基于WRF的台风过程模拟研究

陶韬　罗维

【摘 要】WRF （Weather Research and Forecast） 模式作为新一代的中尺度气象模式，在预测和分析中尺度气象方面具有良好的适用性。台风过程作为极端恶劣的中尺度气象现象，往往会造成巨大的人身和财产的损失。本文利用WRF模式对2011年的某次台风过程进行了模拟，分析模拟区域的选择，Nudging方法对台风路径模拟的影响，并和实际结果进行对比。

【关键词】WRF；台风路径；Nudging方法

0 引言

在大气动力学分析中，通常会将气象现象按照不同的时间和空间尺度进行尺度分析，从而在动力学方程中，采用不同的形式表征这些运动要素的特征和影响[1]。在中尺度气象模式中，大气运动具有较强的竖向非静力平衡性，尤其对于强烈的对流天气结构，浮力可以使气块产生较强的垂直加速度，导致猛烈天气的生成。

中尺度大气数值模式在 20 世纪九十年代已有相当发展，如美国国家环境预报中心用于业务预报的ETA模式，美国宾夕法尼亚大学和国家大气研究中心合作研制的MM5模式，科罗拉多州立大学研发的区域大气模拟系统——RAMS等中尺度模式，已经发展得非常成熟。WRF-ARW模式拟重点解决分辨率为1～10Km、时效为60h以内的有限区域天气预报和模拟问题。

对于台风路径的研究有着不同研究方法，采用数值模式的方式可以对台风进行诊断分析以及预测分析。对于预报模式可以通过确定的边界条件和数值及物理条件的设置模拟一个台风过程发展和移动过程。虽然方法为预测方法，如果在全球模拟中模拟了整个时间段的气象场，中尺度可以利用全球模拟的结果作为边界条件和初始条件以模拟更小尺度下的大气运动过程，如台风过程。利用中尺度模式更加精细的分辨率，对研究台风对地面结构的风荷载有重大意义。

1 WRF模式

WRF 模式系统[2]是 1997 年由美国国家大气研究中心（NCAR） 中小尺度气象处（MMM）、国家环境预报中心（NCEP）的环境模拟中心（EMC）、预报系统试验室的预报研究处（FRD）和俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心（CAPS）四部门联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统。在其发展过程中，分别形成了一个是在NCAR的MM5模式基础上发展的ARW（Advanced Research WRF），另一个是在NCEP的Eta模式上发展而来的NMM（Nonhydrostatics Mesoscale Model），其动力框架如表1所示。本文中采用WRF-ARW模式。

表1 WRF动力框架

WRF的控制方程的通量形式如下所示：

WRF模式的初始条件和边界条件由大气气象资料提供，通常可以通过下载NCEP或者ECWMF的气象再分析资料获得，日本气象厅也提供了10km分辨率的分析资料GPV。

在WRF模式，有多种相关的物理参数化过程方案，如微物理过程方案，卷积云方案，表面层方案，大气边界层方案，大气辐射方案等等。这些方案的选择对中尺度气象现象的模拟有重要的影响。

FDDA（Four-dimensional data assimilation），也代指Nudging方法，可以在各时间步的模拟中使模拟结果向分析或者观测资料靠近。格点Nudging方法指的是在各个格点上使模拟结果靠近分析资料，观测Nudging方法指的是使模拟结果靠近观测数据。本文采用的是格点Nudging方法，其作用方程如下所示，

其中，θ代指的是Nudging方法作用的变量，F（θ）指的是不采用Nudging方法得到的变量的计算结果，Gθ指时间尺度对应的Nudging强度，Wθ指附加的调整的Nudging强度，0指Nudging目标文件在时间和空间上的插值结果。

2 模式设置

2.1 基础算例设置

本文在利用WRF模式模拟的台风过程是2011第12号台风Roke，主要影响的区域为日本本岛，该台风于日本静冈县登陆，而后穿越日本本州岛由宫城县再度进入太平洋。

模式的气象初始场采用的是日本气象局再分析资料GPV，其分辨率为5km，其气象要素按压力层分布包括高度，水平风速，温度，相对湿度，和海面更正气压值。边界条件也由该数据提供，每3小时更新一次。地表温度、湿度及海面温度由欧洲中尺度气象中心再分析资料提供（ECWMF-interm），其分辨率为0.7°，每6小时更新一次。

模式的地表静态资料采用的美国国家地质勘探局USGS资料，主要包括地面高程和地表覆盖信息，其最高分辨率为30s。

在本文的台风过程模拟中，笔者将着重研究不同模式区域的选取对台风过程模拟结果的影响，然后考虑Nudging方法作用的影响。为了排除多变量的复合影响，笔者先设置一个基础算例。算例的相关方案如表2所示。

表2 基础算例参数设置

2.2 变更算例设置

基于基础算例，通过变更其中的某单一因素，可以提出新的计算算例，本文所探究的因素变更算例如下所述。

1）区域变更

台风的发展机理非常复杂，受到四周边界条件，上下顶面压力，地/洋面热效应，以及大气过程等等诸多因素的干扰，导致对其路径的预测具有很大的难度和不确定性。在利用气象模式对某个台风过程进行模拟时，采取不同的模拟区域，将直接改变其边界条件，从而影响区路径的发展。

通常而言，对于模拟台风过程，区域的边界需要“良好”的边界条件，即在模拟时间段内，该边界上的变量需要保持平稳线性的变化。由于气象场资料为3小时更新一次，及在3小时之内，边界上的气象场采用的是沿时间的线性插值边界条件。对于台风过程而言，由于台风经过的地区及周围的气压和风速变化非常剧烈，所以单纯的线性插值不能合适的体现正确的边界条件。通常而言，我们采用的边界需要覆盖整个台风路径的同时，使得边界处在离台风中心较远处。

在本文的算例中，基于基础算例，笔者采用了另外四套区域的选取方案，如下表所示。

表3 区域变更算例

对应的区域位置如下图1所示，图中为计算初始状态，即为2011年9月20日18：00（格林威治时间）1.5km高度处气压场分布，其中白色曲线表示的是模拟时间段内，台风中心的实际移动路线。

图1 四套区域方案示意图

2）采用Nudging方法

由第一章章节内容可知，Nudging方法将作用于模拟过程的各个时间步中，使模拟的计算结果向分析资料或观测值结果靠近。在本文的模拟中，在基础算例的基础上，采用了Nudging方法，其趋近的分析资料为日本气象局GPV数据，每3小时更新一次趋近条件，Nudging方法作用的时间段为模拟时间总长的前半段（18个小时）。其作用的参数设置如表4所示。

表4

需要提到的是，在1000米以下，对于湿度和温度变量，其发展受到微物理过程的控制，通常情况下不会对其进行Nudging作用。

3 计算结果与分析

3.1 变更算例

采用了基础区域算例和四种变更区域的算例的计算结果如图2所示。图中显示了不同区域下台风的模拟路径。

图2 四套区域方案的计算台风路径

宏观上，五种计算区域的台风路径整体上往偏北方向偏离实测路径，其中路径的接近程度为区域1>区域2，基础区域>区域3>区域4，其中区域2与基础区域的效果接近。

区域1的选取范围很小，其在模拟时采用了较短的模拟时间，故其在同一时刻，台风眼位置比其他四种模拟区域更接近真实值，整体上更接近真实值。但是通常情况由于模式需要一定时间的发展，采用较小的区域和较短的模拟时间并不具备很强的说服力，其模拟的结果需要后续工作的验证。

区域2和基础区域都覆盖了台风的整个运动区间，其中区域2的边界离初始时刻台风眼的中心较近，二者的结果比较接近，但是可以看出在开始阶段，区域2偏离了实际路径的偏南方向，这可能是由边界条件变化比较剧烈造成的，但整体上而言，基本符合台风路径。

区域3和区域4的边界分别离台风的影响范围有一定距离，尤其对于区域4而言，其边界处的压力梯度很大部分受到台风外围区域的影响，这会给整个模拟过程带来更多的不确定性。

综合而言，选取计算区域对台风路径模拟的影响很大，本次台风移动的方向比较稳定，更易得到较为良好的结果，选取的区域既应该覆盖台风的发展范围，也不宜远离台风的影响区域。

3.2 Nudging方法的使用

图3显示了Nudging方法作用下台风路径和基础算例下台风路径的对比。

在Nudging方法作用下的初始12个小时内，台风路径同实测路径保持的比较一致，比基础算例路径更接近实测结果。但是当Nudging作用停止后，路径发生了较大角度的偏转，可简要分析原因，由于Nudging作用的目标气象场为3小时内的线性插值，当限制条件突然释放后，计算气象场会保持向原有目标的趋势继续发展，从而使的路径发生偏转。

4 结论

本文通过利用WRF模式对某个台风过程进行了模拟，初步探究了不同选取对台风路径发展的影响，在台风移动方向比较稳定的前提下，可以采用接近台风影响区域范围的模拟区域。同时探究了Nudging方法的作用，其在作用范围内对台风路径的发展有比较良好的修正效果，但是仍需进一步的改进。

【参考文献】

[1]K. Heinke Schlünzen， David Grawe， SylviaI.Bohnenstengel， Ingo Schlüter and Ralf Koppmann[J]. Journal of wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011：99，217-225.

[2]Skamarock， W. C.， et al.. A description of the Advanced Research WRF version 3. NCAR Tech. Note NCAR/TN-4751STR[Z]. 2005.

[责任编辑：汤静]