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科研进展

AAS: 不同初始化方案对超强台风快速增强过程模拟的影响

bob手机客户端下载  初始误差是热带气旋(TC)强度预报的主要误差来源之一,中尺度预报模式一般采用全球模式的输出场作为的初始场,由于海洋上观测资料匮乏和全球模式网格分辨率较粗,初始场中TC的强度和结构常存在较大偏差。因此,前人发展了不同的初始化方案对TC初始场进行修正。

bob手机客户端下载  最近,中科院大气物理研究所陈光华研究员团队的施东雷博士研究生基于2019年超强台风“利奇马”快速增强(RI)阶段的数值模拟,对比了两类主要的初始化方案(动力初始化方案和Bogus方案)对TC强度预报的影响。其中,动力初始化(DI)方案通过6小时的模式循环积分逐步调整TC的强度及结构,而Bogus方案是利用一个人造的Rankine涡旋直接替换初始涡旋,使初始TC达到观测强度。研究设置三组试验,控制试验(CTL)不使用任何初始化方案,另外两组试验(DIS和BOG)分别使用DI和Bogus方案对初始涡旋进行调整。如图1所示,虽然两类方案都在一定程度上改善了强度预报的结果,但相对来说DIS能更好地再现了“利奇马”的RI过程,而Bogus试验中TC的RI启动较晚,且在RI后期强度偏弱。

  进一步研究发现,DIS和BOG模拟结果的差异和初始涡旋的结构有关,经DI方案调整后的初始涡旋相比Bogus方案构造的涡旋具有结构更接近真实TC的主次级环流(图2)。强的次级环流有利于TC内区对流的发展和主环流的增强,进而影响TC在垂直风切变下的进动(precession)过程。所谓进动过程类似陀螺转动,即受垂直风切影响而偏离TC低层中心的中层涡旋,绕低层中心逆时针运动,并最终恢复TC涡旋垂直结构的过程。此过程同时伴随着TC内区对流的对称化,TC主环流的越强,则进动的完成越快,越有利于RI启动。图3给出三组试验中TC的进动过程,可以看出,DIS中TC先于CTL和BOG完成进动,促使TC倾斜度减小并形成闭合眼墙,因此DIS的RI启动最早。在RI阶段,DIS比BOG在TC最大风速半径内侧有更频繁的的对流爆发,因此增强速率也更高。本研究可以为台风预报中初始化方案的选择和改进提供科学指导,对台风RI的理论研究也具有参考价值。

  相关研究成果近期发表于大气科学进展杂志(Advances in Atmospheric Sciences)。

bob手机客户端下载  Citation: Shi, D. L., G. H. Chen*, K. Wang, X. X. Bi, and K. X. Chen, 2020: Evaluation of two initialization schemes for simulating the rapid intensification of Typhoon Lekima (2019). Adv. Atmos. Sci., .

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图1. 模拟与观测的(a)TC路径,(b)10 m最大风速和(c)最低海平面气压的对比图。(b,c)中不同颜色的竖线代表观测和不同模拟的RI启动时间。

  

图2. 三组试验中初始时刻TC轴平均切向风随半径-高度的分布图。CTL为控制试验,DIS为使用DI方案的试验,BOG为使用Bogus方案的试验。

图3. 三组试验中的海平面气压(等值线,hPa),雷达反射率(阴影,dBZ),和8-km高度的风场(箭头)。图中蓝色箭头代表300-850 hPa的垂直风切,黑色和紫色台风标志分别代表低层和中层涡旋中心。

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