不同参数化方案试验对南黄海典型台风中心 最低气压和最大风速数值模拟影响❋

陈子健， 陈学恩， 刘 涛

(中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100)

台风模拟主要有两种途径：一是通过数学模型，利用台风实测数据将风场和气压场刻画出来；二是通过数值模式对台风初始场进行时间积分获得台风风场和气压场来实现。对后者来说， Weather Research and Forecasting Model(WRF)中尺度气象模式是目前重要的模拟手段。

林惠娟等[1]通过WRF模拟台风路径以及强度发现，当微物理方案选用Lin等[2]方案(Lin方案)和WRF Single-Moment 6-class方案[3](WSM6类方案)配合Betts-Miller-Janjic积云对流方案[4-5](BMJ方案)时，所得副热带高压位置的演变与真实情况下副高的位置更为贴切。刘祥宇[6]在对东海区台风参数化方案组合的敏感性试验中，发现边界层方案选择Mellor-Yamada-Janjic方案[7](MYJ方案)，积云对流参方案选择Kain-Fritsch scheme方案[8](KF方案)时，模拟大尺度环流效果最佳；当积云对流方案选择KF方案，而边界层方案选择Yonsei University方案[9](YSU方案)时，有利于模拟强度“迅速增强”类的台风。

目前，对于中国近海台风过程的模拟研究多关注东海和南海区域，但对南黄海区域台风的数值模拟研究尚未见诸文献。因此，有必要对南黄海台风的数值模拟开展参数化方案组合的研究，为预报和研究南黄海区域台风及其所引起的风暴潮等灾害提供参考和借鉴。

由于气象模式对台风的模拟比较依赖初始背景场资料以及参数化方案的选取，因此，本文将选择WRF模式中不同参数化物理方案进行模拟，得到适用于南黄海台风模拟的最优的参数化方案组合。

1 WRF模式参数设置

1.1 数据资料及台风个例选取

D.Carvalho等[10]提出WRF模式在使用不同的再分析资料作为初始场模拟风场和评估风能资源时，era-interim数据资料能提供最接近实际和最可靠的初始场和边界条件。因此本论文采用欧洲气象中心的era-interim数据资料(空间分辨率为0.25°×0.25°)作为WRF模式的驱动资料，数据共包含28个垂直空间层(包括地面层)，数据共含1天4个时间段：00时、06时、12时、18时；数据包含的变量参数有温度、各层风场、位势高度、相对湿度、海平面气压场等；实测数据取自中国气象局热带气旋资料中心发布的CMA热带气旋最佳路径数据集[11](China Meteorological Administration热带气旋最佳路径数据集)[注]http://tcdata.typhoon.org.cn/，其中包含台风的经纬度坐标，中心最低气压以及中心最大风速。

本文所选的典型台风个例来自1949—2016年的CMA热带气旋最佳路径数据集。利用数据集提供的热带气旋最佳路径，参考《山东省灾害性天气预报技术手册》[12]中对台风路径的分类标准，对 1949—2016 年经过南黄海及其邻近海域的91 个台风进行路径分类。根据台风是否登陆我国可将其划分为近海型和登陆型两大类，而后根据台风的转向点或登陆点位置进一步划分为转向型或北上型。其中最常见的类型是登陆转向型和近海北上型路径，前者占总数的31.9%， 后者占总数的19.8%。 其路径特点如下：

1.1.1 登陆转向型 该路径的台风自源地向西北方向移动，在我国东南部沿海一带登陆，登陆后不久转向东北方移动，其转向点大多位于30°N 以南(见图1(a))。该类台风中依照路径典型性和强度优先的原则，选取台风“灿鸿”(201509)作为研究个例，研究时段为2015年7月9日00时—12日18时(UTC+8，北京时)共90 h。

1.1.2 近海北上型 该路径的台风源地偏东，在125°E以西沿海北上，至30°N 以北转东北方向移动，在朝鲜半岛登陆(见图1(b))。从这类台风中依照路径典型性和强度优先的原则，选取“梅花”(201109)作为研究个例，研究时段为2011年8月5日00时—8日18时(UTC+8，北京时)共90 h，在该时间段内台风“梅花”的路径由中国东海区域进入黄海区域北上，在朝鲜西北部沿海登陆且消亡，是较典型的近海北上型台风，因此选取该台风作为研究对象。

(其中红色路径为台风“灿鸿”(a)和台风“梅花”(b)。The red paths are from typhoon “Chan-Hom” (a) and typhoon ”Mui-Fa”(b).)图1 登陆转向型台风(a)，近海北上型台风(b)

1.2 模式设置

WRF模式的模拟采用二重嵌套的网格区域(见图2)。外层网格(d01)分辨率为29.9 km×29.9 km，格点数为125×99；网格分辨率使用1∶5的降尺度比例对内层(d02)黄海区域(30.0°N～42.0°N，117.6°E～127.7°E)进行加密，以获得更加精细的台风风场和气压场数据。内层网格分辨率为5.98 km×5.98 km，网格数为161×221；地图投影选用Mercator投影方案。

不同参数化方案的选取对WRF模式风场和气压场的模拟效果影响很大，结合刘祥宇[6]和林惠娟等[1]的研究，本文主要考虑如下物理参数化方案：

1.2.1 微物理参数化方案(mp_physics)为以下两种：

WRF Single-Moment 6-class微物理方案[3]：该方案是对冰晶、雪还有霰过程的描述，适用于高分辨率的网格模拟中，该方案通过改进WSM3方案和WSM5方案，在原有基础上加入霰过程，改进高层云量和冰晶下落的重力过程的计算方法等而提出。

Lin等微物理方案[2]：该方案包含水汽、云水、冰晶、雨水、雪还有霰过程描述的精细化的参数化方案，适用于高分辨率网格中的实时数据的模拟，该过程中>在当温度达到结冰点后云层将会结成冰晶，雨水会转化为雪。

(d01区域的经纬度范围：19.0°N～46.0°N、107.0°E～147.5°E；d02区域的经纬度范围：30.0°N～42.0°N、117.6°E～127.7°E。The latitude and longitude of the d01 area is 19.0°N～46.0°N, 107.0°E～147.5°E and the latitude and longitude of the d02 area is 30.0°N～42.0°N, 117.6°E～127.7°E.)

图2 WRF模式模拟区域

Fig.2 WRF modeling domains

1.2.2 边界层方案(bl_pbl_physics)为以下两种：

Yonsei University边界层方案[9]：该方案是在原有的MRF边界层方案的基础上进行改进得来，考虑了风温廓线中夹卷作用对热量输运的影响。

Mellor-Yamada-Janjic边界层方案[7]：该方案是使用局部垂向混合的一维湍动能方法(TKE闭合方案的一类)，即使用Mellor-Yamada的2.5阶湍流闭合模式来使湍动能方程闭合，以此描述边界层内的湍流运动。

1.2.3 积云对流参数化方案(cu_physics)为以下两种：

新Kain-Fritsch scheme方案[8]：该方案是在旧KF方案上改进得来，基于一个包含描述水汽对流运动的云模式下，考虑水汽上下运动以及相应微物理过程对云的影响。

Betts-Miller-Janjic方案[4-5]：该方案是通过对流中明显的温湿结构来判断对流运动的存在，通过引入积云效率变化的概念来调整深对流的特征廓线以及松弛时间[13]。

对上述三类6种参数化方案的不同组合进行分析，最终选择八种组合方案进行对比研究(见表1)，WRF模式的其他选项设置见表2。

2 模拟结果分析

2.1 台风中心最低气压模拟结果分析

将8种不同的参数化方案组合模拟出的台风中心最低气压与台风的实测中心最低气压进行对比分析，图3(a)，3(b)分别表示台风“灿鸿”(201509)和台风“梅花”(201109)各时次中心最低气压随时间变化情况；图4为不同参数化方案组合模拟结果与实测值每一时刻误差的绝对值平均；表 3是台风“灿鸿”在各参数化组合方案情况下中心最低气压随时间变化的相关性分析。

表1 数值模拟实验的各类方案组合设置Table 1 The combining schemes of the numerical experiments

Note：①Scheme name；②Microphysics scheme；③Boundary layer scheme；④Cumulus scheme

表2 WRF模式选项设置

Note:①Mode option；②Domain resolution；③Time integration；④Longware radiation scheme；⑤Short wave radiation scheme；⑥Land surface process

结合图3(a)和表4可以看出，台风个例“灿鸿”的中心最低气压模拟结果中，Scheme 1与Scheme 5这两个方案的模拟结果的相关系数高达0.993，而从图3(b)以及表5台风个例“梅花”的中心最低气压模拟结果中，这两个方案的相关系数高达0.994；同样的Scheme 2与Scheme 6、Scheme 3与Scheme 7、Scheme 4与Scheme 8这三组中心最低气压随时间的变化曲线也有同样的特点，每组的相关系数都超过0.99，相关程度十分高。这四组组合方案中，每一组的两个方案都采用不同的微物理参数化方案，而都采用相同的积云对流方案和边界层参数化方案。因此可以发现WSM6类微物理方案和Lin微物理方案对模拟台风的中心最低气压影响不大，模拟台风中心气压对不同的积云方案以及边界层方案较为敏感。

(黑色实线代表观测数据；彩色虚线代表八种不同参数化方案组合的模拟结果。The black solid line is from the best-track observation；The colored dashed line is from the simulation of 8 schemes. )

图3 台风“灿鸿”(a)，“梅花”(b)8种参数化方案组合模拟结果与实测值最低气压对比图

Fig.3 Comparison of simulation of central pressure of the typhoon Chan-Hom (a), typhoon Mui-Fa (b), and CMA best track data

图4 台风“灿鸿”(a)，“梅花”(b)八种参数化方案组合模拟结果中心最低气压误差

组合名称NameScheme 1Scheme 2Scheme 3Scheme 4Scheme 5Scheme 6Scheme 7Scheme 8Scheme 11.000 -0.073 0.365 -0.185 0.993 0.035 0.336 -0.191 Scheme 2-0.073 1.000 0.819 0.991 -0.055 0.992 0.820 0.987 Scheme 30.365 0.819 1.000 0.751 0.390 0.852 0.997 0.753 Scheme 4-0.185 0.991 0.751 1.000 -0.169 0.970 0.754 0.998 Scheme 50.993 -0.055 0.390 -0.169 1.000 0.050 0.364 -0.175 Scheme 60.035 0.992 0.852 0.970 0.050 1.000 0.849 0.963 Scheme 70.336 0.820 0.997 0.754 0.364 0.849 1.000 0.757 Scheme 8-0.191 0.987 0.753 0.998 -0.175 0.963 0.757 1.000

表4 台风“梅花”各参数化组合方案模拟中心最低气压随时间变化曲线相关性分析

在图3(a)以及图4(a)中，各组合方案的模拟趋势均与观测数据大致相同，其中scheme 1和scheme 5这两组方案的对于台风“灿鸿”模拟结果与实测数据最为接近，与实测值单时刻平均误差值分别为9.859和9.417 hPa；在图3(b)及图4(b)中，各组合方案对于台风“梅花”中心最低气压模拟在前48个时刻的趋势均与实测数据相差较大，scheme 3和scheme 7模拟的单时刻平均误差模较小，仅为9.217和9.029 hPa。因此scheme 7对于台风“梅花”的中心最低气压模拟效果在所有方案中误差最小，但整体趋势与实测值仍有较大偏差，导致这一现象的原因可能与提供给模式初始场资料的准确性有关，数据中包含的各层风场及位势高度场等变量参数与实际台风强度出现误差，造成了台风“梅花”中心最低气压的模拟结果在前48个时刻与实际观测资料不符。

2.2 台风最大风速模拟结果分析

将CMA热带气旋最佳路径数据集中的台风中心最大风速与8种参数化方案组合所模拟的台风中心最大风速进行对比分析，找出模拟效果最佳的参数化组合。其中，模拟台风中心最大风速数据选用地面10 m模拟风场的近台风中心最大风速。

图5 台风“灿鸿”(a)、“梅花”(b)八种参数化方案组合模拟结果与实测值最大风速对比图

图6 台风“灿鸿”(a)，“梅花”(b)8种参数化方案组合模拟结果中心最大风速误差

组合名称NameScheme 1Scheme 2Scheme 3Scheme 4Scheme 5Scheme 6Scheme 7Scheme 8Scheme 11.000 0.927 0.954 0.937 0.996 0.935 0.960 0.929 Scheme 20.927 1.000 0.960 0.975 0.924 0.978 0.962 0.974 Scheme 30.954 0.960 1.000 0.982 0.948 0.941 0.997 0.988 Scheme 40.937 0.975 0.982 1.000 0.938 0.968 0.982 0.991 Scheme 50.996 0.924 0.948 0.938 1.000 0.938 0.956 0.927 Scheme 60.935 0.978 0.941 0.968 0.938 1.000 0.945 0.958 Scheme 70.960 0.962 0.997 0.982 0.956 0.945 1.000 0.984 Scheme 80.929 0.974 0.988 0.991 0.927 0.958 0.984 1.000

表6 台风“梅花”各参数化组合方案模拟中心最大风速随时间变化曲线相关性分析

在图5(a)和5(b)中，对于微物理参数化方案不同的两种组合方案(Scheme 1和Scheme 5、Scheme 2和Scheme 6、Scheme 3和Scheme 7、Scheme 4和Scheme 8)，模拟的最大风速曲线结果十分相近。表6和7选用不同的微物理方案模拟的结果相关性均超过0.94，部分高达0.99。因此微物理方案的选择对台风中心最大风速的模拟结果影响不大，主要受不同边界层方案和积云对流方案的影响。

在图5(a)和图6(a)模拟台风“灿鸿”的最大风速曲线对比中，各组实验方案对于最大风速的模拟与实测值的变化趋势大致相同，但是强度上远远达不到实测值最大风速的56 m/s，实验模拟结果中，scheme 1和scheme 5的模拟结果与实测值对比误差较小，单时刻平均误差分别为10.890和10.803 m/s，最大风速能达到38 m/s，因此选用YSU边界层方案以及KF积云对流方案对台风“灿鸿”的最大风速模拟结果较为理想。

在图5(b)和图6(b)模拟台风“梅花”的最大风速曲线对比中，各组实验模拟方案存在与上小节类似的问题，在前30个时刻的模拟中，各组模拟结果趋势与实测结果相差较大，实测台风最大风速由40 m/s的强度逐渐减弱，而模拟结果的强度逐渐增强至第30个时刻后逐渐减弱，第30个时刻后，各组实验方案模拟结果与实测值较为接近，这一误差产生的原因可能是由于初始场数据没有包含准确的台风信息以及模式存在缺陷，因此导致最大风速的趋势与实测值不符。其中scheme 1与scheme 5两组实验方案的平均单时刻模拟误差分别为4.610和4.767 m/s，模拟效果比其他实验方案好，与模拟台风“灿鸿”的最大风速结论一致。因此在模拟过南黄海典型台风时，选用YSU边界层方案以及KF积云对流方案能较好地刻画台风最大风速，同时要确保初始场中包含一定的台风信息，以避免误差较大的情况出现。

3 结论

本文主要探究不同参数化方案组合对南黄海典型台风的中心最低气压和最大风速模拟结果的影响，通过与实测数据进行对比分析，得出以下主要结论：

(1) 不同微物理方案对模拟台风海平面最低气压以及近地面10 m风场的近台风中心最大风速影响较小。

(2) 当边界层方案选用YSU方案，积云对流方案选用KF方案时，模拟台风中心最低气压以及近台风中心最大风速与实测值较为接近，所模拟的台风中心最低气压以及最大风速效果最好。因此在使用WRF模拟研究南黄海区域典型台风的中心最大风速和最低气压时，选用YSU边界层方案和KF积云方案的组合能比本文试验的其他组合获得更好的模拟效果。