不同邊界層方案對臺風燦都路徑和強度模擬的影響

薛文博，沈菲菲，王 琛，許冬梅

(南京信息工程大學，南京 210044)

熱帶氣旋是發生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，它是一種強大而深厚的熱帶天氣系統。我國是受臺風影響較多的國家之一，根據彭敏瑞[1]的研究，僅在2016年生成于西北太平洋的26個熱帶氣旋中就有8個在我國沿海登陸，福建、浙江、海南、廣東、廣西、上海等8省(自治區、直轄市)1 544萬人次受災，全年直接經濟損失高達614億元。故準確預報臺風的路徑和強度對保護人們的生命財產安全至關重要。

目前，對臺風的分析和預報主要依賴于數值預報。然而，由于當前探測技術及理論知識的發展還不夠完善，數值模式中對眾多重要的物理過程仍需進行參數化處理。當前針對數值模式中物理過程參數化對于臺風模擬的影響，已經有不少專家學者進行了一系列研究工作。陳德輝[2]和劉還珠等[3]就針對臺風模式進行了不同物理過程參數化對臺風預報影響的研究，研究結果均表明選取合適的物理過程參數化方案能顯著提高臺風模式的預報能力。郝士峰等[4]采用了5種不同的積云參數化方案，對不同臺風進行集合預報，認為熱帶氣旋路徑對積云參數化方案的選取是敏感的，且集合預報可以降低模式系統誤差影響，得到最優的模擬結果。王麗霞等[5]研究表明不同的邊界層方案模擬出的蘭州冬季邊界層高度不同，邊界層方案在WRF模式中的地位十分重要，尤其是在對降水和臺風的模擬過程中。鄧國等[6]通過比較不同的邊界層方案輸出的臺風地表特征量以及形勢場和風場，說明臺風邊界層過程對臺風的結構有明顯的影響。孫敏等[7]的研究進一步指出，在WRF模式中選擇不用的邊界層參數化方案能夠造成臺風軸對稱結構的差異，進而影響臺風路徑和強度的模擬。溫曉培等[8]的研究表明在臺風的初生階段，熱帶擾動的形成和發展與大氣邊界層的物理過程密切相關，造成邊界層中擾動低渦強度的差異，進而影響強盛時期臺風整層大氣狀態。

本文以2010年第3號臺風燦都為研究對象，利用中尺度WRF3.8.1模式，采用不同的邊界層方案對臺風燦都進行數值模擬研究，并就模擬的臺風強度和路徑進行對比分析，進一步通過診斷分析旨在揭示邊界層方案對臺風模擬的影響以及造成模擬差異的原因。本文在選取邊界層方案模擬臺風路徑效果較好的基礎上進一步進行雷達徑向風的同化試驗并進一步進行診斷分析和研究。

1 個例介紹及試驗設置

1.1 個例介紹

臺風燦都是2010年7月18日于中國南海生成的一個熱帶低壓，在7月19日12時(UTC，下同)加強發展為熱帶風暴，隨后向西北方向移動。20日22時，臺風路徑轉向西南方向，在21日06時再次轉為西北方向并不斷發展加強并于21日18時達到臺風強度。22日06時，臺風燦都在廣東省吳川市登陸，為中國廣東、廣西帶來強降水之后，風暴強度在23日減弱成為熱帶低壓。據統計，臺風燦都共造成廣東、廣西、云南3省份622.3萬人受災，因災直接經濟損失高達55.4億元。

1.2 WRF模式及資料介紹

本文采用的WRF中尺度預報模式是集數值天氣預報、大氣模擬及數據同化于一體的模式系統。由美國國家大氣研究中心、國家海洋和大氣管理局等美國多家科研機構共同研究開發，被廣泛應用于目前的天氣預報等業務和大氣科學領域的研究中。WRF版本為3.8.1，文中使用的資料為美國國家環境預報中心NCEP全球預報系統GFS提供的再分析資料，時間間隔為6 h，水平分辨率為1°×1°；臺風觀測資料(下文稱為臺風實況)來源于中國氣象局熱帶氣旋最佳路徑資料集。

1.3 試驗設置

采用WRF模式對2010年03號臺風燦都進行模擬。模擬時間段為2010年7月21日06時至22日18時，共計36 h，模擬中心定為19.9 °N，110.2 °E，水平方向401×401個水平網格，分辨率為5 km，垂直方向將地表到50 hPa間垂直劃分為41層。物理過程的參數化方案為：Purdue Lin微物理方案；Monin-Obukhov近地面層方案；Noah地表方案；RRTM(Rapid Radiative Transfer Model)長波輻射方案；Dudhia短波輻射方案。為了研究不同邊界層方案對臺風燦都路徑和強度模擬的影響，本文采用控制變量的思想，即在其他物理過程參數化方案選定的基礎上，選擇四種不同的邊界層方案：YSU(Yonsei University), MYJ(Mellor-Yamada-Janiic),QNSE( Quasi-NormalScale Elimination),MYNN2(Mellor-YamadaNakanishi-Niino,level 2.5)進行數值模擬試驗。通過對四組試驗結果的分析，選取模擬結果較好的一組試驗WRF_YSU加入雷達觀測資料進行同化試驗，即試驗WRF_YSUD。同化試驗首先從7月21日06時至18時做起轉(spin-up)預報，7月21日18時至22日00時進行每小時間隔的雷達資料3DVAR循環同化，同化的觀測資料是陽江和海口兩部雷達的徑向風觀測資料。7月22日00時至18時作18 h確定性預報[9-11]。

2 不同邊界層方案對臺風燦都路徑和強度模擬的試驗結果

2.1 四組不同邊界層方案試驗模擬結果中的臺風路徑分析

圖1是四組不同邊界層方案模擬出的臺風燦都路徑與最佳觀測路徑的比較。從圖1中可以看出，除了試驗WRF_MYNN2，其他三個方案模擬試驗的路徑預報基本相似。方案WRF_MYJ，WRF_YSU和WRF_QNSE在模擬起始的12 h中，由于初始場的不準確和模式自身起轉(spin-up)問題，預報路徑與觀測到的最佳路徑偏差較大：觀測的臺風最佳路徑向西北方移動，而三個模擬試驗的預報結果幾乎都是向西移動，試驗WRF_YSU和WRF_QNSE甚至有向西南方向移動的趨勢。而在隨后的6 h中，三組試驗模擬的臺風路徑均為近乎正北方向，且臺風移動速度比實況快很多。在隨后的24 h預報中，即7月21日18時至22日18時，試驗WRF_MYJ，WRF_YSU和WRF_QNSE中的臺風預報路徑與實況較為一致，均為向西北方向。在試驗WRF_MYNN2中，臺風在預報的起始12 h時段內向西北方向移動，與以上三組試驗不同的是，在隨后的12 h，即7月21日18時至22日06時，臺風預報路徑發生了一個較大的轉向：先向東北方向，又轉向近乎向西方向。然后再向西北方向。

圖2為四種不同的邊界層方案模擬的路徑誤差隨時間的變化，與上段對圖1的分析相符。四個不同邊界層方案模擬試驗路徑誤差隨時間的變化趨勢基本相同。在模擬的前12 h，各試驗模擬的路徑誤差隨時間增大，試驗WRF_MYJ在12 h后的路徑誤差達到98.25 km。之后各試驗的路徑誤差隨時間迅速減小，然后均保持較小的誤差值。經過數學分析發現，四組試驗中試驗WRF_YSU的路徑模擬結果相對最佳(路徑誤差平均值為45.10 km，均方差為27.41 km)，試驗WRF_MYNN2路徑模擬結果最差(路徑誤差平均值為49.95 km，均方差為14.24 km)。

圖1 2010-07-21T06—22T18臺風燦都試驗模擬路徑與最佳觀測路徑比較

圖2 臺風燦都各試驗模擬的路徑誤差隨時間的變化(初始時間為2010年7月21日06時)

2.2 四組不同邊界層方案試驗模擬結果中的臺風強度分析

圖3a是各試驗模擬的最大近地面風速(Max surface wind，下簡稱“MSW”)與最佳路徑資料中的MSW，圖3b是各試驗模擬最小海平面氣壓(Min sea level pressure，下簡稱“MSLP”)隨時間的變化。由實際觀測資料可以發現，在模擬初期的12 h內，即7月21日06時至18時，MSLP隨時間減小，MSW隨時間增大；隨后的12 h內，MSLP和MSW都保持穩定；在模擬的后期，7月22日06時至18時，MSLP隨時間增大，而MSW隨時間減小。可以看出在整個過程中，臺風的強度是先增大，然后保持穩定，再減小。四組試驗的臺風模擬結果中，MSW隨時間的變化趨勢與實況相似(圖3a)，但其值均比實況要低。相比而言，各組試驗模擬的MSLP與實況差距較大(圖3b)：模擬試驗中的MSLP比實況MSLP要高，而且都隨時間緩慢減小。綜合以上分析可以發現四組邊界層方案試驗模擬的臺風燦都強度均較實況偏弱。

綜合四組邊界層方案試驗中對臺風燦都路徑和強度的模擬結果分析發現，YSU邊界層方案模擬結果最佳，MYNN2的模擬結果相對較差。因此選取邊界層方案為YSU的試驗作為控制試驗并加入雷達觀測資料進行同化分析試驗(WRF_YSURD)，并利用此分析實驗結果做進一步的診斷分析。

圖3 臺風燦都各試驗模擬強度(a MSW；b MSLP)與最佳路徑資料比較(初始時間為2010年7月21日06時)

2.3 控制試驗與同化試驗模擬結果中的臺風路徑及強度分析

同化雷達觀測資料之后的試驗在確定性預報初始時間段對臺風位置的模擬比同化之前更偏東北，而且移速更快，同化試驗中 7月22日06時的臺風位置與控制試驗中22日06時的臺風位置更相近，此后兩組試驗模擬的臺風路徑和走向基本一致。

圖4是控制試驗WRF_YSU和同化試驗WRF_YSURD中MSLP隨時間的變化和MSW隨時間變化圖。從圖4a可以看出，同化試驗WRF_YSURD中MSLP比對應時刻控制試驗WR_YSU中的值要低。在確定性預報時段的初期，控制試驗與同化試驗中的MSLP差值較大，7月22日03時兩組試驗的MSLP差值達到最大值為24 hPa，隨后差值逐漸減小。對于MSW而言(圖4b)，同化試驗在確定性預報的初期明顯比控制試驗要高，兩組試驗中的MSW在22日03時的差值達到最大值為18.5 m/s，隨后差值逐漸減小，與MSLP的變化趨勢一致。

從圖4中可以發現，同化試驗在確定性預報時段的初期，尤其是前6 h內對臺風的位置及強度的改善較為明顯，隨后則與控制試驗的模擬結果誤差逐漸減小。與2.1節和2.2節中的臺風實況資料對比后可以發現，同化試驗模擬的臺風路徑相比控制試驗更加接近觀測，同時其預報的臺風強度相比控制試驗也有一定程度的改進。

3 不同邊界層方案對臺風燦都路徑和強度模擬影響分析

3.1 散度

在4組敏感性試驗里，WRF_YSU和實際觀測路徑最接近，而WRF_MYNN2和實際觀測路徑誤差最大，故選取這兩種邊界層參數化方案進行比較。22日00時的模擬結果中，試驗WRF_MYNN2和WRF_YSU在臺風中心附近并沒有很明顯的輻合中心。相比較而言，同化試驗WRF_YSURD則可以明顯地看到氣流輻合中心，與500 hPa的風場環流有較好的對應關系，同時在對應時刻100 hPa的散度圖上也有很明顯的輻散中心，能夠比較好地體現臺風中心低層輻合、高層輻散的垂直結構。在臺風中心的偏東南方向的渦旋區，也可以看到強烈的低層輻合、高層輻散的垂直結構(圖略)，可以據此推斷該區域出現了強烈的對流性天氣。在臺風中心的外圍，有帶狀的輻合帶出現，與實況臺風外圍的螺旋云帶相對應。處于發展階段的臺風，云系應偏向于臺風前進方向一側。在7月22日00時，臺風外圍西北部的云系更為發達。與實際情況相比，試驗WRF_MYNN2，WRF_YSU的模擬結果中臺風低層大氣的輻合程度較弱，而同化的試驗WRF_YSURD中低層大氣的輻合程度加強，對模擬結果有所改善。由此可見散度場模擬的不同是造成整個模擬過程中臺風強度模擬差異的重要原因。

3.2 渦度

試驗WRF_MYNN2和WRF_YSU的模擬結果中22日00時臺風中心附近的正渦度很弱。從試驗WRF_YSURD的模擬結果可以看出臺風中心附近有較強的正渦度區，渦旋區外圍出現了負渦度區域。綜合以上分析，試驗WRF_MYNN2和WRF_YSU對臺風850 hPa的渦度場模擬比實際情況要弱，與3.1中散度場分析類似，同化試驗WRF_YSURD可以使得臺風的渦旋強度得到顯著改善。對渦度場模擬結果的不同是造成整個模擬過程中臺風強度模擬差異的另一個影響因素。

臺風實況顯示22日00時臺風燦都位于副熱帶高壓脊線的西南部，試驗WRF_YSU中的588 dagpm等高線比試驗WRF_MYNN2中偏東北方向，試驗WRF_YSURD中的等高線則更向東北方向收縮。該臺風在此時主要受副熱帶高壓西南部的東南氣流影響，故臺風之后的路徑應該是向西北方向繼續移動，對副高脊線模擬位置的不同，也會造成不同試驗模擬的臺風移動過程中路徑的差別。

3.3 水汽通量

試驗WRF_MYNN2，WRF_YSU和試驗WRF_YSURD模擬的水汽通量整體分布相似：臺風中心的水汽供應較小，外圍區域水汽通量較大，臺風中心區域西側的水汽通量明顯低于東側的。但這三組試驗模擬的水汽通量在臺風中心區域附近還是有比較大的差異。與試驗WRF_MYNN2和WRF_YSU相比，試驗WRF_YSURD中的水汽輸送最強。臺風渦旋區域的水汽通量迅速增大，在臺風眼的東南部，有一極大水汽通量區。從3.1節和3.2節中可以看出，模擬試驗對臺風散度和渦度的模擬都偏弱，從而會直接降低水汽通量強度，而水汽輻合上升釋放的潛熱是臺風的主要能源，所以水汽通量的強弱很大程度上影響了臺風的強度。因此，對水汽通量模擬結果過弱會導致對臺風強度的模擬較弱。

3.4 臺風暖心結構及三維風場結構

臺風中心下沉氣流所造成的逆溫層會使得臺風的暖心結構表現為等位溫線向下凹。在試驗WRF_MYNN2和 WRF_YSU的模擬結果中，等擾動位溫線在對流層中上層的臺風眼區附近向下凹，但是并不是很明顯，這與臺風燦都自身強度較弱，模擬試驗又進一步弱化了臺風強度有關。相比較而言，試驗WRF_YSURD模擬的等擾動位溫線在臺風眼區的下凹更加明顯，即加入雷達資料同化的試驗WRF_YSURD能夠更好地模擬出臺風的暖心結構。可以看到三組試驗對臺風燦都三維風場結構的模擬還是比較理想的：三組試驗中都體現了臺風眼區的風速最小，眼區兩側的風速迅速增大的趨勢，就總體的模擬效果而言還是試驗WRF_YSURD更好，臺風的頂部相對較高，風場具有明顯的不對稱結構。

由于模擬的臺風中心位置的不同，導致渦旋環流的位置也有一定的差異：試驗WRF_YSU的渦旋位置最偏南，試驗WRF_YSURD的渦旋位置緯度最高，最接近觀測到的臺風中心位置。就環流結構來講，很明顯試驗WRF_YSURD中的風場結構更完整。最大的風速增量區出現在臺風內核的東南部，達到了33 m/s。可見雷達風場資料的加入顯著地增強了風速，尤其是臺風內核東南側的最大風速達到36 m/s。

4 結論及討論

本文以2010年03號臺風燦都為研究對象，利用中尺度WRF3.8.1模式，分析四種不同邊界層方案和加入雷達資料同化之后的模擬結果，得出以下結論。

(1) 比較不同邊界層方案：MYJ、YSU、QNSE、MYNN2下臺風燦都路徑模擬結果，邊界層方案為YSU的試驗WRF_YSU模擬結果最好，其次為MYJ方案和QNSE方案，相對較差的是MYNN2方案。

(2) 邊界層方案MYJ、YSU、QNSE、MYNN2下，臺風燦都模擬試驗中，QNSE方案MMSLP隨時間的變化結果最好，其次為YSU方案和MYJ方案的模擬結果，相對較差的同樣是MYNN2方案。四組試驗中MSW隨時間的變化結果與路徑模擬結果相同，試驗QNSE方案模擬結果最好，MYNN2方案最差。

(3) 四組不同邊界層方案數值預報試驗中對臺風燦都路徑和強度模擬結果，YSU方案最佳，MYNN2的模擬結果相對較差，并且與臺風路徑模擬結果相比，所選擇的不同邊界層方案對臺風燦都強度的模擬結果差異更明顯。

(4) 同化雷達資料后，與臺風路徑模擬結果相比，對臺風強度模擬結果的改善更加顯著，在臺風風場的分析中有明顯體現。

由于所選擇的臺風個例強度較弱，而且模擬試驗又會弱化臺風強度，導致臺風的一些內部結構特征表現并不是很明顯。因此今后可以選擇更多的臺風個例進行進一步的研究，得出更具有廣泛性的結論。