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台风定量降水预报是当前国际热带气象学的研究热点,也是关系到我国人民生命财产安全和经济发展的重要研究领域。台风降水的可预报性是提高台风定量降水预报的关键科学问题。2009年8月7日台风莫拉克登陆台湾,破50年纪录的最强降水给台湾造成了严重的生命和财产损失。本论文以台风莫拉克为对象,探讨其强降水的可预报性与路径、台湾地形和大尺度环境场西南季风的关系,并进一步研究目标观测对改善台风定量降水和提高降水可预报性的作用,为今后我国台风定量降水预报和目标观测的实施提供科学依据。 高分辨率(4.5 km)云分辨尺度的Weather Research and Foretast(WRF)模式用于研究台风莫拉克在台湾强降水的可预报性。基于60个成员的集合预报分析显示降水预报误差和路径预报误差的相关系数为0.82,移动台湾岛的敏感性实验证实路径预报误差大(小)的集合成员如果人为把台湾岛移动到(移出)台风路径上可以大大提高(降低)强降水的可预报性。虽然降水的可预报性很大程度上依赖于路径的可预报性,但是当路径预报准确的情况下,降水预报仍然有很大的不确定性。移除地形的敏感性实验表明台湾复杂地形对台风的影响在此次强降水过程中发挥了重要的作用。分析发现地形坡度、水平风速和中低层水汽含量是决定降水强度和落区最重要的因素,在考虑以上三个因素的情况下,一维线性地形降水模式抓住了台风莫拉克在台湾降水的基本特征,但是与三维模式的结果相比仍然有较大误差。说明除了地形抬升的线性强迫,地形对台风的非线性作用可能是影响台风降水可预报性的限制性因素。 除了台湾地形对台风的作用之外,西南季风作为大尺度环境场在这次强降水过程也发挥了重要作用,本文用水汽追踪的方法定量分析了西南季风的水汽输送对台风降水的贡献。不同时刻的轨迹分析表明西南季风对台风莫拉克的影响最早开始于8月7日0600UTC(台风登陆前12小时),富含水汽的西南季风气流建立了从南海到台湾南部的水汽通道,并通过台风外围的入流气流将水汽输送到低层辐合区,一部分通过台风本身的上升气流到达强对流区,另一部分在地形抬升的强迫下产生垂直运动。这两部分气流均对加强台风降水有显著的作用。莫拉克在台湾降水的强度和季风水汽输送的强度是对应的,水汽追踪分析显示在降水最强时刻有38％的空气质点来自西南季风的输送,并且这部分空气的水汽含量比其它区域高60％左右。与此同时,莫拉克逐渐移动接近台湾的过程中,台风西南部的外围环流和西南季风发生合并,形成了季风环流区。敏感性实验表明台风莫拉克显著加强了季风环流区的强度,这种正反馈的存在可能也是造成此次强降水的原因。 莫拉克降水和路径可预报性之间的依赖关系、地形对台风降水的作用以及西南季风和台风之间的相互作用揭示出这次强降水过程的特点是可预报性低、预报难度大,因此本文采用集合敏感性分析和集合卡曼滤波资料同化的方法研究目标观测对提高台风降水可预报性的作用。集合敏感性通过计算同化资料之后预报误差方差减少的最大值确定敏感区。集合敏感性的分析发现,在目标观测时间(台风登陆前42小时),位于台风西南方向的观测对改善台风降水预报和减小预报误差方差有最大的贡献。观测系统模拟实验(Observing system simulatedexperiment,OSSE)表明,集合敏感性计算的观测影响和模式模拟的观测影响之间并没有显著的线性关系。分析发现这可能是因为同化观测资料以后台风路径和降水预报虽然更加准确,但是由于台湾地形的影响,基于集合预报的预报误差方差却显著增加。因而对台风莫拉克降水,预报误差方差的变化无法准确地反映观测对预报的影响,用集合敏感性确定的敏感区有一定的误差。实际的下投式探空观测的实验也揭示了类似的规律,但是由于实际观测误差的不确定性更大,因此结果更复杂,集合敏感性的局限性也更大。这种方法的局限性可能与台风系统的强非线性、地形对台风作用的非线性、观测误差和背景误差的非线性增长以及从单个的探空观测投影在复杂的目标敏感性矩阵过程中的误差有很大的关系。