嵌套高分辨率网格对我国东南沿海登陆台风模拟的影响

嵌套高分辨率网格对台风模拟有十分重要的影响。基于COAWST(coupled ocean atmosphere wave sediment transport)模式,针对登陆广东、海南的11个台风,设计了2组模拟方案。一组是在9 km分辨率下嵌套3 km分辨率网格,另一组是采用单层9 km分辨率网格。将模拟结果与中国气象局热带气旋资料中心发布的最佳路径数据进行对比,以探讨嵌套高分辨率网格是否可以提高台风模拟的准确性。从台风路径的模拟结果来看,在9 km分辨率下嵌套3 km分辨率网格对台风路径模拟的误差较小,而单层9 km分辨率网格模拟的台风路径误差较大。通过对比两组方案模拟的台风路径、强度和结构,在模拟区域中使用嵌套高分辨率网格方案的模拟准确性有所提高。两种方案模拟的风场以及副热带高压十分接近。相比于单层网格,嵌套了高分辨率网格方案模拟的台风路径、强度误差更小,台风眼更小,位涡更强。

TCFM技术的卫星导风数据在台风模拟中的应用初探

利用傅里叶相位分析方法与最大相关法结合的云导风技术TCFM(Technique based on combination of Fourier phase analysis and maximum correlation),对2005-08-05的强热带风暴"麦莎"天气过程中静止气象卫星得到的30min间隔云图时间序列进行导风计算,并将导风结果应用于中尺度数值模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System),结合其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),对台风"麦莎"登陆前的过程进行模拟。尽管洋面上常规资料稀缺,但卫星导风数据的同化使用结果表明,TCFM技术得到的导风资料能够显著改善台风眼壁东部区域的垂直气流活动,使台风螺旋雨带更加明显,符合实际。

ATOVS不同卫星资料在台风模拟中的同化试验研究

利用美国国家大气研究中心(NCAR)开发的中尺度模式WRF(ARW)V3.2及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,以1011号超强台风"凡亚比"为个例,采用连续循环同化的方法对ATOVS卫星资料进行同化试验,探讨了同化ATOVS不同卫星资料对"凡亚比"模拟的影响。结果表明,强度影响方面:同化ATOVS不同资料均可有效改善台风强度,台风中心海平面气压平均偏差从42 hPa下降到18 hPa,但不同资料间的差异并不显著,平均在6 hPa以内,这表明仅同化ATOVS资料对台风强度的改善相对有限。路径影响方面:(1)不同卫星的同一种传感器资料效果略有不同,同化NOAA-18和NOAA-15的AMSU-A资料效果较好,NOAA-16的AMSU-A效果较差;同化NOAA-15和NOAA-16的AMSU-B资料效果相当,且均优于AMSU-A资料。(2)同一颗卫星不同传感器资料的差异较大,同化AMSU-B资料的改善较为明显,HIRS-3次之,AMSU-A较差,而同时同化不同资料并没有带来更为明显的改善。(3)同时同化多颗卫星ATOVS资料的试验表明,将多种资料引入到同化系统的同时,也带来相应的累积误差,因而仅同化一颗卫星可能比同时同化两颗或三颗卫星ATOVS资料的效果要好。

结合台风模拟混合气候下分风向极值风速估计方法

采用Monte Carlo方法分别获取台风和良态风气候的极值风速样本.其中,台风气候极值风速采用Yan Meng台风模型进行模拟,而良态风气候则是对气象站风速数据拟合极值分布后再模拟一定数量的极值数据,然后对两者进行组合.最后,结合风速风向分布模型提出一种考虑风向的极值风速估计方法.利用该方法对上海地区极值风速设计值进行了估算,并讨论了其特性.模拟结果不仅同时展现台风和良态风两种气候的极值分布形态,还表明了受台风影响的地区各个风向上极值风速具有一定程度的相关性.

基于实测风特性的台风模拟研究

提出一种结合修正Davenport模型和FFT改进型谐波合成法的台风时程模拟方法。首先,对标准Davenport模型进行系数修正,利用特定地区实测风速值和非线性最小二乘法,建立修正Davenport模型。然后,基于修正Davenport模型和快速FFT改进后的谐波合成法进行台风时程模拟。实验表明,该方法提高了功率谱模型与实测风功率谱的吻合度,保证模拟的风速时程谱更好地反映实测风所在地区的风特性,并利用快速FFT较好地改善算法计算效率低的不足。

应用ATOVS资料和非对称Bogus资料对登陆台风韦帕的4DVAR数值模拟分析

前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征并弃掉了背景场的合理成分,也没有考虑大环境场的影响及湿热要素的同化。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的精细非对称台风Bogus方法,并在MM5的伴随同化系统中引入快速辐射传输模式RTTOV8,通过四维变分同化(4DVAR)技术,加入海面风场和气压场Bogus资料及多颗卫星多条轨道上的ATOVS红外和微波卫星辐射亮温资料并考虑Noah陆面过程方案来对登陆台风韦帕进行数值模拟,结果表明,单独同化海面Bogus资料的BDA方案可间接产生初始场非对称三维环流结构和暖心结构,但对湿度场及台风周围大环境场的调整不足,台风登陆后的路径预报改善也不明显;引入陆面过程方案弥补了Bogus资料对台风登陆后路径预报的不足;加入ATOVS资料能对湿度场及台风周围环境场做出调整,重构了大量中尺度结构信息,取得更为精细的初始台风环流和温压湿场结构,保持BDA方案路径及强度预报的优势的同时,使预报的降水强度增加,降水落区发生改变。

中尺度海-气耦合模式GRAPES_OMLM对台风珍珠的模拟研究

利用全球/区域同化与预报系统GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)和改进的Mellor-Yamada型海洋混合层模式OMLM(Ocean Mixed Layer Model),建立了一个新的中尺度海-气耦合模式GRAPES_OMLM,并利用该模式对发生于南海的台风珍珠(0601)进行了模拟研究,检验了GRAPES_OMLM对台风的模拟性能,并分析了局地海-气相互作用对台风的影响。结果表明,GRAPES_OMLM基本能模拟出台风天气过程中的主要物理过程。考虑了海-气相互作用的耦合试验所模拟出的台风强度、近台风中心最大风速以及台风后期移动路径,相对于两组控制试验(单独大气模式)的模拟结果都有较大的改进。而且,采用逐日变化海表温度作为下边界条件的控制试验2的模拟结果相对于SST不变的控制试验1更接近观测。耦合模式GRAPES_OMLM能较好地模拟出台风过境海表温度的变化,台风珍珠在其路径右侧有超过4.0℃的降温。SST的变化和海表风应力的变化呈反相关系,风应力的增大伴随着海洋近表层湍流动能(TKE)的加强,大风动力作用是SST降低的主要原因。SST的降低致使海洋向台风输送的热通量减少,进而削弱了台风的强度并改变台风环流结构,同时通过改变位势涡度趋势的一波结构(WN-1)来影响台风的移动路径。

雷达资料同化对2015年台风彩虹数值模拟改进

基于WRF中尺度模式,采用集合卡尔曼滤波方法同化中国岸基多普勒天气雷达径向速度资料,对2015年登陆台风彩虹(1522)进行数值试验。从台风强度、路径、结构等方面验证了同化效果,并对不同区域雷达观测资料的同化敏感性进行讨论。试验结果表明:在同化窗内同化分析场台风位置误差相比未同化平均减小15 km,最多时刻减小38 km,同化资料时次越多,确定性预报路径误差越小。同化雷达资料后较好地反映出台风彩虹(1 522)近海加强过程,台风中心最低气压同化分析和预报误差相比未同化最大减小超过25 hPa,台风眼的尺度、眼墙处对流非对称结构相比未同化与观测更加接近。试验还表明:台风内核100 km范围内的雷达观测对同化效果影响最大,仅同化这部分资料(约占总量的20%)各方面效果与同化全部资料相近,而仅同化100 km以外资料效果明显不及同化所有资料。仅同化台风内核雷达观测资料可以在不影响同化效果的前提下,使集合同化计算机时减小为原来的1/3,该策略可为台风实际业务预报提供一定参考。

地形抬升型微地形下台风风场计算模拟

福建地区多为丘陵地貌且夏季台风多发,台风在地形作用下破坏输电线路,造成巨大经济损失。针对现有山区输电线路抗风设计标准偏低问题,以台风经过地形抬升型微地形的风速加速效应为研究对象,依据流体力学理论为基础,采用计算流体力学方法,通过对实际微地形的建模仿真,研究了不同风向角对地形抬升型微地形对风速的加速作用。计算结果表明:地形抬升型微地形对风速有明显的加速作用,风速加速效应最大可达到1.53倍,远超过了国家标准规定。研究结果有利于解决微地形地区输电线抗风设计的执行标准偏低的问题,以及对多台风地区的输电线路抗风设计具有一定的工程参考价值。

台风“桑美”的数值模拟和地形敏感性试验

用WRF模式对0608号台风"桑美"进行了数值模拟研究,较为成功地模拟出了台风路径和降水,但模拟的台风中心气压远高于实况。为研究"桑美"登陆期间地形的抬升作用对其降水及结构的影响,通过改变特定区域内的地形高度设计了一组敏感性试验。结果表明,台风登陆过程中地形抬升作用对台风降雨量有显著的增幅作用;台风中心位势涡度、气流垂直上升速度、水平水汽通量散度明显增大;地形抬升机制在台风登陆时刻达到最强。

超强台风桑美(2006)登陆前后低层风廓线数值模拟分析

利用ARW-WRF模式,以垂直方向40个模式层(对低层加密)、水平方向最高1 km的分辨率,对台风桑美(2006)进行数值模拟,模拟结果与实况基本一致。基于台风桑美(2006)1 km分辨率的模拟结果,对台风低层(海面或地表以上1500 m以下)风场结构进行了分析。结果表明,在台风登陆前,其最大风速半径附近存在水平风速在垂直方向有很强变化的风廓线,该类型风廓线的最大风速高度有明显变化,表现出类似急流的特征;而台风登陆后,其水平风速垂直变化明显减弱,即风廓线类型发生较大变化;另有一种水平风速在高层少变的风廓线类型在台风中是普遍存在的。还根据高层和低层两个切变因子,将台风登陆前的风廓线分为急流型、普通型和过渡型,并进一步分析各类风廓线在台风中出现的位置和急流高度。对急流型风廓线的形成原因也进行了初步探讨,结果表明,超/次梯度风在垂直方向上的变化是形成急流型风廓线的原因,而外围绝对角动量的输送在其中起关键作用。

海洋2B卫星和中法海洋卫星散射计海面风资料在台风“米娜”模拟中的一次应用

以台风“米娜”(201918)为试验对象,利用WRF模式及其3DVAR同化系统对海洋2B卫星和中法海洋卫星散射计海面风资料分别和同时进行同化,设计3组同化试验,对照控制试验,分析了同化不同卫星散射计海面风资料对台风模拟的影响。试验结果表明:对于台风路径模拟,3种同化方案的结果均有较明显的改善;对于台风强度模拟,3种同化方案的效果均不明显。

GPS ZTD资料同化对台风“利奇马”模拟的影响研究

2019年超级台风“利奇马”对我国东部地区造成了巨大灾害,针对台风“利奇马”,研究GPS ZTD资料同化对于台风“利奇马”登陆后降水预报的影响。在进行GPS ZTD资料同化试验前,采取了稳定性检查、极值检查、双权重检查、偏差订正检查等质量控制方法以改善资料的同化应用水平。模拟试验结果表明在同化探空、风廓线等常规资料基础上,增加质控GPS ZTD有效改善了初始场的水汽条件,使得低层水汽辐合更强,从而改进了台风外围雨带的预报。并且通过循环同化能够改善初始环流场,进而改进了台风路径的预报使得台风主体降水的位置得到改善。

积云参数化对0613号台风“珊珊”数值模拟的影响研究

使用W RF的ARW动力核心模拟台风"珊珊",以研究各种积云参数化方案对于台风路径,强度和降水分布等的影响。研究表明,环境场对积云参数化的选取不敏感,积云参数化对台风的强度和路径模拟有明显的影响,KF方案模拟的台风强度较强,增强过程明显,后期移速偏快。KF和BM J对降水的模拟较好,GD方案不够理想。

台风-浪-流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析

为揭示海上台风-浪-流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性,以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象,采用Model Coupling Toolkit(MCT)建立中尺度WRF-SWAN-FVCOM(W-S-F)实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变,再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片-塔筒-波浪面之间的干扰效应,提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。结果表明:建立的中尺度W-S-F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用;塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主,在波浪干扰段以顺风向为主,并在低空波面附近表现出较强的脉动特征;A位置叶片最安全而B位置最危险;T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10^(6)量级,基底弯矩最大达5.2×10^(8)量级。

建筑外窗渗漏防治及模拟台风淋水检测的创新研究

沿海地区外窗渗漏问题一直是极难根治且较为常见的质量问题,论文对外窗的设计、材料、工艺等方面进行技术升级改进,并创造性地提出安装完毕后模拟台风状态下进行淋水检测。所提到的设计、施工、检验三位一体的外窗渗漏防治措施,对解决外窗渗漏常见质量问题效果显著。

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。

转角输电塔线体系台风风致响应

台风有风速大、湍流强且风向不断变化的特点,可能导致转角塔承受不合理的不平衡张力,甚至造成结构破坏.以2014年台风“威马逊”为背景,利用YanMeng风场并结合谐波叠加法,模拟台风登陆时海南电网宝邑Ⅱ线位置处的脉动风速以及登陆过程风向的变化.首先通过理论分析研究线路转角和风向对转角塔受力的影响;随后建立转角塔线体系有限元模型,通过对模型施加模拟所得脉动风荷载以及不同方向台风静态荷载,研究台风脉动特性以及风向变化特点对转角塔受力的影响.结果表明:输电线路逆风向转角会减小转角塔整体受力,在90°风向台风作用下,逆风向15°转角塔线体系中转角塔主材轴力极值为-521.6kN,为对应顺风向15°转角塔主材轴力极值的56.8%;台风风向与线路转角间关系对转角塔主材受力有显著影响,在全方向台风作用下,顺风向15°转角线路中转角塔主材轴力最大值均大于逆风向15°转角线路中相应轴力最大值,且相对百分比最大可达399.9%.

0808号台风“凤凰”登陆过程的三维变分同化试验

主要对0808号台风"凤凰"的登陆过程进行模拟试验。首先,利用GPS掩星资料反演的大气气压、温度和水汽资料以及云导风资料,对台风"凤凰"进行了三维变分同化及数值模拟试验。结果表明:同化不同资料,得到的台风初始场各不相同,对台风预报的影响也各不相同。同时同化GPS资料和云导风资料,对台风初始场的调整最大,对模拟台风登陆前后的路径、降水等均有一定程度的改善。其次,研究了资料同化中要素场调整的特征。发现初始场的调整在垂直方向上呈多峰结构,调整的显著性与资料有关也与要素有关,一般来说,低层的调整要大于高层。最后,利用同时同化GPS掩星与云导风资料的模拟结果,进一步分析这次台风过程的物理量场特征。发现:在模拟时段内,随着台风邻近大陆,水汽的源地由西南太平洋逐渐转变为南海。但自始至终存在着把丰富的水汽送入台风的水汽通道。在台风移动过程中,一直保持着强烈的上升运动,强的上升运动把低层暖湿空气向上输送,释放潜热为"凤凰"台风提供了发展的能源。

多时刻台风Bogus资料同化对台风“天鹅”的影响

基于GRAPES(Global/Regional Assimilation and Predition System)三维变分同化系统,设计在6小时内分别应用三小时一次和逐小时的台风定位和定强信息对台风进行多次BDA(Bogus Data Assimilation)同化,在多次BDA中只同化近似程度高的涡旋风分量而近似程度较差的辐散风分量则通过多次调整和协调逐步向涡旋风适应。多次BDA能逐步调整台风位置并且在同化过程中随着台风位置更接近实况,使得台风周围流场更趋合理。采用多次BDA方案对"天鹅"(0907)台风进行数值试验,结果表明多次同化方案能逐步改进台风中心附近的环流场信息,与一次BDA相比,得到的初始场结构更协调,对台风的路径和降水预报也有一定改善。