地形对登陆台风麦莎(2005)影响的数值模拟研究

利用非静力平衡的中尺度模式MM5(V3)对2005年9号台风Matsa("麦莎")登陆后期的过程进行了48h模拟,应用低通滤波器分离模拟结果中的天气尺度和次天气尺度运动,并采用热带气旋动态坐标跟踪考察登陆过程中热带气旋的次天气尺度环流特征.通过研究地形对两种尺度间动能和涡度转换的影响,进一步证明了地形对热带气旋有着不可忽视的影响.结果表明,地形的存在有利于维持热带涡旋性强度,这种影响随气旋中心与地形间距离的缩小而逐渐增强,且强度的增强在对流层中高层表现得更为明显.去掉地形后对流层低层次天气尺度系统向热带气旋输送的动能减少,次天气尺度系统对热带气旋动能的消耗增大;当低层涡度转换项的垂直运动贡献为负时,去掉地形会加剧这种负贡献,即次天气尺度系统从热带气旋得到更多的正涡度;从整体上看,去掉地形后,热带气旋不仅没有从次天气尺度系统获得正涡度,反而将自身的正涡度向外输送.     

热带气旋登陆维持和迅速消亡的诊断研究

采用动态合成方法, 对登陆后长久维持热带气旋(LTC)和迅速衰亡热带气旋(STC)的涡度、动能、热量和水汽的收支平衡进行计算和对比分析.结果表明: (1)LTC在陆上长久维持过程中, 其低层正涡度衰减缓慢并保持一定强度.STC登陆后正涡度减弱较快.(2)热带气旋登陆后涡度的收支主要取决于水平散度项、平流项和剩余项.散度项使LTC低层正涡度增加, 高层减少, 平流项和剩余项则使其低层涡度减弱, 高层涡度增加.总体而言, LTC自高层获得正涡度的补充, STC则没有获得环境正涡度.(3)低层, 摩擦耗散使LTC动能减少, 但动能通量辐合可补充部分动能而减缓衰减.中高层, LTC登陆后36～60 h动能收大于支, 动能的增加一部分来自于斜压动能制造, 一部分来自于次网格尺度.STC有类似的动能耗散, 却无动能补充.(4)LTC登陆后保持一定强度, 并从外界获得热量和水汽补充来支持积云对流发展, 而积云对流对LTC的维持具有正反馈作用.STC登陆后没有这一过程.     

黄、渤海大风的次天气尺度环流特征及其应用

选取2008年12月出现在黄、渤海的一次大风过程,采用常规观测资料和NCEP全球再分析资料,对大风期间的次天气尺度特征及其与天气尺度系统之间的相互作用进行了诊断分析。结果表明,黄、渤海大风区的次天气尺度环流具有明显的波动特征,这种波动结构的维持与否和大风期间的天气尺度背景密切相关。黄、渤海位于高空槽前,波动结构维持,该区域从次天气尺度系统获得正涡度和动能,气旋发展,大风形成。中纬度斜压带东南移至黄、渤海上空,波动结构遭到破坏,消耗次天气尺度系统涡度,气旋减弱,但低层大气仍获得次天气尺度系统动能,大风维持。在与高空槽相互作用的过程中,虽然次天气尺度环流有不同的分布特征,但低层大气若获得次天气尺度动能,则有利于动能输入地区的风速增幅和大风持续,若消耗次天气尺度系统动能,大风停止。次天气尺度动能大值区主要在850hPa以下的低层。     

高空槽对9711号台风变性加强影响的数值研究

9711号台风Winnie是一个在中国大陆长久维持(2—3 d)并产生强降水的热带气旋(TC),在其深入内陆过程中变性加强为一个温带气旋。用MM5V3对不同强度高空槽影响下Winnie的变性加强过程进行了数值研究。结果表明:(1)Winnie变性加强过程表现为强锋面侵入台风内部、冷空气包裹台风中心、一个温带气旋在近地层锋面上强烈发展的过程;(2)Winnie在陆上的变性加强与西风带高空槽的强度密切相关。TC与不同强度高空槽相互作用过程中,较深槽携带较强冷平流、正涡度平流以及较强的槽前高空辐散,从而有利于TC的维持和变性发展。数值试验中,高空槽越强,Winnie变性加强越明显,温带气旋的发展越快;(3)模拟结果的位涡分析表明,Winnie的温带变性发展与对流层高层正位涡下传、低层锋区和TC低压环流三者之间的相互作用有关。     

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。     

登陆台风Matsa (麦莎) 中尺度扰动特征分析

地面中尺度自动站和多普勒雷达资料的分析都表明, 台风Matsa登陆后的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋性涡旋系统。本文使用新一代中尺度WRF模式对台风Matsa登陆后的变化特征进行了数值模拟, 使用四维变分多普勒雷达分析系统 (4D-VDRAS) 对台风Matsa多普勒雷达径向风进行了风场反演。在此基础上对台风Matsa登陆后中尺度扰动特性进行了初步探讨; 对台风Matsa与其螺旋云带的中尺度系统之间动能和涡度的相互转换进行了诊断分析。分析表明: (1) 数值模拟和雷达风场反演结果表明, 登陆台风Matsa的低层螺旋云带中活跃着中尺度气旋式涡旋系统, 与之相伴随的为较强的中尺度上升区, 而且, 中尺度垂直上升运动的强弱与雷达对流回波强度成正相关, 中尺度垂直上升运动越强, 雷达对流回波发展越旺盛。 (2) 台风Matsa与其中尺度系统动能转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统从台风Matsa环流中获得动能而发展; Matsa在陆地上长久维持主要是从高层获得动能。 (3) 台风Matsa与其中尺度系统涡度转换的诊断分析说明, 低层中尺度系统向Matsa输送正涡度主要依靠中尺度垂直运动来完成; 高层正涡度的转换通过水平输送和垂直输送共同来完成。所以, 中尺度系统所产生的正涡度源源不断地向Matsa输送, 使Matsa的气旋性环流可以在陆地上长久维持。     

热带气旋外围环流中次天气尺度系统及其与天气尺度系统相互作用的诊断分析

本文应用带通滤波的方法,分离出热带气旋外围环流中的天气尺度和次天气尺度系统。发现热带气旋外围强降水与低层次天气尺度系统的辐合关系相当密切。文中还计算了两种尺度系统间的动能和涡度转换。得出:在650hPa以上基本上是天气尺度系统向次天气尺度系统提供动能,在650hPa以下基本上是次天气尺度系统向天气尺度系统提供动能,整层积分的结果是天气尺度系统向次天气尺度系统提供动能。在900hPa和400hPa之间的涡度转换为次天气尺度系统向天气尺度系统转换,即涡度转换的结果是使得次天气尺度系统气旋性减弱,天气尺度系统气旋性增强。900hPa以下和400hPa以上则相反。整层积分的结果是次天气尺度系统向天气尺度系统提供正涡度。      

南海季风槽影响下热带气旋暴雨增幅的研究

使用NASA的热带测雨卫星TRMM资料、常规气象观测降水资料、NCAR/NCEP-2再分析资料及NCEP全球数据同化系统(GDAS)资料,分析研究南海季风槽伴随热带气旋登陆华南而导致热带气旋暴雨强烈增幅的事实,并根据观测事实提出季风槽伴随热带气旋登陆华南的定义.结果表明:(1)南海季风槽伴随热带气旋登陆导致热带气旋降水强烈增幅的天气现象发生在盛夏季节;(2)环流背景表现为副热带高压带状西伸,稳定控制华中一带;同时,西南季风活跃,南海季风槽位于南海北部之时;(3)热带气旋登陆后的填塞消亡时间因为季风槽的伴随而大大延长,热带气旋云系有再生、加强和扩展现象;(4)伴随登陆的季风槽对热带气旋暴雨无论是空间,时间,还是强度上均有强烈增幅作用,热带气旋暴雨在季风槽南侧延伸,尺度可达1500～2500km.     

涡旋自组织过程影响0604号热带气旋Bilis降水的数值研究

利用PSU/NCAR中尺度天气预报模式MM5,成功模拟了0604号热带气旋Bilis登陆后的移动路径和降水分布。在此基础上,讨论了不同尺度涡旋自组织过程对热带气旋Bilis产生局地暴雨的影响。结果表明:(1)引发强降水的对流系统不是来源于热带气旋螺旋云带内的对流云团,而是受热带气旋外围环流与局地地形影响下形成的多个中小尺度系统之间自组织的结果;(2)与0604号热带气旋Bilis登陆前后24小时的强降水相关的自组织过程是分阶段进行的,即第一阶段的双涡自组织过程和第二阶段的多涡自组织过程;(3)局地多尺度涡旋之间的自组织过程,是0604号热带气旋Bilis陆上强降水发生的主要动力机制。     

Winnie(1997)和Bilis(2000)变性过程的湿位涡分析

9711号台风Winnie和0010号台风Bills均在中国大陆发生变性，但前者变性后再度加强，而后者变性后减弱消亡。从湿位涡理论出发，对比分析两者的变性过程，结果表明：作为变性台风，Winnie和Bilis均在北上过程中与中纬度西风槽发生作用，但前者与高空槽发生耦合，后者仅接近高空槽底部，没有发生耦合；Winnie变性加强过程表现为一个温带气旋在低层锋区上的强烈发展过程，主要与高层正位涡扰动下传、低层锋区及热带气旋低压环流之间的相互作用有关。Pm湿斜压项增长引起的倾斜涡度发展是登陆热带气旋变性加强的主要因子。在Bills变性过程中，高层无明显的正位涡扰动下传，热带气旋低压环流内无锋区面出现，大气斜压性弱且变化不明显。     

IMPACTS OF TWO TROPICAL CYCLONES EXPERIENCING EXTRATROPICAL TRANSITION DURING NORTHWARD PROGRESSION ON THE RAINFALL OF LIAODONG PENINSULA

Both of Typhoon Winnie (9711) and Matsa (0509) underwent an extratropical transition (ET) process when they moved northward after landfall and affected Liaodong Peninsula. However, Matsa produced half as much rainfall as Winnie, although it struck Liaodong Peninsula directly while Winnie passed through the Bohai Sea. The relations between the ET processes and the precipitation over Liaodong Peninsula are examined. The result shows that the precipitation difference between Winnie and Matsa was closely related to the interactions between the westerly systems and typhoons during their ET processes. Winnie was captured by the upper westerly trough and then coupled with it when moving to the mid-latitudes, and the positive anomaly of moist potential vorticity (MPV) was transported downward from the upper troposphere over the remnant circulation of the tropical cyclone (TC). It was favorable to the interaction between tropical warm and wet air and westerly cold air, causing convective cloud clusters to form and develop. The rain belt composed of several meso-β cloud clusters over the Liaodong Peninsula, resulting in heavy rainfall. On the other hand, Matsa did not couple with any upper trough during its ET process and the positive anomaly of MPV in the upper troposphere and its downward transfer were weak. Only one meso-β cloud cluster occurred in Matsa’s rain belt during its ET process that tended to lessen rainfall over Liaodong Peninsula.     

台风螺旋雨带——涡旋Rossby波

台风中的螺旋云雨带是由多种探测手段被观测到的现象 ,是为大家所共识的不争事实。但是 ,对它的形成、维持的理论解释 ,虽有多种学说 ,一直以来人们都倾向于重力惯性波说。而重力惯性波说有一个致命的弱点 ,即波的相速理论值为 10 1m/s量级 ,它要比螺旋云雨带实测移速只有 10 0 m/s几乎大一个量级。于是从前几年开始 ,人们又回到 30多年前提出的涡旋 Rossby波说那里去寻找合适的解释。经典的Rossby波是 β =(df/dy)作用的大尺度波动 ,而适用于台风中螺旋云雨带的涡旋———Rossby波乃是 f平面 (β =0 )上的中尺度波动。那末 ,对这两类尺度不同和成波机理不同的波动 ,何以均冠予Rossby波一词 ?本文试图从动力学等价原理上 ,对此作统一联系的说明。其结果是 :台风基本气流的涡度 ζ随径向 (r)变化的梯度d ζdr=1rr(r vλ) ,在动力学上等价于科氏参数 f随纬度变化的梯度即β=df/dy ;或者说它们在绝对涡度守恒的前提下 ,作为波扰动的成波机理是等价的     

台风Nari(0116)登陆台湾过程中结构强度 变化的诊断分析

利用中国气象局上海台风研究所整编的2001年《热带气旋年鉴》、美国NCEP最后分析FNL 1°×1°全球格点资料以及日本气象厅云顶亮温(TBB)资料等,对0116号台风Nari自北向南穿越台湾岛过程中的结构强度变化进行诊断分析,结果表明:(1)登陆过程中Nari云系结构从圆形变为半圆形,其环流西部对流云团旺盛,而东部为无云或少云区.Nari在岛上期间一直维持这种非对称结构特征.(2)在穿越台湾岛过程中,Nari西部环流内低空急流轴从其北侧逆时针延伸至南侧.一方面,切向风角动量的增加和传播有利于台风涡旋环流的加强,另一方面,低空急流附近的水汽通量辐合及急流轴左侧较强的正涡度区,有利于气旋性环流的长久维持.(3)Nari的结构强度变化与台湾岛地形及海峡效应有密切关系.Nari环流西部位于台湾岛迎风一侧上升运动加强,而Nari环流东部位于背风一侧上升运动则受抑制,对Nari形成半圆形非对称对流分布起积极作用;而台湾海峡的狭管效应加速台风通过气流,有利于Nari环流西部低空急流的形成和增强.(4)动能收支诊断表明,Nari登陆过程中动能的主要来源是动能制造项,水平辐合运动也对其提供动能.     

台湾地形对台风Meranti(1010)经过海峡地区时迅速增强的影响研究

台风在趋近大陆过程中强度一般衰减, 但Meranti(1010)北上进入台湾海峡过程中却迅速加强, 且在登陆福建时达到最强。采用中国气象局台风资料、NCEP GFS 0.5°×0.5°再分析资料及台湾雷达资料, 结合中尺度数值模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)开展台湾地形敏感性试验, 研究Meranti进入台湾海峡过程中的结构变化及迅速加强机理。结果表明:台湾地形是Meranti迅速加强的一个重要影响因子。Meranti北上过程中, 一方面通过台湾岛地形分流作用及其背风坡效应在台湾海峡内诱生中尺度涡旋, 形成正负相间的涡度分布, 激发出与台风相关的扰动波列。地形强迫抬升及扰动波列可加强垂直运动和积云对流, 有利于台风对流发展。另一方面, 台湾地形还通过改变环境气流使台风高空辐散场加强, 环境风垂直切变减小, 形成有利于台风发展的环流背景。比较不同高度台湾地形试验中台风动能收支发现, 台湾地形激发的扰动波列和积云对流增强了次网格尺度系统与台风间能量的交换, 成为Meranti登陆前迅速加强的主要动能源。     

登陆过程中热带风暴"黄蜂"螺旋云带的分析

分析了热带风暴"黄蜂"在登陆过程中逐小时高分辨红外云图上的螺旋云带及其强对流云团的变化规律.从强对流云团发展为主螺旋云带的演变过程中,螺旋云带主要表现为其前端的对流逐渐加强,其余部分逐渐减弱,以及前端的强对流云团总体表现为旋入运动且维持时间较长,而其余部分的云团总体表现为远离中心等的特征.初步探讨了螺旋云带结构变化与风暴强度之间的关系和"黄蜂"在登陆后迅速减弱的可能原因.     

台湾岛地形对登陆台风“莫兰蒂”(1614)强对流雨带发展影响的模拟研究

2016年9月14~15日超强台风“莫兰蒂”（1614）登陆厦门后在福建省中北部引发了特大暴雨天气过程,特大暴雨由台风登陆后北侧至东北侧一个缓慢移动的长生命史中尺度强对流螺旋雨带活动造成。利用中尺度数值模式WRF（V3.9）对台风登陆引发福建省中北部特大暴雨过程进行了大区域无嵌套数值模拟,较准确地模拟了台风引发特大暴雨的强度和落区,并成功地再现了台风登陆后北侧至东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带的发生、发展过程。分析发现,台风大风区外围几个零散的中尺度辐合区在移入台湾地形下游的弱风切变区、正涡度带、湿静力能（假相当位温、比湿）锋区后,组织发展成一个带状的中尺度辐合带而形成强对流螺旋雨带,长时间地维持和发展,并向东北方向缓慢移动。台湾地形在有利于强对流螺旋雨带长时间组织发展和维持的中尺度环境场的形成中扮演着重要角色,即地形效应在其下游形成的正涡度带（正位涡带）、雨带（位于高湿静力能区）南侧低湿静力能带（即湿静力能锋区）,对强对流螺旋雨带的长时间发展维持非常重要。地形敏感性试验的结果进一步证实了台湾地形在台风登陆后东北侧长生命史中尺度强对流螺旋雨带形成及维持中的重要作用。     

AN ANALYSIS OF DISTRIBUTION AND MESOSCALE STRUCTURE OF PRECIPITATION ABOUT LANDFALL TROPICAL CYCLONE KOPPU (0915)

Observation from automatic weather stations, radars and TRMM satellites are employed to investigate the precipitation distribution of tropical cyclone (TC) Koppu (0915) that made landfall on Guangdong province in 2009. The results show that the precipitation of landfall TC Koppu is featured by significant asymmetry and mesoscale structure, and occurs mainly to the left of its moving path. By examining the sea surface temperature (SST), water vapor flux, Q vector, vertical wind shear of environment etc., it is found out that the distribution of SST, water vapor convergence, low-level convective ascending and vertical wind shear facilitates the TC precipitation to take place to the left of the TC moving path. The mesoscale structure separated by Barnes band-pass filter presents that the precipitation of landfall KOPPU has some organized mesoscale spiral structures, which is around the TC center and composed of the form of belts or blocks. The heavy local rainfall of landfall TC Koppu is primarily associated with the rainfall due to mesoscale spiral structure.     

Sensitivity of tropical cyclone intensification to inner-core structure

In this study, the dependence of tropical cyclone (TC) development on the inner-core structure of the parent vortex is examined using a pair of idealized numerical simulations. It is found that the radial profile of inner-core relative vorticity may have a great impact on its subsequent development. For a system with a larger inner-core relative vorticity/inertial stability, the conversion ratio of the diabatic heating to kinetic energy is greater. Furthermore, the behavior of the convective vorticity eddies is likely modulated by the system-scale circulation. For a parent vortex with a relatively higher inner-core vorticity and larger negative radial vorticity gradient, convective eddy formation and radially inward propagation is promoted through vorticity segregation. This provides a greater potential for these small-scale convective cells to self-organize into a mesoscale inner-core structure in the TC. In turn, convectively induced diabatic heating that is close to the center, along with higher inertial stability, efficiently enhances system-scale secondary circulation. This study provides a solid basis for further research into how the initial structure of a TC influences storm dynamics and thermodynamics.