次千米至次百米高分辨率模擬的熱帶氣旋眼墻低層極端上升運動特征分析

周星陽，吳立廣，劉青元

(南京信息工程大學(xué)太平洋臺風(fēng)研究中心，江蘇南京210044)

1 引 言

西北太平洋是世界上熱帶氣旋(TC)活動最頻繁的海區(qū)，中國是世界上受TC影響最嚴重的國家之一，TC給沿岸地區(qū)人民的生命財產(chǎn)造成巨大損失[1-2]。 早期的研究認為，TC中極端上升運動的強度要弱于中緯度地區(qū)大陸性雷暴對流[3]。利用機載多普勒雷達發(fā)現(xiàn)，在眼墻處有超過70%的垂直運動小于2 m/s，約有5%的區(qū)域垂直運動大于5 m/s[4]。自從1997年以來，大約有12 000個GPS下投式探空儀[5]投放到大西洋和太平洋的TC中，與之前雷達觀測到的結(jié)果類似，大部分的下投式探空儀只能觀測到相對來說較弱的垂直風(fēng)速，很少有樣本能達到5 m/s及以上。但下投式探空儀也觀測到了少量相對較強的上升運動，最大強度達到約30 m/s。從Megi(2010)和Jangmi(2008)這兩個臺風(fēng)個例來看，大于10 m/s的樣本占全部樣本的3%～4%。Stern等[6]分析了1997—2005年所有下投式探空儀的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)極端上升運動(大于10 m/s)的幾乎都來自于眼墻，其中90%的數(shù)據(jù)來自強度達到CAT4和CAT5的熱帶氣旋，極端上升運動出現(xiàn)在邊界層內(nèi)和邊界層頂，往往伴隨著強陣風(fēng)。

隨著計算機技術(shù)的進步，Braun等[7]利用第五代中尺度模式 (PSU-NCAR MM5)模擬颶風(fēng)Erin(2001)試驗(水平分辨率為4 km)來研究垂直風(fēng)切變?nèi)绾斡绊懷蹓Φ拇怪边\動分布，他們發(fā)現(xiàn)垂直風(fēng)切變會引起垂直運動和降水不對稱分布，較強的垂直運動發(fā)生在順切變方向的左側(cè)，Braun等[8]在類似的颶風(fēng)Bonnie(1998)的模擬研究中也得出了相似的結(jié)論。這與觀測資料的分析一致，例如Stern等[9]發(fā)現(xiàn)幾乎所有的極端上升運動都分布在最大風(fēng)速半徑附近10 km處，與環(huán)境垂直風(fēng)切變有密切關(guān)系，約80%大于10 m/s上升運動出現(xiàn)在順切變矢量的左側(cè)，在垂直方向上，高度在400～600 m之間存在頻率分布的最大值。

目前數(shù)值模式已經(jīng)能夠進行分辨率達到幾百米甚至幾十米的TC數(shù)值試驗。在數(shù)值試驗中，對邊界層的處理有兩種方法，第一類是邊界層參數(shù)化方案，如YSU方案[10]，另一類是大渦模擬技術(shù)[11](large-eddy simulation，LES)。Zhu[12]指出，邊界層參數(shù)化方法低估了邊界層的湍流作用。Rotunno等[13]采用WRF(Weather Research Forecast)模式的大渦技術(shù)模擬了f-平面上沒有環(huán)境氣流影響的熱帶氣旋，他們發(fā)現(xiàn)水平分辨率達到185～62 m時，模式可以模擬出邊界層風(fēng)場的湍流特征和非常強的瞬時大風(fēng)或者陣風(fēng)。

由于觀測條件的限制，目前只能夠觀測到TC中有限區(qū)域的垂直運動，在邊界層區(qū)域，對極端上升運動的了解主要來自合成方法。因此，本研究利用國際上先進的中尺度WRF模式，利用大渦模擬技術(shù)模擬臺風(fēng)眼墻附近的極端上升運動，分析極端上升運動的空間分布特征，并與現(xiàn)有的觀測分析結(jié)果比較。同時，我們希望通過數(shù)值試驗，了解模擬TC低層（3 km以下）極端上升運動需要的模式水平分辨率，本研究暫不考慮垂直分辨率對模擬結(jié)果的影響。

2 數(shù)值試驗設(shè)計

本研究所用的模式是新一代非靜力平衡、高分辨率WRF模式，已經(jīng)廣泛用于臺風(fēng)研究。我們使用了WRF 3.2.1版本，該版本包括邊界層參數(shù)化和比較先進的大渦技術(shù)，模式具有多重嵌套功能，可以對關(guān)注的臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)域進行高分辨率的模擬并節(jié)省計算時間。在我們的模擬中，為了使得試驗與西北太平洋的臺風(fēng)相似，我們利用了臺風(fēng)“麥莎”（2005）的大尺度低頻背景，這個低頻背景場是通過Lanczos低通濾波方法得到，資料來自NCEP (The National Centers for Environmental Prediction)的 1 °×1 °FNL(Final Operational Global Analysis data)資料[14]。時間自 2005年 8月5—9日，開始時刻臺風(fēng)中心位于123.0°E，25.4°N。為了使得構(gòu)造的臺風(fēng)初始渦旋適應(yīng)環(huán)境場，我們首先構(gòu)造一個人工的理想對稱渦旋，在f平面上運行18 h[15]，然后將這個渦旋放在低頻場中臺風(fēng)“麥莎”的中心位置，模式繼續(xù)運行至觀測TC的強度，然后將渦旋(900×900 km)取出并將中心放置在實際觀測位置。

我們設(shè)計了三個試驗（表1），采用多重嵌套網(wǎng)格，所有試驗的前四重網(wǎng)格分辨率分別為27 km、9 km、3 km 和 1 km，網(wǎng)格點分別為 230×230、230×210、432×399、333×333，最外側(cè)的網(wǎng)格的中心為132.5°E，30.0°N，水平范圍包括了影響西北太平洋臺風(fēng)活動的主要環(huán)流系統(tǒng)。模式一共積分36 h，除了333 m網(wǎng)格，111 m和37 m嵌套網(wǎng)格都是在模式進行了24 h積分以后加入，然后再進行12 h積分。第一個試驗（LES333）是在第四重網(wǎng)格中增加1/3 km（333 m）分辨率的第五重網(wǎng)格，邊界層處理采用大渦技術(shù)，該技術(shù)能夠明確地解釋TC邊界層中精細尺度三維湍流的能量輸送過程，而不依賴參數(shù)化，但在更小尺度的湍流輸送中采用了參數(shù)化方案[12-13]，共有721×721格點，嵌套示意圖見圖1(第六、七重網(wǎng)格在圖中過小故沒有繪制)。第二個試驗是在LES333基礎(chǔ)上，增加一個1/9 km(111 m)網(wǎng)格，稱為LES111試驗，網(wǎng)格共有1 351×1 351格點。第三個試驗是在LES111試驗基礎(chǔ)上增加 1/27 km(37 m)網(wǎng)格，一共有 2 431×2 431個格點，主要包括臺風(fēng)內(nèi)核45 km半徑范圍。所有的網(wǎng)格都是以臺風(fēng)中心為中心，從第四重網(wǎng)格開始，嵌套網(wǎng)格隨臺風(fēng)一起移動，每10分鐘移動一次網(wǎng)格。通過三個大渦模式試驗，我們可以分析不同水平分辨率對模擬結(jié)果的影響。各個試驗中垂直方向總層數(shù)為75層，為了使邊界層結(jié)構(gòu)比較精細，臺風(fēng)邊界層(大約1.5 km)中垂直分辨率在100 m以上。

表1 數(shù)值試驗網(wǎng)格設(shè)置和邊界層方法

模式其它物理方案采用比較常用的熱帶氣旋模擬方案。在最外層使用Kain-Fritsch積云對流方案和WSM-3簡單冰方案[16]，第二至第七層沒有積云參數(shù)化方案的網(wǎng)格中采用WSM-6方案[17]。輻射過程選擇了Dudhia短波方案[18]和Rapid Radiative Transfer Model(RRTM)長波方案[19]。Nguyen 等[20]總結(jié)了數(shù)值模式中幾種尋找TC中心的方法，根據(jù)前人的經(jīng)驗，我們使用了常用的氣壓權(quán)重中心作為TC的中心，公式如下：

其中xi、yi和Pi分別代表格點經(jīng)、緯度和氣壓值，Penv為半徑200 km以內(nèi)的氣壓平均值，Pi為氣壓差(環(huán)境氣壓-格點氣壓值)，R為計算半徑。

3 模擬臺風(fēng)強度演變和結(jié)構(gòu)特征

我們首先分析三個試驗中臺風(fēng)強度和眼墻附近的結(jié)構(gòu)特征。由于大渦技術(shù)可以較好地模擬邊界層中的湍流活動，湍流活動與陣風(fēng)密切聯(lián)系，我們分別分析模擬結(jié)果中10 m高度上瞬時最大風(fēng)速（陣風(fēng)）和方位角平均最大風(fēng)速的演變。圖2是試驗中12 h瞬時最大風(fēng)速（陣風(fēng)）和方位角平均最大風(fēng)速的演變，大渦試驗中瞬時最大風(fēng)速基本大于65 m/s，最大值出現(xiàn)在LES111試驗中，達到78.1 m/s。三個試驗中瞬時最大風(fēng)速在28 h都有一個下降趨勢。值得注意的是，在LES111所模擬的瞬時最大風(fēng)速大部分時間比其它兩個大渦試驗要強，并不是在最高分辨率的LES37中最強，雖然總的說來LES333要比LES111和LES37的瞬時最大風(fēng)速小。

這個結(jié)果與Rotunno等[21]的結(jié)果不太一致，在他們的試驗中，隨著水平分辨率的提高，瞬時最大風(fēng)速增加，他們的試驗中水平分辨率在62 m的時候，瞬時最大風(fēng)速最大。這種不一致可能的原因是他們模式的水平分辨率與我們不同，他們比較的水平分辨率是556 m、185 m和65 m，而我們比較的分辨率是333 m、111 m和37 m，由于瞬時最大風(fēng)速與邊界層湍流有密切關(guān)系，他們前兩個分辨率的試驗?zāi)M的湍流活動弱于65 m分辨率試驗。另外，從后面的討論中可以看到，由于極端上升運動都出現(xiàn)在強對流的眼墻內(nèi)側(cè)，強對流活動與環(huán)境風(fēng)垂直切變有密切關(guān)系，而他們的試驗中沒有環(huán)境氣流，熱帶氣旋在f-平面上演變，基本保持對稱結(jié)構(gòu)。

我們進一步分析了方位角平均風(fēng)速，除了LES111和LES37試驗在加入細網(wǎng)格有1小時調(diào)整外，大渦試驗中方位角平均強度比較平穩(wěn)。在大渦試驗中沒有發(fā)現(xiàn)眼墻收縮，因為雙眼墻替換發(fā)生時間較晚。值得注意的是，大渦試驗中，方位角平均最大風(fēng)速在LES111和LES37中非常相似，都比LES333中小。也就是說，加入了大渦技術(shù)后隨著分辨率的提高，最大方位角平均風(fēng)速有減小的趨勢，這與Rotunno等的試驗結(jié)果一致[21]。

為了說明不同分辨率的大渦模擬對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響，圖3給出四個試驗第30 h 3 km高度上模擬雷達回波，其中藍色圓環(huán)代表TC的最大風(fēng)速半徑。LES333、LES111和LES37三個試驗中最大風(fēng)速半徑分別是31.0 km、31.4 km和30.7 km。在大渦試驗中，大風(fēng)半徑相差不大。在雷達回波上，雖然三個試驗都有不對稱的眼墻結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為臺風(fēng)中心東北方向有較強的雷達回波，西南方向有著較弱的回波，但是在LES333試驗中模擬的臺風(fēng)眼墻基本閉合，而在更高分辨率的試驗中臺風(fēng)眼墻沒有閉合，這種情況在LES37試驗中尤為明顯，這說明分辨率影響模擬眼墻的演變。

在圖3中，我們還給出了各個試驗中的環(huán)境風(fēng)垂直切變(200～850 hPa)，大尺度環(huán)境場的計算選擇了TC中心附近1 000 km×1 000 km的水平范圍。由于試驗是雙向嵌套的，內(nèi)外層網(wǎng)格會互相影響，因此不同試驗的大尺度環(huán)境場會有所不同。LES333、LES111和LES37三個試驗中環(huán)境風(fēng)切變方向都指向西南方向，強度分別為5.8 m/s、5.8 m/s和5.9 m/s。我們注意到，較強的雷達回波出現(xiàn)在順風(fēng)切的左側(cè)，其中有強烈的對流活動，這與Frank等[22]通過MM5模式模擬的結(jié)果一致。

圖4是TC方位角平均徑向風(fēng)和切向風(fēng)隨高度分布，為了減小最內(nèi)層網(wǎng)格剛剛加入的影響，圖4是模式積分25～36 h平均的結(jié)果。其中填色圖為切向風(fēng)，而徑向風(fēng)以等值線表示?？梢钥吹?，在大渦模擬的試驗中，LES333試驗最強的切向風(fēng)出現(xiàn)在500 m高度上，而LES111和LES37試驗中出現(xiàn)在500 m以下，三個試驗中最強切向風(fēng)出現(xiàn)的高度與實際觀測基本一致[23]。雖然利用大渦模擬技術(shù)以后，不同分辨率下模擬的臺風(fēng)方位角平均徑向風(fēng)和切向風(fēng)有所變化，但是三個試驗?zāi)M的結(jié)果基本符合現(xiàn)有的觀測。

圖5 a～5c為三個試驗在500 m高度上垂直運動的水平分布，隨著分辨率的提高，模式能夠模擬出更加精細的小尺度結(jié)構(gòu)，極端垂直運動往往與小尺度結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。利用選定的眼墻寬度(寬度選擇標準見第4節(jié))，我們計算了不同試驗各個分類強度的格點占總格點的比例(表2)?？梢姡?0 m/s以上的極端上升運動所占的格點比例非常少，比Megi(2010)和Jangmi(2008)這兩個臺風(fēng)所觀測的比例小得多，需要注意實際觀測總樣本數(shù)非常有限，所計算的比例沒有代表性。同時，大于5 m/s上升運動比例也小于觀測分析。不過，觀測分析與我們的模式結(jié)果都表明，臺風(fēng)中極端上升運動并不普遍。

在強對流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析中，我們更關(guān)注的是強對流系統(tǒng)內(nèi)部極端上升運動或者對流爆發(fā)性增長出現(xiàn)的概率?？紤]到文中TC存在較為明顯的非對稱結(jié)構(gòu)，因此我們計算了W5～W20(分類依據(jù)見第4節(jié))在強對流區(qū)域中 (高于20 dBz)所占的格點比例(表3)。從表中可以看出，極端上升運動在強對流區(qū)域中所占的格點比例要稍大于總格點中的比例。通過計算我們發(fā)現(xiàn)，95%以上的W5出現(xiàn)在三個試驗的強對流區(qū)域中，W10～W20在強對流區(qū)域中出現(xiàn)的比例達到了99%以上。計算區(qū)域的選擇對極端上升運動分布的計算影響不大，因此在后文中使用眼墻區(qū)域總格點數(shù)進行計算。

表2 三個試驗3 km以下眼墻區(qū)域不同強度垂直運動的占總格點的比例

表3 三個試驗3 km以下強對流區(qū)域不同強度垂直運動的占強對流區(qū)域格點的比例

4 分析方法

4.1 垂直運動的特征計算和分類

在之前的研究中，為了比較不同分辨率的結(jié)果通常將高分辨率的變量插值到低分辨率的網(wǎng)格中[24]，這種方法不適合比較極端的上升運動。為了說明這一點，我們對積分30 h LES111和LES37的垂直運動進行了降分辨率處理(圖6a、6b)。從空間分布上看，降分辨率之后精細的湍流結(jié)構(gòu)部分被合并，從強度上看(以大于10 m/s的上升運動為例后稱W10)，對LES37試驗進行降分辨率處理，處理前W10占總格點比例為0.21%，處理后比例為0.18%，對LES37試驗進行降分辨率處理，處理前W10占總格點比例為0.25%，處理后比例為0.21%，相較于之前比例偏小。插值到粗網(wǎng)格也導(dǎo)致極端上升運動強度減弱，在后面的計算中，我們將使用數(shù)據(jù)原始的分辨率進行計算。

Stern等[9]分析了1997—2005年在大西洋和東太平洋TC上空釋放的下投式探空儀數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)在眼墻附近大部分下投式探空儀記錄的上升運動都小于5 m/s，這與之前研究認為的TC中對流的強度要弱于中緯度風(fēng)暴對流一致。在觀測中存在著較強的上升運動，下投式探空儀由于自身的重力作用以12～13 m/s的速度向下運動，在TC中強上升運動的影響下這些下投式探空儀開始上升，上升運動強度至少在10 m/s以上，他們稱這些下投式探空儀為上投式探空儀，并且把TC極端上升運動定義為10 m/s以上。為了能夠與前人觀測的結(jié)果比較，這里我們也定義大于10 m/s的上升運動為極端上升運動。

Black等[4]發(fā)現(xiàn)颶風(fēng)Emily(1987)眼墻中存在著24 m/s的上升運動，Guimond等[25]在颶風(fēng)Dennis(2005)的雷達資料中發(fā)現(xiàn)了極少量大于30 m/s的上升運動。在1989年以前，通過飛機多次穿越眼墻對TC中不同高度的垂直運動進行觀測，由于邊界層高度的穿越存在危險性，常常需要避開強對流系統(tǒng)，事實上較難觀測到最強的上升運動[26]。由于高分辨率的數(shù)值模擬不存在這個問題，我們有必要對模式結(jié)果中更加強烈的上升運動進行細分，在本次研究中將上升運動的強度分為四類W5(大于 5 m/s)、W10(大于 10 m/s)、W15(大于 15 m/s)和W20（20 m/s以上）。

4.2 眼墻范圍和敏感性檢驗

由于文中的統(tǒng)計工作都建立在我們選定的眼墻范圍內(nèi)，對于這三個試驗，眼墻范圍的認定都會影響到我們最終對于結(jié)果的認識。

根據(jù)臺風(fēng)中心位置在每一高度上利用方位角平均計算了最大切向風(fēng)風(fēng)速，作為每一層的最大風(fēng)速半徑（RMW）。對于眼墻范圍選取，在之前的研究中，一般將RMW向內(nèi)向外10 km作為眼墻的范圍，由于不同TC的眼墻寬度不同，我們計算了眼墻寬度和W10頻數(shù)之間的關(guān)系，眼墻的寬度范圍為0～40 km。為了方便比較，我們將四個試驗得到的W10頻數(shù)除以了最大眼墻寬度時W10對應(yīng)的頻數(shù)，這樣我們可以得到每個眼墻寬度能夠取到W10的比例。如圖7所示，我們可以看到圖中的斜率隨著眼墻寬度的增加而減小，其中眼墻大于20 km以后最大斜率已經(jīng)小于0.014，且能夠解釋85%以上的W10。從圖4a～4d中也能看出眼墻寬度定為20 km能夠包含大部分的極端上升運動。綜上所述，由于第七重網(wǎng)格的限制以及減少部分層次眼墻外因素的干擾，我們最終選取的眼墻寬度為20 km。

5 模式中極端上升運動特征分析

之前對TC眼墻的觀測中，按照觀測方法分類大致可以分為三個階段，分別是飛機直接觀測，機載多普勒雷達觀測和下投式探空儀觀測。其中，飛機直接觀測集中在1985年之前，對于眼墻垂直運動的觀測集中在飛行航線上，垂直運動的計算通過連續(xù)方程的推導(dǎo)，在直接觀測中上升運動的峰值為6 m/s，垂直方向上上升運動最大值分布在飛行高度附近(3～4 km)[24]。隨著技術(shù)的進步，機載多普勒雷達能夠直接探測眼墻處垂直運動在空間上的瞬時分布，觀測得到的上升運動強度進一步提高到了8 m/s[4]。之前的研究主要針對對流尺度的上升系統(tǒng)，由于飛行過程常常避開這些系統(tǒng)，精細尺度的極端上升運動 (如EVM)本身很難被觀測到，因此對其的討論較少。在1997年之后，學(xué)者通過下投式探空儀來觀測邊界層內(nèi)的TC結(jié)構(gòu)，它能在垂直方向上提供較高分辨率的風(fēng)速廓線，但投出后無法控制其落點。Stern等[10]對1997年開始共計12 000個下投式探空儀資料進行分析，他們認為垂直運動的最大值出現(xiàn)在1.5 km以下，W10頻率分布的峰值出現(xiàn)在400～600 m之間。

5.1 水平分布

我們計算了三個試驗3 km以下W10、W15和W20格點的空間分布情況(圖8)。其中黑色箭頭為12 h平均垂直風(fēng)切變(200～850 hPa)。由于不同高度不同時次的RMW會有所差異，我們將每一個極端運動發(fā)生的格點與當前時次和高度的RMW半徑相除，計算其與RMW的相對位置。圖中紅色實線為RMW所在位置，黑色虛線從內(nèi)到外分別為0.5和1.5倍RMW。

我們首先分析了極端上升運動與大尺度環(huán)境場之間的關(guān)系。三個試驗中極端上升運動主要分布在順風(fēng)切變的左側(cè)，之前的研究認為，大尺度環(huán)境場的垂直風(fēng)切變會導(dǎo)致眼墻內(nèi)不對稱的對流結(jié)構(gòu)，較強對流結(jié)構(gòu)和降水會發(fā)生在順風(fēng)切的左側(cè)象限[9]。在圖2模擬雷達回波圖中，大渦試驗在TC中心的西南象限存在非閉合眼墻結(jié)構(gòu)，極端上升運動在西南象限的分布也較少?？偟膩碚f，大渦模擬中不同分辨率試驗都能較好模擬出大尺度環(huán)境場對極端上升運動的影響。

Stern等[10]認為強上升運動距離TC中心的位置和RMW的半徑密切相關(guān)，約90%的上投式探空儀出現(xiàn)在RMW內(nèi)側(cè)。三個試驗的結(jié)果都很好驗證了這一點。其中LES333試驗的極端上升運動只有少量格點出現(xiàn)在RMW半徑外側(cè)，LES111和LES37試驗有部分W10和W15分布在東南象限RMW的外側(cè)，但更強的W20基本處于RMW內(nèi)側(cè)。

在大渦試驗中，隨著分辨率的提升，最明顯的區(qū)別為RMW外側(cè)能夠模擬出更強的上升運動，LES37試驗甚至能在RMW的外側(cè)模擬出W20，這可能是由于高分辨率的大渦試驗?zāi)軌蜉^好模擬出局地的湍流活動。從極端上升運動的分布情況上看，LES111和LES37試驗的分布較相似。由于將高分辨率插值到低分辨率會導(dǎo)致極端上升運動信息的缺失(圖6)，因此我們無法從不同分辨率試驗格點的數(shù)量上判斷出極端上升運動分布的強弱。

5.2 垂直分布

借鑒前人的研究，我們將三個試驗在3 km以下的垂直運動插值到間隔為250 m的高度上，并計算眼墻附近W10的頻率并繪制柱狀圖。如圖9所示，三個試驗在邊界層內(nèi)都存在著W10頻率分布的峰值，LES333、LES111和LES37試驗峰值分別出現(xiàn)在1.0 km、0.5 km和0.5 km高度上。

在加入大渦技術(shù)以后，隨著水平分辨率的提高，最明顯的變化為W10頻率的峰值高度逐漸降低，在次千米分辨率下，峰值出現(xiàn)在1 km附近，當模式分辨率提高至百米尺度及以上時，峰值出現(xiàn)的位置降低至500 m附近。這與Stern等[9]的結(jié)果一致，他們通過對多個TC的下投式探空儀觀測結(jié)果分析，W10頻率最大值出現(xiàn)在400～600 m的高度上。在我們的四個試驗中，LES111和LES37的結(jié)果與其結(jié)果最相似。

通過模式結(jié)果與前人觀測的比較，我們發(fā)現(xiàn)百米及更高分辨率的大渦試驗?zāi)軌蜉^好模擬出與實際相似的極端上升運動的垂直特征。那么在現(xiàn)實觀測中極難觀測到的W15和W20在垂直方向上是何分布的，我們將利用三個試驗的結(jié)果進行分析。

我們繪制了三個試驗W15頻率隨高度變化的折線圖。從圖10中可以看到，不同試驗峰值出現(xiàn)的高度不同，三個試驗W15最大值出現(xiàn)的位置分別為1.5 km、0.6 km和0.6 km。使用了大渦技術(shù)以后，隨著分辨率的提高，能夠在1 km以下模擬出更強的上升運動，且峰值出現(xiàn)的位置更低。LES111和LES333試驗相比，峰值出現(xiàn)的位置降低了0.9 km，LES37和LES111分布的形式比較接近。

在實際觀測中，很少觀測到大于20 m/s的垂直運動。由于高分辨率的大渦試驗?zāi)軌驅(qū)Φ蛯拥耐牧鬟M行物理上的解釋，因此我們繪制了W20頻率隨高度變化的折線圖(圖11)。大渦試驗中W20和W15的頻率分布相似，隨著水平分辨率的提高，峰值出現(xiàn)的位置降低，峰值位置分別是1.1 km、0.6 km和0.5 km。其中在Stern等的觀測中，極端值出現(xiàn)的位置在500 m附近，百米尺度及更高分辨率的大渦試驗?zāi)軌蚋訙蚀_模擬極端上升運動的垂直分布。

我們同時計算了各個試驗的極值及空間分布。從數(shù)值上看，在加入了大渦技術(shù)以后，極值變大，隨著分辨率的提高，極大值進一步提高，在LES37試驗中達到了34.9 m/s。在空間上看，四個試驗的極值都出現(xiàn)在RMW的內(nèi)側(cè)，值得注意的是極值出現(xiàn)有一定的隨機性。

6 總 結(jié)

早期的飛機探空資料觀測在TC的邊界層中存在強的垂直上升運動?，F(xiàn)階段對于TC邊界層中強的垂直上升運動的分布特征及其形成機制，以及其對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)和強度的影響等方面的研究還很缺乏。隨著計算機能力的不斷提高，為高分辨率的數(shù)值模擬應(yīng)用于TC精細化結(jié)構(gòu)的研究提供了技術(shù)支持。此外，大渦技術(shù)可以對百米以下尺度的湍流進行合理的物理上的解釋。為此，本文設(shè)計了三個試驗，分別是LES333、LES111和LES37，分析TC邊界層中強垂直上升運動對不同邊界層方案和不同水平分辨率在模式中的響應(yīng)。

研究結(jié)果顯示，大尺度環(huán)境的垂直風(fēng)切變會導(dǎo)致眼墻對流系統(tǒng)的不對稱分布，強對流主要發(fā)生在順風(fēng)切的左側(cè)。在精細尺度上，三個試驗結(jié)果均發(fā)現(xiàn)3 km以下的強上升運動與強對流分布一致，且出現(xiàn)在最大風(fēng)速半徑的內(nèi)側(cè)。值得注意的是，LES111和LES37試驗?zāi)軌蛟赗MW外側(cè)模擬出少量大于15 m/s的上升運動。

雖然三個試驗中W10頻數(shù)分布均呈現(xiàn)隨著高度先增加后減少的趨勢，但是三個試驗中強垂直運動的分布特征具有明顯不同。隨著LES試驗水平分辨率的提高，強上升運動頻數(shù)最大值的高度隨著水平分辨率的提高而降低。值得指出的是，LES111和LES37試驗中強上升運動頻數(shù)最大值的分布高度與觀測更加接近[9]，位于0.4～0.6 km的高度上。

由于在次千米至次百米尺度下，傳統(tǒng)的邊界層參數(shù)化方案處于“灰色區(qū)域”，邊界層參數(shù)化方案在此分辨率下將造成邊界層的過度混合從而影響模擬結(jié)果的可信度，因此試驗中將邊界層參數(shù)化方案替換為大渦模擬技術(shù)，邊界層過程由大渦技術(shù)的結(jié)果提供。在本次研究中，隨著大渦技術(shù)試驗分辨率的提高，在百米及以上分辨率上能夠模擬出與實際空間分布接近且強度相似的結(jié)果。本文主要對不同邊界層處理方法和分辨率對眼墻范圍內(nèi)極端上升運動的空間分布和強度進行了研究，為將來數(shù)值試驗的設(shè)計提供參考依據(jù)。