不同參數(shù)化方案試驗對南黃海典型臺風(fēng)中心 最低氣壓和最大風(fēng)速數(shù)值模擬影響?

陳子健， 陳學(xué)恩， 劉 濤

(中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

臺風(fēng)模擬主要有兩種途徑：一是通過數(shù)學(xué)模型，利用臺風(fēng)實測數(shù)據(jù)將風(fēng)場和氣壓場刻畫出來；二是通過數(shù)值模式對臺風(fēng)初始場進(jìn)行時間積分獲得臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場來實現(xiàn)。對后者來說， Weather Research and Forecasting Model(WRF)中尺度氣象模式是目前重要的模擬手段。

林惠娟等[1]通過WRF模擬臺風(fēng)路徑以及強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微物理方案選用Lin等[2]方案(Lin方案)和WRF Single-Moment 6-class方案[3](WSM6類方案)配合Betts-Miller-Janjic積云對流方案[4-5](BMJ方案)時，所得副熱帶高壓位置的演變與真實情況下副高的位置更為貼切。劉祥宇[6]在對東海區(qū)臺風(fēng)參數(shù)化方案組合的敏感性試驗中，發(fā)現(xiàn)邊界層方案選擇Mellor-Yamada-Janjic方案[7](MYJ方案)，積云對流參方案選擇Kain-Fritsch scheme方案[8](KF方案)時，模擬大尺度環(huán)流效果最佳；當(dāng)積云對流方案選擇KF方案，而邊界層方案選擇Yonsei University方案[9](YSU方案)時，有利于模擬強(qiáng)度“迅速增強(qiáng)”類的臺風(fēng)。

目前，對于中國近海臺風(fēng)過程的模擬研究多關(guān)注東海和南海區(qū)域，但對南黃海區(qū)域臺風(fēng)的數(shù)值模擬研究尚未見諸文獻(xiàn)。因此，有必要對南黃海臺風(fēng)的數(shù)值模擬開展參數(shù)化方案組合的研究，為預(yù)報和研究南黃海區(qū)域臺風(fēng)及其所引起的風(fēng)暴潮等災(zāi)害提供參考和借鑒。

由于氣象模式對臺風(fēng)的模擬比較依賴初始背景場資料以及參數(shù)化方案的選取，因此，本文將選擇WRF模式中不同參數(shù)化物理方案進(jìn)行模擬，得到適用于南黃海臺風(fēng)模擬的最優(yōu)的參數(shù)化方案組合。

1 WRF模式參數(shù)設(shè)置

1.1 數(shù)據(jù)資料及臺風(fēng)個例選取

D.Carvalho等[10]提出WRF模式在使用不同的再分析資料作為初始場模擬風(fēng)場和評估風(fēng)能資源時，era-interim數(shù)據(jù)資料能提供最接近實際和最可靠的初始場和邊界條件。因此本論文采用歐洲氣象中心的era-interim數(shù)據(jù)資料(空間分辨率為0.25°×0.25°)作為WRF模式的驅(qū)動資料，數(shù)據(jù)共包含28個垂直空間層(包括地面層)，數(shù)據(jù)共含1天4個時間段：00時、06時、12時、18時；數(shù)據(jù)包含的變量參數(shù)有溫度、各層風(fēng)場、位勢高度、相對濕度、海平面氣壓場等；實測數(shù)據(jù)取自中國氣象局熱帶氣旋資料中心發(fā)布的CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集[11](China Meteorological Administration熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集)[注]http://tcdata.typhoon.org.cn/，其中包含臺風(fēng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，中心最低氣壓以及中心最大風(fēng)速。

本文所選的典型臺風(fēng)個例來自1949—2016年的CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。利用數(shù)據(jù)集提供的熱帶氣旋最佳路徑，參考《山東省災(zāi)害性天氣預(yù)報技術(shù)手冊》[12]中對臺風(fēng)路徑的分類標(biāo)準(zhǔn)，對 1949—2016 年經(jīng)過南黃海及其鄰近海域的91 個臺風(fēng)進(jìn)行路徑分類。根據(jù)臺風(fēng)是否登陸我國可將其劃分為近海型和登陸型兩大類，而后根據(jù)臺風(fēng)的轉(zhuǎn)向點(diǎn)或登陸點(diǎn)位置進(jìn)一步劃分為轉(zhuǎn)向型或北上型。其中最常見的類型是登陸轉(zhuǎn)向型和近海北上型路徑，前者占總數(shù)的31.9%， 后者占總數(shù)的19.8%。 其路徑特點(diǎn)如下：

1.1.1 登陸轉(zhuǎn)向型 該路徑的臺風(fēng)自源地向西北方向移動，在我國東南部沿海一帶登陸，登陸后不久轉(zhuǎn)向東北方移動，其轉(zhuǎn)向點(diǎn)大多位于30°N 以南(見圖1(a))。該類臺風(fēng)中依照路徑典型性和強(qiáng)度優(yōu)先的原則，選取臺風(fēng)“燦鴻”(201509)作為研究個例，研究時段為2015年7月9日00時—12日18時(UTC+8，北京時)共90 h。

1.1.2 近海北上型 該路徑的臺風(fēng)源地偏東，在125°E以西沿海北上，至30°N 以北轉(zhuǎn)東北方向移動，在朝鮮半島登陸(見圖1(b))。從這類臺風(fēng)中依照路徑典型性和強(qiáng)度優(yōu)先的原則，選取“梅花”(201109)作為研究個例，研究時段為2011年8月5日00時—8日18時(UTC+8，北京時)共90 h，在該時間段內(nèi)臺風(fēng)“梅花”的路徑由中國東海區(qū)域進(jìn)入黃海區(qū)域北上，在朝鮮西北部沿海登陸且消亡，是較典型的近海北上型臺風(fēng)，因此選取該臺風(fēng)作為研究對象。

(其中紅色路徑為臺風(fēng)“燦鴻”(a)和臺風(fēng)“梅花”(b)。The red paths are from typhoon “Chan-Hom” (a) and typhoon ”Mui-Fa”(b).)圖1 登陸轉(zhuǎn)向型臺風(fēng)(a)，近海北上型臺風(fēng)(b)

1.2 模式設(shè)置

WRF模式的模擬采用二重嵌套的網(wǎng)格區(qū)域(見圖2)。外層網(wǎng)格(d01)分辨率為29.9 km×29.9 km，格點(diǎn)數(shù)為125×99；網(wǎng)格分辨率使用1∶5的降尺度比例對內(nèi)層(d02)黃海區(qū)域(30.0°N～42.0°N，117.6°E～127.7°E)進(jìn)行加密，以獲得更加精細(xì)的臺風(fēng)風(fēng)場和氣壓場數(shù)據(jù)。內(nèi)層網(wǎng)格分辨率為5.98 km×5.98 km，網(wǎng)格數(shù)為161×221；地圖投影選用Mercator投影方案。

不同參數(shù)化方案的選取對WRF模式風(fēng)場和氣壓場的模擬效果影響很大，結(jié)合劉祥宇[6]和林惠娟等[1]的研究，本文主要考慮如下物理參數(shù)化方案：

1.2.1 微物理參數(shù)化方案(mp_physics)為以下兩種：

WRF Single-Moment 6-class微物理方案[3]：該方案是對冰晶、雪還有霰過程的描述，適用于高分辨率的網(wǎng)格模擬中，該方案通過改進(jìn)WSM3方案和WSM5方案，在原有基礎(chǔ)上加入霰過程，改進(jìn)高層云量和冰晶下落的重力過程的計算方法等而提出。

Lin等微物理方案[2]：該方案包含水汽、云水、冰晶、雨水、雪還有霰過程描述的精細(xì)化的參數(shù)化方案，適用于高分辨率網(wǎng)格中的實時數(shù)據(jù)的模擬，該過程中>在當(dāng)溫度達(dá)到結(jié)冰點(diǎn)后云層將會結(jié)成冰晶，雨水會轉(zhuǎn)化為雪。

(d01區(qū)域的經(jīng)緯度范圍：19.0°N～46.0°N、107.0°E～147.5°E；d02區(qū)域的經(jīng)緯度范圍：30.0°N～42.0°N、117.6°E～127.7°E。The latitude and longitude of the d01 area is 19.0°N～46.0°N, 107.0°E～147.5°E and the latitude and longitude of the d02 area is 30.0°N～42.0°N, 117.6°E～127.7°E.)

圖2 WRF模式模擬區(qū)域

Fig.2 WRF modeling domains

1.2.2 邊界層方案(bl_pbl_physics)為以下兩種：

Yonsei University邊界層方案[9]：該方案是在原有的MRF邊界層方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)得來，考慮了風(fēng)溫廓線中夾卷作用對熱量輸運(yùn)的影響。

Mellor-Yamada-Janjic邊界層方案[7]：該方案是使用局部垂向混合的一維湍動能方法(TKE閉合方案的一類)，即使用Mellor-Yamada的2.5階湍流閉合模式來使湍動能方程閉合，以此描述邊界層內(nèi)的湍流運(yùn)動。

1.2.3 積云對流參數(shù)化方案(cu_physics)為以下兩種：

新Kain-Fritsch scheme方案[8]：該方案是在舊KF方案上改進(jìn)得來，基于一個包含描述水汽對流運(yùn)動的云模式下，考慮水汽上下運(yùn)動以及相應(yīng)微物理過程對云的影響。

Betts-Miller-Janjic方案[4-5]：該方案是通過對流中明顯的溫濕結(jié)構(gòu)來判斷對流運(yùn)動的存在，通過引入積云效率變化的概念來調(diào)整深對流的特征廓線以及松弛時間[13]。

對上述三類6種參數(shù)化方案的不同組合進(jìn)行分析，最終選擇八種組合方案進(jìn)行對比研究(見表1)，WRF模式的其他選項設(shè)置見表2。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 臺風(fēng)中心最低氣壓模擬結(jié)果分析

將8種不同的參數(shù)化方案組合模擬出的臺風(fēng)中心最低氣壓與臺風(fēng)的實測中心最低氣壓進(jìn)行對比分析，圖3(a)，3(b)分別表示臺風(fēng)“燦鴻”(201509)和臺風(fēng)“梅花”(201109)各時次中心最低氣壓隨時間變化情況；圖4為不同參數(shù)化方案組合模擬結(jié)果與實測值每一時刻誤差的絕對值平均；表 3是臺風(fēng)“燦鴻”在各參數(shù)化組合方案情況下中心最低氣壓隨時間變化的相關(guān)性分析。

表1 數(shù)值模擬實驗的各類方案組合設(shè)置Table 1 The combining schemes of the numerical experiments

Note：①Scheme name；②Microphysics scheme；③Boundary layer scheme；④Cumulus scheme

表2 WRF模式選項設(shè)置

Note:①M(fèi)ode option；②Domain resolution；③Time integration；④Longware radiation scheme；⑤Short wave radiation scheme；⑥Land surface process

結(jié)合圖3(a)和表4可以看出，臺風(fēng)個例“燦鴻”的中心最低氣壓模擬結(jié)果中，Scheme 1與Scheme 5這兩個方案的模擬結(jié)果的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.993，而從圖3(b)以及表5臺風(fēng)個例“梅花”的中心最低氣壓模擬結(jié)果中，這兩個方案的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.994；同樣的Scheme 2與Scheme 6、Scheme 3與Scheme 7、Scheme 4與Scheme 8這三組中心最低氣壓隨時間的變化曲線也有同樣的特點(diǎn)，每組的相關(guān)系數(shù)都超過0.99，相關(guān)程度十分高。這四組組合方案中，每一組的兩個方案都采用不同的微物理參數(shù)化方案，而都采用相同的積云對流方案和邊界層參數(shù)化方案。因此可以發(fā)現(xiàn)WSM6類微物理方案和Lin微物理方案對模擬臺風(fēng)的中心最低氣壓影響不大，模擬臺風(fēng)中心氣壓對不同的積云方案以及邊界層方案較為敏感。

(黑色實線代表觀測數(shù)據(jù)；彩色虛線代表八種不同參數(shù)化方案組合的模擬結(jié)果。The black solid line is from the best-track observation；The colored dashed line is from the simulation of 8 schemes. )

圖3 臺風(fēng)“燦鴻”(a)，“梅花”(b)8種參數(shù)化方案組合模擬結(jié)果與實測值最低氣壓對比圖

Fig.3 Comparison of simulation of central pressure of the typhoon Chan-Hom (a), typhoon Mui-Fa (b), and CMA best track data

圖4 臺風(fēng)“燦鴻”(a)，“梅花”(b)八種參數(shù)化方案組合模擬結(jié)果中心最低氣壓誤差

組合名稱NameScheme 1Scheme 2Scheme 3Scheme 4Scheme 5Scheme 6Scheme 7Scheme 8Scheme 11.000 -0.073 0.365 -0.185 0.993 0.035 0.336 -0.191 Scheme 2-0.073 1.000 0.819 0.991 -0.055 0.992 0.820 0.987 Scheme 30.365 0.819 1.000 0.751 0.390 0.852 0.997 0.753 Scheme 4-0.185 0.991 0.751 1.000 -0.169 0.970 0.754 0.998 Scheme 50.993 -0.055 0.390 -0.169 1.000 0.050 0.364 -0.175 Scheme 60.035 0.992 0.852 0.970 0.050 1.000 0.849 0.963 Scheme 70.336 0.820 0.997 0.754 0.364 0.849 1.000 0.757 Scheme 8-0.191 0.987 0.753 0.998 -0.175 0.963 0.757 1.000

表4 臺風(fēng)“梅花”各參數(shù)化組合方案模擬中心最低氣壓隨時間變化曲線相關(guān)性分析

在圖3(a)以及圖4(a)中，各組合方案的模擬趨勢均與觀測數(shù)據(jù)大致相同，其中scheme 1和scheme 5這兩組方案的對于臺風(fēng)“燦鴻”模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)最為接近，與實測值單時刻平均誤差值分別為9.859和9.417 hPa；在圖3(b)及圖4(b)中，各組合方案對于臺風(fēng)“梅花”中心最低氣壓模擬在前48個時刻的趨勢均與實測數(shù)據(jù)相差較大，scheme 3和scheme 7模擬的單時刻平均誤差模較小，僅為9.217和9.029 hPa。因此scheme 7對于臺風(fēng)“梅花”的中心最低氣壓模擬效果在所有方案中誤差最小，但整體趨勢與實測值仍有較大偏差，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能與提供給模式初始場資料的準(zhǔn)確性有關(guān)，數(shù)據(jù)中包含的各層風(fēng)場及位勢高度場等變量參數(shù)與實際臺風(fēng)強(qiáng)度出現(xiàn)誤差，造成了臺風(fēng)“梅花”中心最低氣壓的模擬結(jié)果在前48個時刻與實際觀測資料不符。

2.2 臺風(fēng)最大風(fēng)速模擬結(jié)果分析

將CMA熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集中的臺風(fēng)中心最大風(fēng)速與8種參數(shù)化方案組合所模擬的臺風(fēng)中心最大風(fēng)速進(jìn)行對比分析，找出模擬效果最佳的參數(shù)化組合。其中，模擬臺風(fēng)中心最大風(fēng)速數(shù)據(jù)選用地面10 m模擬風(fēng)場的近臺風(fēng)中心最大風(fēng)速。

圖5 臺風(fēng)“燦鴻”(a)、“梅花”(b)八種參數(shù)化方案組合模擬結(jié)果與實測值最大風(fēng)速對比圖

圖6 臺風(fēng)“燦鴻”(a)，“梅花”(b)8種參數(shù)化方案組合模擬結(jié)果中心最大風(fēng)速誤差

組合名稱NameScheme 1Scheme 2Scheme 3Scheme 4Scheme 5Scheme 6Scheme 7Scheme 8Scheme 11.000 0.927 0.954 0.937 0.996 0.935 0.960 0.929 Scheme 20.927 1.000 0.960 0.975 0.924 0.978 0.962 0.974 Scheme 30.954 0.960 1.000 0.982 0.948 0.941 0.997 0.988 Scheme 40.937 0.975 0.982 1.000 0.938 0.968 0.982 0.991 Scheme 50.996 0.924 0.948 0.938 1.000 0.938 0.956 0.927 Scheme 60.935 0.978 0.941 0.968 0.938 1.000 0.945 0.958 Scheme 70.960 0.962 0.997 0.982 0.956 0.945 1.000 0.984 Scheme 80.929 0.974 0.988 0.991 0.927 0.958 0.984 1.000

表6 臺風(fēng)“梅花”各參數(shù)化組合方案模擬中心最大風(fēng)速隨時間變化曲線相關(guān)性分析

在圖5(a)和5(b)中，對于微物理參數(shù)化方案不同的兩種組合方案(Scheme 1和Scheme 5、Scheme 2和Scheme 6、Scheme 3和Scheme 7、Scheme 4和Scheme 8)，模擬的最大風(fēng)速曲線結(jié)果十分相近。表6和7選用不同的微物理方案模擬的結(jié)果相關(guān)性均超過0.94，部分高達(dá)0.99。因此微物理方案的選擇對臺風(fēng)中心最大風(fēng)速的模擬結(jié)果影響不大，主要受不同邊界層方案和積云對流方案的影響。

在圖5(a)和圖6(a)模擬臺風(fēng)“燦鴻”的最大風(fēng)速曲線對比中，各組實驗方案對于最大風(fēng)速的模擬與實測值的變化趨勢大致相同，但是強(qiáng)度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實測值最大風(fēng)速的56 m/s，實驗?zāi)M結(jié)果中，scheme 1和scheme 5的模擬結(jié)果與實測值對比誤差較小，單時刻平均誤差分別為10.890和10.803 m/s，最大風(fēng)速能達(dá)到38 m/s，因此選用YSU邊界層方案以及KF積云對流方案對臺風(fēng)“燦鴻”的最大風(fēng)速模擬結(jié)果較為理想。

在圖5(b)和圖6(b)模擬臺風(fēng)“梅花”的最大風(fēng)速曲線對比中，各組實驗?zāi)M方案存在與上小節(jié)類似的問題，在前30個時刻的模擬中，各組模擬結(jié)果趨勢與實測結(jié)果相差較大，實測臺風(fēng)最大風(fēng)速由40 m/s的強(qiáng)度逐漸減弱，而模擬結(jié)果的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)至第30個時刻后逐漸減弱，第30個時刻后，各組實驗方案模擬結(jié)果與實測值較為接近，這一誤差產(chǎn)生的原因可能是由于初始場數(shù)據(jù)沒有包含準(zhǔn)確的臺風(fēng)信息以及模式存在缺陷，因此導(dǎo)致最大風(fēng)速的趨勢與實測值不符。其中scheme 1與scheme 5兩組實驗方案的平均單時刻模擬誤差分別為4.610和4.767 m/s，模擬效果比其他實驗方案好，與模擬臺風(fēng)“燦鴻”的最大風(fēng)速結(jié)論一致。因此在模擬過南黃海典型臺風(fēng)時，選用YSU邊界層方案以及KF積云對流方案能較好地刻畫臺風(fēng)最大風(fēng)速，同時要確保初始場中包含一定的臺風(fēng)信息，以避免誤差較大的情況出現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文主要探究不同參數(shù)化方案組合對南黃海典型臺風(fēng)的中心最低氣壓和最大風(fēng)速模擬結(jié)果的影響，通過與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出以下主要結(jié)論：

(1) 不同微物理方案對模擬臺風(fēng)海平面最低氣壓以及近地面10 m風(fēng)場的近臺風(fēng)中心最大風(fēng)速影響較小。

(2) 當(dāng)邊界層方案選用YSU方案，積云對流方案選用KF方案時，模擬臺風(fēng)中心最低氣壓以及近臺風(fēng)中心最大風(fēng)速與實測值較為接近，所模擬的臺風(fēng)中心最低氣壓以及最大風(fēng)速效果最好。因此在使用WRF模擬研究南黃海區(qū)域典型臺風(fēng)的中心最大風(fēng)速和最低氣壓時，選用YSU邊界層方案和KF積云方案的組合能比本文試驗的其他組合獲得更好的模擬效果。