鄔賢文,鄭運(yùn)霞,劉 瓊,魏 煜,陳勇航,趙兵科

(1. 東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620; 2. 中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海 200030; 3. 上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司,上海 200233)

0 引言

西北太平洋臺(tái)風(fēng)事件頻繁發(fā)生,極端天氣逐年增加,導(dǎo)致了風(fēng)暴潮、海浪等對(duì)沿海構(gòu)筑物的侵蝕問題日益突出[1-2],造成了人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)《中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》數(shù)據(jù)顯示,從2000—2018年,我國(guó)各種海洋災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為5 264億元,死亡(含失蹤)人口數(shù)為2 749人,而由臺(tái)風(fēng)引發(fā)的風(fēng)暴潮災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失為2 005.1億元,占全部直接經(jīng)濟(jì)損失的38.1%,造成死亡(含失蹤)人口占全部死亡人口數(shù)的30.4%,因此,要提前預(yù)防災(zāi)害、減少災(zāi)害造成的損失就要提高臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

目前臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)主要是采用數(shù)值模式,但是數(shù)值模式存在很大的不確定因素。其中,臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的模擬誤差主要來自2個(gè)方面,一個(gè)是海洋大氣運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)的誤差,另一個(gè)是模式本身的誤差。模式中物理參數(shù)化方案的不確定性是影響臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度模擬精度的重要誤差原因[3]。數(shù)值模式中的物理參數(shù)化方案主要有積云對(duì)流參數(shù)化方案、邊界層參數(shù)化方案和微物理參數(shù)化方案。

積云對(duì)流是臺(tái)風(fēng)形成過程中能量的主要來源和不可或缺的物理過程之一[4],在數(shù)值模擬中一般使用參數(shù)化的方法進(jìn)行處理[5]。由于各類參數(shù)化的閉合假設(shè)不同,使用的模式分辨率范圍也有所不同[6]。在模擬時(shí)1～10 km的水平分辨率范圍內(nèi)為使用積云對(duì)流參數(shù)的灰度帶,這是由于全球和區(qū)域氣候模型中傳統(tǒng)積云對(duì)流參數(shù)的許多假設(shè)在網(wǎng)格間距為1～10 km時(shí)不再有效[7-9],急需在業(yè)務(wù)中發(fā)展出適合分辨率小于10 km的積云對(duì)流參數(shù)化方案。10 km以下的模擬中是否使用積云對(duì)流參數(shù)化方案對(duì)模擬結(jié)果的影響還無法得到準(zhǔn)確的結(jié)論[10],對(duì)于高分辨率而言(小于4 km),許多研究建議采用顯式對(duì)流,不依賴于積云參數(shù)化方案,但在某些強(qiáng)對(duì)流地區(qū),在5 ～ 10 km 的水平分辨率下考慮使用積云對(duì)流過程[11]。大量研究表明:提高模式的水平分辨率能有效提升地形環(huán)流、水陸差異、臺(tái)風(fēng)、降水等模擬質(zhì)量,這可能與高分辨率模擬的潛熱釋放有關(guān)[12]。在很多情況下,分辨率主要是影響上升氣流的模擬,從而影響水汽凝結(jié)或云水蒸發(fā)過程。在高分辨率(1 ～ 5 km)下,大部分深對(duì)流可以使用云微物理解決[13]。提高水平、垂直分辨率往往能更好地模擬中小尺度結(jié)構(gòu)特征,并提高臺(tái)風(fēng)模擬的強(qiáng)度[14-15]。因此,文中基于COAWST(coupled ocean atmophere wave sediment transport, COAWST)海氣耦合模式模擬南海地區(qū)臺(tái)風(fēng)天氣,在模式雙向嵌套下討論9 km分辨率網(wǎng)格是否使用積云參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬的影響,評(píng)估不同方案下其對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬路徑和強(qiáng)度的影響差異,為提高臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和路徑預(yù)報(bào)水平提供參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 模式及設(shè)置

COAWST耦合模式由WARNER等[16]開發(fā)維護(hù),耦合模式包含了海洋模式ROMS(regional ocean modeling system, ROMS),大氣模式WRF(weather research &forcasting model, WRF),沉積物運(yùn)輸模式CSTMS(community sediment transport modeling system, CSTMS),以及波浪模式SWAN(simulating waves nearshore, SWAN)等,模式之間通過MCT(model coupling toolkit, MCT)耦合器交換數(shù)據(jù)。文中僅耦合WRF與ROMS,MCT耦合器進(jìn)行傳遞數(shù)據(jù)變量過程如圖1所示,大氣模式向海洋模式輸出水平風(fēng)場(chǎng)、大氣壓、相對(duì)濕度、氣溫、云、降水、長(zhǎng)波和短波輻射通量、感熱通量、潛熱通量,海洋模式向大氣模式輸送海表面溫度。

圖1 WRF和ROMS通過MCT傳遞變量Fig. 1 WRF and ROMS transfer variables through MCT

WRF模式采用NOAH陸面過程方案、Lin云微物理方案、YSU行星邊界層方案、RRTM長(zhǎng)波輻射方案和Dudhia短波輻射方案,模式層頂設(shè)置為10 hPa,垂直分層為60層,網(wǎng)格d01、d02分辨率分別為9、3 km,網(wǎng)格數(shù)為960×759,618×390,WRF模式spin up時(shí)間定為24 h。ROMS模式設(shè)置表面控制參數(shù)theta_s=5,底部的控制參數(shù)theta_b=0.4,表面/底部延伸寬度Tcline=50,直變換方程Vtransform和垂直延伸Vtransform均采用原始方案,模式設(shè)置單層網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為451×281,模式水平分辨率為0.1°×0.1°,垂直層數(shù)設(shè)置為16層。

1.2 數(shù)據(jù)

WRF大氣模式采用ERA5(https://www.ecmwf.int)再分析資料驅(qū)動(dòng),ERA5是ECMWF第五代全球氣候再分析資料,文中采用平分辨率為0.25°×0.25°的地面和高空數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為6 h。ROMS海洋模式初始數(shù)據(jù)從全球海洋模式HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model, HYCOM)中獲取,該數(shù)據(jù)包括了溫鹽、水位、流速等,ROMS所需要的潮汐數(shù)據(jù)來自于全球潮汐調(diào)和數(shù)據(jù)庫(kù)OTPS(OSU Tidal Prediction Software, OTPS),地形數(shù)據(jù)采用了NGDC(National Geophysical Data Center, NGDC)發(fā)布的全球高程數(shù)據(jù)ETOP01。文中所使用的臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度數(shù)據(jù)來自于中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心(http://tcdata.typhoon.org.cn)發(fā)布的最佳路徑數(shù)據(jù)[17-18]作為文中真值,數(shù)據(jù)包含臺(tái)風(fēng)路徑、臺(tái)風(fēng)中心附近最低氣壓以及最大風(fēng)速,路徑數(shù)據(jù)分辨率為0.1°,因此,文中選用 9 km網(wǎng)格輸出結(jié)果作為模式結(jié)果對(duì)比。

1.3 模式方案以及研究區(qū)域

ROMS模式網(wǎng)格使用單層網(wǎng)格,分辨率為0.1°×0.1°,網(wǎng)格范圍為4°～32°N,105°～150°E。WRF模式使用2層嵌套網(wǎng)格,模式使用蘭伯特投影,中心經(jīng)緯度位于南海北部,最外層為9 km分辨率,網(wǎng)格數(shù)為960×759,內(nèi)層網(wǎng)格為3 km分辨率。由于KF積云對(duì)流參數(shù)在模擬臺(tái)風(fēng)中能夠得到較好的副熱帶高壓環(huán)流和強(qiáng)度、以及較小的臺(tái)風(fēng)路徑誤差和較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度[19-21],因此,文中選用KF積云對(duì)流參數(shù)化方案。模擬方案設(shè)為2組,第1組為使用KF積云對(duì)流參數(shù)并嵌套高分辨率方案,記為控制方案;第2組同樣設(shè)置嵌套高分辨率,但不使用KF方案作為對(duì)照,記為無KF方案。將對(duì)照組模擬登陸廣東、海南地區(qū)的11個(gè)西行臺(tái)風(fēng)得到共22個(gè)模擬結(jié)果。

2 誤差統(tǒng)計(jì)

為了統(tǒng)計(jì)不同方案模擬結(jié)果,采用均方根誤差RMSE計(jì)算模擬24 h之后的臺(tái)風(fēng)路徑、最小海平面氣壓以及臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速的偏離程度。表1和表2分別展示了不同方案下臺(tái)風(fēng)路徑以及強(qiáng)度的模擬偏差。同時(shí)為了量化不同方案對(duì)不同臺(tái)風(fēng)個(gè)例的模擬表現(xiàn),分別對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑、氣壓以及風(fēng)速的誤差偏差劃分5類得分等級(jí),劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。不同方案下對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬的優(yōu)良表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)路徑、氣壓以及風(fēng)速的得分總計(jì), 表4為顯示不同方案下不同個(gè)例的得分情況。在11個(gè)個(gè)例中, 控制方案在得分超過無KF方案的個(gè)例有5個(gè),另有5個(gè)個(gè)例得分相等,僅有1個(gè)個(gè)例得分低于無KF方案,因此可以明顯地看到控制方案在臺(tái)風(fēng)模擬總體評(píng)分上明顯優(yōu)于無KF方案。同時(shí), 從表1和表2的平均均方根誤差來看, 控制方案的路徑誤差明顯較小,但在強(qiáng)度誤差方面來看,2種方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度誤差相差并不大。因此,由于控制方案在臺(tái)風(fēng)路徑的模擬上有較為明顯的優(yōu)勢(shì),且在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度方面與無KF方案類似,所以也可以認(rèn)為控制方案在臺(tái)風(fēng)模擬中表現(xiàn)最佳。接下來將在第3部分和第4部分分別討論控制方案與無KF方案在路徑和強(qiáng)度上對(duì)不同臺(tái)風(fēng)個(gè)例的模擬差異。

表1 不同方案和個(gè)例的臺(tái)風(fēng)路徑均方根誤差RMSETable 1 RMSE of typhoon tracks for different scenarios and individual cases

表2 不同方案和個(gè)例的強(qiáng)度均方根誤差RMSETable 2 Table 2RMSW of intenstity for different scenarios and individual cases

表3 得分及劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Scoring and classification criteria

表4 不同方案和個(gè)例的得分情況Table 4 Scores of different programs and individual cases

3 KF積云對(duì)流參數(shù)對(duì)路徑模擬的影響

將模擬結(jié)果對(duì)比最佳路徑來看,可以發(fā)現(xiàn)誤差結(jié)果可大致分為4類。第1類的2007號(hào)臺(tái)風(fēng),如圖2 (a)、 (e),由于控制方案與無KF方案模擬的副熱帶高壓差距較大,從路徑以及路徑誤差圖上可以看到無KF方案偏離最佳路徑較遠(yuǎn),造成臺(tái)風(fēng)路徑在模擬中后期誤差較大, 而控制方案相對(duì)誤差更小; 從圖2可看到,1213號(hào)臺(tái)風(fēng)以及1604號(hào)臺(tái)風(fēng)為代表的第2類和第3類臺(tái)風(fēng)均為控制方案副熱帶高壓模擬略強(qiáng)導(dǎo)致路徑相對(duì)南偏?？梢钥吹?213號(hào)臺(tái)風(fēng)在2種方案下模擬路徑均向東北偏移,1604號(hào)臺(tái)風(fēng)模擬的路徑則均向西南偏移。其他臺(tái)風(fēng)模擬中類似1213號(hào)臺(tái)風(fēng)模擬結(jié)果的還有1713號(hào)和1117號(hào)臺(tái)風(fēng),在控制方案下,模擬的1713號(hào)臺(tái)風(fēng)的路徑誤差全程較小,同樣,1117號(hào)臺(tái)風(fēng)在模擬中后期也有更小的誤差。而類似1604號(hào)臺(tái)風(fēng)的模擬個(gè)例有1319號(hào)以及1311號(hào)臺(tái)風(fēng),無KF方案路徑誤差均在模擬中后期開始相對(duì)較小,從這些模擬個(gè)例中可以看出大多數(shù)控制方案與無KF方案模擬的路徑相對(duì)位置沒有改變,即控制方案路徑相對(duì)南偏于無KF方案;最后一類顯示控制方案與無KF方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑類似,造成路徑誤差差異較小的如1622號(hào)臺(tái)風(fēng),如圖2(d)、(h),2種方案路徑以及路徑誤差基本接近,類似的臺(tái)風(fēng)模擬結(jié)果還有1522號(hào)臺(tái)風(fēng),以及1822號(hào)臺(tái)風(fēng)。因此,從這些例子可以認(rèn)為2個(gè)方案模擬的路徑差異特點(diǎn)比較明顯,與最佳路徑比較可以看出大部分控制方案模擬的結(jié)果誤差較小。

圖2 2種方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑及誤差Fig. 2 Typhoon tracks and track errors simulated by the two scenarios

西太平洋臺(tái)風(fēng)路徑主要受到西北太平洋副熱帶高壓以及引導(dǎo)氣流的影響。臺(tái)風(fēng)沿著高壓外圍移動(dòng),當(dāng)副熱帶高壓強(qiáng)度較高,并且呈現(xiàn)東西帶狀時(shí),位于其南側(cè)的臺(tái)風(fēng)能夠較為穩(wěn)定地向西行[22]。由于在9 km分辨率下控制方案和無KF方案在模擬臺(tái)風(fēng)路徑中主要產(chǎn)生了3種差異,文中將通過對(duì)比模擬的副熱帶高壓和引導(dǎo)氣流的差異來對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的差異做出討論分析。其中路徑模擬差異最大的為2007號(hào)臺(tái)風(fēng),相比控制方案模擬結(jié)果,無KF方案路徑在模擬中后期出現(xiàn)明顯向南偏移,嚴(yán)重偏離最佳路徑。其次,路徑差異較小如1213號(hào)臺(tái)風(fēng),控制方案路徑模擬稍偏南,在所有模擬中共有7個(gè)個(gè)例出現(xiàn)類似結(jié)果,占比最大。最后一類為兩種方案模擬的路徑相近,共有3例,如1822號(hào)臺(tái)風(fēng)。

圖3為2007、1213、1822號(hào)臺(tái)風(fēng)模擬的臺(tái)風(fēng)路徑和第48小時(shí)的臺(tái)風(fēng)中心及588線。圖4為控制方案與無KF方案下模擬的500 hPa高度下的風(fēng)場(chǎng)以及588線代表的副熱帶高壓?？梢詮娘L(fēng)場(chǎng)看到,臺(tái)風(fēng)中心緊挨著副熱帶高壓西南側(cè),主要受到東風(fēng)氣流引導(dǎo)。2007號(hào)臺(tái)風(fēng)在模擬中后期由于控制方案模擬的副熱帶高壓范圍在南海區(qū)域范圍更廣,與其他研究類似[23],副熱帶高壓強(qiáng)弱不同導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)與副熱帶高壓邊緣風(fēng)場(chǎng)氣流出現(xiàn)明顯差異,控制方案引導(dǎo)流入的風(fēng)速較偏北,這也是促使二者模擬臺(tái)風(fēng)路徑差異的原因之一。同時(shí)無KF方案副熱帶高壓在陸地上模擬結(jié)果相對(duì)較強(qiáng),范圍較廣,導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)南偏,這也同樣預(yù)示著48 h后臺(tái)風(fēng)路徑的持續(xù)差異。

圖3 2種方案的臺(tái)風(fēng)路徑以及第48小時(shí)的臺(tái)風(fēng)中心和588線Fig. 3 Typhoon tracks for both scenarios and the typhoon center and 588 line for the 48 th hour

控制方案與無KF方案下模擬1213號(hào)臺(tái)風(fēng)的路徑差距較小,可以很明顯地看到KF方案模擬的副熱帶高壓范圍略強(qiáng),如圖3(b)中南海部分以及廣東廣西地區(qū)和南海地區(qū)紅藍(lán)虛線范圍。在500 hPa風(fēng)場(chǎng)圖上可以看到,二者的風(fēng)場(chǎng)環(huán)流形勢(shì)比較接近,因此,臺(tái)風(fēng)路徑差異可能主要由路徑右前方模擬的副熱帶高壓位置決定,副熱帶高壓范圍較大、強(qiáng)度偏強(qiáng)、臺(tái)風(fēng)的路徑就也隨之偏南。

從1822號(hào)臺(tái)風(fēng)模擬個(gè)例的路徑結(jié)果上看,圖3(c)展示的模擬路徑差異很小,對(duì)比圖4(c)、(f)來看,東風(fēng)氣流差距很小,588線范圍也十分相似,因此氣流和副熱帶高壓模擬差異很小,導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)路徑?jīng)]有相對(duì)明顯的差異。

圖4 2種方案在第48小時(shí)的500 hPa高度風(fēng)場(chǎng)以及588線Fig. 4 500 hPa height wind field and 588 line for both scenarios at the 48th hour moment,wind speed unit

總的來說,積云對(duì)流參數(shù)化方案可以通過模擬臺(tái)風(fēng)的副熱帶高壓強(qiáng)度、范圍來影響臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑。與臺(tái)風(fēng)接近的588線也可能通過影響臺(tái)風(fēng)吸入的氣流方向來影響臺(tái)風(fēng)的移動(dòng),而西行臺(tái)風(fēng)基本沿著副熱帶高壓南緣移動(dòng),因此,臺(tái)風(fēng)路徑右前方的副熱帶高壓西南邊緣是影響臺(tái)風(fēng)移動(dòng)的主要因素。總的來說,可以確定在9 km分辨率下,控制方案模擬的副熱帶高壓相對(duì)更強(qiáng),導(dǎo)致模擬的臺(tái)風(fēng)路徑較為南偏。

4 KF積云對(duì)流參數(shù)對(duì)強(qiáng)度模擬的影響

在模擬結(jié)果中,采用控制方案和無KF方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)基本一致,其中存在兩者方案的臺(tái)風(fēng)模擬強(qiáng)度幾乎近似的情況,如1311和1319號(hào)臺(tái)風(fēng)。也存在兩者強(qiáng)度誤差均過大的情況,如1319、1522以及2007號(hào)臺(tái)風(fēng),因此下文將不再對(duì)上述4個(gè)個(gè)例進(jìn)行歸類,將剩下的7例模擬結(jié)果進(jìn)行分析,得到的差異基本可以分為3類。第1類表現(xiàn)為控制方案在臺(tái)風(fēng)發(fā)展和成熟階段模擬的強(qiáng)度均相對(duì)偏大,如圖5(a)～(d)所示為1415號(hào)臺(tái)風(fēng),從海平面最小氣壓以及10 m最大風(fēng)速模擬情況和誤差大小可以看到,采用控制方案的風(fēng)速和氣壓更強(qiáng),無KF方案在42 h之前模擬強(qiáng)度一直低于最佳路徑以及控制方案,而控制方案在30 h后基本達(dá)到最佳路徑強(qiáng)度,在42～54 h內(nèi)無論是在氣壓還是風(fēng)速方面,均強(qiáng)于最佳路徑和無KF方案。從誤差上來看,控制方案在風(fēng)速模擬方面明顯優(yōu)于無KF方案,但在氣壓方面,控制方案在臺(tái)風(fēng)成熟階段以及臺(tái)風(fēng)消散階段模擬的強(qiáng)度偏強(qiáng),從而造成模擬誤差略大。

假相當(dāng)位溫θse是一個(gè)將溫度、氣濕度涵蓋在一起的綜合物理量,它代表氣塊干絕熱上升過程中將所有水汽凝結(jié)后釋放潛熱加熱空氣后再干絕熱下降到1 000 hPa時(shí)具有的溫度。采用BOLTON[24]給出的計(jì)算公式得到θse,可利用θse隨垂直高度的變化來判斷對(duì)流不穩(wěn)定[25-26],θse隨高度的增加而減小表示對(duì)流不穩(wěn)定,反之則為對(duì)流穩(wěn)定,θse隨高度變化不變時(shí)為對(duì)流中性,文中θse為臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)(距臺(tái)風(fēng)中心111 km)的平均值。從圖5(e)、(f)中可以看到二者在42 h以及48 h下對(duì)流不穩(wěn)定的高度接近,但控制方案在對(duì)流層中模擬的臺(tái)風(fēng)中心θse均偏高于無KF方案,同時(shí)也可以看到圖6中控制方案模擬的對(duì)流層低層下臺(tái)風(fēng)眼壁垂直速度在36 h后風(fēng)速略強(qiáng)于無KF方案,這些導(dǎo)致控制方案在對(duì)流不穩(wěn)定的對(duì)流層中下層向上帶入的潛熱較多,能夠更好地維持臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度。這可以解釋為什么控制方案的強(qiáng)度相對(duì)無KF方案更強(qiáng)。

圖5 1415號(hào)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度以及在42 h和48 h下臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)平均假相當(dāng)位溫Fig. 5 Typhoon 1415 intensity and error and the average pseudo-equivalent temperature in the inner core of the typhoon at 42 hours and 48 hours

圖6 1415號(hào)臺(tái)風(fēng)在800 hPa高度臺(tái)風(fēng)方位角平均垂直速度Fig. 6 Typhoon 1415 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

從1415號(hào)臺(tái)風(fēng)模擬結(jié)果可以認(rèn)為控制方案得到的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度誤差較小,類似情況還有1622號(hào)以及1822號(hào)臺(tái)風(fēng),這2個(gè)個(gè)例在2種方案下模擬的強(qiáng)度相比最佳路徑強(qiáng)度略偏弱,并且模擬θse的差異不明顯,但控制方案在對(duì)流層低層模擬的臺(tái)風(fēng)眼壁垂直風(fēng)速略微偏強(qiáng),導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度在模擬中略微較強(qiáng),因此控制方案誤差偏小。而也有出現(xiàn)2種方案模擬強(qiáng)度均偏強(qiáng)于最佳數(shù)據(jù)的情況,但由于控制方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度明顯偏強(qiáng),導(dǎo)致模擬的強(qiáng)度誤差較大,如1117號(hào)臺(tái)風(fēng)。

第2類情況表現(xiàn)為控制方案在模擬臺(tái)風(fēng)發(fā)展階段的強(qiáng)度較強(qiáng),但在臺(tái)風(fēng)成熟階段強(qiáng)度明顯減弱。如圖7,以1213號(hào)臺(tái)風(fēng)為例,控制方案在臺(tái)風(fēng)發(fā)展階段模擬的氣壓和風(fēng)速在臺(tái)風(fēng)發(fā)展階段差異很小,誤差也比較接近,控制方案在24 h開始后強(qiáng)度略強(qiáng)于最佳路徑和無KF方案,但是當(dāng)模擬達(dá)到42 h左右的臺(tái)風(fēng)成熟階段,控制方案臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度明顯不再增強(qiáng),而無KF方案模擬的臺(tái)風(fēng)在42 h后依舊發(fā)展,強(qiáng)度逐漸接近并達(dá)到最佳路徑臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度。從圖7(e)、(f)的第42 小時(shí)可以看到控制方案的對(duì)流不穩(wěn)定高度僅僅只達(dá)到了650 hPa,而無KF方案則達(dá)到了550 hPa,第48 小時(shí)下控制方案在900～800 hPa高度間出現(xiàn)明顯的對(duì)流穩(wěn)定。同時(shí)對(duì)比圖8在2種方案模擬下得到的臺(tái)風(fēng)眼壁垂直風(fēng)速,無KF方案大約在42 h后模擬的垂直速度明顯較強(qiáng),這都表明控制方案在模擬臺(tái)風(fēng)成熟階段中可能在對(duì)流層中低層出現(xiàn)部分范圍的對(duì)流穩(wěn)定,從而抑制臺(tái)風(fēng)眼壁的垂直速度,進(jìn)而抑制臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的發(fā)展,同時(shí)無KF方案在對(duì)流中低層模擬較強(qiáng)的垂直風(fēng)速導(dǎo)致向?qū)α髦猩蠈訋敫嗟臐摕?使之模擬出更高的暖心和更強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)。從模擬結(jié)果上看,2種方案誤差表現(xiàn)接近,但無KF方案在臺(tái)風(fēng)成熟階段模擬的表現(xiàn)較好,而類似的模擬情況還有1604號(hào)臺(tái)風(fēng)。

圖7 1213號(hào)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度以及42 h和48 h下臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)平均假相當(dāng)位溫Fig. 7 Typhoon 1213 intensity and error and the average pseudo-equivalent temperature in the inner core of the typhoon at 42 hours and 48 hours

圖8 1213號(hào)臺(tái)風(fēng)的在800 hPa高度臺(tái)風(fēng)方位角平均垂直速度Fig. 8 Typhoon 1213 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

最后一類情況為無KF方案模擬強(qiáng)度明顯強(qiáng)于控制方案,如圖9,1713號(hào)臺(tái)風(fēng)與其他個(gè)例模擬結(jié)果明顯不同,無KF方案在這個(gè)個(gè)例中模擬的強(qiáng)度無論在風(fēng)速還是在氣壓上均明顯強(qiáng)于控制方案,從誤差上來看,只有無KF方案在臺(tái)風(fēng)最大強(qiáng)度模擬達(dá)到了最佳路徑的最小氣壓,但在臺(tái)風(fēng)發(fā)展和消散階段的強(qiáng)度誤差均明顯較大。在風(fēng)速模擬上,無KF方案模擬強(qiáng)度明顯過強(qiáng),誤差明顯過大,而控制方案明顯誤差更小。從圖9的2種方案模擬θse上看到二者的臺(tái)風(fēng)暖心以及對(duì)流不穩(wěn)定高度基本一致,而圖10無KF方案在對(duì)流低層模擬的垂直速度在3 h之后出現(xiàn)明顯偏大于控制方案,這導(dǎo)致無KF方案在對(duì)流不穩(wěn)定的對(duì)流中下層向上帶入的潛熱更多,同時(shí)模擬的10 m風(fēng)速誤差也是從這個(gè)時(shí)刻開始加大,因此,無KF方案在對(duì)流低層模擬過高的垂直速度應(yīng)該是造成明顯誤差的原因。

圖9 1713號(hào)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、誤差以及42 h和48 h下臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)平均假相當(dāng)位溫Fig. 9 Typhoon 1713 intensity and error and the average pseudo-equivalent temperature in the inner core of the typhoon at 42 hours and 48 hours

圖10 1713號(hào)臺(tái)風(fēng)的在800 hPa高度的臺(tái)風(fēng)方位角平均垂直速度Fig. 10 Typhoon 1713 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

總的來說,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定以及對(duì)流低層的垂直速度有明顯的關(guān)系,不同方案下模擬的臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)對(duì)流不穩(wěn)定高度差異雖然不大,但對(duì)流層低層臺(tái)風(fēng)眼壁垂直風(fēng)速在不同方案以及不同臺(tái)風(fēng)個(gè)例模擬中出現(xiàn)不同的相對(duì)強(qiáng)弱表現(xiàn)。在與最佳路徑的強(qiáng)度對(duì)比中并沒有出現(xiàn)明顯偏好于某個(gè)方案的結(jié)論。

5 結(jié)論

文中使用COAWST海氣耦合模式通過模擬登陸廣東、海南的11個(gè)西行臺(tái)風(fēng),分析9 km分辨率下是否使用KF方案對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度的模擬情況。主要結(jié)論如下:

1)為了綜合評(píng)判模擬結(jié)果,利用中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心對(duì)比模擬24 h后的臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度結(jié)果,通過RMSE計(jì)算并將模擬結(jié)果在路徑、強(qiáng)度方面的誤差劃分為5個(gè)得分等級(jí),通過每個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例在不同方案下的得分情況可知,控制方案有5個(gè)個(gè)例綜合表現(xiàn)情況較優(yōu),還有5個(gè)個(gè)例與無KF方案的結(jié)果持平,僅有1個(gè)個(gè)例表現(xiàn)劣于無KF方案,使用控制方案模擬結(jié)果總體較優(yōu)。因此,建議在模式9 km水平分辨率下模擬南海地區(qū)西行臺(tái)風(fēng)中使用KF積云對(duì)流參數(shù)化方案。

2)對(duì)比路徑誤差來看,雖然是否使用KF參數(shù)在不同個(gè)例上的總體表現(xiàn)差異并不是很大,比如控制方案模擬路徑得到結(jié)果較好的個(gè)例占5/11,比例接近一半,但平均11個(gè)個(gè)例中的RMSE得到的誤差更小,可以認(rèn)為在9 km水平分辨率下使用KF方案能夠更好地模擬臺(tái)風(fēng)路徑。相比無KF方案,控制方案模擬的副熱帶高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)造成臺(tái)風(fēng)路徑相對(duì)南偏。

3)從強(qiáng)度誤差來看,是否使用KF方案模擬臺(tái)風(fēng)中心附近的海平面最小氣壓平均RMSE的差異很小,但控制方案在模擬臺(tái)風(fēng)中心附近10 m風(fēng)速的平均RMSE上明顯更小,可以認(rèn)為在9 km分辨率下,使用KF積云對(duì)流參數(shù)化方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度誤差較小。從模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn),2種方案下得到的臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)的對(duì)流不穩(wěn)定高度十分接近,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與對(duì)流層低層的臺(tái)風(fēng)眼壁垂直速度相關(guān),臺(tái)風(fēng)眼壁垂直速度越大,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)。