一個(gè)區(qū)域海-氣耦合模式的建立:模式驗(yàn)證及其對(duì)熱帶氣旋“云娜”的模擬*

黃 偉 鄭運(yùn)霞 沈 淇 于潤(rùn)玲

(1.中國(guó)氣象局臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200030;2.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所 上海 200030;3.上海河口海岸科學(xué)研究中心 上海 201201)

熱帶氣旋是在熱帶洋面上發(fā)展起來(lái)的劇烈的大氣渦旋,它可以產(chǎn)生破壞性的大風(fēng)、風(fēng)暴潮、暴雨和洪澇,導(dǎo)致嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。由于熱帶氣旋在較暖的海洋上生成和發(fā)展,海-氣相互作用對(duì)熱帶氣旋及其經(jīng)過(guò)洋面的影響日益受到關(guān)注。熱帶氣旋過(guò)境時(shí)的強(qiáng)風(fēng)引起冷水上翻,導(dǎo)致海表溫度(SST)下降(Jordanet al,1964),最大降溫可超過(guò)6°C(Benderet al,1993);而海洋對(duì)熱帶氣旋的影響主要表現(xiàn)為,一方面,大風(fēng)條件下,海表風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng),海-氣間熱通量交換明顯增強(qiáng),有助于熱帶氣旋繼續(xù)發(fā)展,另一方面,SST的降低,又導(dǎo)致海洋為熱帶氣旋提供的能量減少,不利于熱帶氣旋進(jìn)一步增強(qiáng)。由于海洋觀測(cè)資料的稀少和最近幾十年數(shù)值模式的進(jìn)步,海-氣耦合模式成為研究熱帶氣旋條件下海-氣相互作用的重要工具。最近幾十年國(guó)內(nèi)外已有大量的研究(Schadeet al,1999;黃立文等,2005;Renet al,2006;Zhuet al,2006;蔣小平等,2009;劉磊等,2011)利用海-氣耦合模式模擬動(dòng)態(tài)SST對(duì)熱帶氣旋的影響。

最近 20a,熱帶氣旋路徑的預(yù)報(bào)水平穩(wěn)步提高,但與此同時(shí),對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力則鮮有進(jìn)步。對(duì)于數(shù)值模式來(lái)說(shuō),在熱帶氣旋強(qiáng)度預(yù)報(bào)方面的一個(gè)明顯的缺陷就是對(duì)熱帶氣旋和海洋的相互作用的模擬仍然有很大的局限性。例如,目前絕大多數(shù)的業(yè)務(wù)熱帶氣旋模式仍假定 SST是不變的。美國(guó)地球流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(GFDL)的海-氣耦合的颶風(fēng)數(shù)值模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出,熱帶氣旋引起的海洋冷卻可改善其對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度的預(yù)報(bào)。其對(duì) 1995—1998年颶風(fēng)季節(jié)的163個(gè)個(gè)例實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比單獨(dú)的颶風(fēng)模式,包括了海洋反饋的耦合模式可使強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差降低26%(Benderet al,2000),最終考慮動(dòng)態(tài)SST的海-氣耦合模式在 2001年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行(Benderet al,2007)。目前美國(guó)國(guó)家颶風(fēng)中心(NHC)業(yè)務(wù)運(yùn)行的Hurricane Weather Research and Forecast System(HWRF)也包含了大洋環(huán)流模式(Gopalakrishnanet al,2012)。

自2006年Global/Regional Assimilation and Prediction System-Tropical Cyclone Model(GRAPES- TCM)正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來(lái),初始渦旋方案不斷改進(jìn),路徑預(yù)報(bào)明顯改善,但越來(lái)越受到重視的強(qiáng)度預(yù)報(bào)水平的改善并不明顯(黃偉等,2007)。圖1是GRAPESTCM對(duì)2009年熱帶氣旋季的強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差以及與實(shí)際強(qiáng)度的比較,從圖1中可見(jiàn)GRAPES- TCM對(duì)最大風(fēng)速小于30m/s的熱帶氣旋強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏強(qiáng),而對(duì)最大風(fēng)速大于50m/s的熱帶氣旋強(qiáng)度預(yù)報(bào)明顯偏弱。對(duì)較弱熱帶氣旋預(yù)報(bào)偏強(qiáng)的一個(gè)重要原因是沒(méi)有考慮海洋對(duì)大氣的負(fù)反饋?zhàn)饔??；诖?我們以 GRAPESTCM 為基礎(chǔ),發(fā)展了一個(gè)區(qū)域海-氣耦合模式,并選擇 0414號(hào)熱帶氣旋“云娜”為個(gè)例,對(duì)該區(qū)域海-氣模式的模擬能力進(jìn)行驗(yàn)證,評(píng)估了海-氣相互作用對(duì)熱帶氣旋“云娜”的影響。

圖1 GRAPES-TCM對(duì)2009年熱帶氣旋季的強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差和實(shí)際強(qiáng)度散點(diǎn)圖Fig.1 Intensity prediction error of typhoons in 2009 by GRAPES-TCM vs.observed typhoon intensity

1 耦合模式介紹

1.1 區(qū)域大氣模式

GRAPES-TCM是基于全球/區(qū)域同化和預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Global/Regional Assimilation and Prediction System,GRAPES(Chenet al,2008))發(fā)展起來(lái)的區(qū)域熱帶氣旋預(yù)報(bào)系統(tǒng)。GRAPES是一個(gè)完全可壓縮的模式,它采用三維半拉格朗日半隱式差分方案解原始?xì)W拉方程,垂直方向采用伴隨地形的高度坐標(biāo)。黃偉等(2007)利用GRAPES區(qū)域模式,引進(jìn)熱帶氣旋的初始渦旋重定位技術(shù)(Kuriharaet al,1993,1995),建立了GRAPESTCM熱帶氣旋數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng);進(jìn)一步地,利用模式約束的3維變分(MC-3DVAR)技術(shù)(Lianget al,2007),結(jié)合熱帶氣旋渦旋重定位技術(shù)和BOGUS資料同化(BDA,Zouet al,2000),發(fā)展了初始渦旋的循環(huán)同化技術(shù)。此技術(shù)在GRAPES-TCM中得到應(yīng)用(黃偉等,2010),初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,新的GRAPES-TCM業(yè)務(wù)系統(tǒng)與原業(yè)務(wù)系統(tǒng)相比,不但路徑預(yù)報(bào)性能有較大的改善,對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度也有了一定的預(yù)報(bào)能力。目前,GRAPES-TCM的水平分辨率為0.15o×0.15o,垂向分31層,對(duì)流參數(shù)化過(guò)程采用Kain-Fritsch方案(Kain,1993),邊界層過(guò)程則采用Yongsei University(YSU)邊界層參數(shù)化方案(Honget al,2006b),用以診斷可識(shí)別降水的顯式云方案是WRF single moment 6-class(WSM6)(Honget al,2006a)方案。

1.2 區(qū)域海洋模式

ECOM-si(Estuarine,Coastal and Ocean Model(semi-implicit),Blumberget al,1987)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的河口海岸海洋模式,是在普林斯頓海洋模式(POM)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的三維水動(dòng)力模式,該模式經(jīng)改進(jìn)后已成功地應(yīng)用到世界沿海各海區(qū)河口、海岸和海洋的動(dòng)力學(xué)研究。模式嵌套了一個(gè)二階湍流封閉模型;垂向采用σ坐標(biāo);動(dòng)量方程中的正壓梯度力采用隱式格式,水平方向采用半隱式格式,整個(gè)模式耦合了完整的熱力學(xué)過(guò)程。眾多學(xué)者對(duì)原ECOM-si不斷改進(jìn),使其更好地應(yīng)用于河口近岸的水動(dòng)力和物質(zhì)輸運(yùn)研究。史峰巖等(2000)扣除局域平均密度層結(jié),提高了σ坐標(biāo)系下斜壓壓強(qiáng)梯度力的計(jì)算精度。Chen等(2001)將ECOM-si改成非正交曲線坐標(biāo)系下的模式,使其能擬合復(fù)雜的岸線。Zhu等(2001)采用Euler-Lagrange方法改進(jìn)物質(zhì)輸運(yùn)方程中的平流項(xiàng)計(jì)算方法。朱建榮等(2003)應(yīng)用預(yù)估修正法提高模式的穩(wěn)定性。沈淇等(2011)把垂向σ坐標(biāo)改進(jìn)為S坐標(biāo),使海洋上層趨于同一水深的物理平面,同時(shí)底層擬合海底的變化。模式側(cè)開(kāi)邊界條件包括流速、海溫和鹽度,邊界采用法向通量形式給出,各月資料取自Simple Ocean Data Assimilation(SODA)資料,保證整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的水體質(zhì)量進(jìn)出守恒．海溫和鹽度由美國(guó)國(guó)家海洋資料中心(NODC)資料給出。

1.3 耦合器和耦合方案

GRAPES-TCM和ECOM-si是通過(guò)Ocean Atmosphere Sea Ice Soil 3(OASIS3)耦合器(Valcke,2006)進(jìn)行信息交換的。OASIS由位于法國(guó)的“歐洲氣候模擬和全球變化研究中心(CERFACS)”開(kāi)發(fā),目前已廣泛應(yīng)用于全球的各種海-氣耦合模式和地球系統(tǒng)模式(周天軍等,

2004);在區(qū)域模式方面,鄒立維等(2012)利用OASIS構(gòu)建了一個(gè)區(qū)域氣候海氣耦合模式,并利用該模式進(jìn)行了短期氣候預(yù)測(cè)的嘗試(Zouet al,2013)。本文耦合過(guò)程中,大氣模式向海洋模式提供海表感熱通量,潛熱通量,入射短波輻射,長(zhǎng)波輻射和風(fēng)應(yīng)力;而海洋模式向大氣模式提供SST。兩個(gè)模式之間交換數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為300s,由于大氣模式積分步長(zhǎng)較短,相當(dāng)于大氣模式積分5步(每步60s),海洋模式則是每2步交換一次信息。雖然兩個(gè)模式設(shè)定的水平分辨率都是 0.15°,但兩者的網(wǎng)格并非完全一致,因而在兩個(gè)模式信息交換的過(guò)程中,需要通過(guò)插值處理,本文中采用的是OASIS耦合器中的mosaic方法。圖2給出了大氣模式、海洋模式和耦合器各分量組成的耦合模式示意圖。

圖2 區(qū)域耦合模式的框架示意圖Fig.2 The framework of regional coupled model

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了適應(yīng)對(duì)西太平洋及南海區(qū)域熱帶氣旋,特別是近海熱帶氣旋的模擬研究和預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)的需要,大氣模式預(yù)報(bào)區(qū)域?yàn)?100°—150°E,5°—45°N,水平分辨率為 0.15°×0.15°,積分步長(zhǎng)為 60s;海洋模式預(yù)報(bào)區(qū)域?yàn)?103.94°—145.19°E,7.85°—43.45°N,水平分辨率 0.15°×0.15°,積分步長(zhǎng) 150s。

為了檢驗(yàn)區(qū)域海-氣耦合模式對(duì)熱帶氣旋條件下海-氣間相互作用的模擬能力以及海-氣相互作用對(duì)熱帶氣旋的路徑、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響,本文選取了2004年14號(hào)熱帶氣旋“云娜”作為個(gè)例進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)(模擬時(shí)段:2004年8月10日00時(shí)(UTC)—2004年8月13日 00時(shí)(UTC))。實(shí)驗(yàn)分為 2組,一組為單獨(dú)大氣實(shí)驗(yàn)(CTL實(shí)驗(yàn)),SST采用1°×1°的NCEP分析資料;另一組為海-氣耦合實(shí)驗(yàn)(ASC實(shí)驗(yàn))。

大氣模式的初始場(chǎng)來(lái)自于NCEP全球模式(GFS)1°×1°分析場(chǎng),側(cè)邊界則采用了其6h一次的預(yù)報(bào)場(chǎng)。由于采用的分析場(chǎng)的水平分辨率較粗,難以準(zhǔn)確分辨當(dāng)時(shí)“云娜”熱帶氣旋的強(qiáng)度和位置,所以實(shí)驗(yàn)中嵌入了實(shí)時(shí)報(bào)文中生成的BOGUS渦旋(黃偉等,2010)。海洋模式的初始化則由兩步組成,首先由氣候態(tài)的水位、流場(chǎng)、溫度和鹽度,多年月平均的表面風(fēng)應(yīng)力、熱通量、蒸發(fā)和降水、側(cè)邊界的大洋環(huán)流作為外強(qiáng)迫經(jīng)過(guò) 5a長(zhǎng)期積分,達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài),之后以個(gè)例起報(bào)前一個(gè)月作為起始時(shí)間,以 NCEP最終分析資料(Stunder,1997)每日4次的風(fēng)應(yīng)力,短波輻射,熱通量和水通量作為外強(qiáng)迫繼續(xù)驅(qū)動(dòng)海洋模式 1個(gè)月形成最終的海洋初始場(chǎng)。

“云娜”的路徑和強(qiáng)度來(lái)自于中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所(CMA-STI)整編的西北太平洋及南海海域熱帶氣旋最佳路徑資料(http://www.typhoon.gov.cn/en/data/)。為了檢驗(yàn)耦合模式對(duì)熱帶氣旋條件下海-氣相互作用的模擬能力,本文用到的觀測(cè)和分析資料包括熱帶降雨觀測(cè)衛(wèi)星微波成像(TRMM/TMI)逐日SST資料(Wentzet al,2000);客觀分析海氣通量計(jì)劃(OAflux)海-氣通量資料(Jinet al,2008);Quikscat海表面風(fēng)(Ebuchi,2001)和分辨率約為20km的基于日本區(qū)域模式的再分析資料(Yeunget al,2005);另外,本文還采用了 TRMM 反演的逐 3h的瞬時(shí)降水率資料(Kummerowet al,1998)。

3 結(jié)果與分析

3.1 對(duì)“云娜”路徑和強(qiáng)度的模擬

圖3給出的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的熱帶氣旋“云娜”的路徑和實(shí)況,模式對(duì)“云娜”的路徑模擬較為一致,控制實(shí)驗(yàn)和耦合實(shí)驗(yàn)都略偏北,距離誤差最大均為150km左右(48h),接近登陸時(shí),距離誤差減小,特別是耦合實(shí)驗(yàn) 72h時(shí)距離誤差 80km,而控制實(shí)驗(yàn)后期西移速度偏快,距離誤差偏高。總體而言,海-氣相互作用的考慮,對(duì)熱帶氣旋“云娜”的路徑影響不大,這與之前很多相關(guān)工作的結(jié)論一致(Zhuet al,2006;蔣小平等,2009)。

從對(duì)熱帶氣旋“云娜”的強(qiáng)度模擬結(jié)果(圖4)來(lái)看,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都基本模擬出“云娜”增強(qiáng),成熟到登陸后衰減3個(gè)階段。但動(dòng)態(tài)海洋的引入對(duì)熱帶氣旋“云娜”的強(qiáng)度模擬有很大的影響。單獨(dú)大氣實(shí)驗(yàn)在18h之后迅速增強(qiáng),直至54h達(dá)到最強(qiáng),近中心最大風(fēng)速65m/s,

圖3 模式模擬的2004年8月10日00時(shí)—2004年8月13日00時(shí)熱帶氣旋“云娜”的路徑和“最佳路徑”Fig.3 The simulated and best track to tropical cyclone Rananimfrom 00 UTC 10 Aug 2004 to 00 UTC 13 Aug 2004

海平面中心氣壓 905hPa,大大強(qiáng)于同期實(shí)況;而耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的“云娜”強(qiáng)度在42h達(dá)到峰值,近中心最大風(fēng)速 49m/s,海平面中心氣壓 942hPa,之后保持這一強(qiáng)度直到登陸后衰減,這與實(shí)況十分接近。相比單獨(dú)大氣實(shí)驗(yàn),耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的“云娜”峰值強(qiáng)度低32hPa,最大風(fēng)速相差16m/s,這一結(jié)果與Zhu等(2006)模擬的颶風(fēng)“Bonnie”強(qiáng)度結(jié)果接近。

3.2 對(duì)海-氣耦合合理性的驗(yàn)證

由于本文中所謂海-氣耦合僅考慮了SST的變化對(duì)大氣的影響,因而海洋熱力狀況的模擬,特別是SST對(duì)熱帶氣旋的響應(yīng)是耦合模式中海-氣相互作用是否合理的主要指標(biāo)。圖5給出了耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的48h的SST分布與TMI的SST比較?？梢钥吹?耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的SST分布與TMI的SST十分接近,特別是對(duì)熱帶氣旋經(jīng)過(guò)附近區(qū)域的降溫的模擬。實(shí)況中在熱帶氣旋路徑右側(cè)有兩個(gè)明顯的降溫大值區(qū),其一位于 23.5°N,128.5°E,另一個(gè)位于 48h熱帶氣旋中心右側(cè),最大降溫均在 3°C左右。在靠近浙江省沿海地區(qū),耦合模式模擬的降溫偏大,這可能是由海洋模式對(duì)近岸的淺水區(qū)域熱力結(jié)構(gòu)刻畫(huà)不足所致(蔣小平等,2009)。圖6給出了圖5中耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的“云娜”路徑上各點(diǎn)SST與TMI的SST以及控制實(shí)驗(yàn)的SST的差異,結(jié)果表明耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的SST無(wú)論絕對(duì)值還是降溫峰值分布均與實(shí)況接近,而控制實(shí)驗(yàn)的SST來(lái)自NCEP的初始場(chǎng),比實(shí)際SST明顯偏高。

圖4 兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)“云娜”強(qiáng)度的模擬Fig.4 Observed and simulated intensity of Rananim over 72h

SST的改變主要是通過(guò)海表面熱量通量的改變對(duì)大氣產(chǎn)生影響。圖7給出了控制實(shí)驗(yàn)和耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的 24—48h平均的海表面潛熱和感熱通量與相同時(shí)段OAFlux分析的熱通量水平分布。與OAFlux的結(jié)果一致,熱帶氣旋中心附近為熱量交換的大值區(qū),海表面的熱交換主要以潛熱通量為主,且大值區(qū)在熱帶氣旋路徑的右側(cè)?？刂茖?shí)驗(yàn)?zāi)M的潛熱通量最大值達(dá)到 400W/m2,耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的近熱帶氣旋中心潛熱通量約為200W/m2,與OAFlux的分析結(jié)果更為一致;感熱通量也有類(lèi)似的特征,但兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)M的感熱通量相比OAFlux普遍偏弱。

控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M的海-氣熱通量明顯強(qiáng)于耦合實(shí)驗(yàn),這一方面與耦合實(shí)驗(yàn)中海表面 SST的下降有關(guān),但近地面的風(fēng)速的差異也是決定海-氣通量的重要因子。圖8給出了CTL實(shí)驗(yàn)和ASC實(shí)驗(yàn)?zāi)M的10m風(fēng)和日本再分析資料的10m風(fēng)以及Quikscat近地面風(fēng)場(chǎng)的結(jié)果對(duì)比。CTL實(shí)驗(yàn)?zāi)M的10m風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)于ASC,8級(jí)風(fēng)區(qū)域明顯偏大,內(nèi)核極端風(fēng)速比ASC實(shí)驗(yàn)高1個(gè)等級(jí)(與圖4的結(jié)果對(duì)應(yīng))。從與日本的再分析資料的對(duì)比來(lái)看,ASC實(shí)驗(yàn)?zāi)M的10m風(fēng)的8級(jí)風(fēng)區(qū)域和內(nèi)核風(fēng)速都更接近實(shí)況;但 2個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)核最強(qiáng)風(fēng)的分布均與日本再分析資料的結(jié)果有很大差異,模擬

圖5 耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的48h SST分布(ASC,a)和實(shí)況的SST(TMI,b)對(duì)比(°C)Fig.5 Comparison in SST after 48 h between the simulated by ASC(a)and the observation(b)

圖6 積分48h后,耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的“云娜”路徑各點(diǎn)SST與TMI SST和控制實(shí)驗(yàn)(初始NCEP SST)的比較Fig.6 Comparisonin the simulationfor SST after 48 h by ASC,TMI,and CTL(initial NCEP SST) at Rananim’s path

的最大風(fēng)速均出現(xiàn)在熱帶氣旋北側(cè),而日本再分析資料的最大風(fēng)速出現(xiàn)在熱帶氣旋東南側(cè)。Quikscat的風(fēng)場(chǎng)要更弱一些,這與這一資料本身的特點(diǎn)有關(guān)(Maet al,2010),但從Quikscat風(fēng)場(chǎng)反應(yīng)的熱帶氣旋近地面風(fēng)場(chǎng)水平結(jié)構(gòu)來(lái)看,其最大風(fēng)速正位于北側(cè),表明2個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的熱帶氣旋的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)與觀測(cè)接近,而日本再分析資料可能因?yàn)槟Ｊ椒直媛实鹊脑?其風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)與實(shí)況有一定差異。另外,2個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的10m風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)也與圖7給出的OAFlux通量的北高南低的水平分布有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這從另外一個(gè)角度說(shuō)明模式模擬的熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)分布的可靠性。

圖7 各實(shí)驗(yàn)?zāi)M的日平均海表熱通量和OAFlux的通量分布(W/m2)Fig.7 Comparison in the distribution of daily mean surface fluxes from CTL(a,d),ASC(b,e) and OAFlux(c,f),where a,b,c is latent heat flux and d,e,f is sensible heat flux(W/m2),respectively

圖8 2004年8月12日00時(shí)(UTC)的10m風(fēng)場(chǎng)水平分布Fig.8 Distribution of 10-m wind at 00 UTC 12 Aug 2004,where a,b is simulate by CTL and ASC,and c,d is from JRA and Quikscat,respectively

3.3 海-氣相互作用對(duì)熱帶氣旋結(jié)構(gòu)的影響

在海-氣耦合實(shí)驗(yàn)中,由于下墊面受強(qiáng)風(fēng)影響,SST發(fā)生改變,并通過(guò)改變海-氣熱通量影響熱帶氣旋熱力結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響了熱帶氣旋的動(dòng)力結(jié)構(gòu)。圖9給出了CTL實(shí)驗(yàn)和ASC實(shí)驗(yàn)?zāi)M的48h熱帶氣旋“云娜”平均軸向風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。兩組實(shí)驗(yàn)均模擬出一個(gè)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的典型風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu),最大風(fēng)速半徑均為 50km左右,從近地面到 850hPa存在明顯的入流(輻合)層,而在200hPa左右,則有明顯的出流(輻散)層,但兩者的平均入流和出流差異并不明顯;2組實(shí)驗(yàn)的主要差異表現(xiàn)為熱帶氣旋眼區(qū) CTL實(shí)驗(yàn)?zāi)M的切向風(fēng)明顯強(qiáng)于ASC實(shí)驗(yàn)。(劉磊等,2011)利用熱散度,即200hPa和850hPa的散度差反應(yīng)熱帶氣旋對(duì)流發(fā)展的強(qiáng)弱,正值代表上升氣流,而負(fù)值代表下沉氣流。圖10給出了2組實(shí)驗(yàn)?zāi)M的12h和30h熱散度,從12h的結(jié)果來(lái)看,2組實(shí)驗(yàn)差別不大,熱散度正、負(fù)值交替,呈螺旋狀分布,總體分布較為零散;到 30h,無(wú)論正值還是負(fù)值,均呈帶狀分布,CTL實(shí)驗(yàn)熱散度正值基本閉合,相比12h有顯著增強(qiáng),特別在熱帶氣旋北部有大片的強(qiáng)上升氣流存在,ASC實(shí)驗(yàn)與CTL實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大差異,主要表現(xiàn)為總體的對(duì)流上升較弱,非對(duì)稱(chēng)性更強(qiáng)。2組實(shí)驗(yàn)?zāi)M的對(duì)流的不同分布反映到熱帶氣旋降水上表現(xiàn)為降水強(qiáng)度和非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的差異,圖11給出了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的2004年8月11日06時(shí)的小時(shí)平均降水和TRMM資料反演的該時(shí)刻的平均降水率的比較。ASC實(shí)驗(yàn)相比CTL實(shí)驗(yàn)的主要差異是熱帶氣旋眼區(qū)降水強(qiáng)度明顯減弱,特別是熱帶氣旋前進(jìn)的前方強(qiáng)降水區(qū)明顯縮小,這與圖10a,圖10b的結(jié)果一致,也與 TRMM 資料反演的降水率的結(jié)果更為接近。需要指出的是,由于模式的水平分辨率的局限等原因,無(wú)論是CTL實(shí)驗(yàn)還是ASC實(shí)驗(yàn),對(duì)熱帶氣旋“云娜”的降水的模擬與實(shí)況有較大差異。

圖9 模擬的2004年8月12日00時(shí)(UTC)熱帶氣旋“云娜”的軸對(duì)稱(chēng)風(fēng)場(chǎng)Fig.9 Simulated Axisymmetric wind of CTL and ASC at 00 UTC 12 Aug 2004

圖10 2組實(shí)驗(yàn)不同的模擬時(shí)間得到的熱散度(×10-4m/s2)Fig.10 Comparison of thermal divergence(×10-4m/s2) simulate by CTL and ASC

圖11 2組實(shí)驗(yàn)?zāi)M的和TRMM反演的2004年8月11日06時(shí)(UTC)瞬時(shí)降水強(qiáng)度的差異Fig.11 Comparison of instantaneous precipitation intensity from CTL,ASC and TRMM at 06 UTC 11 Aug 2004

4 結(jié)論和討論

本文基于 1個(gè)業(yè)務(wù)運(yùn)行的區(qū)域熱帶氣旋模式GRAPES-TCM,引入OASIS耦合器和1個(gè)成熟的海洋環(huán)流模式 ECOM-si,初步建立了一個(gè)可進(jìn)行熱帶氣旋數(shù)值模擬的區(qū)域海-氣耦合模式。以0414熱帶氣旋“云娜”作為研究個(gè)例,對(duì)熱帶氣旋條件下耦合模式的性能進(jìn)行了檢驗(yàn),初步評(píng)估了耦合模式的引入對(duì)熱帶氣旋“云娜”的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)模擬的影響,主要結(jié)論包括:

1)相比控制實(shí)驗(yàn),耦合實(shí)驗(yàn)對(duì)熱帶氣旋“云娜”的路徑影響不大,但可顯著改善對(duì)“云娜”強(qiáng)度的模擬;通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)和耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的 10m風(fēng)場(chǎng)與實(shí)況的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)耦合實(shí)驗(yàn)不但改善了對(duì) 10m風(fēng)速?gòu)?qiáng)度的模擬,而且對(duì)其非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的模擬也有改進(jìn)。

2)在耦合實(shí)驗(yàn)中,熱帶氣旋“云娜”過(guò)境導(dǎo)致附近海區(qū)最高達(dá)3°C的降溫,這與TMI反演的SST的結(jié)果一致;SST的下降,引起了海-氣間潛熱通量和感熱通量的減弱,與控制實(shí)驗(yàn)相比,耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的海-氣熱通量與OAFlux的分析結(jié)果更為接近。

3)耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的熱帶氣旋“云娜”的切向風(fēng)明顯弱于控制實(shí)驗(yàn),另一方面,受下層入流和上層出流的控制,耦合實(shí)驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)眼壁的對(duì)流活動(dòng)也明顯弱于控制實(shí)驗(yàn),且有更明顯的不對(duì)稱(chēng)性;2個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)“云娜”降水結(jié)構(gòu)的模擬均比實(shí)況偏強(qiáng),但耦合實(shí)驗(yàn)削弱了熱帶氣旋運(yùn)動(dòng)前方的虛假?gòu)?qiáng)降水,相比控制實(shí)驗(yàn),模擬的降水結(jié)構(gòu)更接近實(shí)況。

需要指出的是,雖然這一區(qū)域海氣耦合模式是基于業(yè)務(wù)的區(qū)域熱帶氣旋模式發(fā)展起來(lái)的,上述的模式驗(yàn)證和評(píng)估工作也為日后海-氣耦合模式的業(yè)務(wù)化做了一些初步的嘗試,但要將該模式應(yīng)用于日常熱帶氣旋數(shù)值預(yù)報(bào)仍有很多工作需要開(kāi)展。首先,由于缺少可用的海洋環(huán)流資料,目前海洋的初始化仍然是初步的和粗糙的;其次,為了進(jìn)一步評(píng)估該模式對(duì)熱帶氣旋預(yù)報(bào)能力,有必要針對(duì)過(guò)往大樣本熱帶氣旋進(jìn)行批量實(shí)驗(yàn),綜合檢驗(yàn)動(dòng)態(tài) SST的引入該模式預(yù)報(bào)水平的影響;另外,海-氣相互作用事實(shí)上并不限于 SST的變化對(duì)海-氣熱通量的改變,熱帶氣旋條件下海洋粗糙度的改變也會(huì)影響海-氣通量交換,而海洋飛沫進(jìn)入大氣,則會(huì)從另一方面影響海-氣間能量的傳輸,這也是目前熱帶氣旋條件下海-氣耦合數(shù)值模擬研究的前沿問(wèn)題。

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