陶韜　羅維

【摘 要】WRF （Weather Research and Forecast） 模式作為新一代的中尺度氣象模式，在預(yù)測和分析中尺度氣象方面具有良好的適用性。臺風(fēng)過程作為極端惡劣的中尺度氣象現(xiàn)象，往往會造成巨大的人身和財產(chǎn)的損失。本文利用WRF模式對2011年的某次臺風(fēng)過程進(jìn)行了模擬，分析模擬區(qū)域的選擇，Nudging方法對臺風(fēng)路徑模擬的影響，并和實際結(jié)果進(jìn)行對比。

【關(guān)鍵詞】WRF；臺風(fēng)路徑；Nudging方法

0 引言

在大氣動力學(xué)分析中，通常會將氣象現(xiàn)象按照不同的時間和空間尺度進(jìn)行尺度分析，從而在動力學(xué)方程中，采用不同的形式表征這些運動要素的特征和影響[1]。在中尺度氣象模式中，大氣運動具有較強的豎向非靜力平衡性，尤其對于強烈的對流天氣結(jié)構(gòu)，浮力可以使氣塊產(chǎn)生較強的垂直加速度，導(dǎo)致猛烈天氣的生成。

中尺度大氣數(shù)值模式在 20 世紀(jì)九十年代已有相當(dāng)發(fā)展，如美國國家環(huán)境預(yù)報中心用于業(yè)務(wù)預(yù)報的ETA模式，美國賓夕法尼亞大學(xué)和國家大氣研究中心合作研制的MM5模式，科羅拉多州立大學(xué)研發(fā)的區(qū)域大氣模擬系統(tǒng)——RAMS等中尺度模式，已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。WRF-ARW模式擬重點解決分辨率為1～10Km、時效為60h以內(nèi)的有限區(qū)域天氣預(yù)報和模擬問題。

對于臺風(fēng)路徑的研究有著不同研究方法，采用數(shù)值模式的方式可以對臺風(fēng)進(jìn)行診斷分析以及預(yù)測分析。對于預(yù)報模式可以通過確定的邊界條件和數(shù)值及物理條件的設(shè)置模擬一個臺風(fēng)過程發(fā)展和移動過程。雖然方法為預(yù)測方法，如果在全球模擬中模擬了整個時間段的氣象場，中尺度可以利用全球模擬的結(jié)果作為邊界條件和初始條件以模擬更小尺度下的大氣運動過程，如臺風(fēng)過程。利用中尺度模式更加精細(xì)的分辨率，對研究臺風(fēng)對地面結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載有重大意義。

1 WRF模式

WRF 模式系統(tǒng)[2]是 1997 年由美國國家大氣研究中心（NCAR） 中小尺度氣象處（MMM）、國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）的環(huán)境模擬中心（EMC）、預(yù)報系統(tǒng)試驗室的預(yù)報研究處（FRD）和俄克拉荷馬大學(xué)的風(fēng)暴分析預(yù)報中心（CAPS）四部門聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度預(yù)報模式和同化系統(tǒng)。在其發(fā)展過程中，分別形成了一個是在NCAR的MM5模式基礎(chǔ)上發(fā)展的ARW（Advanced Research WRF），另一個是在NCEP的Eta模式上發(fā)展而來的NMM（Nonhydrostatics Mesoscale Model），其動力框架如表1所示。本文中采用WRF-ARW模式。

表1 WRF動力框架

WRF的控制方程的通量形式如下所示：

WRF模式的初始條件和邊界條件由大氣氣象資料提供，通?？梢酝ㄟ^下載NCEP或者ECWMF的氣象再分析資料獲得，日本氣象廳也提供了10km分辨率的分析資料GPV。

在WRF模式，有多種相關(guān)的物理參數(shù)化過程方案，如微物理過程方案，卷積云方案，表面層方案，大氣邊界層方案，大氣輻射方案等等。這些方案的選擇對中尺度氣象現(xiàn)象的模擬有重要的影響。

FDDA（Four-dimensional data assimilation），也代指Nudging方法，可以在各時間步的模擬中使模擬結(jié)果向分析或者觀測資料靠近。格點Nudging方法指的是在各個格點上使模擬結(jié)果靠近分析資料，觀測Nudging方法指的是使模擬結(jié)果靠近觀測數(shù)據(jù)。本文采用的是格點Nudging方法，其作用方程如下所示，

其中，θ代指的是Nudging方法作用的變量，F(xiàn)（θ）指的是不采用Nudging方法得到的變量的計算結(jié)果，Gθ指時間尺度對應(yīng)的Nudging強度，Wθ指附加的調(diào)整的Nudging強度，0指Nudging目標(biāo)文件在時間和空間上的插值結(jié)果。

2 模式設(shè)置

2.1 基礎(chǔ)算例設(shè)置

本文在利用WRF模式模擬的臺風(fēng)過程是2011第12號臺風(fēng)Roke，主要影響的區(qū)域為日本本島，該臺風(fēng)于日本靜岡縣登陸，而后穿越日本本州島由宮城縣再度進(jìn)入太平洋。

模式的氣象初始場采用的是日本氣象局再分析資料GPV，其分辨率為5km，其氣象要素按壓力層分布包括高度，水平風(fēng)速，溫度，相對濕度，和海面更正氣壓值。邊界條件也由該數(shù)據(jù)提供，每3小時更新一次。地表溫度、濕度及海面溫度由歐洲中尺度氣象中心再分析資料提供（ECWMF-interm），其分辨率為0.7°，每6小時更新一次。

模式的地表靜態(tài)資料采用的美國國家地質(zhì)勘探局USGS資料，主要包括地面高程和地表覆蓋信息，其最高分辨率為30s。

在本文的臺風(fēng)過程模擬中，筆者將著重研究不同模式區(qū)域的選取對臺風(fēng)過程模擬結(jié)果的影響，然后考慮Nudging方法作用的影響。為了排除多變量的復(fù)合影響，筆者先設(shè)置一個基礎(chǔ)算例。算例的相關(guān)方案如表2所示。

表2 基礎(chǔ)算例參數(shù)設(shè)置

2.2 變更算例設(shè)置

基于基礎(chǔ)算例，通過變更其中的某單一因素，可以提出新的計算算例，本文所探究的因素變更算例如下所述。

1）區(qū)域變更

臺風(fēng)的發(fā)展機理非常復(fù)雜，受到四周邊界條件，上下頂面壓力，地/洋面熱效應(yīng)，以及大氣過程等等諸多因素的干擾，導(dǎo)致對其路徑的預(yù)測具有很大的難度和不確定性。在利用氣象模式對某個臺風(fēng)過程進(jìn)行模擬時，采取不同的模擬區(qū)域，將直接改變其邊界條件，從而影響區(qū)路徑的發(fā)展。

通常而言，對于模擬臺風(fēng)過程，區(qū)域的邊界需要“良好”的邊界條件，即在模擬時間段內(nèi)，該邊界上的變量需要保持平穩(wěn)線性的變化。由于氣象場資料為3小時更新一次，及在3小時之內(nèi)，邊界上的氣象場采用的是沿時間的線性插值邊界條件。對于臺風(fēng)過程而言，由于臺風(fēng)經(jīng)過的地區(qū)及周圍的氣壓和風(fēng)速變化非常劇烈，所以單純的線性插值不能合適的體現(xiàn)正確的邊界條件。通常而言，我們采用的邊界需要覆蓋整個臺風(fēng)路徑的同時，使得邊界處在離臺風(fēng)中心較遠(yuǎn)處。

在本文的算例中，基于基礎(chǔ)算例，筆者采用了另外四套區(qū)域的選取方案，如下表所示。

表3 區(qū)域變更算例

對應(yīng)的區(qū)域位置如下圖1所示，圖中為計算初始狀態(tài)，即為2011年9月20日18：00（格林威治時間）1.5km高度處氣壓場分布，其中白色曲線表示的是模擬時間段內(nèi)，臺風(fēng)中心的實際移動路線。

圖1 四套區(qū)域方案示意圖

2）采用Nudging方法

由第一章章節(jié)內(nèi)容可知，Nudging方法將作用于模擬過程的各個時間步中，使模擬的計算結(jié)果向分析資料或觀測值結(jié)果靠近。在本文的模擬中，在基礎(chǔ)算例的基礎(chǔ)上，采用了Nudging方法，其趨近的分析資料為日本氣象局GPV數(shù)據(jù)，每3小時更新一次趨近條件，Nudging方法作用的時間段為模擬時間總長的前半段（18個小時）。其作用的參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4

需要提到的是，在1000米以下，對于濕度和溫度變量，其發(fā)展受到微物理過程的控制，通常情況下不會對其進(jìn)行Nudging作用。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 變更算例

采用了基礎(chǔ)區(qū)域算例和四種變更區(qū)域的算例的計算結(jié)果如圖2所示。圖中顯示了不同區(qū)域下臺風(fēng)的模擬路徑。

圖2 四套區(qū)域方案的計算臺風(fēng)路徑

宏觀上，五種計算區(qū)域的臺風(fēng)路徑整體上往偏北方向偏離實測路徑，其中路徑的接近程度為區(qū)域1>區(qū)域2，基礎(chǔ)區(qū)域>區(qū)域3>區(qū)域4，其中區(qū)域2與基礎(chǔ)區(qū)域的效果接近。

區(qū)域1的選取范圍很小，其在模擬時采用了較短的模擬時間，故其在同一時刻，臺風(fēng)眼位置比其他四種模擬區(qū)域更接近真實值，整體上更接近真實值。但是通常情況由于模式需要一定時間的發(fā)展，采用較小的區(qū)域和較短的模擬時間并不具備很強的說服力，其模擬的結(jié)果需要后續(xù)工作的驗證。

區(qū)域2和基礎(chǔ)區(qū)域都覆蓋了臺風(fēng)的整個運動區(qū)間，其中區(qū)域2的邊界離初始時刻臺風(fēng)眼的中心較近，二者的結(jié)果比較接近，但是可以看出在開始階段，區(qū)域2偏離了實際路徑的偏南方向，這可能是由邊界條件變化比較劇烈造成的，但整體上而言，基本符合臺風(fēng)路徑。

區(qū)域3和區(qū)域4的邊界分別離臺風(fēng)的影響范圍有一定距離，尤其對于區(qū)域4而言，其邊界處的壓力梯度很大部分受到臺風(fēng)外圍區(qū)域的影響，這會給整個模擬過程帶來更多的不確定性。

綜合而言，選取計算區(qū)域?qū)ε_風(fēng)路徑模擬的影響很大，本次臺風(fēng)移動的方向比較穩(wěn)定，更易得到較為良好的結(jié)果，選取的區(qū)域既應(yīng)該覆蓋臺風(fēng)的發(fā)展范圍，也不宜遠(yuǎn)離臺風(fēng)的影響區(qū)域。

3.2 Nudging方法的使用

圖3顯示了Nudging方法作用下臺風(fēng)路徑和基礎(chǔ)算例下臺風(fēng)路徑的對比。

在Nudging方法作用下的初始12個小時內(nèi)，臺風(fēng)路徑同實測路徑保持的比較一致，比基礎(chǔ)算例路徑更接近實測結(jié)果。但是當(dāng)Nudging作用停止后，路徑發(fā)生了較大角度的偏轉(zhuǎn)，可簡要分析原因，由于Nudging作用的目標(biāo)氣象場為3小時內(nèi)的線性插值，當(dāng)限制條件突然釋放后，計算氣象場會保持向原有目標(biāo)的趨勢繼續(xù)發(fā)展，從而使的路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

本文通過利用WRF模式對某個臺風(fēng)過程進(jìn)行了模擬，初步探究了不同選取對臺風(fēng)路徑發(fā)展的影響，在臺風(fēng)移動方向比較穩(wěn)定的前提下，可以采用接近臺風(fēng)影響區(qū)域范圍的模擬區(qū)域。同時探究了Nudging方法的作用，其在作用范圍內(nèi)對臺風(fēng)路徑的發(fā)展有比較良好的修正效果，但是仍需進(jìn)一步的改進(jìn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]K. Heinke Schlünzen， David Grawe， SylviaI.Bohnenstengel， Ingo Schlüter and Ralf Koppmann[J]. Journal of wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011：99，217-225.

[2]Skamarock， W. C.， et al.. A description of the Advanced Research WRF version 3. NCAR Tech. Note NCAR/TN-4751STR[Z]. 2005.

[責(zé)任編輯：湯靜]