區域氣候模式對西北太平洋熱帶氣旋活動模擬能力檢驗

束正淼　(解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101)

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區域氣候模式對西北太平洋熱帶氣旋活動模擬能力檢驗

束正淼(解放軍理工大學氣象海洋學院，江蘇南京 211101)

摘要選取RMIP 第3階段由南京大學提供的3個區域氣候模式模擬結果，將模擬的1980～1999年西北太平洋熱帶氣旋(TC)的活動特征與觀測進行對比，初步檢驗了模式模擬西北太平洋TC活動特征的能力。結果表明，3個模式模擬的TC生成頻數和實況差異均較大，WRF模式和WRF_sn模式的TC生成頻數比觀測分別多53.1%和40.8%，而RegCM3模式比觀測少76.5%；在TC生成地點分布方面， WRF模式對南海TC生成模擬效果較差，WRF_sn模式對西北太平洋3個TC生成大值區均有一定的模擬能力， RegCM3模式的TC生成頻數普遍偏少；WRF模式和WRF_sn模式均能模擬出TC生成頻數的季節變化和年際變化，但模擬的最大TC生成月份分別出現在7和6月，比實際最大生成的8月分別早1～2個月。分析6～10月環境場發現，模擬的TC生成頻數和生成位置空間分布的誤差與季風槽位置、垂直風切變強度等的模擬誤差有關。

關鍵詞RMIP;熱帶氣旋;西北太平洋;區域氣候模式；大尺度環境場

熱帶氣旋(TC)是發生在熱帶洋面上的具有暖心結構的氣旋性環流，它的生成和發展常伴隨著強風和強降水等天氣現象，登陸的TC還會引發洪澇、泥石流等災害。TC在帶來災害的同時，也能將大量的水汽從海洋輸送到陸地，是夏季陸地上重要的水汽來源[1]。此外，TC將大量水物質和能量從熱帶地區裹挾到副熱帶地區，并與副熱帶區域的天氣系統相互作用，這對于不同緯度間大氣物質和能量的交換以及全球天氣氣候的變率也會產生重要的影響[2-3]。西北太平洋(WNP)是世界上TC活動最活躍的海域，且是全球唯一的一年四季都有TC生成和活動的海域[4-5]。對這一海域的TC活動特征的研究不僅有助于東亞、東南亞國家和地區政府制定科學的防御措施，減少生命和財產損失[6-7]，且對天氣和氣候學的發展也十分重要。

區域氣候模式(RCM)是氣候學研究的重要工具，為了對不同RCMs模擬區域氣候產生的不確定性進行定性和定量分析，在亞太觀測網(Asia-Pacific Network,APN)對全球氣候變化研究的支持下，中國科學院啟動了以東亞為中心的亞洲區域氣候模式比較計劃(RMIP，the Regional Climate Model Inter-comparison Project)[8]，參加該計劃的RCMs使用同一種CO2排放方案，驅動場為同一個全球氣候系統(GCM)的模擬結果。RMIP的主要目標是客觀評估比較計劃中各模式對亞洲區域氣候的模擬能力，對亞洲未來氣候進行預估，并研究通過多模式集成分析方法預估未來氣候時產生的不確定性的來源和量級。在RMIP的前2個階段，通過多模式的模擬，評估了RCMs對亞洲季風氣候和極端氣候的模擬能力；在第3階段，構建了基于10個RCMs和3 個GCMs的多模式模擬框架。RMIP第3階段的目標之一就是基于CMIP3中的ECHAM5模式，利用區域模式降尺度技術，對亞洲區域氣候做出可靠的預估。前期的一些研究對比檢驗了RMIP計劃第3階段中RCM和高分辨率GCM對東亞區域氣候的模擬能力，發現參加RMIP計劃第3階段的RCMs對溫度和降水的空間分布模擬優于驅動場ECHAM5的模擬結果，且對溫度的季節變化和降水年循環變化趨勢的模擬也有所改善，但模擬誤差和不確定性仍然是不能克服的問題[9]。Zhong[10]研究表明RCM對西北太平洋TC活動的模擬誤差是東亞區域氣候模擬誤差的重要來源，雖然現階段RCM對TC的活動特征有較好的模擬能力[11-12]，但不同RCM對TC活動特征的模擬存在不確定性。筆者選取南京大學提供的參加RMIP第3階段的3個RCM模擬結果，檢驗各模式模擬西北太平洋TC活動特征的能力，并從與TC生成相關的大尺度環境場分析模式模擬TC活動特征存在誤差的原因，為改進模式模擬效果提供參考依據。

1資料和方法

1.1模式和資料所使用的參加RMIP計劃第3階段的南京大學3個RCM的名稱、動力框架和物理過程信息如表1所示。在RMIP計劃第3階段，模式主要模擬了2個時間段的氣候變化，即近代時間段(1978～2000年)和未來時間段(2038～2070年)。不管是對近代還是未來的氣候模擬，所有模式均進行2年以上的spin-up模擬。在該所選的3個模式均是每3 h輸出一次地面場模擬結果，每6 h輸出一次高空場模擬結果。 采用1980～1999年的模擬結果，研究模式模擬這20年西北太平洋TC活動的能力。3個模式的水平分辨率均是50 km，驅動場均為ECHAM5的模擬結果。由于受模式模擬區域范圍所限，在該研究TC活動所在的西北太平洋海域的地理范圍為100°～160°E、0°～60°N。

該研究用于對照的資料是美國聯合颶風警報中心(JTWC)提供的熱帶氣旋最佳路徑資料，僅對其中達到熱帶風暴強度(最大風速達17.2 m/s)及以上的TC活動進行檢驗。此外，利用NCEP 2.5°×2.5°再分析資料作為觀測資料與模式中的大尺度環境場進行對比，評估模式對環境場的模擬能力及其對TC活動模擬的影響。

1.2模擬TC識別方法模式中TC中心和路徑的識別方法已有許多研究[13-14]。筆者在前人研究的基礎上，設計出適合該研究選用模式的TC識別方法，將滿足以下條件的網格點定義為TC中心：①尋找850 hPa等壓面上的最大相對渦度>5×10-5s-1的網格點；②在該點周圍300 km內選定氣壓最低點作為TC中心；③該中心周圍300 km內海面10 m處最大風速>17 m/s；④在300 hPa等壓面上，中心溫度比中心周圍300 km內平均溫度高0.5 K；⑤該中心周圍300 km內在850 hPa的平均風速大于在300 hPa的平均風速。條件④和⑤可以用來排除溫帶氣旋等對TC挑選的影響[15]。找到TC中心后用TC移動速度<90 km/h這個閾值來確定TC中心是否為同一熱帶氣旋，在找到完整的路徑后，去掉生命史<2 d的低壓渦旋，并要求渦旋的生成位置在35°N以南的海面上。

2結果與分析

2.1熱帶氣旋生成和路徑分布特征從1980～1999年西北太平洋海域觀測和模式模擬的年平均TC生成頻數以及兩者差值的統計結果(表2)可看出，根據JTWC資料，1980～1999年西北太平洋160°E以西海域平均每年有21.3個達到熱帶風暴(TS)強度以上的TC生成；在WRF和WRF_sn模式中，20年間平均每年在該海域分別生成32.6和30.0個；而在RegCM3模式中，平均每年在此海域僅有5.0個達到TS強度以上的TC生成。與觀測相比，WRF和WRF_sn模擬生成的TC頻數分別比觀測多53.1%和40.8%，而RegCM3模擬生成的TC頻數比觀測少76.5%。因此，從生成頻數上看，3個模式的模擬能力均欠佳，這是造成區域氣候狀態模擬偏差的原因之一。

表2西北太平洋海域1980～1999年觀測和模擬的TC生成情況

Table.2Annual mean TC numbers of observation and simulations in the Western North Pacific during 1980-1999

除了比較各模式模擬的TC生成頻數和觀測的差異外，還比較了各模式模擬的TC生成位置與觀測的差異，為便于比較，將模式和觀測的TC生成頻數統一插值到5°×5°分辨率網格上，即統計20年中在一個5°×5°的網格內TC生成的個數。由觀測的TC生成頻數分布(圖1a)可見，TC生成頻數的大值區分別在南海和菲律賓以東的西北太平洋上，其中在鄰近菲律賓的海域TC生成頻數最多。而各模式模擬的TC頻數分布各異，WRF模式TC生成大值區主要在菲律賓以東海域，其中150°～160°E海域頻數最多，而在南海海域生成較少(圖1b1)；WRF_sn模式對南海和鄰近菲律賓東部鄰近海域TC生成大值中心有較好的模擬能力，但在150°E以東海域模擬出過多的TC生成(圖1b2)；RegCM3模式模擬的TC生成頻數分布和觀測有很大差異，且生成頻數過少(圖1b3)。

將1980～1999年西北太平洋海域觀測和模式模擬的TC出現點數據統一插值到5°×5°的分辨率上，即在一個5°×5°的網格中統計20年中TC在此范圍出現的個數，并將其賦值給網格的中心格點上。從圖2可以看出,觀測中TC的路徑頻數大值區主要在南海北部和菲律賓以東海域，而各模式模擬的TC路徑情況各異，WRF模式較好地模擬出了路徑頻數在南海北部和菲律賓以東海域的大值區，但模式中在140°E附近存在大值區，這可能與TC生成頻數位置偏東有關；WRF_sn模式模擬的TC路徑頻數大值區分別在南海和150°E附近，南海海域的TC路徑頻數較多，說明模式模擬的TC西行路徑較多；RegCM3模式中，TC路徑頻數整體偏少，這與前面分析的TC生成頻數偏少有關，主要集中菲律賓東北海域。2.2熱帶氣旋頻數的季節和年際變化模擬從觀測和模擬的西北太平洋TC頻數季節變化(圖3a)可以看到，3個模式均能給出夏季TC生成較多的季節變化規律，但除8～10月以外的其他月份，WRF模式和WRF_sn模式的TC生成頻數偏多現象均比較明顯，且模擬的最大生成頻數分別出現在7和6月，早于觀測的最大生成頻數出現月份(8月)，而RegCM3模式對全年TC主要生成季節的頻數模擬均明顯少于觀測。

從觀測和模擬的TC頻數年際變化上看(圖3b)，除模擬生成頻數偏多外，WRF模式和WRF_sn模式均基本上能模擬出TC生成頻數的年際變化特征，觀測和模擬的TC頻數年際變化相關系數分別為0.47和0.22，如不考慮模式對1997～1999年TC生成頻數持續減少現象模擬偏差大的3年，1980～1996年頻數年際變化相關系數則分別達0.78和0.63；而RegCM3模式不僅模擬TC生成頻數明顯少于觀測，對年際變化的模擬也與觀測有很大差異，相關系數為-0.07。2.3模擬熱帶氣旋生成頻數差異的原因分析許多研究表明，TC活動和大尺度環境場之間存在密切的關系，影響TC生成的主要環境因子包括垂直風切變[16-18]、海表面溫度的時空分布狀況[18-20]、對流層中層的相對濕度條件[21]、低層較大的相對渦度區或輻合區等。因此，可以通過分析與TC生成有關的大尺度環境場來研究模式模擬TC生成頻數與觀測差異的原因。在西北太平洋海域，6～10月是熱帶氣旋的主要活動季節(圖3a)。由于RMIP計劃沒有要求提供濕度場和高度場模擬結果，下面僅從渦度和垂直切變因子簡要分析6～10月TC生成頻數分布和環境場之間的關系。

季風槽是影響西北太平洋TC生成和發展的重要大尺度系統。研究表明，平均超過75%的TC生成于季風槽所在區域[22]。從1980～1999年觀測和模擬的西太平洋6～10月平均850 hPa風矢量(圖4)可以看到，副熱帶高壓反氣旋環流控制西北太平洋大部分海域，菲律賓以西海域為西南季風控制，西南季風與越赤道氣流和副熱帶高壓南部的偏東風在赤道輻合帶附近匯合，季風槽西至南海北部，東至150°E附近(圖4a)。模擬的850 hPa平均風矢量也有相似的特征，但模擬的副熱帶高壓偏東北，西南季風偏強，使得模擬的季風槽位置偏北偏東；其中WRF模式和RegCM3模式模擬的季風槽西至130°E附近(圖4b1、b3)，因此，這2個模式在南海的TC生成頻數較少，沒有模擬出TC生成頻數在南海的大值區(圖1b1、b3)。WRF模式和WRF_sn模式模擬的季風槽位置均東伸至160°E附近，導致觀測到的140°～150°E TC生成頻數大值區在模式中東移至150°～160°E海域(圖1b2、b3)。

弱的垂直風切變是TC生成的重要條件之一。因為大的垂直風切變會抑制對流的發展,從而限制上層暖心和渦旋的形成,而較小的風垂直切變可以使得初始擾動的對流凝結所釋放的潛熱能集中在一個有限的空間范圍,熱量能在對流層中上層集中，形成暖心結構，而后高空出現輻散，地面氣壓降低，有利熱帶氣旋的形成[23]。從1980～1999年模式模擬的6～10月平均垂直風切變與觀測的差值場(圖5)可看出，其中圖5a和5b中的黑色方框區域表示此處模式模擬的垂直風切變比觀測小，有利于TC在此區域生成，WRF模式在菲律賓以東海域的垂直風切變較小，而WRF_sn模式在160°E附近垂直風切變較小，因此，WRF模式中在菲律賓以東海域的TC生成頻數較多；而WRF_sn模式在160°E附近海域TC生成頻數較多；而RegCM3模式在110°～160°E模擬的垂直風切變均比觀測大，不利于TC的生成，這也是該模式模擬的TC明顯少于觀測的主要原因。

3結論

該研究選取了RMIP計劃第3階段南京大學提供的3個區域氣候模式模擬結果，將模擬的1980～1999年西北太平洋TC活動特征與JTWC路徑資料進行對比分析，評估了各模式對TC生成頻數、生成位置分布、路徑分布、生成頻數的季節和年際變化等方面的模擬能力，并根據有利于TC生成的大氣環境場因子分析，揭示了模式對6～10月模擬TC活動存在誤差的原因。

在生成頻數方面，WRF和WRF_sn模擬的TC頻數比觀測分別多53.1%和40.8%，而RegCM3模式比觀測少76.5%。在生成位置分布方面，WRF模擬的TC生成位置大值區主要在菲律賓以東海域和150°～160°E海域，而在南海生成較少；WRF_sn對TC生成位置的3個大值區均有一定的模擬能力，但與觀測相比，模式在南海和菲律賓以東海域TC生成頻數偏少，而模擬的140°～150°E海域大值區偏東，集中在150°～160°E海域，且頻數偏多；RegCM3模擬的TC生成頻數大值區在菲律賓以東洋面，且生成頻數遠少于實況。在路徑分布方面，WRF較好地模擬出了路徑頻數在南海北部和菲律賓以東海域的大值區，但模式中在140°E附近存在大值區，這可能與TC生成頻數位置偏東有關；WRF_sn模擬的TC路徑頻數大值區分別在南海和150°E附近，南海海域的TC路徑頻數較大，模擬的TC西行路徑偏多；RegCM3模擬的TC路徑頻數整體偏少，這與模擬的TC生成頻數偏少有關，主要集中在菲律賓東北部海域。從TC的季節和年際變化來看，WRF和WRF_sn均具有模擬TC活動季節和年際變化能力，但2個模式模擬的TC頻數季節變化在7月份之前和11月份以后均比觀測偏多，而除去TC生成頻數持續降低的1997～1999年外，2個模式模擬的TC生成頻數年際變化和觀測的相關系數分別達0.78和0.63。

模式模擬的TC和觀測的差異與模式對季風槽以及垂直風切變等的模擬誤差有關，模式模擬的季風槽位置普遍偏北偏東。WRF和RegCM3模擬的季風槽西至130°E附近，使得這2個模式模擬的南海TC生成頻數較少，因而沒有模擬出TC生成頻數在南海的大值區。WRF和WRF_sn模擬的季風槽位置均東伸至160°E附近，導致位于140°～150°E的TC生成頻數大值區東移至150°～160°E海域。WRF模式在菲律賓以東海域的垂直風切變較小，而WRF_sn模式在160°E附近垂直風切變較小，使得WRF模式中在菲律賓以東海域的TC生成頻數較多，而WRF_sn模式在160°E附近海域TC生成頻數較多。RegCM3模式在110°～160°E模擬的垂直風切變均比觀測大，不利于TC的生成，這使得模式生成的TC明顯少于觀測。

由于TC模擬誤差是區域氣候模式模擬東亞夏季風出現偏差的原因之一[10]，因此，在東亞季風區改進區域氣候模式對TC路徑的模擬是提高模式對季風氣候模擬能力的有效途徑。

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Simulation Ability Test of Regional Climate Model to Tropical Cyclone Activities over Western North Pacific

SHU Zheng-miao

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

Key wordsRMIP; Tropical cyclone; Western North Pacific; Regional climate mode; Large-scale environmental fields

AbstractUsing the simulation results of three regional climate models (RCMs) provided by RMIP III,the capability of RCMs to simulate the tropical cyclones (TCs) over Western North Pacific during 1980 to 1999 was assessed by comparing the simulated WRF,WRF_sn and RegCM3 with the observations.The study showed that relatively large biases in genesis number of TCs were produced by all three RCMs,as WRF_SN and WRF overestimating the annual mean number of TCs by 53.1% and 40.8%,respectively,RegCM3 displaying underestimation of 60.4%.The simulated distribution of TC genesis positions in WRF_sn agreed well with the observation,and the simulated frequency of TC genesis was less than the observation in RegCM3.Annual cycle of TC genesis was well represented by WRF and WRF_SN,with up to two-month advance of peak value appreading ahead of the observation.With further investigation on the large-scale environmental fields in June-October,it could be concluded that the RCMs’ ability of simulating the frequency and distribution of TC genesis was associated with the biases of the simulated monsoon trough location,strength of vertical wind and so on.

基金項目亞洲區域氣候模式比較計劃項目(ARCP2010_04CMY_WANG)。

作者簡介束正淼(1991- )，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向：熱帶氣旋數值模擬。

收稿日期2016-02-14

中圖分類號S 16

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-209-05