非对称Bogus台风与QuikSCAT风场资料的三维变分同化应用对台风数值模拟影响研究

针对台风Bogus三维变分同化现有方法所存在的不足,引入台风移向、移速等客观因素构造出非对称台风风场模型,并与QuikSCAT风场产品相结合共同改善模式初始场。通过对比初始场增量发现,同化台风Bogus资料能较好地订正出包括高空反气旋环流在内的整层大气环流特征,而QuikSCAT风场资料则主要改善了底层环流特征,修正了台风中心位置,并且部分弥补了Bogus资料影响范围有限这一不足。接着通过设计试验方案对"云娜"台风加强阶段进行了模拟研究,结果表明:在变分同化系统的约束下,背景场、Bogus资料与QuikSCAT风场资料较协调地结合在一起,提高了台风路径及强度模拟水平,尤其是底层内外物理量的共同改进,对台风的模拟效果有明显的正效应。

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。

一种非对称台风Bogus方法的数值模拟应用

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,也弃掉了背景场的合理成分,有必要改用更精细的非对称台风Bogus模型对BDA方案做出改进。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非对称台风Bogus方法,针对0613、0704台风个例,通过4DVAR技术,利用MM5模式及其伴随模式对此Bogus资料进行BDA同化试验和模拟预报,数值结果表明:BDA方法同化非对称台风Bogus模型,其路径预报效果优于同化轴对称台风模型,同化两种Bogus资料都使台风强度模拟效果得到极大改善,但改善程度相当,故台风的非对称结构及副高等外围环境场及背景场弱台风中合理信息对台风的准确模拟起到关键作用,同时,Bogus资料同化方法用于远洋上的台风时,需注意台风模型与副高的配置关系。

非对称台风bogus方案设计和初步试验

国家气象中心台风路径数值预报模式自1996年6月投入业务运行以来,一直在背景场中采用经验平滑滤波技术消除浅台风和嵌入轴对称的台风bogus涡旋技术。但事实上,在采用经验平滑技术消除背景场中弱的位置不准确的浅台风涡旋同时,也滤除了台风中心周围一些宝贵的非对称气流结构,同时,由于实际的台风涡旋结构是非对称的,因而对采用轴对称涡旋的模式初始场而言,或多或少的贡献了一些模式预报结果的路径误差。为了调查这部分非对称结构对台风预报路径误差的影响,从T213L31全球谱模式提供的背景场中抽取浅台风周围的非对称流场,将之加入到轴对称的台风bogus涡旋中。初步的个例试验发现,加入非对称流场后,能有效地减少台风路径预报误差。

“海棠”(Haitang)台风降水非对称分布成因初步研究

2005年第5号台风"海棠"登陆福建省前后所引发的降水呈明显的南北非对称分布特征。逐时MT1R静止气象卫星IR1云图分析揭示,陆地上台风环流云系呈南北非对称分布。浓白色的降水云区主要位于台风北侧,而在此期间,台风南侧云系则相对较暗。在WRF模式成功模拟的基础上,分析模拟的700 hPa高度上相对湿度和垂直上升运动场表明,垂直上升运动场呈现出与降水场相似的南北非对称分布特征,而台风南北两侧空气相对湿度呈均匀分布。进一步改进的湿Q矢量(Q*)以及地形抬升和地表摩擦作用(简称地形因子)分析表明,Q*矢量散度辐合区、地形因子强迫产生的垂直上升速度区都呈南北非对称分布特征。综合考虑指出,"海棠"台风降水分布的南北非对称性,主要由动力因子(Q*矢量(相当于上升运动)、地形抬升与地表摩擦以及垂直上升运动场)引起的,而热力条件(包括相对湿度)是不重要的。

台风异常运动及其外区热力不稳定非对称结构的影响效应

本文数值模拟研究揭示了台风外区热力不稳定非对称结构对其异常路径的影响问题，提出了台风运动非对称结构的影响，不仅表现在台风涡旋动力结构特征上，而且反映在台风外区三维非对称热力结构特点方面，即包括温、湿不稳定层结分布特征及其强弱程度因素。台风外区不同热力非对称分布特征将导致台风移动轨迹的显著差异，且构成各类“旋转”、“打转”、“转向”

台风登陆前后雨带断裂与非对称降水的成因分析

利用美国WRF(Weather Research Forecast)模式对"海棠"台风(0505)登陆前后的雨带变化进行分析和模拟试验。结果显示:台风登陆前后其雨带会产生断裂,这种现象可发生在陆地和海上,使非对称降水更加明显。分析得出雨带断裂不仅与地形有关,而且与高层台风环流和中纬度系统的相互作用有关:台风登陆前后,200hPa南亚高压和台风外围的辐散气流结合形成在台风西北方向的弱倒槽,台风中心西侧及西北侧的中低层辐散流场稳定维持,使高层气旋性流场加强,与气旋性流场相伴的正涡度一部分随气流逆时针旋转,并逐步平流至台风中心附近的正涡度区形成一个沿22～25°N的正涡度输送带并延伸至台风中心东部,而中心东部高层的正涡度带中有下沉运动,不利于降水发展而导致雨带断裂是非对称降水的主要原因。高层台风的带状涡度向外围的传播可导致中纬度气旋性环流的进一步加强和正涡度向台风输送的加强,使雨带断裂更加明显。

台风“艾利”降水的非对称结构分析

利用NASA提供的热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)的高分辨率资料分析了2004年台风"艾利"降水的结构特征,发现在不同发展阶段其特征存在着很大的不同。为了分析产生降水非对称的原因,又利用NCEP(the National Centers for Environmental Prediction)再分析资料计算了垂直积分的水汽通量矢量。结果表明,本次过程由于伴随着双台风特有的环流形势,其北侧的偏东气流和南侧的西南气流对水汽输送的作用,在台风"艾利"发展的不同时期存在很大的不同,形成了这次台风过程特有的水汽来源特点。台风对流强降水区、水汽通量最大区和强上升运动区三者的分布在台风不同发展阶段存在着较大的差异,正是水汽通量和垂直运动的非均匀分布才造成这次台风降水的非对称分布。

TCM－90现场科学试验台风FLO“β陀螺”“通风流”非对称动力结构特征

采用ＴＣＭ－９０台风现场科学试验期间加密观测资料，揭示出目标台风Ｆｌｏ非对称动力、热力结构及其转向运动的特征，尤其通过分离处理的偏差场，突出了ＴＣＭ－９０现场试验有关飞机下投（ｄｒｏｐｓｏｎｄｅ）加密探测资料对台风Ｆｌｏ内部非对称结构物理图象的描述，提出了实际台风动力结构存在类似Ｇｒａｙ认为的非对称偶极子型，即中低层“β陀螺”偶极子型（β－ｔｏｐｄｉｐｏｌｅ），及其“通风流”（Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｆｌｏｗ）特征，高层辐合－辐散结构的变形偶极子系统概念模型，并认为这类三维非对称结构对台风运动（转向现象）有一定“引导”作用。文中还强调了“β陀螺”偶极子非对称结构的垂直差异，并揭示了目标台风暖心结构及其热力非对称结构特征。

“麦莎”台风暴雨落区非对称分布的诊断分析

利用FY-2C气象卫星资料、常规资料和NCEP再分析资料,对2005年第9号台风"麦莎"登陆后暴雨落区非对称分布的成因进行诊断分析,并讨论其动力学和热力学特征。结果表明:(1)FY-2C红外一通道辐射亮温(TBB)场能够清晰地揭示台风暴雨落区的分布以及造成这种非对称分布的云系结构特征;(2)水汽图像展示了此次降水过程中,对流层中上层主要的水汽型,来自南海和东海强盛的热带水汽羽直抵台风中心东部,中纬度地区的极锋水汽羽东移,其尾端并入台风北部,受二者共同作用,台风降水呈非对称分布;(3)台风中心附近的垂直流场、涡度、假相当位温和整层积分的水汽通量散度等物理量的非常规分布以及低层冷空气的契入,共同解释了台风云系的非对称结构及强雨区非对称分布的形成原因。

近岸非对称型台风风场模型

该文针对近岸台风不对称性非常明显的特征 ,建立了基于特征等压线的不对称型气压场和风场模型 ,该模型简便实用。文章还提出了台风模型风场和背景风场合成、单站资料同化的思想和方法 ,既提供台风过程大范围、长时间风场 。

“达维”(2005)台风经过海南岛过程非对称降水的成因分析

2005年9月25日08时—27日08时,强台风"达维"从海南岛中部陆地经过的48小时期间,给海南岛带来一次强降水,表现出海南岛南侧降水大于北侧的非对称特征。利用热带测雨雷达资料(TRMM)对这次非对称降水的中尺度特征进行分析,并从次天气尺度系统扰动、垂直风切变、地形作用等方面对其成因进行探讨。结果表明:⑴次天气尺度扰动系统为中尺度雨团、中尺度雨带的形成提供了有利的动力条件;⑵垂直风切变下风方向左侧有利于对流发展的区域始终位于海南岛南部,导致降水出现非对称特征;⑶海南岛山脉地形通过刺激小对流单体的形成与合并发展,从而促进中尺度降水系统形成,最终致使海南岛南部暴雨增幅。

一种新型的非对称台风海面气压场和风场模型

采用台风外围闭合特征等压线等要素,对圆对称的藤田气压模型进行改进,推导出不含有关参数的非对称台风海面气压场和考虑到径向梯度风的风场模型,并利用该模型对给湛江地区造成了严重风暴潮灾的几次台风过程的海面气压场和风场进行了模拟。结果表明,改进后的台风气压场和风场模型更方便准确。

关于台风非对称结构与台风路径的数值分析

采用一个有限区域原始方程双向相互作用的移动套网格台风路径数值预报模式，对１９９２年的两个台风进行了５个个例预报试验，结果表明预报路径和实况有很好的一致性。通过对预报个例的台风非对称结构进行分析，发现非对称结构随时间变化与台风移动路径有着比较密切的联系。如能了解实际台风的非对称结构，将有助于提高台风路径预报的水平。

台风数值模拟中bogus涡旋四维变分同化的研究

研究用MM5四维变分同化系统同化bogus涡旋变量对台风数值模拟的影响,对2002年13号台风Phanfone进行48h预报,结果表明:用四维变分方法同化bogus涡旋变量效果优于在背景场中直接植入模型涡旋的传统bogus技术。同时同化bogus涡旋的风、气压、温度和比湿效果不如只同化气压和其中任一变量。同化bogus涡旋的气压和比湿,能够调整模式初始场的其他变量,得到结构更清晰、与环境场更协调的初始涡旋,从而在一定程度上提高了台风Phanfone路径和强度预报的准确性。

“海棠”台风(2005)暴雨及其非对称分布特征成因研究

"海棠"台风(2005)再次登陆福建省前后24 h期间(2005年7月19日00时—20日00时(世界时,下同)),给位于台风路径右侧的福建省东北部及浙江省境内(记为R区)造成大范围暴雨,同时,位于台风路径左侧福建省中南部及广东省境内(记为L区)仅有小雨发生,台风路径左右两侧暴雨落区呈明显非对称分布。基于WRF模式模拟结果诊断分析了"海棠"台风(2005)暴雨及其非对称分布特征成因,结果表明:(1)中尺度天气系统对"海棠"台风暴雨的垂直运动场的强迫作用是主要的,大尺度天气系统所起的强迫作用基本处于次要位置。地形抬升对"海棠"台风暴雨形成一直起着稳定、持续的促进作用,地表摩擦作用主要在台风登陆以后与"海棠"台风暴雨形成密切相关。(2)Q矢量强迫产生的降水场、地形强迫产生的降水场均呈左右非对称分布特征,气象因子是"海棠"台风降水非对称特征形成的主要因素,它一方面直接导致降水非对称特征形成,同时还引发地形因子强迫发挥了重要的促进作用。(3)进一步界定诊断范围对比分析表明,对于R区来讲,存在强烈的上升运动,并将低层汇聚的充沛水汽向上层输送,导致R区强降水发生,而对于L区来讲,上述与降水发生密切相关条件均较R区弱,不利于强降水发生。最后,对未来台风降水成因研究工作进行了初步展望。

基于4D-VAR的动态非对称台风初值化方法试验研究

经典BDA台风初值化方案中台风模型为一个不能充分反映个别台风具体特征的轴对称海平面涡旋场,且在同化窗口内强迫发展着的台风向这个静止涡旋场适应。本文针对该特点,提出一种充分融合分析场信息和实况信息并考虑副高影响的非对称台风Bogus方法,利用PSU/NCAR的MM5模式及其伴随模式,通过四维变分同化(4D-VAR)技术,建立动态非对称BDA方案,对多个不同时次的Bogus资料进行同化。通过对夏季受副热带高压影响较大的6个台风的数值模拟试验对比发现,新方案的路径模拟普遍优于经典方案,且对于经典方案没能改善路径模拟的时段,新方法的模拟效果却能得以改进;新方法模拟的强度普遍弱于经典方案,但这种趋势使得新方法的中后期模拟强度较经典方案更接近于实况。另外,当实况中台风强度已大为减弱时,同化试验模拟的台风仍然保持很强的强度,造成气旋的过度发展,这种情况对BDA方案模拟效果的限制作用还需进一步研究。

非对称台风风场的动力初始化应用研究

在对比NCAR-AFWA三维Bogus(虚拟)风场及风压场方案的基础上,虚拟台风模型中的水平风场采用考虑台风移速、移向、摩擦等客观因素的非对称方案,垂直风场采用考虑高空反气旋环流的风廓线方案,然后利用Nudging动力初始化技术形成新的模式初始场。最后对"云娜"台风进行数值模拟,结果表明:通过合理引入客观因子及观测事实对台风Bogus模型进行构建,并利用同化方法使各个物理量相互协调,可以使初始场与实况更加接近,从而在一定程度上提高台风路径及强度的预报水平,并对降水分布的预报效果也有所改善。

9806号台风非对称结构形成及其高纬西折路径分析

对9806号台风在弱环境场中向北移动,至强环境场中折向西行的物理机制进行了分析,得出在弱环境场中台风可形成不对称结构,其物理量如高度的变化在台风进入强环境场后会与环境场叠加,从而改变台风移向。强弱环境场的更替,可能是9806号台风移向突变的重要原因。

适应性非对称人造台风方案对热带气旋路径的模拟预报

设计了一种新的适应性非对称人造台风方案。该方案中 ,初始场中植入的非对称人造台风不但与初始场之间更为协调 ,而且还包括较多的非对称信息。应用此方案对两个台风个例的路径进行了数值模拟试验 ,模拟结果与实况较为接近。