趙楊潔，李江南，董雪晗，馮業(yè)榮

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/廣東省氣候變化與自然災(zāi)害研究重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣東廣州510275；2.東莞市氣象局，廣東東莞523000；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所/廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510641)

1 引 言

我國是世界上受熱帶氣旋（TC）影響最多的國家之一。熱帶氣旋給我國帶來嚴(yán)重的氣象災(zāi)害[1]，而熱帶氣旋的主要災(zāi)害往往在登陸前后造成[2]，因此，TC路徑和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)對于防災(zāi)減災(zāi)是非常重要的。數(shù)值模式在TC的預(yù)報(bào)中有越來越重要的地位，但是數(shù)值預(yù)報(bào)還有很多的不確定性[3]，其中模式網(wǎng)格分辨率就是其中之一。

Gentry等[4]研究了TC強(qiáng)度對1～8 km水平網(wǎng)格分辨率的敏感性；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著分辨率的提高，TC明顯加強(qiáng)，從8 km到1 km的水平分辨率，TC中心氣壓減少30 hPa。Fierro等[5]也發(fā)現(xiàn)，高分辨率模擬中增強(qiáng)了TC的強(qiáng)度。鄧連堂等[6]研究了水平分辨率對連續(xù)暴雨的影響，發(fā)現(xiàn)提高水平分辨率能改善預(yù)報(bào)效果，但較高分辨率時(shí)模擬的降水強(qiáng)度偏強(qiáng)，分辨率對環(huán)流形勢的影響較小。文映方等[7]利用不同水平分辨率（1、2、3、4 和 5 km）的中尺度數(shù)值模式WRF模擬1319號臺(tái)風(fēng)“天兔”，認(rèn)為改變水平分辨率對臺(tái)風(fēng)路徑影響不大，對臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和微物理結(jié)構(gòu)的影響較大，尤其是對垂直運(yùn)動(dòng)和降水強(qiáng)度的影響最大。Schwartz等[8]對比WRF模式2 km和4 km分辨率下北美強(qiáng)對流和大雨的預(yù)報(bào)結(jié)果，和4 km的預(yù)測結(jié)果相比，2 km的結(jié)果并未出現(xiàn)明顯的優(yōu)化。Kevin等[9]認(rèn)為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對于網(wǎng)格分辨率敏感度大，網(wǎng)格分辨率越高，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越大。Sun等[10]研究發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)的發(fā)展與模式水平分辨率和對流參數(shù)化方案都有關(guān)。

許多研究都認(rèn)為模式的水平分辨率和垂直分辨率應(yīng)滿足一定的協(xié)調(diào)關(guān)系[11-13]，水平分辨率達(dá)到較高精度后，粗的垂直分辨率會(huì)放大地形作用。Lindzen[14]提出水平分辨率和垂直分辨率應(yīng)滿足準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流中垂直尺度與水平尺度的羅斯比與重力波的離散關(guān)系，過高的水平分辨率會(huì)導(dǎo)致模型“噪聲”增加，降低模擬的效果。水平分辨率和垂直分辨率的不協(xié)調(diào)會(huì)產(chǎn)生虛假的重力波[15]。雙向嵌套模式下，不同嵌套層之間有信息交流，嵌套層之間水平分辨率差距很大，不同嵌套層使用統(tǒng)一的垂直分辨率，會(huì)導(dǎo)致有些層水平分辨率和垂直分辨率不匹配的問題。曾慶存[16]認(rèn)為不同分辨率模式相嵌套本身存在一個(gè)封閉假設(shè)性問題，一個(gè)預(yù)報(bào)場的誤差會(huì)逐漸下傳從而引起所有分辨率層的預(yù)報(bào)誤差。雙向嵌套模式中，水平分辨率和垂直分辨率不協(xié)調(diào)的嵌套層產(chǎn)生的虛假的重力波會(huì)隨著嵌套網(wǎng)格之間的信息交流傳播，從而降低整體的模擬效果。Lucas等[17]和孫希進(jìn)等[18]對比了單向嵌套和雙向嵌套，發(fā)現(xiàn)虛假的計(jì)算波會(huì)在嵌套層中傳播，雙向嵌套抑制虛假波的能力高于單向嵌套。因此，探究在雙重嵌套下模式對垂直分辨率的敏感性問題具有一定的意義。

以前的研究主要是針對水平分辨率來討論，對垂直分辨率的影響研究較少。而且很多工作是直接改變模式的水平分辨率來研究對模擬結(jié)果的影響，認(rèn)為提高嵌套層數(shù)能優(yōu)化模擬的結(jié)果，卻沒有考慮到改變水平分辨率后引起的水平分辨率和垂直分辨率不協(xié)調(diào)的問題進(jìn)而對模擬結(jié)果有影響。因此，本文將通過分別改變雙向水平嵌套層數(shù)從而改變水平分辨率和改變垂直分辨率來進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，并將水平和垂直分辨率兩種因素結(jié)合起來分析，探究模式分辨率對TC的影響，為改進(jìn)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)提供參考。

2 個(gè)例介紹

1713號強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天鴿”于2017年8月20日06時(shí)（世界時(shí)，下同）在 128°E，20.4°N 的太平洋洋面上生成，生成時(shí)中心氣壓為1 000 hPa，近中心最大風(fēng)速為18 m/s。21日18時(shí)到達(dá)巴林塘海峽北部的巴坦群島之后繼續(xù)向西移動(dòng)進(jìn)入南海。從生成到進(jìn)入南海這段時(shí)間，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度緩慢增強(qiáng)，但進(jìn)入南海以后開始迅速發(fā)展，24 h之內(nèi)強(qiáng)度等級由熱帶風(fēng)暴變?yōu)閺?qiáng)臺(tái)風(fēng)。于23日05時(shí)左右在廣東省珠海市大巖口咀登陸，登陸前1 h中心氣壓為940 hPa，最大風(fēng)速為48 km/h，移動(dòng)速度為30 km/h。登陸以后“天鴿”繼續(xù)向西北方向移動(dòng)，強(qiáng)度迅速減弱，登陸后2 h減弱為臺(tái)風(fēng)，8月24日09時(shí)消散。臺(tái)風(fēng)“天鴿”是2017年對廣東省影響最大的臺(tái)風(fēng)，給珠江三角洲地區(qū)帶來重大破壞。尤其是給珠江口西岸地區(qū)帶來幾十年一遇的罕見風(fēng)災(zāi)，澳門地區(qū)城市內(nèi)風(fēng)速最高達(dá)到15級。臺(tái)風(fēng)“天鴿”造成了26人死亡和43.1億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

3 資料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 資 料

模擬試驗(yàn)所選取的初始條件和邊界條件采用NCAR/NCEP的最終分析資料（FNL），F(xiàn)NL數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為6 h，水平分辨率為1°×1°，垂直方向32層。文中所使用的臺(tái)風(fēng)“天鴿”路徑數(shù)據(jù)和強(qiáng)度數(shù)據(jù)來自于臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布網(wǎng)（http://typhoon.zjwater.gov.cn/default.aspx）。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文選用非靜力中尺度數(shù)值模式WRF V3.8.1。WRF模式是一種完全可壓非靜力模式，采用Arakawa C網(wǎng)格，集數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、大氣模擬及數(shù)據(jù)同化于一體的模式系統(tǒng)，能夠更好地改善對中尺度天氣的模擬和預(yù)報(bào)[19]。試驗(yàn)選取墨卡托地圖投影，模擬所選取的區(qū)域中心為118.64°E，18.54°N，模擬區(qū)域范圍是 100～136 °E，3～33 °N。模式母嵌套區(qū)域的水平分辨率都為27 km，模擬時(shí)長統(tǒng)一為112 h，從2017年8月20日00時(shí)開始模擬。模式大氣層頂都為50 hPa，采用NOAH陸面過程方案[20]、Lin云微物理方案[21-22]、YSU非局地閉合邊界層方案[23]、RRTM長波輻射方案[24]和Dudhia短波輻射方案[25]。除了水平分辨率為1 km方案外，其他方案都采用了KF對流參數(shù)化方案[26]，目前對于高分辨率模式模擬中是否應(yīng)該使用對流參數(shù)化方案還沒有定論，因此本文對于使用KF方案的合理性進(jìn)行了比較試驗(yàn)。為了探究水平和垂直分辨率對臺(tái)風(fēng)“天鴿”的影響，分別設(shè)置多種雙向嵌套層和垂直分辨率方案來進(jìn)行三組模擬試驗(yàn)（表1），試驗(yàn)組A，垂直方向是27層，試驗(yàn)組B，垂直方向是30層，這兩組試驗(yàn)通過雙向嵌套層數(shù)不同從而改變水平分辨率。試驗(yàn)組C，雙向嵌套層數(shù)相同，水平分辨率相同，但是垂直層數(shù)不同，垂直分辨率不同，所有方案的垂直分層方法統(tǒng)一采用雙曲正切的方法。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 路 徑

試驗(yàn)組A（圖1）四種方案都大致模擬出了臺(tái)風(fēng)的路徑，模擬的臺(tái)風(fēng)在進(jìn)入南海之后的運(yùn)動(dòng)方向和實(shí)際基本一致。雖然模擬的軌跡變化方向相似，但是不同水平分辨率方案的路徑誤差卻變化較大（表2），說明這四個(gè)方案都能大致地模擬出副高的分布和變化情況[27]，但是水平分辨率的變化在一定程度上能影響環(huán)境場的模擬結(jié)果，從而改變臺(tái)風(fēng)路徑的模擬情況。在臺(tái)風(fēng)穿過巴林塘海峽之前，四種方案模擬的路徑都在實(shí)況路徑的南側(cè)并且差距不大，且都基本保持著西偏北的軌跡走向。穿過海峽以后，臺(tái)風(fēng)路徑基本都是先向西南方向偏轉(zhuǎn)，隨后向北偏轉(zhuǎn)和實(shí)際臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向一致。2-L27方案和3-L27方案路徑非常相似并且稍優(yōu)于1-L27方案，4-L27方案模擬路徑效果最不理想，距離實(shí)際路徑偏離最遠(yuǎn)?？偟膩碚f，水平分辨率從27 km到9 km，模擬結(jié)果得到一定程度的優(yōu)化，從9 km到3 km，模擬結(jié)果變化很小，分辨率從3 km精細(xì)到1 km時(shí)，模擬路徑誤差明顯增大。因此，可以認(rèn)為單純地提高水平分辨率并不能保證模擬結(jié)果的優(yōu)化。對于提升水平分辨率到1 km時(shí)模擬結(jié)果出現(xiàn)明顯偏大的原因應(yīng)該來自于新增加的1 km嵌套層，在分辨率為1 km的子嵌套區(qū)域產(chǎn)生了大量的虛假波動(dòng)逐漸傳遞到母嵌套區(qū)域[18]，說明分辨率為1 km的嵌套層和垂直分辨率匹合度很差，產(chǎn)生的虛假信息傳遞到粗網(wǎng)格區(qū)域，使得模擬效果變差。當(dāng)垂直層數(shù)為27層時(shí)，模擬路徑對水平分辨率的改變較為敏感，改變模式的水平分辨率能較大程度改變模擬路徑的結(jié)果。

試驗(yàn)組A四種方案在模擬的中后期和實(shí)際路徑誤差都達(dá)到了50 km以上（表2）。根據(jù)各方案的平均路徑誤差來看，3-L27方案和2-L27方案誤差接近，3-L27方案72 h距離誤差比2-L27方案增大了23 km，4-L27方案距離誤差平均最大，達(dá)到了約98 km。這表明4-L27方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑間存在較大的差異。試驗(yàn)組A中所有試驗(yàn)方案模擬方案都是48 h的距離誤差最小，其中1-L27方案距離誤差最小。到了模擬后期72 h，2-L27方案距離誤差最優(yōu)。結(jié)合圖1的臺(tái)風(fēng)路徑情況，認(rèn)為試驗(yàn)組A中2-L27方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑最接近實(shí)際臺(tái)風(fēng)路徑，4-L27方案模擬效果最差。

圖2為垂直分辨率取為30層時(shí)試驗(yàn)組B模擬的臺(tái)風(fēng)路徑，從圖中可以看到四種方案模擬的臺(tái)風(fēng)軌跡整體較為相似，且較試驗(yàn)組A整體路徑偏北。水平分辨率為27 km時(shí)模擬路徑在模擬的前期相對于實(shí)際路徑偏北，中后期較為靠近實(shí)際路徑。2-L30方案相對于1-L27方案模擬的臺(tái)風(fēng)軌跡的形狀更加接近實(shí)際路徑，臺(tái)風(fēng)整體運(yùn)動(dòng)趨勢和臺(tái)風(fēng)實(shí)際情況相近且路徑距離誤差也較小，可以說兩層嵌套相對于一層嵌套而言稍有優(yōu)化。3-L30方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑和實(shí)際路徑差距很??；除了剛進(jìn)入南海時(shí)有小幅度的距離偏差，基本運(yùn)動(dòng)軌跡和實(shí)際路徑一致，登陸點(diǎn)也和實(shí)際登陸點(diǎn)基本一致，模擬效果很好，基本上還原了臺(tái)風(fēng)“天鴿”的行動(dòng)軌跡。4-L27方案模擬的路徑也較好，只是在模擬前期相對實(shí)際路徑有小幅度的偏離，模擬中后期和實(shí)際路徑基本一致。當(dāng)垂直層數(shù)為30層時(shí)，隨著水平分辨率的增加，臺(tái)風(fēng)路徑的模擬情況有明顯的優(yōu)化。

表3可以看到，試驗(yàn)組B四種嵌套方式模擬出的臺(tái)風(fēng)誤差之間的差距較大，但平均距離誤差都小于50 km。1-L30方案和2-L30方案平均距離誤差接近，約為40 km，3-L30方案平均距離誤差比前兩種方案距離誤差小了約15 km，只有24.5 km，是試驗(yàn)組B中平均距離誤差最小的方案。4-L30方案較3-L30方案平均距離誤差偏大一點(diǎn)。表3中3-L30方案在96 h時(shí)距離誤差最小，只有1.6 km，4-L30方案模擬的該時(shí)刻的距離誤差也較小，為7.4 km。整體來說，試驗(yàn)組B中3-L30和4-L30方案都很好地模擬出了臺(tái)風(fēng)路徑，1-L30模擬的效果最差。

表3 試驗(yàn)組B模擬路徑和實(shí)際路徑的距離誤差 單位：km。

A、B兩組試驗(yàn)中，在同樣的參數(shù)設(shè)定和垂直分辨率下，改變模擬的水平分辨率對臺(tái)風(fēng)路徑的模擬影響情況還是較大的，說明改變水平分辨率對臺(tái)風(fēng)路徑的模擬有一定的影響。萬修全等[28]對臺(tái)風(fēng)“山神”分別進(jìn)行了水平分辨率為27 km、9 km、3 km、1 km的模擬試驗(yàn)，認(rèn)為適當(dāng)提高水平分辨率能夠改善臺(tái)風(fēng)中心熱通量等的模擬，進(jìn)而改善臺(tái)風(fēng)路徑的模擬效果。Kumar等[29]對比了27 km和9 km兩種水平分辨率和不同參數(shù)方案組合模擬的臺(tái)風(fēng)路徑，結(jié)果表明這兩種分辨率方案模擬的路徑差異也較大。在已有的一些研究中，認(rèn)為改變水平分辨率對臺(tái)風(fēng)路徑影響不大，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)中所對比的水平分辨率差異較小，當(dāng)分辨率的差異較大時(shí)，對路徑的模擬影響也是不容忽視的。

為了探究對流參數(shù)化方案對于高分辨率試驗(yàn)的影響，將3-L30方案的D03區(qū)域的對流參數(shù)化方案取消，D01和D02兩個(gè)區(qū)域使用KF方案。4-L30方案的D03和D04層不使用對流參數(shù)化方案，D01和D02繼續(xù)使用KF方案，用4-L30-a表示。只取消4-L30方案的D04層的對流參數(shù)化方案，其他三層使用KF方案，用4-L30-b表示。除了改變對流參數(shù)化方案，其他參數(shù)都不變。從圖3上可以看出，3-L30方案和4-L30-a方案路徑差別很小，兩種方案模擬的最低海平面氣壓也比實(shí)測值高了約10 hPa，4-L30-b方案模擬結(jié)果和4-L30方案模擬結(jié)果差別很小，最低海平面氣壓值也很接近，相差在2 hPa以內(nèi)。說明水平分辨率1 km時(shí)，對流參數(shù)化方案對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很小。3-L30方案模擬結(jié)果和實(shí)況差別較大，說明水平分辨率為3 km時(shí)，對流參數(shù)化方案對臺(tái)風(fēng)路徑的模擬影響較大，且不使用KF方案會(huì)使模擬結(jié)果變差。王德立等[30]在5 km高水平分辨率下，使用積云參數(shù)化方案仍能有效改善對臺(tái)風(fēng)路徑的模擬，同時(shí)，成熟的混合冰相微物理方案對模擬臺(tái)風(fēng)路徑也非常重要。所以，在本次實(shí)驗(yàn)中使用KF方案是合理的。

4.2 強(qiáng) 度

從圖4a中可以看到，四個(gè)試驗(yàn)初始時(shí)刻的海平面最低氣壓和實(shí)測值相近。1-L27方案的最低海平面氣壓為953.6 hPa，比實(shí)際最低海平面氣壓高了13.6 hPa。2-L27和3-L27方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較為相近，MSLP最低值差距小于5 hPa。4-L27方案的模擬結(jié)果最差，MSLP最小值和實(shí)際最低氣壓的差值為38 hPa，和3-L27方案相比MSLP降低了33 hPa，說明4-L27方案模擬臺(tái)風(fēng)“天鴿”時(shí)產(chǎn)生了較大的虛假強(qiáng)度。這個(gè)結(jié)果和Davis等[31]的模擬結(jié)果較為相似，他們在模擬卡特里娜颶風(fēng)時(shí)將水平分辨率從4 km提升到1.3 km時(shí)海平面最低氣壓降低了約20 hPa。

圖4b中1-L30方案模擬的MSLP值從54 h開始就高于實(shí)測值，整個(gè)模擬最小值比實(shí)測最低氣壓高了30 hPa，和實(shí)際情況相差較大。2-L30方案MSLP比實(shí)測MSLP最小值約高了10 hPa，MSLP的變化趨勢和實(shí)測較為相似。3-L30比實(shí)測最低值低了 8 hPa，4-L30低了 8.5 hPa，3-L30和4-L30方案的MSLP非常相近且接近實(shí)際。在以往的研究中，認(rèn)為在模擬中更高精度的水平分辨率會(huì)降低模擬臺(tái)風(fēng)的MSLP[5]。圖4中隨著嵌套層數(shù)的增加，模擬的最低海平面氣壓也大都逐漸變低，說明試驗(yàn)中水平分辨率提高模擬臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變強(qiáng)這一點(diǎn)和以往研究結(jié)果較為一致。

兩個(gè)試驗(yàn)組中都存在水平精度增加強(qiáng)度并不隨之發(fā)生較大變化的現(xiàn)象，且都發(fā)生了模式收斂的例子。試驗(yàn)組A中當(dāng)分辨率從9 km提高到3 km時(shí)，水平分辨率增加而臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度沒有明顯變化，試驗(yàn)組B中，當(dāng)分辨率從3 km提高到1 km時(shí)，模擬的最低氣壓變化很小，而同樣是由3 km提高到1 km，試驗(yàn)組一中的臺(tái)風(fēng)就沒有收斂從而產(chǎn)生了大量的虛假強(qiáng)度。本研究認(rèn)為這可能與水平分辨率和垂直分辨率的協(xié)調(diào)性有關(guān)，試驗(yàn)組A中3 km的嵌套層和27層的垂直層組合較為合理，沒有產(chǎn)生虛假的強(qiáng)度，1 km和27層組合產(chǎn)生大量虛假強(qiáng)度進(jìn)而通過交互式嵌套將虛假信息傳遞到其他嵌套層從而導(dǎo)致4-L27方案的最低氣壓偏低。更精細(xì)的水平分辨率和更高的垂直分辨率組合就會(huì)很大程度地減少虛假強(qiáng)度的產(chǎn)生，所以試驗(yàn)組B中1 km的嵌套層沒有產(chǎn)生虛假的強(qiáng)度從而達(dá)到了模擬臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度收斂的效果。

從試驗(yàn)組A的10 m最大風(fēng)速（MSW）來看(圖5a)，四個(gè)方案MSW初始值均小于實(shí)測值，且四種方案強(qiáng)度相似。從開始模擬到42 h，四種方案模擬的MSW的變化趨勢相似，且都小于實(shí)測值。從42 h開始，四種方案的最大風(fēng)速的模擬效果有較大的差別。與最低氣壓的模擬情況相似，1-L27方案的MSW最大值和其他方案結(jié)果相比最小，僅為42.3 m/s。4-L27方案的MSW最大值為54.7 m/s，高于其他方案。2-L27方案和3-L27方案的MSW變化曲線相似且值也接近，最大值分別為48.7 m/s和48.0 m/s。1-L27方案和4-L27方案對臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速的模擬效果不是很好，2-L27方案和3-L27方案模擬的最大風(fēng)速的大小比較接近實(shí)際情況。

圖5b看，從開始模擬到48 h這段時(shí)間，試驗(yàn)組B中四種分辨率方案模擬的最大風(fēng)速的差別都很小，風(fēng)速變化相近，48 h以后，1-L30方案的最大風(fēng)速的增加趨勢相比于其他方案明顯降低。1-L30方案模擬的MSW遠(yuǎn)小于實(shí)況。2-L30方案模擬的MSW為40.4 m/s，比實(shí)際觀測值小了7.6 m/s。3-L30方案和4-L30模擬的MSW變化接近，3-L30方案稍稍優(yōu)于4-L30方案，更接近于實(shí)測值，最大風(fēng)速和實(shí)測最大風(fēng)速只差0.6 m/s。兩個(gè)試驗(yàn)組中，3-L30方案模擬的最大風(fēng)速最接近實(shí)際情況，兩組試驗(yàn)?zāi)M的最大風(fēng)速和海平面氣壓的變化較為一致，水平分辨率的改變對最大風(fēng)速的模擬效果影響較大。試驗(yàn)組B的模擬結(jié)果整體小于試驗(yàn)組A，說明提高垂直分辨率對臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度有較大的影響。

由表4可知，試驗(yàn)組B相對于試驗(yàn)組A距離登陸點(diǎn)的距離更近，試驗(yàn)組B中3-L30方案模擬的臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)和實(shí)際登陸點(diǎn)距離差非常小，且該方案模擬的臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度和路徑和臺(tái)風(fēng)“天鴿”實(shí)際強(qiáng)度和路徑都非常相似。所以，選取三層嵌套來進(jìn)一步進(jìn)行改變垂直分辨率的試驗(yàn)，即試驗(yàn)組C，看垂直分辨率對模擬結(jié)果的影響。

表4 試驗(yàn)組A和試驗(yàn)組B模擬的臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)和實(shí)際登陸點(diǎn)的誤差 單位：km。

隨著垂直層數(shù)的增加(圖6)，模擬臺(tái)風(fēng)的路徑逐漸向北偏轉(zhuǎn)。3-L27方案模擬的路徑在臺(tái)風(fēng)進(jìn)入南海之后就偏轉(zhuǎn)到實(shí)際路徑的南側(cè)，3-L30方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑除了和實(shí)際路徑基本重合的部分，和實(shí)際路徑偏轉(zhuǎn)稍大的部分也都是在實(shí)際路徑的南側(cè)。3-L33方案和實(shí)際路徑相差較小，相對于實(shí)際路徑稍稍向北偏轉(zhuǎn)。3-L36和3-L39方案的模擬基本都在實(shí)際路徑的北方，其中，3-L39方案和實(shí)際路徑偏差最大。

隨著垂直分辨率的增加（圖7a），除了3-L27方案以外，模擬的MSLP的最小值隨著分辨率的增加逐漸變大。3-L33方案和3-L30方案模擬的情況比較好，3-L30方案最接近實(shí)際情況，最大值出現(xiàn)的時(shí)間和實(shí)際情況也最為接近。從模擬的最大風(fēng)速來分析（圖7b），整個(gè)過程中3-L27方案模擬的最大風(fēng)速值最大。3-L39方案風(fēng)速值最小，隨著垂直層數(shù)的增加，模擬的最大風(fēng)速的峰值也逐漸變低?？偨Y(jié)來說，垂直分辨率的改變會(huì)影響模擬臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度，提高垂直分辨率會(huì)減弱模擬的臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度，這和李靖等[32]的研究結(jié)論一致。隨著垂直分辨率的增加（圖8），環(huán)境場有較大的區(qū)別。垂直分辨率越高，模擬的副高強(qiáng)度越小，副高的位置更加偏北。導(dǎo)致模擬的臺(tái)風(fēng)位置越偏北，說明臺(tái)風(fēng)的垂直分辨率可以通過影響環(huán)境場的模擬從而影響臺(tái)風(fēng)的路徑，這不同于以往的一些研究認(rèn)為改變模擬的垂直分辨率對臺(tái)風(fēng)路徑的模擬影響較小。張大林等[33]采用了根據(jù)不同正態(tài)分布型決定的垂直分辨率進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為提高低層的垂直分辨率會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的風(fēng)暴，增加更高層的分辨率會(huì)導(dǎo)致風(fēng)暴強(qiáng)度減弱，平均的增加垂直分辨層對臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響在更強(qiáng)和更弱之間。本文除27層分辨率以外，其他分辨率方案都采用雙曲正切的方法決定。這樣看來，有可能當(dāng)垂直分辨率的分布情況符合一定的數(shù)學(xué)規(guī)律后，符合這種數(shù)學(xué)規(guī)律的分辨率方案在低層（高層）的分布對模擬結(jié)果加強(qiáng)影響大于該方案在高層（低層）分辨率的分布對模擬結(jié)果的減弱影響。即當(dāng)垂直層數(shù)增加的時(shí)候，雖然高層和低層分辨率都有增加，但是綜合而言低層（高層）分辨率的增加更大，所以低層（高層）分辨率增加影響模擬結(jié)果為主，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度強(qiáng)（弱）。

4.3 結(jié) 構(gòu)

從圖9中可以看出，不同水平分辨率下徑向風(fēng)分布有較大的差別。試驗(yàn)組A中，隨著水平分辨率的增加，徑向風(fēng)負(fù)值中心的半徑逐漸減少。徑向風(fēng)負(fù)值區(qū)主要集中在2 km以下的低層，表明在2 km以下存在很強(qiáng)的輻合運(yùn)動(dòng)。結(jié)合兩個(gè)試驗(yàn)組可以發(fā)現(xiàn)，隨著水平分辨率的增加，徑向風(fēng)負(fù)值控制區(qū)域的垂直高度逐漸降低，說明輻合區(qū)集中在低層。隨著水平分辨率的提高，輻散區(qū)域的最大值中心距離臺(tái)風(fēng)中心的距離逐漸減少。

4-L27方案中間區(qū)域主要是以弱的正值區(qū)域?yàn)橹鳎翟?～0.4之間，說明4-L27方案臺(tái)風(fēng)中層的輻散很弱。3-L27方案2～12 km之間的徑向風(fēng)速主要在0～2.5 m/s之間，2-L27方案的中層徑向風(fēng)速要大于3-L27方案和4-L27方案，最大風(fēng)速達(dá)到了4 m/s以上，1-L27方案的中層徑向風(fēng)在臺(tái)風(fēng)云墻處的最大風(fēng)速達(dá)到了5 m/s以上，說明隨著水平分辨率的增加，中層的徑向風(fēng)變小，臺(tái)風(fēng)輻散變?nèi)酰欣谂_(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)。試驗(yàn)組B中中層風(fēng)速隨著分辨率的增高而變小，只有4-L30方案的輻散大值區(qū)域的高度右側(cè)有明顯的下降，一直延伸到了6 km的高度，所以4-L27方案的中層輻散層變強(qiáng)，因?yàn)檩椛^(qū)域的變大，強(qiáng)度也變?nèi)?，所?-L30方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度沒有進(jìn)一步的加強(qiáng)。

綜合兩組試驗(yàn)的結(jié)果來看(圖10)，最大切向風(fēng)速高度在水平分辨率為27 km時(shí)約為2 km，分辨率為9 km時(shí)約為1.5 km，隨著水平分辨率的提高，最大切向風(fēng)的高度逐漸降低。從圖中可以看出，隨著垂直高度的增加，最大風(fēng)速軸隨著高度向外傾斜，靠近臺(tái)風(fēng)中心的眼墻壁的傾斜程度隨著水平分辨率的提高有明顯的變化。水平分辨率較低，眼墻的斜率較大，并且模擬的臺(tái)風(fēng)較弱，從圖中可以看出隨著分辨率的增加，最大切向風(fēng)速的值逐漸增加，最大切向風(fēng)速的值越大，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)。較大的眼壁傾斜程度對應(yīng)較大的水平輻散分量，這會(huì)降低模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度。

垂直運(yùn)動(dòng)剖面圖上升運(yùn)動(dòng)存在多個(gè)大值區(qū)域（圖11），一個(gè)大值區(qū)域一般出現(xiàn)在4 km以下，另一個(gè)大值區(qū)域中心基本在8 km左右，F(xiàn)ierro等[34]認(rèn)為在5 km以上高度的垂直運(yùn)動(dòng)大值區(qū)域是因?yàn)榭諝飧×Φ淖饔?，? km以下是空氣浮力和近地面風(fēng)速引起的摩擦力的合力所作用的。從圖中可以看到，隨著水平分辨率的增加，垂直風(fēng)的方位角平均的最大值逐漸增加，說明模擬臺(tái)風(fēng)的上升運(yùn)動(dòng)整體強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，但是4-L30方案的垂直風(fēng)速很大，但是相對于其他試驗(yàn)該方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度卻沒有明顯的增強(qiáng)，甚至弱于3-L30方案，這種情況很有可能是因?yàn)槟M的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的變化阻礙了進(jìn)一步的加強(qiáng)。試驗(yàn)4-L30方案在低層大值中心的右側(cè)模擬出了少量的強(qiáng)度較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，下沉運(yùn)動(dòng)的中心在大范圍的上升運(yùn)動(dòng)的正下方，導(dǎo)致上升運(yùn)動(dòng)在2～6 km之間出現(xiàn)明顯的傾斜。4-L27方案在低層垂直風(fēng)速大值中心上方模擬出了一個(gè)小范圍的強(qiáng)度較強(qiáng)的下沉中心，但是兩個(gè)上升運(yùn)動(dòng)中心連線的傾斜程度小于3-L27方案。所以，除了上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度是影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的原因之外，上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)傾斜程度減小也是模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度沒有明顯增強(qiáng)的重要原因。從靜力學(xué)的角度來解釋是因?yàn)楫?dāng)眼墻的傾斜程度較大時(shí)，大氣內(nèi)部的非絕熱加熱會(huì)減小最大風(fēng)速半徑處的氣壓梯度，增強(qiáng)最大風(fēng)速外側(cè)的氣壓梯度，這種效應(yīng)削弱了風(fēng)暴的幅度，但增加了內(nèi)核的尺度[35]。

5 結(jié) 語

本文利用中尺度數(shù)值模式WRF對臺(tái)風(fēng)“天鴿”（2017）進(jìn)行模擬研究，選取了多種水平分辨率和垂直分辨率的組合方案進(jìn)行了多組模擬試驗(yàn)，主要是探討了水平和垂直分辨率對臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度模擬的影響。

試驗(yàn)結(jié)果顯示水平分辨率的改變會(huì)對臺(tái)風(fēng)路徑造成一定的影響，這種影響主要是由改變水平分辨率以后所引起的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化所帶來的。水平分辨率越高，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)。垂直分辨率對臺(tái)風(fēng)的路徑模擬也有一定的影響，改變垂直分辨率對環(huán)境場的模擬有一定的影響，提高垂直分辨率會(huì)影響模擬的環(huán)境場尤其是副高的強(qiáng)度和分布。當(dāng)垂直分辨率以雙曲正切的方法確定時(shí)，提高垂直層數(shù)，模擬的副高會(huì)更偏北，模擬的臺(tái)風(fēng)路徑也更加偏北，臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度也更小。垂直分辨率為39層時(shí)，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度在試驗(yàn)組C中最小，模擬的臺(tái)風(fēng)路徑也最偏北。采用雙曲正切的垂直分層方法，提高垂直層數(shù)，模式大氣的垂直分辨率都有增加，但是在低層和高層垂直分辨率的增加更大。低層和高層垂直分辨率增加，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)。

雙向嵌套層數(shù)對臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬效果影響較大，嵌套層數(shù)越多，水平分辨率越高，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)。雙向嵌套模式相比于單向嵌套模式來說，在同樣網(wǎng)格距的情況下雙向嵌套模式的網(wǎng)格具有更高分辨率的網(wǎng)格特征。提高模式的雙向嵌套層數(shù)能在節(jié)約計(jì)算機(jī)資源的前提下獲得模擬區(qū)域整體分辨率的優(yōu)化。但是不能只提高嵌套層數(shù)，還要考慮到垂直分辨率和水平分辨率之間的匹配問題，模式的水平分辨率和垂直分辨率之間匹配才能比較好地模擬臺(tái)風(fēng)。當(dāng)模式垂直分辨率和水平分辨率處于較為協(xié)調(diào)的范圍時(shí)，在這一范圍內(nèi)改變單一分辨率對臺(tái)風(fēng)模擬的影響較小，試驗(yàn)組A中水平分辨率由9 km到3 km和試驗(yàn)組A中由3 km到1 km時(shí)都是如此，提高了水平分辨率，但是模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和路徑?jīng)]有明顯的變化。當(dāng)分辨率不協(xié)調(diào)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生虛假的信息由高層傳遞到低層，影響模擬的效果，如4-L27方案。較低的水平分辨率和較高的垂直分辨率組合會(huì)使模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度過弱，較高的水平分辨率和較低的垂直分辨率組合會(huì)使模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度過強(qiáng)。因此，雙向嵌套模式在提高嵌套層數(shù)的同時(shí)，也要增加模式的垂直分辨率，這樣才能得到比較好的模擬結(jié)果。

此外，還發(fā)現(xiàn)在3 km的水平分辨率下，是否使用對流參數(shù)化方案能對臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度的模擬有較大的影響，不使用對流參數(shù)化的方案的模擬效果要明顯比使用對流參數(shù)化方案的模擬效果差。而當(dāng)分辨率達(dá)到1 km時(shí)，對流參數(shù)化方案對試驗(yàn)結(jié)果的影響很小。

通過分析臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為臺(tái)風(fēng)模擬的強(qiáng)度隨著水平分辨率的增加而增強(qiáng)的重要原因是臺(tái)風(fēng)眼墻隨著分辨率的增加更加陡峭。隨著水平分辨率的增加，徑向風(fēng)負(fù)值控制區(qū)域的垂直高度逐漸降低，說明輻合區(qū)集中在低層。模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和中層的輻散有一定關(guān)系，中層輻散越小，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)。此外切向風(fēng)速也會(huì)隨著水平分辨率的增加而增加。模擬的臺(tái)風(fēng)的垂直風(fēng)速的強(qiáng)度隨著分辨率的提高逐漸增強(qiáng)，而在1 km的分辨率下會(huì)在低層產(chǎn)生一個(gè)小的下沉中心，這個(gè)區(qū)域的出現(xiàn)會(huì)改變臺(tái)風(fēng)徑向風(fēng)的結(jié)構(gòu)，從而增加（減少）垂直風(fēng)的傾斜程度，減弱（增強(qiáng)）模擬臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度。水平分辨率對垂直風(fēng)速的影響較大，在試驗(yàn)中，垂直風(fēng)速的強(qiáng)度隨著水平分辨率的增加而增加，4-L30方案模擬的垂直風(fēng)強(qiáng)度最大。