基于WRF模式的一種臺風(fēng)人造渦旋構(gòu)建方案

吳云帆, 邊 旭, 吳寶勤, 朱先德, 王風(fēng)帆

基于WRF模式的一種臺風(fēng)人造渦旋構(gòu)建方案

吳云帆1, 邊 旭2, 吳寶勤1, 朱先德1, 王風(fēng)帆3

(1. 海軍研究院, 天津 300061; 2. 天津仁愛學(xué)院, 天津 301636; 3. 國家海洋信息中心, 天津 300171)

為了使臺風(fēng)路徑的數(shù)值預(yù)報更加精確, 本文對人造(Bogus)渦旋構(gòu)建方案進(jìn)行了改進(jìn), 形成了一種新的Bogus方案。該方案直接采用臺風(fēng)外圍的風(fēng)圈觀測信息, 并成功地植入到WRF(weather research and forecasting)模式中。本文利用該方案, 選取2011年9號臺風(fēng)“梅花”這一典型案例展開討論, 結(jié)果表明: 1) 新構(gòu)造的臺風(fēng)切向風(fēng)廓線更加真實地反映了臺風(fēng)風(fēng)場的實際情況; 2) 新的Bogus方案對臺風(fēng)中心位置的預(yù)報, 更有利于對臺風(fēng)路徑的預(yù)報; 3) 臺風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場強(qiáng)度, 對其非對稱結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵的作用, 直接影響對臺風(fēng)路徑的預(yù)報。

臺風(fēng); 切向風(fēng)廓線; WRF模式; 數(shù)值模擬

臺風(fēng)是地球上最具毀滅性的自然災(zāi)害之一[1]。如何使臺風(fēng)路徑的預(yù)報更加精確, 一直以來是學(xué)者們研究的重要問題。Stuart等[2]從的理論和實踐兩方面指出, 臺風(fēng)路徑的預(yù)報不僅需要對以往臺風(fēng)特征的統(tǒng)計分析, 更依賴于客觀化的數(shù)值預(yù)報。

大氣是一個對初值敏感、高度非線性的動力系統(tǒng), 這一特征決定了初始場的質(zhì)量對數(shù)值預(yù)報效果有明顯作用[3], 同時在弱的環(huán)境場中, 臺風(fēng)內(nèi)部動力和熱力結(jié)構(gòu)對自身發(fā)展和運(yùn)動具有重要影響[4-5], 因此如何確定合理的臺風(fēng)初始場結(jié)構(gòu)是臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報最具挑戰(zhàn)性的問題之一[6]。初始場包含的大量臺風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息, 可以用于改進(jìn)臺風(fēng)路徑的預(yù)報[7]。然而海上觀測資料的稀缺, 導(dǎo)致對臺風(fēng)內(nèi)核和外圍結(jié)構(gòu)特征刻畫不夠準(zhǔn)確, 給數(shù)值天氣預(yù)報中初始場模型的構(gòu)造帶來重大的挑戰(zhàn)[8]。尤其是初始場中偏弱的臺風(fēng)強(qiáng)度及錯誤定位[9], 會影響之后內(nèi)核結(jié)構(gòu)的演變[10],嚴(yán)重制約了臺風(fēng)的預(yù)報水平[11]。因此, 為了給數(shù)值預(yù)報模式提供一個更接近實際的渦旋初始場, 應(yīng)重點改進(jìn)渦旋初始化技術(shù)[12]。

基于臺風(fēng)渦旋的觀測資料和模式背景場資料, 臺風(fēng)渦旋初始化技術(shù)能夠形成更符合觀測事實的數(shù)值模式初始場。Bogus作為渦旋初始化的關(guān)鍵技術(shù), 人為地在模式初始場中加入一個能反映實況的臺風(fēng)渦旋, 是一種重塑臺風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效方法, 對提高臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報水平至關(guān)重要。Bogus的構(gòu)造包括2步[13]: 1) 背景場渦旋的檢測和去除, 修正渦度、地轉(zhuǎn)渦度和散度, 然后分別求解非發(fā)散流函數(shù)的變化以及位勢和速度勢, 計算出一個修正的速度場; 2) Bogus渦旋的構(gòu)造和添加, 首先綜合考慮氣旋的幾個關(guān)鍵因素, 利用梯度風(fēng)平衡或者經(jīng)驗的臺風(fēng)風(fēng)廓線分布構(gòu)造Bogus渦旋模型, 再通過求解動力平衡方程、插值或變分同化方法, 最終將Bogus渦旋植入到模式初始分析場中。研究指出, 臺風(fēng)位置、強(qiáng)度和尺度這些有限的觀測資料, 是構(gòu)造Bogus的關(guān)鍵因素[9]。利用這些觀測資料, 構(gòu)造更接近實際的Bogus渦旋的方法主要有2種。一是通過給定中心氣壓, 利用梯度風(fēng)關(guān)系從氣壓中得到Bogus的風(fēng)場結(jié)構(gòu)[14], 但實際大氣中, 相同強(qiáng)度的臺風(fēng), 可能具有完全不同的切向風(fēng)廓線; 二是用渦旋的切向風(fēng)廓線, 直接構(gòu)造Bogus風(fēng)場結(jié)構(gòu)[15]。很多研究表明, 臺風(fēng)外圍風(fēng)場結(jié)構(gòu)較其強(qiáng)度對臺風(fēng)路徑預(yù)報的影響更為顯著[16-17]。張紅華等[18]通過同化有限的測風(fēng)塔和風(fēng)廓線雷達(dá)資料, 進(jìn)一步證明, 臺風(fēng)切向風(fēng)廓線結(jié)構(gòu)是影響B(tài)ogus渦旋的重要因素。因此, 如何利用更多的風(fēng)圈信息, 構(gòu)造更接近實況的臺風(fēng)切向風(fēng)廓線結(jié)構(gòu), 是構(gòu)造Bogus模型應(yīng)考慮的關(guān)鍵問題。

為了更加全面地考慮臺風(fēng)風(fēng)圈信息, 本文基于Gao等[19]的研究, 參考Low-Nam等[13]和孟智勇等[20]提出的臺風(fēng)Bogus方案, 構(gòu)造出一種新的臺風(fēng)切向風(fēng)廓線方程, 實現(xiàn)了兩種方案的完整融合。然后將這種新的Bogus渦旋植入到WRF模式中, 并開展了大量的試驗以驗證該方案的可行性和有效性, 最終選取2011年9號臺風(fēng)“梅花”的模式數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與討論。

1 數(shù)據(jù)

本文采用了FNL(final operational global analysis)和CFSR(climate forecast system reanalysis)大氣再分析資料, GOOS(global ocean observing system)海溫資料、WMO(world meteorological organization)提供的臺風(fēng)最佳路徑資料以及GTS(global telecommunications system)數(shù)據(jù)。具體應(yīng)用方式如下:

1) WRF(The Weather Research and Forecasting Model)數(shù)值模擬采用FNL再分析資料(空間分辨率為1°×1°; 時間間隔為6 h)提供初始背景場與時變側(cè)邊界, GOOS海溫資料(時間間隔為1 d)提供底邊界。

2) 臺風(fēng)Bogus渦旋的構(gòu)造采用日本氣象廳發(fā)布的臺風(fēng)觀測數(shù)據(jù), 包括模擬初始時刻的臺風(fēng)位置最大風(fēng)速圈、15.4 m/s和25.7 m/s風(fēng)圈的風(fēng)速(相當(dāng)于7級和10級風(fēng))及半徑信息。

3) 采用WMO最佳路徑資料和NCEP(national centers for environmental prediction)的CFSR(coupled forecast system reanalysis)再分析資料(空間分辨率為0.5°×0.5°; 時間間隔為6 h), 反映臺風(fēng)過程實況[21]。

4) 數(shù)值試驗采用3DVAR(three-dimensional va-ria-tional data assimilation)方法同化了GTS數(shù)據(jù)。

2 方法

2.1 數(shù)值模式

本文選用WRF-Version 3.4.1開展數(shù)值試驗。WRF是由NCAR(national center for atmospheric research)和NCEP共同開發(fā)的, 集數(shù)據(jù)同化、大氣模擬、數(shù)值預(yù)報為一體, 用來滿足業(yè)務(wù)化預(yù)報和氣象研究需求的一種完全可壓的非靜力模式[22]。其水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格, 垂直方向采用地形跟隨質(zhì)量坐標(biāo), 時間積分方面采用高階的Runge-Kutta算法, 并采用經(jīng)過改進(jìn)的物理過程參數(shù)化方案, 是提高不同尺度重要天氣特征預(yù)報水平的重要工具。

2.2 Bogus方案簡介

Low-Nam等[13]為NCAR-AFWA(air force weather agency)提出的Bogus方案, 作為WRF模式中原有的Bogus方案, 采用的是較為簡單的函數(shù):

其中,low-nam()是切向風(fēng)速,是離臺風(fēng)中心的距離,max與max分別是臺風(fēng)觀測報中最大風(fēng)速與最大風(fēng)速半徑。當(dāng)max與max給定, 則=max以外廓線形狀由決定。根據(jù)已有研究[23],值的變動范圍在–0.5～–0.75。

根據(jù)Corbosiero等[24]定義, 臺風(fēng)內(nèi)核包括眼區(qū)、眼壁區(qū)和內(nèi)螺旋雨帶, 通常指距臺風(fēng)中心100 km以內(nèi)的范圍。由于式(1)考慮到了最大風(fēng)圈的實測值, 該方案在臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)域給出的結(jié)果較為理想[19]; 然而, 實際中臺風(fēng)的運(yùn)動與臺風(fēng)的中心強(qiáng)度關(guān)系不大, 卻對臺風(fēng)外圍風(fēng)廓線結(jié)構(gòu)十分敏感[25], 即中心強(qiáng)度相近的臺風(fēng)可以具有顯著不同的外圍結(jié)構(gòu)[26], 因此式(1)給出的臺風(fēng)外圍風(fēng)廓線結(jié)構(gòu)可能并不理想。

孟智勇等[20]考慮臺風(fēng)的外圍風(fēng)場結(jié)構(gòu), 參考Chan等[15]提出的下列切向風(fēng)廓線形式:

其中,是一個指數(shù)因子, 與式(1)中類似, 其他量和式(1)具有相同定義。

當(dāng)max′和max′給定后, 因子決定臺風(fēng)外風(fēng)廓線結(jié)構(gòu)。如果臺風(fēng)觀測值有最大風(fēng)速圈以外任意2個風(fēng)速圈的風(fēng)速和半徑信息(孟智勇等[20]采用臺風(fēng)7級和10級風(fēng)圈風(fēng)速和半徑觀測信息), 那么就可以確定參數(shù)的值[20]。由于考慮到了臺風(fēng)外圍更多的觀測信息, 式(2)對臺風(fēng)外圍的風(fēng)場結(jié)構(gòu)刻畫得更加準(zhǔn)確。然而, 該方案并沒有考慮到max和max的實測值, 解得的最大風(fēng)圈速度值通常比觀測值要小, 記為max′, 解得的最大風(fēng)圈半徑記為max′。然而, 較小的max′值會導(dǎo)致初始場中氣旋變?nèi)? 直接影響臺風(fēng)的模擬結(jié)果。

為了同時考慮到臺風(fēng)內(nèi)核和外圍的風(fēng)圈信息, Gao等[19]構(gòu)造了式(3)所示的臺風(fēng)切向風(fēng)廓線結(jié)構(gòu), 找到了以上2種切向風(fēng)廓線的交點, 對應(yīng)半徑為Rc, 在Rc范圍以內(nèi)的臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)域, 保留式(1)的臺風(fēng)內(nèi)核切向風(fēng)廓線結(jié)構(gòu), 在Rc范圍以外的臺風(fēng)外圍區(qū)域, 通過計算式(1)和式(2)風(fēng)速的平均值得到臺風(fēng)外圍的切向風(fēng)廓線結(jié)構(gòu)。該方案融合了式(1)和式(2)兩種方案, 構(gòu)造出更接近實況的風(fēng)場結(jié)構(gòu), 數(shù)值模擬結(jié)果顯示對臺風(fēng)路徑的預(yù)報有明顯的改善。雖然該方案使式(1)在交點半徑范圍以外的外圍風(fēng)廓線向?qū)崪y結(jié)果更加靠近, 但并沒有像式(2)直接采用7級和10級風(fēng)速圈的觀測值, 導(dǎo)致該方案外圍風(fēng)廓線與實際測得的7級和10級風(fēng)速圈的觀測值并不完全吻合; 另外該方案也存在少數(shù)無法構(gòu)造的情況, 如圖1(a)所示, 當(dāng)Vmax′>Vmax時, Rc不存在。

注: 圖1(a)存在方案1和方案2的交點, 修改自Gao等(2005); 圖1(b)交點不存在

2.3 Bogus方案構(gòu)造

圖1(a)和圖1(b)分別給出了式(1)和式(2)相交和不相交的兩種情況, 其中點代表最大風(fēng)圈觀測值(max,max), 點和點分別代表10級和7級風(fēng)圈半徑和速度觀測值(50,50)和(30,30)。將式(1)和式(2)交點記為, 對應(yīng)半徑c即為1()–chan()=0處距臺風(fēng)中心的距離。

圖1中, 式(1)在臺風(fēng)內(nèi)核經(jīng)過點, 臺風(fēng)外圍結(jié)構(gòu)由線1給出, 記作方案1; 式(2)在臺風(fēng)內(nèi)核不經(jīng)過點, 在臺風(fēng)外圍同時經(jīng)過點和點, 由線2給出, 記作方案2; 式(3)由式(1)和式(2)的切向風(fēng)廓線相交得到, 在臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)域采用方案1, 經(jīng)過點, 在臺風(fēng)外圍區(qū)域采用方案1和方案2的平均, 由線3給出, 記作方案3; 在臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)域采用方案1, 經(jīng)過點, 臺風(fēng)外圍直接采用方案2, 經(jīng)過點和點, 本文將這種新構(gòu)造的Bogus切向風(fēng)廓線記作方案4。圖2(a)—(d)分別顯示了方案1—4這4種Bogus方案在數(shù)值模式中的10 m高度初始風(fēng)場形態(tài), 其中淺色陰影區(qū)域風(fēng)速在7級和10級風(fēng)速之間, 深色陰影區(qū)域風(fēng)速大于10級風(fēng)速。

由圖2可見方案1、3和4中心有深色陰影區(qū), 而方案2的臺風(fēng)中心無陰影, 內(nèi)核結(jié)構(gòu)顯著不同,可知方案1、3和4的風(fēng)場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于方案2, 與圖1(a)中各方案在小于c區(qū)域的切向風(fēng)廓線構(gòu)造一致; 方案1、3和4主要區(qū)別在臺風(fēng)外圍風(fēng)場結(jié)構(gòu), 方案4陰影區(qū)面積最大, 表示方案4風(fēng)場最強(qiáng), 與圖1(a)中各方案在大于c區(qū)域的切向風(fēng)廓線構(gòu)造一致。方案4通過明確變量的取值范圍, 解決了方案3中交點c可能不存在的問題, 將方案1和方案2完整地融合在一起。首先假設(shè)c存在, 根據(jù)陳聯(lián)壽等[27]對臺風(fēng)外區(qū)以及Gao等[19]對c的取值范圍, 取maxc10max。方案4在c的臺風(fēng)內(nèi)核采用方案1, 在≥c的臺風(fēng)外圍直接采用方案2, 由線2給出。由圖1可知, 方案4所構(gòu)造的Bogus模型同時經(jīng)過點、和這3個觀測點, 不僅在臺風(fēng)中心附近保留了實際的風(fēng)場強(qiáng)度, 又在臺風(fēng)外圍構(gòu)造出與實際觀測更為一致的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

同時方案4的函數(shù)表達(dá)形式為:

綜上, 需要對c進(jìn)行討論。當(dāng)≥max時, 根據(jù)式(1)和式(4)可得:

化簡為:

式(8)為超越方程, 無法直接獲得解的信息。

因此, 可構(gòu)造出新的臺風(fēng)Bogus切向風(fēng)廓線方程(方案4):

3 試驗設(shè)計

3.1 研究個例

2011年9號臺風(fēng)“梅花”生成于菲律賓以東洋面, 8月3日經(jīng)過黑潮區(qū)域并達(dá)到超強(qiáng)臺風(fēng)級別, 5日從我國南海逐漸轉(zhuǎn)向西北方向進(jìn)入東海南部, 并于8月8日18時在朝鮮西北部沿海登陸,減弱消亡, 期間維持長達(dá)97 h。圖3是臺風(fēng)“梅花”8月3日06時刻衛(wèi)星云圖。此時臺風(fēng)螺旋結(jié)構(gòu)完整, 臺風(fēng)中心附近云系緊密, 臺風(fēng)眼清晰可見, 臺風(fēng)中心軸豎直向上?！懊坊ā弊陨梢詠硪扑賰H為10～15 km/h, 遠(yuǎn)小于該海域臺風(fēng)的平均移速20 km/h, 由此, 臺風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)對其路徑預(yù)報的影響更為顯著。

圖3 WRF模擬區(qū)域示意圖和2011年8月3日06 UTC的日本MTSAT云圖

注: 云圖資料取自http://weather.is.kochi-u.ac.jp/sat/gms.sea, 背景地形圖資料取自https://www.gebco.net/

本文針對臺風(fēng)“梅花”, 分別采用4種不同的Bogus方案, 展開數(shù)值模擬并討論。

3.2 試驗設(shè)置

模式區(qū)域選取92oE～155oE, 10oN～64oN(圖3), 模擬時間開始于2011年8月3日00 UTC, 結(jié)束于7日06 UTC, 共計時長102 h, 模式分辨率為18 km, 具體參數(shù)設(shè)置見表1。

試驗采用3DVAR方法同化GTS數(shù)據(jù), 同時提供了包括模擬時段在內(nèi)的10 d的CV5背景誤差[34], 由NMC(national meteorology center)的SSI(spectral statistical interpretation)方法生成。經(jīng)多次對比試驗, 選取MYNN邊界層方案、積云對流KF方案, 水平分辨率18 km、垂直44層, 積分時間步長30 s, 并在數(shù)據(jù)同化前后分別進(jìn)行了2次DFI (digital-filter initia-li-zation)動力調(diào)整。

將初始場的臺風(fēng)位置、最大風(fēng)圈風(fēng)速及半徑、7級和10級風(fēng)圈信息代入式(1—11)中進(jìn)行計算, 可以得到Bogus模型設(shè)置的各個重要參數(shù), 如表2所示。

表1 WRF模式設(shè)置

表2 Bogus參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表2提供的參數(shù)設(shè)置, 圖4給出了本文所采用的臺風(fēng)“梅花”的4種切向風(fēng)廓線結(jié)構(gòu)。其中,c以內(nèi)經(jīng)過點,c以外用線1表示, 為方案1;c以內(nèi)不經(jīng)過點,c以外用線2表示, 為方案2;c以內(nèi)經(jīng)過點,c以外用線3表示, 為方案3; 用紅色實線標(biāo)出的切向風(fēng)廓線結(jié)構(gòu), 為本文新構(gòu)造的Bogus方案, 即為方案4。

4 結(jié)果與分析

以模擬6 h及模擬30 h的500 hPa等位勢高度場為例(圖5), 圖5(a)和圖5(b)為臺風(fēng)實況, 圖5(c)和圖5(d)為加入了新構(gòu)造的Bogus渦旋后的模擬初始場和結(jié)果。

由圖5可知, 模擬結(jié)果的500 hPa高空槽位置與實況一致, 等值線數(shù)值相當(dāng), 且臺風(fēng)均向槽前移動; 副高5 880 hPa等值線均逐漸西伸, 呈東西向, 導(dǎo)致臺風(fēng)在2011年8月3日06 UTC至2011年8月4日06 UTC共24 h期間以西行為主。由于500 hPa高空引導(dǎo)氣流的模擬結(jié)果與臺風(fēng)實況一致, 本文模擬結(jié)果可信。圖6給出了觀測(紫色)及4種Bogus方案的路徑模擬結(jié)果。

圖4 臺風(fēng)“梅花”的4種Bogus方案切向風(fēng)廓線

注: 方案1:c以內(nèi)經(jīng)過點,c以外用線1表示; 方案2:c以內(nèi)不經(jīng)過點D,c以外經(jīng)過點和點, 用線2表示; 方案3:c以內(nèi)經(jīng)過點,c以外取方案1和方案2速度的平均值, 用線3表示; 方案4:c以內(nèi)經(jīng)過點,c以外與方案2一致, 方案4為新構(gòu)造的Bogus切向風(fēng)廓線方案, 用紅色實線表示

圖6給出的模擬結(jié)果顯示, 方案2的路徑并不平滑, 向東北、東南象限擺動前行, 而方案1、3和4的路徑較方案2更接近實況, 普遍向西北象限移動, 逐漸加快。由這4種Bogus方案不同的風(fēng)廓線方程可知, 方案2與方案1、3、4在臺風(fēng)內(nèi)核的切向風(fēng)廓線不同, 造成了方案2與方案1、3、4路徑的明顯差異。因此, 臺風(fēng)路徑對臺風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場結(jié)構(gòu)十分敏感。

利用平均偏差, 對比不同方案對臺風(fēng)路徑的模擬結(jié)果。用表示模式輸出值,表示觀測值,

本文分別用臺風(fēng)位置在總體上的偏差[() –()], 來體現(xiàn)臺風(fēng)路徑的預(yù)報偏差。

圖5 500 hPa等位勢高度場(單位: gpm)

注: 臺風(fēng)實況資料取自NCEP的CFSR數(shù)據(jù)

圖6 4種Bogus方案路徑

注: 紫色為觀測路徑, 其他顏色為加入了不同Bogus渦旋后的模擬路徑

圖7 總距離(a)和經(jīng)向距離(b)的平均偏離程度隨時間變化

注: 藍(lán)色代表方案1, 綠色代表方案3, 紅色代表方案4

為了更清楚地體現(xiàn)方案4的模擬效果, 定義式(13):

其中,c(x)是方案4的x較其他方案()提高的百分比。下標(biāo)scheme依次代表方案1和3。

表3 方案4各時刻的Pc(s)

按照式(12)—(14), 表4給出了方案4對方案1、3的Ac(x)。其中,Ac()和Ac()分別描述了方案4路徑的模擬效果。

表4 方案4在全部預(yù)報時段上的APc(xT)

由表4, 方案1的Ac全部為正, 且數(shù)值很大, 其Ac()百分比數(shù)值是方案3的近3倍, 由于計算結(jié)果全部為正, 方案4預(yù)報效果最優(yōu)。分析可知, 方案4在南北方向上位置的預(yù)報比方案1改善13.72%, 比方案3改善12.53%, 在東西方向上位置的預(yù)報比方案1改善26.19%, 臺風(fēng)移動速度的模擬效果比方案1改善18.34%。而方案4的臺風(fēng)中心位置在總體上的預(yù)報比方案1改善20.86%, 比方案3改善7.47%。由此可見, 模擬結(jié)果在南北、東西方向以及移動速度上的改善, 導(dǎo)致了對方案4位置的預(yù)報在總體上提高最為明顯。

圖8以方案4為例, 給出了初始場的臺風(fēng)結(jié)構(gòu), 圖中等值線表示海平面氣壓, 陰影區(qū)域表示10 m高度風(fēng)速大于7級風(fēng)的大風(fēng)區(qū)域, 臺風(fēng)中心附近灰色最深處代表10 m風(fēng)速大于10級風(fēng)的大風(fēng)區(qū)域。臺風(fēng)中心位置指向最大風(fēng)速位置, 即圖9中氣壓場圓心位置指向深色陰影區(qū)位置所得的方位角(由正北方向順時針旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)方向的角度), 為最大風(fēng)速方位, 表示臺風(fēng)的非對稱性方位; 以連接臺風(fēng)中心位置和臺風(fēng)中心附近最大風(fēng)速位置的直線為軸, 在1 000 hPa閉合等高線范圍內(nèi), 得到軸兩側(cè)的平均10 m風(fēng)場差值, 來衡量臺風(fēng)的非對稱程度[17]。圖9給出了方案1、2、3和4模擬初始場中的臺風(fēng)非對稱性以及非對稱性程度的關(guān)系。

圖8 2011年8月3日06 UTC, 海平面氣壓(藍(lán)色等值線, 單位: hPa)和10 m高度風(fēng)場(色標(biāo), 單位: m/s)

圖9 4種Bogus方案的非對稱性方位及程度

由于初始場的質(zhì)量對數(shù)值預(yù)報效果有明顯影響[3],圖8較為平滑的初始?xì)鈮簣鼋Y(jié)構(gòu), 使得方案4在后期對路徑的預(yù)報有顯著改善。分析圖9可知, 4種Bogus方案的非對稱性方位和非對稱性程度呈正比。其中, 方案2較其他3個方案, 非對稱性方位偏小至80°, 非對稱性程度偏小至0.8 km/h; 而方案1、3、4的非對稱性方位及變化程度十分接近, 分別只有0.3°和0.2 km/h的差異。分析可知, 不同的臺風(fēng)Bogus的內(nèi)核風(fēng)場強(qiáng)度造成方案2與其他3個方案的顯著差距, 而不同的臺風(fēng)Bogus的外圍風(fēng)場結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致方案1、3、4的較小差異。由此可知, 臺風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場強(qiáng)度, 對其非對稱結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵的作用。

5 結(jié)論

本文基于Low-Nam等[13]和孟志勇等[20]提供的臺風(fēng)Bogus方案, 在Gao等[19]的研究基礎(chǔ)上, 構(gòu)造了一種新的Bogus方案, 并將其成功植入WRF模式中。通過對2011年9號臺風(fēng)“梅花”展開一系列數(shù)值試驗, 對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和討論, 得出如下結(jié)論:

1) 新方案融合了Low-Nam等[13]提供的臺風(fēng)內(nèi)核風(fēng)廓線結(jié)構(gòu), 以及Chan等[15]提供的臺風(fēng)外圍風(fēng)廓線結(jié)構(gòu), 更加真實地反映了臺風(fēng)的風(fēng)場實況。

2) 這種新構(gòu)造的臺風(fēng)Bogus渦旋對臺風(fēng)位置的預(yù)報, 較Low-Nam等[13]的Bogus方案改善了20.86%, 相對Gao等[19]的Bogus方案改善了7.47%, 對路徑模擬效果有明顯的改善。因此, 新構(gòu)造的臺風(fēng)Bogus渦旋更利于臺風(fēng)路徑的預(yù)報。

3) 臺風(fēng)內(nèi)核風(fēng)場強(qiáng)度對其非對稱結(jié)構(gòu)起到關(guān)鍵的作用, 其變化直接影響了臺風(fēng)移動路徑。

新構(gòu)造的臺風(fēng)Bogus風(fēng)廓線方案對臺風(fēng)“梅花”強(qiáng)度的預(yù)報效果改善并不明顯。未來將采用更多臺風(fēng)個例對該Bogus方案進(jìn)行驗證, 并選擇適當(dāng)?shù)姆椒? 在初始場中同化臺風(fēng)中心氣壓的觀測值, 進(jìn)一步改善臺風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報效果。

致謝: 感謝中國海洋大學(xué)高山紅教授提供其代碼作為本文研究基礎(chǔ), 并對本文寫作提出了寶貴意見。

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A typhoon Bogus vortex scheme constructed on the Weather Research and Forecasting (WRF) model

WU Yun-fan1, BIAN Xu2, WU Bao-qin1, ZHU Xian-de1, WANG Feng-fan3

(1. Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting, Tianjin 300061, China; 2. Tianjin Renai College, Tianjin 301636, China; 3. National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171, China)

To improve the accuracy of a typhoon track numerical prediction, a new Bogus vortex scheme is proposed. In this new Bogus scheme, wind observations are adopted to track the typhoons directly. This Bogus scheme is successfully integrated into the weather research and forecasting model. Using this Bogus scheme, Typhoon Muifa, which occurred on September 9, 2011, is selected as a typical case. Firstly, the analysis results show that the typhoon wind field is more exactly reflected by the reconstructed typhoon tangential wind profile. Secondly, the typhoon center location accuracy of the new Bogus scheme is improved by 7.47% compared with the scheme proposed by Gao et al; thus, the new Bogus scheme is more conducive for typhoon track forecasting. Thirdly, the typhoon kernel wind field plays an important role in distinguishing the asymmetric structure of the typhoon, which affects the prediction of the typhoon tracks directly.

typhoon; tangential wind profile; Weather Research and Forecasting (WRF) model; numerical simulation

May 24, 2020

O141.4; P444

A

1000-3096(2021)12-0065-12

10.11759/hykx20200524001

2020-05-24;

2020-10-25

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0301102)

[National Key Research and Development Program, No. 2016YFC0301102]

吳云帆(1991—), 女, 浙江嘉興人, 碩士研究生, 助理工程師, 主要從事海洋氣象論證工作, E-mail: yfwu09@163.com; 邊旭(1985—),通信作者, 博士研究生, 助理研究員, 主要從事海洋氣象數(shù)據(jù)挖掘研究, E-mail: bx332@tju.edu.cn

(本文編輯: 叢培秀)