邊界層高度和動量粗糙度的不確定性對臺風(fēng)“天鴿”（1713）模擬的影響

譚曉偉

摘要：基于中國氣象局區(qū)域臺風(fēng)模式CMA-TYM模式，通過一系列敏感性試驗，對臺風(fēng)“天鴿”（1713）生命過程中不同時間階段的移動路徑及強(qiáng)度的數(shù)值模擬對模式參數(shù)化方案中邊界層高度（h）和動量粗糙度（z0）的敏感性進(jìn)行了研究。試驗結(jié)果表明，使用不同參數(shù)化方案計算的h在“天鴿”（1713）初期的熱帶風(fēng)暴階段對熱帶氣旋的移動路徑有較明顯的影響，在臺風(fēng)成熟后對熱帶氣旋的移動路徑影響不顯著；臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速對h的變化不敏感，而最低海平面氣壓對h的變化卻非常敏感。同時在臺風(fēng)發(fā)展初期階段，邊界層過薄或過厚都不利于臺風(fēng)強(qiáng)度的發(fā)展加強(qiáng)，這表明邊界層高度h在熱帶氣旋數(shù)值模擬和預(yù)報中是非常重要的，尤其是在臺風(fēng)發(fā)展的初期階段。動量粗糙度z0的變化對臺風(fēng)“天鴿”的影響主要體現(xiàn)在臺風(fēng)增強(qiáng)階段，臺風(fēng)中心附近10 m風(fēng)速最大值在臺風(fēng)增強(qiáng)階段對z0敏感，尤其是在臺風(fēng)發(fā)展的初期階段。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)；數(shù)值模擬；邊界層；參數(shù)化

中圖分類號：P444；P456? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：2096-3599（2023）01-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.01.003

Influence of the uncertainty of boundary layer height and momentum roughness on Typhoon Hato （1713） simulation

TAN Xiaowei1，2

（1. CMA Earth System Modeling and Prediction Centre （CEMC）， Beijing 100081， China; 2. State Key Laboratory of Severe Weather， Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract： Based on the CMA-TYM model， through sets of sensitivity experiments， the sensitivities of the simulated moving track and intensity of Typhoon Hato （1713） to the boundary layer height h and momentum roughness z0 in different life stages are studied. The experiment results show that the boundary layer height h from different parameterization schemes has significant influence on the moving track during the tropical storm stage， while there is no obvious influence on the moving track after Hato gets mature. The maximum 10-m wind speed near the typhoon center is not sensitive to the change of h， while the minimum sea-level pressure is very sensitive to the change of h. The study also finds that， in the early stage， it is not beneficial for the development of typhoon intensity whether h is too thin or thick， which shows that h is very important in the numerical simulation and prediction of tropical cyclones， especially in the early stage of typhoon. The influence of the change of momentum roughness z0 on Typhoon Hato is mainly reflected in the typhoon intensification stage. The maximum 10-m wind speed near the typhoon center is sensitive to z0 in the typhoon intensification stage， especially in the early stage of typhoon.

Keywords： typhoon; numerical simulation; boundary layer; parameterization

引言

熱帶氣旋（tropical cyclone，TC）會對生命和財產(chǎn)造成巨大危害，為了減少這類損失，相關(guān)機(jī)構(gòu)和個人都需要獲得TC的位置和強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)報。眾所周知，邊界層是熱帶氣旋的重要組成部分，邊界層過程是大氣的主要熱量和水汽的源，是動量的匯，調(diào)節(jié)著與TC發(fā)展及增強(qiáng)密切相關(guān)的動量和焓的徑向和垂直分布，在TC的能量傳輸過程中起著重要的作用。然而TC邊界層與大部分大氣邊界層不同，TC的旋轉(zhuǎn)對其動力學(xué)有強(qiáng)烈的影響[1-5]，這也進(jìn)一步增加了TC數(shù)值模擬中邊界層參數(shù)化的復(fù)雜性[6]。

在數(shù)值模式中，邊界層高度h和動量粗糙度z0都是需要進(jìn)行參數(shù)化且具有重要意義的變量。例如，在被業(yè)務(wù)數(shù)值模式廣泛使用的一階K閉合方案（如Medium Range Forecast Model（MRF）方案和Yonsei University（YSU）方案）中，混合層的湍流擴(kuò)散系數(shù)需要使用混合層特征速度和邊界層高度h進(jìn)行參數(shù)化，而混合層特征速度的參數(shù)化也依賴于邊界層高度h。YSU方案的一個特點是包含了邊界層頂夾卷的參數(shù)化計算，而該夾卷項的參數(shù)化也依賴于邊界層高度h。因此，在數(shù)值模式中邊界層高度h影響著邊界層內(nèi)湍流熱量通量的垂直輸送，進(jìn)而影響TC的發(fā)展。另外，在大多數(shù)參數(shù)化方案中，描述地（海）氣交界面的動量、感熱和潛熱交換作用的表面通量要依賴于動量粗糙度z0，部分參數(shù)化方案會使用與z0有關(guān)的表面動量交換系數(shù)CD（也稱為曳力系數(shù)）代替z0。因此，在數(shù)值模式中，邊界層高度h和動量粗糙度z0（或表面動量交換系數(shù)CD）的確定在邊界層參數(shù)化過程中十分關(guān)鍵。

但是，由于數(shù)值計算過程中參數(shù)化方法的設(shè)計及對TC缺少足夠的科學(xué)認(rèn)識，都會為邊界層高度h和動量粗糙度z0的參數(shù)化計算帶來不確定性。利用總體理查森數(shù)（Rib）確定邊界層高度是邊界層參數(shù)化方案中廣泛使用的一種方案[7-10]。例如，MRF方案[11]和 YSU方案[12]中都使用了總體理查森數(shù)方法。從最低模式層向上進(jìn)行尋找，取總體理查森數(shù)首次等于臨界總體理查森數(shù)Ribcr（一般取Ribcr=0.5）時所在的高度作為大氣邊界層高度h，即認(rèn)為是首次達(dá)到中性層結(jié)的高度。如果Rib=Ribcr所在的高度層出現(xiàn)在兩個模式層之間，那么還需要通過線性插值的方法進(jìn)一步確定h的值。因此，在大氣邊界層高度h的這一參數(shù)化過程中，參數(shù)化方法、線性插值等數(shù)值計算方法都會導(dǎo)致h相對于真實大氣的邊界層高度具有不確定性。假設(shè)地面風(fēng)速為0，Hong等[12]用公式（1）定義了總體理查森數(shù)，表示浮力與切變力的比率，它們分別負(fù)責(zé)減少和產(chǎn)生湍流。

，? ?（1）

其中為地表面層與高度z之間的總體理查森數(shù)，為重力加速度，為z高度處的虛位溫，表示地表面的虛位溫，且，為最低模式層上的虛位溫，為地表面附近的額外虛溫，U（z）為z高度處的水平風(fēng)速。然而，Zhang等[13-14]的研究指出，用傳統(tǒng)的臨界總體理查森數(shù)法確定的邊界層高度可能不能準(zhǔn)確地再現(xiàn)颶風(fēng)邊界層的高度尺度。在進(jìn)行TC數(shù)值模擬過程中，如何對邊界層高度h進(jìn)行合適的參數(shù)化表達(dá)尚沒有讓人十分滿意的方案，仍在探索中。

在動量粗糙度z0的參數(shù)化過程中，一般先通過地形靜態(tài)資料識別模式格點下方所處位置是屬于陸面還是水面，并將陸面上的動量粗糙度z0設(shè)置為0.01，水面上使用比較復(fù)雜的參數(shù)化公式計算，不同的參數(shù)化方案在水面上常使用不同的參數(shù)化公式。在對水面上方的模式格點進(jìn)行參數(shù)化時，通常需要使用摩擦速度、水平風(fēng)速、重力加速度。其中，摩擦速度是在模式積分的每一時步通過參數(shù)化計算獲得，水平風(fēng)速是通過模式每一時步的積分計算獲得，重力加速度取一個近似的常數(shù)。因此，在動量粗糙度z0的參數(shù)化過程中，不同參數(shù)化設(shè)計方法會導(dǎo)致數(shù)值模式中的z0具有不確定性。但是目前水面上的動量粗糙度z0（和曳力系數(shù)CD）的參數(shù)化尚沒有讓人十分滿意的方案，仍然在進(jìn)行探尋和摸索[15-19]。

以往的研究多集中在不同邊界層參數(shù)化方案對臺風(fēng)模擬的影響上，然而，熱帶氣旋的模擬對邊界層參數(shù)化的敏感性除對方案變化敏感以外，還可能對參數(shù)化表達(dá)的微小變化也敏感[20-23]。其影響對不同臺風(fēng)并不完全一致，因此針對更多臺風(fēng)開展數(shù)值試驗來加深邊界層中變量的參數(shù)化對臺風(fēng)模擬影響的認(rèn)識至關(guān)重要。深入了解邊界層參數(shù)化變量表達(dá)差異在臺風(fēng)過程不同階段中的影響十分必要，可為有針對性地改進(jìn)數(shù)值預(yù)報模式的邊界層參數(shù)化方案提供參考依據(jù)。因此，分析臺風(fēng)過程中不同階段的數(shù)值模擬對邊界層參數(shù)化中變量要素的敏感性，認(rèn)清這些敏感要素是如何通過影響臺風(fēng)結(jié)構(gòu)來影響臺風(fēng)的路徑和強(qiáng)度具有重要意義。

對1713號臺風(fēng)“天鴿”開展敏感性試驗，分別對邊界層高度h和動量粗糙度z0采用不同的參數(shù)化表達(dá)，考察“天鴿”生命過程中不同階段的移動路徑和強(qiáng)度的數(shù)值模擬結(jié)果對邊界層高度h和動量粗糙度z0的敏感性，為理解邊界層高度h和動量粗糙度z0參數(shù)化的差異對臺風(fēng)不同階段數(shù)值模擬的影響提供參考。

1 臺風(fēng)“天鴿”簡介

1713號臺風(fēng)“天鴿”（Hato）于2017年8月20日14時于西北太平洋洋面上生成，此時為熱帶風(fēng)暴級別。8月22日08時加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，22日15時加強(qiáng)為臺風(fēng)，23日07時加強(qiáng)為強(qiáng)臺風(fēng)，23日15時前后以強(qiáng)臺風(fēng)級別在廣東省珠海市登陸，23日18時減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，23日22時開始減弱為熱帶風(fēng)暴，24日14時減弱為熱帶低壓。該臺風(fēng)最強(qiáng)時臺風(fēng)中心最小海平面氣壓為935 hPa，風(fēng)力達(dá)15級（48 m/s），強(qiáng)度變化大是該臺風(fēng)的一個主要特點。該臺風(fēng)為珠海、香港、澳門等地區(qū)帶來重大破壞，造成24人死亡和68.2億美元的經(jīng)濟(jì)損失，于2018年的第59屆臺風(fēng)委員會年度會議上被除名。

2 數(shù)值模式介紹

本文的研究工作均是使用CMA-TYM模式系統(tǒng)開展的。CMA-TYM模式是國家氣象中心于2010年基于中尺度數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)GRAPES-MESO（Global/Regional Assimilation and Prediction System MESOscale model）[24]開始研發(fā)的區(qū)域模式臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2012年7月開始投入業(yè)務(wù)運行并得到持續(xù)改進(jìn)，CMA-TYM熱帶氣旋路徑及強(qiáng)度預(yù)報能力不斷提升。2011年實時運行結(jié)果和2012年業(yè)務(wù)運行結(jié)果表明：CMA-TYM對臺風(fēng)強(qiáng)度具有一定的預(yù)報能力，強(qiáng)度預(yù)報平均誤差小于歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）全球模式；CMA-TYM的路徑及強(qiáng)度預(yù)報存在明顯的系統(tǒng)偏差：臺風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報系統(tǒng)性偏強(qiáng)，尤其是在預(yù)報前期存在明顯的快速增長（spin-up）現(xiàn)象，同時對于南海臺風(fēng)的路徑預(yù)報存在明顯的系統(tǒng)性北偏[25]。

使用的CMA-TYM模式水平分辨率為0.09°×0.09°，共901×567個格點，模擬區(qū)域覆蓋西北太平洋和中國南海（90°～171°E，0°～50.94°N），垂直方向采用50層地形追隨高度坐標(biāo)，使用的主要物理方案包括：WSM6（Single-Moment 6-class）微物理方案、RRTM（Rapid and Accurate Radiative Transfer Model）長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Noah陸面方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案、邊界層參數(shù)化使用YSU方案，并用莫寧-奧布霍夫（Monin-Obukhov）相似理論對表面層進(jìn)行參數(shù)化。使用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）提供的每3 h一次0.5°×0.5°的零場和預(yù)報場進(jìn)行模式驅(qū)動，并根據(jù)中央氣象臺的臺風(fēng)報文，使用渦旋重定位技術(shù)和渦旋強(qiáng)度調(diào)整技術(shù)對臺風(fēng)渦旋進(jìn)行初始化調(diào)整[25-28]。

3試驗設(shè)計

采用中央氣象臺提供的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)作為實況。研究使用CMA-TYM模式對臺風(fēng)“天鴿”進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中，選取代表“天鴿”（1713）生命過程中不同階段的四個不同時次作為起報時間，分別進(jìn)行120 h的數(shù)值模擬。

起報時間分別選取“天鴿”（1713）生命過程中不同階段的四個時次：2017年8月20日12：00 （世界時，下同）是臺風(fēng)初始階段，為熱帶風(fēng)暴級別，中心附近最小海平面氣壓為1 000 hPa，風(fēng)力8級（18 m/s）；2017年8月22日00：00剛剛升級為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級別，中心附近最小海平面氣壓為985 hPa，風(fēng)力10級（25 m/s）；2017年8月23日00：00剛升級為強(qiáng)臺風(fēng)不久，尚未達(dá)到最大強(qiáng)度，中心附近最小海平面氣壓為950 hPa，風(fēng)力14級（42 m/s）；2017年8月23日06：00即將登陸，雖然仍為強(qiáng)臺風(fēng)級別，但已經(jīng)開始減弱一段時間，中心附近最小海平面氣壓為955 hPa，風(fēng)力14級（42 m/s）。

基于CMA-TYM模式分別對混合層參數(shù)化中的邊界層高度h和近地面層參數(shù)化中的動量粗糙度z0使用不同的參數(shù)化表達(dá)形式，考察h和z0的變化對臺風(fēng)“天鴿”不同生命階段中路徑和強(qiáng)度模擬的影響情況。

3.1 CMA-TYM模式的參數(shù)化方案介紹

CMA-TYM業(yè)務(wù)模式的邊界層參數(shù)化方案使用YSU方案，采用如下的方法對邊界層高度h和動量粗糙度z0進(jìn)行參數(shù)化。

3.1.1 邊界層高度的參數(shù)化方案介紹

YSU 方案是一階非局地K閉合方案。在YSU方案中，邊界層高度通過以下公式來推算出：

，? ? ?（2）

其中 為重力加速度，U為風(fēng)速，h為邊界層頂高度，為邊界層頂?shù)奶撐粶?，為最低模式層上的虛位溫，為地表面附近的額外虛溫，為臨界總體理查森數(shù)。該定義中的邊界層為熱力學(xué)邊界層，邊界層頂部是識別的通量最小值所在的層[12]。

3.1.2 動量粗糙度z0的參數(shù)化方案介紹

與HWRF模式一樣，目前CMA-TYM業(yè)務(wù)模式中使用公式（3）對動量粗糙度z0進(jìn)行參數(shù)化，該方案是對應(yīng)于曳力系數(shù)CD在颶風(fēng)級風(fēng)力下保持恒定的觀點[15]開發(fā)的，并在WRF-ARW3.4.1版本中采用[29]。

，? （3a）

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3b）

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3c）

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3d）

其中是摩擦速度。

3.2 對邊界層高度的敏感性試驗方案

公式（2）中的是一個經(jīng)驗項，具有一定的不確定性[30]，這導(dǎo)致YSU 方案中定義邊界層高度h的不確定性。進(jìn)一步，YSU方案中用于計算擴(kuò)散系數(shù)的變量項kpbl（表示邊界層頂在模式面中所在的位置：第k個模式層）也是會根據(jù)調(diào)制的邊界層高度h進(jìn)行相應(yīng)的改變。因此，針對YSU方案中定義邊界層高度的這種不確定性問題，本文中通過改變一個α系數(shù)，來調(diào)節(jié)邊界層高度，進(jìn)行針對邊界層高度h的一系列敏感性試驗（表1）。

敏感性試驗方案包括1組參考試驗（CTRL）和5組敏感性試驗（表1）。這里，用H表示CTRL中用YSU 方案（即公式（2））診斷出的邊界層高度h。將H乘以一個比率系數(shù)α，通過合理地改變α的取值構(gòu)造其他5組敏感性試驗。因此，在CTRL中，α=1.00。根據(jù)Ma等[31]的研究，這里將H的比率系數(shù)取為α=0.50，得出的邊界層高度h（即h=0.50×H）視為實際邊界層高度的下限值，設(shè)計了試驗H0.50；取α=0.75，得出的邊界層高度h（即h=0.75×H）對應(yīng)邊界層高度在一個合適的范圍里，設(shè)計了試驗H0.75；取α=1.50，得出的邊界層高度h（即h=1.50×H）對應(yīng)于一個大約1 km的典型深度，設(shè)計試驗H1.50；分別取α=2.00和α=3.00，得出的邊界層高度h（即h=2.00×H和h=3.00×H）對應(yīng)某些條件下邊界層厚度能夠比1 km深得多的情況，設(shè)計試驗H2.00和試驗H3.00。Ma等[31]在文中詳細(xì)闡述了α取值的依據(jù)。

3.3 對動量粗糙度z0的敏感性試驗方案

在計算z0的時候，采用與公式（3）不同的其他幾種方法，進(jìn)行針對動量粗糙度z0的一系列敏感性試驗（表2）。敏感性試驗方案包括1組參考試驗（CTRL）和4組敏感性試驗（表2），4組敏感性試驗分別記為試驗z0old1.5、試驗z0old、試驗z0new和試驗z0CRTL0.5。

（4）

公式（4）產(chǎn)生的曳力系數(shù)CD隨風(fēng)速單調(diào)增加（對應(yīng)Green等[29]中的公式（5）），是WRF-ARW3.0版本之前就已經(jīng)采用的一種方案。試驗z0old使用公式（4）來計算粗糙度z0。

試驗z0new采用公式（5）的方法計算z0。該方案與Green等[29]中的第一個isftcflx選項方案一致，即粗糙度z0在低風(fēng)速下是使用本文公式（3）進(jìn)行計算，但允許風(fēng)速超過33 m/s以上時曳力系數(shù)持續(xù)增加。

，? ? ? ? （5）

其中z0是由公式（3）給出的。

為了使z0在保持隨風(fēng)速不變的情況下變化幅度有更大的差別，另外設(shè)計了兩個方案z0old1.5和z0CRTL0.5。試驗z0old1.5是將試驗z0old方案得到的z0乘以系數(shù)1.5，即將試驗z0old得到的z0放大到原來的1.5倍。試驗z0CRTL0.5是將CTRL方案得到的z0乘以系數(shù)0.5，即將試驗CTRL的z0減小到原來的0.5倍。

對于表1中的5組敏感性試驗方案，當(dāng)使用公式（6）的摩擦速度和10 m風(fēng)速的近似關(guān)系時[ 注意，實際的GRAPES_TYM模式中使用的摩擦速度與10 m風(fēng)速之間的關(guān)系比公式（6）復(fù)雜得多，是使用公式進(jìn)行參數(shù)化計算的。忽略穩(wěn)定度函數(shù)項，并取高度z=10 m，得到簡化的公式（6）。]，可得到如圖1中所示的動量粗糙度z0隨10 m風(fēng)速的變化關(guān)系。

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

其中取，。

4 數(shù)值試驗結(jié)果分析

4.1 邊界層高度h對臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度模擬的影響分析

4.1.1 對臺風(fēng)移動路徑模擬的影響分析

圖2a、c、e、g給出了邊界層高度h的變化對臺風(fēng)“天鴿”四個不同階段起報的移動路徑模擬的影響，圖2b、d、f、h給出了對應(yīng)的移動路徑預(yù)報誤差。在初期為熱帶風(fēng)暴的階段（2017年8月20日12：00）起報的試驗中，積分約24 h之后，各試驗中的移動路徑誤差有明顯差異，邊界層高度h較薄的H0.50、H0.75和CTRL試驗中移動路徑誤差較小，在積分84 h之前基本小于150 km，但邊界層高度h較厚的H2.00和H3.00試驗中的移動路徑誤差較大，一般超過150 km（圖2a、b）。

而在臺風(fēng)成熟之后（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及后期，即2017年8月22日00：00、2017年8月23日00：00和2017年8月23日06：00）起報的試驗中，邊界層高度h對臺風(fēng)移動路徑的模擬影響差異較小（圖2c—h），沒有臺風(fēng)生命史初期（2017年8月20日12：00起報）顯著。

4.1.2 對臺風(fēng)強(qiáng)度模擬的影響分析

圖3和圖4分別給出了邊界層高度h的變化對臺風(fēng)“天鴿”四個不同階段起報的臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓模擬的影響。由圖3a和圖4a可見，在初期為熱帶風(fēng)暴的階段（2017年8月20日12：00）起報的試驗中，h在合適的典型深度范圍（H0.75、CTRL和H1.50試驗）有利于臺風(fēng)加強(qiáng)發(fā)展，h過?。℉0.50試驗）或太厚（H2.00和H3.00試驗）都不利于臺風(fēng)的發(fā)展加強(qiáng)。

在臺風(fēng)成熟之后（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及后期，即2017年8月22日00：00、2017年8月23日00：00和2017年8月23日06：00）起報的試驗中，臺風(fēng)中心附近10 m風(fēng)速最大值的模擬對h的變化不敏感（圖3b—d），但臺風(fēng)中心附近最小海平面氣壓的模擬對h的變化非常敏感（圖4b—d）。圖4b表明，在臺風(fēng)達(dá)到最大強(qiáng)度之前，較淺薄的h（H0.50、H0.75和CTRL試驗）導(dǎo)致臺風(fēng)加強(qiáng)偏快、強(qiáng)度發(fā)展過強(qiáng)。

同時發(fā)現(xiàn)，對于成熟的臺風(fēng)，臺風(fēng)中心附近最小海平面氣壓對h變化的反應(yīng)約在6 h以后才顯現(xiàn)（圖4b—d）；而初期階段的臺風(fēng)需要更長的響應(yīng)時間（約24 h）（圖4a）。在臺風(fēng)達(dá)到最大強(qiáng)度以后的減弱階段，臺風(fēng)中心附近最小海平面氣壓的減弱對h的變化非常敏感（圖4a—d），圖4d顯示H3.00試驗中臺風(fēng)減弱最快。

4.2 動量粗糙度z0對臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度模擬的影響分析

4.2.1 對臺風(fēng)移動路徑模擬的影響分析

圖5給出了粗糙度z0的變化對臺風(fēng)“天鴿”四個不同階段起報的移動路徑模擬的影響及其對應(yīng)的預(yù)報誤差。容易看出，移動路徑的模擬對粗糙度z0不太敏感，僅z0old1.5方案在初期為熱帶風(fēng)暴的階段（2017年8月20日12：00）起報的試驗有可分辨的移動路徑預(yù)報誤差（圖5b）。

4.2.2 對臺風(fēng)強(qiáng)度模擬的影響分析

圖6和圖7分別給出了粗糙度z0的變化對臺風(fēng)“天鴿”4個不同階段起報的臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓模擬的影響。在初期為熱帶風(fēng)暴的階段（2017年8月20日12：00）起報的試驗中，臺風(fēng)在達(dá)到最大強(qiáng)度之前的加強(qiáng)過程中，臺風(fēng)強(qiáng)度（臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓）模擬對z0敏感，在臺風(fēng)減弱過程中，臺風(fēng)強(qiáng)度對z0不敏感（圖6a、7a）。由圖7a可見，z0old1.5方案在臺風(fēng)增強(qiáng)過程中產(chǎn)生的誤差最大，使臺風(fēng)增強(qiáng)加深偏快的最多。

在臺風(fēng)成熟之后（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及后期，即2017年8月22日00：00、2017年8月23日00：00和2017年8月23日06：00）起報的試驗中，臺風(fēng)中心附近最小海平面氣壓對z0的變化不敏感（圖7b—d）；減弱階段的臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速對z0的變化也不敏感（圖6b—d）。加強(qiáng)階段的臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速對z0的變化略有差異，z0old試驗的臺風(fēng)發(fā)展明顯偏慢偏弱（圖6b）。

5 結(jié)論與討論

使用CMA-TYM模式系統(tǒng)，選擇1713號臺風(fēng)“天鴿”生命過程中4個典型的不同階段，進(jìn)行一系列敏感性試驗，通過分別改變邊界層高度h和動量粗糙度z0，研究邊界層參數(shù)化過程中的兩個關(guān)鍵要素對該臺風(fēng)移動路徑和強(qiáng)度模擬的影響。結(jié)果顯示：

（1）邊界層高度h在初期的熱帶風(fēng)暴階段對熱帶氣旋的移動路徑有較明顯影響，在臺風(fēng)成熟之后對熱帶氣旋的移動路徑影響不顯著。反映臺風(fēng)強(qiáng)度的兩個要素，即臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓，對邊界層高度h的敏感性有很大差別。臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速對邊界層高度h的變化不敏感，而最小海平面氣壓對邊界層高度h的變化卻非常敏感。

（2）在臺風(fēng)發(fā)展初期階段，邊界層過薄或過厚（即邊界層高度h過高或過低）都不利于臺風(fēng)強(qiáng)度的發(fā)展加強(qiáng)。這表明邊界層高度h在熱帶氣旋數(shù)值模擬中的重要性，尤其是在臺風(fēng)發(fā)展初期階段。

（3）動量粗糙度z0的變化對臺風(fēng)“天鴿”移動路徑模擬的影響不顯著，對臺風(fēng)減弱過程中的強(qiáng)度影響也不顯著；動量粗糙度z0的變化對臺風(fēng)“天鴿”的影響主要體現(xiàn)在臺風(fēng)增強(qiáng)階段。在臺風(fēng)增強(qiáng)階段，臺風(fēng)強(qiáng)度（特別是臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速）的加強(qiáng)過程對z0很敏感，尤其是在臺風(fēng)發(fā)展的初期階段。

反映臺風(fēng)強(qiáng)度的臺風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓的模擬對邊界層高度h的敏感性非常不同，這是CMA-TYM模式改進(jìn)的一個方向。未來還需要通過討論和分析大量臺風(fēng)個例來進(jìn)一步理解臺風(fēng)生命過程不同階段的模擬對邊界層高度h和動量粗糙度z0的敏感性問題，例如是否個例依賴、參數(shù)化方案依賴或模式依賴，希望未來能總結(jié)出普遍適用的結(jié)論來幫助數(shù)值模式中邊界層參數(shù)化改進(jìn)。邊界層高度對模擬的臺風(fēng)增強(qiáng)的影響具有非線性特點，在臺風(fēng)發(fā)展初期階段，邊界層高度h過薄或過厚都不利于臺風(fēng)強(qiáng)度的發(fā)展加強(qiáng)，不平衡過程的作用可能是一個主要原因。基于K廓線的YSU邊界層方案本質(zhì)上是用熱力學(xué)定義邊界層的一種方案，而動力學(xué)的重要作用也是臺風(fēng)邊界層區(qū)別于其他邊界層問題的主要特點之一，臺風(fēng)的動力學(xué)特點如何在邊界層參數(shù)化模式中合理地體現(xiàn)也是未來的模式邊界層改進(jìn)研究中需要著重考慮的一個方向。

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