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中国气象局上海台风研究所

2017 年年报

2018 年3月目录概述

1

一、 科研工作进展

3

二、 基础条件与科研能力建设.

37

三、 野外科学试验

37

四、 科研成果转化

37

五、 论文发表情况

38

六、 学术期刊

38

七、 学术交流活动

39

八、 科研合作情况

40

九、 人才队伍与团队建设

43

十、 党风廉政和科研文化建设.43 十

一、大事记

41 附表:机构基本情况

51 概述 在上海市气象局党组的正确领导下, 在中国气象局科技与气候变 化司及上海市气象局各职能处室和兄弟单位的指导和协助下, 在台风 所全所职工的共同努力下,台风所坚持 国内一流、国际有影响 的 战略定位,开拓创新,致力于台风、海洋气象和区域数值预报等优势 学科领域的应用基础及核心关键技术研究, 不断提高服务国家防台减 灾和上海气象现代化建设的科技支撑, 已较好地完成了全年的工作任 务、达到预期目标.现总结如下: 承担并完成中国气象局的业务工作:完成《西北太平洋热带气旋 年鉴》的整编,承担 上海台风数值预报模式系统 的业务运维并参 加全国发报, 承担华东区域数值预报模式系统 的业务运维及产品 实时接入国家气象中心业务平台使用,承担 台风短期气候预测业务 系统 的运维并多次参加国家气候中心关于汛期西北太平洋及影响中 国台风的预测会商、上海局及华东区域的汛期短期气候预测会商,同 时承担 台风定位定强及预报性能评估业务系统 、全球、西北太平 洋及近岸港口海浪和风暴潮等数值预报系统、 台风检索系统 、 中 国台风网 及 台风论坛(中文) 等的运维.全年完成《台风活动 专报》编写十期,并应中国气象局台风及海洋气象预警中心的要求, 年内参与其组织的全国台风专题会商若干次.完成并出版了《 1981-2010 西北太平洋台风气候图集》 ;

在台风灾情调查的基础上, 开展台风气候预测和台风天气预报在巨灾保险中的应用研究. 科研基础条件得到进一步夯实:在局观预处及计财处等的协助 下,完成

2016 年修缮购置项目的近海海上观测平台修缮建设、低空 无人机探测系统建设和毫米波雷达系统加装天线罩的安装建设任务;

完成了

2017 年修缮购置项目

1 架高空无人机,1 个机载云雷达,1 套 机载探空采集系统和

1 个机载摄像机共计

1250 万元购置任务;

完成 了2018 年上海台风研究所修缮购置项目调研、答辩、申报和评审, 申报项目经费

1300 万元.此外,年内进一步加强了与浙闽等地的合 作, 中国气象局上海台风研究所温州台风预报技术应用联合实验室 已正式运行,位于浙江台州的 大陈岛台风科学试验基地 和位于福 建三沙的 中国台风外场观测基地 建设取得重要进展,租赁的位于 近海海上

100 米梯度塔也已投入应用, 为台风基础研究和模式发展奠 定了更坚实的资料基础. 重点科研项目进展顺利:台风所年内继续重点围绕台风强度变化 、 高分辨率数值预报模式及台风条件下海气相互作用等科学问题开展 研究工作.全年在研项目共

52 项(其中新立项

31 项,包括国家级项 目4项,省部级项目

15 项) .年内共以第一作者(通讯作者)发表论 文24 篇(SCIE 收录

9 篇) . 开放合作和对外影响稳步提升:年内,台风所主持召开国际学术 交流会议

2 次、全国性学术会议

1 次、各类课题会若干次,参加境外 国际学术会议及访问交流共

24 人次、参加国内会议共

50 人次、参加 培训共

9 人次,外国专家来访

14 人次.

一、科研工作进展

(一)科研立项情况(见附表

8、9) 除国家自然科学基金项目外,台风所年内继续围绕台风强度变化、高分辨率 数值预报模式及台风条件下海气相互作用等科学问题,全年在研项目共

52 项( 其中新立项

31 项,包括国家级项目

4 项,省部级项目

15 项),

973 、国家重 点专项及 行业专项 等重点科研项目且进展顺利.

(二)在研项目进展情况

2017 年,在台风预报关键技术研究、台风气候预测机理研究、台风灾害影 响研究、 高分辨率台风模式技术研究等方面取得了较大进展,其中国家级项目主 要进展如下:

1、 973计划课题――台风强度和海洋环境的海气耦合预报关键技 术(已验收) 项目负责人:雷小途;

项目执行时间:2013年1月-2017年8月. (1)台风探测技术及资料应用取得突破性进展 开展台风条件下的海气相互作用研究的一大难题是缺少台风过程中的海上直接 观测资料.在台风狂风暴雨巨浪等极端天气情况下利用常规手段进行观测非常困 难. 为此, 中国气象局上海台风研究所与中国航天科工集团四院联合设计和研发了 火箭弹下投探测台风新技术,即利用火箭/导弹作为运载工具飞越台风,并多点下 投气象探空仪. 为了保持火箭弹的气动外形与硬件接口基本保持不变, 研究团队将 有效载荷换装为装填下投式探空仪与中继转发设备的载荷舱, 并对制导稳定系统和 飞行控制系统等进行了台风探测的适应性改造.该火箭系统由控制系统、发动机、 弹体结构和遥测系统等构成, 采用车载垂直发射方案. 火箭系统成功解决了高效减 速、 探测仪防震和云层对卫星传输信号的衰减等一系列技术难点. 火箭飞越台风的 过程中, 将搭载的多个探空仪下投至台风内部进行探测, 并将探空仪测得的数据通 过GPS 和北斗卫星经中继实时传输至地面. 与美国等开展的飞机台风观测相比, 火 箭弹台风下投探测的优势在于:飞行高度更高,可达台风环流的顶部

15 公里以上 (可根据探测需要选用射程更高和更远的火箭弹) 高空, 其下投探空资料对台风垂 直结构描述更加完整;

火箭飞行速度更快,完成一次探测飞行只需

6 分钟,所测得 的资料为气象意义上台风同一时刻的状态, 而飞机探测通常耗时

2 小时以上.

2015 年10 月3日,对1522 号台风 彩虹 成功实施了全球首次火箭弹下投探测试验, 通过在台风不同区域投放多个下投式探空,获得了大量台风内部风、温、压、湿等 气象要素的直接观测资料,对比 追风 车载 GPS 探空的风廓线资料,可见:台风 低层的流入和高层流出及相应的低高空急流特征明显, 且两者探测的风速相近. 此 次试验的成功,标志着快速、精准、同时获取海上台风多部位结构信息的探测技术 取得重大突破(雷小途等,火箭弹下投探测台风气象参数新技术及初步试验,科学 通报,2017 年;

李永平,雷小途,围捕台风,科技纵览,2017,第4期) .对台 风内部精细结构的直接观测资料分析, 加深了对台风结构变化及其对路径和强度影 响的机理认识. 火箭探测等新型观测资料已被应用于台风的定强与结构分析中, 修 正了全球主要台风业务中心关于目标台风的定强结果. 该项工作证明台风直接观测 资料应用将有助于改进和解决海上台风的强度结构确定等重要科研业务难题. (2)台风边界层物理过程研究取得高水平研究成果 利用沿海超声风温仪的观测资料对台风大气边界层湍流过程进行了深入研究. 对于热带气旋近地层湍流能量串级演变研究, 发现边界层底部存在湍流能量串级现 象, 并且在靠近内核处为从小尺度到大尺度的反向串级, 而较远的外围主要是从大 尺度向小尺度的能量耗散. 这种台风边界层内核区域和外围区域湍流能量串级不同 分布的特征尚属首次发现. 审稿人高度评价此项研究: The presented results are interesting and potentially valuable for understanding theenergetics and intensification of tropical cyclones(相关结果很有意义并且有利于理解热带 气旋增强和能量演化机制) . 利用沿海梯度观测塔资料分析了台风 凡亚比 与 鲇 鱼 边界层内动量通量的垂向分布特征,并结合协谱、湍动能的收支状况分析了影 响台风边界层动量交换的物理过程.发现:发现:不同台风地面边界层大气动量通 量垂直结构存在较大差异;

湍流通量的迅速增大主要来自于尺度较小的湍流贡献, 它以水平平流贡献为主. 依据沿海梯度观测塔上的多层高频超声风速观测数据定量 分析

1013 号 鲇鱼 台风低层大气边界层动量通量逆梯度输送的观测特征.结果 表明: 在台风环流中虽然动量通量总体上沿梯度方向输送, 但也存在一定比例的 逆梯度输送的, 其发生频次与离海面高度和台风环流的不同部位有关: 通常越高 逆梯度输送现象越明显;

在台风内部核心区域逆梯度方向输送频次最多, 其次是 在台风登陆以后残余环流区, 台风外围环流中最少;

动量逆梯度输送与水平和垂直 方向上湍流低频扰动之间的相干结构密切相关: 通常情况下顺风与垂直方向扰动 的反位相相干特征明显, 则动量通量逆梯度输送出现较少;

反之, 当顺风方向扰 动与垂直方向扰动出现同位相变化, 则易出现动量通量逆梯度输送;

湍流动量通量 逆梯度输送期间水平和垂直扰动的平均空间尺度分别为 258m 和35m, 时间尺度分 别为 123s 和13s, 它们比沿着梯度输送的空间和时间尺度约小 1―3 倍. 利用沿海 梯度观测塔超声风速仪观测数据,计算了向岸风条件下海面摩擦速度随风速的变 化,结果表明当风垂直海岸,并且风速大于

22 m/s 时摩擦速度随风速而减小,它 小于已有普遍引用文献结果的最小值 24m/s 饱和值. 同样风速条件下, 风向与海岸 倾斜角度越大摩擦速度越小. 采用

1 分钟平均风速计算摩擦速度比通常采用几分钟 平均风速计算更加合理. 通过对数值模式边界层高度参数化方案的改进, 提高了对 台风路径和强度预报准确性. 主要通过考虑入流层物理特征并结合边界层普遍存在 的卷涡特点, 研究提出了边界层高度参数化的动力学新方法. 它比原方案更为合理. 差异最大值在陆地上和海上强对流区. 通过改进边界层高度描述, 改善不稳定能量 分布以及对流的发展,进而改进降水模拟.改进了夜间陆上边界层高度、2m 温度 过高的问题.改进后的边界层高度的刻画,可影响对流发展,改进台风路径、强度 模拟.利用沿海梯度观测塔提供的三个登陆台风的四层超声风速仪观 测数据,研 究发现地面粗糙度对阵风因子随平均风速、 观测高度以及阵风时距的变化有显著影 响,但对不同阵风时距最大平均风速之间的 转换系数影响较小.对于较大风速的 离海风,阵风因子随平均风速的增加而增大,较低风速的离海风,其阵风因子随平 均风速的增加而减小. 复杂下垫面地形条件下2~10分钟的台风强度转换系数略 小于世界气象组织(WMO)基于美国平坦地形下观测统计的推荐值. (3)台风模式海气耦合物理过程的改进有效提高了台风预报准确性 对台风海气耦合模式进一步改进,在原有的GRAPES-TCM中尺度台风模式和 ECOM海洋环流模式构成的台风海气耦合模式基础上,进一步建立了一个由 GRAPES-TCM中尺度台风模式、ECOM海洋环流模式和WAVEWATCH III(WW3)海浪模 式构成的新的区域中尺度台风耦合模式系统.该 耦合模式 基于OASIS耦合器 实现台风、大洋环流、海浪模式三者间的信息交换.台风模式通过表面风应力和 净热量通量强迫ECOM,后者将动态的SST变化作用于台风模式.台风模式还通过 表面风应力、 摩擦速度强迫WW3作用于海表粗糙度变化,而ECOM则提供给海浪 模式基本的海洋状态.通过对大量台风个例的模拟和预报,结果表明:海洋模式 可引起SST明显下降,进而影响海-气热量通量,导致TC强度减弱;

而海浪模 式的引入主要引起海表粗糙度的变化,改变海-气动量通量的交换,进而影响T C的强度和结构. 特别是通过采用分粒径段组合方式对海洋飞沫生成函数进行改 进, 研究表明: 海气耦合模式中海洋飞沫主要通过改变海表面粗糙度与热通量而 影响台风的强度与结构.应用改善后的台风海-气耦合方案,数值模拟试验显示 新方案可更好地模拟台风强度变化过程.海-气-浪耦合过程非常复杂,气-浪耦 合使热带气旋加强,海-气耦合使热带气旋减弱,海-气-浪耦合的结果接近海- 气耦合.海浪的引入使海水上翻引起的混合加强,导致海表降温更加明显.气- 浪耦合加强海-气间热量交换,而海-气耦合减弱海-气间热量交换,海-气-浪耦 合的结果取决于两者的平衡.海浪场的分布主要取决于风场的分布.另外,混合 层深度的增加使海表降温减弱, 但使深层海水降温增强, 上层海洋热量耗散加强, 有效波高增大. 在海洋飞沫生成函数研究基础上, 形成一个新的海面拖曳系数 D C 计算方案, 并通过海洋环流模式的数值模拟,对比分析了台风条件下使用新的海 面拖曳系数方案与模式原有Garratt(1977)拖曳系数方案后上层海洋海温响应 的差异,结果表明:1)在低风速情况下,考虑海洋飞沫因素的海面拖曳系数 D C 与经典的Garratt(1977)拖曳系数经验公式计算数值相近,在台风高风速情景 下,考虑海洋飞沫因素后的 D C 方案与经典的计算方案差别较大,表现出随风速增 长................