中纬度斜压环流背景下的台风初始化方法研究

我国是世界上受台风影响最为严重的国家之一，然而对于台风的数值预报能力仍然非常有限，其主要原因是由于台风中心附近观测资料的严重缺乏，很难为台风数值预报提供具有真实初始涡旋的初始场。热带气旋在不同的生命期具有不同的结构特征，尤其是在中纬度斜压系统强迫下，台风逐渐由一相对对称的暖心系统转变为一结构不对称的斜压系统，而当前的台风初始化方法并没有专门针对这一特点设计，因此，本项目针对中纬度斜压系统的影响下，台风由正压系统逐渐转变为斜压系统的特点，采用片段位涡反演方法重建台风涡旋的三维动力场和热力场，利用变分同化方法将热带位涡反演资料同化进数值模式，从而构造出一种适用于中纬度斜压环流背景下的台风初始化方法，研究该方法对热带气旋路径和强度预报的影响。

本项目已按计划完成，并得到以下的主要结论：.（1）基于片段位涡反演方法，设计了台风初始化方案，通过台风个例数值模拟结果表明，片段位涡反演方法可以很好反演出与台风位涡扰动相对应的三维动力学和热力学变量，并且反演得到的台风三维扰动场具有非对称性，很大程度上克服了传统对称Bogus台风的不足。由于采用了基于位涡反演的方法，使得获得的初始场中的各物理量具有较好的动力和热力协调性。.（2）设计了基于模式动力积分约束的台风初始化方法，该方法包含模式动力积分、台风涡旋分离和台风涡旋重定位三部分，由于台风涡旋是通过的模式动力积分得到，因此台风的各物理量场充分满足模式动力学平衡条件，而且考虑台风观测资料的约束，使得初始化的台风强度与观测值十分接近，台风涡旋具有更好的暖心结构，且通过涡旋重定位，大大消除了初始场中台风的位置误差。通过台风个例的数值模拟试验表明，该方法可以有效提高台风的路径和强度预报，且强度预报要优于路径预报。.（3）针对传统四维变分同化（4D-Var）中不同观测资料分别引入不同正则化参数，提出基于多正则化参数约束的4D-Var（Tikh-4D-Var）；同时，鉴于实际维数巨大同化系统中多正则化参数难于计算问题，基于同化系统后验估计信息，引入一种新的多正则化参数选择方法，相比于传统正则化参数选择方法，该方法计算量较小。基于WRF3.3.1 4D-Var同化系统，利用2010年Chaba台风个例开展bogus资料同化台风初始化应用试验，结果表明：结合引入的多正则化参数选择方法，Tikh-4D-Var方法相比于传统4D-Var方法更快达到收敛标准，迭代次数更少；同时，相比于传统4D-Var方法，Tikh-4D-Var方法呈现出更优的同化和预报效果，使得72小时路径和强度预报误差减小的同时，进一步改善了台风的内部结构信息；多正则化参数在一定程度上可反应同化系统中观测资料和背景场误差方差给定的准确性。.本项目已发表论文17篇，其中SCI论文15篇，另有2篇已投稿；培养博士生1名，硕士生1名。