2种边界层参数化方案对1013号超强台风“鲇鱼”数值模拟的敏感性研究

胡昊

摘要 利用中国台湾地区“侵台台风之飞机侦察及投落送观测实验（DOTSTAR）”探空数据与WRF模式（3.8版本），针对1013号超强台风“鲇鱼”开展了边界层参数化方案的数值模拟敏感性研究。结果表明，非局地YSU方案在台风强度、路径、螺旋雨带、内核尺度以及台风外围位温、水汽混合比、风向这些方面的模拟效果优于局地MYNN2方案；但在风速的模拟上，YSU方案与MYNN2方案没有明显的优劣之分。

关键词 超强台风“鲇鱼”；数值模拟；边界层参数化方案；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

由于大气运动学方程中存在着湍流通量项，使得方程组无法闭合，为了解决方程组的闭合问题，就需要引入边界层参数化方案[1]。WRF模式作为一种主流的中尺度数值模式，其中一共引入了13种边界层参数化方案。前人对于边界层参数化方案在降水[2-4]、边界层结构[5-8]、污染扩散[9-10]、台风[11-12]等方面的适用开展了大量的模拟研究。笔者选取非局地YSU方案与局地MYNN2方案这2种常用的边界层参数化方案对1013号超强台风“鲇鱼”进行模拟与分析，以期为台风周边区域边界层热力与动力结构的数值模拟研究提供参考。

1 资料与方法

1.1 DOTSTAR计划观测情况

中国台湾地区“侵台台风之飞机侦察及投落送观测实验（DOTSTAR，Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the TAiwan Region）”计划于2010年10月17日05∶40—09∶46共释放了16个探空仪对台风“鲇鱼”进行观测（图1）。根据探空位置和台风中心之间的关系DOTSTAR观测航程大致可以分为3段：首先，第1个至第3个探空仪自西向东在台风西侧外围释放进行观测；接着，环绕台风中心外围释放了第4个至第13个探空仪；最后，在台风北侧释放了第14个至第16个探空仪。于是大致上台风西侧有3个探空仪进行观测，环绕台风中心外围有10个探空仪进行观测，在台风北侧有3个探空仪进行观测。

在探空观测进行的时候，台风“鲇鱼”位于大陆高压与海上高压组成的高压带南侧，在高压带南侧偏东风的引导下逐渐向西移动，强度上从强台风等级逐渐加强为超强台风。

1.2 模拟设置

为了研究参数化方案对台风周边边界层结构的影响，选取了YSU方案和MYNN2方案这2种较为常用的边界层参数化方案对于台风“鲇鱼”进行模拟，并将二者分别记为试验YSU与试验MYNN2。试验采用三重移动嵌套网格，由外至内将水平分辨率设置为18、6、2 km，并将格点数分别设置为250×250、379×337与268×274。具体模拟区域如图2所示。每层嵌套在垂直方向上均设置为45层。为了获得对边界层结构更加详细的模拟结果，在 2 000 m高度以下对垂直分层进行加密设置，共设置30层。2组试验除了选择不同的边界层参数化方案之外，其余的参数化方案均设置了MM5近地层参数化方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Noah陆面模式。同时在最外层粗网格采用Kain-Fritsch积云参数化方案和WSM6微物理方案。第二层与最内层网格分辨率较高，故未设置积云参数化方案，采用了WSM3微物理方案。模拟时间设置为2010年10月16日20∶00—17日14∶00。16日20∶00—17日05∶00預留作为模式的spin up时间，而之后的模式输出数据用于比对验证。

2 结果与分析

2.1 台风模拟情况 由图3可知，模拟期间台风自西向东移动，并逐渐从向西北方向移动转为向西南方向移动。2组试验均模拟出台风的西行趋势，但模拟路径均比实际路径偏北，移动速度稍慢。模拟期间JTWC观测数据显示，台风强度逐渐从16日20∶00的941 hPa加强至17日14∶00的914 hPa。在台风强度的模拟上，2组试验均比实际偏弱（图4）；试验YSU成功模拟出台风逐渐加强的过程，模拟得到的台风强度从16日20∶00的989.97 hPa加强至17日14∶00的959.21 hPa；试验MYNN2却未能模拟出台风的加强趋势，模拟期间台风强度从16日20∶00的989.97 hPa减弱至17日14∶00的1 004.22 hPa，与实际观测严重不符。

利用模式第二层6 km水平分辨率细网格输出的1 000 m高度处雷达反射率识别台风的螺旋雨带（图5），并与F-13卫星37V和MTSAT卫星红外云图合成图（图6）进行对比，结果发现，试验YSU成功模拟出台风“鲇鱼”的螺旋雨带和眼墙结构，与实际观测最为接近；而试验MYNN2无法模拟出台风完整的眼墙结构，且模拟得到的螺旋雨带强度偏弱，结构松散，与实际观测相距甚远。参考Xu等[13]的方法，将2组试验输出的10 m高度处水平风速25.7 m/s的等值线包围的区域定义为台风的内核尺度（图5中的黑色等值线圈出的区域）。显然，只有试验YSU成功模拟出完整的台风内核，大致呈边界规则的圆形；而试验MYNN2无法模拟出完整的台风内核。螺旋雨带和内核尺度模拟效果的差异主要是2组试验模拟得到的台风强度的明显差异造成的。试验MYNN2模拟得到的台风强度过弱，于是无法模拟得到结构完整、清晰的螺旋雨带和内核尺度。

综上所述，在模拟台风路径上，2组试验均模拟出台风西移的过程；但在台风强度、螺旋雨带以及内核尺度上，试验YSU的模拟效果明显优于试验MYNN2。

2.2 边界层结构模拟效果对比

试验YSU、试验MYNN2在对台风自身结构、强度的模拟上表现出明显的差异，在此继续基于模式第二层6 km水平分辨率细网格输出数据分析这2种边界层参数化方案对于台风外围边界层内部结构的影响。

2.2.1 边界层顶高。

由图7可知，整体而言，2个参数化方案模拟得到的海洋上的边界层顶高高于陆地上的边界层顶高。DOTSTAR在进行探空观测时对应的局地时间为17日08∶00。陆地上有明显的边界层周日循环，而海上却没有[1]。探测时大陆、岛屿上空正处在从夜间稳定边界层向白天对流型边界层过渡发展的阶段，地表不断升温，同时低空大气也逐渐因为地表的长波辐射作用而逐渐升温。于是夜间的稳定型边界层结构逐渐被破坏，白天的对流型边界层结构逐渐建立起来。但由于距离日出并没有过去太长的时间，对流型边界层并没有完全形成，所以2组试验模拟得到的陆上边界层顶高依然较低。试验YSU模拟得到的大陆、岛屿上空边界层顶高大致在500 m以下。试验MYNN2模拟得到的陆地上空的边界层顶高稍高于试验YSU的模拟结果。在海上，由于海洋巨大的热容量，所以海表温度的周日循环变化相比较地表温度而言小很多，海洋作为一个持续的热源持续对低空大气进行加热，始终维持着海洋上空的对流型边界层结构，所以海洋上空没有明显的边界层结构的周日循环。该研究由于模拟时间较短（仅18 h），所以在模式设置时没有选择海温更新选项。海洋持续加热低空大气，所以2组试验模拟得到的海洋上空的边界层顶高一致明显高于陆地。由于试验YSU成功模拟出台风的螺旋雨带和眼墙结构，而在螺旋雨带之间以及台风眼中盛行明显的下沉运动，所以在海上螺旋雨带和台风眼内，试验YSU模拟得到的边界层顶高比海上其他区域明显偏低。但对于试验MYNN2而言，由于模拟得到的台风强度严重偏弱，模拟得到的螺旋雨带结构松散，没有模拟出明显的眼墙结构，所以海上边界层顶高的模拟无法看出像试验YSU中模拟得到的螺旋雨带之间条带状的边界层顶高低值区和台风眼内的边界层顶高低值区。

2.2.2 位温廓线。

上文提及，DOTSTAR计划在对台风“鲇鱼”进行观测时，航程大致可以分为3段，即接近台风向东飞行、环绕台风飞行、离开台风向西北方向飞行，相对应释放的探空仪位置分别位于台风西侧外围、环绕台风外围、台风北侧外围。对于这3段航程，台风西侧外围选取第2个探空仪进行研究，环绕台风外围选取第8个和第13个探空仪进行研究，即台风中心外围南北方向上各一个探空仪；台风外围北侧选取第16个探空仪进行研究。为了能够有一个对于边界层内整体模拟情况的研究，在此并没有严格将各个物理量廓线的研究高度限制在海表至边界层顶高位置上，而是统一研究 2 000 m以下高度各个物理量的廓线。

从图8可以看出，台风西侧与南侧的实际探空廓线在2 000 m以下大致表现为均一的中性层结，位温随高度变化不大；而在台风北侧释放的2个探空仪探测到的位温廓线在1 000 m以下表现为中性层结，在1 000～1 300 m附近表现为强逆温层结。2组试验中试验YSU对于位温廓线的模拟比试验MYNN2更加与实际探空接近，尤其是模拟出了2个在台风北侧释放的探空仪观测到的强逆温层结，同时也准确模拟出强逆温层结所在的垂直位置。整体而言，试验MYNN2模拟得到的位温偏低，与探空存在一定差距。并且在台风南侧试验MYNN2模拟出虚假的强逆温层结。所以在位温模拟上，YSU方案优于MYNN2方案。

2.2.3 水汽混合比廓线。

由图9可知，在台风西侧和南侧，探空观测显示水汽混合比随着高度的上升而逐渐降低。在台风北侧释放的2个探空仪观测到1 000 m以下水汽混合比基本维持不变，只是小幅下降，而在1 000 m附近存在明显的水汽混合比随高度锐减层。在对台风西侧和南侧水汽混合比廓线的模拟上，1 300 m高度以下试验YSU模拟结果与实际探空较为接近；但在1 300 m高度之上试验YSU与试验MYNN2模拟结果接近，均比实际探空偏干。试验YSU成功模拟出台风北侧2个探空仪观测到的水汽混合比随高度锐减层，且模拟得到的层结位置也与实际探空吻合得很好；但试验MYNN2仅能模拟出其中的一个水汽混合比随高度锐减层，且位置偏高，与实际观测偏差较大，而且还模拟出台风南侧虚假的水汽混合比隨高度增加层。所以，在水汽混合比的模拟上，YSU方案也同样优于MYNN2方案。

2.2.4 风向廓线。

从实际探空观测得到的风向廓线（图10）来看，台风西侧和北侧自下而上为一致的东北风；而在台风南侧，则以自下而上一致的南风为主。在台风西侧，试验YSU模拟效果与实际探空观测较为接近，试验MYNN2模拟结果比实际观测风向偏东；在台风南侧，1 300 m以下低空试验MYNN2模拟结果与实际观测较为接近，而1 300 m以上2组试验模拟结果接近，均比实际风向偏东；在台风北侧，试验MYNN2对于第13个探空仪观测到风向的模拟存在自下而上整体偏东的误差，但对第16个探空仪1 500 m以上高度风向的模拟效果却优于试验YSU。

2.2.5 风速廓线。

由图11可见，大多数情况下试验YSU模拟得到的风速比试验MYNN2模拟得到的风速偏大。除对于第11个探空仪500 m以下和第16个探空仪1 000 m以上风速的模拟外，试验YSU模拟得到的风速均比实际探空观测偏大。2组试验对于风速的模拟效果没有明显优劣之分。

3 结论

利用DOTSTAR探空数据与WRF模式（3.8版本），针对1013号超强台风“鲇鱼”开展了边界层参数化方案的数值模拟敏感性研究。结果表明，非局地YSU方案对于台风强度、路径、螺旋雨带、内核尺度的模拟明显优于局地MYNN2方案，与实际观测更加接近。对于台风外围区域边界层内部结构的模拟而言，YSU方案模拟位温、水汽混合比、风向效果较好；YSU方案與MYNN2方案对于风速的模拟没有明显优劣区别。

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