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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

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南京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 244-256页

作者：李好雨储可宽中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京大学大气科学学院南京210023

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... 详细信息

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.

关键词：台风尺度台风风场径向廓线模型垂直风切变台风移速

超强台风“舒力基”(2021)的尺度可预报性

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南京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 218-229页

作者：黄雨婧谈哲敏中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京大学大气科学学院南京210023

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... 详细信息

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.

关键词：台风内核尺度外围尺度可预报性环境湿度

非静力地形重力波参数化方案对气候模式大气环流模拟的影响

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地球物理学报 2024年第9期67卷 3277-3289页

作者：张蓉蓉季玉枝徐昕路屹雄王元南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京210023 中国气象局地球系统数值预报中心北京100081

本文通过在中国气象局BCC-AGCM3-MR(middle-atmosphere version of Beijing Climate Center Atmospheric General Circulation Model version 3)数值模式中引入非静力地形重力波参数化方案,研究非静力效应对次网格地形重力波垂直动量传输及大气环流的影响.本研究开展了两组次网格地形重力波参数化方案试验,分别采用原有的静力地形重力波参数化方案以及考虑非静力效应的新方案.结果表明,在南半球冬季,新方案相比原方案在南极地区将更多的地形重力波动量通量上传至平流层高层,产生更强的地形重力波拖曳.地形重力波拖曳经向梯度的增强导致更强的绝热下沉增温,从而减弱南极极涡的冷偏差和西风偏差.此外,南半球中高纬地区的行星Rossby波上传也增强,同样有利于极涡西风偏差的减少.在两者共同作用下,有效缓解了模式中的南极极涡破碎延迟问题.在北半球冬季,新方案对大尺度环流的整体影响并不显著,但是能够显著改善青藏高原复杂地形区的东风偏差.

关键词：地形重力波参数化极涡青藏高原数值模式

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数值天气预报模式的行星边界层方案热力预报变量选择

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南京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 276-286页

作者：赵怡雪周博闻中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京大学大气科学学院南京210023

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... 详细信息

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.

关键词：行星边界层方案对流边界层虚位温浮力通量感热通量

热带气旋发展增强过程中龙卷尺度涡旋活动特征

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南京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 230-243页

作者：周玥滢方娟中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京大学大气科学学院南京210023

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.Ear... 详细信息

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.

关键词：热带气旋龙卷尺度涡旋垂直切变水平切变

一种估计模式误差的混合深度学习-资料同化方法

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中国科学:地球科学 2024年

作者：彭子怡雷荔傈谈哲敏南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室复旦大学大气与海洋科学系

在数值天气预报中,预报误差由初始条件误差、模式误差等组成.初始条件通常由短期预报和观测约束优化获得,因此很难将初始条件误差和模式误差清楚地区分开.模式误差对资料同化、预报预测均至关重要.为修正模式误差,本文提出一种混合深度... 详细信息

在数值天气预报中,预报误差由初始条件误差、模式误差等组成.初始条件通常由短期预报和观测约束优化获得,因此很难将初始条件误差和模式误差清楚地区分开.模式误差对资料同化、预报预测均至关重要.为修正模式误差,本文提出一种混合深度学习-资料同化方法.该方法利用卷积神经网络提取初始条件和模式误差的特征,然后得到模式误差的估计;其可以考虑由模式参数不准确导致的模式误差,也可以同时考虑模式误差和初始条件误差. Lorenz05模式的离线和在线实验结果表明,该方法可有效修正由模式参数不准确导致的模式误差,包括强迫项F、耦合系数c和相对尺度b等.相较于仅考虑模式误差,同时考虑模式误差和初始条件误差可得到更准确的估计结果.此外,观测和分析场均可用于验证预报结果,但利用观测验证可更好地估计模式误差,并且在在线资料同化中能更快地趋近模式参数真值.

关键词：资料同化深度学习模式误差

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南京城市下垫面对夏季暴雨云团特征的影响

水科学进展 2024年第3期35卷 453-462页

作者：沈烨张晶寒袁慧玲杨龙南京大学地理与海洋科学学院江苏南京210023 南京大学关键地球物质循环前沿科学中心江苏南京210023 南京大学中尺度灾害性天气教育部重点实验室江苏南京210023 南京大学大气科学学院江苏南京210023

为了理解城市下垫面对降雨的影响机制,选取南京地区2次不同天气背景的降雨过程,利用中尺度气象模式和暴雨云团追踪算法开展数值试验,揭示城市下垫面对暴雨云团形态、结构和演进特征的影响机制。结果表明:当天气强迫较弱时,城市热岛效应... 详细信息

为了理解城市下垫面对降雨的影响机制,选取南京地区2次不同天气背景的降雨过程,利用中尺度气象模式和暴雨云团追踪算法开展数值试验,揭示城市下垫面对暴雨云团形态、结构和演进特征的影响机制。结果表明:当天气强迫较弱时,城市热岛效应增强大气边界层对流活动,暴雨云团进入城市后快速坍塌,云团数量减少,空间覆盖增大,降雨在城区增加;当天气强迫较强时,城市冠层影响暴雨云团特征,城市地区出现大量面积小、移动缓慢且空间结构“尖瘦”的暴雨云团,降雨在城区和城市下风向增加。城市下垫面对暴雨云团特征的影响与降雨前期天气强迫有关,更新了城市对降雨影响机制的传统认识,为城市地区暴雨临近预报和设计暴雨方法提供了科学支撑。

关键词：暴雨云团城市洪涝降雨下垫面数值模拟

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数据同化组成部分对初始条件和误差增长的影响

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中国科学：地球科学 2024年第1期54卷 110-121页

作者：王仲睿孙浩昊雷荔傈谈哲敏张熠南京大学大气科学学院中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京210023 南京大学关键地球物质循环前沿科学中心南京210023

若不考虑特定的数据同化方法,数据同化通常可被分解为先验信息、观测算子、观测误差协方差和背景误差协方差等组成部分.本文基于经典的Lorenz模式,研究了数据同化各组成部分对初始条件误差和预报误差的影响,以期为设计不同尺度天气系统... 详细信息

若不考虑特定的数据同化方法,数据同化通常可被分解为先验信息、观测算子、观测误差协方差和背景误差协方差等组成部分.本文基于经典的Lorenz模式,研究了数据同化各组成部分对初始条件误差和预报误差的影响,以期为设计不同尺度天气系统的数据同化方法提供理论基础.研究结果表明,预报误差经历三个典型阶段:0~5天为预报误差的缓慢增长期;5~15天为预报误差的快速增长期,其中确定性预报和集合预报的误差增长速率具有显著差异;15天后为预报误差的饱和期.数据同化可通过提供更加准确的初始条件,进而提升可预报性.相比于静态背景误差协方差(B),流依赖的背景误差协方差(Pf)可提供更精确的初始条件,因此当瞬时观测或频繁的时间平均观测被同化时,循环同化效果优于离线同化;但当时间平均观测频率低时则结果相反,这是因为循环同化在模式缺乏预报技巧时无法构造具有信息的先验估计,且流依赖的Pf相比于静态的B不能有效地从含信息量低的观测中提取出观测信息.瞬时观测相比于时间平均观测包含更多的信息,因此在时间频率低的观测系统中,瞬时观测应优先被考虑.此外,集合预报优于确定性预报,且集合预报的优势在观测信息较少和模式预报技巧较低时更为显著.

关键词：资料同化大气可预报性背景误差协方差集合预报

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

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南京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 267-275页

作者：孔钰博周逸豪汪曙光中尺度灾害性天气教育部重点实验室南京大学大气科学学院南京210023 科罗拉多州立大学大气科学系美国Fort CollinsCO80523

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... 详细信息

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.

关键词：夏季季节内振荡海洋性大陆地形对流允许数值试验