物理方案不同组合对双台风影响的数值试验

张晓慧 朱名名 郑莹

摘  要：本文采用中尺度WRF模式对2013年双台风“Fitow”和“Danas”进行了不同参数化方案敏感性试验，研究结果表明Kessler微物理方案和Kain-Fritsch积云参数化方案的组合对台风路径模拟效果最好;YSU边界层方案与Kain-Fritsch积云参数化方案的组合对台风强度模拟效果最好;综合分析物理过程中的Kessler方案、Kain-Fritsch方案和YSU方案是最佳的組合，主要是对直接影响双台风路径、强度的西太平洋副热带高压和西风带槽脊的位置和强度模拟效果好。

关键词：数值模拟;WRF模式;双台风;物理方案

1 概述

两个台风靠近时它们的路径、强度等都会收到彼此的影响，早在1923年Fujiharal[1]就通过一系列的涡旋实验及观测发现两个接近的水旋涡绕着两者连线的中心互相旋转。1979年曾庆存[2]则从大气动力学理论上研究了两个大气涡旋的相互作用以及其移动方式。王玉清等[3]采用正压无辐散模式模拟发现两个同等强度的涡旋“合并”后体现了西北向的平移，而不同强度的两个涡旋“合并”后体现了陀螺运动和平移相叠加的形态，这与实际中双台风的相互作用表现类似。张晓慧等[4-5]采用集合变分混合同化的方法研究了台风Fitow（1324）登陆前、后的强度变化与台风Danas（1323）相连的水汽输送通道的变化、相互作用等直接相关。陈德辉等[6]研究发现对模式物理过程参数化方案改进后能明显提高台风路径和强度的预报效果。Li 等[7]发现边界层参数化方案对飓风的早期发展非常敏感。所以有必要进行单独个例分析和研究，这样有助于改进双台风的天气预报水平，。，对具有自身明显特点和造成较大灾害的，更是如此。

本文采用中尺度数值模式WRFV3.3，物理过程则使用三种微物理方案，三种边界层方案和三种积云对流参数化方案的不同组合配置，来讨论对双台风“菲特”（Fitow）和“丹娜丝”（Danas）的路径、强度和降水模拟的影响，以揭示 WRF 模式中物理过程的组合配置方案在该双台风模拟中的作用，也为集合预报中各物理集合成员的选取打下基础。

2 本文双台风简介

双台风中的1323号台风“Fitow”于2013年9月30日12时开始编号（热带风暴级）后，路径沿西北偏北方向移动，10月04日08时“Fitow”（强台风级）转向西北偏西方向移动（此时“Danas”编号后2h），10月6日15时强台风“Fitow”登陆福建福鼎市沙埕镇，登陆后路径稍向南折。“Danas”生成编号到10月6日15时“Fitow”登陆时，“Danas”一直沿西北方向移动，10月7日18时转折北上，10月8日00时由向北运动转为向东北方向移动（图1）。

3 所用资料和数值模拟方案设计

本文采用的数值模拟模式为非静力的中尺度数值模式WRF。为揭示不同参数化方案对双台风模拟的影响，利用WRF模式中自带的三种微物理参数化方案、三种边界层参数化方案以及三种积云对流参数化方案（在表1和下文中分别简称为微物理（方案）、边界层（方案）、积云（方案））的不同的组合，设计了27组试验，具体见表1。模拟初始场和侧边界条件采用1°× 1°的FNL （ Final Global Data Assimilation System） 再分析资料，时间间隔为6h，垂直方向26层，模式水平格距为30km，格点数为200×120，垂直方向分为28层，模式层顶为50hPa，时间步长为120s，模拟时段为：2013年10月04日00时（世界时，以下同）至2013年10月07日00时。

4 数值模拟结果分析

4.1对台风路径的影响

为揭示微物理过程对双台风路径模拟的影响，在固定边界层和积云方案后，对微物理过程选用Kessler方案较Lin方案和Ferrier方案模拟的误差小。Kessler微物理方案是暖云方案，主要考虑雨水的产生、降落以及蒸发，云水的凝结等过程，而Lin/Ferrier方案部分的考虑了云冰等冷云过程。此次数值模拟过程中Kessler优于Lin/Ferrier方案，这说明对低纬台风30Km分辨率的模拟，考虑冷云过程并不一定能提高预报效果。

固定微物理方案和边界层方案，积云方案选用Kain-Fritsch则要较Betts-Miller-Janjic 以及Grell-Devenyi方案模拟的台风路径误差小，对于台风“Danas”路径的模拟，几种方案差异不大，但总体来讲选用有利于热对流混合层高度升高，使边界层结构更接近中性的Kain-Fritsch方案效果最好。

为揭示边界层方案对台风路径模拟效果的影响，采用相同的微物理方案和积云物理方案，不同的边界层方案来模拟双台风路径并与实况资料作对比分析发现在微物理过程和积云方案固定的情况下，边界层方案无论采用何种方案，对台风移动路径影响都不大;但对台风Danas的模拟，MRF方案模拟结果与实况更要接近些，总体来看MRF方案模拟效果更好些。

对比试验01（Kain-Fritsch）和试验13（Betts-Miller-Janji）发现，在积分72 h时（07日00时）模拟的台风路径差异最显著，此时试验01（Kain-Fritsch）方案模拟的副高中心位置、强度与实况较接近，受副高外围引导气流影响，模拟的“Fitow”移动路径较实况偏北。而台风“Danas”在04日-07日期间基本位于副高南侧，故副高位置和强度对其影响不大。试验13方案模拟的副高脊线呈西北偏西向，故“fitow”和“Danas”受副高南侧引导气流的影响，移动路径较实况偏南。由于双台风的副高引导气流都较实况偏弱，所以模拟的双台风移速都较实况偏慢。总体对比分析可见，副高中心位置，副高西伸脊点位置和副高强度都影响到双台风的移动方向和移动速度。

以台风中心海平面气压作为衡量台风强度的标准，选用相同的边界层方案和积云方案，不同的微物理方案组合对双台风强度模拟研究发现不同的微物理方案模拟台风“Fitow”的强度差别不大，且都较实况强度偏弱。但对“Danas”强度的模拟差别较大。总体来看48h内微物理过程选用Kessler方案較Lin方案和Ferrier方案模拟的台风强度误差要小。

选用相同的边界层方案和微物理方案，不同的积云方案对双台风强度的模拟研究发现不同的微物理方案模拟“Fitow” 的强度，积云方案采用Kain-Fritsch方案要比Betts-Miller-Janjic、Grell-Devenyi方案模拟的台风强度误差小。试验01方案模拟的副高和中纬度西风带槽脊的强度较试验13强，而模拟的双台风强度也较试验13强（图2）。总体对比分析可见，副高、西风带槽脊位置和强度变化对双台风的强度有影响。

敏感性试验选用相同的微物理方案和积云方案，不同的边界层方案组合对双台风强度的模拟结果显示所有方案模拟的“Fitow”台风强度都较实况偏弱，YSU方案较MRF方案、MYNN2.5方案方案模拟的效果要好。对“Danas”强度的模拟，MRF方案模拟的台风强度无论是大小还是台风减弱、增强的趋势，都比YSU、MYNN2.5方案的效果要好。

结语

通过27种不同参数化方案组合对2013年双台风“Fitow”和“Danas”进行了数值模拟，得到以下主要结论：

（1）微物理方案的不同和积云方案的不同对台风路径的影响明显，其中Kessler微物理方案和Kain-Fritsch积云方案的组合，模拟的台风路径与实况的平均偏差最小。

（2）边界层方案与积云方案都对台风强度模拟效果影响明显，YSU边界层方案与Kain-Fritsch积云方案的组合模拟的台风强度变化与实况更接近。

（3）模式中不同物理过程的组合对模拟台风的路径、强度等影响较大，物理过程中的Kessler方案、Kain-Fritsch方案和YSU方案是对双台风“Fitow”和“Danas”模拟的最佳的组合方案。

（4）西太副高和西风带槽脊的位置和强度变化直接影响了双台风“Fitow”和“Danas”的移动路径及强度。

参考文献：

[1] FujiwharalS，1923. The mutual tendency towards symmetry of motion and its application as a principle in meteorology[J].Quart J Roy Meteor Soc， 1923，49（12）：287-93.

[2]曾庆存.数值天气预报的数学物理基础（第一卷）[M].北京：科学出版社，1979：421-440.

[3]王玉清， 朱永禔. 正压无辐散模式中双涡的相互作用[J].热带气象，1989，5（2）： 105-115.

[4]王玉清， 朱永禔. 双涡藤原效应的数值模拟研究[J].应用气象学报，1989（1）：13-20.

[5]张晓慧，张立凤，周海申，魏通峰. 双台风相互作用及其影响[J]. 应用气象学报，2019，30（04）：456-466.

[6]张晓慧，张立凤，熊春晖，彭军. 基于集合变分混合同化方法的双台风数值模拟[J]. 热带气象学报，2015，31（04）：505-516.

[7] Li Y， Ellingwood B R. Hurricane damage to residential construction in the US： Importance of uncertainty modeling in risk assessment[J]. Engineering Structures， 2006，28（7）：1009-1018.

基金项目：“双重”兵种作战《基于大数据的航空兵作战指挥气象辅助决策系统》，课题号：SZ063-BZ15-JY03

作者简介：张晓慧（1989—  ），女，甘肃天水人，大气科学硕士，讲师

研究方向：数值天气预报与航空危险天气预报。