西北太平洋臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)的數(shù)值模擬

王詠青，宋天元，梁駒，潘維玉

(南京信息工程大學(xué)1.氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

西北太平洋臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)的數(shù)值模擬

王詠青1，2，宋天元1，2，梁駒1，2，潘維玉1，2

(南京信息工程大學(xué)1.氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

利用中尺度氣象模式WRF(weather research and forecasting)對(duì)2006年7月1日—9月30日的西北太平洋夏季臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)試驗(yàn)。結(jié)果表明:1)在對(duì)3個(gè)月以?xún)?nèi)的臺(tái)風(fēng)作動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)試驗(yàn)時(shí)，WRF模式模擬的臺(tái)風(fēng)總個(gè)數(shù)與實(shí)況接近，模式模擬的總登陸臺(tái)風(fēng)數(shù)與實(shí)況相比偏小。從各月模擬情況看，臺(tái)風(fēng)總數(shù)與登陸數(shù)的模擬均與實(shí)況有差距。WRF模式對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬總體偏弱。2)WRF在模擬2006年7—9月臺(tái)風(fēng)以及平均高度場(chǎng)、水平風(fēng)垂直切變時(shí)，7月與實(shí)況接近，隨時(shí)間增長(zhǎng)，與實(shí)況的差別明顯增大。WRF模式具有一定的臺(tái)風(fēng)動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)能力，但其預(yù)報(bào)時(shí)限有待探討。

WRF模式;臺(tái)風(fēng);季節(jié)預(yù)報(bào)

0 引言

臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)對(duì)沿海城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要意義。它影響到保險(xiǎn)、地產(chǎn)和服裝等多個(gè)行業(yè)的發(fā)展方針，也影響到城市管理和決策部門(mén)的各項(xiàng)工作。因此，發(fā)展臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)對(duì)國(guó)家政策管理和實(shí)體經(jīng)濟(jì)都有重大意義。

在20世紀(jì)80年代有研究希望利用氣候模式來(lái)實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)的季節(jié)預(yù)報(bào)，如Manabe et al.(1970)第一次描述了在低分辨率GCM模式中找到的、與觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)相似的擾動(dòng)。Bengtsson et al.(1982)利用歐洲中心的可操作模式對(duì)典型颶風(fēng)強(qiáng)度作了研究，模擬結(jié)果與同時(shí)間同地點(diǎn)的實(shí)測(cè)臺(tái)風(fēng)十分相似。但由于受到模式分辨率、參數(shù)方案和計(jì)算機(jī)性能等各種技術(shù)條件的制約，導(dǎo)致氣候模式無(wú)法對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行很好地描述，因此其試驗(yàn)得到的類(lèi)臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)與實(shí)際臺(tái)風(fēng)相比強(qiáng)度明顯偏弱，尺度明顯偏大。由此可以看到，穩(wěn)定性和高分辨率是臺(tái)風(fēng)動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)對(duì)模式的最基本要求。

Nicholls(1979)和Gray(1984a，1984b)針對(duì)澳大利亞地區(qū)和北大西洋地區(qū)做了臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)試驗(yàn)。結(jié)果表明:很多氣候要素因子可以對(duì)臺(tái)風(fēng)季節(jié)活動(dòng)起到指示作用。如Darwen地區(qū)冬季海平面氣壓與10—12月的臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有顯著相關(guān)(Nicholls，1979);厄爾尼諾和QBO(quasi-biennial oscillation)也與大西洋颶風(fēng)季節(jié)頻率呈較穩(wěn)定的負(fù)相關(guān)(Gray，1984a)。

目前，臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)在國(guó)際上正處于興起的階段。為了促進(jìn)臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)的發(fā)展，2006年在圣約瑟召開(kāi)的世界氣象組織第6次會(huì)議上提出并正式確立臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)為主要研究課題(Camargo et al.，2007)。隨著臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)的改善，臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)的精細(xì)化預(yù)報(bào)也得到進(jìn)一步發(fā)展，其利用價(jià)值和利用前景是很可觀的。

從全球氣候模式到區(qū)域氣候模式，人們嘗試各種手段進(jìn)行臺(tái)風(fēng)氣候變化的研究。Chauvin et al.(2006)提到，由于臺(tái)風(fēng)的水平尺度在幾百公里到幾千公里的范圍，相對(duì)全球模式來(lái)講范圍很小，但卻進(jìn)行著大量的能量循環(huán)，其熱力學(xué)機(jī)制十分復(fù)雜，使用GCM全球氣候模式的最高分辨率亦無(wú)法詳細(xì)描述臺(tái)風(fēng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另一方面，GCM全球模式也不具備描述臺(tái)風(fēng)的微物理方案。因此，全球模式對(duì)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)性能有諸多爭(zhēng)論。Henderson et al.(1998)和IPCC第3次評(píng)估報(bào)告(Camargo et al.，2007)指出，基于不同模式的研究結(jié)論并不統(tǒng)一，所以目前還無(wú)法確定在全球變暖條件下臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的變化。到了21世紀(jì)，隨著技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展較成熟的高分辨率區(qū)域氣候模式成為了人們新的選擇。McDonald et al.(2005)利用氣候模式診斷了氣候變化對(duì)臺(tái)風(fēng)的影響。目前基于動(dòng)力模式發(fā)布的熱帶風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)性季節(jié)預(yù)報(bào)，主要是針對(duì)大西洋地區(qū)。主要的預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)有:IRI(International Research Institute for Climate and Society);ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts);UK Meteorological Office。根據(jù)Vitart(2006)分析表明，ECMWF預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)12 a的大西洋熱帶氣旋季節(jié)預(yù)報(bào)有較高的預(yù)報(bào)技巧。Belanger et al.(2010)已經(jīng)開(kāi)始研究各月的季節(jié)內(nèi)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)，結(jié)果顯示模式系統(tǒng)可以廣泛抓住不同概率臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的大尺度區(qū)域特別是針對(duì)大西洋臺(tái)風(fēng)主要發(fā)生區(qū)在季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度上集成預(yù)報(bào)技術(shù)與氣候預(yù)報(bào)相似。Vitart(2006)的研究結(jié)果也支持使用動(dòng)力模式進(jìn)行臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)。

我國(guó)目前已建成國(guó)家及區(qū)域氣象中心和省級(jí)氣象臺(tái)站的臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)體系(許映龍等，2010)，但對(duì)于臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)仍主要依賴(lài)統(tǒng)計(jì)相似技術(shù)(黃建平和王紹武，1991;孫興池等，2002;李博和趙思雄，2009)。國(guó)家氣候中心新近引進(jìn)了夏威夷大學(xué)國(guó)際太平洋研究中心高分辨率區(qū)域氣候模式，蘇志重等(2010)檢驗(yàn)了該模式臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)的能力，認(rèn)為該模式對(duì)西北太平洋熱帶氣旋大尺度環(huán)境場(chǎng)具有較好的刻畫(huà)能力，但對(duì)于季節(jié)尺度預(yù)測(cè)問(wèn)題，還存在熱帶氣旋頻數(shù)在南海地區(qū)預(yù)測(cè)偏多，北上預(yù)測(cè)偏少的問(wèn)題。

夏季7—9月是全年西太平洋(包括南海)臺(tái)風(fēng)(包括熱帶風(fēng)暴)主要生成時(shí)段。大部分的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和登路臺(tái)風(fēng)都是在這段時(shí)間發(fā)生的。每年臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的大風(fēng)與暴雨災(zāi)害給我國(guó)帶來(lái)人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

美國(guó)高分辨率中尺度數(shù)值模式WRF(weather research and forecasting)作為研究中尺度系統(tǒng)的主要數(shù)值模式之一，天氣預(yù)報(bào)水平較好，具有廣闊的應(yīng)用前景。WRF模式已在中尺度系統(tǒng)和臺(tái)風(fēng)個(gè)例等方面的研究方面得到廣泛應(yīng)用(馬玉芬等，2009;祁秀香和智協(xié)飛，2009;沈桐立等，2010)，而在臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)方面應(yīng)用較少。本文針對(duì)臺(tái)風(fēng)的多發(fā)時(shí)段(夏季7—9月)，利用美國(guó)中尺度氣象模式WRF進(jìn)行臺(tái)風(fēng)動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)嘗試，并希望借此為以后的研究提供參考。

1 模式與數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

選用WRF模式(章國(guó)才，2004)，模擬區(qū)域中心為145°E、27°N，網(wǎng)格距為27 km，網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)為351×349;垂直方向分為28個(gè)不等距的σ層，模式頂層氣壓為50 hPa。采用Ferrier微物理方案、改進(jìn)的Betts-Miller對(duì)流調(diào)整方案、Betts-Miller-Jajic積云對(duì)流參數(shù)化方案;同時(shí)采用YSU邊界層方案、Goddard短波輻射和RRTM長(zhǎng)波輻射方案。模式的初始條件、側(cè)邊界條件及海表面溫度均采用NCEP/NCAR每6 h一次的全球再分析資料(The National Centers for Environmental Prediction global final analysis，F(xiàn)NL)，積分時(shí)間2006年7月1日00時(shí)—9月31日18時(shí)(世界時(shí)，下同)，共積分3個(gè)月，共計(jì)92 d，每6 h輸出一次模式結(jié)果。

2 臺(tái)風(fēng)定位與追蹤方案

分析數(shù)值模式對(duì)臺(tái)風(fēng)的模擬結(jié)果時(shí)，需要用到臺(tái)風(fēng)定位與追蹤方案。從模式資料中確定臺(tái)風(fēng)的位置和路徑，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)找出海平面氣壓最小值的位置來(lái)確定臺(tái)風(fēng)中心位置，簡(jiǎn)稱(chēng)其為SLP(sea lever pressure)分析法。具體做法是根據(jù)模式輸出資料中的海平面氣壓場(chǎng)，對(duì)臺(tái)風(fēng)中心位置進(jìn)行預(yù)估，再?gòu)呐_(tái)風(fēng)中心預(yù)估位置為中心的7°×7°區(qū)域內(nèi)確定海平面氣壓最小值位置，從而確定臺(tái)風(fēng)中心位置。

然而，由于臺(tái)風(fēng)各種特殊的結(jié)構(gòu)與特征，海平面氣壓低值僅為臺(tái)風(fēng)特征的一個(gè)方面，僅以SLP分析法確定臺(tái)風(fēng)中心的位置雖能得到接近的臺(tái)風(fēng)中心位置，卻忽略了臺(tái)風(fēng)的其他特征如臺(tái)風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)特征與較大渦度，使得所得模擬臺(tái)風(fēng)中心位置可信度降低。要得到可信度較高的模擬臺(tái)風(fēng)中心位置與路徑資料需要在模式資料中對(duì)臺(tái)風(fēng)各種特征進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算來(lái)提取。Camargo and Zebiak(2002)曾對(duì)模式資料的臺(tái)風(fēng)中心與路徑資料提取進(jìn)行研究，在不同的海盆區(qū)域內(nèi)選用不同的閾值，對(duì)海平面氣壓、渦度以及暖心結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行分析來(lái)對(duì)模式資料的臺(tái)風(fēng)中心與路徑資料進(jìn)行提取，從而獲得精度較高的模擬臺(tái)風(fēng)中心與路徑資料。

為了提高測(cè)取模擬臺(tái)風(fēng)中心位置的精度，得到可信度較高的模擬臺(tái)風(fēng)中心位置與路徑，本文除了利用SLP分析外，還參考了Camargo and Zebiak(2002)的臺(tái)風(fēng)中心位置檢測(cè)方法，利用SLP分析與暖心結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合的方法，根據(jù)模式輸出資料中的海平面氣壓場(chǎng)預(yù)估臺(tái)風(fēng)中心位置，從臺(tái)風(fēng)中心預(yù)估位置為中心的7°×7°區(qū)域內(nèi)確定海平面氣壓最小值位置，得到初估臺(tái)風(fēng)中心與路徑，再對(duì)各個(gè)初估臺(tái)風(fēng)過(guò)程的暖心結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，剔除無(wú)顯著暖心結(jié)構(gòu)初估臺(tái)風(fēng)過(guò)程，最終確定模擬臺(tái)風(fēng)中心與路徑，定義其為SLP_W分析法，得到模式中的臺(tái)風(fēng)位置及其路徑(圖1b)。圖1a顯示了2006年7月1日00時(shí)—9月31日18時(shí)西北太平洋臺(tái)風(fēng)的實(shí)際路徑，資料取自JMA(Japan Meteorological Agency)的臺(tái)風(fēng)最優(yōu)路徑集(best track data set)。

3 模式模擬結(jié)果與實(shí)況的對(duì)比分析

3.1 臺(tái)風(fēng)頻率的模擬效果

圖1 2006年7—9月實(shí)況(a)與模擬(b)的西北太平洋臺(tái)風(fēng)路徑(實(shí)況資料取自日本氣象廳的最優(yōu)路徑資料)Fig.1 The contrast between tracking of tropical cyclones from(a)JMA data and(b)simulations over the western North Pacific from July to September 2006

2006年7—9月具有臺(tái)風(fēng)活動(dòng)多，臺(tái)風(fēng)路徑復(fù)雜的特點(diǎn)(圖1b)。7月上中旬有“碧麗絲”等臺(tái)風(fēng)，8月上旬有臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”、超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“寶霞”等3個(gè)臺(tái)風(fēng)，中旬也有強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“悟空”和熱帶風(fēng)暴“清松”同時(shí)在西太平洋洋面上活動(dòng)。其間，一共有13個(gè)臺(tái)風(fēng)發(fā)生，其中有9個(gè)登陸臺(tái)風(fēng)，占臺(tái)風(fēng)總數(shù)69%。7月生成的3個(gè)臺(tái)風(fēng)均為登陸臺(tái)風(fēng)。生成臺(tái)風(fēng)最多月為8月，但登陸臺(tái)風(fēng)所占8月臺(tái)風(fēng)總數(shù)百分比較小。9月生成的3個(gè)臺(tái)風(fēng)中2個(gè)為登陸臺(tái)風(fēng)(表1，表2)。模擬結(jié)果顯示:2006年7—9月模式中一共有13個(gè)臺(tái)風(fēng)生成，與實(shí)況一致;模式模擬7、8月發(fā)生的臺(tái)風(fēng)數(shù)目與實(shí)況數(shù)目有差別，但8月模擬臺(tái)風(fēng)數(shù)最多，與實(shí)況相符;9月模擬臺(tái)風(fēng)發(fā)生個(gè)數(shù)與實(shí)況相符，均為3個(gè);模擬登陸臺(tái)風(fēng)總數(shù)僅比實(shí)況臺(tái)風(fēng)登陸總數(shù)少1個(gè)，與實(shí)況相差不大;7月模擬臺(tái)風(fēng)中臺(tái)風(fēng)登陸數(shù)與總數(shù)比達(dá)到100%，與實(shí)況一致。9月模擬登陸臺(tái)風(fēng)占總數(shù)百分比最小，與實(shí)況的8月為登陸臺(tái)風(fēng)占總數(shù)百分比為最小的情況有差別。綜合來(lái)看，本次模擬對(duì)臺(tái)風(fēng)頻數(shù)的模擬效果較好。

表1 2006年7—9月實(shí)況與模擬的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)Table 1 The number of tropical cyclones provided by JMA data and by simulations from July to September 2006

表2 2006年7—9月實(shí)況與模擬的臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓Table 2 The minimum pressure in the center of tropical cyclones provided by JMA data and by simulations from July to September2006

表2給出2006年7—9月實(shí)況與模擬臺(tái)風(fēng)中心海平面最低氣壓對(duì)比，結(jié)果表明:模式模擬的臺(tái)風(fēng)海平面最低中心氣壓最低達(dá)到939.3 hPa，高于實(shí)況最低值910 hPa，強(qiáng)度偏弱;模式模擬的臺(tái)風(fēng)與實(shí)況相比最低中心氣壓平均值較大，強(qiáng)度總體偏弱，這一結(jié)論與沈新勇等(2010)得到的結(jié)論一致。模擬結(jié)果中各臺(tái)風(fēng)中心海平面氣壓比實(shí)際情況更趨于平均，很難表現(xiàn)超低壓臺(tái)風(fēng)和較高壓臺(tái)風(fēng)這種極端情況。但模擬結(jié)果表現(xiàn)出了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)弱的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，在模擬結(jié)果中也會(huì)出現(xiàn)中心氣壓很低的臺(tái)風(fēng)，但程度要比實(shí)況弱一些。

3.2 環(huán)境場(chǎng)的模擬效果及對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的影響

在進(jìn)行熱帶氣旋季節(jié)預(yù)報(bào)過(guò)程中，環(huán)流背景場(chǎng)的預(yù)報(bào)是極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。500 hPa高度場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)有著很好的引導(dǎo)作用，特別是西太平洋副熱帶高壓的位置、強(qiáng)度對(duì)夏季西北太平洋臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)趨勢(shì)有著很好的指示作用(徐明等，2009)。因此，對(duì)臺(tái)風(fēng)生成和活動(dòng)的環(huán)流背景進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析有助于對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的判斷。

從過(guò)去的研究結(jié)果來(lái)看，臺(tái)風(fēng)的生成條件主要有4方面:海表溫度高于26～27℃;具有初始擾動(dòng);風(fēng)垂直切變較小;有一定的地轉(zhuǎn)偏向力作用。其中，水平風(fēng)場(chǎng)的垂直切變是熱帶氣旋發(fā)展和移動(dòng)的重要因素。環(huán)境風(fēng)垂直切變與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有較好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，強(qiáng)的風(fēng)垂直切變能抑制熱帶氣旋在環(huán)境切變氣流中的發(fā)生和發(fā)展，較大的風(fēng)垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)的發(fā)展有著較強(qiáng)抑制作用。一般認(rèn)為，臺(tái)風(fēng)發(fā)生在風(fēng)垂直切變較弱的區(qū)域內(nèi)。對(duì)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)垂直切變背景場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，能更好地了解臺(tái)風(fēng)未來(lái)的發(fā)生發(fā)展，提高臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)能力。

3.2.1 實(shí)況與模擬的引導(dǎo)氣流、臺(tái)風(fēng)路徑與登陸情況對(duì)比分析

圖2中虛線是各月500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)的平均值，為了更精確的考慮500 hPa環(huán)境場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的影響，這里剔除了沒(méi)有臺(tái)風(fēng)時(shí)次的數(shù)據(jù)。由圖2a可以看到在7月500 hPa的平均位勢(shì)高度場(chǎng)中，西太平洋副熱帶高壓呈帶狀分布，西脊點(diǎn)西伸至120°E附近，在副熱帶高壓底后部有持續(xù)的東南氣流作為臺(tái)風(fēng)的引導(dǎo)氣流。因此，7月實(shí)況中的3個(gè)臺(tái)風(fēng)的活動(dòng)范圍很集中，主要集中在副熱帶高壓的底后部并沿引導(dǎo)氣流向西北方向運(yùn)動(dòng)。使得臺(tái)風(fēng)在我國(guó)東南沿海登陸。轉(zhuǎn)向臺(tái)風(fēng)的路徑也與副熱帶高壓外圍的引導(dǎo)氣流方向十分接近。從圖中可以看到，實(shí)況臺(tái)風(fēng)資料中7月的3個(gè)臺(tái)風(fēng)均為登陸臺(tái)風(fēng)，單月登陸百分比達(dá)到100%。在模擬結(jié)果中也可以看到相似的情況。在圖2b中西太平洋副熱帶高壓的西脊點(diǎn)在135°E附近，與實(shí)況相比偏東15個(gè)緯度，引導(dǎo)氣流也比實(shí)況中的方向偏北，但仍以東南氣流為主。所以模擬出的臺(tái)風(fēng)在引導(dǎo)氣流的影響下，主要向西北方向運(yùn)動(dòng)。由于引導(dǎo)氣流偏南分量較大，出現(xiàn)了北行路徑的臺(tái)風(fēng)。模擬出的4個(gè)臺(tái)風(fēng)均為登陸臺(tái)風(fēng)，單月登陸百分比達(dá)到100%與實(shí)況一致。

圖2c是2006年8月500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)與臺(tái)風(fēng)實(shí)際路徑的合成。西太平洋副熱帶高壓很弱，環(huán)流場(chǎng)趨于東西向的緯向特征。因此，臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)范圍十分廣泛。從圖中可以看到，8月一共有7個(gè)臺(tái)風(fēng)。由于引導(dǎo)氣流不明顯，臺(tái)風(fēng)路徑十分復(fù)雜。包括3個(gè)西北行臺(tái)風(fēng)在我國(guó)東南沿海登陸，1個(gè)東北向短時(shí)臺(tái)風(fēng)，和3個(gè)轉(zhuǎn)向臺(tái)風(fēng)。圖2d是相同條件下的模擬結(jié)果，可以看到在50°N以南130°E附近有一條東北西南向的低壓槽，這在實(shí)況中并不明顯。槽前的西南氣流對(duì)8月模擬結(jié)果中臺(tái)風(fēng)路徑有很大影響，它使大部分臺(tái)風(fēng)在30°N附近轉(zhuǎn)向或一直向北運(yùn)動(dòng)，減少臺(tái)風(fēng)登陸的可能性。少數(shù)西行臺(tái)風(fēng)是7月末、8月初形成的，此時(shí)臺(tái)風(fēng)主要受7月的西北向引導(dǎo)氣流影響。

圖2 2006年7月(a，b)、8月(c，d)、9月(e，f)500 hPa有臺(tái)風(fēng)時(shí)段的實(shí)況(a，c，d)與模擬(b，d，f)的平均位勢(shì)高度場(chǎng)(虛線，dagpm)與地面臺(tái)風(fēng)路徑(實(shí)線)分布Fig.2 Composites of the average of 500 hPa geopotential height(dashed line，dagpm)and the tracking of tropical cyclones(solid line).(a，c，e)observed data and(b，d，f)simulations in(a，b)July，(c，d)August and(e，f)September 2006

圖2e為9月500 hPa平均位勢(shì)高度場(chǎng)。西太平洋副熱帶高壓東退西抬，在副熱帶高壓西側(cè)低壓槽加深。槽前脊后的西南氣流使西行臺(tái)風(fēng)在中緯度地區(qū)轉(zhuǎn)向東北方向運(yùn)動(dòng)。在相同情況下的模擬結(jié)果中(圖2f)，低槽要比實(shí)況中更深更強(qiáng)，槽前有較強(qiáng)的高壓脊。槽前脊后是一致的西南氣流，在這種氣流影響下，向西北方向運(yùn)動(dòng)的臺(tái)風(fēng)會(huì)轉(zhuǎn)向東北方向。模擬結(jié)果中的前傾槽在130°E附近，使臺(tái)風(fēng)的活動(dòng)范圍遠(yuǎn)離我國(guó)，這與實(shí)況結(jié)果相近。雖然9月的實(shí)況和模擬結(jié)果中均有3個(gè)臺(tái)風(fēng)，但由于模擬結(jié)果中的低壓槽較強(qiáng)，使模擬結(jié)果中的臺(tái)風(fēng)登陸數(shù)百分比小于實(shí)況資料。通過(guò)以上分析可見(jiàn)，西太平洋副熱帶高壓外圍引導(dǎo)氣流對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑有很大影響。副熱帶高壓西伸會(huì)使臺(tái)風(fēng)登陸可能性增大，而東退西抬會(huì)減少臺(tái)風(fēng)在我國(guó)登陸的可能性。

通過(guò)對(duì)比分析實(shí)況與模擬的引導(dǎo)氣流、臺(tái)風(fēng)路徑及登陸情況，發(fā)現(xiàn)WRF模式500 hPa高度場(chǎng)模擬與實(shí)況的差別和臺(tái)風(fēng)模擬與實(shí)際的差別有著密切聯(lián)系。

在WRF模式模擬的7—9月500 hPa月平均高度場(chǎng)中，7月的模擬結(jié)果與實(shí)況較接近，隨著積分時(shí)間的增長(zhǎng)，使環(huán)流場(chǎng)模擬差別逐漸增大。由于WRF模式最初的設(shè)計(jì)目的是模擬中尺度天氣系統(tǒng)，對(duì)于時(shí)間尺度在幾天內(nèi)的天氣狀況模擬較好，因此在進(jìn)行時(shí)間尺度長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月的環(huán)境場(chǎng)模擬時(shí)，模式誤差對(duì)時(shí)次靠后的模擬結(jié)果影響很大。這是8月、9月環(huán)流背景場(chǎng)出現(xiàn)明顯差異的原因之一，也間接影響臺(tái)風(fēng)的活動(dòng)范圍。沈新勇等(2010)也得到相似結(jié)論，并指出啟動(dòng)Nudging系統(tǒng)有可能改進(jìn)模擬結(jié)果。

3.2.2 臺(tái)風(fēng)生成機(jī)制狀況實(shí)況與模擬對(duì)比分析

2006年，臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)主要集中在菲律賓以東到馬紹爾群島之間的西北太平洋海域，其中有多個(gè)臺(tái)風(fēng)生成在菲律賓以東到150°E以西的海域內(nèi)。與常年相比，生成源地明顯偏西。

圖3a為7月200～850 hPa風(fēng)垂直切變量月平均實(shí)況分布，可以看到，在10°N以南，150°E以西存在風(fēng)垂直切變低值區(qū)，在7月生成的3個(gè)臺(tái)風(fēng)的初始位置也在這一區(qū)域。風(fēng)垂直切變較弱區(qū)域從風(fēng)垂直切變低值區(qū)域一直向西北延伸至我國(guó)東部沿海地區(qū)，為臺(tái)風(fēng)在我國(guó)東南沿海地區(qū)登陸創(chuàng)造有利條件，這與表2顯示7月實(shí)況臺(tái)風(fēng)登陸數(shù)與總數(shù)比較高是一致的。另外，實(shí)況中臺(tái)風(fēng)的初始位置很集中，路徑也比較相近。同時(shí)，在南海及其以南區(qū)域有風(fēng)垂直切變高值中心，由于風(fēng)垂直切變較強(qiáng)，生成臺(tái)風(fēng)可能性不大。圖3b是相同條件下的模擬結(jié)果，圖中顯示的風(fēng)垂直切變要比實(shí)況偏強(qiáng)，風(fēng)垂直切變低值區(qū)偏向東南，在30°N附近有水平的低值帶，這與實(shí)況相比要偏強(qiáng)。在對(duì)實(shí)況與模擬7月臺(tái)風(fēng)生成位置進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，模擬7月臺(tái)風(fēng)生成位置與實(shí)況相比有偏北趨勢(shì)，而且十分分散。這與實(shí)況和模擬月平均風(fēng)垂直切變分布的差異相符合。

圖3c是8月200～850 hPa風(fēng)垂直切變量月平均實(shí)況分布，圖上顯示8月風(fēng)垂直切變低值區(qū)域與7月相比面積更大、且略有北抬。位于我國(guó)東南方洋面上的低值中心的范圍擴(kuò)大，并成為8月臺(tái)風(fēng)的主要生成區(qū)。在南海及其以南的風(fēng)垂直切變高值區(qū)有所減弱。在150°E以東區(qū)域風(fēng)垂直切變低值區(qū)域明顯變大，為西行臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)向提供了有利條件。這種大范圍的低值區(qū)使臺(tái)風(fēng)的初始位置相對(duì)7月要分散得多，同時(shí)，8月臺(tái)風(fēng)發(fā)生的數(shù)目與7月相比有所增加，臺(tái)風(fēng)發(fā)生位置與7月相比將有所北抬。圖中顯示的在8月生成臺(tái)風(fēng)中，其生成位置最南的0610號(hào)臺(tái)風(fēng)與7月生成位置最南的0605號(hào)臺(tái)風(fēng)相比位置向北相差5個(gè)緯距，這與8月實(shí)況平均風(fēng)垂直切變低值區(qū)的北抬是一致的。圖3d是相同條件下的模擬，圖中顯示風(fēng)垂直切變與實(shí)況相比仍然偏大，低值區(qū)的位置偏東且面積偏小。這將使得8月模擬臺(tái)風(fēng)與實(shí)況相比發(fā)生臺(tái)風(fēng)數(shù)目偏少，位置相對(duì)集中。8月實(shí)況與模擬臺(tái)風(fēng)資料對(duì)比結(jié)果表明8月模擬臺(tái)風(fēng)數(shù)目為6個(gè)，小于實(shí)況臺(tái)風(fēng)數(shù)目。這與實(shí)況和模擬月平均風(fēng)垂直切變量的分析是一致的。

圖3e為9月200～850 hPa風(fēng)垂直切變量月平均實(shí)況分布，圖中顯示9月30°N以南為大面積的風(fēng)垂直切變低值區(qū)域，與8月相比略有南壓，面積略有增大。臺(tái)風(fēng)的初始位置與風(fēng)垂直切變的低值中心對(duì)應(yīng)較好。圖3f為相同條件下的模擬情況，與實(shí)況相比風(fēng)垂直切變明顯偏大，風(fēng)垂直切變低值區(qū)域明顯偏西。在對(duì)比圖3e與3f中9月的實(shí)況與模擬臺(tái)風(fēng)發(fā)生位置可看出，9月大面積的低值區(qū)使實(shí)況臺(tái)風(fēng)發(fā)生位置比較分散并明顯偏西，而9月的模擬臺(tái)風(fēng)發(fā)生位置最西僅達(dá)到143°E左右，并且很集中。

通過(guò)以上分析可以看到，實(shí)際資料中臺(tái)風(fēng)初始位置與風(fēng)垂直切變的低值區(qū)對(duì)應(yīng)明顯，低值區(qū)的范圍會(huì)影響到臺(tái)風(fēng)初始位置的分布情況;在模擬結(jié)果中，洋面上的垂直風(fēng)切變明顯比實(shí)際偏高且梯度大。由對(duì)比分析實(shí)況與模擬的風(fēng)垂直切變量分布情況，可看出WRF模式200～850 hPa風(fēng)垂直切變量模擬與實(shí)況的差別與臺(tái)風(fēng)初始位置模擬和實(shí)際的差別對(duì)應(yīng)明顯。

圖3 2006年7月(a，b)、8月(c，d)、9月(e，f)200～850 hPa實(shí)況(a，c，d)與模擬(b，d，f)的平均風(fēng)垂直切變量(等值線，m/s)及海表面溫度(陰影，℃)的分布Fig.3 Composites of the average of wind shear from 200 hPa to 850 hPa(isoline，units:m/s)，surface temperature(shaded area，units:℃)and the tracking of tropical cyclones.(a，c，e)observed data and(b，d，f)simulations in(a，b)July，(c，d)August and(e，f)September 2006

4 結(jié)論

隨著對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)時(shí)效要求的不斷提高，臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力季節(jié)引起人們很大的關(guān)注。本文對(duì)2006年7月1日至9月30日的WRF模擬結(jié)果進(jìn)行診斷，從頻數(shù)、強(qiáng)度、500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)及200～850 hPa風(fēng)垂直切變對(duì)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的影響機(jī)制來(lái)分析檢驗(yàn)WRF模式在模擬臺(tái)風(fēng)季節(jié)活動(dòng)方面的能力。

從臺(tái)風(fēng)頻數(shù)來(lái)看，在對(duì)3個(gè)月以?xún)?nèi)的臺(tái)風(fēng)作動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)試驗(yàn)時(shí)，WRF模式模擬臺(tái)風(fēng)總個(gè)數(shù)與實(shí)況接近，模擬總登陸臺(tái)風(fēng)數(shù)與實(shí)況相比偏小。從各月模擬情況看，臺(tái)風(fēng)總數(shù)與登陸數(shù)的模擬均與實(shí)況有差距。

從環(huán)境場(chǎng)的模擬效果來(lái)看:一方面，在模擬資料中500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和200～850 hPa風(fēng)垂直切變對(duì)模式中臺(tái)風(fēng)的路徑及生成有顯著影響，這種影響與實(shí)際情況十分相似。因此，提高對(duì)臺(tái)風(fēng)有重要影響的環(huán)境因子的預(yù)報(bào)能力，是提高臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)能力的有效手段。另一方面，WRF在模擬2006年7—9月臺(tái)風(fēng)以及平均高度場(chǎng)、水平風(fēng)垂直切變時(shí)，7月與實(shí)況接近。隨時(shí)間增長(zhǎng)，與實(shí)況的差別越明顯。WRF模式的臺(tái)風(fēng)動(dòng)力季節(jié)預(yù)報(bào)時(shí)限有待探討。

WRF模式對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬總體偏弱，這可能有多方面原因，其中FNL資料中臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度總體偏弱，而本次季節(jié)模擬中并沒(méi)有類(lèi)似通常的個(gè)例研究那樣在初始場(chǎng)上使用Bogus來(lái)增強(qiáng)模式中的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，這是原因之一;另外，如果使用海氣耦合模式可能會(huì)得到更好模擬結(jié)果。

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Simulation of seasonal tropical cyclone activity over the western North Pacific by using the WRF model

WANG Yong-qing1，2，SONG Tian-yuan1，2，LIANG Ju1，2，PAN Wei-yu1，2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education;2.School of Atmospheric Sciences，NUIST，Nanjing 210044，China)

By using the WRF(weather research and forecasting)model，the paper simulated the seasonal tropical cyclone activity over western North Pacific from 1 July to 30 September 2006.Results show that:1)the simulated total number of Typhoons is close to that from Best-track data set.The simulated landfall TC number is less than that of real Typhoon number and it is the same for separate monthly landfall number.The simulated intensity of Typhoons is weaker than that from Best-track data set;2)the model shows better ability in reproducing Typhoon and the height and wind vertical shear fields in July，but the ability tends to be weaker as the model time increases.This suggests that the model can be used to simulate the feature of seasonal tropical cyclone activity but the time limit needs further exploration.

WRF model;tropical cyclone;seasonal simulation

P444

A

1674-7097(2012)01-0024-08

2011-01-04;改回日期:2011-09-16

公益性行業(yè)(氣象)科研專(zhuān)項(xiàng)(GYHY(QX)200806009);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

王詠青(1970—)，女，江西東鄉(xiāng)人，博士，教授，研究方向?yàn)榕_(tái)風(fēng)動(dòng)力學(xué)、中尺度數(shù)值模擬，yongqing@nuist.edu.cn.

王詠青，宋天元，梁駒，等.2012.西北太平洋臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)的數(shù)值模擬［J］.大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，35(1):24-31.

Wang Yong-qing，Song Tian-yuan，Liang Ju，et al.2012.Simulation of seasonal tropical cyclone activity over the western North Pacific by using the WRF model［J］.Trans Atmos Sci，35(1):24-31.

(責(zé)任編輯:張福穎)