2008年东海海面WRF风场和QuikSCAT风场差异分析

崔琳琳，胡松

（上海海洋大学海洋生态系统与环境实验室，上海201306）

2008年东海海面WRF风场和QuikSCAT风场差异分析

崔琳琳，胡松

（上海海洋大学海洋生态系统与环境实验室，上海201306）

为了分析海面风场资料的实用性，利用WRF（Weather Research and Forecasting Model）模拟了2008年东海海面风场，并比较了WRF模拟结果与QuikSCAT卫星散射计资料的差异。结果表明，两种资料均能反映东海海面风场的季节性变化特征，台风月风速偏差波动较大。分析四个台风个例发现，当台风较弱时，两种风场资料分布情况较一致；当台风较强时，两种资料均有不同程度的偏差，在近海区域，WRF模拟结果相比QuikSCAT资料更好地描述台风周围风场特征。

WRF；QuikSCAT；海面风场；台风

1 引言

东海是我国三大边缘海之一，海面风场季节变化明显，冬季以偏北风为主，南部海域以东北风为主，伴随强偏北大风；夏季东海海域以偏南风为主，常有热带气旋经此北上。海面风场对近岸流场影响较大，因此，模拟海流往往需要较为精确的海面风场数据。然而由于观测手段的限制，很难获得较长时间序列和较大空间范围的海面风场观测资料。随着技术发展，人们利用卫星资料对海面风场的研究越来越多[1-3]。此外，用大气数值模式提供海面风场也逐渐成为常用手段。利用大气模式的输出风场或风应力等资料来驱动海洋模式，可以得出更为精确的海洋要素的预报或后报。也有许多研究直接耦合大气和海洋模式，在大气子模式和海洋子模式之间通过表面风应力、10 m风场、海表温度等进行驱动场传递[4-6]。

卫星资料越来越多用到海面风场同化工作中[7-8]。CHELTON等[9]利用QuikSCAT测量的10m矢量风对北半球两个个例进行了预报，NCEP和ECMWF全球数值天气预报模型结果相比于QuikSCAT观测值相当大地低估了风场的空间变化，虽然同化了QuikSCAT观测资料后两个模式对10m风场有所改进，但是QuikSCAT资料包含的信息未被模式充分利用。CHEN[10]利用MM5分别同化了SSM/I和QuikSCAT卫星资料来模拟一次飓风过程，同化后均加强了气旋强度，但由于SSM/I资料缺少风向信息，同化后的效果不如QuikSCAT效果好。我国在风场同化工作方面发展相对较慢，相关研究较少。刘春霞等[11]利用中尺度区域模式WRF和三维变分同化系统GRAPES（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System）探讨了散射计风场资料同化对台风“黄蜂”三维结构分析和预报的影响，结果显示同化散射计风场资料对台风的大风风场分布、海面气压等有明显的正效应，但是对预报场改进有限。同化资料另一来源是现场观测资料，CHEN等[12]研究表明同化现场观测风场大大改进了风速和风向的准确性。赖珍权等[13]研究表明同化不同资料，得到的台风初始场各不相同，对台风预报的影响也各不相同。

许多海洋模型的后报和预报需要精确的海面资料来驱动。多数学者认为将QuikSCAT卫星资料放入WRF同化模型中可以提高风场模拟效果[9-11]，但是WRF无同化模拟结果和QuikSCAT资料差异的研究较少。例如在何种情况下两者差异最大；同化QuikSCAT风场能对WRF风场有多大改进还需进一步讨论。因此本文利用中尺度气象模式WRF模拟了2008年东海海域全年风场，并与QuikSCAT观测资料作比较，为海洋模式利用两种风场资料提供参考。

2 资料、模式简介与试验设计

2.1 QuikSCAT资料简介

QuikSCAT卫星是NASA（National Aeronautics and Space Administration）在1999年发射的极轨卫星，已于2009年11月23日停止使用。QuikSCAT具有高时空分辨率的特点，回归周期为4天，轨道周期为101分钟，轨道高度为803 km，轨道宽度达到1800 km，每天能覆盖90%以上的地球面积。本文所采用海面风资料为美国NASA的JPL（Jet Propulsion Laboratory）经过处理的产品，主要是QuikSCAT卫星所携带海面风散射计SeaWinds收集的每日风场资料，距离海面10 m。研究区域为120.125°—125.875°E，27.375°—32.125°N，水平分辨率为0.25°×0.25°。

2.2 模式简介

WRF[14]模式是由美国研究机构共同研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。该模式分为ARW（the Advanced Research WRF）和NMM（the Nonhydrostatic Mesoscale Model）两种，即研究用和业务用两种形式。WRF模式为完全可压缩以及非静力模式，水平方向采用Arakawa C网格点，垂直方向有两种网格：欧拉高度坐标和欧拉质量坐标。WRF模式在时间积分方面采用三阶或者四阶的Runge-Kutta算法。模式提供了多种物理过程方案用于真实天气的个案模拟，也可以用这些物理模块组作为基本物理过程探讨的理论根据。本文使用的是WRF-ARWV3.2。

2.3 试验设计

本文选择东海海域作为模拟区域（见图1），以（124.0°E，29.4°N）为中心，大区格点数为91×91，小区格点数为73×73，水平分辨率大区为27 km，小区为9 km，垂直方向为27层。模式中使用的物理过程包括：边界层过程采用YSU方案，长波辐射采用RRTM方案，短波辐射采用DUDHIA方案，积云参数方案采用浅对流KAIN-FRITSCH方案，近地面层采用MONIN-OBUKHOV（M-O）方案。试验中初始和侧边界条件用NCEP（National Centers for Environmental Prediction）FNL全球分析资料，该资料的水平分辨率为1°×1°。

图1 模拟区域

3 结果分析

3.1 2008年全年风场月平均分布

根据2008年QuikSCAT资料和WRF模式资料选择区域2分别计算每月风速、风向平均值（见表1），其中QuikSCAT资料风速最大月份为1月，最小为8月，WRF资料风速最大月份为2月，最小月份为8月，冬季风普遍大于夏季风，这是因为冬季冷空气爆发频繁，从而导致降温等过程，易发生大风天气。图2是两种资料的2008年全年风场月平均分布图，1、2月两种资料均以北风为主，风场分布较一致；3月两种资料在风向上出现一定偏差，WRF资料明显以东北风为主，QuikSCAT资料则是北风；4月风向偏差仍然存在；5月风向偏差减小，风速也有所减弱，整个海域受东北风控制；6月风向转变，呈气旋式分布，两者分布情况较一致；7月两种资料风场分布基本吻合，南风为主；8月风速最小，整个海域呈两种态势，靠近沿岸风场呈气旋式分布，东南区则呈反气旋式分布；9月风向再次转变，呈东北风，两种资料基本一致；10月相比9月没有多大变化；11月风向基本转为北风；12月北部海域受西北风影响。整体上，两种资料基本一致，均能反映东海海域风场季节变化的细节特征。

表1 两种资料月平均值

图2 2008年风场月平均分布

图3是根据两种资料制作的2008年东海海域海面风场每月风玫瑰图，QuikSCAT资料各月特征为：1月份第一风向北风的频率大于60%，第二、三风向均小于20%；2月份第一风向仍是北风，频率减小至60%以内，第二风向东北风频率大于20%，第三风向西北风变化不大；3月份八个方向的风都有，第一、二、三风向仍然是北风、东北风和西北风，其中第一风向的频率已减少至40%以内，第二风向频率增大，但该方向平均风速减小；4月份第一、二、三风向分别为东风、东北风和北风，频率均小于30%；5月份第一风向重新转为北风，第二风向为东北风；风向突变发生在6月份，该月第一风向为西南风，此时正是夏季风生成时期，第二、三风向分别为南风和东风，频率均不高；7月份第一、二、三风向分别为南风、西南风和东南风，其中第一风向频率增大，接近40%，其它风向频率均在5%以内；8月份以西南风为第一风向，其次是东风和西风；9月份风向发生转变，第一风向变为西北风，频率超过30%，第二、三风向分别为东风和北风；10、11、12月份第一风向均为北风，频率依次增大，12月份高于50%，且该方向的风速也在增大。

图3 2008年各月风玫瑰图

WRF资料各月特征为：1、2月以偏北风为主，第一风向频率大于50%；3月北风减弱，第一、二风向分别为北风和东北风，频率约为20%；4、5月长江口附近风向转为东南风，其它海域仍以东北风为主；4月份第一风向为东风，频率大于20%，5月份第一风向为东北风；6月整个海区风向呈气旋式转变，该月第一风向为西南风，频率接近20%。至7月份东海受东南风控制，风速有所增大，第一风向东南风频率接近30%，第二、三风向分别为南风和西南风；8月份该海域南部以西南风为主，北部为东南风，风向变化复杂，八个方向风向都占有一定比例，第一风向西南风频率达到20%；9月海面风场又发生一次突变，以东北风为主，第一风向东北风频率接近35%；10月相比于9月风场变化不大，第一风向东北风频率约40%；11月北部海域风向转为北风，第一风向北风频率约为40%；12月开始转为西北风，南部略呈东北风。对比分析，两者资料各月主要风向基本一致，但是QuikSCAT资料第一风向频率略高于模拟结果，风向的平均速度QuikSCAT资料大于模拟结果。

3.2 WRF模拟结果与QuikSCAT散射结果的差异

计算两种资料2008年全年风速的偏差均方差，此处的均方差为两种资料每天相近时刻偏差（WRF-QuikSCAT）的均方差，全年风速偏差均方差为2.87 m/s。表2是模拟的风速与QuikSCAT散射计资料每月偏差均方差，可见台风月（6—9月）两者风速偏差波动较大。

表2 模拟风速与QuikSCAT风速偏差均方差

4 台风个例分析

通过比较发现2008年有4个热带气旋对东海海域影响较大（见图4），分别为7号台风“海鸥”、8号强台风“凤凰”、13号超强台风“森拉克”、15号超强台风“蔷薇”，其中“森拉克”和“蔷薇”发生在9月份，“海鸥”发生在7月份，但其在福建登陆，在地面摩擦辐合作用下逐渐减弱，对东海海域影响不及直接在海上移动的台风影响大，“凤凰”位置相比海鸥更偏西。10月份至次年5月份，该海域受冷空气影响的可能性比较大，强烈的冷空气南下则有可能发展成寒潮天气。根据历史资料表明2008年1月、2月、4月、11月、12月各月均受不同程度的冷空气影响，12月份爆发了一次寒潮天气，此外入海气旋对该海域影响也较显著，这些均有可能导致两种资料冬、夏季的差异。下面综合考虑台风发展强度和QuikSCAT资料分布情况，选择强度较强且QuikSCAT资料较多的时刻讨论台风过程中两种资料风场特征。

图4 台风路径

4.1 台风“海鸥”个例分析

第0807号台风“海鸥”于7月15日（北京时）下午在菲律宾吕宋岛北部以东的洋面上生成，于16日晚加强为强热带风暴，17日发展成为台风，达到强度极值35 m/s。21时40分“海鸥”在台湾宜兰县南部沿海登陆，登陆时中心最大风力12级，中心附近的最低气压975 hPa。18日18时10分在福建省霞浦县长春镇再次登陆，登陆时中心附近最大风力10级，中心附近的最低气压988 hPa，登陆后很快减弱为热带风暴，并逐渐转向偏北方向移动。19日凌晨“海鸥”进入浙江，傍晚进入江苏境内。20日凌晨进入黄海南部海面及转向东北方向移动，强度减弱为热带低压。

图5是两种资料获得的台风“海鸥”在7月19日21时（UTC）左右的风场差值矢量图（WRF-QuikSCAT，下同），根据2008年《热带气旋年鉴》[15]记录显示此时“海鸥”强度已经减弱，台风中心气压为998 hPa，中心风速为17 m/s，模式模拟的近中心最大风速为15.64 m/s，中心附近最低气压为995.1 hPa，QuikSCAT最大风速为22.02 m/s，模式对台风强度模拟与实际强度较接近，最大风速大小较实际略小，QuikSCAT资料高估了最大风速大小，与实际偏差较大。比较风场分布情况，两种风场资料大致体现了台风风场特征，在台风左前侧风速差异较大。

图5 0807号台风“海鸥”风场差值矢量图

4.2 台风“凤凰”个例分析

第0808号强台风“凤凰”于7月25日（北京时）下午在西北太平洋洋面上生成，26日下午加强为台风，27日台风中心转向西北方向移动，强度继续加强，27日夜间加强为强台风。28日6时30分“凤凰”以强台风的强度在台湾花莲南部沿海第一次登陆，22时在福建福清东瀚镇再次登陆，登陆时为台风强度，中心附近的最大风力有12级，中心附近的最低气压975 hPa。登陆后，台风强度逐渐减弱。29日夜间，进入江西省东北部，30日下午减弱为热带低压，并转向北移动，最终于8月1日凌晨消失。

图6是台风“凤凰”在7月28日10时（UTC）的模拟风场和相近时刻的QuikSCAT测量风场的差值矢量图，热带气旋年鉴记载此刻台风中心附近最大风速为35 m/s，中心气压为970 hPa，模式输出最大风速为30.02 m/s，最低气压为974.8 hPa，QuikSCAT测得的最大风速为31.31 m/s，两种风场资料与实际风速均有偏差，但两种资料吻合较好。

图6 0808号台风“凤凰”风场差值矢量图

4.3 台风“森拉克”个例分析

第0813号超强台风“森拉克”是于9月8日（北京时）上午在菲律宾马尼拉以东的西北太平洋洋面上发展形成的一个热带低压。生成后缓慢地向西北偏北方向移动，9日凌晨加强为热带风暴，6小时后增强为强热带风暴，晚间进一步增强为台风。10日下午“森拉克”转向东北偏北移动，强度加强至超强台风。14日1时50分“森拉克”在台湾宜兰县北部登陆，登陆时中心附近最大风力有15级，中心附近最低气压945 hPa。登陆后强度略有减弱并向南偏移，逆时针旋转后向西北移动，中午时进入台湾西北部海面，并持续在西北部海面缓慢移动，再次呈逆时针打转现象。15日凌晨“森拉克”在福建近海面北上，15日11时后折向东偏北向移动，强度减弱为强热带风暴，16日下午减弱为热带风暴，17日“森拉克”再次加强为强热带风暴并转向东北。20日夜间在日本南部减弱为热带风暴，随后在日本以东的西北太平洋上转变成温带气旋后继续向东移动。

图7是“森拉克”在9月16日21时（UTC）的模拟风场和相近时刻的QuikSCAT风场的差值矢量图，记录显示其中心附近最大风速为18 m/s，中心气压为995 hPa，模式模拟的最大风速为33.07 m/s，中心气压为963 hPa，QuikSCAT测得最大风速为23.07 m/s，两种风场资料均高估了台风中心附近的最大风速，模式模拟的热带气旋的强度比实际强得多。

图7 0813号台风“森拉克”风场差值矢量图

4.4 台风“蔷薇”风场比较

第0815号超强台风“蔷薇（Jangmi）”于9月24日（北京时）晚在菲律宾以东洋面上生成，强度发展为热带风暴，25日上午加强为强热带风暴，下午进一步加强为台风。“蔷薇”的风速增大较快，27日午后中心强度达到了极值，近中心的最大风速65 m/s，中心附近最低气压为910 hPa。“蔷薇”于9月28日15时40分在台湾宜兰县南澳附近登陆，登陆后强度减弱为强台风并向南偏移，23时左右向北北西移动，29日4时20分左右在桃园附近出海，29日8时台风中心减弱为强热带风暴并在台湾海峡北部海面突然折向北偏东方向移动。30日8时其强度减弱为热带风暴并又在东海向东方向移动。

超强台风“蔷薇”到达东海海域已减弱为热带风暴，根据2008年的《热带气旋年鉴》，9月30日10时（UTC）中心风速为25 m/s，中心气压为990 hPa，模式模拟的近中心最大风速为21.95 m/s，近中心最低气压为995.8 hPa，QuikSCAT资料获得的最大风速为18.63 m/s，说明模式模拟的热带气旋强度与实际较接近，QuikSCAT对台风中心大风的散射结果误差较大。图8是此时台风“蔷薇”的模拟风场和QuikSCAT卫星反演风场的差值矢量图，在该海域北部海域模拟结果与QuikSCAT反演结果较接近，但是在台风中心附近两者风向差别较大，风向最大偏差几乎接近90°，WRF风场更能表现台风气旋性变化特征。

图8 0815号台风“蔷薇”风场差值矢量图

5 结语

本文利用中尺度气象模式WRF模拟了2008年东海海面风场，并将其与QuikSCAT卫星风场资料作比较，结果表明两种资料均能反映东海海面风场的季节特征，根据两者风速差异的均方差可见台风月（6、7、8、9月）两者风速偏差波动较大。

通过分析四个台风个例发现，模式模拟的热带气旋的强度基本与实际接近，只有对“森拉克”强度模拟远远大于实际强度；当台风较弱时，台风中心附近两种风场资料分布情况较接近；当台风较强时，两种资料均有不同程度的偏差,相比QuikSCAT资料，WRF风场更好地反映了近海区域台风周围风场分布特征。可见，将QuikSCAT风场资料同化到WRF模式中在大多数情况下可以改善近海风场，但是在强台风下，由于QiukSCAT自身数据不够理想，将QuikSCAT同化到WRF后的准确性还需进一步分析。在考虑为海洋模型提供风场时，台风期间应当补充其他数据来源，如海洋浮标观测等。

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Analysis on difference of sea surface wind field between WRF and QuikSCAT over the East China Sea of 2008

CUI Lin-lin，HU Song
(Marine Ecosystem and Environmental Laboratory,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306 China)

To analyze the practicability of sea surface wind data,we simulated the wind field over the East China Sea of 2008 using Weather Research and Forecasting Model（WRF）.The model results are compared with the QuikSCAT data.The results show that both WRF and QuikSCAT capture the detailed seasonal variation of the sea surface wind field over the East China Sea.The fluctuation of difference of wind magnitudes is large in the months affected by the typhoon.Detailed analysis of four Typhoon passages during July and September shows that：（1）under weak typhoon condition,the difference between WRF and QuikSCAT is slight;（2）under strong typhoon condition,significant difference between WRF and QuikSCAT exists in the near-shore region closing to the center of typhoon,with a better performance of WRF than that of QuikSCAT.

WRF;QuikSCAT;sea surface wind field;typhoon

book=270,ebook=270

P732

：A

：1003-0239（2012）05-0039-09

2011-11-10

上海市科委资助项目（09320503700）；上海市高校优秀青年教师专项基金（B-8101-09-0237）；上海海洋大学国际合作项目（A-2302-11-0003）；教育部回国留学基金（D-8002-11-0109）

崔琳琳（1986-），女，硕士研究生，方向为数值模拟。E-mail:l_n.2006@163.com