區(qū)域氣候模式對(duì)西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)模擬能力檢驗(yàn)

束正淼　(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101)

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區(qū)域氣候模式對(duì)西北太平洋熱帶氣旋活動(dòng)模擬能力檢驗(yàn)

束正淼(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京 211101)

摘要選取RMIP 第3階段由南京大學(xué)提供的3個(gè)區(qū)域氣候模式模擬結(jié)果，將模擬的1980～1999年西北太平洋熱帶氣旋(TC)的活動(dòng)特征與觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比，初步檢驗(yàn)了模式模擬西北太平洋TC活動(dòng)特征的能力。結(jié)果表明，3個(gè)模式模擬的TC生成頻數(shù)和實(shí)況差異均較大，WRF模式和WRF_sn模式的TC生成頻數(shù)比觀測(cè)分別多53.1%和40.8%，而RegCM3模式比觀測(cè)少76.5%；在TC生成地點(diǎn)分布方面， WRF模式對(duì)南海TC生成模擬效果較差，WRF_sn模式對(duì)西北太平洋3個(gè)TC生成大值區(qū)均有一定的模擬能力， RegCM3模式的TC生成頻數(shù)普遍偏少；WRF模式和WRF_sn模式均能模擬出TC生成頻數(shù)的季節(jié)變化和年際變化，但模擬的最大TC生成月份分別出現(xiàn)在7和6月，比實(shí)際最大生成的8月分別早1～2個(gè)月。分析6～10月環(huán)境場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，模擬的TC生成頻數(shù)和生成位置空間分布的誤差與季風(fēng)槽位置、垂直風(fēng)切變強(qiáng)度等的模擬誤差有關(guān)。

關(guān)鍵詞RMIP;熱帶氣旋;西北太平洋;區(qū)域氣候模式；大尺度環(huán)境場(chǎng)

熱帶氣旋(TC)是發(fā)生在熱帶洋面上的具有暖心結(jié)構(gòu)的氣旋性環(huán)流，它的生成和發(fā)展常伴隨著強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)降水等天氣現(xiàn)象，登陸的TC還會(huì)引發(fā)洪澇、泥石流等災(zāi)害。TC在帶來(lái)災(zāi)害的同時(shí)，也能將大量的水汽從海洋輸送到陸地，是夏季陸地上重要的水汽來(lái)源[1]。此外，TC將大量水物質(zhì)和能量從熱帶地區(qū)裹挾到副熱帶地區(qū)，并與副熱帶區(qū)域的天氣系統(tǒng)相互作用，這對(duì)于不同緯度間大氣物質(zhì)和能量的交換以及全球天氣氣候的變率也會(huì)產(chǎn)生重要的影響[2-3]。西北太平洋(WNP)是世界上TC活動(dòng)最活躍的海域，且是全球唯一的一年四季都有TC生成和活動(dòng)的海域[4-5]。對(duì)這一海域的TC活動(dòng)特征的研究不僅有助于東亞、東南亞國(guó)家和地區(qū)政府制定科學(xué)的防御措施，減少生命和財(cái)產(chǎn)損失[6-7]，且對(duì)天氣和氣候?qū)W的發(fā)展也十分重要。

區(qū)域氣候模式(RCM)是氣候?qū)W研究的重要工具，為了對(duì)不同RCMs模擬區(qū)域氣候產(chǎn)生的不確定性進(jìn)行定性和定量分析，在亞太觀測(cè)網(wǎng)(Asia-Pacific Network,APN)對(duì)全球氣候變化研究的支持下，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了以東亞為中心的亞洲區(qū)域氣候模式比較計(jì)劃(RMIP，the Regional Climate Model Inter-comparison Project)[8]，參加該計(jì)劃的RCMs使用同一種CO2排放方案，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)為同一個(gè)全球氣候系統(tǒng)(GCM)的模擬結(jié)果。RMIP的主要目標(biāo)是客觀評(píng)估比較計(jì)劃中各模式對(duì)亞洲區(qū)域氣候的模擬能力，對(duì)亞洲未來(lái)氣候進(jìn)行預(yù)估，并研究通過(guò)多模式集成分析方法預(yù)估未來(lái)氣候時(shí)產(chǎn)生的不確定性的來(lái)源和量級(jí)。在RMIP的前2個(gè)階段，通過(guò)多模式的模擬，評(píng)估了RCMs對(duì)亞洲季風(fēng)氣候和極端氣候的模擬能力；在第3階段，構(gòu)建了基于10個(gè)RCMs和3 個(gè)GCMs的多模式模擬框架。RMIP第3階段的目標(biāo)之一就是基于CMIP3中的ECHAM5模式，利用區(qū)域模式降尺度技術(shù)，對(duì)亞洲區(qū)域氣候做出可靠的預(yù)估。前期的一些研究對(duì)比檢驗(yàn)了RMIP計(jì)劃第3階段中RCM和高分辨率GCM對(duì)東亞區(qū)域氣候的模擬能力，發(fā)現(xiàn)參加RMIP計(jì)劃第3階段的RCMs對(duì)溫度和降水的空間分布模擬優(yōu)于驅(qū)動(dòng)場(chǎng)ECHAM5的模擬結(jié)果，且對(duì)溫度的季節(jié)變化和降水年循環(huán)變化趨勢(shì)的模擬也有所改善，但模擬誤差和不確定性仍然是不能克服的問(wèn)題[9]。Zhong[10]研究表明RCM對(duì)西北太平洋TC活動(dòng)的模擬誤差是東亞區(qū)域氣候模擬誤差的重要來(lái)源，雖然現(xiàn)階段RCM對(duì)TC的活動(dòng)特征有較好的模擬能力[11-12]，但不同RCM對(duì)TC活動(dòng)特征的模擬存在不確定性。筆者選取南京大學(xué)提供的參加RMIP第3階段的3個(gè)RCM模擬結(jié)果，檢驗(yàn)各模式模擬西北太平洋TC活動(dòng)特征的能力，并從與TC生成相關(guān)的大尺度環(huán)境場(chǎng)分析模式模擬TC活動(dòng)特征存在誤差的原因，為改進(jìn)模式模擬效果提供參考依據(jù)。

1資料和方法

1.1模式和資料所使用的參加RMIP計(jì)劃第3階段的南京大學(xué)3個(gè)RCM的名稱、動(dòng)力框架和物理過(guò)程信息如表1所示。在RMIP計(jì)劃第3階段，模式主要模擬了2個(gè)時(shí)間段的氣候變化，即近代時(shí)間段(1978～2000年)和未來(lái)時(shí)間段(2038～2070年)。不管是對(duì)近代還是未來(lái)的氣候模擬，所有模式均進(jìn)行2年以上的spin-up模擬。在該所選的3個(gè)模式均是每3 h輸出一次地面場(chǎng)模擬結(jié)果，每6 h輸出一次高空?qǐng)瞿M結(jié)果。 采用1980～1999年的模擬結(jié)果，研究模式模擬這20年西北太平洋TC活動(dòng)的能力。3個(gè)模式的水平分辨率均是50 km，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)均為ECHAM5的模擬結(jié)果。由于受模式模擬區(qū)域范圍所限，在該研究TC活動(dòng)所在的西北太平洋海域的地理范圍為100°～160°E、0°～60°N。

該研究用于對(duì)照的資料是美國(guó)聯(lián)合颶風(fēng)警報(bào)中心(JTWC)提供的熱帶氣旋最佳路徑資料，僅對(duì)其中達(dá)到熱帶風(fēng)暴強(qiáng)度(最大風(fēng)速達(dá)17.2 m/s)及以上的TC活動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)。此外，利用NCEP 2.5°×2.5°再分析資料作為觀測(cè)資料與模式中的大尺度環(huán)境場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估模式對(duì)環(huán)境場(chǎng)的模擬能力及其對(duì)TC活動(dòng)模擬的影響。

1.2模擬TC識(shí)別方法模式中TC中心和路徑的識(shí)別方法已有許多研究[13-14]。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出適合該研究選用模式的TC識(shí)別方法，將滿足以下條件的網(wǎng)格點(diǎn)定義為T(mén)C中心：①尋找850 hPa等壓面上的最大相對(duì)渦度>5×10-5s-1的網(wǎng)格點(diǎn)；②在該點(diǎn)周圍300 km內(nèi)選定氣壓最低點(diǎn)作為T(mén)C中心；③該中心周圍300 km內(nèi)海面10 m處最大風(fēng)速>17 m/s；④在300 hPa等壓面上，中心溫度比中心周圍300 km內(nèi)平均溫度高0.5 K；⑤該中心周圍300 km內(nèi)在850 hPa的平均風(fēng)速大于在300 hPa的平均風(fēng)速。條件④和⑤可以用來(lái)排除溫帶氣旋等對(duì)TC挑選的影響[15]。找到TC中心后用TC移動(dòng)速度<90 km/h這個(gè)閾值來(lái)確定TC中心是否為同一熱帶氣旋，在找到完整的路徑后，去掉生命史<2 d的低壓渦旋，并要求渦旋的生成位置在35°N以南的海面上。

2結(jié)果與分析

2.1熱帶氣旋生成和路徑分布特征從1980～1999年西北太平洋海域觀測(cè)和模式模擬的年平均TC生成頻數(shù)以及兩者差值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)可看出，根據(jù)JTWC資料，1980～1999年西北太平洋160°E以西海域平均每年有21.3個(gè)達(dá)到熱帶風(fēng)暴(TS)強(qiáng)度以上的TC生成；在WRF和WRF_sn模式中，20年間平均每年在該海域分別生成32.6和30.0個(gè)；而在RegCM3模式中，平均每年在此海域僅有5.0個(gè)達(dá)到TS強(qiáng)度以上的TC生成。與觀測(cè)相比，WRF和WRF_sn模擬生成的TC頻數(shù)分別比觀測(cè)多53.1%和40.8%，而RegCM3模擬生成的TC頻數(shù)比觀測(cè)少76.5%。因此，從生成頻數(shù)上看，3個(gè)模式的模擬能力均欠佳，這是造成區(qū)域氣候狀態(tài)模擬偏差的原因之一。

表2西北太平洋海域1980～1999年觀測(cè)和模擬的TC生成情況

Table.2Annual mean TC numbers of observation and simulations in the Western North Pacific during 1980-1999

除了比較各模式模擬的TC生成頻數(shù)和觀測(cè)的差異外，還比較了各模式模擬的TC生成位置與觀測(cè)的差異，為便于比較，將模式和觀測(cè)的TC生成頻數(shù)統(tǒng)一插值到5°×5°分辨率網(wǎng)格上，即統(tǒng)計(jì)20年中在一個(gè)5°×5°的網(wǎng)格內(nèi)TC生成的個(gè)數(shù)。由觀測(cè)的TC生成頻數(shù)分布(圖1a)可見(jiàn)，TC生成頻數(shù)的大值區(qū)分別在南海和菲律賓以東的西北太平洋上，其中在鄰近菲律賓的海域TC生成頻數(shù)最多。而各模式模擬的TC頻數(shù)分布各異，WRF模式TC生成大值區(qū)主要在菲律賓以東海域，其中150°～160°E海域頻數(shù)最多，而在南海海域生成較少(圖1b1)；WRF_sn模式對(duì)南海和鄰近菲律賓東部鄰近海域TC生成大值中心有較好的模擬能力，但在150°E以東海域模擬出過(guò)多的TC生成(圖1b2)；RegCM3模式模擬的TC生成頻數(shù)分布和觀測(cè)有很大差異，且生成頻數(shù)過(guò)少(圖1b3)。

將1980～1999年西北太平洋海域觀測(cè)和模式模擬的TC出現(xiàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一插值到5°×5°的分辨率上，即在一個(gè)5°×5°的網(wǎng)格中統(tǒng)計(jì)20年中TC在此范圍出現(xiàn)的個(gè)數(shù)，并將其賦值給網(wǎng)格的中心格點(diǎn)上。從圖2可以看出,觀測(cè)中TC的路徑頻數(shù)大值區(qū)主要在南海北部和菲律賓以東海域，而各模式模擬的TC路徑情況各異，WRF模式較好地模擬出了路徑頻數(shù)在南海北部和菲律賓以東海域的大值區(qū)，但模式中在140°E附近存在大值區(qū)，這可能與TC生成頻數(shù)位置偏東有關(guān)；WRF_sn模式模擬的TC路徑頻數(shù)大值區(qū)分別在南海和150°E附近，南海海域的TC路徑頻數(shù)較多，說(shuō)明模式模擬的TC西行路徑較多；RegCM3模式中，TC路徑頻數(shù)整體偏少，這與前面分析的TC生成頻數(shù)偏少有關(guān)，主要集中菲律賓東北海域。2.2熱帶氣旋頻數(shù)的季節(jié)和年際變化模擬從觀測(cè)和模擬的西北太平洋TC頻數(shù)季節(jié)變化(圖3a)可以看到，3個(gè)模式均能給出夏季TC生成較多的季節(jié)變化規(guī)律，但除8～10月以外的其他月份，WRF模式和WRF_sn模式的TC生成頻數(shù)偏多現(xiàn)象均比較明顯，且模擬的最大生成頻數(shù)分別出現(xiàn)在7和6月，早于觀測(cè)的最大生成頻數(shù)出現(xiàn)月份(8月)，而RegCM3模式對(duì)全年TC主要生成季節(jié)的頻數(shù)模擬均明顯少于觀測(cè)。

從觀測(cè)和模擬的TC頻數(shù)年際變化上看(圖3b)，除模擬生成頻數(shù)偏多外，WRF模式和WRF_sn模式均基本上能模擬出TC生成頻數(shù)的年際變化特征，觀測(cè)和模擬的TC頻數(shù)年際變化相關(guān)系數(shù)分別為0.47和0.22，如不考慮模式對(duì)1997～1999年TC生成頻數(shù)持續(xù)減少現(xiàn)象模擬偏差大的3年，1980～1996年頻數(shù)年際變化相關(guān)系數(shù)則分別達(dá)0.78和0.63；而RegCM3模式不僅模擬TC生成頻數(shù)明顯少于觀測(cè)，對(duì)年際變化的模擬也與觀測(cè)有很大差異，相關(guān)系數(shù)為-0.07。2.3模擬熱帶氣旋生成頻數(shù)差異的原因分析許多研究表明，TC活動(dòng)和大尺度環(huán)境場(chǎng)之間存在密切的關(guān)系，影響TC生成的主要環(huán)境因子包括垂直風(fēng)切變[16-18]、海表面溫度的時(shí)空分布狀況[18-20]、對(duì)流層中層的相對(duì)濕度條件[21]、低層較大的相對(duì)渦度區(qū)或輻合區(qū)等。因此，可以通過(guò)分析與TC生成有關(guān)的大尺度環(huán)境場(chǎng)來(lái)研究模式模擬TC生成頻數(shù)與觀測(cè)差異的原因。在西北太平洋海域，6～10月是熱帶氣旋的主要活動(dòng)季節(jié)(圖3a)。由于RMIP計(jì)劃沒(méi)有要求提供濕度場(chǎng)和高度場(chǎng)模擬結(jié)果，下面僅從渦度和垂直切變因子簡(jiǎn)要分析6～10月TC生成頻數(shù)分布和環(huán)境場(chǎng)之間的關(guān)系。

季風(fēng)槽是影響西北太平洋TC生成和發(fā)展的重要大尺度系統(tǒng)。研究表明，平均超過(guò)75%的TC生成于季風(fēng)槽所在區(qū)域[22]。從1980～1999年觀測(cè)和模擬的西太平洋6～10月平均850 hPa風(fēng)矢量(圖4)可以看到，副熱帶高壓反氣旋環(huán)流控制西北太平洋大部分海域，菲律賓以西海域?yàn)槲髂霞撅L(fēng)控制，西南季風(fēng)與越赤道氣流和副熱帶高壓南部的偏東風(fēng)在赤道輻合帶附近匯合，季風(fēng)槽西至南海北部，東至150°E附近(圖4a)。模擬的850 hPa平均風(fēng)矢量也有相似的特征，但模擬的副熱帶高壓偏東北，西南季風(fēng)偏強(qiáng)，使得模擬的季風(fēng)槽位置偏北偏東；其中WRF模式和RegCM3模式模擬的季風(fēng)槽西至130°E附近(圖4b1、b3)，因此，這2個(gè)模式在南海的TC生成頻數(shù)較少，沒(méi)有模擬出TC生成頻數(shù)在南海的大值區(qū)(圖1b1、b3)。WRF模式和WRF_sn模式模擬的季風(fēng)槽位置均東伸至160°E附近，導(dǎo)致觀測(cè)到的140°～150°E TC生成頻數(shù)大值區(qū)在模式中東移至150°～160°E海域(圖1b2、b3)。

弱的垂直風(fēng)切變是TC生成的重要條件之一。因?yàn)榇蟮拇怪憋L(fēng)切變會(huì)抑制對(duì)流的發(fā)展,從而限制上層暖心和渦旋的形成,而較小的風(fēng)垂直切變可以使得初始擾動(dòng)的對(duì)流凝結(jié)所釋放的潛熱能集中在一個(gè)有限的空間范圍,熱量能在對(duì)流層中上層集中，形成暖心結(jié)構(gòu)，而后高空出現(xiàn)輻散，地面氣壓降低，有利熱帶氣旋的形成[23]。從1980～1999年模式模擬的6～10月平均垂直風(fēng)切變與觀測(cè)的差值場(chǎng)(圖5)可看出，其中圖5a和5b中的黑色方框區(qū)域表示此處模式模擬的垂直風(fēng)切變比觀測(cè)小，有利于TC在此區(qū)域生成，WRF模式在菲律賓以東海域的垂直風(fēng)切變較小，而WRF_sn模式在160°E附近垂直風(fēng)切變較小，因此，WRF模式中在菲律賓以東海域的TC生成頻數(shù)較多；而WRF_sn模式在160°E附近海域TC生成頻數(shù)較多；而RegCM3模式在110°～160°E模擬的垂直風(fēng)切變均比觀測(cè)大，不利于TC的生成，這也是該模式模擬的TC明顯少于觀測(cè)的主要原因。

3結(jié)論

該研究選取了RMIP計(jì)劃第3階段南京大學(xué)提供的3個(gè)區(qū)域氣候模式模擬結(jié)果，將模擬的1980～1999年西北太平洋TC活動(dòng)特征與JTWC路徑資料進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估了各模式對(duì)TC生成頻數(shù)、生成位置分布、路徑分布、生成頻數(shù)的季節(jié)和年際變化等方面的模擬能力，并根據(jù)有利于TC生成的大氣環(huán)境場(chǎng)因子分析，揭示了模式對(duì)6～10月模擬TC活動(dòng)存在誤差的原因。

在生成頻數(shù)方面，WRF和WRF_sn模擬的TC頻數(shù)比觀測(cè)分別多53.1%和40.8%，而RegCM3模式比觀測(cè)少76.5%。在生成位置分布方面，WRF模擬的TC生成位置大值區(qū)主要在菲律賓以東海域和150°～160°E海域，而在南海生成較少；WRF_sn對(duì)TC生成位置的3個(gè)大值區(qū)均有一定的模擬能力，但與觀測(cè)相比，模式在南海和菲律賓以東海域TC生成頻數(shù)偏少，而模擬的140°～150°E海域大值區(qū)偏東，集中在150°～160°E海域，且頻數(shù)偏多；RegCM3模擬的TC生成頻數(shù)大值區(qū)在菲律賓以東洋面，且生成頻數(shù)遠(yuǎn)少于實(shí)況。在路徑分布方面，WRF較好地模擬出了路徑頻數(shù)在南海北部和菲律賓以東海域的大值區(qū)，但模式中在140°E附近存在大值區(qū)，這可能與TC生成頻數(shù)位置偏東有關(guān)；WRF_sn模擬的TC路徑頻數(shù)大值區(qū)分別在南海和150°E附近，南海海域的TC路徑頻數(shù)較大，模擬的TC西行路徑偏多；RegCM3模擬的TC路徑頻數(shù)整體偏少，這與模擬的TC生成頻數(shù)偏少有關(guān)，主要集中在菲律賓東北部海域。從TC的季節(jié)和年際變化來(lái)看，WRF和WRF_sn均具有模擬TC活動(dòng)季節(jié)和年際變化能力，但2個(gè)模式模擬的TC頻數(shù)季節(jié)變化在7月份之前和11月份以后均比觀測(cè)偏多，而除去TC生成頻數(shù)持續(xù)降低的1997～1999年外，2個(gè)模式模擬的TC生成頻數(shù)年際變化和觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.78和0.63。

模式模擬的TC和觀測(cè)的差異與模式對(duì)季風(fēng)槽以及垂直風(fēng)切變等的模擬誤差有關(guān)，模式模擬的季風(fēng)槽位置普遍偏北偏東。WRF和RegCM3模擬的季風(fēng)槽西至130°E附近，使得這2個(gè)模式模擬的南海TC生成頻數(shù)較少，因而沒(méi)有模擬出TC生成頻數(shù)在南海的大值區(qū)。WRF和WRF_sn模擬的季風(fēng)槽位置均東伸至160°E附近，導(dǎo)致位于140°～150°E的TC生成頻數(shù)大值區(qū)東移至150°～160°E海域。WRF模式在菲律賓以東海域的垂直風(fēng)切變較小，而WRF_sn模式在160°E附近垂直風(fēng)切變較小，使得WRF模式中在菲律賓以東海域的TC生成頻數(shù)較多，而WRF_sn模式在160°E附近海域TC生成頻數(shù)較多。RegCM3模式在110°～160°E模擬的垂直風(fēng)切變均比觀測(cè)大，不利于TC的生成，這使得模式生成的TC明顯少于觀測(cè)。

由于TC模擬誤差是區(qū)域氣候模式模擬東亞夏季風(fēng)出現(xiàn)偏差的原因之一[10]，因此，在東亞季風(fēng)區(qū)改進(jìn)區(qū)域氣候模式對(duì)TC路徑的模擬是提高模式對(duì)季風(fēng)氣候模擬能力的有效途徑。

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Simulation Ability Test of Regional Climate Model to Tropical Cyclone Activities over Western North Pacific

SHU Zheng-miao

(College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing,Jiangsu 211101)

Key wordsRMIP; Tropical cyclone; Western North Pacific; Regional climate mode; Large-scale environmental fields

AbstractUsing the simulation results of three regional climate models (RCMs) provided by RMIP III,the capability of RCMs to simulate the tropical cyclones (TCs) over Western North Pacific during 1980 to 1999 was assessed by comparing the simulated WRF,WRF_sn and RegCM3 with the observations.The study showed that relatively large biases in genesis number of TCs were produced by all three RCMs,as WRF_SN and WRF overestimating the annual mean number of TCs by 53.1% and 40.8%,respectively,RegCM3 displaying underestimation of 60.4%.The simulated distribution of TC genesis positions in WRF_sn agreed well with the observation,and the simulated frequency of TC genesis was less than the observation in RegCM3.Annual cycle of TC genesis was well represented by WRF and WRF_SN,with up to two-month advance of peak value appreading ahead of the observation.With further investigation on the large-scale environmental fields in June-October,it could be concluded that the RCMs’ ability of simulating the frequency and distribution of TC genesis was associated with the biases of the simulated monsoon trough location,strength of vertical wind and so on.

基金項(xiàng)目亞洲區(qū)域氣候模式比較計(jì)劃項(xiàng)目(ARCP2010_04CMY_WANG)。

作者簡(jiǎn)介束正淼(1991- )，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：熱帶氣旋數(shù)值模擬。

收稿日期2016-02-14

中圖分類號(hào)S 16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)07-209-05