2種邊界層參數化方案對1013號超強臺風“鲇魚”數值模擬的敏感性研究

胡昊

摘要 利用中國臺灣地區“侵臺臺風之飛機偵察及投落送觀測實驗（DOTSTAR）”探空數據與WRF模式（3.8版本），針對1013號超強臺風“鲇魚”開展了邊界層參數化方案的數值模擬敏感性研究。結果表明，非局地YSU方案在臺風強度、路徑、螺旋雨帶、內核尺度以及臺風外圍位溫、水汽混合比、風向這些方面的模擬效果優于局地MYNN2方案；但在風速的模擬上，YSU方案與MYNN2方案沒有明顯的優劣之分。

關鍵詞 超強臺風“鲇魚”；數值模擬；邊界層參數化方案；敏感性

Sensitivity Research of Two Planetary Boundary Layer Parameterization Schemes in Numerical Simulation of Super Typhoon 1013 “Megi”

HU Hao

（College of Meteorology and Oceanography， PLA University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 211101）

Abstract Using the dropsonde data from Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region （DOTSTAR） and the WRF model （version 3.8）， sensitivity research of planetary boundary layer parameterization schemes in numerical simulation of super typhoon “Megi” was carried out. The result showed that the non-local YSU scheme was more capable of simulating typhoon intensity， track， spiral rain band， inner-core size and typhoon periphery structure of potential temperature， water vapor mixing ratio， wind direction than the local MYNN2 scheme. However， there was no obvious difference between YSU and MYNN2 in the simulation of wind speed.

Key words Super typhoon“Megi”；Numerical simulation；Planetary boundary layer parameterization scheme；Sensitivity

由于大氣運動學方程中存在著湍流通量項，使得方程組無法閉合，為了解決方程組的閉合問題，就需要引入邊界層參數化方案[1]。WRF模式作為一種主流的中尺度數值模式，其中一共引入了13種邊界層參數化方案。前人對于邊界層參數化方案在降水[2-4]、邊界層結構[5-8]、污染擴散[9-10]、臺風[11-12]等方面的適用開展了大量的模擬研究。筆者選取非局地YSU方案與局地MYNN2方案這2種常用的邊界層參數化方案對1013號超強臺風“鲇魚”進行模擬與分析，以期為臺風周邊區域邊界層熱力與動力結構的數值模擬研究提供參考。

1 資料與方法

1.1 DOTSTAR計劃觀測情況

中國臺灣地區“侵臺臺風之飛機偵察及投落送觀測實驗（DOTSTAR，Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the TAiwan Region）”計劃于2010年10月17日05∶40—09∶46共釋放了16個探空儀對臺風“鲇魚”進行觀測（圖1）。根據探空位置和臺風中心之間的關系DOTSTAR觀測航程大致可以分為3段：首先，第1個至第3個探空儀自西向東在臺風西側外圍釋放進行觀測；接著，環繞臺風中心外圍釋放了第4個至第13個探空儀；最后，在臺風北側釋放了第14個至第16個探空儀。于是大致上臺風西側有3個探空儀進行觀測，環繞臺風中心外圍有10個探空儀進行觀測，在臺風北側有3個探空儀進行觀測。

在探空觀測進行的時候，臺風“鲇魚”位于大陸高壓與海上高壓組成的高壓帶南側，在高壓帶南側偏東風的引導下逐漸向西移動，強度上從強臺風等級逐漸加強為超強臺風。

1.2 模擬設置

為了研究參數化方案對臺風周邊邊界層結構的影響，選取了YSU方案和MYNN2方案這2種較為常用的邊界層參數化方案對于臺風“鲇魚”進行模擬，并將二者分別記為試驗YSU與試驗MYNN2。試驗采用三重移動嵌套網格，由外至內將水平分辨率設置為18、6、2 km，并將格點數分別設置為250×250、379×337與268×274。具體模擬區域如圖2所示。每層嵌套在垂直方向上均設置為45層。為了獲得對邊界層結構更加詳細的模擬結果，在 2 000 m高度以下對垂直分層進行加密設置，共設置30層。2組試驗除了選擇不同的邊界層參數化方案之外，其余的參數化方案均設置了MM5近地層參數化方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Noah陸面模式。同時在最外層粗網格采用Kain-Fritsch積云參數化方案和WSM6微物理方案。第二層與最內層網格分辨率較高，故未設置積云參數化方案，采用了WSM3微物理方案。模擬時間設置為2010年10月16日20∶00—17日14∶00。16日20∶00—17日05∶00預留作為模式的spin up時間，而之后的模式輸出數據用于比對驗證。

2 結果與分析

2.1 臺風模擬情況 由圖3可知，模擬期間臺風自西向東移動，并逐漸從向西北方向移動轉為向西南方向移動。2組試驗均模擬出臺風的西行趨勢，但模擬路徑均比實際路徑偏北，移動速度稍慢。模擬期間JTWC觀測數據顯示，臺風強度逐漸從16日20∶00的941 hPa加強至17日14∶00的914 hPa。在臺風強度的模擬上，2組試驗均比實際偏弱（圖4）；試驗YSU成功模擬出臺風逐漸加強的過程，模擬得到的臺風強度從16日20∶00的989.97 hPa加強至17日14∶00的959.21 hPa；試驗MYNN2卻未能模擬出臺風的加強趨勢，模擬期間臺風強度從16日20∶00的989.97 hPa減弱至17日14∶00的1 004.22 hPa，與實際觀測嚴重不符。

利用模式第二層6 km水平分辨率細網格輸出的1 000 m高度處雷達反射率識別臺風的螺旋雨帶（圖5），并與F-13衛星37V和MTSAT衛星紅外云圖合成圖（圖6）進行對比，結果發現，試驗YSU成功模擬出臺風“鲇魚”的螺旋雨帶和眼墻結構，與實際觀測最為接近；而試驗MYNN2無法模擬出臺風完整的眼墻結構，且模擬得到的螺旋雨帶強度偏弱，結構松散，與實際觀測相距甚遠。參考Xu等[13]的方法，將2組試驗輸出的10 m高度處水平風速25.7 m/s的等值線包圍的區域定義為臺風的內核尺度（圖5中的黑色等值線圈出的區域）。顯然，只有試驗YSU成功模擬出完整的臺風內核，大致呈邊界規則的圓形；而試驗MYNN2無法模擬出完整的臺風內核。螺旋雨帶和內核尺度模擬效果的差異主要是2組試驗模擬得到的臺風強度的明顯差異造成的。試驗MYNN2模擬得到的臺風強度過弱，于是無法模擬得到結構完整、清晰的螺旋雨帶和內核尺度。

綜上所述，在模擬臺風路徑上，2組試驗均模擬出臺風西移的過程；但在臺風強度、螺旋雨帶以及內核尺度上，試驗YSU的模擬效果明顯優于試驗MYNN2。

2.2 邊界層結構模擬效果對比

試驗YSU、試驗MYNN2在對臺風自身結構、強度的模擬上表現出明顯的差異，在此繼續基于模式第二層6 km水平分辨率細網格輸出數據分析這2種邊界層參數化方案對于臺風外圍邊界層內部結構的影響。

2.2.1 邊界層頂高。

由圖7可知，整體而言，2個參數化方案模擬得到的海洋上的邊界層頂高高于陸地上的邊界層頂高。DOTSTAR在進行探空觀測時對應的局地時間為17日08∶00。陸地上有明顯的邊界層周日循環，而海上卻沒有[1]。探測時大陸、島嶼上空正處在從夜間穩定邊界層向白天對流型邊界層過渡發展的階段，地表不斷升溫，同時低空大氣也逐漸因為地表的長波輻射作用而逐漸升溫。于是夜間的穩定型邊界層結構逐漸被破壞，白天的對流型邊界層結構逐漸建立起來。但由于距離日出并沒有過去太長的時間，對流型邊界層并沒有完全形成，所以2組試驗模擬得到的陸上邊界層頂高依然較低。試驗YSU模擬得到的大陸、島嶼上空邊界層頂高大致在500 m以下。試驗MYNN2模擬得到的陸地上空的邊界層頂高稍高于試驗YSU的模擬結果。在海上，由于海洋巨大的熱容量，所以海表溫度的周日循環變化相比較地表溫度而言小很多，海洋作為一個持續的熱源持續對低空大氣進行加熱，始終維持著海洋上空的對流型邊界層結構，所以海洋上空沒有明顯的邊界層結構的周日循環。該研究由于模擬時間較短（僅18 h），所以在模式設置時沒有選擇海溫更新選項。海洋持續加熱低空大氣，所以2組試驗模擬得到的海洋上空的邊界層頂高一致明顯高于陸地。由于試驗YSU成功模擬出臺風的螺旋雨帶和眼墻結構，而在螺旋雨帶之間以及臺風眼中盛行明顯的下沉運動，所以在海上螺旋雨帶和臺風眼內，試驗YSU模擬得到的邊界層頂高比海上其他區域明顯偏低。但對于試驗MYNN2而言，由于模擬得到的臺風強度嚴重偏弱，模擬得到的螺旋雨帶結構松散，沒有模擬出明顯的眼墻結構，所以海上邊界層頂高的模擬無法看出像試驗YSU中模擬得到的螺旋雨帶之間條帶狀的邊界層頂高低值區和臺風眼內的邊界層頂高低值區。

2.2.2 位溫廓線。

上文提及，DOTSTAR計劃在對臺風“鲇魚”進行觀測時，航程大致可以分為3段，即接近臺風向東飛行、環繞臺風飛行、離開臺風向西北方向飛行，相對應釋放的探空儀位置分別位于臺風西側外圍、環繞臺風外圍、臺風北側外圍。對于這3段航程，臺風西側外圍選取第2個探空儀進行研究，環繞臺風外圍選取第8個和第13個探空儀進行研究，即臺風中心外圍南北方向上各一個探空儀；臺風外圍北側選取第16個探空儀進行研究。為了能夠有一個對于邊界層內整體模擬情況的研究，在此并沒有嚴格將各個物理量廓線的研究高度限制在海表至邊界層頂高位置上，而是統一研究 2 000 m以下高度各個物理量的廓線。

從圖8可以看出，臺風西側與南側的實際探空廓線在2 000 m以下大致表現為均一的中性層結，位溫隨高度變化不大；而在臺風北側釋放的2個探空儀探測到的位溫廓線在1 000 m以下表現為中性層結，在1 000～1 300 m附近表現為強逆溫層結。2組試驗中試驗YSU對于位溫廓線的模擬比試驗MYNN2更加與實際探空接近，尤其是模擬出了2個在臺風北側釋放的探空儀觀測到的強逆溫層結，同時也準確模擬出強逆溫層結所在的垂直位置。整體而言，試驗MYNN2模擬得到的位溫偏低，與探空存在一定差距。并且在臺風南側試驗MYNN2模擬出虛假的強逆溫層結。所以在位溫模擬上，YSU方案優于MYNN2方案。

2.2.3 水汽混合比廓線。

由圖9可知，在臺風西側和南側，探空觀測顯示水汽混合比隨著高度的上升而逐漸降低。在臺風北側釋放的2個探空儀觀測到1 000 m以下水汽混合比基本維持不變，只是小幅下降，而在1 000 m附近存在明顯的水汽混合比隨高度銳減層。在對臺風西側和南側水汽混合比廓線的模擬上，1 300 m高度以下試驗YSU模擬結果與實際探空較為接近；但在1 300 m高度之上試驗YSU與試驗MYNN2模擬結果接近，均比實際探空偏干。試驗YSU成功模擬出臺風北側2個探空儀觀測到的水汽混合比隨高度銳減層，且模擬得到的層結位置也與實際探空吻合得很好；但試驗MYNN2僅能模擬出其中的一個水汽混合比隨高度銳減層，且位置偏高，與實際觀測偏差較大，而且還模擬出臺風南側虛假的水汽混合比隨高度增加層。所以，在水汽混合比的模擬上，YSU方案也同樣優于MYNN2方案。

2.2.4 風向廓線。

從實際探空觀測得到的風向廓線（圖10）來看，臺風西側和北側自下而上為一致的東北風；而在臺風南側，則以自下而上一致的南風為主。在臺風西側，試驗YSU模擬效果與實際探空觀測較為接近，試驗MYNN2模擬結果比實際觀測風向偏東；在臺風南側，1 300 m以下低空試驗MYNN2模擬結果與實際觀測較為接近，而1 300 m以上2組試驗模擬結果接近，均比實際風向偏東；在臺風北側，試驗MYNN2對于第13個探空儀觀測到風向的模擬存在自下而上整體偏東的誤差，但對第16個探空儀1 500 m以上高度風向的模擬效果卻優于試驗YSU。

2.2.5 風速廓線。

由圖11可見，大多數情況下試驗YSU模擬得到的風速比試驗MYNN2模擬得到的風速偏大。除對于第11個探空儀500 m以下和第16個探空儀1 000 m以上風速的模擬外，試驗YSU模擬得到的風速均比實際探空觀測偏大。2組試驗對于風速的模擬效果沒有明顯優劣之分。

3 結論

利用DOTSTAR探空數據與WRF模式（3.8版本），針對1013號超強臺風“鲇魚”開展了邊界層參數化方案的數值模擬敏感性研究。結果表明，非局地YSU方案對于臺風強度、路徑、螺旋雨帶、內核尺度的模擬明顯優于局地MYNN2方案，與實際觀測更加接近。對于臺風外圍區域邊界層內部結構的模擬而言，YSU方案模擬位溫、水汽混合比、風向效果較好；YSU方案與MYNN2方案對于風速的模擬沒有明顯優劣區別。

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