海洋飛沫對熱帶氣旋邊界層結構的影響

王平，陳葆德，曾智華

（1.中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030；2.中國氣象局臺風數(shù)值預報重點實驗室，上海 200030）

海洋飛沫對熱帶氣旋邊界層結構的影響

王平1，2，陳葆德1，2，曾智華1

（1.中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030；2.中國氣象局臺風數(shù)值預報重點實驗室，上海 200030）

將海洋飛沫參數(shù)化引入到一個高分辨率、非靜力中尺度WRF模式中，對0908號熱帶氣旋Morakot進行數(shù)值模擬，探討了海洋飛沫對熱帶氣旋Morakot邊界層結構和強度的影響。模擬結果表明：采用新參數(shù)化后，對熱帶氣旋Morakot的強度預報有改進，但對熱帶氣旋移動路徑改進不大；其次，通過對邊界層過程的改進，使得眼墻區(qū)域的平均徑向風速、切向風速、溫度、相對濕度、垂直風速、熱通量，降水等物理量均有增強，各物理量的貢獻對熱帶氣旋Morakot強度和結構變化的影響十分重要。

海洋飛沫；熱帶氣旋；Morakot；邊界層；參數(shù)化方案

1 引言

熱帶氣旋（簡稱TC）是一種強烈的高影響天氣系統(tǒng)。開闊洋面上，熱帶氣旋期間的強風使波浪和氣泡破碎，在大氣邊界層低層產生大量的海洋飛沫。由于在強風條件下的海上觀測存在很大的困難，因此在模式中采用參數(shù)化的方法來計算海洋飛沫對海氣間通量交換的貢獻。目前的數(shù)值預報模式中，海氣或陸氣間的通量的計算都是體現(xiàn)在行星邊界層參數(shù)化中，都沒考慮海洋飛沫的作用。

1982年，Anthes［1］提出海洋飛沫的蒸發(fā)會導致大氣下界面的冷卻，進而提高海氣界面的感熱交換，使風暴強度增強。1994年，F(xiàn)airall等［2］最先提出了海洋飛沫通量的總體參數(shù)化方案（FKH方案），他們把此參數(shù)化方案加入到模式中模擬熱帶氣旋，雖然沒有明確指出飛沫是否會對熱帶氣旋的強度產生影響，但模擬結果表明，加入飛沫的影響，模式模擬出的熱帶氣旋發(fā)展演變過程更接近觀測，海氣溫差與觀測結果也更加一致。通過擬合分析HEXOS（humidity exchange over the sea）試驗海氣界面資料，Andreas等［3—11］給出了一種適合于較強風速情況的海洋飛沫通量參數(shù)化方法，該參數(shù)化方案為研究海洋飛沫在海氣間熱量和動量傳輸中的作用及其對海洋上風暴的影響提供了新途徑。Andreas和Emanuel［6］重新考慮了飛沫液滴（spray droplet）的微物理過程，利用Andreas和DeCosmo［8］的參數(shù)化方法進行研究指出海洋飛沫的蒸發(fā)使熱帶氣旋的最大潛在強度增強。Bao等［12］將FKH參數(shù)化方案應用到一個海氣耦合模式，對颶風個例Opal進行模擬，發(fā)現(xiàn)如果只有一部分飛沫蒸發(fā)，蒸發(fā)所需的熱量來自海洋，這部分蒸發(fā)會使颶風強度明顯增強，而如果飛沫全部蒸發(fā)，則蒸發(fā)會從大氣吸取熱量，從而使大氣邊界層低層冷卻，對颶風增強產生負面影響。Wang等［13］使用其高分辨率的熱帶氣旋模式（TCM3）進行理想實驗，他們的結果表明飛沫蒸發(fā)使模擬熱帶氣旋增強率減小而且對其最終強度影響也很小。黎偉標等［14］在中尺度模式中引入海洋飛沫參數(shù)化方案，可使臺風期間海氣界面的潛熱通量增加50%，10 m層風速最大值增加30%，從而使模擬臺風的強度明顯增加，使模擬結果更趨于合理。

綜上所述，以上海洋飛沫對熱帶氣旋影響的研究大都針對大西洋，關于西太平洋和南海熱帶氣旋期間海洋飛沫對其演變的影響規(guī)律和機理，目前尚缺乏系統(tǒng)深入的研究，因此，在對臺風的數(shù)值模擬中，考慮大氣和海洋飛沫的動力、熱力相互作用過程是必要的。本文使用的NOAA／ESRL海洋飛沫參數(shù)化方案版本是基于Fairall等［15］研究設計的，該參數(shù)化方案基本恰當?shù)胤磻撕Ｑ箫w沫對海氣交換過程的影響，把海洋飛沫參數(shù)化方案引入到中尺度大氣模式WRF中，選取2009年8月的熱帶氣旋“莫拉克”（Morakot）作為研究個例，分析海洋飛沫對熱帶氣旋邊界層結構和強度的影響。

2 個例選取和數(shù)值試驗

2.1 莫拉克臺風過程簡介

2009年第8號熱帶氣旋Morakot于8月4日02時在菲律賓東北方海面生成，生命期為7 d。莫拉克臺風形成不久后，向西北偏西方向移動，并在8月5日5時起轉為偏西行進，朝臺灣東部沿海靠近，5日20時增強為中度臺風，7日23時50分左右在花蓮市附近登陸，于8日14時左右在桃園附近出海，進入臺灣海峽北部，并持續(xù)向西北緩慢移動，9日18時30分左右在馬祖北方進入福建，強度減弱，10日早晨進入浙閩交界，然后穿過浙江，于8月11日減弱為熱帶性低氣壓，經過太湖流域，11日下午在江蘇鹽城東臺入海。

2.2 模式方案

采用中尺度數(shù)值模式WRF（weather research and forecast），模擬試驗選取0.5°分辨率GFS的AVN資料作為初始場，模擬采用雙重嵌套網格，區(qū)域中心點位于（27°N，132°E），水平分辨率由粗到細為9 km、3 km，垂直層數(shù)為35層，模式層頂50 hPa。粗網格的起始時間為2009年8月6日00時（世界時，下同），積分96 h，細網格啟動時間與粗網格一致，采用渦旋追隨嵌套網格（vortex following nested grid）技術，該技術最大優(yōu)點是熱帶氣旋（或臺風）始終處在移動的最高分辨率網格區(qū)的中心，因此它的模擬區(qū)域是隨著模式運行自適應調整的（詳細模式配置見表1）。

表1 模式設計Tab.1 The model configuration

2.3 海洋飛沫參數(shù)化方案

在WRF模式中，洋面上的湍流交換過程是用Monin-Obukhov相似理論描述的。計算如下：

式中，κ是von Karman常數(shù)，取為0.4；z0m、z0t和z0q分別是空氣動力、溫度和濕度的粗糙度長度。

本文采用Fairall等［15］和Bao等［16］改進的海洋飛沫參數(shù)化方案。該方案的特點是考慮了海洋飛沫的反饋影響，他們認為，海氣之間總的動量、感熱和潛熱傳輸包括了湍流傳輸和海洋飛沫的傳輸，表達式為：

式中，τtot、Hs，tot、Hl，tot分別為動量、感熱和潛熱的總通量，α為次網格反饋常數(shù)，τsp、Qs、Ql分別為海洋飛沫引起的動量、感熱和潛熱通量，它們分別由下面的公式計算：

式中，F(xiàn)a、Fv是飛沫質量流量，m是飛沫質量，Vf是液滴的平均降落速度，S為海洋飛沫的濃度分布，Ts是海洋溫度，Ta是空氣溫度，Tw是飛沫液滴的濕球溫度，Wb＝3.8×10－6U3.4z是白浪的面積，qs（Ta）是海表上的大氣飽和混合比，qs（Tw）是在濕球溫度Tw時的飽和混合比。詳細計算見Bao等［16］。

2.4 試驗設計

為了評估海洋飛沫對熱帶氣旋“莫拉克”的邊界層結構和強度的影響，設計了比對試驗（表2），即在邊界層過程中不考慮飛沫作用和考慮飛沫作用，分別稱之為控制試驗（Control）和飛沫試驗（Spray），飛沫試驗中邊界層過程采用飛沫參數(shù)化方案。

表2 試驗設計Tab.2 The experiment configure

3 數(shù)值模擬結果

3.1 對路徑和強度的影響

本文采用的是中國氣象局上海臺風研究所最佳路徑和強度（引用CMA－STI的2009年資料），這套資料是中國氣象局上海臺風研究所按照《臺風業(yè)務和服務規(guī)定》，根據收集到的常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測資料，對熱帶氣旋的路徑和強度資料進行整編，是一套后分析產品，包括了業(yè)務當時所獲取的附加信息，可認為產品中熱帶氣旋位置和強度是相對最好的，即“最佳路徑和強度”。

圖1表示臺風“莫拉克”從8月6日00時到10日00時的最佳路徑和強度以及Control試驗和Spray試驗的模擬路徑和強度。從圖1a可以看到模擬開始后，“莫拉克”主要向西北方向移動，兩試驗較好地模擬了“莫拉克”的路徑，對比兩模擬試驗和觀測發(fā)現(xiàn)，兩試驗模擬的路徑移動都稍微快于最佳路徑，這主要是由于模式嵌套網格在初始時刻（8月6日00時）兩個試驗的臺風中心均位于實況的西北面。在6日00時到7日00時之前的路徑模擬中，Control試驗和Spray試驗的路徑相似，和臺風最佳移動路徑的誤差不是很大。在8日7日12時至8日00時，兩個試驗模擬的路徑都在最佳路徑的南側，這主要是由于在8月7日12時登陸臺灣，受陸地摩擦耗散的影響，其強度逐漸減弱，以較慢的速度穿過臺灣島，隨后沿西北向移動。在8日18時以后，Control試驗和Spray試驗模擬的路徑相對最佳路徑移動都偏快。熱帶氣旋的移動路徑主要也受引導氣流、地形和不同尺度系統(tǒng)相互作用等因子的影響，而海洋飛沫主要是通過改變邊界層內的熱量交換對熱帶氣旋產生影響，這可能是兩個試驗模擬的移動路徑較為相似的原因。

在對熱帶氣旋強度的模擬上，Control試驗和Spray試驗模擬的臺風系統(tǒng)均偏弱。圖1b給出了考慮和不考慮海洋飛沫作用時“莫拉克”最低海平面氣壓模擬結果的對比，由圖可見，在48 h之前，兩個試驗模擬的中心海平面氣壓都大于實況，這是由初始場中初始臺風的強度比實際偏弱造成的。由于臺風發(fā)生在洋面上，觀測資料的稀缺，往往造成臺風的初始化存在很大的誤差。此后臺風繼續(xù)發(fā)展，積分12 h后，加入飛沫參數(shù)化模擬結果強于不考慮飛沫作用模式結果，中心氣壓與實況值更為接近（8月8日00—18時）。圖1c給出了最大10 m風速的模擬結果，在模擬前期，Control試驗模擬風場較強，Spray試驗模擬風場相對偏弱，是因為Spray試驗中，近表層很不穩(wěn)定，近表層的風很強，高層的溫度梯度分布是穩(wěn)定的，這意味著低層與高層很少有動量交換，導致模式最低層風速降低，同樣也影響10 m層風速。

3.2 對邊界層結構和強度的影響

本文分析主要選取6日18時至7日06時內12 h平均，即熱帶氣旋加強階段。

圖2是兩個試驗6日18時至7日06時內12 h平均的邊界層徑向風、切向風軸對稱結構。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，模式模擬的熱帶氣旋的0.6 km邊界層高度里，邊界層內有強的徑向風，說明此處入流發(fā)展旺盛，有強烈的徑向入流輻合，徑向風的最大水平梯度區(qū)位于“莫拉克”的墻眼區(qū)（半徑135 km處），值得注意的是，近表層的流速向內逐漸增大，然后再逐漸減小，然后在風眼中心快速的減為0，顯然地，導致徑向風快速減速的原因是超梯度風的存在。Control試驗（見圖2a）中最大徑向入流風速為8 m／s，Spray試驗（見圖2b）中最大徑向入流風速為9 m／s，圖2b表明當加入海洋飛沫時，邊界層結構發(fā)生了顯著的變化，徑向風速顯著增加，徑向風最大水平梯度也明顯增強，說明邊界層中的輻合作用有所加強；切向風大值區(qū)略有減小，表明引入海洋飛沫時會增加表面層的熱量，使垂直混合增加，湍流混合增加，邊界層摩擦增加，從而導致切向風的大值區(qū)略有較小。值得注意的是，邊界層結構的變化會造成熱帶氣旋結構與強度的變化。

圖1 2009年8月6日00：00—10日00：00臺風“Morakot”最佳移動路徑、Control試驗和Spray試驗的路徑（a），中心最低氣壓（b）和近中心最大風速（c）（臺風位置每隔6h標識）Fig.1 The best moving track，tracks of Control and Spray experiments（a），minimum sea level pressure（b）and maximum surface wind（c）for typhoon“Morako”from 6 to 10 August 2009

圖2 2009年8月6日18時至7日06時12 h平均的邊界層切向風速（陰影，單位：m／s）、和徑向風速（等值線，單位：m／s）軸對稱垂直結構Fig.2 12 h averaged axisymmetric structure of tangential wind（shading，unit：m／s）and radial wind（solid line，unit：m／s）within boundary layer

感熱通量和潛熱通量的交換對臺風的發(fā)生發(fā)展具有十分重要的作用。圖3是Control試驗和Spray試驗積分18 h后，潛熱和感熱通量的空間分布。從圖3可以看到，潛熱通量和感熱通量的主要分布形式大致相似，呈現(xiàn)高度的非對稱性，從外向中心逐漸減小，達到最大值后，向中心又逐漸減小，在熱帶氣旋中心熱通量數(shù)值較低，潛熱通量的數(shù)值均為正值，且量值比感熱通量大得多，說明海洋飛沫的蒸發(fā)為臺風發(fā)展提供了大量的水汽和熱量，潛熱通量在臺風的發(fā)展和發(fā)展中作用更大。這與Jan等［17］研究觀點一致：隨著風速的增加，潛熱通量的增加比感熱通量明顯，潛熱通量對熱帶氣旋的發(fā)生和維持作用尤為重要。從圖3a和圖3b看到，Control試驗的潛熱通量的最大值為600 W／m2，Spray試驗最大值比Control試驗大100 W／m2，且臺風中心附近通量大于200 W／m2的區(qū)域Spray試驗比Control試驗大，兩試驗的感熱通量的最大值都為80 W／m2（圖3c、d）。熱通量的低值區(qū)域在臺風中心附近，在臺風“莫拉克”中心的南側和西南側的熱通量都較大。在整個Spray試驗模擬時段內，潛熱通量最大值為1 200 W／m2。從圖3b可以看到，感熱通量的大值區(qū)分布在臺風中心西南側，而臺風中心的北側為低值區(qū)，這是因為感熱通量的大小取決于海氣溫差和風速大小。

飛沫的蒸發(fā)使邊界層的結構發(fā)生了改變，更重要的是直接影響了感熱通量和潛熱通量的重新分配。圖4是Control試驗和Spray試驗從6日18時到7日06時12小時平均的軸對稱平均感熱通量、潛熱通量、總熱量隨半徑的分布。由圖4a感熱通量的分布可以看出，通量的大值區(qū)位于距熱帶氣旋中心130～220 km處，從熱帶氣旋中心到距中心約135 km內，Spray試驗和Control試驗的感熱通量都隨著半徑逐漸增大，加入飛沫后，感熱通量增加了22%，距熱帶氣旋中心135 km以外，Spray模擬的感熱通量低于Control試驗模擬的感熱通量，這主要是由于飛沫的蒸發(fā)使得邊界層冷卻；Control試驗中，感熱通量的量值約是潛熱通量的5%（圖4a、4b），只占總熱通量的6%（圖4a、4c）；而在130 km外，加入飛沫后，感熱通量減小。從圖4b可以看到，加入飛沫后，從熱帶氣旋中心到450 km處，潛熱通量明顯增加。由于飛沫的蒸發(fā)引起的潛熱通量的明顯增加，因此總的熱通量有所增加（圖4c），增加的大值區(qū)位于眼墻附近，這也很好的解釋了Spray試驗模擬的最大風速和海平面氣壓強于Control試驗模擬的最大風速和海平面氣壓，同樣，從圖4c中也可以看到，熱通量存在兩次大值，分別位于180 km和405 km的眼墻區(qū)域內，這與圖2有很好的對應關系。

圖3 2009年8月6日18時熱通量、海平面氣壓和10 m風速的分布Fig.3 Distribution of heat flux，sea level pressure and 10 m wind speed at 18∶00 on 6 August 2009

圖5反映的是兩個試驗軸對稱平均總熱通量（enthalpy flux）的徑向半徑與時間關系。從圖5a與圖5b可以看出，兩個試驗的平均熱通量最大值出現(xiàn)在熱帶氣旋的眼墻區(qū)域，在3～9 h時平均熱通量出現(xiàn)極大值，Control試驗最大超過440 W／m2，加入海洋飛沫后，熱通量最大超過480 W／m2，此時也是熱帶氣旋風速相對較大的時段（見圖1c）。從圖5b可以看出，在整個模擬期間的大多數(shù)時間段內，海洋飛沫對熱通量的影響可以達到或超過320 W／m2，分別在3～9 h和21～27 h這兩個時間段內達到最大，因此，我們得到結論，加入海洋飛沫后，熱通量的增加十分明顯。

上述的研究已經說明了海洋飛沫改變了熱帶氣旋的邊界層結構，從而使熱帶氣旋的強度增強。圖6是Spray試驗和Control試驗從6日18時至7日06時12 h平均溫度、相對濕度、垂直風速之差的軸對稱垂直結構。從圖6a中可以看到，海洋飛沫的蒸發(fā)，使眼墻附近的溫度降低，最大降低0.3℃，臺風中心到眼墻附近的濕度加大，從邊界層低層一直可延伸到1.5 km以上，很明顯，由于輻合作用，濕度增加的最大值集中在熱帶氣旋的中心0.6 km高度以上，因此在此高度以上利于云的形成。邊界層的冷卻有兩種潛在的影響，首先，它能增加對流層低層的靜態(tài)穩(wěn)定度，那樣會抑制眼墻的對流發(fā)展，很可能會使熱帶氣旋的強度減弱；其次，海氣之間溫度差異的增加會使地表層不穩(wěn)定，使近表層湍流加強，從而加強了眼墻的對流使熱帶氣旋的強度增強［18］。在這種環(huán)境下，來自海表和海洋飛沫的水汽通量被眼墻附近的上升氣流輸送到邊界層高處（見圖6b），從圖6b我們可以看到，加入飛沫后，眼墻的上升氣流增強。

圖4 2009年8月6日18時至7日06時12 h平均的軸對稱平均感熱通量（a）、潛熱通量、（b）和熱通量（c）隨半徑的變化Fig.4 Radial distribution of 12 h averaged axisymmetric sensible heat flux（a），latent heat flux（b）and the enthalpy flux（c）

圖5 軸對稱平均熱通量的時間-半徑演變圖（單位：W／m2）Fig.5 Radial-time Hovmoller diagram of axisymmetric structure of the averaged surface enthalpy flux（W／m2）

圖6 試驗Control與Spray試驗6日18時至7日06時12 h平均的（a）溫度（等值線，單位：℃）、相對濕度（陰影，單位：%）、（b）垂直風速（單位：m／s）軸對稱垂直結構差異（Spray－Control）Fig.6 The difference 12 h averaged axisymmetric structure of（a）temperature（contour line，unit：℃）and relative humility（shaded，unit：%），and（b）vertical wind speed（unit：m／s）.（Spray minus Control）

海洋飛沫的蒸發(fā)導致潛熱通量的增加，從而導致試驗Spray比試驗Control在熱帶氣旋眼墻附近更多的降水（見圖7）。從圖中可以看出，降水隨半徑的變化與熱通量的分布相似，從氣旋中心到225 km，隨著半徑的增大，降水量逐漸增大，在225 km處，降水量達到最大，隨后隨著半徑的增加，降水量減少。很明顯，考慮海洋飛沫作用后，降水明顯增強，尤其在眼壁附近。

4 結論

將海洋飛沫參數(shù)化引入到一個高分辨率、非靜力中尺度WRF模式中，我們的數(shù)值模擬結果清楚的表明：

（1）采用海洋飛沫參數(shù)化后，模式對熱帶氣旋的強度預報有改進，對熱帶氣旋移動路徑可能影響不大。

（2）引入海洋飛沫參數(shù)化后，熱帶氣旋邊界層內眼墻區(qū)域的平均徑向風速、切向風速、均增強，表明飛沫對熱帶氣旋邊界層結構變化的影響顯著。

（3）由于飛沫的蒸發(fā)，增加了表面熱通量，特別是潛熱通量，從而氣旋邊界層內的垂直混合增大，使得熱帶氣旋的直接湍流增強，使得邊界層內眼墻區(qū)域的垂直風速、溫度、相對濕度、熱通量，降水等物理量均有增強，表明飛沫對熱帶氣旋強度變化的影響顯著。

圖7 2009年8月6日18時至7日06時12 h平均的軸對稱平均累積降水（單位：mm）隨半徑的變化Fig.7 Radial distribution of 12 h averaged axisymmetric of accumulated precipitation（unit：mm）

最后，需要注意的是，低風速情況下的飛沫參數(shù)化的不確定性，還需要更多的研究和觀測事實來進一步探討；其次，海洋飛沫對熱帶氣旋發(fā)展和演變的影響機制，以及海洋飛沫對臺風影響的定量描述都將作為今后更進一步的研究。

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Effect of sea spray on tropical cyclone boundary layer structure

Wang Ping1，2，Chen Baode1，2，Zeng Zhihua1

（1.Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration，Shanghai 200030，China；2.Key Laboratory of Numerical Modeling for Tropical Cyclone，China Meteorological Administration，Shanghai 200030，China）

The sea spray flux parameterization scheme is incorporated into a high resolution and non-hydrostatic weather research and forecasting（WRF）model to simulate tropical cyclone（TC）Morakot（0908），and to study the effect of sea spray on boundary layer structure and intensity of Morakot.The results show that the intensity prediction of Morakot has been improved by using the new scheme，while there is no any impact on its track forecasting.Moreover，the averaged elements，such as radial wind，tangential wind，temperature，relative humidity，vertical wind，heat flux and precipitation in TCinner core region are increase by improving TC boundary layer processes.That means the contributions of all the elements have play important roles on Morakot structure and intensity change.

sea spray；tropical cyclones；morakot；boundary layer；parameterization scheme

P732.3

A

0253-4193（2014）09-0084-10

王平，陳葆德，曾智華.海洋飛沫對熱帶氣旋邊界層結構的影響［J］.海洋學報，2014，36（9）：84—93，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.010

Wang Ping，Chen Baode，Zeng Zhihua.Effect of sea spray on tropical cyclone boundary layer structure［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（9）：84—93，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.09.010

2014-02-12；

2014-07-08。

國家自然科學基金項目——氣溶膠-云微物理-降水相互作用對登陸我國臺風的影響（41175094）；熱帶氣旋強度變化的環(huán)境因子影響研究（41275067）；近海熱帶氣旋邊界層過程對其結構和強度變化的影響（40875039）；基于ADAS－WRF的RUC系統(tǒng)引進及本地化改進技術研究（GYHY201306014－2）。

王平（1986—），女，陜西省綏德縣人，主要從事數(shù)值模擬研究。E-mail：wangp＠m(xù)ail.typhoon.gov.cn