9 km水平分辨率下KF積云對流參數化方案對臺風模擬的影響

鄔賢文,鄭運霞,劉 瓊,魏 煜,陳勇航,趙兵科

(1. 東華大學 環(huán)境科學與工程學院,上海 201620; 2. 中國氣象局上海臺風研究所,上海 200030; 3. 上海電氣風電集團股份有限公司,上海 200233)

0 引言

西北太平洋臺風事件頻繁發(fā)生,極端天氣逐年增加,導致了風暴潮、海浪等對沿海構筑物的侵蝕問題日益突出[1-2],造成了人員傷亡和巨大的經濟損失。根據《中國海洋災害公報》數據顯示,從2000—2018年,我國各種海洋災害造成的直接經濟損失為5 264億元,死亡(含失蹤)人口數為2 749人,而由臺風引發(fā)的風暴潮災害造成的經濟損失為2 005.1億元,占全部直接經濟損失的38.1%,造成死亡(含失蹤)人口占全部死亡人口數的30.4%,因此,要提前預防災害、減少災害造成的損失就要提高臺風數值預報的準確性。

目前臺風預報主要是采用數值模式,但是數值模式存在很大的不確定因素。其中,臺風路徑和強度的模擬誤差主要來自2個方面,一個是海洋大氣運動初始狀態(tài)的誤差,另一個是模式本身的誤差。模式中物理參數化方案的不確定性是影響臺風路徑和強度模擬精度的重要誤差原因[3]。數值模式中的物理參數化方案主要有積云對流參數化方案、邊界層參數化方案和微物理參數化方案。

積云對流是臺風形成過程中能量的主要來源和不可或缺的物理過程之一[4],在數值模擬中一般使用參數化的方法進行處理[5]。由于各類參數化的閉合假設不同,使用的模式分辨率范圍也有所不同[6]。在模擬時1～10 km的水平分辨率范圍內為使用積云對流參數的灰度帶,這是由于全球和區(qū)域氣候模型中傳統(tǒng)積云對流參數的許多假設在網格間距為1～10 km時不再有效[7-9],急需在業(yè)務中發(fā)展出適合分辨率小于10 km的積云對流參數化方案。10 km以下的模擬中是否使用積云對流參數化方案對模擬結果的影響還無法得到準確的結論[10],對于高分辨率而言(小于4 km),許多研究建議采用顯式對流,不依賴于積云參數化方案,但在某些強對流地區(qū),在5 ～ 10 km 的水平分辨率下考慮使用積云對流過程[11]。大量研究表明:提高模式的水平分辨率能有效提升地形環(huán)流、水陸差異、臺風、降水等模擬質量,這可能與高分辨率模擬的潛熱釋放有關[12]。在很多情況下,分辨率主要是影響上升氣流的模擬,從而影響水汽凝結或云水蒸發(fā)過程。在高分辨率(1 ～ 5 km)下,大部分深對流可以使用云微物理解決[13]。提高水平、垂直分辨率往往能更好地模擬中小尺度結構特征,并提高臺風模擬的強度[14-15]。因此,文中基于COAWST(coupled ocean atmophere wave sediment transport, COAWST)海氣耦合模式模擬南海地區(qū)臺風天氣,在模式雙向嵌套下討論9 km分辨率網格是否使用積云參數化方案對臺風模擬的影響,評估不同方案下其對臺風模擬路徑和強度的影響差異,為提高臺風強度和路徑預報水平提供參考。

1 研究區(qū)及數據源

1.1 模式及設置

COAWST耦合模式由WARNER等[16]開發(fā)維護,耦合模式包含了海洋模式ROMS(regional ocean modeling system, ROMS),大氣模式WRF(weather research &forcasting model, WRF),沉積物運輸模式CSTMS(community sediment transport modeling system, CSTMS),以及波浪模式SWAN(simulating waves nearshore, SWAN)等,模式之間通過MCT(model coupling toolkit, MCT)耦合器交換數據。文中僅耦合WRF與ROMS,MCT耦合器進行傳遞數據變量過程如圖1所示,大氣模式向海洋模式輸出水平風場、大氣壓、相對濕度、氣溫、云、降水、長波和短波輻射通量、感熱通量、潛熱通量,海洋模式向大氣模式輸送海表面溫度。

圖1 WRF和ROMS通過MCT傳遞變量Fig. 1 WRF and ROMS transfer variables through MCT

WRF模式采用NOAH陸面過程方案、Lin云微物理方案、YSU行星邊界層方案、RRTM長波輻射方案和Dudhia短波輻射方案,模式層頂設置為10 hPa,垂直分層為60層,網格d01、d02分辨率分別為9、3 km,網格數為960×759,618×390,WRF模式spin up時間定為24 h。ROMS模式設置表面控制參數theta_s=5,底部的控制參數theta_b=0.4,表面/底部延伸寬度Tcline=50,直變換方程Vtransform和垂直延伸Vtransform均采用原始方案,模式設置單層網格,網格數為451×281,模式水平分辨率為0.1°×0.1°,垂直層數設置為16層。

1.2 數據

WRF大氣模式采用ERA5(https://www.ecmwf.int)再分析資料驅動,ERA5是ECMWF第五代全球氣候再分析資料,文中采用平分辨率為0.25°×0.25°的地面和高空數據,數據時間間隔為6 h。ROMS海洋模式初始數據從全球海洋模式HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model, HYCOM)中獲取,該數據包括了溫鹽、水位、流速等,ROMS所需要的潮汐數據來自于全球潮汐調和數據庫OTPS(OSU Tidal Prediction Software, OTPS),地形數據采用了NGDC(National Geophysical Data Center, NGDC)發(fā)布的全球高程數據ETOP01。文中所使用的臺風路徑和強度數據來自于中國氣象局熱帶氣旋資料中心(http://tcdata.typhoon.org.cn)發(fā)布的最佳路徑數據[17-18]作為文中真值,數據包含臺風路徑、臺風中心附近最低氣壓以及最大風速,路徑數據分辨率為0.1°,因此,文中選用 9 km網格輸出結果作為模式結果對比。

1.3 模式方案以及研究區(qū)域

ROMS模式網格使用單層網格,分辨率為0.1°×0.1°,網格范圍為4°～32°N,105°～150°E。WRF模式使用2層嵌套網格,模式使用蘭伯特投影,中心經緯度位于南海北部,最外層為9 km分辨率,網格數為960×759,內層網格為3 km分辨率。由于KF積云對流參數在模擬臺風中能夠得到較好的副熱帶高壓環(huán)流和強度、以及較小的臺風路徑誤差和較強的臺風強度[19-21],因此,文中選用KF積云對流參數化方案。模擬方案設為2組,第1組為使用KF積云對流參數并嵌套高分辨率方案,記為控制方案;第2組同樣設置嵌套高分辨率,但不使用KF方案作為對照,記為無KF方案。將對照組模擬登陸廣東、海南地區(qū)的11個西行臺風得到共22個模擬結果。

2 誤差統(tǒng)計

為了統(tǒng)計不同方案模擬結果,采用均方根誤差RMSE計算模擬24 h之后的臺風路徑、最小海平面氣壓以及臺風中心附近最大風速的偏離程度。表1和表2分別展示了不同方案下臺風路徑以及強度的模擬偏差。同時為了量化不同方案對不同臺風個例的模擬表現,分別對臺風路徑、氣壓以及風速的誤差偏差劃分5類得分等級,劃分標準如表3所示。不同方案下對臺風模擬的優(yōu)良表現為臺風路徑、氣壓以及風速的得分總計, 表4為顯示不同方案下不同個例的得分情況。在11個個例中, 控制方案在得分超過無KF方案的個例有5個,另有5個個例得分相等,僅有1個個例得分低于無KF方案,因此可以明顯地看到控制方案在臺風模擬總體評分上明顯優(yōu)于無KF方案。同時, 從表1和表2的平均均方根誤差來看, 控制方案的路徑誤差明顯較小,但在強度誤差方面來看,2種方案模擬的臺風強度誤差相差并不大。因此,由于控制方案在臺風路徑的模擬上有較為明顯的優(yōu)勢,且在臺風強度方面與無KF方案類似,所以也可以認為控制方案在臺風模擬中表現最佳。接下來將在第3部分和第4部分分別討論控制方案與無KF方案在路徑和強度上對不同臺風個例的模擬差異。

表1 不同方案和個例的臺風路徑均方根誤差RMSETable 1 RMSE of typhoon tracks for different scenarios and individual cases

表2 不同方案和個例的強度均方根誤差RMSETable 2 Table 2RMSW of intenstity for different scenarios and individual cases

表3 得分及劃分標準Table 3 Scoring and classification criteria

表4 不同方案和個例的得分情況Table 4 Scores of different programs and individual cases

3 KF積云對流參數對路徑模擬的影響

將模擬結果對比最佳路徑來看,可以發(fā)現誤差結果可大致分為4類。第1類的2007號臺風,如圖2 (a)、 (e),由于控制方案與無KF方案模擬的副熱帶高壓差距較大,從路徑以及路徑誤差圖上可以看到無KF方案偏離最佳路徑較遠,造成臺風路徑在模擬中后期誤差較大, 而控制方案相對誤差更小; 從圖2可看到,1213號臺風以及1604號臺風為代表的第2類和第3類臺風均為控制方案副熱帶高壓模擬略強導致路徑相對南偏?？梢钥吹?213號臺風在2種方案下模擬路徑均向東北偏移,1604號臺風模擬的路徑則均向西南偏移。其他臺風模擬中類似1213號臺風模擬結果的還有1713號和1117號臺風,在控制方案下,模擬的1713號臺風的路徑誤差全程較小,同樣,1117號臺風在模擬中后期也有更小的誤差。而類似1604號臺風的模擬個例有1319號以及1311號臺風,無KF方案路徑誤差均在模擬中后期開始相對較小,從這些模擬個例中可以看出大多數控制方案與無KF方案模擬的路徑相對位置沒有改變,即控制方案路徑相對南偏于無KF方案;最后一類顯示控制方案與無KF方案模擬的臺風路徑類似,造成路徑誤差差異較小的如1622號臺風,如圖2(d)、(h),2種方案路徑以及路徑誤差基本接近,類似的臺風模擬結果還有1522號臺風,以及1822號臺風。因此,從這些例子可以認為2個方案模擬的路徑差異特點比較明顯,與最佳路徑比較可以看出大部分控制方案模擬的結果誤差較小。

圖2 2種方案模擬的臺風路徑及誤差Fig. 2 Typhoon tracks and track errors simulated by the two scenarios

西太平洋臺風路徑主要受到西北太平洋副熱帶高壓以及引導氣流的影響。臺風沿著高壓外圍移動,當副熱帶高壓強度較高,并且呈現東西帶狀時,位于其南側的臺風能夠較為穩(wěn)定地向西行[22]。由于在9 km分辨率下控制方案和無KF方案在模擬臺風路徑中主要產生了3種差異,文中將通過對比模擬的副熱帶高壓和引導氣流的差異來對臺風移動路徑的差異做出討論分析。其中路徑模擬差異最大的為2007號臺風,相比控制方案模擬結果,無KF方案路徑在模擬中后期出現明顯向南偏移,嚴重偏離最佳路徑。其次,路徑差異較小如1213號臺風,控制方案路徑模擬稍偏南,在所有模擬中共有7個個例出現類似結果,占比最大。最后一類為兩種方案模擬的路徑相近,共有3例,如1822號臺風。

圖3為2007、1213、1822號臺風模擬的臺風路徑和第48小時的臺風中心及588線。圖4為控制方案與無KF方案下模擬的500 hPa高度下的風場以及588線代表的副熱帶高壓?？梢詮娘L場看到,臺風中心緊挨著副熱帶高壓西南側,主要受到東風氣流引導。2007號臺風在模擬中后期由于控制方案模擬的副熱帶高壓范圍在南海區(qū)域范圍更廣,與其他研究類似[23],副熱帶高壓強弱不同導致臺風與副熱帶高壓邊緣風場氣流出現明顯差異,控制方案引導流入的風速較偏北,這也是促使二者模擬臺風路徑差異的原因之一。同時無KF方案副熱帶高壓在陸地上模擬結果相對較強,范圍較廣,導致臺風南偏,這也同樣預示著48 h后臺風路徑的持續(xù)差異。

圖3 2種方案的臺風路徑以及第48小時的臺風中心和588線Fig. 3 Typhoon tracks for both scenarios and the typhoon center and 588 line for the 48 th hour

控制方案與無KF方案下模擬1213號臺風的路徑差距較小,可以很明顯地看到KF方案模擬的副熱帶高壓范圍略強,如圖3(b)中南海部分以及廣東廣西地區(qū)和南海地區(qū)紅藍虛線范圍。在500 hPa風場圖上可以看到,二者的風場環(huán)流形勢比較接近,因此,臺風路徑差異可能主要由路徑右前方模擬的副熱帶高壓位置決定,副熱帶高壓范圍較大、強度偏強、臺風的路徑就也隨之偏南。

從1822號臺風模擬個例的路徑結果上看,圖3(c)展示的模擬路徑差異很小,對比圖4(c)、(f)來看,東風氣流差距很小,588線范圍也十分相似,因此氣流和副熱帶高壓模擬差異很小,導致臺風路徑沒有相對明顯的差異。

圖4 2種方案在第48小時的500 hPa高度風場以及588線Fig. 4 500 hPa height wind field and 588 line for both scenarios at the 48th hour moment,wind speed unit

總的來說,積云對流參數化方案可以通過模擬臺風的副熱帶高壓強度、范圍來影響臺風的移動路徑。與臺風接近的588線也可能通過影響臺風吸入的氣流方向來影響臺風的移動,而西行臺風基本沿著副熱帶高壓南緣移動,因此,臺風路徑右前方的副熱帶高壓西南邊緣是影響臺風移動的主要因素?？偟膩碚f,可以確定在9 km分辨率下,控制方案模擬的副熱帶高壓相對更強,導致模擬的臺風路徑較為南偏。

4 KF積云對流參數對強度模擬的影響

在模擬結果中,采用控制方案和無KF方案模擬的臺風強度發(fā)展趨勢基本一致,其中存在兩者方案的臺風模擬強度幾乎近似的情況,如1311和1319號臺風。也存在兩者強度誤差均過大的情況,如1319、1522以及2007號臺風,因此下文將不再對上述4個個例進行歸類,將剩下的7例模擬結果進行分析,得到的差異基本可以分為3類。第1類表現為控制方案在臺風發(fā)展和成熟階段模擬的強度均相對偏大,如圖5(a)～(d)所示為1415號臺風,從海平面最小氣壓以及10 m最大風速模擬情況和誤差大小可以看到,采用控制方案的風速和氣壓更強,無KF方案在42 h之前模擬強度一直低于最佳路徑以及控制方案,而控制方案在30 h后基本達到最佳路徑強度,在42～54 h內無論是在氣壓還是風速方面,均強于最佳路徑和無KF方案。從誤差上來看,控制方案在風速模擬方面明顯優(yōu)于無KF方案,但在氣壓方面,控制方案在臺風成熟階段以及臺風消散階段模擬的強度偏強,從而造成模擬誤差略大。

假相當位溫θse是一個將溫度、氣濕度涵蓋在一起的綜合物理量,它代表氣塊干絕熱上升過程中將所有水汽凝結后釋放潛熱加熱空氣后再干絕熱下降到1 000 hPa時具有的溫度。采用BOLTON[24]給出的計算公式得到θse,可利用θse隨垂直高度的變化來判斷對流不穩(wěn)定[25-26],θse隨高度的增加而減小表示對流不穩(wěn)定,反之則為對流穩(wěn)定,θse隨高度變化不變時為對流中性,文中θse為臺風內核區(qū)(距臺風中心111 km)的平均值。從圖5(e)、(f)中可以看到二者在42 h以及48 h下對流不穩(wěn)定的高度接近,但控制方案在對流層中模擬的臺風中心θse均偏高于無KF方案,同時也可以看到圖6中控制方案模擬的對流層低層下臺風眼壁垂直速度在36 h后風速略強于無KF方案,這些導致控制方案在對流不穩(wěn)定的對流層中下層向上帶入的潛熱較多,能夠更好地維持臺風的強度。這可以解釋為什么控制方案的強度相對無KF方案更強。

圖5 1415號臺風強度以及在42 h和48 h下臺風內核區(qū)平均假相當位溫Fig. 5 Typhoon 1415 intensity and error and the average pseudo-equivalent temperature in the inner core of the typhoon at 42 hours and 48 hours

圖6 1415號臺風在800 hPa高度臺風方位角平均垂直速度Fig. 6 Typhoon 1415 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

從1415號臺風模擬結果可以認為控制方案得到的臺風強度誤差較小,類似情況還有1622號以及1822號臺風,這2個個例在2種方案下模擬的強度相比最佳路徑強度略偏弱,并且模擬θse的差異不明顯,但控制方案在對流層低層模擬的臺風眼壁垂直風速略微偏強,導致臺風強度在模擬中略微較強,因此控制方案誤差偏小。而也有出現2種方案模擬強度均偏強于最佳數據的情況,但由于控制方案模擬的臺風強度明顯偏強,導致模擬的強度誤差較大,如1117號臺風。

第2類情況表現為控制方案在模擬臺風發(fā)展階段的強度較強,但在臺風成熟階段強度明顯減弱。如圖7,以1213號臺風為例,控制方案在臺風發(fā)展階段模擬的氣壓和風速在臺風發(fā)展階段差異很小,誤差也比較接近,控制方案在24 h開始后強度略強于最佳路徑和無KF方案,但是當模擬達到42 h左右的臺風成熟階段,控制方案臺風強度明顯不再增強,而無KF方案模擬的臺風在42 h后依舊發(fā)展,強度逐漸接近并達到最佳路徑臺風強度。從圖7(e)、(f)的第42 小時可以看到控制方案的對流不穩(wěn)定高度僅僅只達到了650 hPa,而無KF方案則達到了550 hPa,第48 小時下控制方案在900～800 hPa高度間出現明顯的對流穩(wěn)定。同時對比圖8在2種方案模擬下得到的臺風眼壁垂直風速,無KF方案大約在42 h后模擬的垂直速度明顯較強,這都表明控制方案在模擬臺風成熟階段中可能在對流層中低層出現部分范圍的對流穩(wěn)定,從而抑制臺風眼壁的垂直速度,進而抑制臺風強度的發(fā)展,同時無KF方案在對流中低層模擬較強的垂直風速導致向對流中上層帶入更多的潛熱,使之模擬出更高的暖心和更強的臺風。從模擬結果上看,2種方案誤差表現接近,但無KF方案在臺風成熟階段模擬的表現較好,而類似的模擬情況還有1604號臺風。

圖7 1213號臺風強度以及42 h和48 h下臺風內核區(qū)平均假相當位溫Fig. 7 Typhoon 1213 intensity and error and the average pseudo-equivalent temperature in the inner core of the typhoon at 42 hours and 48 hours

圖8 1213號臺風的在800 hPa高度臺風方位角平均垂直速度Fig. 8 Typhoon 1213 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

最后一類情況為無KF方案模擬強度明顯強于控制方案,如圖9,1713號臺風與其他個例模擬結果明顯不同,無KF方案在這個個例中模擬的強度無論在風速還是在氣壓上均明顯強于控制方案,從誤差上來看,只有無KF方案在臺風最大強度模擬達到了最佳路徑的最小氣壓,但在臺風發(fā)展和消散階段的強度誤差均明顯較大。在風速模擬上,無KF方案模擬強度明顯過強,誤差明顯過大,而控制方案明顯誤差更小。從圖9的2種方案模擬θse上看到二者的臺風暖心以及對流不穩(wěn)定高度基本一致,而圖10無KF方案在對流低層模擬的垂直速度在3 h之后出現明顯偏大于控制方案,這導致無KF方案在對流不穩(wěn)定的對流中下層向上帶入的潛熱更多,同時模擬的10 m風速誤差也是從這個時刻開始加大,因此,無KF方案在對流低層模擬過高的垂直速度應該是造成明顯誤差的原因。

圖9 1713號臺風強度、誤差以及42 h和48 h下臺風內核區(qū)平均假相當位溫Fig. 9 Typhoon 1713 intensity and error and the average pseudo-equivalent temperature in the inner core of the typhoon at 42 hours and 48 hours

圖10 1713號臺風的在800 hPa高度的臺風方位角平均垂直速度Fig. 10 Typhoon 1713 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

總的來說,臺風強度與臺風內核區(qū)對流不穩(wěn)定以及對流低層的垂直速度有明顯的關系,不同方案下模擬的臺風內核區(qū)對流不穩(wěn)定高度差異雖然不大,但對流層低層臺風眼壁垂直風速在不同方案以及不同臺風個例模擬中出現不同的相對強弱表現。在與最佳路徑的強度對比中并沒有出現明顯偏好于某個方案的結論。

5 結論

文中使用COAWST海氣耦合模式通過模擬登陸廣東、海南的11個西行臺風,分析9 km分辨率下是否使用KF方案對臺風路徑及強度的模擬情況。主要結論如下:

1)為了綜合評判模擬結果,利用中國氣象局熱帶氣旋資料中心對比模擬24 h后的臺風路徑和強度結果,通過RMSE計算并將模擬結果在路徑、強度方面的誤差劃分為5個得分等級,通過每個臺風個例在不同方案下的得分情況可知,控制方案有5個個例綜合表現情況較優(yōu),還有5個個例與無KF方案的結果持平,僅有1個個例表現劣于無KF方案,使用控制方案模擬結果總體較優(yōu)。因此,建議在模式9 km水平分辨率下模擬南海地區(qū)西行臺風中使用KF積云對流參數化方案。

2)對比路徑誤差來看,雖然是否使用KF參數在不同個例上的總體表現差異并不是很大,比如控制方案模擬路徑得到結果較好的個例占5/11,比例接近一半,但平均11個個例中的RMSE得到的誤差更小,可以認為在9 km水平分辨率下使用KF方案能夠更好地模擬臺風路徑。相比無KF方案,控制方案模擬的副熱帶高壓強度偏強造成臺風路徑相對南偏。

3)從強度誤差來看,是否使用KF方案模擬臺風中心附近的海平面最小氣壓平均RMSE的差異很小,但控制方案在模擬臺風中心附近10 m風速的平均RMSE上明顯更小,可以認為在9 km分辨率下,使用KF積云對流參數化方案模擬的臺風強度誤差較小。從模擬結果中發(fā)現,2種方案下得到的臺風內核區(qū)的對流不穩(wěn)定高度十分接近,臺風強度與對流層低層的臺風眼壁垂直速度相關,臺風眼壁垂直速度越大,臺風強度越強。