基于數(shù)值仿真的臺風(fēng)環(huán)境模型生成

程 銳，徐幼平，平 凡，鄧志武

(1. 地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029； 2. 中科院大氣物理研究所，陜西 西安 710054)

1 引言

眾所周知，人類生活的自然環(huán)境包括陸地、海洋、大氣、空間及電磁等諸多要素，具有地域廣、影響因素多及時(shí)間變化快等特征。伴隨基于網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模、分布式、多平臺綜合仿真虛擬環(huán)境的廣泛應(yīng)用，綜合自然環(huán)境仿真逐漸成為系統(tǒng)仿真運(yùn)行的重要支撐。綜合自然環(huán)境仿真從最初主要集中在可視化仿真、地形數(shù)據(jù)庫和動(dòng)態(tài)地形仿真到后來的動(dòng)態(tài)自然環(huán)境仿真，環(huán)境建模、表達(dá)和確認(rèn)技術(shù)業(yè)已成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以美國為首的發(fā)達(dá)國家在環(huán)境仿真領(lǐng)域開展了許多開創(chuàng)性的工作，也一直處于領(lǐng)先地位，如美國國防建模與仿真主計(jì)劃MSMP將提供自然環(huán)境及時(shí)權(quán)威表達(dá)最為主要目標(biāo)之一；其后組織開發(fā)的JSIMS(Joint Simulations)系統(tǒng)主要解決一體化海洋、大氣及綜合環(huán)境建模問題，WARSIM2000(戰(zhàn)士模擬系統(tǒng))中的綜合自然環(huán)境主要提供氣象、地形及煙塵等仿真訓(xùn)練環(huán)境；美新一代半自動(dòng)化兵力(OneSAF)仿真系統(tǒng)具有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物理環(huán)境(主要為天氣、地形、煙、沙和塵)建模及其對仿真行為的影響能力。

近些年，我國綜合自然環(huán)境建模與仿真取得了較大進(jìn)展，其中陸地環(huán)境仿真開展較早，技術(shù)比較成熟。大氣環(huán)境仿真主要是結(jié)合武器平臺開展環(huán)境仿真及其對武器系統(tǒng)影響、構(gòu)建環(huán)境模型方法以及開發(fā)自然環(huán)境仿真數(shù)據(jù)庫及分布式虛擬環(huán)境構(gòu)建等方面的研究。當(dāng)前，大多作戰(zhàn)仿真都考慮了大氣環(huán)境影響，但有的考慮過于簡單，仍以理想大氣或標(biāo)準(zhǔn)大氣為主，有的提供了常規(guī)大氣環(huán)境要素或部分敏感參數(shù)的分布特征，但模型和數(shù)據(jù)的一致性、可重用性及標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，對危險(xiǎn)性天氣系統(tǒng)(如臺風(fēng)、強(qiáng)對流)的建模仿真更是較少開展，這也造成我國大氣環(huán)境建模與仿真系統(tǒng)的有效性、代表性和完整性仍不強(qiáng)，接近真實(shí)條件的戰(zhàn)場自然環(huán)境仿真技術(shù)仍較薄弱。

大氣環(huán)境建模與仿真的主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)、模型和仿真三部分，主要通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真運(yùn)行，其中模型研究需將大氣環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為作戰(zhàn)仿真易用的對象、形式和格式。當(dāng)前，大氣環(huán)境模型提取技術(shù)已成為大氣環(huán)境建模與仿真的重點(diǎn)研究內(nèi)容。本文將結(jié)合物理模式和統(tǒng)計(jì)方法提取臺風(fēng)環(huán)境模型產(chǎn)品。臺風(fēng)典型特征模型將以點(diǎn)、線、面、體等形式構(gòu)成環(huán)境對象，來刻畫臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度、水平與垂直分布、內(nèi)核與外圍結(jié)構(gòu)等特征。

2 臺風(fēng)環(huán)境數(shù)值仿真

當(dāng)前，臺風(fēng)探測資料相對匱乏，要合理提取典型特征模型，需要考慮多種資料源和技術(shù)手段。從臺風(fēng)環(huán)境仿真角度來分析，影響系統(tǒng)仿真的主要環(huán)境要素包括：臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度演變，低層大氣狀態(tài)以及云雨分布和強(qiáng)度。當(dāng)前，臺風(fēng)定位定強(qiáng)可以由衛(wèi)星和雷達(dá)探測得到，可靠性強(qiáng)、精度較高；再分析資料的出現(xiàn)，有力彌補(bǔ)了觀測資料時(shí)空分布不均勻的缺陷，盡管還不能真實(shí)刻畫臺風(fēng)強(qiáng)度演變，但仍然為海洋上空臺風(fēng)分布特征建模提供了重要數(shù)據(jù)支撐；云雨等非常規(guī)要素特征模型提取將主要依賴數(shù)值仿真手段，以模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展建模計(jì)算。

開展臺風(fēng)環(huán)境數(shù)值仿真，數(shù)值模式是其核心，直接決定著環(huán)境仿真的精度和可信度[。當(dāng)前，大多數(shù)臺風(fēng)數(shù)值仿真模式都以中尺度大氣模式為基礎(chǔ)發(fā)展而來，如HWRF(Hurricane Weather Research and Forecasting model)和GRAPES-TC(Global and Regional Assimilation and PrEdiction System Tropical Cyclone model)等。本文以中科院大氣物理研究所和北京應(yīng)用氣象研究所自主開發(fā)的中尺度AREM模式(Advanced Regional Eta-coordinate Model)為基礎(chǔ)發(fā)展臺風(fēng)數(shù)值仿真模式。該模式根據(jù)東亞季風(fēng)區(qū)特殊地理環(huán)境和氣候特征設(shè)計(jì)，動(dòng)力框架易于構(gòu)造出完全能量守恒的時(shí)空差分格式，且在地形處理、水汽輸送及計(jì)算擴(kuò)散處理等方面特點(diǎn)顯著，已成為東亞季風(fēng)區(qū)暴雨等災(zāi)害性天氣模擬和預(yù)報(bào)的較好工具之一。為了更好開展臺風(fēng)數(shù)值仿真，需要對AREM模式進(jìn)行適應(yīng)性發(fā)展，本文提出臺風(fēng)環(huán)境數(shù)值仿真三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

1)云微物理過程描述

很多研究都表明云物理過程對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度有著重要影響，通過調(diào)研分析和模擬試驗(yàn)比較，選用一種在云和中尺度模式中得到廣泛檢驗(yàn)和使用的參數(shù)化方案(Wang云微物理方案)。該物理過程包括6種水物質(zhì)36種云微物理過程，云微物理預(yù)報(bào)變量包括云水、雨水、云冰、雪和霰的混合比。引入該物理過程后，臺風(fēng)結(jié)構(gòu)仿真改進(jìn)明顯。

2)臺風(fēng)渦旋初始化

從易用性和初始化效果綜合考慮，使用蘭金渦旋人造臺風(fēng)構(gòu)造方式實(shí)現(xiàn)臺風(fēng)初始化，從而使臺風(fēng)位置和強(qiáng)度信息接近觀測。該方案主要通過3個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：①從背景場(文中為再分析資料)中去除初始渦旋，②構(gòu)造位置和強(qiáng)度接近實(shí)際的人造渦旋，③與修正的背景場結(jié)合形成模式初值?？紤]臺風(fēng)初始化后，臺風(fēng)強(qiáng)度和路徑仿真改觀顯著。

3)高分辨率數(shù)值仿真

采用高分辨率模式進(jìn)行臺風(fēng)仿真，已經(jīng)成為大家普遍接受的一種觀點(diǎn)。水平區(qū)域嵌套是開展高分辨數(shù)值仿真經(jīng)濟(jì)有效的方法。本文考慮粗細(xì)網(wǎng)格雙重嵌套，粗網(wǎng)格模式使用全球再分析資料進(jìn)行初值和邊值驅(qū)動(dòng)，并為細(xì)網(wǎng)格模式提供側(cè)邊界強(qiáng)迫；當(dāng)前不考慮細(xì)網(wǎng)格對粗網(wǎng)格的反饋效應(yīng)。仿真模式分辨率的調(diào)整，不只是簡單地改變時(shí)步和某些計(jì)算參數(shù)，還需相應(yīng)提高地理數(shù)據(jù)的分辨率、細(xì)化地理數(shù)據(jù)分類特征從而更好匹配仿真模式的精細(xì)化。

經(jīng)過上述三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的發(fā)展，即可采用新發(fā)展的數(shù)值模式來進(jìn)行臺風(fēng)環(huán)境數(shù)值仿真。當(dāng)前，粗細(xì)網(wǎng)格區(qū)域分辨率分別為15km和5km，仿真區(qū)域范圍粗網(wǎng)格0～52°N、76～146°E，細(xì)網(wǎng)格10～40°N、110～140°E；垂直方向從地表至10hPa(～30km)。除云微物理過程外，模式采用非局地行星邊界層參數(shù)化方案進(jìn)行湍流垂直混合計(jì)算，地表通量計(jì)算采用Zeng多層結(jié)通量廓線方案，地表輻射采用Ghan方案計(jì)算。仿真方案確定后，選取了若干典型臺風(fēng)個(gè)例進(jìn)行36h數(shù)值仿真，仿真時(shí)間分辨率為1h。

3 臺風(fēng)環(huán)境特征建模

臺風(fēng)環(huán)境建模主要以數(shù)值仿真和統(tǒng)計(jì)建模方法為主，所用數(shù)據(jù)包括臺風(fēng)年鑒、再分析資料、常規(guī)觀測和臺風(fēng)模擬數(shù)據(jù)等。為了得到典型、有效的臺風(fēng)特征模型，需先進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分型。此處，采用中國氣象局整編的1949-2007年共59年熱帶氣旋年鑒資料，對其歸納的13種臺風(fēng)路徑進(jìn)行適當(dāng)再分析和歸納，得到西北行、西行、轉(zhuǎn)向及復(fù)雜4種路徑類型。通過路徑相似判斷技術(shù)，從2000年至2014年歷史臺風(fēng)個(gè)例中檢索出不同類型臺風(fēng)個(gè)例，形成臺風(fēng)建模數(shù)據(jù)庫。

臺風(fēng)特征建模不同于普通的大氣狀態(tài)(如溫度、濕度和風(fēng)場)及云雨霧等天氣現(xiàn)象的模型提取過程。首先，臺風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)，其內(nèi)核區(qū)域(文中將其定義為距離臺風(fēng)中心1的圓形區(qū)域)與外圍螺旋雨帶(文中將其定義為距離臺風(fēng)中心2～3的環(huán)形區(qū)域)物理要素的差別越明顯，這時(shí)普通的區(qū)域平均可能會失去物理意義；其次，臺風(fēng)處于不停移動(dòng)狀態(tài)，而且軌跡復(fù)雜，要提取其主要特征更有難度；再次，不同臺風(fēng)強(qiáng)度差異很大，且其結(jié)構(gòu)和風(fēng)雨等天氣特征也會有很大不同；最后，臺風(fēng)多發(fā)生、發(fā)展在海上，更多結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和演變特征刻畫要借助于數(shù)值仿真手段?？紤]上述因素，給出臺風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境的建模流程(如圖1所示)。首先讀入臺風(fēng)仿真基本描述信息，主要包括類型(如西北型)和位置，以及仿真初始時(shí)間和仿真區(qū)域范圍等；接下來讀入臺風(fēng)觀測資料、再分析數(shù)據(jù)及數(shù)值仿真結(jié)果；接著確定臺風(fēng)中心；再采用多項(xiàng)式擬合方法確定臺風(fēng)最佳路徑和強(qiáng)度；然后開展臺風(fēng)分布特征和結(jié)構(gòu)特征模型提取，主要包括廓線、水平和垂直結(jié)構(gòu)特征；最后進(jìn)行模型標(biāo)準(zhǔn)化輸出。

圖1 臺風(fēng)環(huán)境建模流程

3.1 臺風(fēng)中心確定

臺風(fēng)中心確定是模型提取的第一步，也是重要一步，路徑、強(qiáng)度、分布以及二三維結(jié)構(gòu)特征提取都以此為基礎(chǔ)。采用海平面低氣壓中心來客觀定位臺風(fēng)中心。考慮到臺風(fēng)較弱時(shí)低氣壓中心可能并不一定是臺風(fēng)中心，故采用初始臺風(fēng)中心追蹤算法保證遍歷搜尋的氣旋中心在臺風(fēng)內(nèi)核有效影響范圍之內(nèi)。

3.2 臺風(fēng)中心路徑和強(qiáng)度模型

臺風(fēng)路徑模型提取采用多項(xiàng)式擬合方法，擬合階數(shù)取為5階，水平方向在緯向取為14個(gè)離散點(diǎn)。主要算法如下：

采用如下5次最小二乘擬合多項(xiàng)式

(1)

式中，,,…,表示擬合多項(xiàng)式系數(shù)，表示某維坐標(biāo)，而是其平均值。

擬合求解時(shí)，先將模擬臺風(fēng)中心位置向量化，為擬合求解做好形式匹配；接下來，利用(1)式擬合求解多項(xiàng)式的6個(gè)系數(shù)；最后，給定一定形式經(jīng)度變化，即可根據(jù)5次最小二乘擬合給出相應(yīng)的緯度變化，進(jìn)而擬合求出臺風(fēng)中心路徑模型。

臺風(fēng)強(qiáng)度模型則根據(jù)距離權(quán)重方法由模擬臺風(fēng)中心近地面最大風(fēng)速或中心海平面氣壓的統(tǒng)計(jì)平均給出。需要說明的是，此處以擬合臺風(fēng)中心與模擬臺風(fēng)中心距離不大于0.5°(～50km)為條件進(jìn)行臺風(fēng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)，最終得到擬合臺風(fēng)中心強(qiáng)度模型。

3.3 臺風(fēng)廓線模型

考慮臺風(fēng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，臺風(fēng)廓線模型主要分為臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)域和外圍螺旋雨帶廓線模型。廓線形式包括平均廓線分布、廓線標(biāo)準(zhǔn)偏差及廓線極值分布3類。在設(shè)計(jì)廓線模型時(shí)，可既考慮臺風(fēng)移動(dòng)特點(diǎn)，又考慮臺風(fēng)強(qiáng)度變化，也就是說，在不同發(fā)展階段也會存在不同的臺風(fēng)廓線特征，如在臺風(fēng)發(fā)展加強(qiáng)和減弱消散階段，其內(nèi)核云場廓線可能完全不同。

3.4 臺風(fēng)結(jié)構(gòu)模型

鑒于臺風(fēng)主要表現(xiàn)為移動(dòng)渦旋特征，此處臺風(fēng)結(jié)構(gòu)模型將主要采用拉格朗日空間微團(tuán)平均方法進(jìn)行提取。使用該方法得到的平均統(tǒng)計(jì)特征可以更好反映伴隨臺風(fēng)移動(dòng)過程中，臺風(fēng)內(nèi)核及外圍螺旋雨帶的平均分布及結(jié)構(gòu)特征。

4 臺風(fēng)環(huán)境模型生成

下面，進(jìn)行臺風(fēng)環(huán)境模型提取。環(huán)境模型采用點(diǎn)、線、面的方式體現(xiàn)，模型對象包括臺風(fēng)路徑與強(qiáng)度、水平與垂直分布以及結(jié)構(gòu)特征模型。模型產(chǎn)品采用SEDRIS(Synthetic Environmental Data Representation and Interchange Specification)簡化的“數(shù)據(jù)柱”形式規(guī)范化存儲于文件中，該格式既適用于大氣環(huán)境數(shù)據(jù)特點(diǎn)，同時(shí)也方便與作戰(zhàn)環(huán)境數(shù)據(jù)格式相互轉(zhuǎn)換。限于篇幅，此處針對西型、西北型、轉(zhuǎn)向型和復(fù)雜型四類臺風(fēng)提取了基本要素場分布特征模型，并針對西北型臺風(fēng)詳細(xì)分析了路徑、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的典型特征。

4.1 基本要素場分布特征模型

4.1.1 水平分布模型

主要利用CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)進(jìn)行基本要素場建模。該資料集為全球再分析資料，水平分辨率0.5°×0.5°，每天4個(gè)時(shí)次，主要包括地表和大氣變量。由于大氣場分布在等壓面，需要對其進(jìn)行垂直內(nèi)插，得到等高面分析數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)近地面風(fēng)場確定臺風(fēng)中心。接下來，將不同時(shí)次臺風(fēng)中心進(jìn)行重置匹配，使它們彼此重合，相當(dāng)于把多個(gè)臺風(fēng)中心串在一條直線上。最后進(jìn)行微團(tuán)統(tǒng)計(jì)平均，得到特征模型。首先分析風(fēng)場分布(圖2)。不難看出，除轉(zhuǎn)向型臺風(fēng)渦旋氣流呈圓形分布外(圓心位于最大風(fēng)速核左側(cè))，其它三型都為橢圓形分布結(jié)構(gòu)(橢圓長軸均為西南-東北向)。西型、西北型、轉(zhuǎn)向和復(fù)雜型近臺風(fēng)中心最大風(fēng)速核分別在臺風(fēng)中心北部、東北部、東南部和東部；風(fēng)速最強(qiáng)為復(fù)雜型，最弱為西北型；另外，西北型臺風(fēng)中心和最大風(fēng)速核相距最遠(yuǎn)，復(fù)雜型臺風(fēng)中心與最大風(fēng)速核相聚最近。

再來看5000m高度氣壓場和溫度場形勢(圖略)，可以看到，對于不同型氣壓場分布，臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)域都表現(xiàn)為圓形低壓結(jié)構(gòu)，復(fù)雜型中心強(qiáng)度最強(qiáng)，西北型強(qiáng)度最弱。遠(yuǎn)離臺風(fēng)內(nèi)核，西北型臺風(fēng)呈現(xiàn)向西南方向拉伸分布形態(tài)，外圍逐漸形成橢圓結(jié)構(gòu)；西型和轉(zhuǎn)向型臺風(fēng)外圍形態(tài)變化不大，但低壓區(qū)分別向西南、西北方向伸展。不同型臺風(fēng)內(nèi)核都表現(xiàn)為暖心結(jié)構(gòu)，西北型暖區(qū)范圍最大，復(fù)雜型暖區(qū)范圍最小。西型和西北型臺風(fēng)移行后方是冷區(qū)，暖區(qū)伸展方向與臺風(fēng)移向基本相同；轉(zhuǎn)向型和復(fù)雜型臺風(fēng)位于溫度梯度較大區(qū)域南側(cè)，前者梯度更強(qiáng)。

圖2 不同型臺風(fēng)5000m高度風(fēng)場模型(單位：%)

4.1.2 垂直分布模型

此處，著重分析1.5km以下(行星邊界層以內(nèi))臺風(fēng)垂直分布形勢。從圖3發(fā)現(xiàn)，四型臺風(fēng)的近臺風(fēng)中心都表現(xiàn)為弱風(fēng)速；強(qiáng)風(fēng)速分布并不對稱，而是在臺風(fēng)東部更加明顯；從低至邊界層頂，各型臺風(fēng)風(fēng)速逐漸增強(qiáng)，其中復(fù)雜型臺風(fēng)風(fēng)速最強(qiáng)(～20m/s)，西北型最弱(～16.5m/s)，西型和轉(zhuǎn)向型介于兩者之間。從氣壓場和溫度場的垂直剖面(圖略)可以發(fā)現(xiàn)，不同型臺風(fēng)氣壓分布基本類似，整個(gè)邊界層都表現(xiàn)為臺風(fēng)內(nèi)核低氣壓、外圍高氣壓的特征；但復(fù)雜型臺風(fēng)內(nèi)核附近氣壓梯度最強(qiáng)，西行和轉(zhuǎn)向型居中，西北型最弱。在邊界層以內(nèi)存在溫度地槽結(jié)構(gòu)，其中西型臺風(fēng)中心位于溫度槽后，西北型位于槽線附近，轉(zhuǎn)向型和復(fù)雜型位于槽前；西型和西北型臺風(fēng)整體更“暖”，轉(zhuǎn)向型和復(fù)雜型表現(xiàn)更“冷”態(tài)勢。

圖3 不同型臺風(fēng)過臺風(fēng)中心風(fēng)速剖面模型(單位：m/s)，黑色實(shí)線表示最強(qiáng)風(fēng)速

4.2 西北型臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特征建模

4.2.1 臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度模型

首先分析西北型臺風(fēng)擬合路徑模型。圖4是根據(jù)多項(xiàng)式擬合方法得到的西北型臺風(fēng)擬合路徑，圖中選取了14個(gè)位置點(diǎn)進(jìn)行擬合分析，擬合位置點(diǎn)附近的數(shù)字表示擬合路徑某點(diǎn)周圍150km范圍內(nèi)出現(xiàn)西北型臺風(fēng)的平均概率?？梢钥闯?，擬合臺風(fēng)基本為西北移行，尤其是在登陸之前非常明顯；臺風(fēng)登陸后路徑存在向西南方向轉(zhuǎn)向的特征。另外，該型臺風(fēng)有兩次登陸過程，一次經(jīng)過西北太平洋在臺灣島東南部，一次經(jīng)過臺灣海峽在東南沿海地區(qū)。從該型臺風(fēng)平均概率發(fā)現(xiàn)，接近一半擬合位置點(diǎn)的西北型臺風(fēng)發(fā)生概率在50%或以上，且分布在臺風(fēng)發(fā)展演變的不同階段。這說明，多項(xiàng)式擬合臺風(fēng)路徑能夠反映出西北太平洋西北型臺風(fēng)的主要路徑特征。下面，可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特征模型提取與分析。

圖4 西北型臺風(fēng)擬合路徑

圖5 西北型臺風(fēng)擬合海平面氣壓

接下來分析臺風(fēng)海平面氣壓擬合模型。海平面氣壓表示海平面至大氣層頂之間氣柱的質(zhì)量。要注意此處不是某個(gè)臺風(fēng)移行過程中中心海平面氣壓隨時(shí)間演變，而表示西北型擬合路徑不同位置點(diǎn)對應(yīng)的海平面氣壓變化。從圖5可以看出，臺風(fēng)從東南向西北移行發(fā)展過程中，氣壓從1000hPa逐漸減小，并在119E～128E和18N～24N之間區(qū)域氣壓最低(強(qiáng)度最強(qiáng)約950hPa)；該區(qū)域主要覆蓋臺灣海峽以及臺灣島東部海域。臺風(fēng)經(jīng)過該區(qū)域后，氣壓逐漸增大(臺風(fēng)變?nèi)?。需要注意的是，臺風(fēng)登陸之后，存在變性增強(qiáng)過程，之后才減弱。

臺風(fēng)強(qiáng)度特征還可以使用近臺風(fēng)中心海面風(fēng)速來表征(見圖6)?？梢钥吹?，在119E～128E和18N～24N之間區(qū)域，海面風(fēng)速最強(qiáng)(～40m/s)；在(115E、25N)附近，伴隨臺風(fēng)轉(zhuǎn)向西南移行，存在明顯變性增強(qiáng)過程。另外發(fā)現(xiàn)，該型臺風(fēng)發(fā)展演變過程中，7級風(fēng)(>13.9m/s)幾乎覆蓋所有擬合路徑位置點(diǎn)，大部分位置點(diǎn)風(fēng)速在7級和10級風(fēng)之間。

圖6 西北型臺風(fēng)擬合海面風(fēng)速(單位：m/s)

4.2.2 臺風(fēng)廓線模型

本節(jié)分析臺風(fēng)云粒子廓線模型特征。需要說明的是，此處利用經(jīng)過檢驗(yàn)的數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行特征模型提取。由于云探測資料分布和數(shù)量的限制，只有個(gè)別臺風(fēng)(如2004年“云娜”)進(jìn)行了云模擬驗(yàn)證，其它個(gè)例則以路徑、強(qiáng)度、基本要素場檢驗(yàn)為主。對經(jīng)過檢驗(yàn)的個(gè)例，將不同時(shí)次模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行微團(tuán)追蹤和統(tǒng)計(jì)建模，得到西北型臺風(fēng)內(nèi)核和外圍雨帶的云粒子廓線分布(見圖7所示)。另外，在此只對近臺風(fēng)中心海面風(fēng)速在10級風(fēng)以上的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，得到較強(qiáng)臺風(fēng)的典型云粒子結(jié)構(gòu)。

整體來看，內(nèi)核和外圍雨帶臺風(fēng)云粒子廓線都具有單峰特征，后者更加明顯；對于外圍雨帶，平均、峰值云粒子含量及其偏差的最大值都出現(xiàn)在10km附近，最大分別約為0.2g/kg、18g/kg和0.3g/kg。另外不難發(fā)現(xiàn)，外圍雨帶云粒子的偏差始終大于平均值，說明該區(qū)域云粒子強(qiáng)度分布極不均勻。

對于臺風(fēng)內(nèi)核而言，云粒子峰值、平均值和偏差出現(xiàn)高度差異較大，分別在17km、9km和8km附近達(dá)到最大值15g/kg、1.2g/kg、1.3g/kg?？梢园l(fā)現(xiàn)，內(nèi)核比外圍雨帶云粒子峰值強(qiáng)度弱，但平均強(qiáng)度強(qiáng)。

圖7 西北型臺風(fēng)外圍雨帶廓線(單位：g/kg)

4.2.3 臺風(fēng)二維模型

接下來分析臺風(fēng)速度場水平分布和垂直剖面結(jié)構(gòu)(如圖8)。垂直運(yùn)動(dòng)是刻畫臺風(fēng)特征的典型物理量，但其仍不可直接觀測。在此，利用經(jīng)過檢驗(yàn)的數(shù)值仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)建模?？梢园l(fā)現(xiàn)，在距離臺風(fēng)中心100km的內(nèi)核區(qū)域以強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)為主，而外圍雨帶則以弱上升、下沉氣流交錯(cuò)分布為主，近臺風(fēng)中心垂直運(yùn)動(dòng)最弱。另外，臺風(fēng)垂直氣流分布極不均勻，最強(qiáng)上升氣流在臺風(fēng)內(nèi)核下部，而最強(qiáng)下沉氣流出現(xiàn)在臺風(fēng)內(nèi)核左上部，其強(qiáng)度分別達(dá)到6m/s、-2m/s。

再來看水平風(fēng)速分布。海面風(fēng)速的分布呈現(xiàn)明顯的氣旋式入流結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)速集中在臺風(fēng)內(nèi)核附近區(qū)域，最強(qiáng)達(dá)到40m/s以上；近臺風(fēng)中心風(fēng)速最弱。水平風(fēng)場的分布也具有強(qiáng)不均勻特征，強(qiáng)風(fēng)速區(qū)主要分布在臺風(fēng)中心右側(cè)。

最后，再來分析垂直運(yùn)動(dòng)的緯向和經(jīng)向垂直剖面結(jié)構(gòu)。不難發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)的垂直氣流呈現(xiàn)明顯的垂向柱狀結(jié)構(gòu)，在距離臺風(fēng)中心100km附近區(qū)域存在最強(qiáng)上升氣流，像兩堵墻(也稱為云墻)將臺風(fēng)中心附近弱下沉氣流和外圍弱上升、下沉氣流分開。云墻處強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)主要分布在10km以上，集中在臺風(fēng)中心西南方(左下側(cè))。另外，緯向剖面比起經(jīng)向剖面，云墻隨高度向臺風(fēng)外圍傾斜更加明顯。

圖8 西北型臺風(fēng)速度場水平分布和垂直剖面結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

本文主要以數(shù)值仿真結(jié)合統(tǒng)計(jì)建模方法，開展西北太平洋和南海海域4類主要臺風(fēng)特征模型提取，重點(diǎn)開展了西北型臺風(fēng)特征建模。主要結(jié)論有：

1)建立了適用于臺風(fēng)模擬的數(shù)值仿真模式，開展了大量數(shù)值試驗(yàn)和檢驗(yàn)，為臺風(fēng)環(huán)境建模奠定了物理模型基礎(chǔ)。

2)鑒于臺風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展演變和分布結(jié)構(gòu)的特殊性，提出先根據(jù)路徑分型，再擬合最佳路徑，最后利用微團(tuán)跟蹤方法進(jìn)行特征模型提取的建模思路。

3)根據(jù)現(xiàn)有資料狀態(tài)開展環(huán)境建模，即從再分析資料出發(fā)進(jìn)行臺風(fēng)環(huán)境基本場數(shù)值建模，從最佳臺風(fēng)路徑資料出發(fā)開展臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度數(shù)值建模，以數(shù)值模擬數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行臺風(fēng)結(jié)構(gòu)數(shù)值建模。

可以看出，大氣環(huán)境模型生成時(shí)將物理模型與統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，可以使樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有物理意義保證，同樣也使物理模型通過大量樣本統(tǒng)計(jì)更能反映典型和總體特征。但由于臺風(fēng)發(fā)展演變的特殊性及探測資料的局限性，本文數(shù)值仿真模型雖經(jīng)過驗(yàn)證，但仿真要素檢驗(yàn)仍不夠全面，有的樣本僅包括基本物理場的檢驗(yàn)。因此，臺風(fēng)環(huán)境典型特征尤其是云雨結(jié)構(gòu)特征建模仍需更多樣本驗(yàn)證。

致謝：本文得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC1507200、2017YFA0604000)、國家自然科學(xué)基金(91637211、61572058)的資助。在本文撰寫過程中，王洋、張碩兩位同事提出許多寶貴建議，并幫助修改論文，在此一并感謝！