台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验I.对台风结构的影响

通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场, 表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换, 并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气.对台风Dan的模拟个例表明, 由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同, 风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异.不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异, 与此相对应, 在不同边界层方案下, Eta方案模拟的台风强度偏大; 而Burk-Thompson和Blackadar方案略次之,在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱,体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响.     

不同微物理方案和边界层方案对超强台风“鲇鱼”路径和强度模拟的影响分析

采用分辨率为1 °×1 °的NCEP全球格点再分析资料,应用新一代中尺度数值预报模式WRF V3.2,对比分析了不同微物理方案和边界层方案对2010年1013号超强台风“鲇鱼”路径和强度模拟的影响。结果表明:相对于边界层方案,微物理方案对台风路径的影响较大,其中与Ferrier方案相组合的试验中模拟的台风路径平均偏差最小;边界层方案对台风强度有明显影响,其中MYNN2方案模拟的台风强度变化与实况更接近。进一步对比分析了不同微物理方案和边界层方案对大尺度环流形势场、水汽通量场及台风暖心结构模拟的异同,探讨不同参数化方案对台风路径和强度模拟差异的动热力原因。分析表明:不同微物理方案在模拟副热带高压和东亚长波槽的演变特征上是不同的,于是导致对台风路径模拟的差异;不同边界层方案对边界层中水汽通量大小的模拟存在显著差异,而水汽供应的强弱会影响台风上层暖心结构的不同,从而导致对台风强度模拟的差异。      

边界层参数化方案对南海秋季台风“莎莉嘉”(2016)模拟的影响

利用美国中尺度数值模式WRF,选取两个局地(QNSE、MYJ)闭合和两个非局地(YSU、ACM2)闭合的边界层参数化方案对台风“莎莉嘉”(2016)进行了4组模拟试验,结果表明,不同边界层方案对台风路径影响较小,但对台风强度和结构有明显的影响,就本个例研究而言,非局地闭合边界层方案明显优于局地闭合边界层方案。台风强度的差异是热力和动力共同作用的影响。局地闭合方案模拟的地表焓通量、水汽通量和动量通量更大,台风偏强;局地闭合方案模拟的边界层高度更高、边界层顶的夹卷过程更强、垂直混合更强、台风暖心结构更强,从而台风也更强。台风强度的差异和台风结构的变化密切相关。      

不同边界层参数化方案对台风“利奇马”模拟的影响研究

基于中尺度数值模式WRF,对比分析了六种大气边界层物理过程参数化方案(BouLac、MYJ、UW、YSU、ACM2、SH)对台风“利奇马”模拟结果的影响。结果表明,不同边界层方案对“利奇马”路径的模拟结果影响较小,但对其强度和结构演变的模拟结果影响显著。其中,局地闭合方案UW方案模拟的结果最强,局地闭合方案BouLac次之,而局地闭合方案MYJ和三种非局地闭合方案YSU、ACM2和SH的模拟强度都较弱。这些方案中,BouLac模拟的海平面最低气压与实况最为接近。通过对比这些边界层方案的模拟结果发现,由于台风强度的差异受到热力和动力的共同影响,边界层方案如模拟得到的地表潜热通量和边界层中湍流扩散系数较大,将导致较大的径向风和低层辐合,从而模拟得到较强的台风强度;反之,则台风强度较弱。      

GRAPES模式中地面通量在一次台风数值模拟中的敏感性试验研究

在中尺度天气数值预报模式（GRAPES）的边界层方案（MRF）中,地面通量的计算与模式分层有直接关系,可能引起计算结果的不准确。在模式中引入Beljaars方案,通过比较分析模拟的台风地表特征量及形势场和风场表明,引入的方案对台风强度和路径的预报效果都起到改善作用。对台风“巨爵”个例的模拟表明,引入Beljaars方案之后,其地表的潜热、感热通量均明显增强,摩擦速度最大值增大,说明地表向上传输的热通量、水汽通量、动量通量均增强,这都有利于台风的发展和加强,因此模拟的台风路径和强度也更接近实况;从台风结构来看,方案二模拟的台风倾斜垂直结构没有方案一的明显,暖心结构有所加强;从风场分析来看,台风眼区的风速低值中心可延伸到500 hPa的高度上,明显高于方案一。      

边界层参数化方案对台风SANBA初生阶段影响的数值模拟研究

台风的形成和发展与边界层中低涡扰动的形成和发展密切相关。利用中尺度WRF模式,采用数值敏感性试验的方法来研究不同边界层方案对台风SANBA初生阶段的移动路径、强度及物理量场分布等方面的影响,结果表明:在台风形成初期,不同边界层方案对模拟的SANBA台风的强度和路径具有明显影响;未引入Bogus方案时,采用QNSE和ACM2边界层参数化方案的模拟结果与最佳路径资料最为接近。采用Bogus方法在初始场中引入热带扰动有关信息后,五种边界层参数化方案模拟的台风路径均有显著改进,其中QNSE和ACM2方案对台风路径和强度模拟结果的改进效果较其他几种边界层参数化方案的模拟结果改进小,说明这两种边界层参数化方案对SANBA台风发展初期边界层过程的处理较完善,能够较好地处理边界层过程和边界层热带扰动的形成和发展;对比分析表明由于不同边界层参数化方案对边界层过程处理的差异,导致SANBA台风发展到强盛阶段时近地层的有关物理量及自由大气中的物理场分布出现一定的差异,即使模拟效果较好的QNSE与ACM2边界层参数化方案模拟的台风垂直结构之间也存在一定的差异。数值试验也表明MYJ参数化方案对此次台风的模拟效果最差,在进行相关研究时应慎用该边界层参数化方案。     

边界层参数化方案对“莫兰蒂”台风（1614）登陆阶段影响的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率（1.33 km）数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风“莫兰蒂”（1614）登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响,结果表明:（1）“莫兰蒂”台风登陆减弱阶段,不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著,24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 m s?1及241 mm;（2）Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近,GBM、YSU和MYJ方案分别次之,ACM2和UW方案再次之,而QNSE方案最差;UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近;不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征,这与实况一致,但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况,而台风登陆后却又不及实况;（3）Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优,MYJ方案次之;而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快,各量级降水TS评分均较差;（4）综合台风路径、强度和降水模拟,Boulac和MYJ方案相对最优,其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优,而MYJ方案在台风强度模拟上更优;YSU和GBM方案次之,而QNSE、UW和ACM2方案相对较差;（5）不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同,进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言,QNSE方案潜热通量相对异常偏高,MYJ和Boulac方案量值适中,其余方案相对偏低;QNSE方案感热通量相对略偏高,MYJ方案适中,其他方案则相对显著偏低;（6）不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同,其中Boulac方案具有较明显优势,尤其是对日间边界层结构的模拟。     

台风“莫拉菲”对不同边界层方案的敏感性数值模拟

利用WRF中尺度模式,在不同边界层方案下对2009年第6号台风"莫拉菲"登陆前后的主要过程进行了数值模拟,分析了边界层参数化方案对台风的大环境场、路径、强度和累积降水的影响。并通过对边界层过程中的感热通量和潜热通量进行分析,表明台风强度和累积降水主要是由水汽凝结潜热释放造成的。MRF方案为非局地K理论方案,YSU方案是新一代的MRF方案,增加了显式处理的夹卷层过程,而MYJ方案是Mellor-Yamada2.5级湍流闭合方案,主要是使用TKE闭合方法。模拟结果表明,YSU方案比MRF方案在模拟结果中有明显的改善,MYJ方案出现在模拟台风强度过强的情况。综合来说,YSU方案的模拟结果较好。     

成熟台风边界层作用的数值研究

利用ＴＬ６模式，在对一次台风过程成熟阶段进行成功模拟的基础上，通过各种对比试验，研究了成熟台风边界层的作用。结果表明：在２４小时内，台风边界层内各种通量的垂直输送对其路径影响很小而对成熟台风的维持却有非常重要的作用。其中，潜热输送成为成熟台风的主要能源，其影响最为重要。感热输送对成熟台风几乎无影响。边界层的动量垂直输送具有双重作用，摩擦辐合使上升运动增大，但明显对下层涡旋有削弱作用，这近似于在台风     

不同边界层方案对台风灿都路径和强度模拟的影响

采用中尺度数值模式WRF3.8.1,以2010年03号台风"灿都"为研究个例,采取控制变量的思想设计YSU、MYJ、QNSE、MYNN2四组不同边界层方案进行模拟试验,通过比较模拟和实况台风路径、MSLP(Minimun sea level pressure)和MSW(Maximum surface wind),发现四组试验的模拟结果与实况都有一定的差异,路径偏差相似,强度均偏弱。总体而言,边界层方案为YSU的试验WRF_YSU模拟效果最佳。对试验WRF_YSU引入雷达观测资料后的同化试验(WRF_YSURD)后发现WRF_YSURD试验对台风强度的模拟结果有显著改善。通过进一步的诊断发现,不同边界层方案及是否进行雷达资料的同化会造成五组模拟试验中台风的散度、涡度及风场等的模拟结果不同,从而造成台风范围内的水汽场不同,进而影响最终的台风强度和路径模拟结果。     

积云参数化对0613号台风“珊珊”数值模拟的影响研究

使用W RF的ARW动力核心模拟台风"珊珊",以研究各种积云参数化方案对于台风路径,强度和降水分布等的影响。研究表明,环境场对积云参数化的选取不敏感,积云参数化对台风的强度和路径模拟有明显的影响,KF方案模拟的台风强度较强,增强过程明显,后期移速偏快。KF和BM J对降水的模拟较好,GD方案不够理想。     

边界层参数化方案对暴雨数值模拟的影响

选取2003年7月4-5日南京暴雨个例，采用非静力中尺度模式MM5进行模拟，着重研究了不同边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布的影响。结果表明：对于不同的边界层参数化方案，垂直速度场、水汽通量散度场、涡度场、水平风场的散度以及θse场都表现出不同的特征；合理边界层方案的引入对预报效果有明显的改进；结合边界层和自由大气的动力、热力结构进行了综合分析，给出了边界层作用与自由大气动力、热力结构的配置情况。说明这种配置对暴雨的形成是至关重要的。     

基于4D-VAR的动态非对称台风初值化方法试验研究

经典BDA台风初值化方案中台风模型为一个不能充分反映个别台风具体特征的轴对称海平面涡旋场,且在同化窗口内强迫发展着的台风向这个静止涡旋场适应。本文针对该特点,提出一种充分融合分析场信息和实况信息并考虑副高影响的非对称台风Bogus方法,利用PSU/NCAR的MM5模式及其伴随模式,通过四维变分同化(4D-VAR)技术,建立动态非对称BDA方案,对多个不同时次的Bogus资料进行同化。通过对夏季受副热带高压影响较大的6个台风的数值模拟试验对比发现,新方案的路径模拟普遍优于经典方案,且对于经典方案没能改善路径模拟的时段,新方法的模拟效果却能得以改进;新方法模拟的强度普遍弱于经典方案,但这种趋势使得新方法的中后期模拟强度较经典方案更接近于实况。另外,当实况中台风强度已大为减弱时,同化试验模拟的台风仍然保持很强的强度,造成气旋的过度发展,这种情况对BDA方案模拟效果的限制作用还需进一步研究。     

台湾地形对海棠台风影响的数值模拟研究

应用美国国家大气研究中心(NCAR)研发的WRF(Weather Research and Forecasting)气象模式,研究海棠台风(2005)接近并登陆台湾岛的过程中的强度、结构的演变,以及地形强迫作用对台风的影响.对模拟结果的评估表明,在整个海棠台风(2005)模拟实验期间,WRF模式很好地抓住了台风海棠强风,低中心气压的高强度特征.对引起台风降水的中尺度系统的分析表明,一方面台风环流与中央山脉地形共同作用激发出垂直次级环流在降水区域产生强烈的上升运动;另一方面,水平风场源源不断给该地区输送暖湿空气,为对流发展提供充足的水汽.分析结果表明中央山脉地形与台风环流场之间的配置形势对台风降水有着重要的影响.     

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。     

2006年超级台风“桑美”强度与结构变化的数值模拟研究

使用一个高分辨率、非静力数值模式WRF模式对2006年超级台风Saomei强度和结构进行了数值模拟研究.首先,评估了Makin的粗糙度长度公式对台风Saomei强度和结构变化的影响,结果表明,采用新参数后,使得模拟的台风强度变化与实况最佳路径资料的强度变化更一致,对超级台风Saomei强度预报有改进;但对台风路径的影响不大.通过QuikSCAT、雷达和TRMM非常规资料的验证,进一步表明模拟的台风Saomei的结构与实况很接近,可以再现台风内核区域的部分"双眼墙"和"Annular"结构.其次,通过对台风Saomei边界层过程模拟的改进,表明在平均风速大于40 m/s时边界层各物理量明显改善,使得模式最大强度比传统的简单外推插值方案有显著改进,特别是在台风最强阶段,当台风Saomei眼墙区域的海表面拖曳系数C_d的相对变小,使得其眼墙区域的平均切向风速、径向风速、垂直风速、温度距平、涡旋动能和绝对角动量等物理量均有增强.表明台风Saomei眼墙氏域(20-40 km)各物理量的贡献对其强度和结构变化的影响十分重要.最后,在此基础上进一步分析模式海温和大尺度环境垂直风切变对台风Saomei强度和结构变化的可能影响,讨论了台风Saomei在其增强和消弱阶段中,大尺度环境垂直风切变对其强度变化的负反馈作用.     

副热带高压对登陆台风影响的数值模拟研究

中国登陆台风多发于夏季,尤其对于登陆后继续北上深入内陆的热带气旋,逐渐与其所处的中纬度环境场发生相互作用,强度衰减缓慢甚至再次发展,且伴随有台风动力、热力结构的转变(ET过程).同时,夏季多伴有副热带高压的活跃与西伸趋势,然而该系统与台风之间相互作用的物理机制仍不十分清楚,这已成为提高台风预报能力的主要障碍之一.文中选取1997年第11号台风"温妮"为研究个例,通过中尺度模式MM5模拟再现了该台风登陆后经历初期减弱、变性及变性后再次发展的演变过程.采用Davis等提出的片段位涡反演方法,改变模式积分初始时刻台风东部副热带高压强度,通过数值模拟与诊断分析的方法,深入研究不同强度副热带高压系统对台风陆上维持、变性和发展的影响.研究表明,副热带高压强度的加强加快了台风中心的北移速度,冷空气提前下沉入侵台风中心,加快台风的变性,配合暖气团的强迫抬升激发强烈的对流层中高层锋生,台风变性后冉次加强幅度增大.副热带高压强度的改变直接影响台风中心上空高空形势,而后者与台风强度的变化有较好的相关性.     

模式水平分辨率对超强台风“天兔”强度和微结构特征的影响

利用不同水平分辨率下的中尺度数值模式WRF模拟1319号超强台风"天兔",以研究模式水平分辨率对台风强度和微结构(包括动力和微物理)的影响。模拟结果表明:不同水平分辨率(1 km、2 km、3 km、4km、5 km)模拟的台风路径差异不大,且均与实况基本相同;不同水平分辨率对台风强度和微结构的模拟效果影响较大,其中以对10 m最大风速、垂直运动和降水强度的影响为最大。将模式水平分辨率提高到1 km有助于改善台风强度和微结构的模拟效果。在较低分辨率下,台风非对称性较明显、眼墙倾斜程度较大和海表水汽通量较小等结构特征共同使得台风强度较小。     

不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

本文以GFS资料为初始场,利用WRF（v3.6.1）模式对2015年第22号台风“彩虹”进行了数值研究。采用CMA（中国气象局）台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案（Lin、WSM6、GCE和Morrison）对“彩虹”台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出“彩虹”台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。     

WRF模式对高影响浙江型台风微物理和边界层参数化方案的优化试验

选取近年来在浙江和福建登陆高影响浙江的9个西太平洋台风,利用WRF中尺度数值模式,选取多种微物理和边界层参数化方案,量化评估不同方案下的台风路径、强度和降水的模拟性能。结果表明,Kessler和SBU-YLin微物理方案对台风路径和强度模拟较好;而SBU-YLin在浙江降水上比Kessler评分相对更优、误差更小、相关性更佳,但其漏报率相对较高。MYNN2和BouLac边界层方案的最优台风路径和强度比例较高,而BouLac对浙江降水有更好的表现,其降水误差更小、相关性更好,且有更高的TS评分,特别是大雨以上量级或台风登陆前12 h。因此,SBU-YLin微物理和BouLac边界层方案相对更适合浙江台风模拟。此外,浙江沿海地区模拟雨量比实况偏少,且绝对误差较大,内陆反之;雨量误差与浙江地形有较好的对应关系。