2種邊界層參數(shù)化方案對1013號超強臺風(fēng)“鲇魚”數(shù)值模擬的敏感性研究

胡昊

摘要 利用中國臺灣地區(qū)“侵臺臺風(fēng)之飛機偵察及投落送觀測實驗（DOTSTAR）”探空數(shù)據(jù)與WRF模式（3.8版本），針對1013號超強臺風(fēng)“鲇魚”開展了邊界層參數(shù)化方案的數(shù)值模擬敏感性研究。結(jié)果表明，非局地YSU方案在臺風(fēng)強度、路徑、螺旋雨帶、內(nèi)核尺度以及臺風(fēng)外圍位溫、水汽混合比、風(fēng)向這些方面的模擬效果優(yōu)于局地MYNN2方案；但在風(fēng)速的模擬上，YSU方案與MYNN2方案沒有明顯的優(yōu)劣之分。

關(guān)鍵詞 超強臺風(fēng)“鲇魚”；數(shù)值模擬；邊界層參數(shù)化方案；敏感性

Sensitivity Research of Two Planetary Boundary Layer Parameterization Schemes in Numerical Simulation of Super Typhoon 1013 “Megi”

HU Hao

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

Abstract Using the dropsonde data from Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region （DOTSTAR） and the WRF model （version 3.8）， sensitivity research of planetary boundary layer parameterization schemes in numerical simulation of super typhoon “Megi” was carried out. The result showed that the non-local YSU scheme was more capable of simulating typhoon intensity， track， spiral rain band， inner-core size and typhoon periphery structure of potential temperature， water vapor mixing ratio， wind direction than the local MYNN2 scheme. However， there was no obvious difference between YSU and MYNN2 in the simulation of wind speed.

Key words Super typhoon“Megi”；Numerical simulation；Planetary boundary layer parameterization scheme；Sensitivity

由于大氣運動學(xué)方程中存在著湍流通量項，使得方程組無法閉合，為了解決方程組的閉合問題，就需要引入邊界層參數(shù)化方案[1]。WRF模式作為一種主流的中尺度數(shù)值模式，其中一共引入了13種邊界層參數(shù)化方案。前人對于邊界層參數(shù)化方案在降水[2-4]、邊界層結(jié)構(gòu)[5-8]、污染擴散[9-10]、臺風(fēng)[11-12]等方面的適用開展了大量的模擬研究。筆者選取非局地YSU方案與局地MYNN2方案這2種常用的邊界層參數(shù)化方案對1013號超強臺風(fēng)“鲇魚”進行模擬與分析，以期為臺風(fēng)周邊區(qū)域邊界層熱力與動力結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 DOTSTAR計劃觀測情況

中國臺灣地區(qū)“侵臺臺風(fēng)之飛機偵察及投落送觀測實驗（DOTSTAR，Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the TAiwan Region）”計劃于2010年10月17日05∶40—09∶46共釋放了16個探空儀對臺風(fēng)“鲇魚”進行觀測（圖1）。根據(jù)探空位置和臺風(fēng)中心之間的關(guān)系DOTSTAR觀測航程大致可以分為3段：首先，第1個至第3個探空儀自西向東在臺風(fēng)西側(cè)外圍釋放進行觀測；接著，環(huán)繞臺風(fēng)中心外圍釋放了第4個至第13個探空儀；最后，在臺風(fēng)北側(cè)釋放了第14個至第16個探空儀。于是大致上臺風(fēng)西側(cè)有3個探空儀進行觀測，環(huán)繞臺風(fēng)中心外圍有10個探空儀進行觀測，在臺風(fēng)北側(cè)有3個探空儀進行觀測。

在探空觀測進行的時候，臺風(fēng)“鲇魚”位于大陸高壓與海上高壓組成的高壓帶南側(cè)，在高壓帶南側(cè)偏東風(fēng)的引導(dǎo)下逐漸向西移動，強度上從強臺風(fēng)等級逐漸加強為超強臺風(fēng)。

1.2 模擬設(shè)置

為了研究參數(shù)化方案對臺風(fēng)周邊邊界層結(jié)構(gòu)的影響，選取了YSU方案和MYNN2方案這2種較為常用的邊界層參數(shù)化方案對于臺風(fēng)“鲇魚”進行模擬，并將二者分別記為試驗YSU與試驗MYNN2。試驗采用三重移動嵌套網(wǎng)格，由外至內(nèi)將水平分辨率設(shè)置為18、6、2 km，并將格點數(shù)分別設(shè)置為250×250、379×337與268×274。具體模擬區(qū)域如圖2所示。每層嵌套在垂直方向上均設(shè)置為45層。為了獲得對邊界層結(jié)構(gòu)更加詳細的模擬結(jié)果，在 2 000 m高度以下對垂直分層進行加密設(shè)置，共設(shè)置30層。2組試驗除了選擇不同的邊界層參數(shù)化方案之外，其余的參數(shù)化方案均設(shè)置了MM5近地層參數(shù)化方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Noah陸面模式。同時在最外層粗網(wǎng)格采用Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案和WSM6微物理方案。第二層與最內(nèi)層網(wǎng)格分辨率較高，故未設(shè)置積云參數(shù)化方案，采用了WSM3微物理方案。模擬時間設(shè)置為2010年10月16日20∶00—17日14∶00。16日20∶00—17日05∶00預(yù)留作為模式的spin up時間，而之后的模式輸出數(shù)據(jù)用于比對驗證。

2 結(jié)果與分析

2.1 臺風(fēng)模擬情況 由圖3可知，模擬期間臺風(fēng)自西向東移動，并逐漸從向西北方向移動轉(zhuǎn)為向西南方向移動。2組試驗均模擬出臺風(fēng)的西行趨勢，但模擬路徑均比實際路徑偏北，移動速度稍慢。模擬期間JTWC觀測數(shù)據(jù)顯示，臺風(fēng)強度逐漸從16日20∶00的941 hPa加強至17日14∶00的914 hPa。在臺風(fēng)強度的模擬上，2組試驗均比實際偏弱（圖4）；試驗YSU成功模擬出臺風(fēng)逐漸加強的過程，模擬得到的臺風(fēng)強度從16日20∶00的989.97 hPa加強至17日14∶00的959.21 hPa；試驗MYNN2卻未能模擬出臺風(fēng)的加強趨勢，模擬期間臺風(fēng)強度從16日20∶00的989.97 hPa減弱至17日14∶00的1 004.22 hPa，與實際觀測嚴重不符。

利用模式第二層6 km水平分辨率細網(wǎng)格輸出的1 000 m高度處雷達反射率識別臺風(fēng)的螺旋雨帶（圖5），并與F-13衛(wèi)星37V和MTSAT衛(wèi)星紅外云圖合成圖（圖6）進行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗YSU成功模擬出臺風(fēng)“鲇魚”的螺旋雨帶和眼墻結(jié)構(gòu)，與實際觀測最為接近；而試驗MYNN2無法模擬出臺風(fēng)完整的眼墻結(jié)構(gòu)，且模擬得到的螺旋雨帶強度偏弱，結(jié)構(gòu)松散，與實際觀測相距甚遠。參考Xu等[13]的方法，將2組試驗輸出的10 m高度處水平風(fēng)速25.7 m/s的等值線包圍的區(qū)域定義為臺風(fēng)的內(nèi)核尺度（圖5中的黑色等值線圈出的區(qū)域）。顯然，只有試驗YSU成功模擬出完整的臺風(fēng)內(nèi)核，大致呈邊界規(guī)則的圓形；而試驗MYNN2無法模擬出完整的臺風(fēng)內(nèi)核。螺旋雨帶和內(nèi)核尺度模擬效果的差異主要是2組試驗?zāi)M得到的臺風(fēng)強度的明顯差異造成的。試驗MYNN2模擬得到的臺風(fēng)強度過弱，于是無法模擬得到結(jié)構(gòu)完整、清晰的螺旋雨帶和內(nèi)核尺度。

綜上所述，在模擬臺風(fēng)路徑上，2組試驗均模擬出臺風(fēng)西移的過程；但在臺風(fēng)強度、螺旋雨帶以及內(nèi)核尺度上，試驗YSU的模擬效果明顯優(yōu)于試驗MYNN2。

2.2 邊界層結(jié)構(gòu)模擬效果對比

試驗YSU、試驗MYNN2在對臺風(fēng)自身結(jié)構(gòu)、強度的模擬上表現(xiàn)出明顯的差異，在此繼續(xù)基于模式第二層6 km水平分辨率細網(wǎng)格輸出數(shù)據(jù)分析這2種邊界層參數(shù)化方案對于臺風(fēng)外圍邊界層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.1 邊界層頂高。

由圖7可知，整體而言，2個參數(shù)化方案模擬得到的海洋上的邊界層頂高高于陸地上的邊界層頂高。DOTSTAR在進行探空觀測時對應(yīng)的局地時間為17日08∶00。陸地上有明顯的邊界層周日循環(huán)，而海上卻沒有[1]。探測時大陸、島嶼上空正處在從夜間穩(wěn)定邊界層向白天對流型邊界層過渡發(fā)展的階段，地表不斷升溫，同時低空大氣也逐漸因為地表的長波輻射作用而逐漸升溫。于是夜間的穩(wěn)定型邊界層結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，白天的對流型邊界層結(jié)構(gòu)逐漸建立起來。但由于距離日出并沒有過去太長的時間，對流型邊界層并沒有完全形成，所以2組試驗?zāi)M得到的陸上邊界層頂高依然較低。試驗YSU模擬得到的大陸、島嶼上空邊界層頂高大致在500 m以下。試驗MYNN2模擬得到的陸地上空的邊界層頂高稍高于試驗YSU的模擬結(jié)果。在海上，由于海洋巨大的熱容量，所以海表溫度的周日循環(huán)變化相比較地表溫度而言小很多，海洋作為一個持續(xù)的熱源持續(xù)對低空大氣進行加熱，始終維持著海洋上空的對流型邊界層結(jié)構(gòu)，所以海洋上空沒有明顯的邊界層結(jié)構(gòu)的周日循環(huán)。該研究由于模擬時間較短（僅18 h），所以在模式設(shè)置時沒有選擇海溫更新選項。海洋持續(xù)加熱低空大氣，所以2組試驗?zāi)M得到的海洋上空的邊界層頂高一致明顯高于陸地。由于試驗YSU成功模擬出臺風(fēng)的螺旋雨帶和眼墻結(jié)構(gòu)，而在螺旋雨帶之間以及臺風(fēng)眼中盛行明顯的下沉運動，所以在海上螺旋雨帶和臺風(fēng)眼內(nèi)，試驗YSU模擬得到的邊界層頂高比海上其他區(qū)域明顯偏低。但對于試驗MYNN2而言，由于模擬得到的臺風(fēng)強度嚴重偏弱，模擬得到的螺旋雨帶結(jié)構(gòu)松散，沒有模擬出明顯的眼墻結(jié)構(gòu)，所以海上邊界層頂高的模擬無法看出像試驗YSU中模擬得到的螺旋雨帶之間條帶狀的邊界層頂高低值區(qū)和臺風(fēng)眼內(nèi)的邊界層頂高低值區(qū)。

2.2.2 位溫廓線。

上文提及，DOTSTAR計劃在對臺風(fēng)“鲇魚”進行觀測時，航程大致可以分為3段，即接近臺風(fēng)向東飛行、環(huán)繞臺風(fēng)飛行、離開臺風(fēng)向西北方向飛行，相對應(yīng)釋放的探空儀位置分別位于臺風(fēng)西側(cè)外圍、環(huán)繞臺風(fēng)外圍、臺風(fēng)北側(cè)外圍。對于這3段航程，臺風(fēng)西側(cè)外圍選取第2個探空儀進行研究，環(huán)繞臺風(fēng)外圍選取第8個和第13個探空儀進行研究，即臺風(fēng)中心外圍南北方向上各一個探空儀；臺風(fēng)外圍北側(cè)選取第16個探空儀進行研究。為了能夠有一個對于邊界層內(nèi)整體模擬情況的研究，在此并沒有嚴格將各個物理量廓線的研究高度限制在海表至邊界層頂高位置上，而是統(tǒng)一研究 2 000 m以下高度各個物理量的廓線。

從圖8可以看出，臺風(fēng)西側(cè)與南側(cè)的實際探空廓線在2 000 m以下大致表現(xiàn)為均一的中性層結(jié)，位溫隨高度變化不大；而在臺風(fēng)北側(cè)釋放的2個探空儀探測到的位溫廓線在1 000 m以下表現(xiàn)為中性層結(jié)，在1 000～1 300 m附近表現(xiàn)為強逆溫層結(jié)。2組試驗中試驗YSU對于位溫廓線的模擬比試驗MYNN2更加與實際探空接近，尤其是模擬出了2個在臺風(fēng)北側(cè)釋放的探空儀觀測到的強逆溫層結(jié)，同時也準確模擬出強逆溫層結(jié)所在的垂直位置。整體而言，試驗MYNN2模擬得到的位溫偏低，與探空存在一定差距。并且在臺風(fēng)南側(cè)試驗MYNN2模擬出虛假的強逆溫層結(jié)。所以在位溫模擬上，YSU方案優(yōu)于MYNN2方案。

2.2.3 水汽混合比廓線。

由圖9可知，在臺風(fēng)西側(cè)和南側(cè)，探空觀測顯示水汽混合比隨著高度的上升而逐漸降低。在臺風(fēng)北側(cè)釋放的2個探空儀觀測到1 000 m以下水汽混合比基本維持不變，只是小幅下降，而在1 000 m附近存在明顯的水汽混合比隨高度銳減層。在對臺風(fēng)西側(cè)和南側(cè)水汽混合比廓線的模擬上，1 300 m高度以下試驗YSU模擬結(jié)果與實際探空較為接近；但在1 300 m高度之上試驗YSU與試驗MYNN2模擬結(jié)果接近，均比實際探空偏干。試驗YSU成功模擬出臺風(fēng)北側(cè)2個探空儀觀測到的水汽混合比隨高度銳減層，且模擬得到的層結(jié)位置也與實際探空吻合得很好；但試驗MYNN2僅能模擬出其中的一個水汽混合比隨高度銳減層，且位置偏高，與實際觀測偏差較大，而且還模擬出臺風(fēng)南側(cè)虛假的水汽混合比隨高度增加層。所以，在水汽混合比的模擬上，YSU方案也同樣優(yōu)于MYNN2方案。

2.2.4 風(fēng)向廓線。

從實際探空觀測得到的風(fēng)向廓線（圖10）來看，臺風(fēng)西側(cè)和北側(cè)自下而上為一致的東北風(fēng)；而在臺風(fēng)南側(cè)，則以自下而上一致的南風(fēng)為主。在臺風(fēng)西側(cè)，試驗YSU模擬效果與實際探空觀測較為接近，試驗MYNN2模擬結(jié)果比實際觀測風(fēng)向偏東；在臺風(fēng)南側(cè)，1 300 m以下低空試驗MYNN2模擬結(jié)果與實際觀測較為接近，而1 300 m以上2組試驗?zāi)M結(jié)果接近，均比實際風(fēng)向偏東；在臺風(fēng)北側(cè)，試驗MYNN2對于第13個探空儀觀測到風(fēng)向的模擬存在自下而上整體偏東的誤差，但對第16個探空儀1 500 m以上高度風(fēng)向的模擬效果卻優(yōu)于試驗YSU。

2.2.5 風(fēng)速廓線。

由圖11可見，大多數(shù)情況下試驗YSU模擬得到的風(fēng)速比試驗MYNN2模擬得到的風(fēng)速偏大。除對于第11個探空儀500 m以下和第16個探空儀1 000 m以上風(fēng)速的模擬外，試驗YSU模擬得到的風(fēng)速均比實際探空觀測偏大。2組試驗對于風(fēng)速的模擬效果沒有明顯優(yōu)劣之分。

3 結(jié)論

利用DOTSTAR探空數(shù)據(jù)與WRF模式（3.8版本），針對1013號超強臺風(fēng)“鲇魚”開展了邊界層參數(shù)化方案的數(shù)值模擬敏感性研究。結(jié)果表明，非局地YSU方案對于臺風(fēng)強度、路徑、螺旋雨帶、內(nèi)核尺度的模擬明顯優(yōu)于局地MYNN2方案，與實際觀測更加接近。對于臺風(fēng)外圍區(qū)域邊界層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模擬而言，YSU方案模擬位溫、水汽混合比、風(fēng)向效果較好；YSU方案與MYNN2方案對于風(fēng)速的模擬沒有明顯優(yōu)劣區(qū)別。

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