運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)模擬的影響

湯勝茗，黃 穗，余 暉，顧 明

（1.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海200030；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

雖然臺(tái)風(fēng)通常會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，但伴隨臺(tái)風(fēng)而來(lái)的強(qiáng)風(fēng)和降水對(duì)風(fēng)能開(kāi)發(fā)、干旱緩解等具有積極正面的影響［1］。近地面臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的預(yù)測(cè)和研究在風(fēng)資源評(píng)估、大氣污染物擴(kuò)散和土木工程等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因此，準(zhǔn)確計(jì)算登陸臺(tái)風(fēng)的近地面風(fēng)場(chǎng)，尤其是復(fù)雜地形條件下的高分辨率風(fēng)場(chǎng)，對(duì)臺(tái)風(fēng)防災(zāi)減災(zāi)和工程應(yīng)用具有重要的參考意義。

采用中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，是研究復(fù)雜地形條件下臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)的重要方法之一。著名的中尺度天氣預(yù)報(bào)模式有：區(qū)域大氣模型系統(tǒng)（RAMS）［2］、Eta模型（Eta）［3］、第五代賓夕法尼亞州立大學(xué)／美國(guó)國(guó)家大氣研究中心中尺度模型（MM5）［4］、天氣研究與預(yù)報(bào)模型（WRF）［5］等。然而，文獻(xiàn)［6］認(rèn)為由于物理機(jī)制上的簡(jiǎn)化，以及初始狀態(tài)、側(cè)邊邊界條件和表面特征的不確定性，這些中尺度預(yù)報(bào)模式具有較大的局限性。近年來(lái)，將中尺度預(yù)報(bào)模式與診斷模式相結(jié)合的方法越來(lái)越多地用于高分辨率風(fēng)場(chǎng)的模擬研究。通常，中尺度模式求解水平網(wǎng)格間距為幾公里的大氣原始方程組，診斷模型基于連續(xù)性方程來(lái)考慮更高分辨率的局部地形影響［7］。其中，加利福尼亞氣象模式（California Meteorological Model，CALMET）是目前相關(guān)研究中較為常用的診斷模式之一［8-11］，它主要為三維非穩(wěn)態(tài)拉格朗日擴(kuò)散模式（California Puff Model，CALPUFF）提供三維氣象場(chǎng)，其中風(fēng)場(chǎng)通過(guò)質(zhì)量守恒定律進(jìn)行診斷。Yim等［8］以MM5嵌套CALMET得到100 m水平分辨率的風(fēng)場(chǎng)，研究發(fā)現(xiàn)即使CALMET中不加入觀測(cè)資料同化，也可以再現(xiàn)香港地區(qū)時(shí)長(zhǎng)一年風(fēng)場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu)特征，測(cè)站的風(fēng)速、風(fēng)向?qū)Ρ容^好。Lu等［9］利用WRF/CALMET耦合模式將風(fēng)場(chǎng)降尺度到水平分辨率100 m，對(duì)廣東省海陵島風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了為期一年的模擬，研究發(fā)現(xiàn)，在大氣層結(jié)穩(wěn)定時(shí)期，耦合模式對(duì)風(fēng)速診斷表現(xiàn)較好，與4個(gè)風(fēng)塔的數(shù)據(jù)對(duì)比較好。Gonzalez等［10］利用WRF/CALMET模式模擬西班牙西北部復(fù)雜地形和海岸區(qū)域，發(fā)現(xiàn)CALMET模型比WRF模型能提供更精確的行星邊界層（PBL）高度。值得注意的是，Lu等在文獻(xiàn)［9］中提到，CALMET對(duì)邊界層高分辨氣象場(chǎng)的有效模擬是基于穩(wěn)定大氣狀況，是否適用于極端天氣條件下需要進(jìn)一步研究。

運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)是CALMET模式中對(duì)風(fēng)場(chǎng)調(diào)整的重要步驟，其理論基礎(chǔ)為L(zhǎng)iu等［12］提出的方法，用以計(jì)算水平風(fēng)分量受地形強(qiáng)迫的影響。主要步驟為通過(guò)大氣穩(wěn)定度來(lái)調(diào)整由于地形強(qiáng)迫的垂直速度在不同高度的衰減，并進(jìn)一步基于質(zhì)量守恒方程獲得水平風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整。Liu等［12］提出的診斷模型原用于模擬復(fù)雜地形下的風(fēng)場(chǎng)，并由此預(yù)報(bào)野外灌木叢火災(zāi)的蔓延。辛渝等［13］在使用CALMET進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)時(shí)指出，運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)在大部分情況下均為負(fù)效應(yīng)，因此建議在不確定天氣背景會(huì)對(duì)模擬的局地風(fēng)特性產(chǎn)生何種影響情況下，CALMET診斷風(fēng)場(chǎng)模塊以不采用運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)調(diào)整為佳。由此看出，CALMET運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)最好是應(yīng)用于較為穩(wěn)定的大氣狀態(tài)下，若要應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)條件下的近地面風(fēng)場(chǎng)研究，則需要加以改進(jìn)。

為此，本文以中尺度模式WRF結(jié)合診斷模式CALMET，提出了適用于臺(tái)風(fēng)條件下的CALMET改進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)，對(duì)2016年第14號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)一步對(duì)比分析了改進(jìn)CALMET運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)模擬的效果，然后開(kāi)展了CALMET運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)敏感性試驗(yàn)，探討運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形條件下登陸臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)模擬的影響。

1 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”簡(jiǎn)介

2016年9月8日夜間（世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，下同），“莫蘭蒂”（Meranti）在美國(guó)關(guān)島以西約200 km的洋面上生成。其后緩慢向西北方向移動(dòng)，并于9月10日06時(shí)增強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴。9月11日，“莫蘭蒂”快速加強(qiáng)，并在24 h內(nèi)連跳3級(jí)：11日06時(shí)增強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，18時(shí)增強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，12日00時(shí)增強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，12日03時(shí)達(dá)到了超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別。13日中午，“莫蘭蒂”強(qiáng)度達(dá)到最大，中心附近最大風(fēng)速為75 m·s－1，中心最低氣壓為890 hPa。通過(guò)巴士海峽后，由于受臺(tái)灣島地形影響，“莫蘭蒂”強(qiáng)度逐漸減弱，并于14日19時(shí)在福建省廈門(mén)市登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)速為52 m·s－1，中心最低氣壓為940 hPa。登陸后，“莫蘭蒂”強(qiáng)度快速減弱，并在6 h內(nèi)減弱至熱帶風(fēng)暴級(jí)別。15日中午，“莫蘭蒂”在福建省內(nèi)轉(zhuǎn)為東北方向移動(dòng)，隨后進(jìn)入江西境內(nèi)，17日下午在黃海海域減弱消散。

“莫蘭蒂”結(jié)構(gòu)比較緊實(shí)，臺(tái)風(fēng)眼較小，破壞性極大?！澳m蒂”的強(qiáng)風(fēng)區(qū)主要集中在其中心附近10 km范圍內(nèi)，登陸后速度呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，臺(tái)風(fēng)北側(cè)風(fēng)速大于南側(cè)風(fēng)速［14］。

2 數(shù)值模式設(shè)計(jì)

2.1 WRF模式設(shè)置

本文使用的中尺度模式是由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）、美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）和奧克拉荷馬大學(xué)（University of Oklahoma）共同研發(fā)的新一代中尺度 模 式 WRF（Weather Research and Forecast Model）V3.8［5］。WRF模式共設(shè)置3層雙向嵌套網(wǎng)格，由外至內(nèi)分別簡(jiǎn)稱(chēng)為D1、D2、D3，水平分辨率分別為 27、9、3 km，網(wǎng)格數(shù)分別為 135×101、343×241、445×421，D1的網(wǎng)格中心點(diǎn)位于25°N，125°E，如圖1所示。垂直方向共30層，模型的頂部壓力設(shè)置為50 hPa，模擬時(shí)間從2016年9月11日至9月16日，共計(jì)120 h。

WRF初始場(chǎng)和側(cè)邊界數(shù)據(jù)來(lái)自NCEP全球再分析資料，時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為1°×1°。地形高程數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地質(zhì)勘探局（United States Geological Survey，USGS）全球30 s分辨率地形數(shù)據(jù)集（GTOPO30）；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自USGS中分辨率成像光譜儀（Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）全球30 s分辨率的21種分類(lèi)的土地利用數(shù)據(jù)集。WRF模式主要參數(shù)化方案設(shè)置如表1所示。

圖1 WRF三層網(wǎng)格嵌套示意圖Fig.1 Area coverage for three nested domains in WRF

表1 WRF模式主要參數(shù)方案設(shè)計(jì)Tab.1 Parametrization design in WRF

2.2 CALMET模式設(shè)置

本文使用的微尺度診斷模式為CALMET V6.5.0，它為三維非穩(wěn)態(tài)拉格朗日煙團(tuán)擴(kuò)散模式CALPUFF提供三維氣象場(chǎng)與必要的邊界層參數(shù)，包括診斷風(fēng)場(chǎng)模塊和微氣象模塊［19］。

2.2.1 CALMET運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)

CALMET模式中，地形運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)采用Liu等［15］方法，用以計(jì)算水平風(fēng)分量受地形強(qiáng)迫的影響。首先，在笛卡爾坐標(biāo)系（x，y，z）下計(jì)算受地形強(qiáng)迫的垂直氣流w，并滿(mǎn)足大氣穩(wěn)定度遞減指數(shù)函數(shù)。

式（1）、（2）中：Vh為水平風(fēng)矢量；ht為地形高度；N為維薩拉頻率；g為重力加速度；θ為位溫。然后，將笛卡爾坐標(biāo)系下的垂直速度w轉(zhuǎn)換至地形跟隨坐標(biāo)系下的速度W，如下式所示：

式中：（u，v）為笛卡爾坐標(biāo)系（x，y，z）下的水平速度分量。最后，假定W不變，對(duì)初猜風(fēng)場(chǎng)重復(fù)進(jìn)行輻散最小化調(diào)整，直到整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的三維散度小于閾值ε，即

式中：V為三維風(fēng)矢量；ε默認(rèn)取值為5.0×10－6s－1。

由公式（1）～（4）可知，CALMET模式中使用運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)的默認(rèn)前提是，大氣環(huán)流為靜力穩(wěn)定、沒(méi)有強(qiáng)烈垂直運(yùn)動(dòng)的流動(dòng)，即水平無(wú)輻散流動(dòng)。在此條件下，通過(guò)三維輻散最小化對(duì)水平風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整。然而，在臺(tái)風(fēng)這一天氣系統(tǒng)中，由于內(nèi)核區(qū)眼墻附近存在較強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，大氣流動(dòng)并不滿(mǎn)足水平無(wú)輻散條件，因此采用上述方法對(duì)臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)的調(diào)整是不合適的。

2.2.2 改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT

為了研究登陸臺(tái)風(fēng)近地面水平風(fēng)場(chǎng)受地形強(qiáng)迫的影響，針對(duì)CALMET原始方案的不足，本文提出了適用于臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的改進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案，取名為KETT（Kenematic Effects of Terrain for Typhonns），具體的方案流程如圖2所示。圖中小寫(xiě)變量為笛卡爾坐標(biāo)系變量，大寫(xiě)變量為地形跟隨坐標(biāo)系變量。

圖2 KETT方案流程圖Fig.2 Flow chart of KETT

圖2 中，（u，v，w）為笛卡爾坐標(biāo)系（x，y，z）下的三維速度分量，（U，V，W）為地形跟隨坐標(biāo)系（X，Y，Z）下的三維速度分量。假定相同水平分辨率下，WRF模式和CALEMT模式中的地形對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響一致，則KETT方案的具體做法如下：

（1）以 WRF 水平風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)uWRF、vWRF作為CALMET模式初猜場(chǎng)utc0、vtc0，利用公式（1）求得地形強(qiáng)迫出來(lái)的垂直風(fēng)速wtopo，然后根據(jù)WRF模式輸出的垂直風(fēng)速wWRF減去wtopo，便可得到笛卡爾坐標(biāo)系下臺(tái)風(fēng)環(huán)流本身的垂直速度wtc。

（2）將wtc轉(zhuǎn)換至地形跟隨坐標(biāo)系下的垂直風(fēng)速Wtc后，利用公式（4）進(jìn)行輻散最小化迭代計(jì)算，求得地形跟隨坐標(biāo)系下的水平風(fēng)場(chǎng)Utc、Vtc。

（3）將Utc、Vtc轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系的水平速度utc、vtc，并計(jì)算其和CALMET初猜場(chǎng)utc0、vtc0的殘差，若小于閾值Δ（本文取0.1 m·s-1），則計(jì)算通過(guò)進(jìn)入下一步，否則將utc、vtc作為新的CALMET初猜場(chǎng)重新迭代計(jì)算，直到小于閾值Δ。

（4）根據(jù)utc、vtc，利用公式（1）再次求得地形強(qiáng)迫出來(lái)的垂直風(fēng)速wtopo，然后將臺(tái)風(fēng)環(huán)流本身的垂直速度wtc加入到wtopo中形成新的垂直速度，該垂直速度同時(shí)考慮了CALMET地形強(qiáng)迫效應(yīng)和臺(tái)風(fēng)環(huán)流本身垂直運(yùn)動(dòng)。

（5）根據(jù)*進(jìn)行輻散最小化迭代計(jì)算，求得笛卡爾坐標(biāo)的水平速度、，下角標(biāo)n代表水平分辨率，本文取3 km或500 m。

（6）最后，進(jìn)行CALMET的阻塞效應(yīng)與坡面流效應(yīng)計(jì)算，得到最終的水平風(fēng)場(chǎng)un和vn。

2.2.3 CALMET模式設(shè)計(jì)

CALMET僅設(shè)置1層嵌套網(wǎng)格，水平分辨率為500 m，網(wǎng)格數(shù)為745×745，如圖1虛線方框所示。垂直方向共17層，模式頂部高度為3 500 m，底層較密、頂層較疏，模擬時(shí)間從2016年9月13日21時(shí)至9月15日21時(shí)，共計(jì)48 h。

CALMET初猜場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)自WRF最內(nèi)層網(wǎng)格D3的模擬結(jié)果。高程數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪任務(wù)（Shuttle RadarTopographicMission， SRTM） SRTM90 version 4數(shù)據(jù)，水平分辨率為90 m；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)基礎(chǔ)地理信息中心的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)庫(kù)GL30（GlobeLand30），水平分辨率為30 m。

基于CALEMT運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)，本文共設(shè)置三組對(duì)比試驗(yàn)：第一組試驗(yàn)采用CALMET原始運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案，記為CAL1；第二組試驗(yàn)采用改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT，記為CAL2；第三組試驗(yàn)不采用運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)，記為CAL3，如表2所示。三組試驗(yàn)中，均采用阻塞效應(yīng)和坡面流效應(yīng)，均不采用客觀分析。

2.2.4 觀測(cè)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”影響期間，共收集到福建省境內(nèi)981個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站的風(fēng)速觀測(cè)記錄。自動(dòng)觀測(cè)風(fēng)速為10 m高度處1 min平均的風(fēng)速風(fēng)向記錄，時(shí)間分辨率為5 min，觀測(cè)時(shí)間從2016年9月13日00時(shí)至16日00時(shí)，涵蓋CALMET全部模擬時(shí)間。

表2 CALMET三組對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Three simulations in CALMET

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 WRF模擬結(jié)果

圖3對(duì)比了WRF數(shù)值模擬結(jié)果和再分析資料有關(guān)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”路徑和強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況，豎虛線代表臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)間（2016年9月14日19時(shí)）。本文采用的再分析資料來(lái)源于中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所整編的臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集（BST）［20］。從路徑模擬（圖3a）來(lái)看，WRF模擬在廈門(mén)市的登陸時(shí)間為9月14日23時(shí)，比實(shí)際登陸時(shí)間晚約4 h，說(shuō)明模擬的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度在9月14日較慢。但總體而言，WRF模式很好再現(xiàn)了“莫蘭蒂”在洋面上的西北行、從臺(tái)灣島南側(cè)經(jīng)過(guò)后在福建南部登陸以及登陸后的北折過(guò)程，模擬效果較好。從強(qiáng)度模擬（圖3b、3c）來(lái)看，WRF模式成功模擬了“莫蘭蒂”快速增強(qiáng)階段，模擬最大風(fēng)速為68 m·s－1，最低海平面中心氣壓為905 hPa，與再分析結(jié)果非常接近。9月14日19時(shí)，“莫蘭蒂”在廈門(mén)登陸后，WRF模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度衰減較慢，并沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)際情況中快速減弱的過(guò)程。趙玉春等［21］認(rèn)為，“莫蘭蒂”登陸后快速減弱可能是由于渦旋暖濕中心消失以及氣旋性渦柱水平尺度減小所導(dǎo)致?？傮w而言，WRF模式對(duì)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”的路徑和強(qiáng)度模擬都較成功，其最內(nèi)層網(wǎng)格D3模擬結(jié)果將為CALMET診斷模式提供初猜場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3.2 CALMET模擬結(jié)果

圖4給出了臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”登陸前（9月14日17時(shí)）和登陸后（9月15日01時(shí)），CAL1試驗(yàn)和CAL2試驗(yàn)中地表10 m高度處的風(fēng)速差值場(chǎng)圖。其中，差值風(fēng)場(chǎng)為水平分辨率500 m的CALMET格點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)減去水平分辨率3 km的CALMET格點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)。在CAL1試驗(yàn)中，由于采用了CALMET原始的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案，輻散最小化調(diào)整并未考慮臺(tái)風(fēng)本身垂直運(yùn)動(dòng)的影響，因此無(wú)論在臺(tái)風(fēng)登陸前或登陸后，臺(tái)風(fēng)中心附近均存在一個(gè)明顯的系統(tǒng)誤差，風(fēng)矢差值指向臺(tái)風(fēng)中心（圖4a、4b）。在CAL2試驗(yàn)中，由于采用了改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT，考慮了臺(tái)風(fēng)中心附近的垂直運(yùn)動(dòng)，臺(tái)風(fēng)中心附近的系統(tǒng)誤差得到了消除（圖4c、4d）。

圖3 2016年9月臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”的WRF模擬結(jié)果和再分析資料對(duì)比圖Fig.3 Vortex development in both BST analysis and WRF simulation of typhoon Meranti in September 2016

圖4 CAL1和CAL2試驗(yàn)10 m高度風(fēng)速差值場(chǎng)。Fig.4 Differences of 10 m wind vectors between CAL1 and CAL2

為了定量對(duì)比CALMET運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)改進(jìn)前后地表風(fēng)場(chǎng)的差異，分別計(jì)算了臺(tái)風(fēng)七級(jí)風(fēng)圈（10 m高度平均風(fēng)速大于 17.1 m·s－1，簡(jiǎn)稱(chēng) R17）內(nèi) CAL1、CAL2和WRF模擬中地表10 m高度處風(fēng)速v10和風(fēng)向d10的均方根誤差（RMSE）隨時(shí)間的變化，如圖5所示。從風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，使用CALMET原有運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)（CAL1試驗(yàn)）時(shí)，v10均方根誤差在6～13 m·s－1之間，相對(duì)WRF模擬有20%～30%的改進(jìn)；采用改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT（CAL2試驗(yàn)）后，v10均方根誤差在6～11 m·s－1之間，相對(duì)于CAL1其風(fēng)速誤差在臺(tái)風(fēng)登陸前后平均減小10.8%（14日18時(shí)至15日04時(shí)）。從風(fēng)向統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，CAL1相對(duì)于WRF模擬結(jié)果并沒(méi)有明顯改善，這主要是由于臺(tái)風(fēng)條件下，CALMET原始運(yùn)動(dòng)學(xué)方案不適用，地表風(fēng)場(chǎng)主要受阻塞效應(yīng)控制而非運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)控制，從而導(dǎo)致模擬風(fēng)向的改變幾乎為零；而采用了KETT（CAL2試驗(yàn)）后，d10的均方根誤差有了較為明顯的改善，比CAL1平均減小5.4%。綜合來(lái)講，改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT對(duì)臺(tái)風(fēng)大風(fēng)區(qū)域的地表風(fēng)場(chǎng)模擬能力有較顯著提升。

圖5 2016年9月臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”七級(jí)風(fēng)圈內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向均方根誤差時(shí)序圖Fig.5 Time series of RMSE for wind speed and wind direction within R17 of typhoon Meranti in September 2016

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)敏感性分析

為了研究復(fù)雜地形條件下CALMET運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)模擬的影響，選取了位于臺(tái)風(fēng)登陸位置東側(cè)一個(gè)山體——石蛇山作為目標(biāo)研究區(qū)域（圖6）。石蛇山區(qū)域范圍大小為45 km×30 km，山體主要為東西走向，石蛇山主峰呈現(xiàn)倒“T”型，其東南側(cè)有一副峰，南面主要為平原地區(qū)，北面是更為復(fù)雜的山地群，該區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)海拔1118.5 m，位于118.186°E，24.905°N。由于該區(qū)域?yàn)閱畏褰Y(jié)構(gòu)，且周?chē)貏?shì)較為平坦，可作為典型區(qū)域進(jìn)行研究分析。

圖6 石蛇山區(qū)域及自動(dòng)觀測(cè)站分布Fig.6 Shishe Mountain and automatic surface observational stations

為了定量研究石蛇山區(qū)域內(nèi)CALMET運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)近地面風(fēng)場(chǎng)模擬的影響，分別統(tǒng)計(jì)了CAL2、CAL3和WRF模擬中地表10 m高度的風(fēng)速v10和風(fēng)向d10與該區(qū)域內(nèi)12個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)的均方根誤差，如圖7所示。在該統(tǒng)計(jì)中，可根據(jù)“莫蘭蒂”強(qiáng)風(fēng)區(qū)（風(fēng)速≥17.1 m s－1）影響石蛇山區(qū)域的時(shí)間分為三個(gè)時(shí)間段：（I）臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響前；（II）臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響時(shí)；（III）臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響后。

從風(fēng)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，采用改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT（CAL2）比不使用運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)（CAL3）得到的v10誤差要小，三個(gè)時(shí)間段平均均方根誤差分別減小12.1%、17.9%和15.1%。從風(fēng)向統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，使用KETT方案（CAL2）比不使用運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)（CAL3）得到的d10誤差總體上減小，三個(gè)時(shí)間段平均均方根誤差分別減小15.5%、20.3%和14.6%。綜合來(lái)講，改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)影響下的復(fù)雜地形近地面風(fēng)場(chǎng)模擬能力有較顯著提升。

圖8給出了臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響前后，CAL2和CAL3在石蛇山區(qū)域的10 m高度風(fēng)速散點(diǎn)分布圖。由圖8可知，在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響前，CAL2和CAL3方案模擬的地表10 m風(fēng)速較接近（圖8a）；在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響時(shí)，兩個(gè)方案模擬風(fēng)速發(fā)散度增大并呈“圓形”分布（圖8b）；臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響后，在10～20 m·s－1風(fēng)速模擬區(qū)間，CAL2模擬風(fēng)速小于CAL3（圖8c）。

為了進(jìn)一步對(duì)比CAL2和CAL3在不同地形條件下模擬風(fēng)速的不同，現(xiàn)選取典型測(cè)站風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比分析。本文共選取3個(gè)測(cè)站作為個(gè)例進(jìn)行分析：測(cè)站1、測(cè)站4和測(cè)站5，其位置如圖6b所示。其中，測(cè)站1位于石蛇山北側(cè)的丘陵區(qū)域，其北面為其他山脈；測(cè)站4位于石蛇山南側(cè)，其南面基本為地勢(shì)較低的平原；測(cè)站5位于石蛇山主峰。圖9給出了CAL2、CAL3和WRF模擬在10 m高度處的風(fēng)速v10、風(fēng)向d10在3個(gè)測(cè)站處與觀測(cè)數(shù)據(jù)（OBS）對(duì)比的時(shí)間變化圖。由于臺(tái)風(fēng)登陸位置位于石蛇山西南側(cè)，因此該區(qū)域的測(cè)站風(fēng)向變化基本經(jīng)歷從東北風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)再轉(zhuǎn)為東南風(fēng)，最后轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)的過(guò)程，而風(fēng)速大小出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響前（階段I），各方案的風(fēng)向差別不大，但是CAL2的風(fēng)速值比CAL3和WRF的更加接近觀測(cè)值，說(shuō)明KETT方案可以更有效地模擬出測(cè)站風(fēng)速變化趨勢(shì)。另外在階段I，測(cè)站5的v10大于測(cè)站1和測(cè)站4，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)，測(cè)站1和測(cè)站4分別位于石蛇山的迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡，地形阻塞效應(yīng)導(dǎo)致了其風(fēng)速小于位于山頂?shù)臏y(cè)站5。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響時(shí)（階段II），無(wú)論是風(fēng)速還是風(fēng)向，CAL2的模擬值與觀測(cè)值更為接近，尤其是在測(cè)站4與測(cè)站5，其風(fēng)速最大值幾乎與觀測(cè)最大值完全一致。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響后（階段III），采用改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT可以大致描繪實(shí)測(cè)風(fēng)速風(fēng)向的變化特征，但其效果不如階段I和階段II好，主要是由于WRF模式在“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)登陸后其路徑和強(qiáng)度模擬效果較差，不如登陸前效果好。

對(duì)比CAL2、CAL3與觀測(cè)數(shù)據(jù)的偏差可以發(fā)現(xiàn)，除了測(cè)站4的第II階段，CAL2得到的10 m高度風(fēng)速偏差普遍比CAL3更小。對(duì)于以上3個(gè)測(cè)站來(lái)說(shuō)，KETT方案會(huì)引起5 m·s－1以?xún)?nèi)的風(fēng)速改變量，位于低位勢(shì)的測(cè)站1和測(cè)站4，在I、III階段使得風(fēng)速減弱（I階段5%以下，III階段10%以上），II階段使風(fēng)速增大。對(duì)于測(cè)站5來(lái)說(shuō)，KETT方案會(huì)在所有三個(gè)階段均引起風(fēng)速減小，在階段II和階段III其減小量約20%。另外，在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響時(shí)（階段II），KETT方案的風(fēng)向模擬效果有較大提升，尤其是對(duì)高位勢(shì)測(cè)站（測(cè)站5）的風(fēng)向改進(jìn)比較明顯，而對(duì)于南面較為平坦地區(qū)的測(cè)站4的風(fēng)向改善相對(duì)較小。

5 結(jié)論

本文以2016年第14號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”為例，采用中尺度氣象模式WRF與微尺度診斷模式CALMET相結(jié)合的方法，提出了適用于臺(tái)風(fēng)條件下的CALMET運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)改進(jìn)方案KETT，并得出以下結(jié)論：

（1）采用改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT后，由于考慮了臺(tái)風(fēng)本身的垂直運(yùn)動(dòng)，臺(tái)風(fēng)中心附近模擬風(fēng)場(chǎng)的系統(tǒng)誤差得到了消除。

（2）使用CALMET原有運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案得到的10 m風(fēng)速均方根誤差比WRF模擬結(jié)果減小20%～30%，風(fēng)向模擬結(jié)果與WRF相近。采用CALMET改進(jìn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方案KETT后，其風(fēng)速模擬誤差在臺(tái)風(fēng)登陸前后相比原有方案平均減小10.8%，風(fēng)向模擬誤差平均減小5.4%。改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT對(duì)臺(tái)風(fēng)大風(fēng)區(qū)域的地表風(fēng)場(chǎng)模擬能力有較顯著提升。

（3）運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)可以較好地反應(yīng)局地地形對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)的影響。運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)敏感性分析研究表明：采用運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)KETT和不采用運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)得到的模擬結(jié)果相比，在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)影響前、影響時(shí)和影響后，石蛇山區(qū)域10 m高度風(fēng)速誤差分別減小12.1%、17.9%和15.1%，風(fēng)向誤差分別減小15.5%、20.3%和14.6%，說(shuō)明改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)方案KETT對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)影響下的復(fù)雜地形近地面風(fēng)場(chǎng)模擬能力有較顯著提升。