物理方案不同組合對雙臺風(fēng)影響的數(shù)值試驗

張曉慧 朱名名 鄭瑩

摘??要：本文采用中尺度WRF模式對2013年雙臺風(fēng)“Fitow”和“Danas”進(jìn)行了不同參數(shù)化方案敏感性試驗，研究結(jié)果表明Kessler微物理方案和Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案的組合對臺風(fēng)路徑模擬效果最好;YSU邊界層方案與Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案的組合對臺風(fēng)強(qiáng)度模擬效果最好;綜合分析物理過程中的Kessler方案、Kain-Fritsch方案和YSU方案是最佳的組合，主要是對直接影響雙臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度的西太平洋副熱帶高壓和西風(fēng)帶槽脊的位置和強(qiáng)度模擬效果好。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;WRF模式;雙臺風(fēng);物理方案

1?概述

兩個臺風(fēng)靠近時它們的路徑、強(qiáng)度等都會收到彼此的影響，早在1923年Fujiharal[1]就通過一系列的渦旋實驗及觀測發(fā)現(xiàn)兩個接近的水旋渦繞著兩者連線的中心互相旋轉(zhuǎn)。1979年曾慶存[2]則從大氣動力學(xué)理論上研究了兩個大氣渦旋的相互作用以及其移動方式。王玉清等[3]采用正壓無輻散模式模擬發(fā)現(xiàn)兩個同等強(qiáng)度的渦旋“合并”后體現(xiàn)了西北向的平移，而不同強(qiáng)度的兩個渦旋“合并”后體現(xiàn)了陀螺運(yùn)動和平移相疊加的形態(tài)，這與實際中雙臺風(fēng)的相互作用表現(xiàn)類似。張曉慧等[4-5]采用集合變分混合同化的方法研究了臺風(fēng)Fitow（1324）登陸前、后的強(qiáng)度變化與臺風(fēng)Danas（1323）相連的水汽輸送通道的變化、相互作用等直接相關(guān)。陳德輝等[6]研究發(fā)現(xiàn)對模式物理過程參數(shù)化方案改進(jìn)后能明顯提高臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度的預(yù)報效果。Li?等[7]發(fā)現(xiàn)邊界層參數(shù)化方案對颶風(fēng)的早期發(fā)展非常敏感。所以有必要進(jìn)行單獨(dú)個例分析和研究，這樣有助于改進(jìn)雙臺風(fēng)的天氣預(yù)報水平，。，對具有自身明顯特點(diǎn)和造成較大災(zāi)害的，更是如此。

本文采用中尺度數(shù)值模式WRFV3.3，物理過程則使用三種微物理方案，三種邊界層方案和三種積云對流參數(shù)化方案的不同組合配置，來討論對雙臺風(fēng)“菲特”（Fitow）和“丹娜絲”（Danas）的路徑、強(qiáng)度和降水模擬的影響，以揭示?WRF?模式中物理過程的組合配置方案在該雙臺風(fēng)模擬中的作用，也為集合預(yù)報中各物理集合成員的選取打下基礎(chǔ)。

2?本文雙臺風(fēng)簡介

雙臺風(fēng)中的1323號臺風(fēng)“Fitow”于2013年9月30日12時開始編號（熱帶風(fēng)暴級）后，路徑沿西北偏北方向移動，10月04日08時“Fitow”（強(qiáng)臺風(fēng)級）轉(zhuǎn)向西北偏西方向移動（此時“Danas”編號后2h），10月6日15時強(qiáng)臺風(fēng)“Fitow”登陸福建福鼎市沙埕鎮(zhèn)，登陸后路徑稍向南折?！癉anas”生成編號到10月6日15時“Fitow”登陸時，“Danas”一直沿西北方向移動，10月7日18時轉(zhuǎn)折北上，10月8日00時由向北運(yùn)動轉(zhuǎn)為向東北方向移動（圖1）。

3?所用資料和數(shù)值模擬方案設(shè)計

本文采用的數(shù)值模擬模式為非靜力的中尺度數(shù)值模式WRF。為揭示不同參數(shù)化方案對雙臺風(fēng)模擬的影響，利用WRF模式中自帶的三種微物理參數(shù)化方案、三種邊界層參數(shù)化方案以及三種積云對流參數(shù)化方案（在表1和下文中分別簡稱為微物理（方案）、邊界層（方案）、積云（方案））的不同的組合，設(shè)計了27組試驗，具體見表1。模擬初始場和側(cè)邊界條件采用1°×?1°的FNL?（?Final?Global?Data?Assimilation?System）?再分析資料，時間間隔為6h，垂直方向26層，模式水平格距為30km，格點(diǎn)數(shù)為200×120，垂直方向分為28層，模式層頂為50hPa，時間步長為120s，模擬時段為：2013年10月04日00時（世界時，以下同）至2013年10月07日00時。

4?數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1對臺風(fēng)路徑的影響

為揭示微物理過程對雙臺風(fēng)路徑模擬的影響，在固定邊界層和積云方案后，對微物理過程選用Kessler方案較Lin方案和Ferrier方案模擬的誤差小。Kessler微物理方案是暖云方案，主要考慮雨水的產(chǎn)生、降落以及蒸發(fā)，云水的凝結(jié)等過程，而Lin/Ferrier方案部分的考慮了云冰等冷云過程。此次數(shù)值模擬過程中Kessler優(yōu)于Lin/Ferrier方案，這說明對低緯臺風(fēng)30Km分辨率的模擬，考慮冷云過程并不一定能提高預(yù)報效果。

固定微物理方案和邊界層方案，積云方案選用Kain-Fritsch則要較Betts-Miller-Janjic?以及Grell-Devenyi方案模擬的臺風(fēng)路徑誤差小，對于臺風(fēng)“Danas”路徑的模擬，幾種方案差異不大，但總體來講選用有利于熱對流混合層高度升高，使邊界層結(jié)構(gòu)更接近中性的Kain-Fritsch方案效果最好。

為揭示邊界層方案對臺風(fēng)路徑模擬效果的影響，采用相同的微物理方案和積云物理方案，不同的邊界層方案來模擬雙臺風(fēng)路徑并與實況資料作對比分析發(fā)現(xiàn)在微物理過程和積云方案固定的情況下，邊界層方案無論采用何種方案，對臺風(fēng)移動路徑影響都不大;但對臺風(fēng)Danas的模擬，MRF方案模擬結(jié)果與實況更要接近些，總體來看MRF方案模擬效果更好些。

對比試驗01（Kain-Fritsch）和試驗13（Betts-Miller-Janji）發(fā)現(xiàn)，在積分72?h時（07日00時）模擬的臺風(fēng)路徑差異最顯著，此時試驗01（Kain-Fritsch）方案模擬的副高中心位置、強(qiáng)度與實況較接近，受副高外圍引導(dǎo)氣流影響，模擬的“Fitow”移動路徑較實況偏北。而臺風(fēng)“Danas”在04日-07日期間基本位于副高南側(cè)，故副高位置和強(qiáng)度對其影響不大。試驗13方案模擬的副高脊線呈西北偏西向，故“fitow”和“Danas”受副高南側(cè)引導(dǎo)氣流的影響，移動路徑較實況偏南。由于雙臺風(fēng)的副高引導(dǎo)氣流都較實況偏弱，所以模擬的雙臺風(fēng)移速都較實況偏慢?？傮w對比分析可見，副高中心位置，副高西伸脊點(diǎn)位置和副高強(qiáng)度都影響到雙臺風(fēng)的移動方向和移動速度。

以臺風(fēng)中心海平面氣壓作為衡量臺風(fēng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，選用相同的邊界層方案和積云方案，不同的微物理方案組合對雙臺風(fēng)強(qiáng)度模擬研究發(fā)現(xiàn)不同的微物理方案模擬臺風(fēng)“Fitow”的強(qiáng)度差別不大，且都較實況強(qiáng)度偏弱。但對“Danas”強(qiáng)度的模擬差別較大。總體來看48h內(nèi)微物理過程選用Kessler方案較Lin方案和Ferrier方案模擬的臺風(fēng)強(qiáng)度誤差要小。

選用相同的邊界層方案和微物理方案，不同的積云方案對雙臺風(fēng)強(qiáng)度的模擬研究發(fā)現(xiàn)不同的微物理方案模擬“Fitow”?的強(qiáng)度，積云方案采用Kain-Fritsch方案要比Betts-Miller-Janjic、Grell-Devenyi方案模擬的臺風(fēng)強(qiáng)度誤差小。試驗01方案模擬的副高和中緯度西風(fēng)帶槽脊的強(qiáng)度較試驗13強(qiáng)，而模擬的雙臺風(fēng)強(qiáng)度也較試驗13強(qiáng)（圖2）。總體對比分析可見，副高、西風(fēng)帶槽脊位置和強(qiáng)度變化對雙臺風(fēng)的強(qiáng)度有影響。

敏感性試驗選用相同的微物理方案和積云方案，不同的邊界層方案組合對雙臺風(fēng)強(qiáng)度的模擬結(jié)果顯示所有方案模擬的“Fitow”臺風(fēng)強(qiáng)度都較實況偏弱，YSU方案較MRF方案、MYNN2.5方案方案模擬的效果要好。對“Danas”強(qiáng)度的模擬，MRF方案模擬的臺風(fēng)強(qiáng)度無論是大小還是臺風(fēng)減弱、增強(qiáng)的趨勢，都比YSU、MYNN2.5方案的效果要好。

結(jié)語

通過27種不同參數(shù)化方案組合對2013年雙臺風(fēng)“Fitow”和“Danas”進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下主要結(jié)論：

（1）微物理方案的不同和積云方案的不同對臺風(fēng)路徑的影響明顯，其中Kessler微物理方案和Kain-Fritsch積云方案的組合，模擬的臺風(fēng)路徑與實況的平均偏差最小。

（2）邊界層方案與積云方案都對臺風(fēng)強(qiáng)度模擬效果影響明顯，YSU邊界層方案與Kain-Fritsch積云方案的組合模擬的臺風(fēng)強(qiáng)度變化與實況更接近。

（3）模式中不同物理過程的組合對模擬臺風(fēng)的路徑、強(qiáng)度等影響較大，物理過程中的Kessler方案、Kain-Fritsch方案和YSU方案是對雙臺風(fēng)“Fitow”和“Danas”模擬的最佳的組合方案。

（4）西太副高和西風(fēng)帶槽脊的位置和強(qiáng)度變化直接影響了雙臺風(fēng)“Fitow”和“Danas”的移動路徑及強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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基金項目：“雙重”兵種作戰(zhàn)《基于大數(shù)據(jù)的航空兵作戰(zhàn)指揮氣象輔助決策系統(tǒng)》，課題號：SZ063-BZ15-JY03

作者簡介：張曉慧（1989—??），女，甘肅天水人，大氣科學(xué)碩士，講師

研究方向：數(shù)值天氣預(yù)報與航空危險天氣預(yù)報。