9 km水平分辨率下KF积云对流参数化方案对台风模拟的影响

邬贤文,郑运霞,刘 琼,魏 煜,陈勇航,赵兵科

(1. 东华大学 环境科学与工程学院,上海 201620; 2. 中国气象局上海台风研究所,上海 200030; 3. 上海电气风电集团股份有限公司,上海 200233)

0 引言

西北太平洋台风事件频繁发生,极端天气逐年增加,导致了风暴潮、海浪等对沿海构筑物的侵蚀问题日益突出[1-2],造成了人员伤亡和巨大的经济损失。根据《中国海洋灾害公报》数据显示,从2000—2018年,我国各种海洋灾害造成的直接经济损失为5 264亿元,死亡(含失踪)人口数为2 749人,而由台风引发的风暴潮灾害造成的经济损失为2 005.1亿元,占全部直接经济损失的38.1%,造成死亡(含失踪)人口占全部死亡人口数的30.4%,因此,要提前预防灾害、减少灾害造成的损失就要提高台风数值预报的准确性。

目前台风预报主要是采用数值模式,但是数值模式存在很大的不确定因素。其中,台风路径和强度的模拟误差主要来自2个方面,一个是海洋大气运动初始状态的误差,另一个是模式本身的误差。模式中物理参数化方案的不确定性是影响台风路径和强度模拟精度的重要误差原因[3]。数值模式中的物理参数化方案主要有积云对流参数化方案、边界层参数化方案和微物理参数化方案。

积云对流是台风形成过程中能量的主要来源和不可或缺的物理过程之一[4],在数值模拟中一般使用参数化的方法进行处理[5]。由于各类参数化的闭合假设不同,使用的模式分辨率范围也有所不同[6]。在模拟时1～10 km的水平分辨率范围内为使用积云对流参数的灰度带,这是由于全球和区域气候模型中传统积云对流参数的许多假设在网格间距为1～10 km时不再有效[7-9],急需在业务中发展出适合分辨率小于10 km的积云对流参数化方案。10 km以下的模拟中是否使用积云对流参数化方案对模拟结果的影响还无法得到准确的结论[10],对于高分辨率而言(小于4 km),许多研究建议采用显式对流,不依赖于积云参数化方案,但在某些强对流地区,在5 ～ 10 km 的水平分辨率下考虑使用积云对流过程[11]。大量研究表明:提高模式的水平分辨率能有效提升地形环流、水陆差异、台风、降水等模拟质量,这可能与高分辨率模拟的潜热释放有关[12]。在很多情况下,分辨率主要是影响上升气流的模拟,从而影响水汽凝结或云水蒸发过程。在高分辨率(1 ～ 5 km)下,大部分深对流可以使用云微物理解决[13]。提高水平、垂直分辨率往往能更好地模拟中小尺度结构特征,并提高台风模拟的强度[14-15]。因此,文中基于COAWST(coupled ocean atmophere wave sediment transport, COAWST)海气耦合模式模拟南海地区台风天气,在模式双向嵌套下讨论9 km分辨率网格是否使用积云参数化方案对台风模拟的影响,评估不同方案下其对台风模拟路径和强度的影响差异,为提高台风强度和路径预报水平提供参考。

1 研究区及数据源

1.1 模式及设置

COAWST耦合模式由WARNER等[16]开发维护,耦合模式包含了海洋模式ROMS(regional ocean modeling system, ROMS),大气模式WRF(weather research &forcasting model, WRF),沉积物运输模式CSTMS(community sediment transport modeling system, CSTMS),以及波浪模式SWAN(simulating waves nearshore, SWAN)等,模式之间通过MCT(model coupling toolkit, MCT)耦合器交换数据。文中仅耦合WRF与ROMS,MCT耦合器进行传递数据变量过程如图1所示,大气模式向海洋模式输出水平风场、大气压、相对湿度、气温、云、降水、长波和短波辐射通量、感热通量、潜热通量,海洋模式向大气模式输送海表面温度。

图1 WRF和ROMS通过MCT传递变量Fig. 1 WRF and ROMS transfer variables through MCT

WRF模式采用NOAH陆面过程方案、Lin云微物理方案、YSU行星边界层方案、RRTM长波辐射方案和Dudhia短波辐射方案,模式层顶设置为10 hPa,垂直分层为60层,网格d01、d02分辨率分别为9、3 km,网格数为960×759,618×390,WRF模式spin up时间定为24 h。ROMS模式设置表面控制参数theta_s=5,底部的控制参数theta_b=0.4,表面/底部延伸宽度Tcline=50,直变换方程Vtransform和垂直延伸Vtransform均采用原始方案,模式设置单层网格,网格数为451×281,模式水平分辨率为0.1°×0.1°,垂直层数设置为16层。

1.2 数据

WRF大气模式采用ERA5(https://www.ecmwf.int)再分析资料驱动,ERA5是ECMWF第五代全球气候再分析资料,文中采用平分辨率为0.25°×0.25°的地面和高空数据,数据时间间隔为6 h。ROMS海洋模式初始数据从全球海洋模式HYCOM(HYbrid Coordinate Ocean Model, HYCOM)中获取,该数据包括了温盐、水位、流速等,ROMS所需要的潮汐数据来自于全球潮汐调和数据库OTPS(OSU Tidal Prediction Software, OTPS),地形数据采用了NGDC(National Geophysical Data Center, NGDC)发布的全球高程数据ETOP01。文中所使用的台风路径和强度数据来自于中国气象局热带气旋资料中心(http://tcdata.typhoon.org.cn)发布的最佳路径数据[17-18]作为文中真值,数据包含台风路径、台风中心附近最低气压以及最大风速,路径数据分辨率为0.1°,因此,文中选用 9 km网格输出结果作为模式结果对比。

1.3 模式方案以及研究区域

ROMS模式网格使用单层网格,分辨率为0.1°×0.1°,网格范围为4°～32°N,105°～150°E。WRF模式使用2层嵌套网格,模式使用兰伯特投影,中心经纬度位于南海北部,最外层为9 km分辨率,网格数为960×759,内层网格为3 km分辨率。由于KF积云对流参数在模拟台风中能够得到较好的副热带高压环流和强度、以及较小的台风路径误差和较强的台风强度[19-21],因此,文中选用KF积云对流参数化方案。模拟方案设为2组,第1组为使用KF积云对流参数并嵌套高分辨率方案,记为控制方案;第2组同样设置嵌套高分辨率,但不使用KF方案作为对照,记为无KF方案。将对照组模拟登陆广东、海南地区的11个西行台风得到共22个模拟结果。

2 误差统计

为了统计不同方案模拟结果,采用均方根误差RMSE计算模拟24 h之后的台风路径、最小海平面气压以及台风中心附近最大风速的偏离程度。表1和表2分别展示了不同方案下台风路径以及强度的模拟偏差。同时为了量化不同方案对不同台风个例的模拟表现,分别对台风路径、气压以及风速的误差偏差划分5类得分等级,划分标准如表3所示。不同方案下对台风模拟的优良表现为台风路径、气压以及风速的得分总计, 表4为显示不同方案下不同个例的得分情况。在11个个例中, 控制方案在得分超过无KF方案的个例有5个,另有5个个例得分相等,仅有1个个例得分低于无KF方案,因此可以明显地看到控制方案在台风模拟总体评分上明显优于无KF方案。同时, 从表1和表2的平均均方根误差来看, 控制方案的路径误差明显较小,但在强度误差方面来看,2种方案模拟的台风强度误差相差并不大。因此,由于控制方案在台风路径的模拟上有较为明显的优势,且在台风强度方面与无KF方案类似,所以也可以认为控制方案在台风模拟中表现最佳。接下来将在第3部分和第4部分分别讨论控制方案与无KF方案在路径和强度上对不同台风个例的模拟差异。

表1 不同方案和个例的台风路径均方根误差RMSETable 1 RMSE of typhoon tracks for different scenarios and individual cases

表2 不同方案和个例的强度均方根误差RMSETable 2 Table 2RMSW of intenstity for different scenarios and individual cases

表3 得分及划分标准Table 3 Scoring and classification criteria

表4 不同方案和个例的得分情况Table 4 Scores of different programs and individual cases

3 KF积云对流参数对路径模拟的影响

将模拟结果对比最佳路径来看,可以发现误差结果可大致分为4类。第1类的2007号台风,如图2 (a)、 (e),由于控制方案与无KF方案模拟的副热带高压差距较大,从路径以及路径误差图上可以看到无KF方案偏离最佳路径较远,造成台风路径在模拟中后期误差较大, 而控制方案相对误差更小; 从图2可看到,1213号台风以及1604号台风为代表的第2类和第3类台风均为控制方案副热带高压模拟略强导致路径相对南偏。可以看到1213号台风在2种方案下模拟路径均向东北偏移,1604号台风模拟的路径则均向西南偏移。其他台风模拟中类似1213号台风模拟结果的还有1713号和1117号台风,在控制方案下,模拟的1713号台风的路径误差全程较小,同样,1117号台风在模拟中后期也有更小的误差。而类似1604号台风的模拟个例有1319号以及1311号台风,无KF方案路径误差均在模拟中后期开始相对较小,从这些模拟个例中可以看出大多数控制方案与无KF方案模拟的路径相对位置没有改变,即控制方案路径相对南偏于无KF方案;最后一类显示控制方案与无KF方案模拟的台风路径类似,造成路径误差差异较小的如1622号台风,如图2(d)、(h),2种方案路径以及路径误差基本接近,类似的台风模拟结果还有1522号台风,以及1822号台风。因此,从这些例子可以认为2个方案模拟的路径差异特点比较明显,与最佳路径比较可以看出大部分控制方案模拟的结果误差较小。

图2 2种方案模拟的台风路径及误差Fig. 2 Typhoon tracks and track errors simulated by the two scenarios

西太平洋台风路径主要受到西北太平洋副热带高压以及引导气流的影响。台风沿着高压外围移动,当副热带高压强度较高,并且呈现东西带状时,位于其南侧的台风能够较为稳定地向西行[22]。由于在9 km分辨率下控制方案和无KF方案在模拟台风路径中主要产生了3种差异,文中将通过对比模拟的副热带高压和引导气流的差异来对台风移动路径的差异做出讨论分析。其中路径模拟差异最大的为2007号台风,相比控制方案模拟结果,无KF方案路径在模拟中后期出现明显向南偏移,严重偏离最佳路径。其次,路径差异较小如1213号台风,控制方案路径模拟稍偏南,在所有模拟中共有7个个例出现类似结果,占比最大。最后一类为两种方案模拟的路径相近,共有3例,如1822号台风。

图3为2007、1213、1822号台风模拟的台风路径和第48小时的台风中心及588线。图4为控制方案与无KF方案下模拟的500 hPa高度下的风场以及588线代表的副热带高压。可以从风场看到,台风中心紧挨着副热带高压西南侧,主要受到东风气流引导。2007号台风在模拟中后期由于控制方案模拟的副热带高压范围在南海区域范围更广,与其他研究类似[23],副热带高压强弱不同导致台风与副热带高压边缘风场气流出现明显差异,控制方案引导流入的风速较偏北,这也是促使二者模拟台风路径差异的原因之一。同时无KF方案副热带高压在陆地上模拟结果相对较强,范围较广,导致台风南偏,这也同样预示着48 h后台风路径的持续差异。

图3 2种方案的台风路径以及第48小时的台风中心和588线Fig. 3 Typhoon tracks for both scenarios and the typhoon center and 588 line for the 48 th hour

控制方案与无KF方案下模拟1213号台风的路径差距较小,可以很明显地看到KF方案模拟的副热带高压范围略强,如图3(b)中南海部分以及广东广西地区和南海地区红蓝虚线范围。在500 hPa风场图上可以看到,二者的风场环流形势比较接近,因此,台风路径差异可能主要由路径右前方模拟的副热带高压位置决定,副热带高压范围较大、强度偏强、台风的路径就也随之偏南。

从1822号台风模拟个例的路径结果上看,图3(c)展示的模拟路径差异很小,对比图4(c)、(f)来看,东风气流差距很小,588线范围也十分相似,因此气流和副热带高压模拟差异很小,导致台风路径没有相对明显的差异。

图4 2种方案在第48小时的500 hPa高度风场以及588线Fig. 4 500 hPa height wind field and 588 line for both scenarios at the 48th hour moment,wind speed unit

总的来说,积云对流参数化方案可以通过模拟台风的副热带高压强度、范围来影响台风的移动路径。与台风接近的588线也可能通过影响台风吸入的气流方向来影响台风的移动,而西行台风基本沿着副热带高压南缘移动,因此,台风路径右前方的副热带高压西南边缘是影响台风移动的主要因素。总的来说,可以确定在9 km分辨率下,控制方案模拟的副热带高压相对更强,导致模拟的台风路径较为南偏。

4 KF积云对流参数对强度模拟的影响

在模拟结果中,采用控制方案和无KF方案模拟的台风强度发展趋势基本一致,其中存在两者方案的台风模拟强度几乎近似的情况,如1311和1319号台风。也存在两者强度误差均过大的情况,如1319、1522以及2007号台风,因此下文将不再对上述4个个例进行归类,将剩下的7例模拟结果进行分析,得到的差异基本可以分为3类。第1类表现为控制方案在台风发展和成熟阶段模拟的强度均相对偏大,如图5(a)～(d)所示为1415号台风,从海平面最小气压以及10 m最大风速模拟情况和误差大小可以看到,采用控制方案的风速和气压更强,无KF方案在42 h之前模拟强度一直低于最佳路径以及控制方案,而控制方案在30 h后基本达到最佳路径强度,在42～54 h内无论是在气压还是风速方面,均强于最佳路径和无KF方案。从误差上来看,控制方案在风速模拟方面明显优于无KF方案,但在气压方面,控制方案在台风成熟阶段以及台风消散阶段模拟的强度偏强,从而造成模拟误差略大。

假相当位温θse是一个将温度、气湿度涵盖在一起的综合物理量,它代表气块干绝热上升过程中将所有水汽凝结后释放潜热加热空气后再干绝热下降到1 000 hPa时具有的温度。采用BOLTON[24]给出的计算公式得到θse,可利用θse随垂直高度的变化来判断对流不稳定[25-26],θse随高度的增加而减小表示对流不稳定,反之则为对流稳定,θse随高度变化不变时为对流中性,文中θse为台风内核区(距台风中心111 km)的平均值。从图5(e)、(f)中可以看到二者在42 h以及48 h下对流不稳定的高度接近,但控制方案在对流层中模拟的台风中心θse均偏高于无KF方案,同时也可以看到图6中控制方案模拟的对流层低层下台风眼壁垂直速度在36 h后风速略强于无KF方案,这些导致控制方案在对流不稳定的对流层中下层向上带入的潜热较多,能够更好地维持台风的强度。这可以解释为什么控制方案的强度相对无KF方案更强。

图5 1415号台风强度以及在42 h和48 h下台风内核区平均假相当位温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

图6 1415号台风在800 hPa高度台风方位角平均垂直速度Fig. 6 Typhoon 1415 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

从1415号台风模拟结果可以认为控制方案得到的台风强度误差较小,类似情况还有1622号以及1822号台风,这2个个例在2种方案下模拟的强度相比最佳路径强度略偏弱,并且模拟θse的差异不明显,但控制方案在对流层低层模拟的台风眼壁垂直风速略微偏强,导致台风强度在模拟中略微较强,因此控制方案误差偏小。而也有出现2种方案模拟强度均偏强于最佳数据的情况,但由于控制方案模拟的台风强度明显偏强,导致模拟的强度误差较大,如1117号台风。

第2类情况表现为控制方案在模拟台风发展阶段的强度较强,但在台风成熟阶段强度明显减弱。如图7,以1213号台风为例,控制方案在台风发展阶段模拟的气压和风速在台风发展阶段差异很小,误差也比较接近,控制方案在24 h开始后强度略强于最佳路径和无KF方案,但是当模拟达到42 h左右的台风成熟阶段,控制方案台风强度明显不再增强,而无KF方案模拟的台风在42 h后依旧发展,强度逐渐接近并达到最佳路径台风强度。从图7(e)、(f)的第42 小时可以看到控制方案的对流不稳定高度仅仅只达到了650 hPa,而无KF方案则达到了550 hPa,第48 小时下控制方案在900～800 hPa高度间出现明显的对流稳定。同时对比图8在2种方案模拟下得到的台风眼壁垂直风速,无KF方案大约在42 h后模拟的垂直速度明显较强,这都表明控制方案在模拟台风成熟阶段中可能在对流层中低层出现部分范围的对流稳定,从而抑制台风眼壁的垂直速度,进而抑制台风强度的发展,同时无KF方案在对流中低层模拟较强的垂直风速导致向对流中上层带入更多的潜热,使之模拟出更高的暖心和更强的台风。从模拟结果上看,2种方案误差表现接近,但无KF方案在台风成熟阶段模拟的表现较好,而类似的模拟情况还有1604号台风。

图7 1213号台风强度以及42 h和48 h下台风内核区平均假相当位温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

图8 1213号台风的在800 hPa高度台风方位角平均垂直速度Fig. 8 Typhoon 1213 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

最后一类情况为无KF方案模拟强度明显强于控制方案,如图9,1713号台风与其他个例模拟结果明显不同,无KF方案在这个个例中模拟的强度无论在风速还是在气压上均明显强于控制方案,从误差上来看,只有无KF方案在台风最大强度模拟达到了最佳路径的最小气压,但在台风发展和消散阶段的强度误差均明显较大。在风速模拟上,无KF方案模拟强度明显过强,误差明显过大,而控制方案明显误差更小。从图9的2种方案模拟θse上看到二者的台风暖心以及对流不稳定高度基本一致,而图10无KF方案在对流低层模拟的垂直速度在3 h之后出现明显偏大于控制方案,这导致无KF方案在对流不稳定的对流中下层向上带入的潜热更多,同时模拟的10 m风速误差也是从这个时刻开始加大,因此,无KF方案在对流低层模拟过高的垂直速度应该是造成明显误差的原因。

图9 1713号台风强度、误差以及42 h和48 h下台风内核区平均假相当位温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

图10 1713号台风的在800 hPa高度的台风方位角平均垂直速度Fig. 10 Typhoon 1713 at 800 hPa height typhoon azimuth mean vertical velocity

总的来说,台风强度与台风内核区对流不稳定以及对流低层的垂直速度有明显的关系,不同方案下模拟的台风内核区对流不稳定高度差异虽然不大,但对流层低层台风眼壁垂直风速在不同方案以及不同台风个例模拟中出现不同的相对强弱表现。在与最佳路径的强度对比中并没有出现明显偏好于某个方案的结论。

5 结论

文中使用COAWST海气耦合模式通过模拟登陆广东、海南的11个西行台风,分析9 km分辨率下是否使用KF方案对台风路径及强度的模拟情况。主要结论如下:

1)为了综合评判模拟结果,利用中国气象局热带气旋资料中心对比模拟24 h后的台风路径和强度结果,通过RMSE计算并将模拟结果在路径、强度方面的误差划分为5个得分等级,通过每个台风个例在不同方案下的得分情况可知,控制方案有5个个例综合表现情况较优,还有5个个例与无KF方案的结果持平,仅有1个个例表现劣于无KF方案,使用控制方案模拟结果总体较优。因此,建议在模式9 km水平分辨率下模拟南海地区西行台风中使用KF积云对流参数化方案。

2)对比路径误差来看,虽然是否使用KF参数在不同个例上的总体表现差异并不是很大,比如控制方案模拟路径得到结果较好的个例占5/11,比例接近一半,但平均11个个例中的RMSE得到的误差更小,可以认为在9 km水平分辨率下使用KF方案能够更好地模拟台风路径。相比无KF方案,控制方案模拟的副热带高压强度偏强造成台风路径相对南偏。

3)从强度误差来看,是否使用KF方案模拟台风中心附近的海平面最小气压平均RMSE的差异很小,但控制方案在模拟台风中心附近10 m风速的平均RMSE上明显更小,可以认为在9 km分辨率下,使用KF积云对流参数化方案模拟的台风强度误差较小。从模拟结果中发现,2种方案下得到的台风内核区的对流不稳定高度十分接近,台风强度与对流层低层的台风眼壁垂直速度相关,台风眼壁垂直速度越大,台风强度越强。