超强台风“舒力基”(2021)的尺度可预报性

台风尺度表征了台风低层风场特定风速半径大小,是台风灾害影响范围的重要度量.针对超强台风“舒力基”(2021),对其尺度可预报性进行初步探讨.结果表明,模式可以模拟出台风发展初期台风尺度(内核尺度RMW、外围尺度R17)的演变趋势.基于集合预报的模拟试验,具体分析了内核尺度RMW、外围尺度R17演变及其误差增长特征.台风预报总体误差主要出现在对流层下层850 h Pa,距离台风中心50~150 km.从初始环境场看,初始相对湿度是影响台风尺度误差增长的重要因子,初始高湿环境有利于台风发展阶段的台风尺度高离散度,从而限制了台风尺度的可预报性.在一定程度上,外围风圈半径的可预报性要高于内核风圈半径.

热带气旋发展增强过程中龙卷尺度涡旋活动特征

观测发现热带气旋(TC)边界层中存在龙卷尺度涡旋(TSV),其引起的相关阵风对近地面具有强烈影响.利用WRF-ARW模型,通过对飓风Earl(2010)进行高分辨率的数值试验模拟,分析了TC边界层龙卷尺度涡旋的时空分布特征以及发生发展的可能原因.Earl发展增强过程中,TSV数量随着Earl强度的增强而增加,尤其在最强期间表现最为活跃,一方面TC的增强提供了更强的背景场使得TSV更易生成,另一方面更强的背景场使得长生命期的TSV增加,每一时刻同时存在的TSV也就更多.TSV生成区域随Earl的发展从垂直风切左侧逐渐集中至逆风切左侧,且始终位于RMW内侧近地层次级环流上升支和最大垂直涡度位置附近,这里通常满足垂直切变和水平切变不稳定的必要条件,TSV涡度收支分析的结果表明,对TSV生成发展起主要贡献的是与水平风水平切变相关的拉伸项以及与垂直切变相关的扭转项,这意味着TSV的生成与发展可能与垂直切变不稳定和水平切变不稳定有关.

台风结构与强度以及环境场对西北太平洋台风尺度估计的影响研究

台风风场径向廓线模型对台风灾害的评估以及台风尺度的研究具有重要的价值.利用西北太平洋2001-2020年的台风最佳路径观测数据,评估了目前国际上应用比较广泛的六个分别基于经验参数和物理过程的台风风场径向廓线模型对台风尺度(台风大风半径,R17)的估计精度,并探讨了台风结构、强度等内部因素以及垂直风切变和移动速度等环境因子对模型精度的影响.评估发现,所有模型均高估了R17较小的台风而低估了R17较大的台风,且R17越小,高估越明显,R17越大,低估越严重.总体而言,Willoughby et al发展的基于参数的模型具有最小的估计偏差且与观测记录之间最高的相关性.研究还发现,台风内核尺度(最大风速半径,RMW)和强度(最大地面风速,V_(max))对不同模型的影响具有显著的差异性.此外,在高环境风切变和高移速条件下,模型的估计偏差的量级会显著增加.以上研究为进一步完善适用于不同环境条件下,不同结构与强度台风的风场模型提供参考.

数值天气预报模式的行星边界层方案热力预报变量选择

在数值天气预报模式中,大气边界层湍流混合由行星边界层方案承担.传统的边界层方案多采用位温作为热力学预报变量,计算感热通量并获得位温的湍流倾向,多数边界层方案设计之初,也往往只考虑干边界层中的位温湍流混合.事实上,驱动边界层热对流的是浮力而非热力,前者还包含了水汽的作用,由虚位温表征.基于湍流可分辨的大涡模拟来评估传统边界层方案所参数化的感热通量在湿边界层中的适用性,重点关注方案中涉及逆梯度修正项的关键系数,同时也考察浮力通量的参数化评估结果显示浮力通量在干湿边界层中具备一致性,其模式系数不随水汽条件变化,因此,推荐以虚位温替代位温作为行星边界层方案热力预报变量.

华南“4.21”弓状回波的γ-中尺度涡旋雷达观测分析

γ⁃中尺度涡旋对弓状回波地表灾害性大风具有重要影响.针对2017年4月21日发生在华南地区的一次弓状回波过程,利用广州业务多普勒天气雷达观测对该过程中的γ⁃中尺度涡旋进行分析.本次过程共识别到20个γ⁃中尺度涡旋,按照相对弓状回波顶点的位置,将其分为三类(北侧、南侧和中部),不同类别在数量上无明显差异.北侧的中涡旋主要出现在弓状回波发展阶段,平均方位切变强度为3.42×10^(-3)s^(-1),中部中涡旋伴有明显的局地化弓状回波结构出现,平均方位切变强度与北侧相当.南侧中涡旋的平均方位切变强度最弱,但是在弓状回波南侧径向速度的辐合区形成了本次过程生命史最长的中涡旋.进一步利用ERA5再分析资料对中涡旋的生成环境特征进行分析,结果表明,北侧中涡旋的环境具有较强的垂直风切变,但对流有效位能较弱,南侧则刚好相反.

基于CMIP6模式对青藏高原平均降水的模拟评估与预估

青藏高原降水对区域气候和水循环有着重要影响,在全球变暖的大背景下,研究青藏高原的降水分布及趋势变化十分必要.以1995-2014年青藏高原观测降水为基准态,评估第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中20个模式对青藏高原年和季节平均降水的模拟能力.结果表明,CMIP6模式能够较好地模拟出青藏高原降水从东南向西北减少的空间分布特征,但模式模拟仍存在湿偏差,平均降水偏差达到1.3 mm·d^(-1).而且对于冬季模拟降水,模式之间存在较大的差异,模式标准差在3 mm·d^(-1)以上.在共享社会经济路径SSP5-8.5和SSP2-4.5情景下,基于20个模式的模式集合(AMME)与择优选取的五个模式组成的集合(BMME)对中期(2045-2065年)和长期(2081-2100年)平均降水的未来预估,整体上青藏高原未来降水将有所增加,SSP5-8.5情景增幅大于SSP2-4.5,长期降水增幅大于中期.中期降水变化与长期分布一致,除了冬季和秋季南部地区、夏季东部地区表现为降水减少之外,其他大部分地区表现为全年和季节平均降水量的增加.BMME预估全年和季节平均降水增幅往往大于AMME.未来年平均降水的增加主要来源于春季降水的增加.

登陆我国内陆热带气旋的衰减趋势分析

全球变暖背景下,登陆热带气旋(Tropical Cyclone,TC)的衰减速度是否放缓存在争议,登陆时强度不同的TC的衰减趋势是否一致还不清楚.利用两个描述登陆TC衰减的物理量,即登陆衰减时间尺度τ和登陆衰减维持时间D,研究了1980-2021年登陆我国内陆TC的衰减变化趋势,并探讨了TC登陆强度分档对衰减变化趋势的影响.对于登陆我国内陆的TC,无论是τ还是D,整体来看都没有随时间显著变化的趋势.进一步将TC的登陆强度分为热带风暴(Tropical Storm,TS)、强热带风暴(Severe Tropical Storm,STS)和台风(Typhoon,TY)档,发现不同强度档的登陆TC,其登陆地点以及登陆后的路径体现出不同特征,使得不同强度档登陆TC的衰减趋势存在差异.从TS档到STS档再到TY档,τ随时间的变化趋势从增加到减小再到明显减小,呈连续改变,而D的变化趋势从增加到减小再到增加,未呈连续改变,表明登陆TC的衰减变化趋势在不同登陆强度条件下存在不一致性.从显著性上看,只有TY档登陆TC的τ的变化满足90%置信区间显著下降趋势,表明登陆TC衰减趋势在不同登陆强度条件下存在不确定性.

“21.7”河南暴雨的集合敏感性分析

河南郑州“21.7”特大暴雨是中国近年来发生的一场严重气象灾害,对此暴雨事件的数值预报模式表现出较大的不确定性,对暴雨落区和降水强度的预测均存在偏差.目前,“21.7”河南暴雨的形成机理已经得到广泛研究,但针对其集合敏感性分析的研究却十分有限.集合敏感性分析是一种利用集合预报来估计模式预报对初始场敏感性的方法,可诊断极端天气过程的影响因子、对数值模式集合预报不确定性进行分析等.因此,针对“21.7”河南暴雨个例,利用WRFARW模式,结合集合初始条件与多物理过程以及物理过程扰动等方法,构建不同的区域模式集合预报.利用集合敏感性分析方法开展“21.7”河南暴雨的可预报性和影响该暴雨的因子分析.结果表明,“21.7”河南暴雨对初始条件的温度场、湿度场、风场和位势高度场扰动具有敏感性,增强郑州地区的气旋性环流、改变郑州上空的气温、降低郑州地区的气压、增强台风“烟花”的强度可以使此次暴雨的降水强度增强.本研究能够增进对“21.7”河南暴雨成因的理解,并改进集合预报.

青藏高原东部地形对四川盆地东北部一次暴雨过程的影响

针对2021年8月8日发生在四川盆地东北部的一次暴雨,利用地面观测和再分析资料,结合WRF(Weather Research and Forecasting)敏感性数值试验,研究了青藏高原东部地形对本次暴雨过程的影响和机理.结果表明,暴雨发生期间四川盆地主要受500 hPa高压脊影响,青藏高原东南侧绕流形成的西南气流向暴雨区输送暖湿空气,并在盆地形成低涡.高低空系统的耦合使得气流辐合抬升,为暴雨发生提供了良好条件.当青藏高原东部地形高度降低以后,地形对气流的阻挡作用减弱,原先高原东南侧绕流产生的西南气流减弱变为偏西气流.同时,高原东北侧的西北气流加强并南下,进一步减弱四川盆地的南风分量和水汽输送,最终导致水汽在四川盆地东南侧聚集和暴雨落区的南移.

模拟启动时间和双台风对“21.7”河南极端暴雨事件的影响研究

对发生在2021年7月18日至21日的河南极端暴雨事件(“21.7”河南暴雨)进行集合模拟数值试验,旨在探究模拟启动时间以及台风“烟花”和“查帕卡”对此次暴雨事件的影响.不同模拟启动时间的试验组分析表明,在降水峰值发生前24 h启动的一组试验能够最准确地模拟双台风的路径和强度演变特征,其再现了“21.7”河南暴雨中心位置、强度及时间演变特征,这主要是由于该试验很好地再现了低层东南风急流及其动力辐合特征,基于此最优试验移除台风环流后,副热带高压西伸南压且水汽输送路径随之发生调整.通过定量分析降水关键区的整层水汽通量发现,在降水最大峰值出现的时段内,台风“烟花”和“查帕卡”分别削弱了东南风和偏南风的水汽输送,表明台风的存在对降水的影响存在不确定性,某些时段内反而减缓了河南地区的极端降水.

河南“21.7”特大暴雨的区域集合预报检验和预报偏差分析

河南“21.7”特大暴雨覆盖范围广、强度大、降水时间段集中,造成了严重损失.利用中国气象局(China Meteorological Administration,CMA)多源融合降水分析产品(CMA Multisource Precipitation Analysis System,CMPASV2.1)和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据,对CMA区域集合预报系统(Regional Ensemble Prediction System,CMA-REPS)在此次暴雨事件中降水最强时间段(2021年7月20日14-20时,北京时)的预报结果进行了评估与分析.研究结果显示,预报时效越短,集合平均和概率预报的降水效果越好,但降水强度与大值落区依然存在较大的预报偏差.结合多种降水预报评分筛选出最好和最坏的集合成员,并通过对比环流形势、水汽条件等因素,探讨了降水预报偏差的成因.好成员在郑州地区预测了占总降水30%的对流性降水,而坏成员则未能预报出对流性降水,两者总降水的偏移与非对流性降水的表现一致.好成员预测的降水区域偏向东北,与预报的副高位置偏东、台风“查帕卡”路径偏北以及南风偏强有关;坏成员预测的降水区域偏西,与相对湿度的大值区偏移一致,可能是因为预报的台风“烟花”引导的低层东风更强.在925 hPa上,好成员成功预测出郑州西部山脉迎风侧的强辐合区,导致超过25 mm·(6 h)^(-1)的强降水从山前延伸至地形高度800 m以上的迎风坡.相比之下,由于预报的辐合区域小、强度弱,坏成员的强降水仅分布在600 m以下的山前区域.总体而言,CMA-REPS对此次强降水过程的预报偏差主要源自大气环流的模拟偏差以及复杂地形作用.

海洋性大陆地形对夏季季节内振荡的影响:基于2020年9月个例的数值模拟分析

海洋性大陆(Maritime Continent,MC)是夏季大气季节内振荡(the Boreal Summer IntraSeasonal Oscillation,BSISO)传播的必经途径,而MC对于BSISO结构和传播产生的重要的影响机制很不清楚.针对此问题,利用高精度数值模式对一次BSISO事件展开数值模拟试验研究.选取2020年8-9月的一次BSISO事件,利用高精度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting model)对本次BSISO过程进行了近一个月的数值模拟.发现WRF控制试验合理模拟出与再分析资料中相近的北传低层风场以及明显具有BSISO特征的西北-东南倾斜的雨带,并合理地捕捉了本次BSISO事件的传播特征和平均状态.为了研究MC地形对本次事件传播和强度的影响,在WRF模式中去除了MC地区的地形,开展了敏感性试验.在去除地形的敏感性试验中,BSISO低空风加强,传播更加平滑,整体降水幅度增加,而在岛屿上水汽大幅增加,降水量减少.在地形高度为零的情况下,纬向平流大大增强,从而增强了海上对流,促进了BSISO的加强和传播.此数值模拟试验研究揭示了MC地形对BSISO降水结构、传播和幅度的影响.

上海地区三类主要暴雨天气的云微物理和边界层敏感性模拟研究

利用中国气象局上海台风所的WARMS高分辨率区域模式研究了上海地区三类主要的暴雨天气(准静止锋雨带型、副高边缘强对流型以及暖区雷暴型)对云微物理和边界层过程的敏感性.结果表明,不同云微物理和边界层参数化方案的组合对强降水中心的位置和强度影响较大,但是对主要雨带及走向影响不大.准静止锋雨带型采用Thompson方案模拟的整体降水量更多,WSM6方案模拟的强降水相关性更好,评分更高;副高边缘强对流型中WSM6-MYJ组合激发上海本地对流的效果更明显,但整个雨带来看Thompson方案更有优势;暖区雷暴型中WSM6-MYJ组合优势明显.总体上,Thompson-YSU组合能够模拟出准静止锋雨带型暴雨中丰富的液水含量和冰相粒子,以及较强的整层抬升作用;WSM6-MYJ组合则在副高边缘强对流型和暖区雷暴型这类型暴雨中刻画了较明显的强对流结构,使得地面降水更为强盛.

登陆台风边界层风廓线特征的地基雷达观测

为了分析登陆台风边界层风廓线特征,利用2004—2013年中国东南沿海新一代多普勒天气雷达收集的17个登陆台风资料,采用飓风速度体积分析方法,反演登陆台风的边界层风场结构特征。与探空观测对比表明,利用雷达径向风场可以准确地反演登陆台风的边界层风场结构,其风速误差小于2 m/s,风向误差小于5°。所有登陆台风合成的边界层风廓线显示,在近地层(100 m)以上,边界层风廓线存在类似急流的最大切向风,其高度均在1 km以上,显著高于大西洋观测到的飓风边界层急流高度(低于1 km)。陆地边界层内低层入流强度也明显大于过去海上观测,这主要是由陆地上摩擦增大引起。越靠近台风中心,边界层风廓线离散度越大,其中,径向风廓线比全风速以及切向风廓线离散度更大。将风廓线相对台风移动方向分为4个象限,分析边界层风廓线非对称特征显示,台风移动前侧入流层明显高于移动后侧。最大切向风位于台风移动左后侧,而台风右后侧没有显著的急流特征,与过去理想模拟的海陆差异导致的台风非对称分布特征一致。

台风登陆前后异常变化的研究进展

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目——"台风登陆前后异常变化及机理研究"经过5年(2009—2013年)的研究完成研究任务。项目系统性地开展了16个台风的外场观测试验,在浅水区的海气拖曳系数、边界层高度变化等方面获得新的观测结果;发展了针对登陆台风的多源资料融合方法,例如台风雷达风场反演和同化技术取得进展;揭示了不同尺度系统活动导致台风路径突变、登陆台风复苏、双眼壁的形成等的物理机制;改进了涡旋初始化和积云对流参数化技术,提出了新的云辐射参数化方案,建立了台风海-陆-气耦合模式,台风数值预报关键技术的研发取得明显进展,文中介绍该项目所取得的代表性成果,对台风登陆前后异常变化的科学问题及研究进展进行综述。

水平湍流混合对莫拉克(2009)台风强度及结构的影响

在台风的发生、发展过程中,水平湍流混合是重要的物理过程,该过程的参数化方案对台风个例的数值模拟结果有很大影响.研究通过调整WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式水平湍流参数化方案中的Smagorinsky系数Cs(Smagorinsky Coefficient)控制水平湍流混合的强弱,对比分析了水平湍流混合强度在台风莫拉克(2009)数值模拟中对台风强度和结构的影响.结果表明:水平湍流混合对莫拉克台风路径的模拟没有显著影响,但对台风的最大强度有显著影响,随着Cs增大台风强度减弱,热力场分析表明过大的水平混合不利于台风暖心的维持.从轴对称风场特征来看,Cs变化的影响并非集中在边界层中,台风中上层的风场均发生了改变,但边界层中变化更大,随着Cs增大最大风速半径外扩.从雨带和对流的发展特征来看,Cs越小越有利于模拟出单点发展的对流胞,但这些对流胞不易组合发展为有组织的对流带,而Cs过大时,对流胞出现涡丝化发展形态而发展为平滑的长雨带,减弱了雨带内的对流强度但使对流区的分布更趋于对称化,且过大的水平交换作用不利于雨带精细结构的模拟.

多普勒雷达资料循环同化在台风“鲇鱼”预报中的应用

高分辨率的中尺度预报模式ARPS及其3DVAR/云分析系统,针对2010年登陆福建的超强台风"鲇鱼",研究对流可分辨尺度下,每1 h循环同化沿海新一代多普勒雷达网资料分析、研究对台风初始场和预报场的改进作用。结果表明:单独同化雷达资料可显著改善初始场中的台风内核区动力和热力结构,以及台风强度和位置,进而提高18 h台风强度、路径和降水预报,但预报路径和降水分布与实况仍存在差异。在雷达资料同化基础上加入常规观测资料,对初始场中台风内核区结构改进不大。但在显著调整大尺度背景场,从而进一步减少台风路径预报误差,能准确预报出福建沿海两个强降水区域的位置和强度。总体而言,雷达资料同化主要提高台风结构分析,而常规观测资料同化主要改善环境场分析,两者有效结合使得预报结果和实况最为接近。

环太湖地区土地利用变化的局地气候效应

利用WRF模式和1985年、2005年环太湖区域的土地利用资料,模拟了环太湖区域土地利用变化的局地气候效应,并从陆面过程的角度进行了分析。模拟结果显示:城市扩张区域净短波辐射通量增多,地面温度升高,感热通量增大,潜热通量减小。近地面水平风场在城市化地区风速减小,在城市化带方向上形成狭长的动能衰减区域。湖陆风和城市热岛环流增强,城市化地区向上垂直速度增大,积云性降水增多。老城区和郊区下沉运动增强,对流受到抑制,积云性降水减少。层云降水的改变,集中在层云降水的大值区,且多呈带状分布。总降水在城市化区域增强,在老城区和郊区减少,积云性降水占总降水的比值增大。在土地利用没有变化的区域,降水的改变与地表能量通量的改变在空间分布上大致吻合。

江淮梅雨期极端对流微物理特征的双偏振雷达观测研究

为研究梅雨期极端对流系统的微物理特征,利用2013—2014年江淮梅雨期间南京溧水S波段双偏振雷达探测资料和地面自动站小时降水资料,统计分析了两类极端对流降水系统的微物理特征及差异。这两类极端对流系统的定义基于地面降水强度和雷达回波顶高,分别为所有对流中降水强度最强的1%(R类:小时降水强度>46.2 mm/h)和对流发展高度最高的1%(H类:20 dBz回波顶高>14.5 km)。结果显示这两类极端对流系统仅有30%的样本重合,显示了二者之间的弱相关性。对于相同的反射率因子Z_H,R类极端对流系统的近地面差分反射率因子Z_(DR)通常较H类极端对流小约0.2 dB,表明R类极端对流具有较小的平均粒径。结合双偏振雷达反演的粒子大小和相态分布显示,虽然两类极端对流都表现出海洋性对流降水特征,但R类极端对流较H类极端对流的总体雨滴粒径更小而数浓度更高,导致R类极端对流系统的地面降水更强。与R类极端对流系统相比,H类极端对流系统的上升运动更强,将更多的水汽和过冷水输送到0℃层以上,有利于形成更大的冰相粒子(如霰粒子等),并通过融化形成大雨滴。以上研究表明,梅雨期降水强度和对流发展深度并没有必然的联系,极端降水主要是中等高度的对流引起。

西北太平洋双台风引导气流的伴随敏感性分析

研究了2005-2011年西北太平洋六对双台风个例,根据其路径特征将其分为三类:双台风同时转向;双台风一前一后移动;东台风转向、西台风原地打转或停滞不前等异常路径.利用WRF(Weather Research and Forecasting Model,V3.5.1)模式及其伴随模式分别计算了各个台风的基于伴随模式的引导气流敏感性(Adjoint-Derived Sensitivity Steering Vector,ADSSV),在此基础上分析了不同移动类型的双台风之间的相互影响和环境场对其影响的差异,研究结果表明:ADSSV在垂直方向上主要分布在850 hPa和500 hPa之间,不同台风引导气流敏感性极值的高度具有较明显的差异;不同双台风ADSSV的水平分布特征也有显著不同,有的双台风之间的相互影响非常明显,有的双台风则属于单向影响型,还有的双台风虽然满足双台风的定义,但它们相互之间并没有明显的相互作用.