热带气旋是发生、发展于温暖洋面的暖心大气涡旋系统，在西北太平洋和中国南海区域被称作台风。中国是全球受台风影响最严重的国家，尤其台风登陆前后的异常变化(指台风路径、强度或结构以及其带来的风雨的突然变化)常导致台风灾害防御措手不及或过度防御，造成严重灾害或不必要的损失。中国年均遭受9.3个台风袭击，居世界首位，2005—2009年中国因台风灾害损失年均440亿元，平均死亡人数达470人；台风也成为影响中国最严重的自然灾害，极大地威胁着中国的经济发展、人民生命和财产安全乃至社会稳定和国家安全。

受不同地表、地形以及多种天气系统等因素的复杂影响，登陆台风经常发生异常变化，但相关物理机制仍不清楚，对台风登陆前后异常变化机理的研究是台风科学研究领域中的难点，这也是造成台风登陆前后异常变化预报不准的主要原因。因此，为深入研究台风登陆前后的异常变化规律，为增强登陆台风预报能力奠定理论基础，以适应国家防台减灾的迫切需要。

项目需要解决的关键科学问题是：导致台风登陆前后异常变化的环境场、海洋和陆面、内部中尺度系统等影响因子的变化特征及演变规律；海-陆-气相互作用引起台风登陆前后异常变化的物理机制；登陆台风卫星和雷达观测资料的定量应用理论和方法及台风模式的海-陆-气耦合方法。为了针对所提出的科学问题开展研究，本项目的研究内容包括：(1)台风登陆过程的外场科学试验研究：通过开展台风登陆前后核心区域的大气边界层观测试验，获取海-气、陆-气界面动量、热量和物质通量、台风三维结构特征、台风云和降水特征以及降水微物理特征资料。(2)基于多源观测资料的台风登陆前后精细结构综合分析理论和方法研究：通过研究登陆台风的多源观测资料综合分析理论和方法，建立登陆台风的多源观测资料融合分析系统，获取典型登陆台风个例的遥感、遥测反演数据集和高时空分辨率的再分析同化数据集。(3)登陆台风海-陆-气边界层结构及其演变特征：通过分析台风登陆前后海-陆-气边界层内各要素的分布和演变特点，研究台风登陆前后边界层结构变化的动、热力学过程。(4)海-陆-气相互作用对台风登陆前后异常变化的影响机理：研究不同下垫面对台风登陆前后路径突变、中尺度结构异常、迅速发展或消亡及强风暴雨突然加强的影响，分析台风与中低纬度天气系统相互作用引起台风登陆后长期维持不消的物理过程。(5)台风环流内中尺度系统的活动及其对台风登陆前后异常变化的影响机理：研究台风登陆前后中尺度结构演变特征及主要影响因子，及其对台风登陆前后路径突变、造成强风暴雨的机理，研究台风环流内多尺度系统相互作用过程及其对台风登陆前后异常变化的影响，分析登陆后台风内部中尺度系统与残涡的相互作用，探索台风引发地质灾害的特征及成灾机制。(6)台风登陆过程数值预报方法研究及应用：改进数值模式中对台风登陆过程的描述，建立和试验台风海-陆-气耦合模式，开展强度和风雨分布的集合预报试验，建立华东、华南台风监测预报分析和应用示范平台(系统)。

经过5年的研究，在各课题的相互配合下，已经按照预定的研究计划，经过研究揭示海-陆-气相互作用导致台风登陆前后异常变化的物理机制；认识台风登陆前后其结构的演变特征及其对成灾台风异常变化的影响；发展了高分辨率耦合台风数值模式和集合预报系统，并在台风登陆前后精细结构多源观测资料综合分析理论和方法上取得重要进展。为提高登陆台风灾害预警能力提供理论依据和有效方法，为国家防台减灾提供了有力的科技支撑。2 登陆台风边界层观测试验 2.1 外场观测试验方案设计及实施

为揭示登陆台风边界层结构及变化特征，并为改进数值预报模式边界层参数化方案提供观测依据，于2009—2013年连续实施了中国登陆台风的外场科学试验(简称T-LANPEX)。该试验的观测区域包括华东、华南两个观测试验区，主要对北上和西行两种移动路径的登陆台风开展观测。5年间共进行16个台风的外场观测试验，分别是2009年的“莫拉菲(Molave)”、“天鹅(Goni)”、“莫拉克(Morakot)”和“巨爵(Koppu)”，2010年的“灿都(Chanthu)”、“狮子山(Lionrock)”、“凡亚比(Fanapi)”和“鲇鱼(Megi)”，2011年的“梅花(Muifa)”、“洛坦(Nock-tek)”和“纳沙(Nesat)”，2012年的“苏拉(Suola)”、“海葵(Haikui)”和“启德(Kai-tek)”，2013年的“尤特(Utor)”和“苏力(Soulik)”，其路径见图 1。

中国登陆台风的外场科学试验主要采用固定和移动加密观测方式开展观测。固定观测主要依托广东茂名博贺海洋气象科学试验基地，结合沿海布设的风廓线仪、梯度观测塔进行观测。移动观测则基于车载设备进行观测，包括GPS探空系统、车载风廓线仪、微波辐射计、超声风温仪以及雨滴谱仪等。2.2 外场试验资料库

经过对该试验观测的目标台风海量特种资料进行质量控制，并综合常规观测资料，建立了台风登陆过程外场科学试验数据库。数据库内容分为观测资料和背景资料，其中观测资料主要包括外场特种观测数据，卫星和雷达资料，常规大气观测数据(探空廓线、温度、湿度、风速、风向、降水等)，地表和海表属性资料等；背景资料包含近海异常变化台风历史资料和变性台风资料以及部分台风的再分析资料。2.3 台风边界层观测分析及应用

大气边界层高度的精确定义是湍流存在的最大高度，通常利用飞机探测湍流通量的方法进行判定，但由于观测资料缺乏，如何确定台风边界层高度仍是热带气旋研究的难点。中国登陆台风的外场科学试验研究了不同方法对台风边界层高度的判定。在边界层顶(特别是混合层顶)温度和湿度的湍流脉动变化剧烈，大气折射率变化显著(White et al，1991；Angevine et al，1994)，因此风廓线雷达反演的折射率指数(Cn2)或信噪比(SNR)廓线的最大值位置可能指示对流混合层高度。观测显示2个台风登陆过程中混合层高度存在明显变化，其中2009年台风“天鹅”在登陆前混合层高度在3000—5000 m振荡，台风登陆后维持在5000 m高度；台风“巨爵”在登陆前后混合层高度维持在5000 m高度，登陆之后3000 m高度以下混合过程明显增强。台风最大风高度以下的风廓线基本满足对数律分布，因此可以利用对数律对边界层高度进行定义，用此方法确定的该试验中观测的台风“韦帕”、“莫拉克”和“凡亚比”的边界层高度通常在200 m以下。另一判断台风边界层高度的方法为低层入流层高度，台风“天鹅”登陆前入流层高度超过2000 m；登陆时台风路径左侧的眼区入流层高度下降至1500 m，右侧入流层高度超过3500 m；登陆后入流层高度则不超过1000 m。上述结果表明不同边界层高度的定义方法所确定的台风边界层高度不尽相同。

图 1 中国登陆台风的外场科学试验观测的2009—2013年16个台风路径Fig. 1 Tracks of the 16 typhoons observed in the T-LANPEX during 2009-2013

图选项

多通道微波辐射计可用于观测台风边界层温度及湿度分布特征。通过对台风“巨爵”的观测发现，其在登陆过程中，温度和湿度的水平分布呈现明显非对称性：从眼壁西北侧到眼区西侧，温度和水汽密度呈现递减趋势；从眼壁西北侧到东南侧，低层温度急剧升高，高层温度急剧降低，3—4 km的垂直温度梯度增大，且高层湿度更大。在垂直方向上，台风眼壁东南侧附近1 km以下和2—3 km处出现逆温层，以及水汽的大值区；0℃线位于5 km高度附近，高湿度区主要集中在5 km以下，其中3—4 km是温、湿梯度的大值区。

海、气温差和水汽差的正负决定了海-气界面感热和潜热通量传输方向，从而影响台风强度的变化。此次观测试验中发现台风登陆前距离台风中心300 km范围内海、气温差为 -14—0.9℃，其中距离台风中心50 km以外海、气温差均为负值，且海、气温差与距台风中心距离不存在线性关系。当风速小于10 m/s时，台风“灿都”的海、气温差与风速没有明显的关系；当风速从15 m/s增大到25 m/s时，海、气温差从-1℃ 变化到 1℃，而且海、气温差和风速成线性相关。此外，在“灿都”路径的前部距台风中心120 km范围内和其路径右侧60 km范围内主要为海洋向大气输送感热和潜热通量；在其路径的右侧120—300 km区域，则为大气向海洋输送感热和潜热通量。

台风降水的微物理结构特征采用雨滴谱仪进行观测。对2009年台风“莫拉克”登陆过程的观测发现，登陆前观测点先后经历了层状云降水、外围雨带对流性降水和眼壁对流性降水3个阶段。在层状云降水阶段，降水粒子少、谱窄，降水强度起伏小，缺少碰并破碎机制；在对流性降水阶段，粒子数浓度高、谱较宽，小粒子多，降水强度起伏大，表明云中存在冰相融化过程，同时水滴碰并破碎机制很活跃。登陆后，降水粒子谱骤然变窄，但小粒子浓度仍旧很高，反映了水滴的碰并破碎机制还很活跃，降水机制可能以暖雨过程为主。

超声风温仪可对三维风场进行高采样率观测，因此可以分析台风登陆过程中的阵风特征。台风登陆期间阵风存在明显的相干结构(李永平等，2012)，即阵风峰期有下沉气流，谷期(阵风停歇)有上升气流(图 2)。其主周期主要集中在3—7 min，阵风峰期或停歇一般持续2—3 min。顺风方向风速扰动与垂直速度扰动存在明显的负相关关系。

图 2 2009年8月7日22时01分(北京时)至23时阵风扰动(实线：水平风速，虚线：垂直速度；李永平等，2012)Fig. 2 Gust disturbances from 22:01 to 23:00 BT 7 August 2009(The solid(dashed)line indicates horizontal(vertical)velocity；Li et al，2012)

图选项

中国登陆台风的外场科学试验最重要的成果之一是对强风条件下浅水区的海气拖曳系数的观测和估计，主要利用博贺海洋气象科学试验基地海洋气象观测平台对2010年台风“灿都”的观测，并参考2008年台风“黑格比”的近海面多层风速观测资料，该观测平台距离海岸线约6.5 km，平均水深为14 m(赵中阔等，2011)。经过数据拟合得到拖曳系数(C_D)与海平面10 m高度处的平均水平风速(U₁₀)的关系为

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将此结果与深海观测结果对比发现，C_D曲线与风速的依赖关系在浅水情况时明显偏向低风速区；拖曳系数极值对应的阈值风速U₁₀也相对偏小。存在这种差异的可能原因是水深的调制作用，即水深变浅对波浪相速度的抑制，以及浅水引起的波能量聚集、波陡增强效应。此外上述浅水区阈值风速降低的现象进一步证明了波浪破碎与飞沫是拖曳作用衰减、C_D降低的原因，因为浅水区存在水深导致的波浪破碎与飞沫生成机制，要达到同等程度的波浪破碎与飞沫覆盖，浅水区需要的风输入比深水区低，即对应的风速低。这一观测结果对于台风模拟中海洋飞沫的参数化有一定启示意义。一些模式中(Bao et al，2011)，U₁₀<30 m/s时，飞沫粒子较小，蒸发充分，从而致使飞沫层降温；而U₁₀>30 m/s时，飞沫粒子较大，以致在其落回海中之前，蒸发作用微弱。而上述观测结果显示在近岸浅水海域进行海洋飞沫作用参数化时，海洋飞沫作用发生改变的阈值风速可能低于30 m/s。基于全球/区域同化与预报系统模式(GRAPES)(陈德辉等，2008)，将上述观测所得拖曳系数关系用于2011年台风“南玛都”的预报，发现使用新参数化方案预报的平均最大U₁₀更接近于实际，尤其当台风移动到浅水区域时改进更明显，并且路径预报误差也有所降低。3 台风多源观测资料综合分析理论和方法3.1 雷达遥感遥测的反演和同化理论与方法

地基多普勒雷达由于其高时空分辨率风场观测资料成为研究登陆台风环流结构的重要工具。该试验利用中国气象业务雷达观测的高分辨率雷达探测资料，开展登陆台风风场反演技术的研究，发展适应登陆台风的单多普勒雷达风场反演技术，并研制了适应登陆台风的雷达资料同化方法。其中具有代表性的方法有T-TREC(Tropical Cyclone Circulation Tracking Reflectivity Echoes by Correlation)和MGBVTD(Modified Ground Based Velocity Track Display)雷达风场反演技术。

T-TREC技术结合雷达径向风建立的风场相关矩阵，获取整个降水区的风场结构，可改善径向风观测范围较小的限制，减少了传统TREC方法因主观设定搜索区域和回波结构均匀造成的误差。T-TREC反演的径向风分量与观测的多普勒径向速度具有非常高的相关性，误差超过5 m/s的值只约占20%。传统GBVTD方法存在几何约束、无法反演环境平均风场垂直台风中心与雷达连线的分量和高次项的径向风、反演精度对速度模糊敏感等局限性，而MGBVTD方法可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，结合雷达站上空风场信息进行最优化分析，准确分离台风近中心的环境风和主环流，可以减少GBVTD因忽略环境风造成的反演误差。MGBVTD技术反演的风场全风速大小和非对称(1波)结构更接近实际。此外，MGBVTD方法主要针对台风登陆前后150 km雷达径向风观测有效距离范围内的风场反演，而T-TREC则主要针对台风登陆前后460 km雷达回波观测有效距离的雷达回波，因此二者的结合有助于解决距近海台风中心方圆500 km 范围内的雷达监测和精细化反演问题。T-TREC和MGBVTD技术的重要应用之一是建立适应台风环流特征的雷达风场同化方法，可通过数值模式(例如：ARPS)的复合云分析模块和三维变分(3DVAR)模块，发展三维变分和复合云分析技术。Zhao等(2012)利用改进的ARPS-3DVAR进行雷达直接同化试验，发现径向速度的同化对改善台风涡旋环流有重要作用。此外，也可以对T-TREC和MGBVTD雷达反演风场进行间接同化，即利用雷达反演技术首先形成反演风场，然后再同化反演风场。利用T-TREC和MGBVTD反演技术，都可以形成基于T-TREC和MGBVTD的反演风场。基于ARPS-3DVAR，Li等(2013)发现T-TREC反演同化不仅能更加有效改善涡旋初始结构，还能显著改进台风短时临近预报效果，尤其改进台风强降水预报。通过同化MVGBVTD反演风场改善涡旋结构不仅可以改进台风的路径预报，也能显著改进强度和降水预报(Zhao et al，2011)。比较而言，MGBVTD反演风场精度较高，但反演范围较小，适合台风中心进入雷达径向风观测范围内时进行同化；而T-TREC的优势是反演的风场范围较大，因而能更早地用于实时同化分析。 3.2 卫星遥感遥测的反演和同化理论与方法

近年来，卫星遥感观测资料在台风研究和业务中的应用普遍受到重视，特别是使海上台风监测分析和预报能力得到提高。

利用卫星对台风结构进行监测一直是台风分析和预报的重要资料来源。台风登陆前后异常变化及机理研究项目发展了中国风云静止卫星多光谱图像云分类反演技术，实现了除陆地和水面外的积雨云、多层云系、薄卷云、厚卷云、中云和低云等6种重要云类的分类，准确率约85%。

卫星资料估计降水在台风业务预报中也发挥着重要作用。Zhuge等(2011)和Yu等(2011)发展了一种新的基于风云静止卫星瞬时跟踪和连续累积的降水反演技术(ITCAT)。该技术提出了一种可见光归一化的方法(准朗伯面调整QLSA质量控制技术)(Zhuge et al，2012)，保证了可见光图像亮度的一致，可见光测值只与云顶物理特征有关，从而保证降水反演的精度。该方法首先反演10 min降水，然后累积得到30 min的反演降水和预报降水，可以合理估计台风附近的降水区域和强度。

台风研究和预报中对卫星观测资料的应用主要采用反演同化和直接同化两种方式。袁炳(2008)开发了极轨卫星ATOVS(Advanced Television and Infrared Observation Satellite Operational Vertical Sounder)资料及非对称人造涡旋(Bogus)资料的同化技术。该技术利用快速辐射传输模式作为同化观测算子，把多卫星多轨道ATOVS卫星辐射亮温资料同化到模式中，改进台风热力结构。同时使用ABDA(Asymmetric Bogus data assimilation)方案以获得精细的非对称人造涡旋模型。综合运用ABDA方法和ATOVS同化技术的结果表明，同化ATOVS资料能够改善中上层大气环流结构及台风周围环境场，获得更为精细的初始台风环流和温、压、湿场结构，提高了台风降水预报的准确度。3.3 台风动力约束条件下适用的集合变分同化理论与方法

资料同化中常用的三维变分同化由于其体现变量约束关系的背景误差协方差矩阵由气候统计态静态表示，所以使用常规三维变分同化改善台风初始场具有一定缺陷。为了使背景误差协方差矩阵能更好地表征台风结构，流依赖的背景误差协方差矩阵对于同化系统至关重要。集合卡尔曼滤波(EnKF)使用集合预报的离散度近似表征预报场与大气真实状态之间的偏差，所获得的流依赖背景误差协方差矩阵具有明显的流型特征，可以使同化分析场的台风涡旋更合理，并且与环境场更协调，但较多的集合成员数量需要更多计算资源。而将流依赖背景误差协方差矩阵的信息加入到三维变分同化中，可实现混合集合变分同化(Hybrid-En3DVAR)，减少了集合卡尔曼滤波对大量计算资源的需求，也改善了三维变分同化分析增量不合理的缺陷。Li等(2013)使用混合集合变分同化T-TREC雷达反演风场，发现台风温度场可调整出合理的暖心结构。

混合集合变分同化的优势在于既体现了传统三维变分同化所欠缺的流依赖背景误差协方差信息，又可以在现有成熟的变分同化框架下解决集合卡尔曼滤波的问题，因此表征物理定律或者动力平衡的约束表达式可以在三维变分的代价函数中以弱约束的形式表现出来，例如在同化系统里应用连续方程的约束来同化雷达径向风资料。Li等(2013)在混合集合变分同化的基础上以弱约束形式加入梯度风约束平衡，发展了新的约束混合集合变分同化方案，该方案可在多源资料同化时形成动力和热力平衡的涡旋，提高热带气旋强度、路径、结构和降水预报精度。3.4 再分析资料

针对台风登陆前后动力学和热力学边界层过程和复杂下垫面特征，建立适合于台风条件下要素剧烈演变、强非地转平衡的资料同化融合技术，通过多源资料的综合分析和融合，建立高时空分辨率的登陆台风四维分析场(图 3)。尤其是在通过三维变分框架中采用间接同化雷达反演环流和梯度风平衡等动力约束条件，提高了实际台风结构分析和预报能力，并为登陆台风异常变化的相关机理研究提供可靠的再分析资料。

图 3 台风桑美(2006)的精细化云分布(水平分辨率为1.5 km)Fig. 3 Simulated finescale clouds of Typhoon Saomai(2006)(The horizontal resolution is 1.5 km)

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此外，通过比较研究西北太平洋上不同来源最佳数据资料中台风的路径和强度(美国联合台风预警中心、日本气象中心、中国气象局上海台风研究所)，建立了西北太平洋共有台风最佳路径数据集，并发现西北太平洋同来源最佳路径数据资料中热带气旋路径的差别都随着年代的推移而不断改进并趋同，揭示了卫星观测对于台风路径观测精度提高的重要性；同来源最佳路径数据资料中热带气旋强度的差别并不随着年代的推移而趋同，这表明德沃夏克台风定强技术在各大监测中心都存在着主观不确定性；在西北太平洋并不存在强或超强台风频数和强度将明显增加和增强的现象(Song et al，2010)。4 登陆台风异常变化机理研究 4.1 路径异常变化

台风在移动过程中有时方向或速度会发生突然改变(陈联寿等，1979；Carr et al，1995)，台风路径的异常变化是目前台风业务预报的主要难点之一(Wu L G et al，2013；倪钟萍等，2013)。西北太平洋上典型的台风路径异常通常包括两方面：台风西行速度迅速减慢以及向北加速(北折)，西北太平洋所观测到台风路径突变主要原因是季风涡旋与台风相互作用(Carr et al，1995)。Wu L G等，2013定义了台风北折路径和西折路径：定义北折路径时选择12 h内移向变化的临界值为40°，满足以下条件：(1)突变时刻为中心的12 h内移向顺时针变化不小于40°，6 h内移向顺时针变化不小于37°，突变前24 h内向西或向西北方向移动，突变后12 h内向偏北或东北方向运动；(2)突变前24 h内和突变后12 h内，各时刻为中心的6 h内移向变化小于突变时刻的移向变化。西折路径满足以下条件：(1)突变时刻为中心的12 h内和6 h内移向逆时针变化都不小于25°，突变前24 h内向偏西或偏北方向运动，突变后12 h内移向偏西或偏南；(2)突变前和突变后一段时间内台风移向基本稳定。近年来，一些研究从多尺度系统相互作用角度研究台风路径的北折或西折。

Wu等(2011b)对4个在东海附近突然转向东北行的台风进行分析认为在台风向东北突然偏转之前，天气尺度(10 d时间尺度以下)环流的贡献起了关键作用，这些路径突变的台风环流都包括一个准两周尺度的气旋性环流，有时该环流与台风一起移动，有时台风在该环流内移动(图 4)。台风在移向东海的过程中，一般位于低频振荡的气旋性环流中，并逐步合并，同时季风涌开始增强，从而导致这些台风突然转向。

图 4 2006年9月(a)11日06:00时(世界时)，(b)12日06:00时，(c)13日06:00时和(d)14日06:00时台风“桑美”的10—20 d带通滤波的500 hPa风场(圆点表示台风中心位置，“A”表示准两周振荡涡旋中心位置; Wu et al，2011b)Fig. 4 10-20-day b and pass 500-hPa wind fields for Typhoon Saomai(2006) at(a)06:00 UTC 11，(b)06:00 UTC 12，(c)06:00 UTC 13，and (d)06:00 UTC 14 September 2006(the dot denotes the center of the typhoon，“A” denotes the center of the quasi-biweekly oscillation vortex; Wu et al，2011b)

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合成分析表明(Wu L G et al，2013)，台风路径北折前一般经历了先与准两周尺度气旋性环流的合并，再与MJO(Madden-Julian Oscillation)尺度的气旋性涡旋的合并；临近转向时刻，天气尺度上台风中心附近偏南风增强，台风外围北侧由东风转为东南风；转向时刻，西北侧的负涡度区消散，罗斯贝波能量频散在台风的东侧或东南侧产生反气旋性环流，使西南风增强，天气尺度上的经向引导气流有向北的加速度。西行路径发生转向异常前也会与准两周尺度的气旋性涡旋合并，但在MJO尺度上无气旋性涡旋或不与弱的气旋性涡旋合并，天气尺度上台风西北侧一直维持东北风大风区，而东南侧随着低频气旋性环流的罗斯贝波能量频散产生反气旋性环流；在转向时刻，副热带高压强的偏东气流引导下利于台风向偏西或西南方向运动。

台风路径北折且移速减慢也是路径预报的难点。Wu等(2011a)和Liang等(2011)分析2009年台风“莫拉克”的登陆过程，发现“莫拉克”和低频季风环流相互作用导致了其移速变慢和移向向北偏折：“莫拉克”位于低频季风涡旋中，在其登陆台湾前向西移动，在靠近台湾东部海岸时和准两周时间尺度涡旋合并，进入台湾海峡后和MJO时间尺度涡旋合并，加强了“莫拉克”东南侧的天气尺度西南风，导致了其在台湾附近长期滞留；当“莫拉克”靠近台湾与准两周时间尺度涡旋合并时，“莫拉克”南侧边缘西南风增大，其路径发生第一次北折，当“莫拉克”进入台湾海与MJO时间尺度涡旋合并，导致台风路径的第二次向北偏折。

台风同其他天气系统的相互作用也可能对路径产生影响。沈新勇等(2012)使用位涡反演方法(Wang et al，2003；Kieu et al，2010)研究中尺度对流系统对2008年台风“风神”路径的影响，发现中尺度系统对“风神”引导气流有25%左右的贡献，中尺度系统会使台风向偏西方向移动。

除了大气系统间的相互作用对登陆台风路径的突变有重要影响外，下垫面变化也对台风的路径变化起作用，例如海温分布对台风移动的影响。赖巧珍等(2013)利用数值模式研究海表温度分布对2009年台风“莫拉克”路径的可能影响，发现在宽阔洋面上台风活动导致的海表温度变化虽然减弱了台风强度，但对路径的影响小；而沿海的海表温度梯度加强了台风的非对称结构，使得台风向非绝热加热大值区移动。Xu X D等(2013)还发现超强台风登陆过程亦会产生类似洋面上的“趋暖运动”：20世纪60年代、80年代以及21世纪最初10年，超强台风登陆点呈“辐合状”趋于地表温度高于31℃暖陆面区域的特征；70年代和90年代，东南沿海地区地表温度低于31℃，则台风登陆点也相对分散。超强台风登陆趋暖过程可以归纳为如下物理模型：在台风季节，东亚季风西南气流将海洋大量水汽向温暖陆面和台风涡旋输送，且东亚季风向温暖陆面输送水汽流可能与台风外围气旋性环流向温暖陆面输送的水汽流汇聚而产生辐合。同时，温暖陆面加热低层大气，诱导强对流运动发生，温暖和潮湿陆面区域进入对流层中、上部释放大量凝结潜热，形成异常视热源与水汽汇。这种温暖陆面特殊水、热过程，类似于暖湿洋面给台风提供充足水、热环境，“吸引”台风向温暖陆面移动。4.2 结构与强度异常变化

台风登陆过程可包含登陆前的近海活动时期，登陆后的陆上活动时期，有的台风还会重新再入海，而有的则会出现向温带气旋的变性过程。因此，不同环境对台风结构和强度变化的影响也各不相同。

由于台风可能造成巨大的灾害，近年来对台风近海加强的研究日益受到重视。以近中心附近最大风速在12 h内的变化不低于10 m/s(阎俊岳，1996)作为判断近海台风的突变标准，发现1961—2010年，有13.77%的近海台风经历了突然加强，而80%的突然加强过程发生在南海近海(朱晓金等，2011)。近海双台风相互作用可能明显影响台风的结构和强度变化(Xu et al，2011；徐洪雄等，2013；Xu H X et al，2013)。徐洪雄等(2013)研究台风“天鹅”和“莫拉克”的生、消过程，描述了“连体”双台风涡旋能量相互影响特征，认为“莫拉克”涡旋发展，强度增强可能与“天鹅”消亡过程中的能量输送、转化有关。近海台风因地形或环境流场辐合作用常在其外围形成中尺度涡旋，其正涡度(或称涡量)内传至台风内核，使台风突然增强；此外，当台风与涡旋合并时可以使其内核尺度增大，Wang等(2013)发现2010年台风“鲇鱼”近海加强过程中，其与低层涡旋的相互作用加强台风螺旋雨带中非绝热加热，使台风内核尺度增大。最近对流层高层系统对台风强度和结构的影响受到了更多的重视，Li Y等(2012)发现高空冷涡可以在以下方面影响台风的结构和强度变化：高空冷涡与台风环流的上下叠置减弱台风环境风垂直切变；增强台风高空的流出气流和辐散强度；造成台风外围强对流不稳定层结，有利于台风对流活动。这些因子均有利于台风的迅速增强。

台风业务预报中，登陆前台风在近海突然减弱消亡同样是目前预报的难题，通常造成过度防御。如果环境冷空气从低层侵入到台风中心，抑制台风的对流、水汽的垂直输送、减少高层水汽的凝结和潜热释放，台风强度往往减弱甚至消亡；冷海面以及海水上翻作用，也会导致台风的快速减弱。而双台风的相互作用阶段，有时其中一个台风会因“抽吸作用”衰减，徐洪雄等(2013)分析台风“天鹅”和“莫拉克”相互作用认为“天鹅”的位涡能量被“莫拉克”抽吸殆尽，水汽通量后期出现流出的趋势，导致“天鹅”最终在洋面上消亡。强的环境风垂直切变也是导致近海台风快速减弱或者消亡的重要因素：强的、移速慢的和低纬度的台风通常受整个对流层深层风垂直切变作用的影响；而弱的、移速快的和高纬度的台风，除了受深层风垂直切变的影响外，还受到中低(或中高层)对流层的风垂直切变的较强作用(Zeng et al，2010)。

台风登陆前在远离台风环流中心位置触发其他系统活动的现象最近也受到关注，诸如台前飑线的生成和维持(Meng et al，2012)，以及远距离暴雨(Chen et al，2010；丛春华等，2011，2012)。2007—2009年有10个登陆台风伴随着17条台前飑线生成，出现最多的月份为8月并且生成于午后至前半夜。台前飑线生成于距离台风中心平均600 km、台风路径前方右侧36°的位置，大部分(约70%)以断续线形生成，其冷池强度一般弱于中纬度的中尺度对流系统。台风登陆前的远距离降雨因其与台风相隔上千千米，时常在登陆台风预报中被忽略(Chen et al，2010；丛春华等，2011，2012)。台风登陆前的远距离降雨需满足：(1)该雨区发生在台风的环流之外；(2)此降水与台风存在密切的内在联系(陈联寿，2007)。1971—2006年，在西太平洋(包括中国南海)约有14.7%的台风可产生远距离降雨，其中有51.8%的台风产生的远距离暴雨可持续2 d或以上，中国环渤海地区和川陕交界处是台风远距离暴雨的两个高频次发生区域，远距离暴雨发生时相应台风中心位置集中在(15°—30°N，130°—105°E)沿海一带区域内。

台风登陆前后异常变化及机理研究项目在台风登陆前内核结构变化及机理的研究方面最近也取得许多新的进展。涡旋罗斯贝波理论(Montgomery et al，1997)被广泛应用于研究和揭示热带气旋眼壁和螺旋雨带的结构和传播机制，Zhong等(2009)进一步发展了混合涡旋罗斯贝-重力波理论。混合涡旋罗斯贝-重力波的涡度与散度为同一量级，径向上的扰动波数介于纯重力波和纯涡旋波之间，其传播速度也介于重力惯性波和涡旋罗斯贝波之间。台风双眼壁的形成以及替换过程一直是台风动力学研究的热点，Qiu等(2010)着重研究了涡旋罗斯贝波对台风双眼墙形成的贡献，并阐释了β边区轴对称化(BSA)理论和波-流相互作用理论之间的联系，认为对流耦合的涡旋罗斯贝波可以通过两种不同的机制加速其凝滞半径处的平均切向风速：一种是波-流相互作用机制；另一种则与向外传播的内螺旋雨带在凝滞半径处激发的平均次级环流有关。在涡度场上的贡献则是使得在涡旋罗斯贝波的凝滞半径处的平均涡度径向廓线的梯度增大，并且β边区径向向外拓延，使得台风内核外围位涡扰动的轴对称化更容易发生，双眼墙更加容易形成。Qiu等(2013)进一步揭示了边界层对外雨带非对称入流的非平衡响应对双眼墙形成的作用。此外，Sun等(2013)发现切向风场持续外扩以及边界层入流持续增强，使得从海表获取的潜热以及惯性稳定度增大，为双眼墙的生成提供了有利的环境条件；螺旋雨带强对流释放大量的热量与主眼墙区域释放的热量一起引起了雨带处边界层以内及以上超梯度风及超梯度力的出现，从而进一步支持及引起深对流的发展，利于外眼墙形成。

环境水汽场对台风强度和结构同样有明显影响(Ying et al，2012)。数值试验证明，不考虑环境气流影响时，较多的环境水汽会使台风尺度增大，当环境水汽较少时，次级环流的加强会使台风收缩，尺度减小且外围对流活动减少，并且环境水汽较少时台风增强更快但生命周期较短。对于由于环境气流作用而呈现非对称性的台风，水汽的不同分布会造成不同的结构变化：雨带对来自其上游的水汽比较敏感，上游水汽供应较多时外雨带活跃，释放的凝结潜热使上升运动有所加强并减弱了绝对角动量向内径向输送，从而减弱了内核强度；当雨带上游水汽较少时，雨带中的对流受到抑制，尺度减小，内核强度增强较快。

台风灾害通常集中发生在其登陆后，因此陆上台风结构和强度的变化无论在研究还是在业务预报中都极为重视。少数台风登陆减弱后的残涡降水会突然增强，产生第二轮暴雨，雨量甚至超过登陆时的降雨量，这种现象称为登陆热带气旋降水增幅，也称台风残涡复苏(Dong et al，2010)。其降水增幅中心主要位于靠近海岸线和山脉附近，而导致降水增幅的台风登陆后主要有北上和西行两个路径高频通道(图 5)。残涡复苏的原因可能包括：残涡和中纬度西风槽相互作用(Dong et al，2010，2013)，季风涌和残涡的相互作用(多发生在西行路径台风中)，急流和高空辐散的作用以及下垫面地形影响(董美莹等，2011)。台风登陆后环流内新的中尺度对流系统也可能发生、发展。Li Y等(2010)研究2004年台风“云娜”登陆后结构的变化，发现了中尺度辐合线的存在，并且其低层存在对流不稳定层结，高层则存在条件性对称不稳定，从而使辐合线附近对流维持和发展。

图 5 登陆台风降雨增幅事件的发生频数分布(单位：‰)(粗实线箭头表示向北(T1)和向西(T2)两类路径；深灰和浅灰阴影分别表示福建和浙江省；Dong et al，2010)Fig. 5 Distribution of the frequency(‰)of all the tropical cyclones with rainfall reinforcement over l and (The thick solid lines with arrows display the two categories of northward and westward tracks represented by T1 and T2，respectively； the dark and light grey shadings denote the Fujian and Zhejiang province，respectively； Dong et al，2010)

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台风登陆前后异常变化及机理研究项目也关注了台风登陆后受山地地形影响其对流和波动结构的复杂变化，Tang等(2012)采用数值模拟的结果分析了2001年台风“百合”(Nari，0116)登陆台湾岛时山脉对台风外雨带和内核的不同影响作用。发现在台风远距离雨带中，山脉迎风坡的陡峭地形容易频繁触发对流单体并向下游平流，而背风坡上空出现稳定层结的时候可能激发山地波；而当台风内核位于地形上空时，山脉可以在迎风坡产生长时间维持的强上升运动，导致加倍的降水极大值幅度，背风坡山地波下沉支则会产生雨影区。台风登陆后除了山地地形对结构和强度的影响，近来湖泊的影响也开始受到关注。Wei等(2013)通过敏感性数值试验发现登陆台风经过饱和下垫面(湖面)时有利于强降水的发生及台风强度的维持。4.3 风雨分布特征及变化

强风暴雨是登陆台风主要的致灾因子，台风登陆过程中风雨的精细化预报是台风业务预报的重要和紧迫需求，因此登陆台风的风雨分布特征及变化机理研究也是研究重点之一。地形、下垫面、大尺度环境场以及台风移向等因素的综合作用可能会导致登陆台风降水时空分布发生明显变化，降水强度突然增强或减弱，降水空间分布呈现明显非对称性。

卫星估测降水资料统计显示登陆中国不同地区的台风降水具有不同非对称分布特征：登陆华南(包括海南和广东)的台风，登陆前后强降水落区始终位于台风中心西南部；在台湾海峡地区登陆的台风，登陆前强降水主要位于台风中心西南部，登陆后强降水移至中心南部及东南部；在浙江登陆的台风，登陆前强降水位于台风中心的东南部，登陆后移至台风中心的西南部及东北部。总体上，一波非对称降水是台风降水空间分布的一个最显著特征，其中风垂直切变起重要作用(Yu et al，2010b)。雷达反演降水资料也显示在台风离陆地较远时，轴对称降水径向廓线呈双峰结构；当台风接近登陆时，其内核区降水有增强的趋势，且外围降水向台风中心收缩(吴丹等，2010)。非对称降雨在内核区以一波分量为主；而在外核区一波和两波为主的非对称降雨均可能出现(Wu D et al，2013)。

大尺度环境场对登陆台风降雨的影响作用除了风垂直切变、远距离暴雨等，典型的还包括台风与西风带系统(如西风带高空槽)以及季风涌等相互作用造成的降雨变化。Chen(2011)比较了两个登陆台风变性过程的降雨特征，深槽向东靠近弱的台风环流时，台风北侧暖脊和高空冷槽间的相当位温梯度增大，锋面发展，台风西北象限对流发展；浅槽东移靠近强的台风时，高空槽南北边部分东移速度有所差异，造成槽线呈西南—东北倾斜，较强的水汽平流输送位于台风东北侧，因此东北侧出现强降水(图 6)。卢珊等(2012)发现2001和2006年东亚夏季风存在明显的低频振荡，低纬度季风涌均存在明显的北传特征，当低频振荡处于极端活跃位相时季风涌最为强盛，并分别侵入2001年台风“榴莲”和2006年台风“碧利斯”环流，有助于台风降雨强度的剧烈增强，低频气流的辐合和低频水汽输送是“榴莲”和“碧利斯”暴雨增幅的重要原因(Wang et al，2010；王黎娟等，2011)。

图 6 台风(a)海马(Haima，2004)和(b)麦莎(Matsa，2005)的概念图(黑色曲线表示对流层高层流线，红色虚线环绕区域表示暖平流和中层上升运动区域，蓝色虚线环绕区域表示冷平流和中层下沉运动区域；台风麦莎在低层存在条件不稳定，箭头指示平均热成风矢量；绿色曲线表示开始于低层暖空气一侧终止于中高层冷空气一侧的示踪粒子轨迹；Chen，2011)Fig. 6 Schematics for(a)Haima(2004) and (b)Matsa(2005)(The curved black lines represent streamlines of the upper-tropospheric flow. The areas circled by red dashed lines denote regions of warm temperature advection and ascent in the midtroposphere; the areas circled by blue dashed lines denote regions of cold temperature advection and descent in the midtroposphere. TC Matsa(2005) is characterized by conditional instability at the low level. Arrows represent the mean thermal wind vectors. The curved green lines represent the trajectory of a parcel starting near the low troposphere in the warm sector and ending in the mid-upper troposphere in the cool sector； Chen，2011)

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除了关注大气环境对登陆台风降水的影响，许多研究也关注下垫面状况对登陆台风降水的作用，例如山地地形和水体分布的影响研究。Yu等(2010b)通过研究2005年台风“泰利”登陆后的降雨特征，山脉的存在极大地影响了台风降雨的强度和落区，例如敏感性试验中移除武夷山地形，将使降水落区向内陆推进；移除庐山地形后，降水落区则偏西和偏南；同时去掉庐山和大别山地形后，强降水区位置更加偏西和偏南。Yu等(2012)通过敏感性数值试验诊断了杭州湾水体对一次登陆热带低压造成大暴雨过程的可能作用，认为水体下垫面能增加边界层水汽、感热和潜热通量，同时增强高低空风速，并可能影响风垂直切变，从而影响中尺度对流系统和强降雨的发生、发展。

台风灾害主要发生在登陆期间，海陆下垫面及地形强迫等会使登陆期间台风风场分布出现明显变化(Powell et al，1998)。Bai等(2014)使用1998—2009年的探空资料对64个台风登陆期间的风场进行分析，发现登陆期间轴平均风速的最大值位于850 hPa高度，距台风中心100—200 km，并拟合得到台风登陆后的轴对称风速径向廓线方程(2)。

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登陆台风环流中的中小尺度系统的发生、发展对局地风雨分布和变化有极为重要的影响。李青青等(2009)通过对2004年台风“云娜”高分辨率模拟结果的分析发现，在环境风垂直切变不是单一方向的情况下，中尺度涡旋只在对流层低层的眼壁区域形成，并表现出涡旋罗斯贝波特征，当其移动至风垂直切变矢量下风向时对流加强；而在眼壁区域的对流层中上层则只有小尺度对流单体存在。Li Q Q等(2010)还发现一类小尺度雨带存在于台风的内核区域，雨带长10—100 km，宽5—15 km，能够在近地面局地产生灾害性大风，与边界层入流反转层相关的不稳定是这类小尺度雨带的形成原因。Li Q Q等(2012)分析了外螺旋雨带的成因，认为外螺旋雨带的形成与快速涡丝带以外的内雨带残留以及对流层高层的局地准对称不稳定有关，是快速涡丝化的对流抑制作用与适合激发深对流的动力、热力条件之间平衡的结果。Yu等(2010a)调查了登陆台风环流内中尺度涡的新生与合并过程，在正位涡水平平流和非绝热加热作用下，中尺度涡从低层向高层形成，并且合并发展造成局地大暴雨。中小尺度系统活动可以从波-流相互作用的角度分析其对登陆台风风雨变化的影响(Ran et al，2013)，在台风降水增强期，波作用密度与基本态位涡的交换项(代表中尺度扰动与基本态的相互作用)会促进波作用密度(扰动)增长，但在台风降水达到顶峰以及随后减弱时，交换项倾向于削弱波作用密度(扰动)。

在登陆台风暴雨过程中还有一类中尺度系统的活动不可忽略，即重力波的活动(Ran et al，2009，2010)。采用小波分析和小波交叉谱分析方法，根据纯重力波极化理论，可以定量识别(提取)与登陆台风暴雨相关的惯性重力波，而这些惯性重力波的发展演变与热力强迫有密切关系。通常气流辐合和水汽条件充足的区域，垂直上升运动强烈，释放出大量凝结潜热，激发活跃的重力波，该重力波可以通过扰动凝结潜热的扰动平流输送，改变凝结潜热的垂直分布，促进广义位温垂直梯度发生变化，进而影响大气层结稳定度，实现对暴雨发生、发展的促进作用。

暴雨归根到底是雨滴的形成和降落过程，因此登陆台风暴雨的云微物理过程同样是研究的重点。花丛等(2011，2013)利用数值模式分析2007年台风“罗莎”降雨的云微物理过程，发现在台风的不同位置，500 hPa以下大气层通常处于饱和或弱过饱和状态，但形成降水的云微物理过程有所不同，而台风云系的发展则对降水的微物理过程十分敏感。任晨平等(2014)同样使用高分辨率数值模式研究台风“碧利斯”登陆后暴雨增幅的云微物理成因，他们认为伴随着季风涌的爆发，水汽输送和抬升均增强(Wang et al，2010)，水汽凝结成云水过程明显增强，大量云水一方面被雨水碰并收集直接转化为雨水，另一方面先被雪粒子碰并收集，进而转化为霰，并最终通过霰的融化过程生成雨水，贡献地面降水增幅。

登陆台风的风场结构与暴雨的发生密不可分，分析登陆台风环流(中尺度)风场结构有利于理解登陆台风结构特征和降水过程，有限域水平风场旋转风和辐散风分解是中尺度风场结构分析的有效方法之一(周玉淑等，2008，2010；Zhou et al，2010；邓涤菲等，2011)，通常无辐散风变化与降水增幅的关系不明显，而与无旋风的强弱变化有关，暴雨增幅发生时段暴雨区上空无旋风明显增强。

可以用一些宏观物理量通过模式释用的方式来描述台风暴雨的热力、动力特征，例如，湿热力平流参数、对流涡度矢量垂直分量、热力波作用密度、热力位涡波作用密度、热力位势散度波作用密度、斜压涡度和位势切变形变波作用密度等(冉令坤等，2011；楚艳丽等，2013；Gao et al，2009；Ran et al，2009，2010，2013)，这些动力因子与观测降水具有较强相关，可用于建立登陆台风暴雨动力预报方案。同样，基于模式释用的登陆台风风场动力预报技术也开始发展，并在业务预报中发挥作用(Hao et al，2009，2010)。5 台风登陆过程数值预报关键技术研究 5.1 台风初始场改进技术

理想涡旋同化技术和涡旋重定位技术是两种常用的台风数值预报初始场调整技术，但理想涡旋同化技术和涡旋重定位技术有各自的优点和不足。Liang等(2007a，2007b)基于四维变分和三维变分同化，提出了模式约束三维变分技术(MC-3DVar)，使分析变量间具有更好的协调性。另外，结合重定位技术引入了循环同化概念，形成台风涡旋循环同化方案，检验表明相对于理想涡旋同化方案，循环同化方案对于强度为990—910 hPa台风的强度预报误差改善明显，路径预报也有所改进(黄伟等，2010)。卫星资料在台风模式初始分析中具有重要作用，而适当的同化技术是合理实现台风模式初始化的关键。Ma等(2010)基于QuikSCAT海面风资料反演的海平面气压，结合三维变分同化和能够描述台风精细结构的中尺度模式，研究了可提高台风初始化分析准确性的台风初始化方案。检验结果表明初始化方法在实现台风风场与气压场的动力平衡基础上，不仅明显改变了大气不稳定状态和对流触发条件，而且也调整了台风在对流层顶附近的流出结构(马雷鸣，2011)。热带气旋湿度和深对流的有效刻画也是台风预报成功的关键因素之一。Liu等(2013)应用风云-2卫星的云顶亮温和雷达反射率因子判定深对流区，通过湿度松弛逼近技术改善热带气旋深对流区域湿度分布构造初始涡旋。通过湿度松弛逼近，台风中心海平面气压强度与观测相近后，将生成的涡旋分离出来并融入中尺度台风区域模式的初始场中，然后应用变分同化系统，同化该提取涡旋的不同物理量。此方案能够较好地再现台风最大风速和中心最低海平面气压的发展演变特征，特别是能很好地预报台风的快速增强过程和登陆前后热带气旋强度的减弱过程。5.2 物理过程参数化新方法

数值模式中通常使用对流参数化方案来描述次网格尺度对流的作用，用于台风预报的对流参数化既应该满足参数化的基本概念，又要能够充分体现台风的对流结构特点和统计特征。利用GRAPES-TCM模式检验积云对流参数化Kain-Fritsch(KF)方案与Betts-Miller-Janjic(BMJ)方案对台风预报的影响(王晨稀，2013)，发现不同的对流参数化方案对台风路径的影响没有明显差异，不同的对流参数化方案预报的台风强度和降水强度各不相同，总体上KF方案的预报效果略优于BMJ方案。但KF方案也存在一些明显不足，如在边缘不稳定环境下常虚报大范围的小量级降水(Warner et al，2000；Ma et al，2009)。Ma等(2009)提出一种新的对流触发参数化算法来重新定义对流温度扰动，特别考虑了水汽平流的作用进而建立了环境强迫(网格尺度)与局地扰动间(对流尺度)的显式关系，从而改进KF方案。评估表明基于新的KF方案可以通过影响对流雨带入流的稳定性改变对流性降水的发生、发展(Yu X et al，2010)。

大气辐射传输过程是大气的重要物理过程，数值模式中通常采用近似参数化方案描述辐射传输过程，例如二流近似和四流近似。在有云情况下(如台风系统中)，二流近似方案对辐射通量和加热率的计算可能存在较大误差(Lu et al，2009)。Zhang等(2013a，2013b)根据有限大气不变性原理和四流近似的物理特点，建立了两种高精度辐射参数化算法(四流离散坐标累加法和四流球函数展开累加法)。在两层大气情况下，这两种方法可获得相当高的计算精度，并能很好解决辐射传输过程中多层大气的连接问题，总体上这两种新的辐射传输参数化方案在准确性和计算效率方面均体现出明显优势。5.3 台风海-气-浪耦合模式技术

海洋通过海-气相互作用提供了台风发展的主要能源，合理反映海-气相互作用是数值模式能够成功预报台风路径和强度的前提，目前主要通过海-气模式耦合来实现。该研究项目以GRAPES-TCM模式为基础，发展了一个台风区域海-气-浪耦合模式，可实现海洋、海浪模块的可选配置，以及对海洋、海浪与台风相互作用的机理分析。

台风区域海-气-浪耦合模式系统使用OASIS3耦合器(Valcke，2006)实现GRAPES台风模式(即GRAPES-TCM)和ECOM_si(Estuarine，Coastal and Ocean Model_semi-implicit)大洋环流模式、WAVEWATCH Ⅲ海浪模式(Tolman et al，2002)之间的相互耦合，并实现子模式间的通讯及大气和海洋之间的通量交换。其中ECOM-si是在POM(Blumberga et al，1987)的基础上发展起来的三维河口海洋模式，它考虑了流体不可压、布西内斯克(Boussinesq)近似和静力近似，包括了动量、连续、温度、盐度和密度方程。

耦合模式中GRAPES-TCM的背景场和侧边界条件由中国国家气象中心T639模式和美国NCEP的GFS全球模式提供；海洋模式ECOM_si基于HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)全球模式的逐日海洋温度、盐度、流速以及海面高度分析场，通过网格插值提供台风预报时刻前一个月的模式初始场和边界条件，再使用NCEP再分析资料中的风场、热通量等驱动海洋模式，积分一个月得到动热力平衡的海洋初始场。海浪模式WAVEWATCH Ⅲ利用GRAPES台风模式风场的分析实现初始化和驱动。海-气-浪耦合物理过程主要包括：海洋模式得到大气模式预报的海面风应力、海表净热通量(包括感热通量、潜热通量、净长波辐射通量和吸收的太阳短波辐射通量)和水汽通量；大气模式获得海洋模式ECOM_si提供的海表温度；大气模式底边界如为陆面，则使用基于地面能量平衡得到的地面温度，如为海洋且位于耦合区域内时，则使用海洋模式预报的海表温度，而位于耦合区域外的其他区域使用不变的海表温度；大气模式和海浪模式通过同时考虑浪的状态和海洋飞沫将海-气动量和热量通量的影响耦合起来，并引入一个考虑波龄和海洋飞沫影响的海表粗糙度参数化方案计算海表风应力。试验结果表明建立的海-气-浪耦合模式能够合理地模拟台风的强度、海表温度等的变化，具有良好的业务应用前景。6 登陆台风预报分析及业务应用平台 6.1 登陆台风数值预报系统

中国气象局上海台风研究所基于GRAPES模式研发的水平分辨率为0.25°的GRAPES-TCM台风数值预报系统(黄伟等，2007)于2006年投入业务使用，已成为中国登陆台风业务预报的代表性数值预报系统。台风登陆前后异常变化及机理研究项目研发的登陆台风数值预报关键技术主要通过在GRAPES-TCM模式中的试用，改进GRAPES-TCM系统。涡旋循环同化、改进的对流参数化、边界层拖曳系数参数化等方案已在GRAPES-TCM系统中使用；而更高的水平分辨率(0.15°)、边界层模式的约束、卫星资料的同化技术等也通过GRAPES-TCM试验模式进行准业务试验运行。

图 7为GRAPES-TCM模式、GRAPES-TCM试验模式和日本全球数值预报模式对2008—2012年西北太平洋台风路径预报逐年平均误差比较。该研究项目实施前(如2008年)，GRAPES-TCM模式24 h(48 h)路径预报误差为196.4 km(361.4 km)，而日本全球数值模式的24 h(48 h)路径预报误差为122.2 km(193.3 km)。可见2008年GRAPES-TCM模式的路径预报效果与日本全球数值预报模式有相当差距。而项目实施后，GRAPES-TCM模式的路径预报水平逐渐接近甚至超过日本全球数值预报模式，如2012年，GRAPES-TCM模式24 h(48 h)预报误差为91.8 km(215.7 km)；日本全球数值模式的24 h(48 h)预报误差为104.7 km(191.3 km)；GRAPES-TCM试验模式的24 h(48 h)路径预报误差仅为83.8 km(200.5 km)。可见该研究项目对登陆台风数值预报关键技术的研究和应用，显著地提高了台风的路径预报水平。

图 7 GRAPES-TCM(粗实线)、GRAPES-TCM试验模式(虚线)和日本全球数值模式(细实线)对2008—2012年西北太平洋台风路径预报逐年平均误差(a. 24 h预报，b. 48 h预报)Fig. 7 Mean absolute errors(km)of the track forecasts for the western North Pacific typhoons during 2008-2012 by the GRAPES-TCM，pilot GRAPES-TCM，and global numerical model of Japan Meteorological Agency at the forecast lengths of(a)24 and (b)48 h

图选项

中国国家气象中心的登陆台风短时临近预报系统是目前登陆台风业务预报重要的预报工具。其项目研发的在三维变分框架中间接同化雷达反演环流和梯度风平衡等相关技术被集成到登陆台风短时临近预报系统中进行业务应用。不仅提供了可靠的近岸台风的雷达分析产品，还较好地同化了沿岸加密地面和高空观测资料以及雷达资料，提供了丰富的登陆台风风雨及结构变化预报产品。6.3 登陆台风分析和预报示范平台

为推动该项目开展建立的数值预报等技术和模式预报产品以及其他研究成果在业务部门的推广应用，研发建立起“登陆台风分析和预报示范平台”。为了实现该项目研究产品与业务基础数据库的对接，系统以气象业务部门的业务平台MICAPS3.0为基础框架开发示范平台，实现的主要功能包括：台风监测综合显示分析；台风主客观预报产品显示及分析；台风主/客观预报实时检验；超级集合预报路径预报结果的多方法集成显示以及台风监测及预报资料实时入库等功能。平台已在中国国家气象中心(中央气象台)、华东区域气象中心、华南区域气象中心以及浙江、辽宁等省气象台推广应用，在台风业务预报和决策服务中发挥着重要作用。 7 总结和展望

“台风登陆前后异常变化及其机理研究”项目(2009—2013年)主要研究台风登陆前后的路径、强度及其风雨异常的变化机理，是从宏观的角度将台风作为一个整体来研究。但是，众所周知，台风造成灾害的直接原因是其带来的狂风暴雨，因此，台风的大风和暴雨的精细分布预报，是政府科学防御台风的最有效的决策依据。目前对于台风风雨精细化结构认识仅局限于定性认识，其发生、发展的物理机制不清，对其分析预报的技术方法十分缺乏，仍然依靠预报员经验，无法满足国家台风防灾、减灾的迫切需求。另外，台风登陆前后受陆地、海洋和其他天气系统的影响，导致其结构发生变化，由此产生复杂多变的风雨分布特征，其变化机理复杂，预报理论和方法缺乏，是公认的世界难题，是台风研究领域的国际前沿。因此，对于登陆台风的研究目前仅仅是一个开始，应该更加着眼于台风精细结构的演变。

登陆台风风雨分布取决于台风内部环流结构和水汽循环过程，而台风内部结构变化的原因是台风环流内中尺度环流系统的发生、发展和消亡。应该加强认识环境场和下垫面对台风环流内部中尺度系统发生发展的影响机理。开展登陆台风精细化结构演变的外场观测试验；开展登陆台风精细化结构的多源资料分析理论和方法研究；认识环境场和下垫面对登陆台风内中尺度系统发生、发展及演变的影响；进行登陆台风风雨分布的高分辨率数值预报关键技术研究；通过这些工作提高台风风雨监测精细化、定量化的分析和预报能力，提高风雨预警的有效性。