海表温度对台风“梅花”影响的数值试验分析*

韩树宗，胡耀辉，徐常三

（1.中国海洋大学海洋环境学院，山东 青岛266100；2.国家海洋局南通海洋环境监测中心站，江苏 南通226000）

台风是产生在海表温度（SST）26℃以上的热带洋面的天气系统，它带来的大风、暴雨及风暴潮等灾害严重威胁人类生命财产安全。台风在发展演变的过程中，在Ekman抽吸及大风夹卷等作用下，使得局部SST发生明显降温现象；而SST也影响着海面对大气的热量通量，进而影响台风的路径及强度。Leipper［1］通过对Hilde台风过程的观测，指出在台风影响70～200英里内SST降低超过5℃；Ren［3］的敏感性数值试验显示SST减少1℃，最低气压增加7hPa；Zhu［4］利用MM5大气模式研究得出SST减小1℃，热带气旋可衰减20hPa。

在全球变暖的背景下，东中国海（东中国海指朝鲜半岛、九州岛、琉球岛链、台湾岛以内的渤海、黄海和东海）SST总体呈现升高趋势。冯琳等［5］统计结果显示东中国海SST平均每年升高0.015℃。

目前，SST对台风个例的影响分析已较多，但对东中国海台风过程的SST响应研究较少，同时缺乏进一步的海洋波浪、风暴潮等海洋水文要素的影响分析。本文基于梅花过程，设置不同时间分辨率SST进行数值试验模拟，并考虑SST多年变化设置SST气候态变化背景下的数值试验，对台风响应进行定量分析。

1 资料分析

satellite）Microwave Imager（TMI）的SST资料（ftp：／／ftp.ssmi.com／tmi），资料空间分辨率为0.25°×0.25°。TRMM／TMI是微波遥感器，它具有穿透云的优点，从而提高了多云海域的海表面温度质量。图1a为8月7日与7月30日TRMM／TMI日均SST资料差值分布，图1b为8月7日TRMM／TMI日平均与周平均SST差值分布情况。可看出 “梅花”带来的最大降温超过10℃，TRMM／TMI的日资料与周资料有着较明显差异，差值最大可达5℃。

采用 Met Office Hadley Centre的 HadISST1海表面温度资料进行1961—2011年共计51年逐月资料统计，得到东中国海SST线性变化规律率，其分布和均值变化曲线见图2、3。HadISST1资料主要采用了Met Office Marine Data Bank及Comprehensive Ocean－Atmosphere Data Set数据集资料，覆盖全球，分辨率为1°×1°。

台风的路径、中心最低气压、近中心最大风速等观测资料均取自CMA－STI西北太平洋热带气旋最佳路径数据集。台风过程海面10m风及海浪有效波高观测数据均取自东海 QF206（123.501°E，31.245°N）、QF207（124.001°E，29.506°N）浮标，风暴潮增水数据为洋口（121.42°E，32.50°N）、吕泗（121.62°E，32.12°N）海洋站提供。

数值试验中使用的周、日分辨率海温资料为TRMM（NASA’S Tropical rainfall Measuring Mission

图1 a 8月7日与7月30日逐日SST资料差值分布图（单位：℃）Fig.1a Horizontal distributions of the difference between Aug.7and Jul.30daily SST data（units：℃）

图1 b 8月7日TRMM／TMI日平均与周平均SST差值分布图（单位：℃）Fig.1b Horizontal distributions of the difference between Day－average and Month－average TRMM／TMI SST data（units：℃）

图2 1961—2011年海温年变化率分布（单位：℃）Fig.2 The spatial pattern of linear SST change in the East China Sea from 1961to 2011（units：℃）

图3 东中国海SST年均值的51年序列及其线性变化趋势Fig.3 Time series of spatial averaged SST and its linear trend in the East China Sea

图4 观测站点位置图Fig.4 The location of observe stations

2 模式设置及数值方案

使用WRF模式V3.3.1模拟台风过程，模拟采用双重网格嵌套，大小区皆为正方形区域，大区范围为113.29°E ～141.00°E，18°N～42°N，水平分辨率为18km，格点数为148×148；小区范围为120.00°E ～131.55°E，24°N～34°N，水平分辨率为6km，格点数为183×183。除嵌套区关闭了大区使用的Kain－Fritsch积云对流方案，两层采用物理方案基本一致：RRTM长波辐射方案，Dudhia短波辐射方案，YSU行星边界层方案，Monin－Obukhov近地面层方案，微物理过程方案采取Lin方案。初始场及侧边界条件均取自NCEP／NCAR FNL（1°×1°）数据，模拟时间为2011年8月1日00时～8月9日00时，模拟时间步长取100s，后报试验首先从FNL数据获取初始场，开始12h初始场调整适应运行，而后进行60h后报，各试验分别为3次后报模拟后得到最后的结果。

表1 E试验数值方案设置Table1 Numerical experiment of E settings

图5 WRF模拟范围图Fig.5 The simulation domains of WRF

图6 模拟范围水深地形图（单位：米）Fig.6 The simulation terrain of WRF（unit：m）

在WRF模拟各个试验的基础上，使用其海面10m风场及海平面气压场等结果，计算不同SST背景下东中国海沿岸台风“梅花”过程风暴潮及台风浪的变化情况。使 用 FVCOM（Finite Volume Coast and Ocean Model）近岸海洋数值模式模拟台风风暴潮过程。模型计算区域取为117.0°E～128.0°E，22.0°N～41.0°N，水平方向采用可变分辨率网格，最高分辨率可达500m，共有18 992个网格节点和36 025个三角单元，垂直方向分为10层，采用σ坐标系。内模时间步长确定为2s，迭代稳定时间为72h。模拟过程不加潮汐作用，加入气压及风场得到风暴增水情况。海浪的模拟采用第三代海浪模式SWAN（Simulation Waves Nearshore），设置 计 算 区 域 为 117.0°E～131.0°E，24.0°N～42.0°N，网格精度为1／12度（即5′），网格数为 168×216（纬向×经向），计算步长取1 800s。

3 模拟结果分析

3.1 台风路径影响分析

由下图可看出，东中国海范围内台风路径模拟结果较好，试验模拟结果显示，不同的SST条件下台风路径有一定改变但不明显。其中，试验E1较试验E0后报中心位置平均偏差减小2.0%，试验E2后报中心位置平均偏差减小6.7%。试验E3与E2台风模拟中心距离平均值为24.1km，试验E4与E2台风模拟中心距离平均值为31.5km。

图7 E试验结果路径与CMA－STI最佳路径图Fig.7 Tracks of typhoon Mufai from numerical experiment of E and CMA－STI

考虑到后报准确性，本次E试验为分段模拟，即每次仅在初始场基础上模拟60h结果做为模拟结果。这样以来，由于模拟时间过短，SST对台风路径的作用可能不能充分体现。为了讨论不同模拟时间下SST对台风路径影响情况，这里做2组附加试验A、B，增加的模拟时间，不苛求准确性，只求通过试验观察SST对台风路径的影响情况。试验内容如下：

表2 A试验数值方案设置Table 2 Numerical experiment of A settings

表3 B试验数值方案设置Table 3 Numerical experiment of B settings

由图8、9可看出，A试验SST对台风路径改变作用仍不明显，而B试验自台风中心通过琉球群岛后B1、B2试验台风模拟路径有明显不同，台风中心平均偏差达到106.1km，SST变化对台风路径的影响得以体现。综合A、B、E试验结果，SST对台风路径的影响在短时间的WRF试验中并不明显，而在多于5天的模拟中得以较明显体现。这可能是短时间的模拟过程中，SST对台风过程底层的影响未能影响500hPa台风移动的引导动力场环境，而在长时间模拟过程中SST的影响得以体现。需要指出的是，WRF模拟的后报误差会随着积分时间的增加而呈现非线性增长，这也是造成模拟路径误差的不可忽略原因之一。这里SST变化带来的计算扰动对WRF模拟结果的影响，可能也是偏差不断积累、非线性增长的过程。至于SST影响的积累过程及其实现对台风路径影响的过程，将在未来工作中进一步展开讨论。

3.2 台风强度影响分析

图10为观测及各组试验模拟的台风“梅花”最低气压值（Minimum Sea－Level Pressure（MSLP））随积分时间变化图。由图可知，试验模拟的台风强度变化趋势与观测基本吻合。在进入东中国海后，“梅花”强度呈梯度减弱，MSLP值由940hPa梯度增至970hPa，而五组模拟试验结果来看，MSLP也呈震荡梯度增加趋势。

图8 A试验结果路径与CMA－STI最佳路径图Fig.8 Tracks of typhoon Mufai from numerical experiment of A and CMA－STI

图9 B试验结果路径与CMA－STI最佳路径图Fig.9 Tracks of typhoon Mufai from numerical experiment of B and CMA－STI

从符合程度来看，E1与E2的MSLP结果与CMA－STI数据最为接近，其平均偏差分别为5.6、5.3 hPa，而未加入实测SST的E0试验平均偏差达到11.8 hPa，强度预报精度分别提高52.5%和55.1%，说明加入实测SST条件可明显提高台风强度后报精度。E3、E4较E2试验MSLP明显减小，而E4较E3更小，可知台风强度随SST整体加大而增强。从E3、E4试验MSLP减小程度看，由图可看出，整个模拟过程可分为三个阶段：第一阶段为2011年8月1日06时～3日18时，E3试验MSLP结果较E2试验平均减小7.8hPa，E4试验则平均减小17.2hPa；第二阶段为3日18时～6日06时，E3试验MSLP结果较E2试验平均减小3.7hPa，E4试验则平均减小6.8hPa；第三阶段为6日06时～8日08时，E3试验MSLP结果较E2试验平均减小0.4hPa，E4试验则平均减小0.9hPa。

图10 实测与试验后报台风最低气压随时间变化图Fig.10 Time series of the MSLP from observation and experiment

图11 为E3、E4试验台风中心SST设置增加值变化过程图，综合图2及图11可知，台风“梅花”中心于第二阶段时间范围运动至台湾海峡至朝鲜半岛的SST增温极值带，而试验结果显示第一阶段SST对台风强度影响最明显，说明SST的变化并非影响台风强度变化的唯一因素。考虑到台风“梅花”进入东中国海后自身强度减弱的趋势，在第一阶段时，台风处于成熟阶段，且移动速度较慢，台风强度受SST影响明显；而台风在第二、三阶段逐渐进入消亡期，移动速度加快，其强度受到SST变化影响程度减弱。可以看出，台风强度受SST增温影响而改变的程度，与台风本身强度、移动速度关系密切。台风本身处于成熟阶段、移动速度慢时对SST增温响应明显，而在衰亡期、移动速度快时对SST增温敏感程度降低。

图11 E3、E4试验台风中心SST设置增加值变化过程图Fig.11 Time series of SST in experiment of E3、E4at Typhoon center

图12 为观测及各组试验模拟的台风“梅花”10m最大风速值 MWSP（Maximum wind－speed）随积分时间变化图。综合图10与图12可看出MWSP与MSLP对应较好，图12从海面10m最大风速角度反应出台风的强度变化趋势，其各个试验结果印证了由MSLP各组试验得出的结论。相对MSLP的试验结果，MWSP变化相对较弱，可知在SST变化后，气压的响应速度相对风速更快、响应程度更为强烈。

图12 实测与试验后报台风10m最大风速随时间变化图Fig.12 Time series of the MWSP （10m）from observation and experiment

3.3 热量通量影响分析

从下图可以看出，潜热通量、感热通量在SST增加后的E3、E4试验较E2试验增大明显。E3试验嵌套区域内潜热通量较E2试验平均增加12.4W／m2，E4试验平均增加18.7W／m2；E3试验嵌套区域内感热通量较E2试验平均增加3.2W／m2；E4试验平均增加8.1 W／m2。由图可看出，潜热通量与感热通量作为海洋对大气的热量输出的两大重要形式，潜热通量的量值更大，作用更明显。

图13 嵌套区域内潜热通量均值变化曲线图Fig.13 Time series of latent heat flux averaged in the nesting area

图14 嵌套区域内感热通量均值变化曲线图Fig.14 Time series of Sensible heat flux averaged in the nesting area

3.4 台风浪影响分析

本文采用波浪能量密度的变化来表征台风浪的变化。其中，波浪能密度公式采用美国EPRI（Electric Power Institute）波浪资源评估算法：PW＝0.5×H1／3×T ，其中 H1／3为有效波高，为平均周期。由图15可知，SST增加后，台风浪能量密度分布变化明显。经统计计算得出，其中5日22时E3试验波浪能量密度最大值较E2试验增加44.7W／m，E4试验最大值增加1 80.2W／m；随着台风强度减弱，6日11时E3试验波浪能量密度最大值较E2增加57.8W／m，E4试验则增加7.9W／m。从E3、E4试验波浪能与E2试验结果的差值分布来看，SST增加后波浪能密度整体呈增加态势，但也有减小区域，这主要是由于SST增加后台风结构发生变化的结果，同时，台风路径的偏离也是导致分布变化的重要原因。

图15 台风浪能量密度分布图Fig.15 The distributions of wave energy density

图16为嵌套区域内波浪能密度均值变化曲线图。可以看出，6日06时以前即台风减弱第二阶段以前，SST对台风浪能量的提高有显著作用，进入第三阶段后，SST对台风浪的作用减弱，三组试验能密度结果相差不大。E4试验波浪能密度均值最大值较E2试验提高6.1W／m；E3试验波浪能密度均值最大值较E2试验提高2.6W／m。

图16 嵌套区域波浪能量密度均值变化曲线图Fig.16 Time series of wave energy density averaged in the nesting area

3.5 风暴潮影响分析

为了考察SST变化后对台风风暴潮的影响，这里取5个站点，研究其水位变化情况。研究站点设置见图17。

图17 风暴潮研究站位图Fig.17 Stations of storm surge study

图18为各站位风暴增水过程图。其中，E3试验较E2试验在站点A～E风暴增水最大值分别增加9.9、－2.2、5.3、1.6、1.3cm，平均增加3.2cm；E4试验较E2试验风暴增水最大值各站点分别增加23.9、7.8、6.5、5.9、10.4cm，平均增加10.9cm。可知SST的增加对台风风暴潮有较显著加强作用。

图18 各站点风暴增水过程图（A～E对应A～E站点增水过程）Fig.18 Time series of storm surge（A～E for stations A～E）

4 结论

本文通过针对台风梅花的数值模拟试验，得到以下结论：

（1）WRF试验中SST时间精度的提高明显减少了台风“梅花”的后报误差，使用日平均SST的试验较使用NECP自带气候态SST数据的试验，台风路径后报偏差平均减小6.7%，台风强度后报准确度提高55.1%，后报精度提高明显；

（2）通过对台风“梅花”数值试验发现，台风强度受SST增温影响而改变的程度，与台风本身强度、移动速度关系密切。台风本身处于成熟阶段、移动速度慢时对SST增温响应明显，而在衰亡期、移动速度快时对SST增温敏感程度降低；

（3）在SST整体增加后，试验的后报结果海平面气压迅速减小，海面10m风速明显加大，SST按照多年线性变化规律变化100年的对应数值试验的嵌套区域内，潜热通量较SST未变化试验平均增加18.7W／m2，台风浪波浪能密度均值极值增加1.2W／m，风暴增水值平均增加10.9cm，增幅明显。

［1］ Leipper D F.Observed ocean conditions and Hurricane Hilda，1964［J］.J Atmos.Sci，1967：24：182－196.

［2］ Walker N D，Leben R R，Balasubramanian S.Hurricane－forced upwelling andchlorophyll a enhancement within cold－core cyclones in the Gulf of Mexico［J］.Geophys Res Lett，2005：32，L18610，doi：10.1029／2005GL023716.

［3］ Ren Xuejuan，Willian Pebble.Air－sea interaction of typhoon Sinlaku（2002）simulated by the Canadian MC2model［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2006，23（4）：521－530.

［4］ Zhang Zhu Tong，Zhang Da lin.The Impact of the storm induced SST cool on Hurricane intensity［J］.Advances in Atmospheric Sciences，2006：23（1）：14－22.

［5］ 冯琳，林霄沛.1945—2006年东中国海海表温度的长期变化趋势［J］.中国海洋大学学报：自然科学版，2009：39（1）：13－18.

［6］ 陈颖珺，谢强，蒙伟光，等.不同海表面温度对南海台风“杜鹃”的影响试验［J］.热带气象学报，2009，25（4）：401－406.

［7］ 刘翔，蒋国荣，卓海峰.SST对台风“珍珠”影响的数值试验［J］.海洋预报，2009，26（3）：1－11.

［8］ 赵彪，乔方利，王关锁.海洋表层温度对台风“蔷薇”路径和强度预测精度的影响［J］.海洋学报，2012，34（4）：41－52.

［9］ 端义宏.海温变化对热带气旋强度影响的数值模拟试验.85—906—07课题组，台风科学、业务试验和天气动力学理论的研究（第三分册）［M］.北京：气象出版社，1995：129－140.

［10］ 王振会.TRMM－星测雨雷达及其应用研究综述［J］.气象科学，2001，21（4）：491－500.

［11］ 马艳，张庆华 .海面热作用对台风发展的数值研究［J］.水动力学研究与进展 （A辑），2003，18（5）：584－588.

［12］ 陈希，沙文钰，闵锦忠，等.湛江港邻近海域台风浪的模拟研究［J］.南京气象学院学报，2002，25（6）：779－786.