史文茹 陳海山 梁信忠

(1 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210044; 2 Earth System Science Interdisciplinary Center，University of Maryland，MD，USA 20742)

引 言

西北太平洋是熱帶氣旋主要發(fā)生區(qū)域之一，全球每年約三分之一的熱帶氣旋(約有27個(gè))在西北太平洋上生成[1]，其發(fā)展形成的熱帶風(fēng)暴或臺風(fēng)是影響我國的主要災(zāi)害性天氣之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年平均約7～8個(gè)熱帶氣旋登陸中國，最多可達(dá)12個(gè)。每年這些熱帶氣旋伴隨的大風(fēng)、巨浪、風(fēng)暴潮和暴雨天氣以及誘發(fā)的次生災(zāi)害給中國造成約250多億經(jīng)濟(jì)損失和數(shù)百人的人員傷亡[2]。為盡可能降低損失，開展熱帶氣旋預(yù)報(bào)為相關(guān)決策部門提供可靠的信息非常有必要。

模擬熱帶氣旋氣候的模型有統(tǒng)計(jì)模型、動(dòng)力學(xué)模型和統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)模型[3]，動(dòng)力學(xué)模型中的區(qū)域氣候模型相較全球氣候模型擁有更高的時(shí)空分辨率能更好地反映模擬區(qū)域下墊面的特征且在季風(fēng)氣候、極端降水天氣等方面表現(xiàn)突出，越來越多的研究開始關(guān)注其對熱帶氣旋的模擬能力[4-9]。

大尺度環(huán)境場能夠影響西北太平洋熱帶氣旋的活動(dòng)。丁一匯等[10]研究了北半球影響熱帶氣旋生成頻數(shù)的大尺度環(huán)流條件，指出在熱帶氣旋偏多的時(shí)期大尺度大氣系統(tǒng)主要特征有西風(fēng)帶與西太平洋副熱帶高壓北抬，熱帶環(huán)流系統(tǒng)中的季風(fēng)槽北抬東伸，200 hPa呈反氣旋性環(huán)流異常并伴隨較強(qiáng)的高層?xùn)|風(fēng)急流，熱帶氣旋偏少時(shí)期的大氣特征則相反。Chia， et al[11]研究了7—10月熱帶氣旋的平均季節(jié)變化與季風(fēng)槽、副高的關(guān)系發(fā)現(xiàn)副高和菲律賓海域的季風(fēng)槽增強(qiáng)(減弱)會(huì)導(dǎo)致熱帶氣旋生成區(qū)域偏東(偏西)和偏南(偏北)。任素玲等[12]證實(shí)了不同的臺風(fēng)路徑對應(yīng)不同的副高形勢，副高呈東西向帶狀且強(qiáng)大時(shí)，對應(yīng)臺風(fēng)西行路徑；副高主體逐漸東退時(shí)， 對應(yīng)臺風(fēng)轉(zhuǎn)向路徑；副高主體偏東時(shí)，對應(yīng)臺風(fēng)北上路徑。呂心艷等[13]指出熱帶西北太平洋上71%的熱帶氣旋形成于夏季季風(fēng)槽內(nèi)，中國南海季風(fēng)槽是影響中國熱帶氣旋活動(dòng)的主要季風(fēng)槽之一。季風(fēng)槽內(nèi)的正渦度氣旋式環(huán)流、小的垂直風(fēng)切變外加季風(fēng)槽內(nèi)部的動(dòng)力不穩(wěn)定條件均有利于槽內(nèi)擾動(dòng)發(fā)展成為熱帶氣旋。季風(fēng)槽對熱帶氣旋生成[14-16]和移動(dòng)路徑[17-18]的影響目前已有豐富的研究成果。在環(huán)境風(fēng)垂直風(fēng)切變方面，大部分研究都證實(shí)了其與熱帶氣旋活動(dòng)關(guān)系密切[19-21]，通常環(huán)境風(fēng)垂直切變越小，越有利于熱帶氣旋的發(fā)展；環(huán)境風(fēng)切變越大，越不利于熱帶氣旋的發(fā)展。

新一代區(qū)域氣候模型CWRF (Climate-Weather Research and Forecasting model) 性能優(yōu)異且對中國區(qū)域氣候的模擬具有較好的結(jié)果[22-24]。在之前的研究中，運(yùn)用CWRF模式對中國近海熱帶氣旋進(jìn)行了集合模擬并分析了其對物理參數(shù)化方案的敏感性[25]。本文評估了CWRF模式最佳物理參數(shù)化方案的熱帶氣旋模擬結(jié)果，并著重分析了環(huán)境場模擬及其影響，以期在將來通過改進(jìn)模式環(huán)境場模擬提升其對熱帶氣旋的模擬能力。

1 資料與方法

CWRF是LIANG，et al[26-28]對WRF模式進(jìn)行細(xì)致改造并經(jīng)過嚴(yán)格驗(yàn)證后完成的，其對WRF最顯著的改良體現(xiàn)在優(yōu)化了陸地—大氣—海洋、對流—微物理、云—?dú)馊苣z—輻射模塊之間的內(nèi)部相互作用并保證了模式內(nèi)部各模塊的系統(tǒng)一致性，特別是CWRF運(yùn)用對流云、云微物理過程、云的形成和輻射傳輸?shù)刃碌膮?shù)化方案進(jìn)行了全耦合，增加了云—?dú)馊苣z—輻射集合系統(tǒng)(Cloud-Aerosol-Radiation ensemble system， CAR)的相互作用機(jī)制[29-30]，使模式內(nèi)的物理過程更接近真實(shí)。

本文運(yùn)用區(qū)域氣候模式CWRF 對1982—2016年發(fā)生在中國近海的熱帶氣旋進(jìn)行了模擬，模擬采用Lambert地圖投影，以35.18°N、110°E為中心，緯向和經(jīng)向分別為232和 172個(gè)格點(diǎn)，模式水平分辨率為30 km，垂直方向分36層[31]，圖1為本試驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M計(jì)算區(qū)域。模式由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的ERA-Interim再分析資料[32]驅(qū)動(dòng)，海溫強(qiáng)迫資料在1979—2005年為OISST V2.0[33](Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Version 2.0) ，在2006—2016年為RTG[34](Daily Real-time Global Sea Surface Temperature-high Resolution Analysis)，模式從1979年10月1日連續(xù)積分至2016年12月31日。采用的積云對流方案為ECP方案[35](Ensemble Cumulus Parameterization Model)、微物理方案為GSFCGCE方案[36](Goddard Space Flight Center Goddard Cumulus Ensemble Model)、輻射方案為GSFCLXZ方案[37](Goddard Space Flight Center LIANG Xinzhong Radiation Scheme)、邊界層方案為CAM方案[38](Community Atmosphere Model)、陸面方案為CSSP方案[39](Conjunctive Surface-Subsurface Process Model)、云方案為XU & Randall[40]方案，此為LIANG， et al[26-28]經(jīng)過多次試驗(yàn)確定的用于CWRF氣候模擬的最優(yōu)參數(shù)化方案。

圖1 CWRF模擬計(jì)算區(qū)域Fig.1 The CWRF computational domain for this study

本文的熱帶氣旋觀測數(shù)據(jù)采用聯(lián)合臺風(fēng)預(yù)警中心(Joint Typhoon Warning Center， JTWC)的最佳路徑數(shù)據(jù)集(https:∥www.metoc.navy.mil/jtwc/jtwc.html)，其熱帶氣旋坐標(biāo)(經(jīng)度、緯度)與強(qiáng)度都經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制。環(huán)境場觀測數(shù)據(jù)選用美國氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合發(fā)布的CFSR再分析資料，其水平分辨率約為38 km。熱帶氣旋追蹤方法選用美國國家大氣與海洋中心地球物理流體實(shí)驗(yàn)室(GFDL)在2018年4月發(fā)布的最新版本渦旋追蹤器(Vortex Tracker)[41]，追蹤熱帶氣旋使用到的氣象參數(shù)有平均海平面氣壓和200、850 hPa水平風(fēng)場，另外本研究要求追蹤到的熱帶氣旋維持時(shí)間不少于36 h。

2 CWRF對中國近海熱帶氣旋頻數(shù)的模擬

為了盡可能多地獲得熱帶氣旋樣本，本文對所有發(fā)生在、移動(dòng)進(jìn)入或經(jīng)過模擬區(qū)域的熱帶氣旋都進(jìn)行了篩選，統(tǒng)計(jì)得出1982—2016年模式模擬區(qū)域中共出現(xiàn)熱帶氣旋720個(gè)，平均每年約21個(gè)。圖2為1982—2016年JTWC和CWRF模擬結(jié)果中熱帶氣旋頻數(shù)的平均季節(jié)變化和年際變化。由圖2a可知，CWRF能夠很好地模擬出熱帶氣旋的平均季節(jié)變化形勢，即6—10月為熱帶氣旋活躍期，11—次年5月為熱帶氣旋非活躍期，熱帶氣旋活動(dòng)峰值出現(xiàn)在8月，模擬結(jié)果與JTWC的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。CWRF在1—6月和10—12月與JTWC的誤差保持在0.3個(gè)熱帶氣旋以內(nèi)，即使是在誤差相對高的7—9月也不超過一個(gè)熱帶氣旋，模擬結(jié)果與JTWC的均方根誤差為0.29。熱帶氣旋頻數(shù)的年際變化在氣候模擬中同樣重要，圖2b中年際變化模擬結(jié)果總體較好，CWRF能夠捕捉到區(qū)域內(nèi)87%的熱帶氣旋，與JTWC的平均誤差為2.74個(gè)熱帶氣旋，均方根誤差為3.23。模式能捕捉到2010與2012年真實(shí)發(fā)生的所有熱帶氣旋，但1982、1989和1998年熱帶氣旋頻數(shù)模擬存在較大偏差，在變化趨勢方面，模擬結(jié)果與JTWC的相關(guān)系數(shù)為0.84。

圖2 1982—2016年JTWC(柱狀)與CWRF模擬結(jié)果(線條)中熱帶氣旋頻數(shù)的(a)季節(jié)變化和(b)年際變化(右上角為二者均方根誤差(RMSE)與相關(guān)系數(shù)(COR))Fig.2 (a) Seasonal and (b) interannual variation of tropical cyclone frequency during 1982-2016;bar and line represent JTWC and CWRF， respectively (The RMSE and COR are showed in upper right corner)

圖3比較了1982—2016年模式模擬區(qū)域內(nèi)JTWC和CWRF中熱帶氣旋路徑密度分布，觀測資料在菲律賓東西兩側(cè)各分布有一個(gè)熱帶氣旋路徑密度的高值區(qū)。CWRF模式能夠模擬出位于菲律賓西側(cè)的高值區(qū)，但位置略偏南且高值中心偏大；模式對菲律賓東側(cè)高值中心模擬不如西側(cè)，東側(cè)的路徑密度總體偏小，這除了是模式模擬的偏差外，還可能是因?yàn)榉坡少e東側(cè)高值中心接近模式邊界，部分熱帶氣旋在36 h內(nèi)由邊界移動(dòng)出模擬區(qū)域而未被計(jì)算在模擬結(jié)果中?？傮w而言，CWRF能夠模擬出區(qū)域內(nèi)熱帶氣旋路徑的分布，但是路徑密度的模擬偏差不可忽略，對菲律賓西側(cè)洋面上的熱帶氣旋路徑模擬要優(yōu)于東側(cè)。

圖3 1982—2016年JTWC和CWRF的熱帶氣旋路徑密度及其差值在1°×1°網(wǎng)格上的分布(單位：個(gè)/a)Fig.3 Density distribution of JTWC and CWRF tropical cyclone tracks and their differences measured per year per 1°× 1° grid during 1982-2016

3 環(huán)境場對熱帶氣旋模擬的影響分析

JTWC最佳路徑數(shù)據(jù)集中7—10月發(fā)生的熱帶氣旋約占全年熱帶氣旋的75%。由圖2a可知，7—10月熱帶氣旋頻數(shù)模擬偏差最大，本節(jié)將著重討論這4個(gè)月環(huán)境場模擬對熱帶氣旋模擬的影響。其中U風(fēng)場異常為每年U風(fēng)場季節(jié)變化減去其35 a的平均季節(jié)變化。

圖4比較了觀測和CWRF模擬的U850異常。其中綠色實(shí)線為U850零風(fēng)速線用以表征季風(fēng)槽的位置，發(fā)現(xiàn)7月東風(fēng)異常模擬偏弱，導(dǎo)致槽線上方的氣旋性環(huán)流異常明顯減弱，其下的上升氣流減弱，不利于槽內(nèi)低壓擾動(dòng)或移動(dòng)至此的熱帶氣旋發(fā)展。8月中高緯度地區(qū)模擬的西風(fēng)異常偏強(qiáng)，東風(fēng)異常位置偏東且偏強(qiáng)，導(dǎo)致模式邊界存在一個(gè)反氣旋性環(huán)流異常，不僅會(huì)抑制熱帶氣旋活動(dòng)，還可能會(huì)使由模式外移動(dòng)進(jìn)入模擬區(qū)域的熱帶氣旋在短時(shí)間內(nèi)移出，無法滿足持續(xù)36 h的要求。8月中低緯度的西風(fēng)異常模擬偏大，使得中國南海上空的氣旋性環(huán)流異常偏弱，從而影響我國南海的熱帶氣旋模擬。9月模擬的氣旋性環(huán)流異常明顯偏小位置偏南，不利于我國東部洋面上的熱帶氣旋發(fā)展，部分熱帶氣旋可能會(huì)向南海地區(qū)偏移。10月熱帶氣旋活動(dòng)主要受東風(fēng)異常影響向西移動(dòng)，模擬結(jié)果中南側(cè)邊界存在一個(gè)觀測中沒有的西風(fēng)異常，使得南海上空受氣旋性環(huán)流異?？刂?，有利于南海地區(qū)熱帶氣旋的發(fā)展。

圖4 1982—2016年7—10月的熱帶氣旋頻數(shù)與U850異常的相關(guān)系數(shù)分布(陰影)和U850的零風(fēng)速線(單位：m·s-1)(打點(diǎn)區(qū)相關(guān)系數(shù)達(dá)到α=0.05的置信度)：(a—d)CFSR再分析資料；(e—h)CWRF模擬結(jié)果 Fig.4 Correlation (shaded) between tropical cyclone frequency and U850 anomaly in JASO and mean U850 zero velocity line (unit: m·s-1) during 1982-2016(dotted area achieved 95% confidence interval)： (a-d) CFSR ；(e-h) CWRF results

圖5比較了觀測和CWRF模擬的U200異常。其中綠色實(shí)線為高空西風(fēng)急流。本文的高空西風(fēng)急流定義為U200≥20 m·s-1。7月西風(fēng)急流模擬明顯偏弱，無法模擬出東亞高空急流中心，且無法模擬出陸地上空的氣旋性環(huán)流異常，強(qiáng)迫熱帶氣旋向西北或東北轉(zhuǎn)向的引導(dǎo)氣流模擬偏弱，造成熱帶氣旋路徑模擬偏差較大。8月東亞西風(fēng)急流模擬較好，但西風(fēng)異常偏大、東風(fēng)異常偏東，靠近模式邊界的強(qiáng)反氣旋性環(huán)流異常一方面會(huì)加速熱帶氣旋消亡，另一方面會(huì)使得熱帶氣旋過早移出模式邊界。9月東亞西風(fēng)急流模擬與觀測相似，主要發(fā)揮引導(dǎo)作用，U200異常對熱帶氣旋模擬影響不顯著。10月東亞西風(fēng)急流模擬也與觀測相似，但模式的東風(fēng)異常模擬偏大，熱帶氣旋上部受其影響移速可能會(huì)增加，破壞了熱帶氣旋的垂直結(jié)構(gòu)，不利于熱帶氣旋的發(fā)展。

圖5 1982—2016年7—10月的熱帶氣旋頻數(shù)與U200異常的相關(guān)系數(shù)分布(陰影)和U200的高空西風(fēng)急流(單位：m·s-1)(打點(diǎn)區(qū)相關(guān)系數(shù)達(dá)到α=0.05的置信度)： (a—d)CFSR再分析資料；(e—h)CWRF模擬結(jié)果 Fig.5 Correlation (shaded) between tropical cyclone frequency and U200 anomaly in JASO and mean U200 westerlies jet (unit: m·s-1) during 1982-2016(dotted area achieved 95% confidence interval)： (a-d) CFSR ；(e-h) CWRF results

圖6比較了觀測和CWRF模擬的500 hPa位勢高度場。其中黑色實(shí)線為表征副高的5 880等位勢高度線。7—10月的副高模擬相比觀測均存在強(qiáng)度偏強(qiáng)位置偏西，7月結(jié)合圖4a、e可知，這一偏差會(huì)導(dǎo)致副高脊線北側(cè)850 hPa東風(fēng)異常減弱，致使氣旋性環(huán)流異常減弱，另外副高控制區(qū)域內(nèi)下沉氣流增強(qiáng)不利于對流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，也會(huì)抑制熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展。8月副高北抬，結(jié)合圖4b、f可知其導(dǎo)致了副高脊線南側(cè)850 hPa東風(fēng)異常偏強(qiáng)偏東，不利于熱帶氣旋頻數(shù)與路徑的模擬。9月副高南撤受其影響850 hPa氣旋性環(huán)流異常收縮到了中國南海地區(qū)，中國東部洋面熱帶氣旋活動(dòng)因此受到抑制。10月副高繼續(xù)南撤但副高模擬偏差已不是該月熱帶氣旋模擬出現(xiàn)偏差的主要原因。

圖6 1982—2016年7—10月的多年平均500 hPa位勢高度場(黑色實(shí)線為表征西太平洋副熱帶高壓的5 880 gpm線)：(a—d)CFSR再分析資料；(e—h)CWRF模擬結(jié)果Fig.6 Multi-year average 500 hPa geopotential height field in JASO during 1982-2016 and 5 880 gpm equipotential height linerepresents western Pacific Subtropical High: (a-d) CFSR ;(e-h) CWRF results

本研究中垂直風(fēng)切變定義為U200-U850。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，模式能較好地模擬出觀測的平均垂直風(fēng)切變，觀測與模擬的垂直風(fēng)切變在中國近海大部均小于等于12 m·s-1。圖7為觀測與CWRF模擬結(jié)果中平均垂直風(fēng)切變的偏差?？梢钥吹?，7月模擬的垂直風(fēng)切變偏小，結(jié)合圖6中7月的副高位置發(fā)現(xiàn)熱帶氣旋可能會(huì)在此處停留相對較久，受其上副高下沉氣流的影響熱帶氣旋在此處發(fā)展條件較差甚至?xí)诖讼觥?—10月熱帶地區(qū)平均垂直風(fēng)切變模擬誤差較小，主要誤差為東亞西風(fēng)急流模擬偏弱導(dǎo)致的垂直風(fēng)切變小于觀測值，但此處的垂直風(fēng)切變風(fēng)速已大于20 m·s-1，主要起抑制熱帶氣旋發(fā)展或使其消亡的作用，所以這一偏差對熱帶氣旋路徑模擬影響更大。

圖7 1982—2016年7—10月CFSR再分析資料與CWRF模擬結(jié)果中平均垂直風(fēng)切變的偏差(CFSR-CWRF)(單位：m·s-1)Fig.7 Vertical wind shear deviation of CFSR and CWRF results (CFSR-CWRF) in JASO during 1982-2016 (unit: m·s-1)

4 結(jié)論

本文運(yùn)用區(qū)域氣候模型CWRF模擬了1982—2016年中國近海的熱帶氣旋活動(dòng)，分析了CWRF對熱帶氣旋活動(dòng)特征的模擬能力并著重探討了環(huán)境場模擬的影響。主要結(jié)論如下：

(1)CWRF模式能夠合理的模擬出熱帶氣旋頻數(shù)的平均季節(jié)變化和年際變化，但是模擬結(jié)果較觀測偏低，平均季節(jié)變化模擬總體要優(yōu)于年際變化。模式基本能夠模擬出熱帶氣旋路徑密度的空間分布，但是路徑密度模擬明顯低于觀測。

(2)850 hPa環(huán)流異常位置和強(qiáng)度的模擬對熱帶氣旋頻數(shù)模擬影響顯著，模式中氣旋性環(huán)流異常模擬偏弱、偏南或反氣旋性環(huán)流異常偏強(qiáng)、偏東不利于熱帶氣旋活動(dòng)從而導(dǎo)致模擬結(jié)果中熱帶氣旋頻數(shù)偏少。

(3)200 hPa環(huán)流異常位置與東亞西風(fēng)急流強(qiáng)度的模擬對熱帶氣旋路徑密度模擬影響顯著，模式中反氣旋性環(huán)流異常偏強(qiáng)，東亞西風(fēng)急流偏弱，熱帶氣旋路徑轉(zhuǎn)向受其影響在陸地上的路徑密度偏大。

(4)副高的位置與強(qiáng)度對熱帶氣旋頻數(shù)與路徑均存在影響，模擬結(jié)果中副高偏西，偏強(qiáng)會(huì)抑制洋面對流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展從而抑制熱帶氣旋活動(dòng)。另外，沿副高南側(cè)西行的熱帶氣旋路徑的向北偏轉(zhuǎn)會(huì)受影響偏南。

(5)模擬的垂直風(fēng)切變偏小，使7月的熱帶氣旋在副高下沉氣流中停留時(shí)間增加，不利于熱帶氣旋的發(fā)展；在中高緯度，東北轉(zhuǎn)向的熱帶氣旋受其影響生命周期可能延長從而導(dǎo)致路徑延長。

總的來說，CWRF模式能夠合理的模擬出熱帶氣旋的頻數(shù)，對熱帶氣旋的路徑模擬仍存在偏差，有待進(jìn)一步提高。CWRF模式中U風(fēng)場與500 hPa位勢高度場的模擬偏差與熱帶氣旋頻數(shù)和路徑的模擬關(guān)系密切。本文僅討論了部分影響熱帶氣旋活動(dòng)的大尺度動(dòng)力場，用以解釋CWRF模式熱帶氣旋模擬偏差出現(xiàn)的原因尚不夠充分，在接下的研究中可以繼續(xù)對影響熱帶氣旋活動(dòng)的大氣動(dòng)力場和熱力場進(jìn)行系統(tǒng)的研究，通過減小它們的模擬偏差，實(shí)現(xiàn)CWRF模式模擬熱帶氣旋能力的提高。