兩種邊界層方案對臺風“Megi”路徑的影響

王雨星，鐘中，孫源，哈瑤

（解放軍理工大學氣象學院，江蘇南京 211101）

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兩種邊界層方案對臺風“Megi”路徑的影響

王雨星，鐘中，孫源，哈瑤

（解放軍理工大學氣象學院，江蘇南京 211101）

摘 要：以WRF為試驗模式，對比分析2種邊界層參數(shù)化方案（YSU、MYJ）對臺風“Megi”路徑的影響。結果顯示，“Megi”路徑對邊界層方案的變化有一定的敏感性。相比于MYJ方案的模擬結果，YSU方案模擬的邊界層垂直混合作用和水汽垂直輸送較強，因此對流層高層的水物質(zhì)含量高于MYJ方案中的結果。分布于臺風周圍的水物質(zhì)在對流層高層會以砧云的形態(tài)擴散至副高區(qū)域，砧云在對流層高層凝結放熱增溫，在低層形成降水蒸發(fā)吸熱降溫，影響副高區(qū)域上下層的溫度分布，導致副高強度減弱、位置東退，最終造成臺風提前轉向。

關鍵詞：天氣學；邊界層；臺風路徑；WRF模式；臺風“Megi”

王雨星，鐘中，孫源，等．兩種邊界層方案對臺風“Megi”路徑的影響［J］．廣東氣象，2016，38（3）：17 -21．

自20世紀80年代以來，隨著數(shù)值預報模式分辨率逐步提高，預報技術不斷進步［1］，臺風路徑研究有了很大進展。對于穩(wěn)定的西行或者西北行臺風，預報誤差較小，但是對于異常路徑的臺風，預報能力還有待提高。大量研究表明，臺風的路徑變化很大程度上受到大尺度流場的引導［2 -3］；對于登陸我國的臺風而言，其路徑很大程度上取決于副熱帶高壓（簡稱副高）和臺風之間的相互作用［4］。近年來，我國氣象工作者在研究副高和臺風相互作用方面已有諸多成果。黃莉莉等［5］研究發(fā)現(xiàn)，副高的穩(wěn)定強大會導致臺風路徑的穩(wěn)定和快速西行；蔡夏影等［6］通過對臺風“康森”移動路徑進行分析，得出臺風的移動路徑與副高位置和形狀演變有密切關系；段朝霞等［7］的研究指出，大陸副熱帶高壓的變化是臺風“黑格比”移向西折的關鍵因素。因此，探討副高和臺風之間的關系，對臺風路徑變化的機理研究和業(yè)務預報十分有益。

而今，數(shù)值模式已然成為TC模擬和路徑預報的重要手段，而模式包含的諸多復雜的物理過程對TC的發(fā)展和移動有重要影響。研究表明，模式中邊界層參數(shù)化方案對臺風中的物理量和環(huán)流有著重要影響［8 -8］。眾多的研究一般都選取某個時次的臺風個例進行模擬，并分析邊界層方案對臺風結構、強度、路徑的直接影響。本研究與這些研究有所不同，利用中尺度數(shù)值模式WRF，對2010年第13號臺風“Megi”登陸前后過程進行數(shù)值模擬，比較兩種邊界層參數(shù)化方案（非局地YSU方案和局地MYJ方案）模擬的臺風和副高差異，提出臺風對副高的反饋作用，并初步分析2種邊界層參數(shù)化方案影響臺風路徑的原因。

1　模式及邊界層方案

本研究所使用的模式為新一代高分辨率中尺度預報模式WRF（Weather Research and Forecast）。WRF模式是由美國環(huán)境預測中心（NCEP）、美國國家大氣研究中心（NCAR）等美國科研機構中心著手開發(fā)的一種統(tǒng)一的中尺度天氣預報模式。WRF模式為完全可壓縮及非靜力模式，水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格點，垂直方向則采用地形跟隨質(zhì)量坐標。WRF模式不僅可以用于真實天氣的個案模擬，也可以用其包含的模塊組作為基本物理過程探討的理論根據(jù)。

1．1WRF模式設置

模式采用1°×1°經(jīng)緯度分辨率的NCEP/ NCAR再分析資料作為初值場，設置單重雙向嵌套的模擬區(qū)域，水平分辨率為20 km，垂直方向分36層，模式層頂取為100 hPa。模擬區(qū)域中心點緯度為22°N，經(jīng)度為122°E，網(wǎng)格數(shù)為160×180，區(qū)域積分時間步長為80 s。其它物理過程方案設置如下：微物理方案采用WSM 3 - class方案；長波輻射為RRTM方案；短波輻射為Goddard方案；表面層方案需要和邊界層方案配合使用；MYJ方案使用Monin - obukhov（JANJIC）近地面層方案；YSU方案對應Monin - obukhov方案；陸面過程采用thermal diffusion方案。積分時間為2010年10月14日00：00（UTC）到2010年10月25日00：00（UTC）共264 h，包括了臺風“Megi”生成、發(fā)展和登陸的全部過程。

1．2邊界層參數(shù)化方案

本研究主要分析比較2種不同邊界層參數(shù)化方案——局地MYJ（Mellor - Yamada - Janjic）方案和非局地YSU（Yonsei University）方案對臺風路徑預報的影響。

MYJ方案是行星邊界層和自由大氣中的湍流動能參數(shù)化方案，采用Mellor—Yamada2．5階湍流閉合模式代表近地面層以上的湍流運動，湍流擴散系數(shù)是由湍流動能預報方程決定的，通過迭代算法求解湍流動能產(chǎn)生和耗散的偏微分方程，并對湍流長度系數(shù)也進行了修正［10］，適合研究精細的邊界層結構。該方案用于所有穩(wěn)定和弱不穩(wěn)定的條件的邊界層，但在對流邊界層中，有較大偏差［11］。

YSU方案是一階非局地K理論方案，是MRF方案的改進。YSU方案在湍流擴散方程中加入逆梯度項，考慮逆溫層中夾卷作用造成的熱量交換，對PBL頂?shù)膴A卷進行顯式處理，增加了熱量引起的自由對流機制下的邊界層混合，減少了機械強迫引起的對流機制下的邊界層混合［12］。相比于MRF方案，YSU方案對邊界層高度的計算也有相應改進，減弱了湍流強度，更接近真實的邊界層結構。

2　數(shù)值模擬結果對比分析

2．1路徑對比分析

首先比較不同的邊界層方案下“Megi”的路徑差異。圖1將2種不同邊界層參數(shù)化方案（YSU和MYJ）下模擬的臺風路徑和美國聯(lián)合臺風預警中心（JTWC）發(fā)布的最佳路徑（best track）進行了對比。最佳路徑圖上顯示，臺風初期路徑較為穩(wěn)定，先沿西北方向直行，后折向西南，進入南海后路徑變得復雜，先西行，后略微南掉，再向西北方向移動，而后沿東北方向移動，最后沿西北方向登陸福建。從各時次的路徑預報結果可以看出，在登陸呂宋島之前，YSU方案和MYJ方案下的臺風路徑并沒有顯著差異，但在此之后，YSU方案模擬的臺風比實際路徑更早向北轉向，并向臺灣以東洋面移動；相比之下，MYJ方案中的臺風繼續(xù)西行并進入中國南海，其路徑預報結果更接近于最佳路徑。這表明，“Megi”路徑對邊界層參數(shù)方案的變化總體上是比較敏感的。

圖1 兩種參數(shù)化方案模擬的臺風路徑和實況路徑（用OBS標示）

2．2形勢場對比分析

西太平洋熱帶氣旋臺風的移動很大程度上決定于大尺度環(huán)境流場的引導，尤其受到500 hPa的西太平洋副熱帶高壓的影響。于海鵬等［13］通過分析“Megi”移動過程得出，500 hPa流場始終是臺風移向的決定因素。模擬不同邊界層方案（YSU和MYJ方案）的2010年10月15 日00：00（UTC）的500 hPa位勢高度場（圖略），此時臺風還未進入模擬區(qū)域，可以看出，2種方案模擬的副高強度和位置并沒有明顯差異，均呈緯向型分布。這表明，在臺風不活躍期，邊界層參數(shù)化方案的改變并不能直接對副高強度造成較大影響。圖2為2010年10月18日00：00 （UTC）的500 hPa位勢高度場，臺風中心位于呂宋島以西洋面，可以看出，YSU方案下的副高強度明顯弱于MYJ方案。在YSU方案下，副高的主體位于臺灣東部的西太平洋洋面上，原本的高壓帶已經(jīng)斷裂，臺風位于副高西側，受副高西側較強的偏南風引導，相比之下，MYJ方案下模擬的副高主體延伸至我國內(nèi)陸地區(qū)，臺風處在副高南緣穩(wěn)定的偏東氣流中。對比2個時刻中的副高強度及位置可得，在臺風活躍期，兩方案模擬的副高強度有著明顯差異，說明是由于不同邊界層方案模擬的臺風結構各異，進而影響到副高，間接導致2個方案模擬的副高強度有所不同。Y．Sun［14］在其研究中也得出了相似結論。

圖2 2010年10月19日00：00（UTC）YSU（a）和MYJ（b）參數(shù)化方案模擬的500 hPa高度場（單位：gpm）

圖3為2種邊界層方案中區(qū)域平均（25°N—30°N，110°E—130°E）經(jīng)向風和緯向風隨時間變化。該區(qū)域基本可以代表臺風周圍環(huán)境的引導氣流位置，來進一步比較2種邊界層方案中臺風受到的引導氣流的區(qū)別。

圖3 兩種邊界層方案中區(qū)域平均的經(jīng)向風和緯向風時間演變

從圖3中可以看出，在臺風進入模擬區(qū)域時刻10月15日12：00，2種邊界層方案模擬的風速和風向并沒有明顯差異，臺風受穩(wěn)定的東南風控制，沿西北方向移動，但隨著時間的演變，2種邊界層方案模擬的南風轉變?yōu)楸憋L，但風速變化不顯著；2種方案模擬的東風逐漸加強，且MYJ方案模擬的東風風速大于YSU方案的模擬結果，臺風向偏西方向移動。至18日之后YSU方案模擬的東風開始減弱，北風開始轉變?yōu)槟巷L，風速也逐漸加強，東風和南風風速差異減小，臺風開始向偏北方向移動，MYJ方案的結果也有相應變化，但東風風速仍然遠大于南風風速，臺風繼續(xù)向偏西方向移動。至20日后MYJ方案模擬的東風風速和南風風速差異開始減小，南風風速逐漸大于東風風速，臺風隨之向偏北方向移動，而YSU方案的模擬結果仍然為偏南風，臺風北上。

大尺度環(huán)流從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)的轉變將引起熱帶氣旋周圍環(huán)境引導氣流的突然變化，從而導致熱帶氣旋的運動發(fā)生變化。由此分析，由于YSU方案中的副高東退減弱并在臺風所在經(jīng)度斷裂，呈經(jīng)向型分布，臺風在偏南氣流引導下，提早北上轉向；而在MYJ方案的模擬結果中，副高勢力強盛，長軸呈東西向，脊線穩(wěn)定在25°N—30°N之間，緯向型的流場繼續(xù)引導臺風西行。

綜上所述，邊界層方案對副高強度模擬的直接影響較小，而不同方案下模擬的臺風差異才是影響副高強度的關鍵，即不同邊界層方案是通過影響臺風的模擬結果進而對副高的強度和分布造成顯著影響的。由于臺風模擬差異導致副高強度各異，使得臺風周圍環(huán)境引導氣流有所不同，進而導致臺風移動路徑出現(xiàn)顯著差異。

3　副高強度差異成因分析

邊界層參數(shù)化方案描述了大氣水汽、熱量和動量等在邊界層內(nèi)的輸送情況，而采用不同理論的參數(shù)化方案模擬的邊界層結構特征必然有著很大差異。Brown［15］指出，MYJ方案是一個局地邊界層方案，僅考慮模式垂直高度相鄰層之間的湍流交換，在對流邊界層中不能構造足夠的混合作用，而在弱的垂直混合作用下，只能將相對少的水汽和熱量輸送至對流層高層［16］；Hong等［17］的研究指出，YSU方案是一個非局地邊界層方案，考慮了由地面熱通量引起的次網(wǎng)格湍流混合作用，加強了整層邊界層湍流混合過程，能夠將水汽和熱量從表面?zhèn)鬏斨粮邔?。圖4為2種邊界層方案模擬的臺風從西行至轉向前階段路徑區(qū)域平均（12°N—17°N，120°E—130°E）的地表向上輸送水汽通量（QFX）時間分布?？梢钥闯?，在積分時間的大部分階段，YSU參數(shù)化方案模擬的海表向上輸送的水汽通量都明顯大于MYJ參數(shù)化方案的模擬結果。這說明，由于YSU方案模擬的湍流混合作用較強，使得邊界層中較多的水汽抬升至對流層高層，水汽在抬升過程中伴隨著相變過程，并以水物質(zhì)形態(tài)分布于臺風周圍，進而導致臺風周圍的水物質(zhì)在高低層和周圍區(qū)域的分布不同。

圖4 兩種邊界層方案下區(qū)域平均的地表向上輸送水汽通量時間分布

圖5分析了2種邊界層方案下距臺風中心徑向分布的水物質(zhì)隨高度變化情況，從圖6中可以看出，在YSU方案中，水物質(zhì)在800 hPa高度附近和400 hPa高度附近存在高值中心，水物質(zhì)在500 hPa高度以下基本分布于距臺風中心300 km的范圍內(nèi)，只有小部分水物質(zhì)擴散至距臺風中心400 km左右，而在500 hPa高度以上水物質(zhì)分布范圍則很廣，尤其在350 hPa高度到200 hPa高度之間，水物質(zhì)甚至擴散至距臺風中心800 km以外區(qū)域；而在MYJ方案下，雖然水物質(zhì)在800 hPa高度附近和400 hPa高度附近也存在高值中心，但值得注意的是，在800 hPa高度上，MYJ方案中模擬的水物質(zhì)中心數(shù)值大于YSU方案中的模擬結果，而在400 hPa高度上，YSU方案中模擬的水物質(zhì)中心數(shù)值明顯大于MYJ方案中的模擬結果，這與2種方案中模擬的邊界層垂直混合過程的差異有密切關系。由于YSU方案模擬的垂直混合作用較強，因此更多水汽能夠輸送至對流層高層，導致高層的水物質(zhì)含量大于MYJ方案中的模擬結果，而MYJ方案模擬的垂直混合作用相對較弱，使得該方案在低層的水物質(zhì)含量大于YSU方案中的模擬結果。從低層到高層，MYJ方案模擬的水物質(zhì)基本分布于距臺風中心400 km的范圍內(nèi)，只有少量的水物質(zhì)擴散至距臺風中心800 km以外區(qū)域。

從圖5中分析可得，由于YSU方案模擬的邊界層垂直混合作用強于MYJ方案的結果，使得更多的水汽輸送至對流層高層，并以水物質(zhì)的形態(tài)擴散至臺風外圍區(qū)域。Y．Sun［18］指出，當模式模擬的臺風周圍產(chǎn)生過多的水物質(zhì)時，會造成臺風附近區(qū)域對流層高層上的砧云量增多，砧云延伸至副高區(qū)域，在500 hPa高度以上砧云凝結釋放熱量，500 hPa高度以下形成降水，蒸發(fā)吸收熱量，從而減弱副高的強度。

圖5 YSU（a）和MYJ（b）邊界層方案下距臺風中心徑向分布的水物質(zhì)隨高度變化

因此，由于YSU方案中模擬的邊界層垂直混合作用較強，使得向上輸送的水汽通量更強，導致對流層高層的水物質(zhì)含量高于MYJ方案中的模擬結果，水物質(zhì)以砧云的形態(tài)擴散至副高區(qū)域，并通過相變過程（高層凝結放熱增溫，低層蒸發(fā)吸熱降溫）影響副高區(qū)域上下層的溫度分布，造成500 hPa高度以上增溫、500 hPa高度以下降溫，從而減弱副高強度，最終導致臺風提前轉向。

4　結論

以上結果表明，邊界層方案對臺風中的各種物理量和路徑有著非常重要的影響，這些影響存在關聯(lián)，相互制約。關于這方面的研究，國內(nèi)外已有不少，這些研究一般都選取某個時次的臺風個例進行模擬，并分析邊界層方案對臺風結構、強度、路徑的直接影響。本研究的工作與這些研究有所不同，通過分析2種邊界層方案下臺風和副高的差異，得出“Megi”路徑對邊界層方案的變化有一定的敏感性，并相應分析臺風路徑變化的機理：由于2種方案模擬的邊界層垂直混合作用的強弱不同，導致兩者模擬的水汽通量垂直輸送存在差異。YSU方案模擬的水汽通量垂直輸送較強，因此對流層高層的水物質(zhì)含量高于MYJ方案中的模擬結果，過多的水物質(zhì)會以砧云的形態(tài)擴散至副高區(qū)域，砧云在對流層高層凝結放熱增溫，在低層形成降水蒸發(fā)吸熱降溫，導致副高強度減弱、位置東退，最終造成臺風提前轉向。

本研究的結論只是基于對臺風個例“Megi”的研究而得出，還需要對更多臺風個例進行研究。邊界層方案對其他臺風的路徑影響與臺風“Megi”是否有不同，仍需要進行更多的試驗。

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Effects of Two Boundary Layer Schemes on the Track of Typhoon Megi

WANG Yu-xing，ZHANG Zhong，SUN Yuan，HA Yao
（Institute of Meteorology and oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 211101）

Abstract：Using the WRF model as an experimental model，we compared and studied the effects of two schemes of boundary layer parameterization，YSU and MYJ，on the track of Typhoon Megi．As shown in the result，the track of Megi shows some sensitivity to the change of the boundary layer scheme．Compared with the simulation with the MYJ scheme，the vertical mixing effect and vertical water vapor transport in the boundary layer simulated by the YSU scheme is stronger，and the content of hydrometeors is higher．The hydrometeors，distributed around Megi in the upper troposphere，spread to the area of the subtropical high in the form of anvil clouds to heat the atmosphere through condensation at the upper level and cool it by evaporation through precipitation at the lower level．As a result，the temperature distribution at the upper and low levels of the subtropical high is disrupted，causing the subtropical high to weaken and retreat to the east and eventually making the typhoon to turn earlier than usual．

Key words：synoptics；boundary layer；typhoon track；WRF model；Typhoon Megi

中圖分類號：P44

文獻標識碼：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．004

收稿日期：2015 -08 -08

作者簡介：王雨星（1884年生），男，碩士，主要從事數(shù)值模擬工作。E - mail：lgdx_wyx＠163．com