层,并且当条件性对称不稳定区向高层发展时,伴随着强上升运动作为触发机制,引发条件性对称不稳定能量的释放,产生更多的对流降水,使模拟的总降水量与实况更加一致.条件性对称不稳定的发展加强与降雪强度、辐合辐散和上升运动变化一致,条件性对称不稳定是造成暴雪发展加强的主要机制之一.通过对"海棠"台风72 h的模拟表明,条件性对称不稳定主要发生在台风的低层,且其水平分布呈螺旋状结构.条件性对称不稳定效应对台风路径影响较小,但对台风强度影响较大,在模式中考虑垂直-倾斜对流一体化参数化方案后,与仅考虑垂直积云对流参数化方案相比,72 h模拟的平均台风中心最低气压降低了3 hPa,最大达8 hPa.在模式中考虑条件性对称不稳定的影响,可使模式台风中上层的暖心结构更加明显,上升运动和对流性降水增强,对流释放的更多凝结潜热使台风得到进一步加强.