ECMWF模式对西北太平洋热带气旋生成的预报能力及物理过程研究

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热带气旋(tropical cyclone,TC)是西北太平洋最具破坏性的天气系统之一,具有巨大的社会影响。热带扰动一旦形成,在某些有利的环境条件下,可在2-3天内发展成具有完全破坏性的台风。如果可以对海洋上TC生成的时间和位置准确预测,政府及相应的部门可以获得额外的时间来准备即将到来的威胁,减少TC造成的损害。利用交互式全球大集合预报系统(The International Grand Global Ensemble,TIGGE)中欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)高分辨率确定性预报数据,对2007-2018年西北太平洋的热带气旋生成的预报能力进行了全面的统计评估及物理机制研究。根据各预报提前期模型TC的预报能力可分为命中型(well prediction,WP)、早报型(early formation,EF)、晚报型(late formation,LF)和错报型(failed prediction,FP)。根据实际TC发生的特定时刻,将大尺度天气环流背景场分为季风切变线(monsoon shear line,SL)、季风汇合区(monsoon confluence region,CR)、季风环流(monsoon gyre,GY)、东风波(easterly wave,EW)和先兆性热带气旋型(pre-existing TC,PTC)五种流型之一。任何不属于以上流场的均被标记为未能识别型流场(unclassified flow pattern,UCF)。(1)总体而言,SL型预报技巧最高,其次是CR、GY、PTC,EW和UCF型则最低。2007-2018年期间,ECMWF模式的预报性能没有明显的改善,可能部分原因是研究时间段后期SL型个例占比较低。5、6、9、10月份预测TC生成能力最高,7、8、11月份较低。在SL型中,偏西、偏南生成的TC更容易预报。虽然SL流场在5天预测提前期时的预测技能最高,但仍然较低(16.2%)。基于SL流场出现频率最高(45%),研究SL流场提前5天预报期的大尺度热力学和动力学变量演变过程,对提高ECMWF模式TC生成预报技巧很重要。(2)SL流场下从初始预报时刻(Day-5)到生成时刻(Day 0)TC发生的物理过程主要受到环境场强迫、内部热力和动力过程三个方面的相互作用。WP类型下环境场强迫为TC形成提供有利的外部条件。对流层低层,WP类型表现出更明显的季风切变线。在Day-4,先兆性涡旋的东北侧东北信风开始加强,随后一天(Day-3),其南侧的西南气流也开始增强。在高层200 h Pa上,从Day-5到Day 0,WP型先兆性涡旋东北侧反气旋的辐散更强。季风环流的高低层配置有助于低层形成更明显的大尺度辐合,为低层水汽辐合以及径向风加强提供有利条件。(3)WP模式TC的演变过程可用Bottom-up理论来解释。在Day-5,WP类型的TC中心附近的对流吸收了大范围辐合的水汽,进一步增强了低层径向风。在Day-4,结合径向风辐合的增加,强烈的低层绝对角动量输入到内核提供初始旋转。此时,内核附近的湿对流的急剧增加,增强了凝结潜热释放并使得海平面气压降低,这进一步增强了低空绝对角动量输入涡旋内核,使得低空涡旋的进一步发展。随着低层涡度持续增加并向上延伸,在Day-2.5左右,高层绝对角动量的流出急剧增加使得强对流得以维持,低层涡度继续增强。在Day-2,次级环流系统建立,垂直风切变也变得有利于TC形成。(4)湿对流可能是影响TC形成的首要重要因素,且正反馈过程也是重要因素。在Day-5,WP类型的湿对流增强,导致海平面气压降低以及垂直潜热释放,它们反过来又会促使低层的水汽辐合加强,这是内部热力过程中的一次正反馈过程。在Day-4左右,WP类型TC内核强对流吸收了TC中心周边大范围辐合的水汽,进一步增强低层径向风。径向风辐合收缩,经向梯度增大,反过来又会进一步引起水汽的辐合,这是环境场与内部动力之间的正反馈过程。在Day-2,次级环流系统的建立,高层角动量流出和低层角动量流入得以维持,对流运动得以发展。在此条件下,对流层持续增湿,凝结潜热通量增强,对流区涡度进一步增大,这是环境场强迫、内部热力强迫和动力强迫三者之间的正反馈过程。
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