數(shù)值模式垂直分辨率對臺風大渦模擬的影響

張威 談?wù)苊?/p>

(南京大學 中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點實驗室/大氣科學學院，南京 210023)

引 言

臺風是一個多尺度的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)，其整體環(huán)流的空間尺度可達數(shù)千千米，而臺風雨帶和眼墻中的小尺度渦旋尺度則只有幾千米甚至數(shù)百米，臺風中小尺度渦旋可造成局地的具有強烈破壞性的大風[1]。相較于臺風整體環(huán)流而言，雖然臺風中的小尺度有組織渦旋結(jié)構(gòu)的空間和時間尺度都很小，但其對臺風邊界層中的動量、熱量以及水汽的輸送影響顯著，與臺風的發(fā)展及增強密切相關(guān)[2]。

觀測發(fā)現(xiàn)登陸臺風邊界層中出現(xiàn)次公里尺度強烈滾渦結(jié)構(gòu)(Rolling Votex， RV)，其水平尺度約為600 m，且在順風向伴隨著交替的水平風速大值條帶[3-4]。Wurman， et al[1]發(fā)現(xiàn)臺風邊界層中的龍卷尺度渦旋(Tornado-scale Vortex， TSV)以及臺風眼墻中尺度渦旋(Mesovortex， MV)對增強近地面風速起著重要作用。Ellis， et al[2]利用多普勒雷達資料，在臺風邊界層中發(fā)現(xiàn)了風速條帶及滾渦兩類結(jié)構(gòu)，前者發(fā)展得較為淺薄且生命周期較短，其產(chǎn)生的原因是非正態(tài)最優(yōu)模擾動，而滾渦的生命周期較長且在整個臺風邊界層都有分布，其產(chǎn)生的原因是剪切流的正態(tài)模或拐點不穩(wěn)定。顯然，如何在數(shù)值模式中準確地反映出臺風邊界層的精細結(jié)構(gòu)和過程，特別是滾渦、龍卷尺度渦旋等系統(tǒng)非常必要。隨著大渦模擬(Large-eddy Simulation， LES)技術(shù)的發(fā)展，使臺風邊界層中小尺度有組織渦旋的精細數(shù)值模擬逐漸得以實現(xiàn)。

Rotunno， et al[5]利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式，采用6層嵌套區(qū)域?qū)釒庑M行超高分辨率的數(shù)值模擬，其模式最內(nèi)層水平分辨率為62 m，發(fā)現(xiàn)在模式水平分辨率由111 m提高到62 m時，模擬結(jié)果出現(xiàn)了明顯不同，62 m分辨率模擬出了明顯的小尺度湍渦結(jié)構(gòu)。ZHU[6]利用WRF模式嵌套的大渦模擬探究了臺風邊界層中的有組織渦旋結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)當下的臺風邊界層參數(shù)化方案由于沒有考慮小尺度有組織渦旋的作用，且顯著低估了湍流通量，最終提出了一個考慮小尺度有組織渦旋產(chǎn)生通量的上升下沉概念模型以改進臺風邊界層參數(shù)化方案。WU， et al[7]利用WRF模式的嵌套屬性實現(xiàn)了臺風中心90 km×90 km區(qū)域的水平37 m分辨率的大渦模擬，并發(fā)現(xiàn)龍卷尺度渦旋在臺風眼墻的邊界層中普遍存在。Nakanishi， et al[8]利用大渦模擬模型研究了近中性層結(jié)下臺風邊界層中水平滾渦形成的機理，發(fā)現(xiàn)徑向風速廓線的拐點不穩(wěn)定是波長為1.5～2.4 km滾渦形成的原因。Ito， et al[9]進行了水平分辨率為100 m的臺風精細模擬，發(fā)現(xiàn)在臺風的不同區(qū)域存在著3種不同類型的小尺度滾渦，并探討了不同類型滾渦形成的機制。顯然，臺風大渦模擬為深入理解臺風演變過程中不同尺度渦旋系統(tǒng)對臺風強度、結(jié)構(gòu)變化的影響作用提供了有效途徑。然而，在對臺風邊界層的超高分辨率模擬中，對模式水平分辨率的提高關(guān)注更多，而對垂直分辨率提高的關(guān)注則相對較少。在臺風大渦模擬中既要模擬好臺風大尺度環(huán)流，又要盡可能地模擬好臺風區(qū)域的精細結(jié)構(gòu)及動力熱力特征，因此會消耗大量計算及存儲資源。受限于有限的計算資源，在臺風大渦尺度模擬中常出現(xiàn)垂直分辨率低于水平分辨率的情況。如，在WU， et al[7]研究中，嵌套最內(nèi)層區(qū)域的水平網(wǎng)格距為37 m，而在2 km以下模式的垂直層次僅有19層，即平均的垂直分辨率不足100 m。顯然，對于臺風大渦模擬來說，模式垂直分辨率以及與水平分辨的匹配如何影響臺風強度和結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果，特別是臺風邊界層中小尺度滾渦的模擬效果，目前尚未有研究討論。

關(guān)于數(shù)值模式垂直分辨率對模擬的影響作用，在較粗水平分辨率情況下有了不少研究。Lindzen， et al[10]指出垂直分辨率與水平分辨率需具有一貫性，當然這也是比較粗分辨率情況下的結(jié)果。近年來，對模式垂直分辨率對臺風強度、結(jié)構(gòu)及路徑模擬影響開展了研究[11-14]。Kimball， et al[11]發(fā)現(xiàn)模式垂直層次在臺風入流、出流及中層的分布會明顯影響臺風的強度、尺度以及結(jié)構(gòu)。分辨好臺風出流層對臺風增強非常重要。Rao， et al[12]發(fā)現(xiàn)增加臺風低層的模式垂直分辨率更有利于模擬出臺風增強過程、更好的臺風眼及眼墻結(jié)構(gòu)，也有利于改進水平風垂直切變的預測效果。同樣，提高模式的垂直分辨率可以顯著改進颶風的路徑預報效果[13]。ZHANG， et al[14]研究了不同背景流場和初始渦旋強度下模式垂直分辨率對理想臺風強度和結(jié)構(gòu)的影響，并發(fā)現(xiàn)64層的模式垂直層次雖然不會使臺風的強度進一步增強，但臺風強度的波動會變得更平緩。MA， et al[15]利用WRF模式探究了垂直分辨率對臺風個例Talim(2005)的作用，發(fā)現(xiàn)垂直分辨率對臺風Talim路徑的影響很小，在臺風低層增加垂直分辨率對提高模擬臺風的強度作用更大。

顯然，當數(shù)值模式在大渦模擬的水平上，模式垂直分辨率對臺風模擬的影響作用如何？目前尚不清楚。因此，本文將重點聚焦于臺風大渦模擬中垂直分辨率的作用以及垂直分辨率與水平分辨率的配合問題，并探究不同的模式垂直層數(shù)對臺風大渦模擬結(jié)果尤其是對臺風邊界層中小尺度有組織渦旋模擬結(jié)果的影響，以期對臺風大渦模擬的垂直分辨率選擇提供科學認識。

1 數(shù)值試驗設(shè)計

本文所使用的數(shù)值模式為WRF 3.9.1[16]，采用模式嵌套開展理想臺風大渦模擬[17]。本試驗的理想臺風個例使用f平面近似，科氏參數(shù)f的數(shù)值為5×10-5(20°N)。海表面溫度設(shè)置為為28 ℃，采用的環(huán)境廓線為Jordan廓線[17]，并在最外層D01區(qū)域X和Y方向都采用周期邊界條件。模式初始渦旋動力框架采用Rotunno， et al[18]中的分析方程，初始渦旋放置在區(qū)域的中心，滿足靜力平衡和梯度風平衡，并且最大風速分布在模式最低層。

數(shù)值試驗使用了三重嵌套的模擬區(qū)域，由外到內(nèi)分別為D01、D02、D03(表1)。3個區(qū)域的水平分辨率 Δx分別為2 000 m、400 m、80 m，格點數(shù)分別為1 000×1 000、500×500、1 000×1 000，其最外層模擬區(qū)域為2 000 km×2 000 km，最內(nèi)層模擬區(qū)域為80 km×80 km。3個區(qū)域的積分時間步長分別為5 s、1 s、0.2 s。為了節(jié)省計算資源，3個區(qū)域的模擬啟動時間并不相同，D01首先啟動(00時)，而D02和D03分別啟動于DO1啟動后2 d 00 h和4 d 12 h，運行結(jié)束的時間分別為啟動后5 d 00 h、5 d 00 h和4 d 18 h。D01、D02、D03區(qū)域的模擬結(jié)果輸出時間間隔分別為12 h、6 h、20 min。模擬臺風的模式頂高為23 km，同一試驗中3個區(qū)域的垂直分辨率設(shè)置都是相同的。

表1 數(shù)值試驗的區(qū)域、格點、積分步長及運行時間Table 1 Domain， grid points， integration steps and running timeof numerical experiment

本文試驗中不同的嵌套區(qū)域的水平分辨率變化采用了5倍的比率，分別為2 000 m、400 m和80 m，從而規(guī)避了WRF模擬的“灰區(qū)”問題——即百米量級水平分辨率。在D01區(qū)域上選擇開啟邊界層參數(shù)化方案，選取的方案為YSU方案，而在D02和D03區(qū)域上關(guān)閉邊界層參數(shù)化方案，直接進行大渦模擬，其中大渦模擬的次網(wǎng)格方案采用非線性和各向異性的次濾波應(yīng)力模型[19]。D01區(qū)域的模擬結(jié)果為D02和D03提供了邊界條件和初始場。微物理方案選取WSM 6階方案，長波輻射方案為RRTM方案，短波輻射方案為Dudhia方案，積云對流方案則在3個區(qū)域上都不開啟，并且各個區(qū)域之間開啟雙向反饋。

本文設(shè)計了三組不同垂直分辨率的試驗，其模式的垂直層數(shù)分別為42、69和90層，分別記為N42、N69和N90試驗(圖1a)。如圖1a中所示，N90試驗的σ層在模式下部分布較密，而N42和N69試驗的σ層在模式的上部分布較密。相應(yīng)N90試驗在臺風邊界層中的垂直層次更多，而N42和N69試驗也兼顧了臺風高層的垂直層次。圖1b為三組試驗的模式垂直層次的物理高度垂直分布，總體上三組試驗都保持了在模式低層具有較多的垂直層次，隨著高度增加，垂直層次分布變疏。垂直層次σ的數(shù)值計算方式為:

圖1 數(shù)值模式的垂直層次分布: (a) N42、N69、N90試驗的σ層;(b) N42、N69、N90試驗的物理高度Fig.1 Vertical levels setting of the numerical model: vertical levels distribution of (a) σ and(b) physical heights for N42， N69 and N90 experiments

(1)

其中：PT為模式頂?shù)臍鈮褐?hPa)；PS為海表面的氣壓值(hPa)；P為當前層次的氣壓值(hPa)。

表2 各試驗臺風邊界層垂直分辨率統(tǒng)計Table 2 Vertical resolution statistics of each experiment in tropical cyclone boundary layer

圖2 不同垂直分辨率下模擬的臺風強度隨時間的變化：(a—c)海表面最低氣壓(單位：hPa)；(d—f)10 m高度最大風速(單位：m· s-1)；(g—i)10 m高度方位角平均最大風速(單位：m· s-1)；(a、d、g)N42；(b、e、h)N69；(c、f、i)N90。其中(a—f)中藍線、綠線和紅線分別表示D01，D02和D03的結(jié)果Fig.2 Variation of simulated TC intensity with time at different vertical resolutions： (a-c) the minimum sea level pressure (unit:hPa); (d-f) the maximum 10 m wind speed (unit:m· s-1); (g-i) the azimuthally averaged maximum 10 m wind speed (unit:m· s-1);(a,d,g)N42; (b,e,h)N69; (c,f,i)N90. The blue， green and red lines in (a-f) represent the results of D01， D02 and D03 domain

2 結(jié)果

2.1 臺風強度

圖2為三組不同垂直分辨率臺風大渦模擬試驗得到的臺風強度隨時間的變化。顯然，不同垂直分辨率下臺風大渦模擬的理想臺風的強度有明顯的差異。如圖2所示，總體來看，海表面最低氣壓隨時間的變化似乎隨著垂直層數(shù)的增加，海表面最低氣壓逐漸升高，臺風強度逐漸減弱(圖2a—c)。對于10 m最大風速，N69試驗D03區(qū)域的10 m最大風速最大，而N90試驗的10 m最大風速總體上小于N69試驗，10 m最大風速最小的是N42試驗(圖2d—f)。值得注意的是，對比圖2b、c和圖2e、f，在海表面最低氣壓上，N69試驗與N90試驗D01和D02的數(shù)值相當，而D02的10 m最大風速卻比D01強很多，這主要是因為D02區(qū)域更高的水平分辨率能夠解析更多的強烈小尺度風場結(jié)構(gòu)。另外，隨著垂直層數(shù)增多，無論是海表面最低氣壓還是10 m最大風速，D03區(qū)域的數(shù)值波動都減小，即不同時次的臺風強度趨于穩(wěn)定。最后，對于D03區(qū)域方位角平均的10 m最大風速上，N42和N69試驗的方位角平均10 m最大風速都較小，只有57 m·s-1左右，而N90試驗的方位角平均風速最大，可以達到62 m· s-1左右(圖2g—i)。

由圖2可知，不同垂直分辨率下大渦模擬的臺風強度明顯不同，而不同的臺風強度標準下其結(jié)果也有所不同。綜上，N42試驗中D03區(qū)域模擬的海表面最低氣壓最低，但僅僅出現(xiàn)在D03區(qū)域情況，這與在N42試驗中其垂直分辨率與水平分辨率不匹配有關(guān)。對于N69試驗，從10 m高度最大風速來看，其在D03區(qū)域中既有一些極大值，但也存在較多較小的10 m風速值，所以，其方位角平均的10 m最大風速要小于N90試驗。同樣，在N69試驗中其最低氣壓值和10 m風速最大值隨時間的波動較大，這也可能與其垂直層數(shù)尤其是臺風邊界層中垂直層數(shù)不足有關(guān)，而在臺風高層更多的垂直層數(shù)則有利于臺風強度增加。N90試驗的垂直層數(shù)尤其是臺風低層的垂直層數(shù)最多，所以其模擬的最低氣壓和10 m最大風速都更穩(wěn)定，低層風速的分布也更均勻，所以其方位角平均后的低層風速也更大。

2.2 低層風場

臺風大渦模擬的顯著優(yōu)勢是可以模擬出臺風邊界層中的精細風場結(jié)構(gòu)。圖3給出了不同垂直分辨率下臺風大渦模擬的D03區(qū)域中10 m風速的空間分布。不同垂直分辨率下，臺風大渦模擬基本上都可以模擬出臺風內(nèi)核區(qū)域的水平風場細致結(jié)構(gòu)。隨著模式垂直分辨率增加，可以看到臺風大渦模擬的10 m水平風速的小尺度結(jié)構(gòu)更加明顯，整體的10 m風速大值也更多(圖3)。隨著垂直分辨率的增加，尤其是低層的垂直層次增加，因而對臺風低層的風場能有更好的解析。另外，與圖2中最大10 m風速及最大方位角平均風速隨時間的分布相對應(yīng)，N90試驗D03區(qū)域整體的10 m風速更大。

圖3 不同垂直分辨率下10 m風速(單位：m· s-1)的水平分布(時間段：5 d 18 h)：(a)N42；(b)N69；(c)N90Fig.3 Horizontal distribution of 10 m wind speed (unit：m· s-1) at different vertical resolutions(Period: 5 d 18 h): (a) N42;(b) N69;(c) N90

除了低層水平風速，垂直速度的水平分布也可反映出臺風邊界層小尺度結(jié)構(gòu)特征。圖4給出了500 m高度上臺風邊界層垂直速度的水平分布?？梢钥闯?，臺風大渦模擬都模擬出了眼墻中的精細垂直速度結(jié)構(gòu)，但不同垂直分辨率下臺風大渦模擬的500 m高度臺風邊界層的垂直速度差異很大。在臺風眼墻附近，可以看到很多的小尺度配合的上升下沉垂直速度對，這些結(jié)構(gòu)是臺風邊界層中小尺度滾渦存在的表現(xiàn)。隨著垂直分辨率的增加，垂直速度的形態(tài)也發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)是眼墻中垂直速度的強度增加，小尺度結(jié)構(gòu)的數(shù)量增加，滾渦的尺度減小。這說明對于臺風大渦模擬來說，增加模式垂直層次尤其是增加邊界層中的垂直層次，有利于模擬出更加精細和更多數(shù)量的邊界層滾渦結(jié)構(gòu)。

本文還進一步計算了各個試驗500 m高度眼墻部分的水汽、熱量和動量通量的大小。N42、N69、N90試驗的水汽通量分別為0.011、0.011、0.010 kg·m-2·s-1，不同試驗500 m高度的水汽通量基本相當；N42、N69、N90試驗的熱量通量分別為211.4、203.1、177.1 W·m-2·s-1，除了N90試驗500 m高度的熱量通量略小，其他試驗的熱量通量也基本相當；N42、N69、N90試驗的動量通量分別為6.5、11.4、16.2 J·kg-1，不同試驗的動量通量差別較大，這可能和不同試驗對小尺度強烈風場的解析不同有關(guān)。總體來看，模式的垂直分辨率對水汽通量和熱量通量的總量模擬影響不大。

圖5給出了D03區(qū)域中不同試驗下垂直速度及其風場擾動的垂直分布?？芍?，三組試驗都明顯地模擬出滾渦結(jié)構(gòu)，這與圖4中垂直速度的分布對應(yīng)。這些滾渦的水平尺度大約為1～3 km左右，且垂直速度的上升支較窄而下沉支較寬，垂直方向上的尺度則為幾百米到2 km不等。隨著垂直分辨率的增加，滾渦的數(shù)目增加，水平尺度更小，強度也略微增強。

圖4 不同垂直分辨率下500 m高度垂直速度(單位：m· s-1)的水平分布(時間段：5 d 18 h)：(a)N42；(b)N69；(c)N90試驗Fig.4 Horizontal distribution of vertical velocity (unit：m· s-1) at 500 m height for different vertical resolutions(Period: 5 d 18 h): (a) N42;(b) N69;(c) N90

圖5 不同垂直分辨率下，沿臺風中心(y=0)垂直剖面中垂直速度(填色，單位：m· s-1)和擾動風場(風矢量，單位：m· s-1)分布(時間段：5 d 18 h)：(a)N42；(b)N69；(c)N90試驗Fig.5 Vertical velocity (shadings，unit：m· s-1) and disturbed wind field distribution (wind vectors，unit：m· s-1) in the vertical profile along the TC center (y=0) for different vertical resolutions(Period: 5 d 18 h)： (a) N42；(b) N69；(c) N90

2.3 龍卷尺度渦旋

在臺風大渦模擬的低層風場中非常明顯地反映出臺風邊界層中類似滾渦的小尺度渦旋結(jié)構(gòu)。龍卷尺度渦旋是臺風邊界層中存在的強烈小尺度氣旋性渦旋，龍卷尺度渦旋常常伴隨著局地的水平風速和垂直速度的極值。在此，龍卷尺度渦旋定義為臺風中3 km高度以下，垂直速度達到30 m· s-1，垂直方向相對渦度達到0.2 s-1的小尺度強烈渦旋。在實際的篩選過程中，如果達到龍卷尺度渦旋標準的網(wǎng)格點少于兩個，就把這些點識別為非龍卷尺度渦旋。另外，考慮到龍卷尺度渦旋的小尺度特征，在實際取樣過程中，把1 km范圍內(nèi)達到標準的點定義為屬于同一個渦旋。

圖6為5 d 18 h內(nèi)模擬臺風D03區(qū)域的500 m高度雷達反射率及龍卷尺度渦旋的分布情況。不同垂直分辨率下，龍卷尺度渦旋數(shù)目差異明顯。試驗N42、N69和N90在5 d 18 h內(nèi)龍卷尺度渦旋的數(shù)目分別為1、20、9。隨著垂直層數(shù)增加，龍卷尺度渦旋的數(shù)目先增加再減小。不同垂直分辨率下，500 m高度的雷達反射率及最大風速半徑也不同。對于最大風速半徑，N42、N69、N90試驗的最大風速半徑分別為32.88、33.68、30.72 km，垂直分辨率增加，模擬的臺風整體有一個先外擴再收縮的趨勢。對于雷達反射率，N69、N90試驗的雷達反射率較強于N42試驗，這與臺風強度相對應(yīng)。三組試驗中，N69試驗龍卷尺度渦旋的數(shù)目最多，這可能與N69試驗既在臺風低層有比較多的垂直層次而在臺風高層的垂直層次也較多有關(guān)，其模擬出的近地面風速的極大值更大，因而有更多的小尺度渦旋結(jié)構(gòu)達到了龍卷尺度渦旋的標準。

圖7為不同垂直分辨率下風暴相對螺旋度的水平分布。風暴相對螺旋度常常被用來診斷強對流天氣的發(fā)生發(fā)展情況。比較圖6、7可以看到，龍卷尺度渦旋的分布位置和風暴相對螺旋度的大值區(qū)有一個非常好的對應(yīng)，由此說明大的風暴相對螺旋度在整體上有利于龍卷尺度渦旋形成。另外，龍卷尺度渦旋大多分布在臺風眼墻內(nèi)側(cè)邊界雷達反射率梯度較大的地方，這些區(qū)域物理量的劇烈變化可能有利于龍卷尺度渦旋的產(chǎn)生和發(fā)展(圖6)。

圖7 不同垂直分辨率下臺風低層0～3 km積分的風暴相對螺旋度(填色，單位：m2· s-2)水平分布(時間段：5 d 18 h)：(a)N42；(b)N69；(c)N90試驗Fig.7 Horizontal distribution of the integrated relative storm helicity (shadings，unit：m2·s-2) for the low-level 0-3 km ofTCs at different vertical resolutions(Period: 5 d 18 h)： (a) N42；(b) N69；(c) N90

為了進一步探究垂直分辨率對模擬的龍卷尺度渦旋的影響，本文挑選了各個垂直分辨率下臺風大渦模擬的龍卷尺度渦旋樣本，分析其結(jié)構(gòu)及風場配置特征。圖8為不同垂直分辨率試驗中模擬的龍卷尺度渦旋精細結(jié)構(gòu)，其分析范圍對應(yīng)于圖6中的矩形小框，其面積為 8 km×6 km。圖8中500 m高度擾動風場為龍卷尺度渦旋在此高度上除掉背景場后水平流場。疊加的10 m高度風場則顯示了龍卷尺度渦旋與10 m高度水平風速條帶狀大值區(qū)的相對位置分布情況。正如圖3中10 m風速場所示，在3個試驗中10 m風速場都出現(xiàn)了條帶狀結(jié)構(gòu)，這與前人臺風大渦模擬的結(jié)果也是一致的[5，7，20]。另外，從圖8中可以知道，隨著垂直分辨率增加，10 m風速的大值區(qū)域數(shù)量也增加，且風速大值條帶基本沿著平行于切向風的方向分布。

圖8 不同垂直分辨率下龍卷尺度渦旋的500 m高度擾動流場(風矢量，單位：m· s-1)及10 m風速(填色，單位：m· s-1)分布(時間段：5 d 18 h)：(a)N42；(b)N69；(c)N90試驗Fig.8 500 m height disturbed wind field (wind vectors，unit：m· s-1) and 10 m wind speed (shadings，unit：m· s-1) distributions for tornado-scale vortices at different vertical resolutions(Period: 5 d 18 h)： (a) N42；(b) N69；(c) N90

龍卷尺度渦旋主要分布在10 m風速水平梯度較大的位置，下沉運動與大水平風速區(qū)域而上升運動與較小風速區(qū)域相配合，這種配置及臺風中盛行風向作用有利于在這些區(qū)域產(chǎn)生正曲率渦度貢獻，有利于龍卷尺度渦旋的生成和發(fā)展。另一方面，龍卷尺度渦旋也會加大動量的垂直輸送，將臺風邊界層中高處更大的動量輸送下來，從而造成臺風邊界層低層局地的水平風速大值。在臺風眼墻的邊界層中，這種小尺度有組織渦旋和水平風速梯度的配合普遍存在，共同構(gòu)成了臺風邊界層的基本運動特征。另外，在圖8中除了存在龍卷尺度渦旋外，也明顯地存在一些有組織的小尺度渦旋結(jié)構(gòu)。這些渦旋有些是氣旋性的，有些是反氣旋性的，且大多分布在10 m風速大值區(qū)域的中間地帶，其水平尺度大致為1～3 km。另外，隨著模式垂直層數(shù)增加，模擬的龍卷尺度渦旋的水平尺度逐漸減小，所以，在增加水平分辨率同時，模式垂直分辨率增加對于臺風龍卷尺度渦旋模擬無論強度及結(jié)構(gòu)有著重要影響。

3 結(jié)論

本文重點研究了數(shù)值模式垂直分辨率對臺風大渦模擬的影響作用。研究設(shè)計了42、69、90層3種垂直層數(shù)的臺風大渦模擬的數(shù)值試驗，來分析不同垂直分辨率下理想臺風大渦模擬的結(jié)果差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同垂直分辨率，臺風大渦模擬的臺風強度、低層風場結(jié)構(gòu)以及臺風邊界層龍卷尺度渦旋的特征都有顯著差異。42層的垂直分辨率可能對于80 m水平分辨率的臺風大渦模擬試驗是明顯不足的，這主要表現(xiàn)在該試驗中可出現(xiàn)異常的海表面氣壓場擾動，并且N42試驗的低層風速也較小，相應(yīng)的龍卷尺度渦旋的數(shù)目也很少。而69層和90層垂直層數(shù)的試驗中，在邊界層2 km以下的平均分辨率分別約為100.9 m和54.3 m，則可以較好地模擬臺風的強度及低層風場結(jié)構(gòu)。同樣，這兩組垂直分辨率在臺風邊界層中龍卷尺度渦旋的模擬上取得非常好的效果：能夠模擬出較多的龍卷尺度渦旋以及細致的龍卷尺度渦旋結(jié)構(gòu)。對比N69試驗和N90試驗，雖然N69試驗?zāi)M出的龍卷尺度渦旋較多，但更多垂直層次的N90試驗?zāi)M的臺風強度更穩(wěn)定，方位角平均的低層風速更大，對臺風邊界層中小尺度渦旋結(jié)構(gòu)的刻畫也更細致。所以，對于水平分辨率在100 m左右的臺風大渦模擬來說，足夠的垂直分辨率才能模擬出更真實的臺風演變及其相關(guān)的風場、渦旋的精細結(jié)構(gòu)。從另一種角度來看，在精確地模擬出臺風的精細結(jié)構(gòu)及其變化，數(shù)值模式需要更高的水平、垂直分辨率，在提高了模式水平分辨率的同時，需要提高數(shù)值模式的垂直分辨率。

當然，目前尚未有研究在大渦模擬這個模式分辨率層面來討論垂直分辨率的影響作用，本研究是一個初步探討，而且是一個理想臺風的模擬，未來需要結(jié)合高精度的臺風邊界層觀測，在實際臺風模擬中進一步討論臺風大渦模擬中垂直分辨率與水平分辨率的配合問題，這將具有巨大的挑戰(zhàn)性。