海洋飛沫對(duì)熱帶氣旋影響的數(shù)值模擬研究*
——以“鲇魚”臺(tái)風(fēng)為例

張佳琳，張文清，夏浩峰，管長(zhǎng)龍

(中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

熱帶氣旋是夏秋季海洋上常見的天氣現(xiàn)象，易導(dǎo)致嚴(yán)重災(zāi)害，威脅沿岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，提高熱帶氣旋預(yù)報(bào)(或模擬)精度具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。近二十年來，隨著人們對(duì)大尺度大氣運(yùn)動(dòng)環(huán)境的理解不斷加深，熱帶氣旋路徑預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性提高了近50%，但強(qiáng)度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性沒有明顯提高(美國國家颶風(fēng)中心：http://www.nhc.noaa.gov/verifification/verify5.shtml)。探其原因，主要是人們對(duì)海洋、海浪、大氣三者之間的相互作用認(rèn)識(shí)尚不全面和系統(tǒng)，特別是對(duì)海洋飛沫在海氣界面上對(duì)海氣通量的影響[1-2]認(rèn)識(shí)尤為不足。臺(tái)風(fēng)過程中，在風(fēng)和浪的共同作用下，海面附近出現(xiàn)大量海洋飛沫,其可使海洋與大氣之間的動(dòng)量、熱量和水汽交換發(fā)生不可忽略的改變，進(jìn)而對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響[3-5]。

目前，對(duì)于海洋飛沫影響熱帶氣旋強(qiáng)度這一問題的研究主要從海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)兩方面開展。在動(dòng)力學(xué)效應(yīng)方面，當(dāng)海洋飛沫存在于海-氣界面時(shí)，會(huì)因風(fēng)而加速，獲得水平速度和水平動(dòng)量，并在落回海面時(shí)將這些動(dòng)量傳遞給海洋[3,6-7]。有學(xué)者通過改進(jìn)動(dòng)力粗糙度參數(shù)化方案來考慮海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)[8-9]，取得了較好的結(jié)果。在熱力學(xué)效應(yīng)方面，海洋飛沫的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致海-氣界面熱量交換增強(qiáng)[10-12]。國內(nèi)外已有研究指出，在數(shù)值模式中考慮海洋飛沫熱力學(xué)效應(yīng)可使海氣界面間的感熱通量和潛熱通量增加，并使熱帶氣旋強(qiáng)度模擬的準(zhǔn)確性得到一定程度的提高[13-14]。

在熱帶氣旋的數(shù)值模擬中，通常使用塊體算法計(jì)算海面的動(dòng)量通量和熱量通量，該塊體算法中涉及兩個(gè)非常重要的參數(shù)，即拖曳系數(shù)CD和熱焓交換系數(shù)CK。Emanuel[15-16]通過理論和數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明，熱帶氣旋只有在CK/CD大于0.75時(shí)才能獲得足夠的能量發(fā)展為臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)(中心附近最大風(fēng)速達(dá)32.7～36.9 m/s)。然而，利用傳統(tǒng)塊體算法(基于中低風(fēng)速的觀測(cè)資料給出)得到的臺(tái)風(fēng)條件下的CK/CD小于0.7[17]，此結(jié)果不能解釋實(shí)際情形下臺(tái)風(fēng)的發(fā)展，導(dǎo)致此結(jié)果的一個(gè)重要原因?yàn)閭鹘y(tǒng)的塊體算法未考慮海洋飛沫的影響[18]。目前，關(guān)于CD的觀測(cè)和研究比較多，對(duì)CD隨風(fēng)速的變化達(dá)成了一定的共識(shí)，但有關(guān)CK的研究較少。觀測(cè)和研究表明，CD在低風(fēng)速(U10<～5 m/s)下隨海面上10 m高度處風(fēng)速U10的增大而減小，在中風(fēng)速(U10≈5～30 m/s)下隨風(fēng)速U10的增大呈近似線性增大[19-20]，在高風(fēng)速(U10>～30 m/s)下受海洋飛沫影響趨于飽和甚至減小[1,21-22]；關(guān)于CK,有學(xué)者認(rèn)為CK隨U10的增大基本保持不變或略有增長(zhǎng)[23-24]。值得一提的是，Komori等[25]通過實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)，認(rèn)為當(dāng)U10>33.6 m/s時(shí)，CK隨著U10的增大呈顯著線性增大，給出了CD、CK參數(shù)化方案(見文中公式4、5)，并將其引入到WRF模式中進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明他們的參數(shù)化方案較傳統(tǒng)參數(shù)化方案有利于改善熱帶氣旋的強(qiáng)度模擬。

如前所述，當(dāng)前在海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和熱力學(xué)效應(yīng)方面的研究已經(jīng)取得了諸多進(jìn)展，但海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的總體綜合效應(yīng)尚缺乏系統(tǒng)的研究。本文將在前人最新研究成果的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和熱力學(xué)效應(yīng)，利用海-氣-浪-沉積輸運(yùn)耦合模式 (The Coupled-Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport Modeling System,COAWST)，通過引入包含海洋飛沫影響的CD、CK參數(shù)化方案，并以“鲇魚”臺(tái)風(fēng)為例進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，探討海洋飛沫對(duì)熱帶氣旋的影響。

1 數(shù)值模式和CD、CK參數(shù)方案介紹

1.1 數(shù)值模式介紹

本文采用Woods Hole近岸海洋科學(xué)中心(Woods Hole Coastal and Marine Science Center)Warner等人開發(fā)的COAWST模式,子模式有中尺度大氣模式(Weather Research Forcasting,WRF)、區(qū)域海洋模式(Regional Ocean Modeling System,ROMS)、近岸海浪模式(Simulating Waves Nearshore Modeling,SWAN)和沉積輸運(yùn)模式(National Community Sediment-Transport Modeling,NCSTM)。COAWST模式通過耦合器MCT(Model Coupling Toolkit)將上述子模式耦合起來(見圖1)，使各子模式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并實(shí)現(xiàn)雙向耦合。在各子模式之間，WRF模式給ROMS模式提供熱力方程的開邊界條件(如：短波輻射通量、長(zhǎng)波輻射通量等)，并提供用于計(jì)算海表風(fēng)應(yīng)力的風(fēng)場(chǎng)；ROMS模式給WRF模式提供大氣底邊界條件；ROMS模式通過SWAN模式提供的有效波高計(jì)算輻射應(yīng)力等參數(shù)，并將海表流速、自由表面高度、水深提供給SWAN模式；SWAN模式使用WRF模式提供的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算海浪參數(shù)并傳遞給WRF模式。本文在COAWST模式中，基于Komori等[25]提出的包含海洋飛沫效應(yīng)的CD、CK參數(shù)化方案，在WRF模式中嵌入海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和熱力學(xué)效應(yīng)的參數(shù)化方案，具體內(nèi)容在1.2節(jié)介紹。

圖1 COAWST模式示意圖Fig.1 Schematic illustration of the COAWST

1.2 海洋飛沫參數(shù)化方案

海氣交換過程中，COAWST采用塊體算法進(jìn)行海氣界面通量的計(jì)算，公式如下：

(1)

H=ρcpCHU10(θi-θ10)，

(2)

E=ρLνCEU10(qi-q10)。

(3)

式中：τ、H和E分別為動(dòng)量通量、感熱通量和潛熱通量；ρ為空氣密度；CD、CH和CE分別為拖曳系數(shù)、感熱交換系數(shù)和潛熱交換系數(shù)；θ為位溫；q為比濕；下標(biāo)i和10分別表表示邊界層底部和海表面向上10 m高度；cp為定壓比熱;LV為水的蒸發(fā)潛熱。

Zhang等[26]研究表明，在U10=20～30 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，CH和CE與熱焓交換系數(shù)CK數(shù)值相等。在熱帶氣旋的數(shù)值模擬中，常假定CK=CE=CH。

Komori等[25]通過高風(fēng)速風(fēng)浪槽實(shí)驗(yàn)分析了飛沫對(duì)交換系數(shù)的影響，得到包含海洋飛沫效應(yīng)的CD、CK隨U10變化關(guān)系式：

CD=

(4)

(5)

研究表明[30-31]，高風(fēng)速條件下，CD的減少或飽和主要?dú)w因于海洋飛沫，且海洋飛沫是海氣界面間熱通量增加的主要原因，因此Komori等[25]給出的CD、CK參數(shù)化方案(見公式(4)、(5))在高風(fēng)速條件下可用于表示僅包含海洋飛沫效應(yīng)。本文采用上述包含海洋飛沫效應(yīng)的CD、CK參數(shù)化方案(見公式(4)、(5))計(jì)算海氣界面通量，使COAWST模式同時(shí)包含了海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和熱力學(xué)效應(yīng)。

1.3 模式設(shè)置

1.3.1 熱帶氣旋個(gè)例概況 本文選取2010年第13號(hào)臺(tái)風(fēng)“鲇魚”進(jìn)行數(shù)值模擬研究。該臺(tái)風(fēng)于2010年10月13日12時(shí)(世界時(shí)，下同)在西北太平洋形成，向西北偏西方向移動(dòng)，14日12時(shí)升級(jí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，21時(shí)升級(jí)為臺(tái)風(fēng)，于16日12時(shí)升級(jí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，17日升級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。18日04時(shí)在菲律賓登陸后強(qiáng)度減弱，繼續(xù)向西移動(dòng)。14時(shí)進(jìn)入中國南海中東部，19日00時(shí)再次升級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，20日00時(shí)開始向正北移動(dòng)，21日01時(shí)減弱為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，22日13時(shí)再次減弱為臺(tái)風(fēng)，然后向西北偏北方向移動(dòng)，最終于23日04時(shí)在福建沿海登陸，08時(shí)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，12時(shí)再次減弱為熱帶風(fēng)暴，15時(shí)減弱為熱帶低壓，23日18時(shí)被停止編號(hào)。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)方案及資料來源 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的移動(dòng)路徑怪異、多變，存在過島和路徑突變情形，路徑模擬或預(yù)報(bào)難度大。為更好地分析海洋飛沫效應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響，減小路徑誤差帶來的影響，本文對(duì)臺(tái)風(fēng)“鲇魚”進(jìn)行了分階段模擬：第一階段的數(shù)值模擬時(shí)間是2010年10月15日00時(shí)—18日12時(shí)，為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)階段；第二階段的數(shù)值模擬時(shí)間是2010年10月21日00時(shí)—23日12時(shí)，為臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度衰減階段(臺(tái)風(fēng)“鲇魚”過島階段和發(fā)生路徑突變階段未模擬)。模擬范圍分別為10°N—24°N、118°E—141°E和16°N—27°N、114°E—122°E。WRF采用6 km網(wǎng)格，區(qū)域格點(diǎn)數(shù)分別為424×256和148×202；SWAN和ROMS采用相同的網(wǎng)格，區(qū)域格點(diǎn)數(shù)分別為422×254和146×200。WRF模式中微物理過程采用Lin方案，長(zhǎng)波輻射方案采用RRTM方案，短波輻射方案采用Dudhia方案，近地層方案采用MYNN方案，陸面過程方案采用Noah方案，邊界層方案采用MYNN 2.5方案。ROMS模式中水平對(duì)流方案采用三階上升流方案，垂直對(duì)流方案采用四階中心方案，底部邊界層閉合方案采用Sherwood方案。

本文共進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)置如下：

(1)test0：不考慮海洋飛沫效應(yīng),海氣界面通量采用COARE3.0算法，其中粗糙度z0采用Smith[29]給出的方案：

(6)

其中Charnock參數(shù)α取為風(fēng)速的分段函數(shù)(S為考慮了陣風(fēng)影響的海面風(fēng)速)：

(7)

(2)test1：考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，在COAWST模式中使用Komori等給出的CD參數(shù)化方案；

(3)test2：考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和熱力學(xué)效應(yīng)，在COAWST模式中使用Komori等給出的CD、CK參數(shù)化方案。

本文采用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的FNL 1(°)× 1(°)資料集、HYCOM資料庫(網(wǎng)址：ftp://ftp.hycom.org)的數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)耦合模式的初始場(chǎng)數(shù)據(jù)，并用來自中國氣象局(China Meteorological Administration,CMA)和日本氣象廳(Japan Meteorological Agency,JMA)的Best-track數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合模式結(jié)果的檢驗(yàn)。

2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 熱帶氣旋路徑

為了分析方便，本文將臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的2010年10月15日00時(shí)—17日18時(shí)定義為增強(qiáng)階段，將臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的2010年10月21日00時(shí)—23日00時(shí)定義為減弱階段。從臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的路徑模擬結(jié)果(見圖2)可知，各實(shí)驗(yàn)方案均模擬出了臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的移動(dòng)特征，即西向移動(dòng)(見圖2(a))和北向移動(dòng)(見圖2(b))。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在臺(tái)風(fēng)“鲇魚”增強(qiáng)階段的前48 h各方案對(duì)路徑的模擬結(jié)果差異不大，在17日臺(tái)風(fēng)“鲇魚”升級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)后考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)的test2方案明顯優(yōu)于其他方案；在臺(tái)風(fēng)“鲇魚”減弱階段的前36 h(此時(shí)臺(tái)風(fēng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng))考慮海洋飛沫效應(yīng)的test1和test2方案明顯優(yōu)于test0方案，且test2方案的移動(dòng)速度相較于test1更接近最佳路徑數(shù)據(jù)。

圖2 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的路徑Fig.2 The track of typhoon “Megi”

上述數(shù)值實(shí)驗(yàn)的路徑結(jié)果表明，在熱帶氣旋增強(qiáng)過程中，特別當(dāng)熱帶氣旋達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度時(shí)考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)可有效改進(jìn)熱帶氣旋路徑模擬效果；在熱帶氣旋減弱過程中在強(qiáng)度減弱為臺(tái)風(fēng)之前考慮海洋飛沫效應(yīng)對(duì)熱帶氣旋路徑模擬效果的改進(jìn)較為明顯，且同時(shí)考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)時(shí)改進(jìn)效果更好，當(dāng)熱帶氣旋強(qiáng)度減弱為臺(tái)風(fēng)后考慮海洋飛沫效應(yīng)對(duì)路徑模擬效果無明顯改進(jìn)。

2.2 熱帶氣旋強(qiáng)度

海洋飛沫效應(yīng)對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度的影響一直是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)，本文通過熱帶氣旋的最大風(fēng)速、中心最低氣壓來進(jìn)行熱帶氣旋強(qiáng)度分析。圖3(a)為臺(tái)風(fēng)“鲇魚”增強(qiáng)階段的最大風(fēng)速觀測(cè)值和3組實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果。3組實(shí)驗(yàn)均模擬出了臺(tái)風(fēng)“鲇魚”在10月15日00時(shí)—17日18時(shí)最大風(fēng)速逐漸增強(qiáng)的變化趨勢(shì)，從整體平均來看，模擬結(jié)果相比于觀測(cè)值偏弱(特別是在臺(tái)風(fēng)“鲇魚”強(qiáng)度達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)后)。該階段test0、test1和test2與CMA觀測(cè)值的72 h平均誤差分別為13.45、13.31和10.95 m/s(相比于test0的誤差，test1和test2分別降低了1%、18.6%),與JMA觀測(cè)值的72 h平均誤差分別為10.31、10.18和7.82 m/s(相比于test0的誤差，test1和test2分別降低了1.3%、24.2%)。圖4a為臺(tái)風(fēng)“鲇魚”減弱階段的最大風(fēng)速觀測(cè)值和3組實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果。3組實(shí)驗(yàn)均模擬出了臺(tái)風(fēng)“鲇魚”在10月21日00時(shí)—23日00時(shí)(臺(tái)風(fēng)于23日04時(shí)登陸)最大風(fēng)速逐漸減弱的變化趨勢(shì)，模擬結(jié)果相比于觀測(cè)值均偏弱。其中，test0與CMA觀測(cè)值的48 h平均誤差為9.58 m/s,與JMA觀測(cè)值的48 h平均誤差為4.49 m/s。test1和test2與CMA觀測(cè)值的48 h平均誤差分別為7.56和5.85 m/s(相比于test0的誤差，分別降低了21.09%和38.94%)，與JMA觀測(cè)值的48 h平均誤差分別為2.92和1.85 m/s(相比于test0的誤差，分別降低了34.97%、58.80%)。以上數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段，僅考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的test1方案對(duì)最大風(fēng)速模擬改進(jìn)效果甚微，同時(shí)考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)的test2方案對(duì)最大風(fēng)速模擬改進(jìn)效果明顯；在臺(tái)風(fēng)減弱階段，考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)最大風(fēng)速的模擬有一定改進(jìn)，同時(shí)考慮海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)效應(yīng)的test2方案改進(jìn)效果更明顯。

(最大風(fēng)速(a)及中心最低氣壓(b)。Maximum wind velocity (a)and central pressure (b).)圖3 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”2010年10月15日00時(shí)—17日18時(shí)Fig.3 Typhoon “Megi”2010-10-15 00：00 to 2010-10-17 18：00

(最大風(fēng)速(a)及中心最低氣壓(b)。Maximum wind velocity (a)and central pressure (b).)圖4 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”2010年10月21日00時(shí)—23日00時(shí)Fig.4 Typhoon “Megi”from 2010-10-21 00：00 to 2010-10-23 00：00

在中心最低氣壓方面，2組實(shí)驗(yàn)的模擬結(jié)果的相比于觀測(cè)值偏弱(見圖3(b)、4(b))。在臺(tái)風(fēng)“鲇魚”增強(qiáng)階段，test0、test1、test2與CMA觀測(cè)值的72 h平均誤差分別為33.47、33.09和28.62 hPa(相比于test0的誤差，test1和test2的誤差分別降低了1.1%、14.5%)，與JMA觀測(cè)值的72 h平均誤差分別為39.37、39.00和34.53 hPa(相比于test0的誤差，test1和test2的誤差分別降低了0.9%、11.5%)。在臺(tái)風(fēng)“鲇魚”減弱階段，test0與CMA觀測(cè)值的48 h平均誤差為14.24 hPa，與JMA觀測(cè)值的48 h平均誤差為11.78 hPa。test1、test2與CMA觀測(cè)值的48 h平均誤差分別為12.95和10.56 hPa(相比于test0的誤差，分別降低了9.06%、25.84%)，與JMA觀測(cè)值的48 h平均誤差分別為10.56和9.71 hPa(相比于test0的誤差，分別降低了10.36%、17.57%)。在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段，僅考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)中心最低氣壓模擬改進(jìn)效果甚小，同時(shí)考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)對(duì)中心最低氣壓模擬改進(jìn)效果明顯；在臺(tái)風(fēng)減弱階段，考慮海洋飛沫效應(yīng)的test1和test2的模擬結(jié)果相比于test0的模擬結(jié)果有所改進(jìn)，且同時(shí)考慮海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)效應(yīng)的test2方案改進(jìn)效果更明顯。

2.3 動(dòng)量通量、感熱通量和潛熱通量

圖5為臺(tái)風(fēng)“鲇魚”增強(qiáng)階段和減弱階段以臺(tái)風(fēng)中心為中心3(°)×3(°)范圍(該范圍內(nèi)風(fēng)速達(dá)8級(jí)以上)內(nèi)動(dòng)量通量的平均值。對(duì)比3組實(shí)驗(yàn)方案的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，test0中的拖曳系數(shù)CD大于test1與test2的(見圖8(a))，但test1中的風(fēng)速要略高于test0，造成test0與test1的動(dòng)量通量十分接近，test2中的風(fēng)速顯著大于test0，因而其動(dòng)量通量相較于test0略有增加(臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段增加了8.18%，臺(tái)風(fēng)減弱階段增加了3.85%)。

圖5 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的動(dòng)量通量平均值Fig.5 Average momentum flux of typhoon “Megi”

圖6和圖7為臺(tái)風(fēng)“鲇魚”增強(qiáng)階段和減弱階段以臺(tái)風(fēng)中心為中心3(°)×3(°)范圍內(nèi)的向上感熱通量平均值和潛熱通量平均值。在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段，風(fēng)速未達(dá)到高風(fēng)速時(shí)(海洋飛沫效應(yīng)較弱)，3組實(shí)驗(yàn)的向上感熱通量平均值十分接近，隨著臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)，海洋飛沫效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，同時(shí)考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)的test2方案的向上感熱通量平均值明顯高于其他方案(相比test0增加了10.37%)；僅考慮海洋動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的test1中潛熱通量增加明顯(相比test0增加了12.21%)，考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)的test2方案對(duì)海氣界面間潛熱通量的增加效果則更為顯著(相比test0增加了27.76%)。在臺(tái)風(fēng)減弱階段，test2的向上感熱通量與潛熱通量最強(qiáng)，test1的次之，test0的最弱。

圖6 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的向上感熱通量平均值Fig.6 Average upward sensible heat flux of typhoon “Megi”

圖7 臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的潛熱通量平均值Fig.7 Average latent heat flux of typhoon “Megi”

上述結(jié)果說明，在臺(tái)風(fēng)情形下(即高風(fēng)速狀態(tài))，考慮海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)時(shí)，海洋飛沫的存在使得拖曳系數(shù)CD達(dá)到飽和，抑制了臺(tái)風(fēng)動(dòng)量通量的損失，有利于高風(fēng)速狀態(tài)的維持(特別是在臺(tái)風(fēng)衰減階段)。在海洋飛沫的熱力學(xué)效應(yīng)中，高風(fēng)速條件下，海洋飛沫大量存在于海氣界面，導(dǎo)致海氣界面為一個(gè)氣液共存過渡區(qū)，海洋飛沫的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致海氣界面附近的空氣溫度下降、濕度增加，一方面增加了海氣界面的溫差，進(jìn)而增強(qiáng)了海氣界面間的感熱交換；另一方面，飛沫蒸發(fā)產(chǎn)生的大量暖濕空氣在輻合上升過程釋放出大量的凝結(jié)潛熱，成為臺(tái)風(fēng)的主要能量來源，使得臺(tái)風(fēng)得以發(fā)展和維持。因此，綜合考慮海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)，有利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的增強(qiáng)和維持，可顯著改進(jìn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬結(jié)果。

3 分析與討論

test1與test2相比，兩組實(shí)驗(yàn)方案的CD一致，但test2的CK大于test1的CK(見圖8(b)),使得test2的熱量通量明顯增加，進(jìn)而臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度得到加強(qiáng)。表現(xiàn)為最大風(fēng)速增大，中心最低氣壓降低，更加接近觀測(cè)值，對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬改進(jìn)效果更加顯著。

圖8 (a)拖曳系數(shù)CD隨風(fēng)速U10的變化；(b)熱焓交換系數(shù)CK隨風(fēng)速U10的變化Fig.8 (a)The change of drag coefficient CD with U10；(b)The change of enthalpy exchange coefficient CK with U10

參考Emanuel提出的分析模型[16]，對(duì)本文數(shù)值實(shí)驗(yàn)中的拖曳系數(shù)CD和熱焓交換系數(shù)CK對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。根據(jù)Emanuel模型，CK/CD>0.75時(shí)熱帶氣旋才能獲得足夠的能量發(fā)展為臺(tái)風(fēng)并維持，且熱帶氣旋最大風(fēng)速與CK/CD成正比。比較3組實(shí)驗(yàn)方案CK/CD隨風(fēng)速U10的變化(見圖9(a))，發(fā)現(xiàn)只有test2的CK/CD可以達(dá)到0.75(U10>41 m/s時(shí))，test0與test1的CK/CD均小于test2的CK/CD。因此，test0和test1模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度結(jié)果均弱于test2。特別地，test2在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度維持方面明顯優(yōu)于其他2組實(shí)驗(yàn)方案，即test2方案可以較好的維持臺(tái)風(fēng)的高風(fēng)速狀態(tài)，而其他2組方案風(fēng)速衰減較快。通過比較3組實(shí)驗(yàn)方案最大風(fēng)速隨臺(tái)風(fēng)場(chǎng)平均CK/CD的變化(見圖9(b))，發(fā)現(xiàn)test0方案的最大風(fēng)速隨CK/CD的增大而略有減??；test1方案的最大風(fēng)速未顯示與CK/CD有明顯的依賴關(guān)系；test2方案的最大風(fēng)速隨CK/CD的增大而增大。其中僅test2方案的最大風(fēng)速和CK/CD的關(guān)系與Emanuel模型大體一致，但并未完全滿足Emanuel模型對(duì)CK/CD數(shù)值的要求。例如，21日12時(shí)臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速為50 m/s(CMA觀測(cè)值)，根據(jù)Emanuel模型可知CK/CD的數(shù)值應(yīng)達(dá)到0.68，但test2中CK/CD的數(shù)值為0.6，故而test2的模擬結(jié)果(45m/s)略有偏弱。由于高風(fēng)速范圍內(nèi)CD趨于平穩(wěn)或略有減小。因此根據(jù)Emanuel模型可知，test2方案的CK參數(shù)化方案在高風(fēng)速時(shí)仍偏小，還需結(jié)合觀測(cè)資料進(jìn)行修正。

圖9 (a)CK /CD隨風(fēng)速U10的變化；(b)臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速(Vmax)隨CK /CD的變化Fig.9 (a)The change of CK /CD with U10；(b)The change of Vmax with CK /CD

4 結(jié)論

本文將海洋飛沫效應(yīng)引入COAWST模式中，并以2010年第13號(hào)臺(tái)風(fēng)“鲇魚”為例進(jìn)行模擬分析，探討海洋飛沫效應(yīng)對(duì)熱帶氣旋的影響。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)只考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)時(shí)，相比于傳統(tǒng)的參數(shù)化方案(拖曳系數(shù)隨風(fēng)速一直增大)，對(duì)海表動(dòng)量通量的影響甚少，使向上感熱通量和潛熱通量略有增加，可有效改進(jìn)熱帶氣旋的路徑結(jié)果，對(duì)強(qiáng)度結(jié)果有一定程度的改進(jìn)。

(2)同時(shí)考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)效應(yīng)時(shí)，可使海表動(dòng)量通量略有增加，向上感熱通量有較為明顯的增加，潛熱通量顯著增加，熱帶氣旋最大風(fēng)速增大，中心最低氣壓降低，使得模擬結(jié)果更接近觀測(cè)值，對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度模擬的改進(jìn)效果相比于僅考慮海洋飛沫動(dòng)力學(xué)效應(yīng)更顯著。

(3)在臺(tái)風(fēng)情形下，海洋飛沫主要通過熱力學(xué)效應(yīng)，增加海氣界面間的熱量通量，為熱帶氣旋提供能量，使其得以發(fā)展和維持，海洋飛沫的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)相較于熱力學(xué)效應(yīng)，對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的影響較小。當(dāng)熱帶氣旋強(qiáng)度不達(dá)臺(tái)風(fēng)級(jí)別時(shí)，考慮飛沫效應(yīng)的參數(shù)化方案本質(zhì)上退化為不考慮飛沫效應(yīng)的參數(shù)化方案。

根據(jù)目前的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文選取的Komori等[25]給出的包含海洋飛沫效應(yīng)的CD、CK的參數(shù)化方案確有利于改進(jìn)臺(tái)風(fēng)的模擬結(jié)果，特別是強(qiáng)度模擬結(jié)果。本研究所采用的參數(shù)化方案是基于實(shí)驗(yàn)室高風(fēng)速風(fēng)浪槽實(shí)驗(yàn)研究所得到的，雖然在風(fēng)浪成長(zhǎng)研究中普遍認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果可適用于外海的情況[28]，但對(duì)于存在飛沫海況的動(dòng)量和熱量交換過程，實(shí)驗(yàn)室結(jié)果是否符合實(shí)際外海環(huán)境還需更多的觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證。此外，海洋飛沫對(duì)熱帶氣旋的影響與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及其發(fā)展階段有關(guān)，本文只以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“鲇魚”為例進(jìn)行了部分發(fā)展階段的研究，我們尚需探討海洋飛沫效應(yīng)對(duì)不同強(qiáng)度類型的臺(tái)風(fēng)在不同發(fā)展階段產(chǎn)生的影響。