雷达反演同化对台风蔷薇（2008）强度和路径预报影响及其机制研究

【摘要】登陆台风是世界上破坏性最强的自然灾害之一,其伴随的强风和暴雨常造成巨大的生命财产和社会经济损失。台风在接近陆地时,其强度、路径和结构的变化经常相当显著,给台风预报带来较大的困难。过去研究表明,制约台风预报的关键在于数值模式初始场不能准确反映台风结构。众所周知,地基多普勒雷达是唯一能监测近海登陆台风风雨三维结构的工具,其高时间和空间分辨率的观测资料有助于改善数值模式初始场精度。本文选取2008年登陆台湾、路径突然西折的15号台风蔷薇(Jangmi)作为研究个例,采用位于台湾的四部S波段WSR-88D雷达在台风路径发生转折前(2008年9月28日00时到06时)的径向速度和反射率因子数据,开展台风环流结构的雷达风场反演方法研究。在此基础上,利用集合卡尔曼滤波同化技术,分析反演风同化对台风强度和路径预报的影响,并探讨台风非对称环流结构在其路径变化中的作用。首先,在雷达台风环流反演方面,发展梯度速度轨迹显示(GrVTD)方法和基于反射率因子的回波追踪交叉相关(T-TREC)方法。GrVTD方法根据台风不同半径上雷达径向速度方位梯度呈谐波变化的特征进行傅利叶分析,避免速度模糊影响,并较准确稳定地获取台风近中心的主要环流结构。该方法同时为T-TREC方法提供质量控制后的径向速度和背景环流。T-TREC方法在台风中心为原点的极坐标系下,进行逆时针回波追踪,并结合径向速度建立风场相关矩阵,减少传统TREC方法因主观设定搜索区域和均匀回波造成的误差,从而可获取整个降水区的风场结构。定量评估表明T-TREC方法反演误差小于4ms-,且运行稳定适用于实时风场分析。其次,在T-TREC反演的台风环流基础上,本文利用先进的集合卡尔曼滤波系统研究了T-TREC反演风循环同化对台风Jangmi强度、路径、结构和降水分析和预报的作用,并将其与雷达径向速度同化进行比较。由于包含了大范围的完整风场信息,反演风(VTREC)同化显著地改善了台风强度和结构分析：而由于单雷达径向速度(VHL)不能覆盖整个台风内核区以及同化过程中低估了垂直于径向速度的分量,导致VHL同化对台风强度和结构分析的影响比较有限。相对于VHL同化,VTREC同化后的气压场在预报过程中能够迅速有效地向增强后的台风环流调整,因此能在短时间重新建立气压场和风场平衡涡旋,显著提高了预报的路径、强度、结构和降水。进一步比较VTRECVhl,四部雷达径向速度(V4RD)同化,同时同化VTREC和V4RD以及先同化VTREC后同化V4RD五种同化配置方案在不同同化窗口中对台风预报的影响。结果表明,较完整的径向速度覆盖(更长同化窗口或更接近登陆的同化窗)可获取较优的分析和预报的结果,而VTREC同化在不同的同化窗口中的变化较小。结合同化VTREC和V4RD比单独同化任一对预报的改进更加明显,其中先同化VTREC后同化V4RD的方案对台风强度和路径预报的作用最为显著,同时其降水预报的提高也最为显著。定量降水预报评估显示,VTREC同化对台风降水预报改进的幅度较大,其中一个主要原因是,同化VTREC可较准确地描述大范围台风雨带的移动,因此VTREC同化能够改进台风雨带分布,从而提高了降水的预报。最后,在同化预报的基础上,选取两个路径预报差异较大的实验,分析初始场(环境场和台风初始结构)对台风Jangmi路径突然西折的物理机制。通过涡旋分离技术和傅利叶分解,将初始条件分解为环境分量,轴对称分量,以及波数1-3的非对称分量,并进行一系列不同初始条件的敏感性预报实验。结果显示,台风初始场中波数1非对称结构对台风Jangmi的西折起主导作用,而环境场的作用不明显。波数1环流结构在过台风中心区域形成了明显的通道气流,使得台风随通道气流移动。通过计算深层区域平均通道气流以及深层平均引导气流定量分析了通道气流和引导对路径变化的影响,发现两支气流的变化较好地解释了台风的移动方向和速度的变化,其中台风向西移动分量几乎完全由通道气流提供。
【作者】王明筠；
【导师】赵坤；江静；薛明；
【作者基本信息】南京大学，气象学，2014，博士
【关键词】登陆台风；多普勒雷达；风场反演；集合卡尔曼滤波；非对称结构；

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