西北太平洋歷史臺風(fēng)風(fēng)場重建模型參數(shù)試驗

孔莉莎 張秀芝

(國家氣候中心， 北京 100081)

引 言

西北太平洋是世界上發(fā)生熱帶氣旋最多的海區(qū)，約占全球熱帶氣旋的1/3[1](以下將熱帶氣旋統(tǒng)稱為臺風(fēng))。我國地處西北太平洋西岸，海岸線較長，是世界上受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重的國家之一[2]。臺風(fēng)發(fā)生時，臺風(fēng)大風(fēng)會對沿海工程設(shè)備、海洋能源開發(fā)設(shè)施[3]等產(chǎn)生不利影響，給人民群眾生命財產(chǎn)安全、交通航運等造成重大損失[4]。隨著我國海洋開發(fā)和海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，臺風(fēng)影響區(qū)的大風(fēng)分布成為研究熱點。臺風(fēng)影響期間船舶避航，海上大風(fēng)觀測資料非常匱乏[5]，衛(wèi)星測風(fēng)達不到實際臺風(fēng)強度。研究表明:歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)ERA-Interim和ERA5、日本氣象廳JRA-55、美國國家環(huán)境預(yù)測中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)再分析資料的臺風(fēng)中心位置偏差為20～140 km，臺風(fēng)中心最大風(fēng)速(Vmax)平均偏差均為負值，其中JRA-55平均偏差為-24.5～-6 m·s-1，中位數(shù)為-18 m·s-1[6]。因此，為滿足風(fēng)暴潮、海浪等其他臺風(fēng)災(zāi)害致災(zāi)因子風(fēng)險評估[7]、海上能源開發(fā)[8]、海上軍事活動、海洋漁業(yè)需求，亟待重建西北太平洋歷史臺風(fēng)風(fēng)場。在此基礎(chǔ)上建立1951—2020年中國近海分辨率為0.25°網(wǎng)格點臺風(fēng)大風(fēng)序列，計算西北太平洋50年一遇最大風(fēng)速，可為海洋工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

利用數(shù)值模型計算是獲取臺風(fēng)風(fēng)場的常用方法。氣象學(xué)中的臺風(fēng)數(shù)值模型包括WRF(The Weather Research and Forecasting)，GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)[9]等，但數(shù)值模式計算周期較長，計算量大，不適合歷史臺風(fēng)風(fēng)場重建。半經(jīng)驗半數(shù)值的風(fēng)場模型以及參數(shù)化風(fēng)場模型計算較為簡便，取得的模擬效果也較為精確，如Shapiro風(fēng)場[10]、CE風(fēng)場[11]、Yan Meng(簡稱YM)風(fēng)場等。其中，YM風(fēng)場模型是Meng等[12]1995年建立的一種考慮邊界層摩擦力修正的壓力梯度平衡方程，有些學(xué)者使用YM風(fēng)場模型模擬臺風(fēng)風(fēng)場，證實了該模型的可行性。如郭云霞等[13]通過Monte-Carlo 模擬方法和YM風(fēng)場模型計算每個研究點臺風(fēng)的最大風(fēng)速，構(gòu)成極值風(fēng)速序列。趙林等[14]基于YM風(fēng)場模型，構(gòu)建臺風(fēng)風(fēng)場隨機模型。謝汝強等[15]結(jié)合觀測資料，驗證該模型具有較好的模擬效果。因此，本文選用YM風(fēng)場模型進行臺風(fēng)風(fēng)場模擬。

YM風(fēng)場模型中，臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑(Rmax)、壓力分布常數(shù)(B)、粗糙度(z0)3個關(guān)鍵參數(shù)對臺風(fēng)風(fēng)場模擬效果影響很大。其中，Rmax指臺風(fēng)云墻附近最大風(fēng)速出現(xiàn)處與臺風(fēng)中心之間的徑向距離[16]，是最關(guān)鍵的模型參數(shù)之一，也是衡量臺風(fēng)水平尺度的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。然而，目前包含Rmax的資料非常有限，國內(nèi)外學(xué)者多采用統(tǒng)計或物理模型計算Rmax。雷小途等[17]利用Bogus臺風(fēng)的切向風(fēng)速廓線模型得到Rmax與8級風(fēng)圈半徑之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；Vickery等[18]、Fang等[19]、江志輝等[20]、李瑞龍[21]基于歷史資料的中心氣壓、Vmax、緯度等參數(shù)對Rmax進行擬合；胡邦輝等[22]利用含有摩擦的平面極坐標(biāo)水平運動方程組，得到海面移動非對稱臺風(fēng)的Rmax計算方案；陳德文等[23]利用QuikSCAT衛(wèi)星遙感風(fēng)場建立一種基于遙感風(fēng)場的臺風(fēng)Rmax反演方法。壓力分布常數(shù)B，也稱HollandB參數(shù)，國外關(guān)于B的研究多針對不同海域，建立B與其他參數(shù)的經(jīng)驗計算方程[24-27]，但針對西北太平洋B取值研究的報道尚不多見，Guo等[28]比較國內(nèi)外求取B的幾種計算模型，并試驗B取固定值的方法，基于某臺風(fēng)個例得到B約為0.8時，觀測站風(fēng)速與模擬風(fēng)速較接近。粗糙度z0與地形有關(guān)，大面積海域z0的測量資料少且時空分布極不均勻，各國規(guī)范和不同學(xué)者對其的研究略有不同，傳統(tǒng)外推方法得到的z0隨10 m風(fēng)速的增加而增加，z0可高達0.02 m，Zeng等[29]構(gòu)建的z0參數(shù)化方案證明z0雖也隨10 m風(fēng)速的增加而增加，但最大約為0.008 m，10 m風(fēng)速超過40 m·s-1后，z0有所降低。

重建西北太平洋歷史臺風(fēng)風(fēng)場，需要模擬1951—2020年西北太平洋區(qū)域所有臺風(fēng)，因此上述3個參數(shù)的取值要適合大范圍區(qū)域的大量臺風(fēng)個例的計算，所用資料應(yīng)方便獲取。目前的臺風(fēng)風(fēng)場模擬研究多數(shù)針對某一個地點、某一個臺風(fēng)個例或某個時間段，且參數(shù)取值多采用經(jīng)驗公式計算，但某些參數(shù)的經(jīng)驗公式僅適用于特定海域，缺少大量觀測資料對其探討。因此，對3個參數(shù)的適配取值進行試驗并結(jié)合西北太平洋臺風(fēng)影響期間觀測資料進行合理優(yōu)化是首要問題。

本文首先基于美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(Joint Typhoon Warning Center，JTWC)資料集，討論Rmax的影響因子，提出4種影響因子組合方案，并通過觀測資料選取最佳組合方案；結(jié)合不同臺風(fēng)影響期間的浮標(biāo)站觀測風(fēng)速，對B，z0取值進行估算試驗；基于YM模型和3個參數(shù)的最優(yōu)組合，對19個臺風(fēng)過程進行海上臺風(fēng)風(fēng)場模擬效果檢驗。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文所用資料包括：①2001—2018年JTWC西北太平洋臺風(fēng)最佳路徑資料集，包含臺風(fēng)發(fā)生的時間、臺風(fēng)中心位置、Vmax、中心最低氣壓、Rmax等，時間間隔為6 h；②2001—2018年ECMWF再分析資料集中西北太平洋每日4個時次，水平分辨率為0.75°×0.75°的海溫數(shù)據(jù)；③2013—2020年中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)(typhoon.nmc.cn/web.html)24個臺風(fēng)的中心位置、Vmax、中心最低氣壓、移速、移向等要素；④來源于國家氣象信息中心、國家海洋信息中心的浮標(biāo)觀測資料(2013—2020年24個臺風(fēng)影響期間13個浮標(biāo)站10 m高度10 min平均風(fēng)速)，浮標(biāo)站分布見圖1。前兩種資料用于Rmax影響因子組合方案研究，后兩種資料用于參數(shù)取值試驗及臺風(fēng)風(fēng)場模擬效果檢驗。

圖1 浮標(biāo)站分布Fig.1 Distribution of buoy stations

重建西北太平洋歷史臺風(fēng)風(fēng)場目的之一是計算海面不同重現(xiàn)期最大風(fēng)速[30]并用于海洋工程設(shè)計[31]，而進行海洋工程設(shè)計風(fēng)速推算時，通常選擇10 min平均風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值[32]。由于資料①和資料③中的Vmax分別采用的是1 min，2 min平均風(fēng)速，因此需要將資料①和資料③中Vmax的不同時距統(tǒng)一換算為10 min平均風(fēng)速。1 min，2 min平均風(fēng)速換算為10 min平均風(fēng)速的換算系數(shù)分別取1.11和1.07[32-33]。下文中Vmax均為換算后的10 min平均風(fēng)速。

1.2 YM風(fēng)場模型

YM風(fēng)場模型[12]采用Holland氣壓模型，其形式如下：

p=pc+Δpe-(Rmax/r)B。

(1)

式(1)中，pc為臺風(fēng)中心氣壓，Δp為臺風(fēng)外圍氣壓與臺風(fēng)中心氣壓的差值，B為壓力分布常數(shù)，Rmax為臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑，p為距離臺風(fēng)中心徑向距離為r的海平面壓強。

YM風(fēng)場模型的數(shù)值形式如下：

(2)

式(2)中，V為風(fēng)速，ρ為空氣密度，k為垂向單位向量，f為科氏參數(shù)，F(xiàn)為邊界層摩擦力。

YM模型中，風(fēng)速可以視為梯度風(fēng)速和摩擦風(fēng)速的矢量和，由摩擦風(fēng)速引入阻力系數(shù)Cd，Cd與粗糙度的關(guān)系為

Cd=κ2/{ln[(H10+h-d)/z0]}2。

(3)

式(3)中，z0為粗糙度，單位：m；κ為卡曼常數(shù)，取0.4；H10為平均粗糙單元以上10 m高度，單位：m；H10=10+d；d為零平面位移，單位：m；d=0.75h，h=Az00.86，A=11.4。YM模型詳細說明可參考文獻[12]。在該風(fēng)場模型中，除Rmax，B，z03個參數(shù)之外，其余參數(shù)可從現(xiàn)有資料獲得。

2 Rmax影響因子組合方案

Rmax是衡量臺風(fēng)水平尺度的重要指標(biāo)，其取值直接影響臺風(fēng)氣壓場和風(fēng)場的模擬效果。由于本文研究目的是利用包含Rmax在內(nèi)的臺風(fēng)參數(shù)重建1951—2020年西北太平洋歷史臺風(fēng)風(fēng)場，而JTWC西北太平洋臺風(fēng)最佳路徑資料集無2001年以前的Rmax，因資料所限，需要以現(xiàn)有資料對Rmax取值進行探討。本章通過統(tǒng)計分析，討論月份、緯度、海溫、Vmax、中心氣壓與Rmax之間的關(guān)系，確定Rmax影響因子的組合方案。月份、緯度、Vmax、中心氣壓、Rmax取自2001—2018年JTWC西北太平洋臺風(fēng)最佳路徑資料集，海溫來自ECMWF再分析資料，取臺風(fēng)中心位置對應(yīng)時刻周圍200 km范圍的海溫平均值。

2.1 Rmax影響因子篩選

由于本文目標(biāo)是模擬海上臺風(fēng)風(fēng)場，因此對于登陸臺風(fēng)只取登陸前的樣本，從JTWC資料集共獲得9790條臺風(fēng)路徑點樣本。為便于統(tǒng)計，對各因子進行分級(表1)。

表1 各因子等級Table 1 Grade of factors

圖2為各因子與Rmax的關(guān)系。Rmax在不同月份表現(xiàn)不同，Rmax中位數(shù)在1月、2月、3月、12月為55～75 km，這一時期臺風(fēng)生成和移動路徑一般在15°N 以南，強度較弱；4—5月和7—11月約為50 km，6月約為65 km。Rmax上限在4月、6—8月、11月約為130～140 km，其他月份為90～110 km。各月Rmax的95%分位數(shù)在100 km上下。Rmax在不同緯度表現(xiàn)也不同，各緯度區(qū)間的Rmax中位數(shù)最大約為56 km，在(20°N,30°N]最小，約為45 km；Rmax的95%分位數(shù)在(20°N,30°N]約為110 km，30 °N以北最大，約為130 km。在海溫與Rmax的關(guān)系中，各海溫等級中Rmax中位數(shù)均為50 km 左右，95%分位數(shù)均為110 km。圖2表明Vmax與Rmax呈負相關(guān)關(guān)系，即Vmax越大，Rmax越?。恢行臍鈮号cRmax呈正相關(guān)關(guān)系，中心氣壓越高，Rmax越大。

圖2 2001—2018年西北太平洋臺風(fēng)參數(shù)與Rmax關(guān)系(藍色上、下邊分別代表75%和25%分位數(shù)(設(shè)為U和D)，橙色橫線為中位數(shù)，紅色三角為95%分位數(shù)；黑色上、下橫線為上、下限，分別為U+1.5(U-D)和D-1.5(U-D),黑色圓圈表示異常值)Fig.2 Relationship between factors and Rmax in the Northwest Pacific from 2001 to 2018(the blue top and bottom lines represent the 75th and 25th percentiles(set as U and D),respectively, the orange horizontal line represents the median,and the red triangle represents the 95th percentile,the black upper and lower horizontal lines are the upper and lower limits of data,calculated by U+1.5(U-D) and D-1.5(U-D)), the black circles represent outliers)

由上述分析可知，各海溫等級中Rmax中位數(shù)、95%分位數(shù)幾乎相同，由于早期海溫資料缺乏，因此選擇月份、緯度、Vmax、中心氣壓為Rmax的影響因子。

2.2 不同影響因子組合方案

將4個影響因子配置出4種組合方案，即中心氣壓與月份(方案1)，中心氣壓與緯度(方案2)，Vmax與月份(方案3)，Vmax與緯度(方案4)，分別計算每種組合方案中兩個影響因子在不同等級區(qū)間的Rmax樣本平均值作為對應(yīng)的Rmax，表2為方案1和方案2對應(yīng)的Rmax，表3為方案3和方案4對應(yīng)的Rmax。

可以看到，相同月份類別或同一緯度等級中，中心氣壓越大，Rmax越大；Vmax越大，Rmax越小。表2和表3中，中心氣壓等級或Vmax等級相同時，6—10月Rmax較大。此外，方案1和方案2中，相同中心氣壓等級，不同月份類別或不同緯度等級之間Rmax相差不大(中心氣壓為(1000 hPa,1015 hPa)除外)；方案3中，相同Vmax等級，不同月份類別Rmax相差不大。方案4中，30 °N以南，Rmax隨緯度增大而增大(Vmax在(12 m·s-1，17 m·s-1]除外)。

2.3 對比試驗

使用臺風(fēng)妮妲(1604)影響期間11號浮標(biāo)、臺風(fēng)海馬(1622)影響期間13號浮標(biāo)、臺風(fēng)瑪莉亞(1808)影響期間5號和10號浮標(biāo)、臺風(fēng)米娜(1918)影響期間4號浮標(biāo)、臺風(fēng)巴威(2008)影響期間2號浮標(biāo)的觀測風(fēng)速對上述4種影響因子組合方案進行對比試驗。以臺風(fēng)瑪莉亞(1808)為例，首先利用其時間、緯度、中心氣壓和Vmax，在表2和表3中查找4種方案對應(yīng)的Rmax，再將Rmax帶入YM風(fēng)場模型計算浮標(biāo)站模擬風(fēng)速。圖3為當(dāng)B=1.0，z0=0.005 m時，5號和10號浮標(biāo)站模擬風(fēng)速與觀測風(fēng)速對比(圖中時間為北京時，下同)。試驗結(jié)果顯示，在給定B和z0后，方案4得到的6站次浮標(biāo)站的模擬風(fēng)速與觀測風(fēng)速更加接近，因此選擇方案4為Rmax的組合方案。

表2 方案1和方案2對應(yīng)的Rmax(單位：km)Table 2 Rmax based on Scheme 1 and Scheme 2(unit:km)

表3 方案3和方案4對應(yīng)的Rmax(單位：km)Table 3 Rmax based on Scheme 3 and Scheme 4(unit:km)

圖3 2018年7月10—11日臺風(fēng)瑪莉亞(1808)影響期間兩個浮標(biāo)站模擬風(fēng)速與觀測風(fēng)速對比Fig.3 Comparison of simulated and observed wind speed at two buoy stations during the influence period of Typhoon Maria(1808) on 10-11 Jul 2018

3 B和z0取值試驗

基于方案4查找對應(yīng)的Rmax，結(jié)合不同的B和z0取值進行臺風(fēng)風(fēng)場模擬，通過與浮標(biāo)站的觀測風(fēng)速進行對比，探討B(tài)和z0取值組合。

3.1 B和z0取值應(yīng)滿足的兩種規(guī)則

計算中國近海50年一遇最大風(fēng)速，重點在于計算歷史臺風(fēng)過程的最大風(fēng)速，因此確定B和z0的取值范圍時，應(yīng)在同一Rmax影響因子組合方案的基礎(chǔ)上，將B和z0帶入模型后求得模擬最大風(fēng)速接近觀測最大風(fēng)速，即站點最大風(fēng)速偏差絕對值最小(規(guī)則1)。

當(dāng)z0=0.005 m時， 由圖4可知，2017年8月22—23日臺風(fēng)天鴿(1713)影響期間，B=0.8時12號浮標(biāo)站逐小時觀測風(fēng)速與模擬風(fēng)速較接近。不同B值條件下Vmax模擬值與中央氣象臺發(fā)布的Vmax(簡稱發(fā)布值)對比表明：B=1.0時，模擬值與發(fā)布值更接近。故B和z0的取值還應(yīng)使得Vmax模擬值與發(fā)布值之間的偏差絕對值最小，這里將偏差絕對值不大于5 m·s-1作為B和z0的規(guī)則2。

圖4 2017年8月22—23日臺風(fēng)天鴿(1713)影響期間12號浮標(biāo)站的風(fēng)速和VmaxFig.4 The wind speed of buoy station 12 and Vmax during the influence period of Typhoon Hato(1713) on 22-23 Aug 2017

3.2 B和z0的取值試驗

基于3.1節(jié)中B和z0的取值應(yīng)同時滿足的兩種規(guī)則，將浮標(biāo)站模擬最大風(fēng)速與觀測最大風(fēng)速之差絕對值記為v′，Vmax模擬值與發(fā)布值之差的絕對值記為v′max，z0分別取0.001 m，0.005 m，0.01 m，0.02 m，設(shè)B的取值分別為0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0。

以表4中臺風(fēng)天鴿(1713)影響期間12號浮標(biāo)站為例說明浮標(biāo)站對應(yīng)的B和z0最優(yōu)取值組合試驗步驟：①當(dāng)z0取0.001 m，B分別取0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0時，計算12號浮標(biāo)站觀測時間內(nèi)的v′max，得到滿足v′max≤5 m·s-1的B值為1.0，即滿足規(guī)則2的B和z0取值分別為1.0和0.001 m；②利用z0=0.001 m和B=1.0求得12號浮標(biāo)站的v′為3.88 m·s-1(不滿足規(guī)則2的B值無需計算v′)。同理計算z0分別取0.005 m，0.01 m，0.02 m時滿足規(guī)則2的B，并利用這些B和z0的取值組合計算12號浮標(biāo)站的所有v′，其中v′最小值為2.54 m·s-1且對應(yīng)的z0=0.005 m和B=1.0為該浮標(biāo)站同時滿足規(guī)則1和規(guī)則2取值結(jié)合。由于B分別取0.6，0.8，1.8，2.0時不滿足規(guī)則2，故表4中未列出。

表4 浮標(biāo)站v′Table 4 v′ of buoy stations

續(xù)表4

由表4可知，10站次浮標(biāo)站同時滿足規(guī)則1和規(guī)則2時，B和z0取值組合有9種，計算這9種取值組合在10站次浮標(biāo)站中的取值次數(shù)和每種B，z0取值組合下v′在10站次浮標(biāo)站中的平均值，計算結(jié)果見表5。B=1.0和z0=0.005 m同時滿足規(guī)則1和規(guī)則2出現(xiàn)2次，且對應(yīng)的v′平均值最小，即當(dāng)B=1.0和z0=0.005 m時，浮標(biāo)站模擬風(fēng)速與觀測風(fēng)速較為接近。此外，滿足規(guī)則2后，所有浮標(biāo)站出現(xiàn)次數(shù)較多的B和z0組合共有7對：B=1.0，z0=0.005 m；B=1.0，z0=0.001 m；B=1.2，z0=0.02 m；B=1.2，z0=0.01 m；B=1.2，z0=0.005 m；B=1.2，z0=0.001 m；B=1.4，z0=0.02 m。7對組合在所有浮標(biāo)站中對應(yīng)v′平均值最小時，B=1.0，z0=0.005 m。

表5 9種B和z0取值組合次數(shù)及v′平均值Table 5 The frequency of nine combinations of values of B and z0 and the average value of v′

B和z0的取值范圍試驗結(jié)果表明：基于方案4查找對應(yīng)的Rmax，當(dāng)浮標(biāo)站z0=0.005 m，B=1.0時，浮標(biāo)站模擬風(fēng)速較接近觀測風(fēng)速。同時，浮標(biāo)站z0增大時，滿足規(guī)則2的B值集合中的最大值也增大，說明B和z0同時增大時，Vmax模擬值與發(fā)布值偏差絕對值較小。

4 YM模型模擬效果檢驗

4.1 Vmax模擬精度檢驗

基于YM風(fēng)場模型，利用方案4查找對應(yīng)的Rmax，取B=1.0，z0=0.005 m，對第3章用于參數(shù)試驗之外的9個臺風(fēng)過程進行模擬，圖5為Vmax模擬值與發(fā)布值對比。由圖5可知，當(dāng)Vmax發(fā)布值低于40 m·s-1時，9個臺風(fēng)的Vmax模擬值較接近發(fā)布值；當(dāng)Vmax發(fā)布值不低于(含)40 m·s-1時,臺風(fēng)燦鴻(1509)和臺風(fēng)莎莉嘉(1621)Vmax模擬值略低于發(fā)布值。B分別取1.2，1.4和1.6進行試驗，發(fā)現(xiàn)B=1.4，z0=0.005 m時，兩個臺風(fēng)的Vmax模擬值更接近發(fā)布值，即當(dāng)Vmax不低于40 m·s-1時，B=1.4。

圖5 Vmax模擬值與發(fā)布值對比Fig.5 Comparison of simulated and published values of maximum wind speed

4.2 臺風(fēng)風(fēng)場模擬效果檢驗

2018年7月4日20:00臺風(fēng)瑪莉亞(1808)在12.4°N，146.2°E生成，加強西行，11日09:10在福建連江黃岐鎮(zhèn)登陸，按照Vmax發(fā)布值不低于40 m·s-1，B=1.4；Vmax發(fā)布值小于40 m·s-1，B=1.0，z0=0.005 m，模擬臺風(fēng)瑪莉亞(1808)全過程Vmax，采用參數(shù)取值試驗之外的5個浮標(biāo)站進行模擬風(fēng)場檢驗。由圖6可知，7月5日20:00臺風(fēng)瑪莉亞(1808)Vmax達到33 m·s-1，7月6日02:00開始，Vmax超過40 m·s-1，7月9日08:00臺風(fēng)中心位于(133.6°E，21.8°N)且達到最強，Vmax為56 m·s-1，模擬值為55 m·s-1。之后臺風(fēng)逐漸西移，強度有所減弱，7月10日23:00—7月11日08:00，Vmax發(fā)布值均為45 m·s-1，B=1.4時模擬值約為46 m·s-1，即最強風(fēng)速區(qū)的Vmax模擬值接近發(fā)布值，B=1.0時Vmax模擬值約為40 m·s-1，明顯小于發(fā)布值。期間5個浮標(biāo)站均在臺風(fēng)大風(fēng)圈內(nèi)，表6為各浮標(biāo)站逐時觀測風(fēng)速和B=1.0時的模擬風(fēng)速。7月11日01:00至07:00，由B=1.0時的模擬風(fēng)場可知，臺風(fēng)中心幾乎穿過6號、7號浮標(biāo)站，2個站的風(fēng)速觀測值均能顯示出臺風(fēng)中心經(jīng)過前后風(fēng)速的M型變化特征，盡管模擬的浮標(biāo)站風(fēng)速最大值出現(xiàn)在臺風(fēng)中心經(jīng)過的時刻，但未能模擬出風(fēng)速的M型變化特征，模擬風(fēng)速最大值略大于對應(yīng)時刻觀測風(fēng)速，臺風(fēng)中心經(jīng)過前后的風(fēng)速模擬值與觀測值比較接近。位于臺風(fēng)路徑北側(cè)且距離較遠的3號和4號浮標(biāo)站及位于臺風(fēng)路徑南側(cè)的9號浮標(biāo)站風(fēng)速模擬值與觀測值比較接近。

圖6 2018年7月5-11日臺風(fēng)瑪莉亞(1808)不同時刻模擬風(fēng)場(藍、綠、黃、白、紅色三角分別代表3號、4號、6號、7號和9號浮標(biāo)站)Fig.6 Simulation diagram of wind field at different times of Typhoon Maria(1808) on 5-11 Jul 2018 (blue,green,yellow,white and red triangles represent buoy station 3,4,6,7 and 9,respectively)

表6 2018年7月10日23:00—11日09:00臺風(fēng)瑪莉亞(1808)影響期間參數(shù)取值試驗之外的浮標(biāo)站風(fēng)速觀測值及模擬值Table 6 Observed and simulated wind speed of buoy stations test during the influence period of Typhoon Maria(1808) from 2300 BT 10 Jul 2018 to 0900 BT 11 Jul 2018

續(xù)表6

此外對西行進入南海的臺風(fēng)尤特(1311)、臺風(fēng)威馬遜(1409)、臺風(fēng)山竹(1822)、臺風(fēng)海馬(1622)4個臺風(fēng)，登陸臺灣島進入臺灣海峽的臺風(fēng)納沙(1709)，進入東海北上的臺風(fēng)蘇力(1819)、臺風(fēng)玲玲(1913)2個臺風(fēng)，進入東海在浙江登陸的臺風(fēng)利奇馬(1909)、臺風(fēng)黑格比(2004)2個臺風(fēng)進行模擬，這些臺風(fēng)過程Vmax模擬值與發(fā)布值基本一致，且每個臺風(fēng)分別有1～2個浮標(biāo)站位于其大風(fēng)范圍內(nèi)，非最強風(fēng)速區(qū)浮標(biāo)站模擬風(fēng)速與觀測風(fēng)速比較接近(圖略)。

以上19個臺風(fēng)過程的模擬檢驗表明：基于YM模型，利用方案4的Rmax，Vmax發(fā)布值低于40 m·s-1時，采用B=1.0，z0=0.005 m模擬的臺風(fēng)風(fēng)場最強區(qū)的Vmax接近于發(fā)布值，非最強風(fēng)速區(qū)的模擬風(fēng)速與浮標(biāo)站觀測風(fēng)速擬合較好。Vmax發(fā)布值不低于40 m·s-1時，采用B=1.4，z0=0.005 m模擬的最強風(fēng)速區(qū)Vmax模擬值與發(fā)布值擬合更好，非最強風(fēng)速區(qū)的模擬風(fēng)速在B=1.0，z0=0.005 m時更合理。在長年代臺風(fēng)風(fēng)場重建時將根據(jù)臺風(fēng)強度使用不同的參數(shù)取值。

5 結(jié)論和討論

本文選用YM臺風(fēng)風(fēng)場模型，對影響風(fēng)場模擬的Rmax，B和z03個參數(shù)進行組合和估算，驗證YM模型以及3個參數(shù)估算方案的適用性?；谠擄L(fēng)場模型和參數(shù)估算方案，可重建1951—2020年西北太平洋歷史臺風(fēng)風(fēng)場，主要結(jié)論如下：

1) 根據(jù)JTWC數(shù)據(jù)集9790條臺風(fēng)路徑樣本的Rmax與Vmax、中心氣壓、臺風(fēng)所處緯度、月份和海溫進行組合、篩選，采用6個浮標(biāo)觀測的5個臺風(fēng)影響期間觀測風(fēng)速和模擬風(fēng)速進行對比，表明Vmax和臺風(fēng)所處緯度的組合方案對應(yīng)的Rmax更合理。

2) 基于歷史臺風(fēng)最大風(fēng)速重建的需要，規(guī)定B和z0取值應(yīng)同時滿足的兩條規(guī)則：①站點模擬最大風(fēng)速與觀測最大風(fēng)速的偏差絕對值最小，②Vmax模擬值與發(fā)布值的偏差絕對值不超過5 m·s-1。計算6個臺風(fēng)過程中10站次浮標(biāo)站模擬最大風(fēng)速與觀測最大風(fēng)速的偏差絕對值，得到浮標(biāo)站在z0=0.005 m，B=1.0時符合規(guī)則。

3) 使用參數(shù)取值試驗之外的9個臺風(fēng)過程，利用B=1.0，z0=0.005 m進行Vmax模擬試驗，結(jié)果表明Vmax發(fā)布值低于40 m·s-1時，Vmax模擬值與發(fā)布值擬合很好；Vmax的發(fā)布值不低于40 m·s-1時，取B=1.4，z0=0.005 m更合理。

4) 利用Vmax和緯度組合方案對應(yīng)的Rmax，B=1.0(或1.4)，z0=0.005 m模擬超強臺風(fēng)瑪莉亞(1808)影響期間的每小時風(fēng)場，以參數(shù)取值試驗之外5個浮標(biāo)站觀測風(fēng)速進行驗證。4種臺風(fēng)路徑的9個臺風(fēng)風(fēng)場模擬均表現(xiàn)出相同的參數(shù)取值規(guī)律。說明YM臺風(fēng)風(fēng)場模型和本文所得參數(shù)方案可較好模擬臺風(fēng)風(fēng)場非對稱性，適合西北太平洋歷史臺風(fēng)風(fēng)場重建。

本文經(jīng)過多層比選確定YM臺風(fēng)風(fēng)場模型參數(shù)Rmax，B和z0的合理組合，但在歷史臺風(fēng)風(fēng)場重建過程中可能遇到各種情況，其他參數(shù)組合也可試用。除這些參數(shù)外，尚有其他影響風(fēng)場模擬效果的因素未考慮，因此該模型存在一定局限性，有待在重建歷史臺風(fēng)風(fēng)場時對特殊問題進行研究，并對比每個臺風(fēng)過程的Vmax模擬值與發(fā)布值，較大偏差單獨處理，進而優(yōu)化模型關(guān)鍵參數(shù)取值。