不同邊界層參數(shù)化方案對臺風“利奇馬”模擬的影響研究

仲鵬志，冶磊，李煜斌，吳彬貴，高志球

(1.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇 南京 210044；2.天津市氣象科學研究所，天津 300000)

1 引 言

臺風是一種發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上具有暖心結(jié)構(gòu)的強烈氣旋性渦旋，多在每年夏秋季節(jié)生成于西北太平洋洋面。我國東南到華南沿海地區(qū)每年都會有多個臺風登陸，部分臺風更是伴隨狂風暴雨，造成氣象災(zāi)害，帶來巨大經(jīng)濟損失并威脅人民的生命安全[1]?；诖耍陙肀姸嗫茖W家致力于準確參數(shù)化臺風中的物理過程[2-3]，以提高其預(yù)報精度，從而為臺風的防災(zāi)減災(zāi)提供科學支撐[4-5]。

大氣邊界層位于大氣底層，這層大氣受地面熱力與動力影響，它通過湍流運動實現(xiàn)地面和大氣之間動量、熱量和水汽交換[6]。大氣邊界層參數(shù)化方案在臺風數(shù)值模擬和預(yù)報中起著重要的作用，模擬的臺風強度、路徑和降水對邊界層參數(shù)化方案極其敏感[7-8]。Braun等[9]的數(shù)值模擬試驗表明，大氣邊界層方案對臺風降水強度和分布有重要影響。Nolan等[10]比較了采用YSU和MYJ兩種不同邊界層方案模擬得到的臺風外圍和內(nèi)核邊界層的異同。Smith等[11]發(fā)現(xiàn)不同邊界層方案估算的湍流擴散系數(shù)不同，并導致臺風強度的差異。鄧國等[12]指出邊界層過程參數(shù)化方案對臺風后期的強度影響十分明顯。Zhang等[13]研究闡明了邊界層參數(shù)化影響臺風強度變化的機理。溫曉培等[14]對比分析了不同邊界層參數(shù)化方案模擬得到的臺風初生結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)熱帶擾動的形成和發(fā)展與大氣邊界層物理過程密切相關(guān)。Liu等[15]研究了不同邊界層方案對臺風快速增強的影響，發(fā)現(xiàn)增強地表通量和邊界層的垂直混合對于臺風強度的預(yù)報有重要作用。丁成慧等[16]研究發(fā)現(xiàn)邊界層參數(shù)化方案對臺風移動路徑影響較小，但對臺風強度和結(jié)構(gòu)有較大的影響。Pradhan等[17]通過比較YSU、QNSE和UWMT三種邊界層方案，發(fā)現(xiàn)QNSE和UWMT方案能夠更準確地模擬北大西洋冬季風暴的氣旋發(fā)生和發(fā)展階段。

2019年第9號臺風“利奇馬”是1949年以來登陸浙江第三強的臺風，它給沿海居民帶來了巨大的生命財產(chǎn)損失。分析不同邊界層方案對臺風“利奇馬”模擬的影響將有助于提升對強臺風模擬和預(yù)報中邊界層參數(shù)化方案作用的認識，為今后的強臺風模擬和預(yù)報提供一定參考。本研究選取了六個常用的邊界層方案（包括三個局地方案和三個非局地方案）進行對比試驗，重點分析了它們對南海臺風“利奇馬”路徑和強度的影響。下文中第2節(jié)介紹了數(shù)據(jù)和試驗設(shè)計，第3節(jié)為模擬結(jié)果分析，第4節(jié)為總結(jié)。

2 數(shù)據(jù)及試驗設(shè)計

本文采用中尺度數(shù)值模式WRF V3.9.1，并用歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)的ERA5再分析資料為模式提供初始場和邊界條件，時間間隔為6小時，水平分辨率為0.25°×0.25°。模式采用雙向三層移動嵌套，水平分辨率分別為18 km、6 km和2 km（圖1）。為了進行高分辨率的模擬，垂直方向分為38層，模式層頂為50 hPa，積分時間為2019年8月6日12時—8月11日00時（世界時，下同），共積分108小時，每3小時輸出一次結(jié)果。其中前12小時為模式物理過程的初始啟動時間，本文主要分析2019年8月8日00時—11日00時共96小時的結(jié)果。本文采用中國氣象局熱帶氣旋資料中心提供的臺風最佳路徑數(shù)據(jù)集來確定臺風“利奇馬”的路徑和強度，其中臺風最佳路徑數(shù)據(jù)中包含西太平洋熱帶氣旋逐3小時的位置和強度。

圖1 模擬區(qū)域設(shè)置

WRF模式中主要的物理過程包含：云微物理過程、積云對流過程、長波輻射、短波輻射、近地面層、陸面過程及邊界層物理過程等。各模擬試驗中除邊界層物理過程以外的其他物理過程設(shè)置均保持一致（詳細配置如表1所示），具體選擇為：WSM6[18]微物理參數(shù)化方案、Kain-Fritsch[19-20]積云對流參數(shù)化方案、RRTMG[21]長波和短波輻射方案、以及Noah[22]陸面過程方案，MYJ方案使用的表面層方案為MYJ Monin-Obukhov方案，而其它方案使用的表面層方案均為MM5 Monin-Obukhov方案。其中，積云對流參數(shù)化方案僅在分辨率為18 km的網(wǎng)格中使用。

表1 模式其它方案的設(shè)定

邊界層中參數(shù)化方案主要用于計算湍流引起的通量輸送，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，WRF模式中已有多種邊界層方案，他們分別是BouLac[23]、MYJ、MRF[24]、QNSE[25]、YSU[26]、ACM2[27]、UW[28]、以及Shin-Hong[29]等。按照是否局地閉合，這些方案可分為局地閉合方案(BouLac、MYJ、UW等)和非局地閉合方案(YSU、ACM2、Shin-Hong等)。局地閉合方案通過本格點處的信息對湍流通量進行參數(shù)化，而非局地閉合方案則同時使用了其他格點處的信息。其中，局地邊界層方案主要是建立湍流動能的預(yù)報方程，然后基于局地湍流動能計算湍流通量，認為局地湍流動能可以反映局地的湍流輸運；而非局地邊界層方案在計算湍流動能的過程中在依據(jù)局地氣象要素切變的基礎(chǔ)上加上了大渦的貢獻，認為局地信息不足以反映局地湍流輸運，而較大的渦旋也可以影響到湍流輸運。對于邊界層結(jié)構(gòu)的研究表明，在穩(wěn)定層結(jié)下局地閉合方案的模擬性能通常更好；而在不穩(wěn)定層結(jié)下，大渦結(jié)構(gòu)較易發(fā)展，非局地閉合方案考慮非局地大渦輸送，從而表現(xiàn)更優(yōu)[30]。鑒于局地閉合方案如MYJ和非局地閉合方案如YSU在臺風模擬中都是常用方案[31]，本文選取這兩種方案進行對比研究。另外，本文還選取了4種較常用的邊界層方案，包括局地閉合方案BouLac和UW，以及非局地方案ACM2和Shin-Hong，從而對這兩類方案進行更深入全面的對比分析。其中三種局地閉合方案均為1.5階閉合方案，通過預(yù)報湍流擾動動能（TKE）來解決湍流閉合問題；而三種非局地閉合方案均為1階閉合方案，通過K廓線來處理湍流閉合問題。通過對比這些不同邊界層方案模擬的結(jié)果，將有助于研究其對臺風路徑和強度的影響。表2是這六種邊界層參數(shù)化方案的主要特征。

表2 邊界層方案主要特征

3 結(jié) 果

3.1 不同邊界層方案模擬得到的臺風路徑

臺風“利奇馬”于2019年8月4日15時形成于菲律賓呂宋島以東的洋面上，隨后向西北偏北方向移動，8月7日05時加強為臺風，并在23時加強為超強臺風。10日02時在浙江省沿海登陸，登陸時中心附近最大風力達16級（52 m/s），中心最低氣壓為930 hPa。登陸后“利奇馬”的強度迅速減弱，并逐漸轉(zhuǎn)向偏北方向移動。11日12時前后，“利奇馬”從江蘇省連云港市附近出海，之后在山東省青島市沿海再次登陸，隨后進入到渤海海面后減弱為熱帶低壓，并逐漸消亡。

圖2是不同邊界層方案模擬的臺風路徑與實際觀測路徑的對比情況，模擬的臺風中心通過最低海平面氣壓的位置所確定。圖2顯示了模擬的臺風先偏西行然后轉(zhuǎn)向北行的路線。在模式積分60 h后，各邊界層方案模擬的臺風路徑開始逐漸偏離實際路徑。除MYJ方案模擬的路徑較實際路徑偏東北，其他模擬的臺風路徑均較實際路徑偏西南，且所有模擬的臺風移動速度比實況稍慢。

圖2 模擬的臺風路徑和觀測得到的最佳路徑

為定量比較不同邊界層方案對臺風路徑的影響，圖3列出了各試驗?zāi)M的臺風中心位置與對應(yīng)時刻實況位置之間距離的偏差和其平均值。由圖3可知BouLac、MYJ、UW、YSU、ACM2和SH方案96小時模擬的臺風路徑平均偏差分別為116.65 km、115.47 km、126.21 km、115.34 km、152.62 km、131.53 km。結(jié)合圖2和圖3，ACM2和UW方案模擬的路徑與實際偏差較大，而MYJ和YSU方案模擬的路徑較為準確，其中MYJ方案在模擬過程前期與實際路徑相近，登陸時路徑向東偏離，然后再與實際路徑相近。而方案YSU前期一直與實際路徑相近，在登陸后逐漸向西偏離。

圖3 不同邊界層方案與實況距離的偏差

3.2 不同邊界層方案模擬得到的臺風強度

圖4給出不同邊界層方案模擬的臺風中心海平面氣壓與實際臺風中心海平面氣壓的對比情況。從實際最低海平面氣壓來看，臺風“利奇馬”在西太平洋上開始加強，于8日12時達到最強，最低氣壓為915 hPa，之后臺風登陸浙江，強度開始減弱。由圖4中可以看出，各邊界層參數(shù)化方案都模擬出了臺風先增強后減弱的變化趨勢，但模擬的強度相差較大。在0～60小時之間，除方案UW模擬的臺風強度具有快速增強的特征外，其余方案模擬的臺風強度都較實況偏低且增強速度較實況偏慢；在80小時之后，除MYJ和YSU方案外，其余邊界層方案中的臺風中心氣壓比實況偏高，但是所有方案模擬的臺風強度減弱速度較實況偏慢。局地方案UW和非局地方案ACM2模擬的臺風強度誤差較大，其中局地方案UW模擬的臺風最強，達到了880 hPa，而非局地方案ACM2模擬的臺風最弱，只有935 hPa。從整個模擬過程可以發(fā)現(xiàn)，局地方案BouLac對臺風“利奇馬”強度的模擬最為接近實際強度，但最低氣壓出現(xiàn)的時間滯后15小時。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，最佳路徑數(shù)據(jù)的最大10 m風速先增大后減弱，并在8日12時達到最大值，為62 m/s。各邊界層方案模擬的最大10 m風速在初期都較實況偏小，但都能模擬出最大10 m風速先增大再減弱的趨勢。各個邊界層方案模擬的結(jié)果相差較大，除了方案BouLac和UW，其它方案模擬的最大10 m風速都比實況偏小。BouLac方案模擬的最大10 m風速數(shù)值與實況最為接近，當臺風達到最強時，其最大10 m風速為65 m/s，但同最低氣壓類似，最大10 m風速出現(xiàn)的時間滯后15小時。方案UW模擬的10 m風速最大，達到了69 m/s。

結(jié)合圖4和圖5可以看出，局地方案BouLac所模擬的臺風最大強度總體要比其它邊界層方案與實況更加接近，但其臺風增強時期比最佳路徑數(shù)據(jù)長，最低氣壓出現(xiàn)時間滯后最佳路徑數(shù)據(jù)15小時；局地方案UW模擬的臺風強度在8日03時之前較好地模擬了快速增強的過程，但到9日03時所達的最大強度與最佳路徑相比過強；而局地方案MYJ和非局地方案YSU、ACM2和SH在臺風增強時期低估臺風強度，但在9日00時之后的消散階段它們與最佳路徑數(shù)據(jù)十分接近。

圖4 模擬的最低海平面氣壓和觀測得到的最佳路徑氣壓之間的對比

圖5 模擬的最大10 m風速和觀測得到的最佳路徑風速的對比

3.3 不同邊界層方案模擬得到的臺風風場

切向風是臺風過程中主要環(huán)流，六組模擬試驗中局地方案BouLac和MYJ的切向風最大值約為65 m/s，局地方案UW出現(xiàn)了最大的切向風，最大值為75 m/s。非局地方案YSU和SH的切向風最大值為56 m/s，而非局地方案ACM2模擬的切向風最小，最大值為52 m/s左右。再結(jié)合圖4、圖5，可以發(fā)現(xiàn)試驗中切向風的強弱也與臺風的強度相一致，切向風速越大，方案模擬出的臺風強度就越強。在圖6中，六組試驗切向風速的風速半徑隨高度增加，并不斷向外傾斜。通過對六組試驗的切向風速分析，局地方案的切向風風速普遍要比非局地方案的大一些。局地方案UW的切向風速比其它五個方案大得多，而較大的切向風也會不斷加強臺風的能量，方案UW模擬的臺風強度也因此過強。

圖6 8月9日18時不同邊界層方案模擬的切向風速方位平均圖

由圖7看出，臺風中心以下沉運動為主，眼壁區(qū)有傾斜向上的運動，臺風的最大垂直上升速度主要分布在距臺風中心半徑50～70 km的位置。其中，局地方案BouLac的垂直上升速度較大，最大值在1.5 m/s左右，局地方案MYJ的最大垂直上升速度約為1.2 m/s。而局地方案UW在眼壁區(qū)有最大的垂直上升速度，最大值達到1.8 m/s。非局地方案YSU和ACM2的最大垂直上升速度約為1.3 m/s，非局地方案SH的垂直上升速度最小，最大只有1 m/s。垂直速度的強弱與切向風較為一致，較強的垂直速度對應(yīng)著較強的臺風切向風，反之亦然。

圖7 8月9日18時不同邊界層方案模擬的垂直風速方位平均圖

徑向風可呈現(xiàn)出臺風低層風流入和高層風流出的情況。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，氣流輻合主要出現(xiàn)在低層，局地方案BouLac和UW的流入氣流最大，達到了24 m/s。非局地方案YSU和ACM2的流入氣流為10 m/s，而局地方案MYJ和非局地方案SH的流入氣流最小，只有8 m/s左右的徑向風。由于臺風的上層輻散主要受到低層輻合和垂直上升速度的制約，結(jié)合圖6，可以發(fā)現(xiàn)局地方案BouLac和UW有較大的流入氣流和較強的垂直上升速度，因此局地方案BouLac在高層的流出氣流較大，徑向風速達到30 m/s，局地方案UW模擬的流出氣流也較大，徑向風速達到26 m/s。而局地方案MYJ和其它三種非局地方案低層輻合較弱，垂直上升速度較小，從而得到了較小的流出氣流，局地方案MYJ的徑向風速只有13 m/s，其它三種非局地方案流出氣流的徑向風速均在16 m/s?？赡苓@也是導致局地方案MYJ和其它非局地方案模擬的臺風強度較弱的原因之一。局地方案BouLac和UW模擬出的熱帶氣旋低層輻合和高層輻散最為顯著，垂直上升速度較大，因此它們的臺風強度也比其他方案要強。

圖8 8月9日18時不同邊界層方案模擬的徑向風速方位平均圖

3.4 不同邊界層方案模擬得到的地表通量

潛熱和感熱通量的傳輸是邊界層中的重要物理過程，以臺風中心為圓心，200 km為半徑做地表潛熱、感熱和動量通量的平均，其時間序列如圖9所示。結(jié)合圖9可以看出在模擬9 h后，六種邊界層方案模擬的地表通量開始出現(xiàn)差別，但都表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在登陸前地表通量均不斷增加，在登陸后其不斷減少，甚至六種方案的感熱通量出現(xiàn)了負值。無論是潛熱、感熱還是動量通量，局地方案UW都是最大的，然后是局地方案BouLac和MYJ，而三種非局地方案的地表通量都較小，這與各方案模擬的臺風強度較為一致。

圖9 以臺風中心為圓心，200 km為半徑的平均時間序列 a.地表潛熱通量；b.地表感熱通量；c.地表動量通量。

地表潛熱通量（Latent Heat Flux，LH）向上輸入臺風，是臺風能量的主要來源。從圖10可以看出，六組模擬試驗中洋面均有大量潛熱通量向上輸送，地表潛熱通量沿著臺風“利奇馬”中心呈非對稱氣旋式分布，其高值大多分布在“利奇馬”中心的右下方。臺風中心的潛熱通量為低值，潛熱通量由中心向外逐漸增強，一般在臺風云墻區(qū)，地表潛熱通量達到最大值。其中局地方案BouLac模擬的地表潛熱通量約為2 000 W/m2，局地方案MYJ約為1 800 W/m2，局地方案UW最大，高達2 600 W/m2。而非局地方案ACM2約為1 100 W/m2，非局地方案YSU和SH最小，約為850 W/m2。地表潛熱通量的大小和臺風強弱成正相關(guān)，潛熱輸送越大，臺風強度越強，反之，潛熱輸送越小，臺風強度越弱。

圖10 8月9日18時不同邊界層方案模擬的地表潛熱通量

地表感熱通量（Sensible Heat Flux，HFX）的空間分布特征與地表潛熱通量的分布特征相似（圖11）。感熱通量的數(shù)值有正有負，向上的感熱通量為正值，臺風區(qū)域附近為感熱通量的正值區(qū)，而臺風“利奇馬”中心的感熱通量最小，向外逐漸增大，在臺風云墻處達到最大。與潛熱通量不同的是感熱通量在數(shù)值上比潛熱通量小近一個量級，如局地方案BouLac和MYJ其最大感熱通量為250 W/m2，局地方案UW的最大值為330 W/m2。非局地方案ACM2約為220 W/m2，而非局地方案YSU和SH模擬的感熱通量最小，僅為120 W/m2。陸地上的感熱通量主要是負值，說明陸地上的感熱通量會降低臺風的能量，從而使得臺風登陸后強度不斷減弱。雖然臺風的感熱通量數(shù)值較小，但它可以維持臺風眼區(qū)周圍對流活動以及穩(wěn)定臺風暖心結(jié)構(gòu)，是臺風運動中不可或缺的過程。

圖11 8月9日18時不同邊界層方案模擬的地表感熱通量

邊界層中動量通量（Momentum Flux，τ）對臺風發(fā)生和發(fā)展過程也有非常重要的影響，6組模擬試驗的動量通量和其潛熱、感熱通量的空間分布基本一致（圖12）。由圖12看出，臺風“利奇馬”中心的動量通量明顯小于四周，主要是由于上升氣流出現(xiàn)在臺風的云墻區(qū)和雨帶區(qū)，而下沉氣流出現(xiàn)在臺風的眼區(qū)。比較6組試驗的動量通量可知，局地方案BouLac和MYJ為10 kg/(m·s2)，局地方案UW模擬的動量通量最強，最大值達到17 kg/(m·s2)，非局地案ACM2為8 kg/(m·s2)，而非局地方案YSU和SH模擬的動量通量最小，約為4 kg/(m·s2)。

綜上所述，地表通量越大的邊界層方案，通常臺風的強度也越強，特別是潛熱通量，與臺風強度密切相關(guān)。局地方案UW模擬的潛熱通量最大，臺風也是最強，其次是局地方案BouLac。而非局地方案YSU和SH模擬的潛熱最小，臺風強度也是最弱。

3.5 不同邊界層方案模擬得到的湍流擴散系數(shù)

熱量通量的湍流擴散系數(shù)則代表了湍流所引起的擴散強度。通過圖13可以看出局地方案BouLac的湍流擴散系數(shù)在所有方案中最大，其方位平均后的最大值為290 m2/s，局地方案MYJ的最大值約為160 m2/s，局地方案UW在270 m2/s左右。非局地方案ACM2的最大值為180 m2/s，而非局地方案YSU和SH的湍流擴散系數(shù)最小，最大湍流擴散系數(shù)約為150 m2/s。因此可以發(fā)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)中湍流擴散系數(shù)的大小特征與切向風、徑向風較為一致，即局地方案BouLac和UW的湍流擴散系數(shù)比其他方案更大。地表通量主要取決于表面層通量方案，但本次試驗中除局地方案MYJ采用的表面層方案是MYJ Monin-Obukhov方案，其它方案使用的表面層方案均為MM5 Monin-Obukhov方案，因此地表通量不僅僅取決于表面層方案，也可能與湍流擴散系數(shù)有關(guān)。而湍流擴散系數(shù)越大，湍流引起的擴散強度越強，進一步導致更大的地表通量，從而模擬得到更強的臺風強度；反之，則臺風強度較弱。

圖13 8月9日18時不同邊界層方案模擬的湍流擴散系數(shù)方位平均圖

4 結(jié) 論

使用美國高分辨率非靜力數(shù)值模式WRFV3.9.1，選取了六個邊界層參數(shù)化方案分別對南海臺風“利奇馬”進行了六組模擬試驗，其中三組是局地閉合方案(BouLac、MYJ、UW)，另外三組是非局地閉合方案(YSU、ACM2、SH)。并對模擬結(jié)果進行了對比分析，以及探討了不同邊界層參數(shù)化方案如何對臺風強度產(chǎn)生影響。

（1）邊界層參數(shù)化方案對臺風移動路徑影響較小，不同方案模擬的路徑平均偏差較為接近，但其對臺風強度有較大的影響。局地方案BouLac模擬的最低海平面氣壓和臺風中心附近最大10 m風速與中國臺風最佳路徑數(shù)據(jù)最為接近。局地方案UW模擬的臺風強度過強，與實況相差較大，而局地方案MYJ和三個非局地邊界層方案模擬的臺風強度偏弱。

（2）模擬的臺風強度大小與受邊界層方案直接影響的地表潛熱、感熱和動量通量有明顯的對應(yīng)關(guān)系。其中，地表潛熱通量越大，模擬的臺風強度也就越強。局地方案UW模擬的這些潛熱通量要比其他方案大得多，模擬的臺風強度也最強，局地方案BouLac次之。局地方案MYJ和非局地方案YSU、ACM2和SH模擬的潛熱通量較小，所以臺風強度也較弱。

（3）模擬的臺風強度與邊界層中的湍流擴散系數(shù)相關(guān)。湍流擴散系數(shù)越大，湍流引起的擴散強度越強，進一步導致更大的地表通量，從而模擬得到更強的臺風強度；反之，則臺風強度弱。當然這只是一個簡單的猜測，風速的變化、其他物理過程參數(shù)化的偏差等都會對湍流擴散系數(shù)和地表通量產(chǎn)生影響，因此在后續(xù)研究中，將需有針對性的逐一探討，從而使得模擬結(jié)果進一步接近觀測。此外，臺風強度也受到臺風結(jié)構(gòu)的影響，臺風的徑向風越大，臺風低層輻合越強，垂直上升速度越強，更易于臺風的增強。相比其他方案，局地方案UW和BouLac模擬的湍流擴散系數(shù)和徑向風更大，因此局地方案UW和BouLac強度較強。