海洋飛沫方案改進(jìn)對(duì)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”強(qiáng)度預(yù)報(bào)的影響*

段自強(qiáng) 李永平 于潤(rùn)玲 黃 偉 鄭運(yùn)霞

(中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所 上海 200030)

臺(tái)風(fēng)是嚴(yán)重影響我國(guó)的天氣系統(tǒng)之一。近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)臺(tái)風(fēng)的運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及引起災(zāi)害性天氣的物理機(jī)制等進(jìn)行了大量研究, 對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的精度穩(wěn)步提高, 但是對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)還存在較大誤差(Rogers et al, 2013)。

海洋是臺(tái)風(fēng)發(fā)生和發(fā)展的重要能量來源。目前,臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確的重要原因之一是對(duì)海氣之間動(dòng)量、感熱以及水汽等交換過程的認(rèn)識(shí)還不充分(Andreas et al, 2001; Bao et al, 2011; Rogers et al,2013)。臺(tái)風(fēng)條件下, 海浪破碎產(chǎn)生的飛沫會(huì)在海氣界面處形成一個(gè)水滴蒸發(fā)層, 直接影響海氣之間的動(dòng)量、熱量以及水汽交換, 從而影響臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度,這一點(diǎn)已為許多學(xué)者共識(shí), 是近年來熱帶氣旋研究的熱點(diǎn), 也是一些重要國(guó)際研究計(jì)劃, 如 CBLAST(邊界層海氣交換試驗(yàn))等關(guān)注的內(nèi)容(黎偉標(biāo), 2003;Black et al, 2007; 鄭靜等, 2008; 劉磊等, 2010; 孫一妹等, 2010; 王平等, 2012)。

關(guān)于海洋飛沫, 研究發(fā)現(xiàn)飛沫生成函數(shù)不僅是風(fēng)速的函數(shù), 而且與海浪狀態(tài), 如海面粗糙度、白冠覆蓋率、波齡等因素有關(guān)(Zhao et al, 2006; Zhang et al,2006; Zhang et al, 2008; Bianco et al, 2011;Kudryavtsev et al, 2011; 趙棟梁, 2012)。但是, 由于對(duì)這些物理過程認(rèn)識(shí)不充分, 不同學(xué)者給出的飛沫生成函數(shù)差異很大。Andreas(2001)回顧之前的飛沫生成函數(shù)時(shí)指出, 對(duì)于任一給定的沫滴半徑, 不同的飛沫生成函數(shù)相差可達(dá)數(shù)個(gè)量級(jí)。因此, 在臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式研究中選擇合理的飛沫生成函數(shù)非常重要。

Andreas(1998)給出了一種適用于高風(fēng)速條件的海洋飛沫生成函數(shù), 可以描述粒徑范圍為 2—500μm的海洋飛沫粒子, 在之后的熱帶氣旋研究中得到了廣泛應(yīng)用。但是, 對(duì)于小粒徑的海洋飛沫粒子, Andreas(1998)采用的是Smith等(1993)在90年代的觀測(cè)結(jié)果,受觀測(cè)環(huán)境以及當(dāng)時(shí)觀測(cè)條件限制, 觀測(cè)結(jié)果存在較大不確定性。Grythe等(2014)在近年利用大量外場(chǎng)觀測(cè)資料, 包含站點(diǎn)與船載平臺(tái)等觀測(cè)的海洋飛沫濃度, 并結(jié)合拉格朗日粒子擴(kuò)散模型(FLEXPART),給出了新的海洋飛沫生成函數(shù)。但是, Grythe等(2014)的研究主要關(guān)注小粒徑的海洋飛沫, 對(duì)大粒徑粒子缺少描述。因此, 本研究擬在以上研究基礎(chǔ)上, 采用分粒徑段組合方式, 結(jié)合 Andreas(1998)與 Grythe等(2014)各自飛沫生成函數(shù)的優(yōu)點(diǎn), 改進(jìn)海洋飛沫生成函數(shù), 對(duì)所采用的臺(tái)風(fēng)-海浪耦合模式進(jìn)行優(yōu)化完善。

自2006年Global/Regional Assimilation and Prediction System-Tropical Cyclone Model (GRAPESTCM)正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來, 通過不斷改進(jìn)渦旋初始化方案、引入海洋對(duì)大氣負(fù)反饋?zhàn)饔玫? 已開發(fā)出以GRAPES-TCM為基礎(chǔ)的區(qū)域海-氣-浪耦合模式(黃偉等, 2014; Zheng et al, 2015)。上述改進(jìn)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)有明顯改善, 但是對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)作用不大(黃偉等, 2014; Zheng et al, 2015)。因此, 本文通過改進(jìn)海洋飛沫方案, 優(yōu)化完善臺(tái)風(fēng)-海浪耦合模式。運(yùn)用海氣耦合模式模擬臺(tái)風(fēng)個(gè)例, 分析研究飛沫方案改進(jìn)對(duì)海氣動(dòng)量、感熱以及潛熱通量的影響, 并通過分析臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的變化, 進(jìn)一步探究海洋飛沫影響臺(tái)風(fēng)模擬的物理機(jī)制。

1 耦合模式和試驗(yàn)方案

1.1 海氣耦合模式

本文所采用的區(qū)域海氣耦合模式由兩個(gè)子模式組成, 分別為區(qū)域大氣模式GRAPES-TCM與海浪模式WW3(WAVEWATCH )Ⅲ。已有研究對(duì)上述模式作出詳細(xì)介紹(黃偉等, 2014; Zheng et al, 2015)。

耦合模式通過耦合器 OASIS將大氣模式與海浪模式中的各物理量進(jìn)行交換。OASIS由位于法國(guó)的“歐洲氣候模擬和全球變化研究中心(CERFACS)”開發(fā), 目前已廣泛應(yīng)用于全球各種海氣耦合模式(周天軍等, 2004)。在本研究中, 大氣模式向海浪模式提供風(fēng)場(chǎng)以及動(dòng)量通量; 海浪模式向大氣模式提供海表面粗糙度以及海氣感熱、潛熱通量。海洋飛沫的作用在海浪模式中體現(xiàn), 海洋飛沫對(duì)海面粗糙度、海氣感熱潛熱通量產(chǎn)生影響。

GRAPES-TCM 的水平分辨率為 0.15°×0.15°, 垂向分 31層, 對(duì)流參數(shù)化過程采用 Kain-Fritsch方案(Kain et al, 1993), 邊界層過程采用Yongsei University(YSU)邊界層參數(shù)化方案(Hong et al, 2006a), 診斷可識(shí)別降水的顯式云方案是WRF single moment 6-class(WSM6)(Hong et al, 2006b)方案, 模式積分步長(zhǎng)為60s。海浪模式分辨率與大氣模式相同, 模式積分步長(zhǎng)為 300s。大氣模式與海浪模式的網(wǎng)格不一致, 兩個(gè)模式的信息交換通過插值處理完成。大氣模式初始場(chǎng)和側(cè)邊界采用美國(guó)預(yù)報(bào)中心(NCEP)全球模式(GFS)的間隔6小時(shí)、水平分辨率為0.5°的再分析資料。海浪模式由大氣模式計(jì)算的風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。

1.2 海洋飛沫方案

一般通過飛沫粒子的數(shù)通量定量地估計(jì)由海洋進(jìn)入大氣的飛沫, 其表達(dá)式即海洋飛沫生成函數(shù)dF/dr0, 表示單位時(shí)間、單位面積、單位粒徑段內(nèi)的海洋飛沫粒子數(shù), 其中F為單位時(shí)間、單位面積由海洋進(jìn)入大氣的粒子數(shù), 是粒徑與風(fēng)速的函數(shù); r0為粒子半徑。飛沫生成函數(shù)表達(dá)式為:

其中, dFN/dr0為海浪充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)下, 即白冠條件下的海洋飛沫生成量; FN為白冠條件下單位時(shí)間、單位面積由海洋進(jìn)入大氣的粒子數(shù); W(U10)為白冠率, 僅為風(fēng)速的函數(shù), 且一般認(rèn)為與風(fēng)速之間存在關(guān)系。Monahan等(1980)根據(jù)海表面成像資料給出了白冠率與風(fēng)速的關(guān)系式:

學(xué)者們根據(jù)外場(chǎng)觀測(cè)與水槽實(shí)驗(yàn)等結(jié)果, 分別給出了海洋飛沫生成函數(shù)的具體表達(dá)式。受觀測(cè)條件限制, 飛沫生成函數(shù)往往是基于少量的觀測(cè)結(jié)果, 因此不同學(xué)者給出的函數(shù)之間存在可達(dá)數(shù)量級(jí)的差異。另外, 不同學(xué)者的思路也不相同。Monahan(1986)給出了冪次律的飛沫粒子數(shù)濃度譜函數(shù), 所有粒徑段粒子均采用一個(gè)關(guān)系式表達(dá)。Smith等(1993)最早指出不同粒徑段海洋飛沫的生成機(jī)制不同, 其濃度譜需要用不同的函數(shù)表示, 因此給出了不同粒徑段的粒子分布模態(tài), 由不同模態(tài)的線性疊加得到整體的海洋飛沫生成函數(shù), 隨后很多研究均采用這種思路(Andreas, 1998; Smith et al, 1998; Gong, 2003; Jaegle et al, 2011)。本文也將采用分粒徑段組合的方式對(duì)飛沫生成函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)于 1—10μm粒徑段飛沫, 本文采用 Grythe等(2014)給出的海洋飛沫方案(G14)。該方案基于大量觀測(cè)資料, 包含站點(diǎn)與船載平臺(tái)觀測(cè)的海洋飛沫濃度,并結(jié)合拉格朗日粒子擴(kuò)散模型(FLEXPART), 獲得了海洋飛沫濃度與風(fēng)速之間的關(guān)系式。對(duì)比之前研究提出的21種海洋飛沫生成函數(shù)關(guān)系式, G14給出的海洋飛沫生成函數(shù)與觀測(cè)結(jié)果最為接近。

由于高風(fēng)速條件下海洋環(huán)境的限制, 大粒徑飛沫粒子通量的直接觀測(cè)研究還很少。Andreas(1998)根據(jù)少量的觀測(cè)結(jié)果給出了大粒徑段粒子通量的譜特征, 認(rèn)為在 10μm 以上粒徑段, 粒子通量與粒徑之間存在冪次律關(guān)系, 并給出了不同粒徑段對(duì)應(yīng)的冪次律常數(shù)。

本研究擬采用分粒徑段的形式, 將不同粒徑段內(nèi)估算效果較好的生成函數(shù)進(jìn)行組合, 形成新的飛沫生成函數(shù)。考慮到海洋飛沫生成函數(shù) G14基于最新觀測(cè)結(jié)果且觀測(cè)量較多。本研究采用 G14計(jì)算小粒徑段(＜10μm)的海洋飛沫生成量, 采用 Andreas(1998)提出的關(guān)系式計(jì)算大粒徑段(＞10μm)的海洋飛沫生成量; 將二者組合形成一個(gè)新的海洋飛沫濃度的關(guān)系式, 該式表達(dá)粒徑范圍為 0.01μm 至 200μm。新的海洋飛沫生成函數(shù)如下式所示:

其中, r80位氣溶膠粒子在 80%相對(duì)濕度條件下(海洋大氣邊界層中的典型值)的半徑, C1, C2, C3為依賴于風(fēng)速的系數(shù), 分別由上一粒徑段的數(shù)濃度值計(jì)算得到, Tw表示海溫。

為在數(shù)值模式中體現(xiàn)海洋飛沫的作用, 本文采用Bao等(2011)提出的方法。模式中, 表征動(dòng)量通量的摩擦速度可由下式計(jì)算得到:

其中,*u為摩擦速度, U為風(fēng)速, D為風(fēng)速對(duì)應(yīng)的高度,0z表示粗糙度, κ為卡曼常數(shù),sΨ為修正函數(shù),體現(xiàn)穩(wěn)定度、海洋飛沫等因素的作用,sΨ的表達(dá)式(Bao et al, 2011)為:

耦合模式原始的海洋飛沫方案采用劉斌(2007)提出的方案, 海洋飛沫作用通過波齡的參數(shù)化體現(xiàn),具體表達(dá)式為:

其中, β*為波齡, ω為懸浮沫滴層對(duì)對(duì)數(shù)風(fēng)廓線的修正參數(shù), ω =min（ 1,acrκu*）, 其中 acr為飛沫降落速度, 并取 acr=0.64m/s。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文將耦合模式應(yīng)用于 1409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”,通過不同數(shù)值試驗(yàn)的對(duì)比來研究海洋飛沫方案改進(jìn)對(duì)臺(tái)風(fēng)過程模擬的影響。第1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”(Rammasun)是2014年登陸我國(guó)最強(qiáng)的熱帶氣旋,在7月12日由位于菲律賓以東的西北太平洋洋面上的一個(gè)熱帶低壓發(fā)展形成。形成后低壓中心向偏西方向移動(dòng), 強(qiáng)度迅速增強(qiáng), 于15日增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng), 并在當(dāng)天登陸菲律賓中部。穿過菲律賓進(jìn)入南海以后,“威馬遜”繼續(xù)向西北方向移動(dòng), 再次增強(qiáng), 于18日早晨增強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng), 18日下午達(dá)到其生命史最大強(qiáng)度, 近中心最大風(fēng)速為72m/s(＞17級(jí))?！巴R遜”于18日15時(shí)30分前后在海南文昌短暫登陸, 并于17時(shí)30分前后在廣東徐聞再次登陸。臺(tái)風(fēng)“威馬遜”具有強(qiáng)度高、風(fēng)雨影響范圍廣、降雨強(qiáng)、災(zāi)情損失大等特點(diǎn)。

表 1給出了各試驗(yàn)方案, 其中第一組對(duì)比試驗(yàn)(EXP1—EXP3)為整體模擬結(jié)果比較。EXP1為控制試驗(yàn), 海面動(dòng)力學(xué)粗糙度由經(jīng)典的 Charnock關(guān)系計(jì)算得到, 未考慮海洋飛沫對(duì)海面動(dòng)力學(xué)粗糙度以及對(duì)海氣感熱、潛熱通量的影響; EXP2與EXP3為考慮海洋飛沫作用后的模擬試驗(yàn), EXP2采用原始海洋飛沫方案, EXP3采用本文提出的改進(jìn)的海洋飛沫方案。第二組對(duì)比試驗(yàn)(EXP1、EXP4與 EXP5)用來分析海洋飛沫如何通過影響海氣動(dòng)量通量而影響臺(tái)風(fēng)過程模擬; EXP4與EXP5考慮海洋飛沫作用, 但是僅考慮海洋飛沫對(duì)動(dòng)量通量的影響, EXP4采用原始海洋飛沫方案, EXP5采用改進(jìn)的海洋飛沫方案。第三組對(duì)比試驗(yàn)(EXP2與EXP4, EXP3與EXP5)用來分析海洋飛沫通過影響海氣熱量交換影響臺(tái)風(fēng)過程模擬; EXP2與EXP4采用原始海洋飛沫方案, 對(duì)比分析有無海洋飛沫熱通量作用的模擬結(jié)果, EXP3與EXP5采用改進(jìn)的海洋飛沫方案, 對(duì)比分析有無海洋飛沫熱通量作用的模擬結(jié)果。各模擬試驗(yàn)的具體描述如表4.1所示。

表1 使用耦合模式模擬1409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”的試驗(yàn)方案Tab.1 The scheme of simulation on Typhoon Rammasun in the coupled model

根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)的模擬結(jié)果, 我們從臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、海氣界面的動(dòng)量通量、感熱通量和潛熱通量、臺(tái)風(fēng)水平結(jié)構(gòu)以及臺(tái)風(fēng)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)等方面來分析改進(jìn)的海洋飛沫生成函數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)過程的模擬效果。

2 結(jié)果分析

2.1 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與路徑

臺(tái)風(fēng)最低中心氣壓和近中心最大風(fēng)速是表征臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的重要參量。圖 1給出了第一組對(duì)比試驗(yàn)(EXP1—EXP3)模擬的臺(tái)風(fēng)最低中心氣壓(Minimum Sea-level Pressure)和近中心最大風(fēng)速(Maximum Wind Speed)的時(shí)間序列。模式模擬的近中心最大風(fēng)速與最低中心氣壓的模擬結(jié)果基本對(duì)應(yīng), 在模擬時(shí)段的 12—48h, 各試驗(yàn)均模擬出了臺(tái)風(fēng)“威馬遜”逐步增強(qiáng)的過程。其中, 控制試驗(yàn)EXP1在30—48h模擬的最低中心氣壓偏高, 最大風(fēng)速偏低, 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬結(jié)果偏弱; 原始海洋飛沫方案EXP2在12—36h模擬的最低中心氣壓偏低; 改進(jìn)海洋飛沫方案EXP3的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果最為接近(圖1)。

圖1給出了臺(tái)風(fēng)“威馬遜”路徑的模擬結(jié)果, 可以看出各模擬試驗(yàn)結(jié)果相近。這是因?yàn)榕_(tái)風(fēng)路徑通常主要受大尺度的環(huán)境流場(chǎng)控制, 海洋飛沫作用引起的臺(tái)風(fēng)內(nèi)部下邊界動(dòng)力與熱力條件的改變對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的影響很小。

整體而言, 對(duì)比試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果表明考慮海洋飛沫以后, 由于海表面動(dòng)力學(xué)粗糙度計(jì)算方案以及海氣感熱、潛熱通量的計(jì)算方案變化, 會(huì)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬產(chǎn)生一定影響。同時(shí), 與原始方案結(jié)果相比, 改進(jìn)的海洋飛沫方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度更接近實(shí)測(cè)。

2.2 臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)

圖 2給出了各時(shí)段不同試驗(yàn)?zāi)M的海表面 10m風(fēng)速。從圖中可以看出, 各試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度均在48h時(shí)達(dá)到最高強(qiáng)度。控制試驗(yàn)EXP1模擬的風(fēng)場(chǎng)在24h至36h之間有減弱的過程, 實(shí)際臺(tái)風(fēng)在這一階段的增強(qiáng)過程未能得到體現(xiàn)。原始方案試驗(yàn)EXP2模擬的風(fēng)速在模擬階段逐漸增強(qiáng); 與EXP1相比, EXP2模擬的臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)風(fēng)速有所增強(qiáng), 但是外圍區(qū)風(fēng)速略有減小。改進(jìn)方案試驗(yàn)EXP3的模擬結(jié)果也呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的過程; 與控制試驗(yàn)EXP1相比, EXP3試驗(yàn)?zāi)M的大風(fēng)區(qū)域與強(qiáng)度均有所增強(qiáng)。

為了進(jìn)一步了解海洋飛沫對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬的作用機(jī)制, 我們對(duì)模擬的臺(tái)風(fēng)個(gè)例進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析, 圖3給出了24—48h模擬時(shí)段臺(tái)風(fēng)的平均軸對(duì)稱結(jié)構(gòu), 物理要素包含切向風(fēng)、徑向風(fēng)、垂向風(fēng)與渦度。

圖1 耦合模式對(duì)1409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”強(qiáng)度與路徑的模擬Fig.1 Simulated track and intensity of 1409 Typhoon “Rammasun”

圖2 海表面風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of sea-surface wind

各試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果較為相近。切向風(fēng)(圖3a、b、c)風(fēng)速大值區(qū)均在距臺(tái)風(fēng)中心80km左右、高度約800hPa處, 至臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)速減弱為接近于零。臺(tái)風(fēng)徑向風(fēng)(圖3d、e、f)在底層輻合, 在高層輻散, 而在臺(tái)風(fēng)中間層徑向風(fēng)很小, 接近 0。臺(tái)風(fēng)在邊界層的強(qiáng)烈流入和高空流出造成臺(tái)風(fēng)內(nèi)核眼壁區(qū)出現(xiàn)急劇的上升運(yùn)動(dòng)(圖 3g、h、i), 且眼壁區(qū)上升運(yùn)動(dòng)的垂向梯度很小。從渦度場(chǎng)的分布來看(圖 3j、k、l), 在臺(tái)風(fēng)中心及眼壁區(qū)的整個(gè)垂直層以正渦度為主, 且在臺(tái)風(fēng)中心近地面處渦度值最高, 隨著高度增加以及距臺(tái)風(fēng)中心距離的增加, 渦度值逐漸減弱。

由圖3還可以看出, 不同海洋飛沫方案以及控制試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)相近, 但是強(qiáng)度之間存在一定差異: 考慮海洋飛沫的試驗(yàn)(EXP2與EXP3)的模擬結(jié)果均強(qiáng)于控制試驗(yàn) EXP1, 且改進(jìn)方案的增強(qiáng)幅度小于原始方案。與EXP1相比, EXP3計(jì)算的切向風(fēng)與徑向風(fēng)分別增強(qiáng)7—8與4—5m/s, 而EXP2計(jì)算結(jié)果的增強(qiáng)幅度均可達(dá)8—10m/s。EXP2計(jì)算的垂向風(fēng)速與渦度也明顯強(qiáng)于EXP3。

圖 4是 0—36h模擬時(shí)段的海溫變化, 可以看出與理論以及其他研究模擬結(jié)果相近, 受臺(tái)風(fēng)影響海表面溫度在模擬期間有減小趨勢(shì), 且海溫變化的大值區(qū)主要在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的右后方位, 海溫變化滯后于臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)。改進(jìn)海洋飛沫方案(EXP3)模擬的海溫變化區(qū)域、降溫幅度與控制試驗(yàn)(EXP1)均比較接近。原始海洋飛沫方案(EXP2)模擬的降溫區(qū)域與降溫幅度均大于控制試驗(yàn)與改進(jìn)海洋飛沫方案。

2.3 動(dòng)量通量

由上一小節(jié)分析可知, 考慮海洋飛沫之后, 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬結(jié)果變化較大。一般認(rèn)為海洋飛沫可通過影響海洋下墊面粗糙度而影響海氣之間的動(dòng)量交換,同時(shí), 飛沫在大氣中的蒸發(fā)、熱傳遞等物理過程可以影響海氣之間的熱量交換。海氣之間動(dòng)量與熱量交換均會(huì)影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度(Emanuel et al, 1995; Bao et al,2011)。本小節(jié)擬從動(dòng)量通量的角度研究海洋飛沫對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬的影響。本小節(jié)的分析基于第二組對(duì)比試驗(yàn)(控制試驗(yàn)EXP1、原始方案試驗(yàn)EXP4、改進(jìn)方案試驗(yàn)EXP5), 該組試驗(yàn)均未考慮海洋飛沫對(duì)熱通量的影響, 僅考慮飛沫在動(dòng)量交換中的作用。

由圖5可以看出, 海洋飛沫方案的選取會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。相對(duì)于控制試驗(yàn)EXP1, EXP4模擬的風(fēng)場(chǎng)偏弱, 而EXP5模擬的風(fēng)場(chǎng)偏強(qiáng)。由海表面粗糙度場(chǎng)(圖5d、e、f)可以看出, EXP4得到的粗糙度場(chǎng)最強(qiáng), 而 EXP5模擬的粗糙度場(chǎng)明顯弱于 EXP1與 EXP4。

圖 6給出了海氣界面處臺(tái)風(fēng)與下墊面之間的感熱與水汽交換(湍流運(yùn)動(dòng)引起的海氣交換, 非海洋飛沫引起)?？梢钥闯? 由于海氣湍流通量受海表面粗糙度控制, 海氣通量模擬結(jié)果與粗糙度場(chǎng)的模擬結(jié)果比較一致。EXP4計(jì)算的感熱通量與水汽通量最強(qiáng),而 EXP1與 EXP5的計(jì)算結(jié)果相近, EXP5略弱于EXP1。

圖7是各試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)平均軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)?？梢钥闯? EXP4模擬的切向風(fēng) 45m/s等值線區(qū)域大于EXP1, 而 EXP5模擬的區(qū)域小于 EXP1, 即臺(tái)風(fēng)的中高層風(fēng)速模擬結(jié)果為 EXP4＞EXP1＞EXP5。臺(tái)風(fēng)渦度的模擬結(jié)果顯示, EXP4的模擬結(jié)果最大, 而EXP5的模擬結(jié)果最小。

圖3 臺(tái)風(fēng)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)(24—48h平均)Fig.3 Simulation results of typhoon axisymmetric structure (the average from 24h to 48h)

圖4 模擬時(shí)段0—36h海溫變化Fig.4 The SST (Sea-Surface Temperature) change during 0—36h in simulation

圖5 模擬時(shí)刻24h海表面風(fēng)場(chǎng)與粗糙度Fig.5 Sea-surface wind and friction velocity after 24h in simulation

圖6 24 h模擬時(shí)刻的海氣感熱與潛熱通量Fig.6 Air-sea sensible and latent heat fluxes after 24h in simulation

各方案計(jì)算的臺(tái)風(fēng)中高層風(fēng)速與海表面粗糙度場(chǎng)、海氣通量有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這是因?yàn)? 原始海洋飛沫方案計(jì)算的海表面粗糙度偏強(qiáng), 這使得海氣之間感熱與水汽通量的計(jì)算結(jié)果也增強(qiáng), 水汽等通過臺(tái)風(fēng)眼壁的上升運(yùn)動(dòng)到達(dá)臺(tái)風(fēng)中高層, 并通過凝結(jié)釋放潛熱為臺(tái)風(fēng)發(fā)展提供熱量, 從而促使臺(tái)風(fēng)的模擬結(jié)果增強(qiáng)。與此相反, 飛沫方案改進(jìn)后的模擬試驗(yàn)EXP5的計(jì)算結(jié)果偏弱。

由于下墊面摩擦作用, 臺(tái)風(fēng)邊界層風(fēng)場(chǎng)不再符合旋衡風(fēng)或梯度風(fēng)的風(fēng)壓關(guān)系, 是氣壓梯度力、離心力與底摩擦力等共同作用的結(jié)果。因此, 雖然原始海洋飛沫方案EXP4計(jì)算的臺(tái)風(fēng)中高層風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)于改進(jìn)后方案 EXP5, 但是由于下墊面對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的耗散作用也強(qiáng)于 EXP5, 綜合作用下 EXP5模擬的臺(tái)風(fēng)底層風(fēng)場(chǎng)較強(qiáng)。

2.4 熱通量

由上一小節(jié)分析可知, 海氣耦合模式中, 海洋飛沫可通過影響海表面粗糙度影響海氣動(dòng)量通量, 進(jìn)而影響臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度; 同時(shí), 海洋飛沫還可通過影響粗糙度間接影響海氣感熱與潛熱通量, 進(jìn)一步影響臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度(海洋飛沫對(duì)熱通量的間接作用)。除此之外,海洋飛沫可通過蒸發(fā)、熱傳遞等過程直接影響感熱與潛熱交換并作用于臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度(海洋飛沫對(duì)熱通量的直接作用)。本小節(jié)擬從飛沫直接作用于熱通量的角度研究海洋飛沫對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬的影響。

本小節(jié)的分析基于第三組對(duì)比試驗(yàn)(EXP2與EXP4; EXP3與EXP5), 該組試驗(yàn)主要對(duì)比考慮海洋飛沫熱通量影響的試驗(yàn)(EXP2、EXP3)與未考慮海洋飛沫熱通量作用的試驗(yàn)(EXP4、EXP5)。同時(shí), 兩個(gè)對(duì)比試驗(yàn)(原始海洋飛沫方案EXP2與EXP4; 改進(jìn)后的海洋飛沫方案EXP3與EXP5)之間的差異可用來分析不同海洋飛沫方案對(duì)模擬結(jié)果的影響。

圖7 臺(tái)風(fēng)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)(24—48h平均)Fig.7 Simulation results of typhoon axisymmetric structure (the average from 24h to 48h)

由圖8(a, b)可以看出, 對(duì)于原始海洋飛沫方案模擬試驗(yàn) EXP2與 EXP4, 考慮海洋飛沫的熱交換作用以后, 海氣感熱通量的計(jì)算結(jié)果增加。同時(shí)由圖 8(c,d)可以看出, 考慮海洋飛沫熱交換作用后的潛熱通量計(jì)算結(jié)果也明顯增加。對(duì)比感熱通量與潛熱通量可以發(fā)現(xiàn), 臺(tái)風(fēng)條件下海氣熱量交換以潛熱通量為主, 且海洋飛沫對(duì)潛熱通量的影響更大。

海氣交換的潛熱在眼墻上升運(yùn)動(dòng)中釋放以后,對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的影響如圖9所示?？紤]海洋飛沫熱通量作用的 EXP2模擬的切向風(fēng)與渦度明顯強(qiáng)于EXP4。同時(shí), 考慮海洋飛沫熱通量作用后的海表面風(fēng)場(chǎng)也增強(qiáng)(圖10)。這說明, 在粗糙度方案不變的條件下, 考慮海洋飛沫熱交換作用以后的臺(tái)風(fēng)中高層風(fēng)速與底層風(fēng)速均增強(qiáng)。

以上分析表明在海氣耦合模式中加入海洋飛沫的熱交換作用是一個(gè)正反饋過程, 且以影響海氣潛熱交換為主。

海洋飛沫方案改進(jìn)后的模擬試驗(yàn)(EXP3與EXP5)得到相似的結(jié)果, 在考慮海洋飛沫熱通量作用以后,海氣之間潛熱交換增強(qiáng), 并引起臺(tái)風(fēng)中高層風(fēng)速、渦度以及海表面風(fēng)場(chǎng)的增強(qiáng)(圖11、12、13)。

對(duì)比圖8與圖11, 還可以發(fā)現(xiàn), 改進(jìn)后海洋飛沫方案模擬的感熱、潛熱通量(EXP3、EXP5)要小于原始方案的模擬結(jié)果(EXP2、EXP4)。這是因?yàn)? 改進(jìn)方案計(jì)算的海表面粗糙度要弱于原始方案, 而在模式中海洋飛沫的熱通量作用是通過海表面粗糙度進(jìn)行參數(shù)化。因此 EXP3、EXP5計(jì)算的熱通量值也較小。與此相對(duì)應(yīng), 模擬試驗(yàn)EXP3、EXP5計(jì)算的切向風(fēng)與渦度也要弱于EXP3、EXP5(圖9、12)。

2.5 海洋飛沫綜合作用分析

綜合海洋飛沫對(duì)動(dòng)量通量、熱量通量的影響, 可知對(duì)于圖 2中的海表面風(fēng)場(chǎng), 原始海洋飛沫方案試驗(yàn)EXP2與控制試驗(yàn)EXP1相比, 在臺(tái)風(fēng)中心附近EXP2的模擬結(jié)果偏強(qiáng), 而在臺(tái)風(fēng)外圍則結(jié)果偏弱。這是因?yàn)镋XP2計(jì)算的海表面粗糙度要大于控制試驗(yàn), 下墊面耗散作用的加強(qiáng)使臺(tái)風(fēng)外圍 EXP2的近海面風(fēng)速的減弱強(qiáng)于EXP1。但是在臺(tái)風(fēng)中心附近, 海洋飛沫直接與間接作用引起的海洋熱通量增加使臺(tái)風(fēng)風(fēng)速增加, 底耗散對(duì)風(fēng)場(chǎng)減弱作用與熱通量對(duì)風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)作用的共同影響是近臺(tái)風(fēng)中心EXP2計(jì)算結(jié)果強(qiáng)于EXP1的原因。

海洋飛沫方案改進(jìn)后的試驗(yàn)EXP3計(jì)算的海表面風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)于控制試驗(yàn)EXP1(圖2), 這是因?yàn)镋XP3計(jì)算的海表面粗糙度小于 EXP1, 下墊面對(duì) EXP3海表面風(fēng)速的耗散作用因此而減弱, 同時(shí)海洋飛沫的熱通量有增強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的作用, 二者均有使海表面風(fēng)速增大的趨勢(shì)。綜合作用下, EXP3計(jì)算的海表面風(fēng)速要大于EXP1。

改進(jìn)后海洋飛沫方案EXP3計(jì)算的海表面風(fēng)速要強(qiáng)于改進(jìn)前 EXP2, 這是因?yàn)?EXP2計(jì)算的海表面粗糙度強(qiáng)于 EXP3, 雖然 EXP2的飛沫熱通量對(duì)臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)作用更大, 但是下墊面的耗散作用也更大, 綜合作用的結(jié)果是EXP3計(jì)算結(jié)果較大。

對(duì)于圖3的臺(tái)風(fēng)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu), 原始海洋飛沫方案EXP2模擬得到的風(fēng)速與渦度均大于控制試驗(yàn)EXP1,這是因?yàn)?EXP2計(jì)算的海表面粗糙度大于 EXP1, 粗糙度增大使海氣熱通量增加, 進(jìn)而使臺(tái)風(fēng)中高層的模擬結(jié)果增強(qiáng); 同時(shí), 海洋飛沫直接作用引起的海氣感熱、潛熱交換也使臺(tái)風(fēng)的模擬結(jié)果增強(qiáng)。

圖8 原始海洋飛沫方案試驗(yàn)?zāi)M的海氣感熱與潛熱通量(24h)Fig.8 Air-sea sensible and latent heat fluxes after 24h in original sea-spray parameter scheme

圖9 原始海洋飛沫方案試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)(24—48h平均)Fig.9 Simulation results of typhoon axisymmetric structure in original sea-spray parameter scheme (the average from 24h to 48h)

改進(jìn)海洋飛沫方案試驗(yàn)EXP3模擬的臺(tái)風(fēng)中高層風(fēng)速與渦度也大于控制試驗(yàn) EXP1, 這是因?yàn)?EXP3計(jì)算的海表面粗糙度弱于 EXP1, 使得海氣熱通量的模擬結(jié)果也減弱; 但是 EXP1未考慮海洋飛沫作用,而EXP3考慮了海洋飛沫對(duì)熱通量的影響后, 海氣熱通量計(jì)算結(jié)果增加。二者綜合作用的結(jié)果是EXP3的模擬結(jié)果強(qiáng)于EXP1的模擬結(jié)果。

由圖3還可以看出, 改進(jìn)海洋飛沫方案EXP3模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度弱于原始方案 EXP2, 這是因?yàn)?EXP3計(jì)算的粗糙度弱于EXP2的, 粗糙度減弱引起的海氣熱通量減弱以及海洋飛沫引起的海氣熱通量也弱于EXP2, 因此 EXP3模擬的臺(tái)風(fēng)軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)邊界層以上均弱于EXP2。

臺(tái)風(fēng)引起的海溫變化很大程度上是因風(fēng)應(yīng)力引起表層海水輻散, 進(jìn)而誘發(fā)上升流。因此, 各數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M的海水降溫幅度主要與風(fēng)應(yīng)力有關(guān)。原始海洋飛沫方案EXP2計(jì)算的海表面粗糙度明顯強(qiáng)于控制試驗(yàn)EXP1與改進(jìn)方案EXP3(圖5), 這是造成EXP2海水降溫幅度強(qiáng)于EXP1與EXP3的主要原因。

3 討論

本文采用分粒徑段組合方式對(duì)耦合模式海洋飛沫方案改進(jìn), 并利用耦合模式對(duì)1409號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”進(jìn)行數(shù)值模擬, 分析了海洋飛沫方案改進(jìn)對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度以及動(dòng)量通量、熱量通量的影響,探究海洋飛沫影響臺(tái)風(fēng)模擬的機(jī)制。主要得到以下結(jié)論:

(1) 考慮海洋飛沫作用后, 臺(tái)風(fēng)海表面風(fēng)場(chǎng)與軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都發(fā)生變化, 且改進(jìn)海洋飛沫方案的模擬結(jié)果與觀測(cè)更接近。

圖10 原始海洋飛沫方案試驗(yàn)?zāi)M的海表面風(fēng)場(chǎng)與粗糙度(24h)Fig.10 Sea-surface wind and friction velocity after 24h in original sea-spray parameter scheme

圖11 同圖8, 但為改進(jìn)海洋飛沫方案模擬結(jié)果Fig.11 Same as in Fig.8 but in revised sea-spray parameter scheme

圖12 同圖9, 但為改進(jìn)海洋飛沫方案模擬結(jié)果Fig.12 Same as in Fig.9, but in revised sea-spray parameter scheme

(2) 海洋飛沫可通過改變海表面粗糙度而影響海氣動(dòng)量與熱量通量, 并進(jìn)一步影響臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度。改進(jìn)海洋飛沫方案計(jì)算的粗糙度弱于原始海洋飛沫方案。

(3) 海洋飛沫通過粗糙度影響臺(tái)風(fēng)發(fā)展的機(jī)制為: 若海洋飛沫方案計(jì)算的海表面粗糙度較強(qiáng), 則海氣之間感熱與水汽的湍流交換也增強(qiáng)(非海洋飛沫引起), 感熱與潛熱在臺(tái)風(fēng)眼壁的上升運(yùn)動(dòng)中逐漸釋放,為臺(tái)風(fēng)發(fā)展提供能量, 使中高層風(fēng)速、渦度等模擬結(jié)果增強(qiáng), 對(duì)海表面風(fēng)場(chǎng)也有增強(qiáng)作用。同時(shí), 粗糙度計(jì)算結(jié)果的增加使下墊面耗散作用也增強(qiáng), 對(duì)海表面風(fēng)場(chǎng)有減弱作用。海表面風(fēng)場(chǎng)是下墊面耗散作用減弱與熱通量作用增強(qiáng)共同作用的結(jié)果。

(4) 海洋飛沫除了通過海表面粗糙度間接影響海氣熱通量, 還可通過飛沫水滴直接向大氣輸送感熱和潛熱而影響海氣熱通量?？紤]海洋飛沫對(duì)海氣熱交換的直接影響后, 海氣熱通量計(jì)算結(jié)果增加, 且改進(jìn)后海洋飛沫方案試驗(yàn)EXP3的計(jì)算結(jié)果弱于原始方案試驗(yàn)EXP2。

文中所采用的海洋飛沫方案可作為一種選擇性方案應(yīng)用于海浪模式或海氣耦合模式, 以考慮海洋飛沫的作用。受觀測(cè)資料限制, 對(duì)海洋飛沫生成函數(shù)的改進(jìn)效果僅通過數(shù)值模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析, 未能與海洋飛沫的直接觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證, 未來仍需大量觀測(cè)試驗(yàn)進(jìn)一步研究。本文主要通過風(fēng)場(chǎng)、渦度場(chǎng)等分析臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度, 未來可研究其他物理要素如溫度、濕度等分布特征, 有助于更全面理解海洋飛沫對(duì)臺(tái)風(fēng)過程的影響。同時(shí), 更多臺(tái)風(fēng)個(gè)例的研究驗(yàn)證也很有必要。

圖13 同圖10, 但為改進(jìn)海洋飛沫方案模擬結(jié)果Fig.13 Same as in Fig.10, but in revised sea-spray parameter scheme

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