登陆型台风“尤特”积云对流参数化方案的数值模拟研究

李宸昊，董文杰

（中山大学大气科学学院，广东 珠海 519082）

1 引言

热带气旋（Tropical Cyclone，TC）通常指发生在热带及副热带大洋表面的、具有暖心结构的低压中尺度天气系统。热带气旋往往伴随着强风暴雨，给沿岸地区带来风暴潮和强对流天气等气象灾害，危及受影响地区的人民生命和财产安全。热带气旋在我国被称作“台风＊”。我国是世界上遭受台风袭击频率最高、台风强度最强以及受灾程度最大的国家之一[1]，每年平均有7.4个台风登陆我国沿海地区。由于台风对我国的严重影响，如何对其进行准确地预报是一个非常重要的课题。

近年来，随着大数据和超级计算机技术的发展，利用数值模式对包括台风在内的天气系统进行模拟预报逐渐成为主要的预报方式。当前台风模式预报主要存在两个问题：一是模式初始场存在误差，包括大气和海洋初始状态的误差；二是模式本身存在的误差，其中物理参数化方案的选择对预报结果有很重要的影响。国内外学者对此已做过很多类似的研究。Prater等[2]使用BM（Betts-Miller）及KF（Kain-Fritsch）方案对飓风“Irene”（艾琳）的模拟发现，在使用BM方案进行的模拟中，飓风过早地转向，导致其在较冷的开阔海域减弱并变性，而KF方案更准确地再现了飓风“Irene”的轨迹，这两个参数化方案产生了不同特征的垂直加热廓线，造成廓线的差异与模拟风暴的结构差异有关。Raju等[3]在不同初始条件下选用多种物理参数化方案配置对孟加拉湾特强热带气旋“Nargis”（纳尔吉斯）的模拟表明，随着初始条件的延迟，模式预报在靠近海岸时更为可靠。高元勇等[4]利用MPAS-A（Model for Prediction Across Scales-Atmosphere）模式中3种积云对流参数化方案对10个西北太平洋台风的模拟显示，新的TKD（Tiedtke）方案的模拟结果与观测结果最为接近。Sun等[5]对台风“鲇鱼”的模拟结果表明，GD（Grell-Devenyi）方 案相较 于BMJ（Betts-Miller-Janjic）方案能够更好地还原其路径，造成BMJ方案偏差大的原因是其对西太副高云砧的高估。李响[6]对2003—2008年20个西北太平洋台风的模拟表明，使用KF方案得到的台风路径及强度优于BMJ方案及GD方案，同时指出模拟得到的环流场越接近观测，模拟误差越小。

在影响我国的台风中，按照路径大致可分为3类：（1）西进型。台风自菲律宾以东，加罗林群岛附近洋面生成后一直向西移动，经过菲律宾及南海在我国海南岛或越南北部地区登陆。（2）登陆型。台风自菲律宾以东，加罗林群岛附近洋面生成后向西北方向移动，在我国台湾、广东、福建和浙江一带沿海登陆或二次登陆，登陆后逐渐减弱为热带低压。（3）抛物线型。台风先向西北方向移动，当接近我国华东沿海地区时转向东北方向行进，向朝鲜半岛和日本等地靠近，路径呈抛物线形。在上述3种路径分类中，登陆型对我国的影响最为严重[7]，如接连两年重创粤港澳大湾区的台风“天鸽”（2017年）和台风“山竹”（2018年）均为此型。在气候变化问题日益严重的今天，包括台风在内的极端灾害性天气发生频率越来越高[8]，对我国的影响也将增大，登陆型台风预报成为重要且紧迫的课题。本文利用WRF模式（Weather Research and Forecast）对登陆型台风“尤特”（Utor，2001年第4号）巅峰期—登陆前的生命历程进行模拟。通过6组敏感性试验与观测所得最佳路径数据，探究采用不同积云对流参数化方案对台风路径及强度模拟的影响，并从大气环流和台风结构等方面进行解释，从而探究不同积云对流参数化方案对典型南海巅峰期台风的可预报性。

2 试验设计

2.1 WRF模式介绍

WRF模式是由美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和美国国家大气研究所（National Center for Atmospheric Research，NCAR）及多所高校、研究所和业务部门联合研发的中尺度数值天气预报系统，于2000年发布，历经数次版本更迭，日趋完善。该模式使用Fortran90语言编写，主要特点是采用了先进的数据同化技术、功能强大的区域嵌套能力和完善的物理过程模拟，特别是对中尺度对流和降水的处理更为细致，因此被广泛地应用于包括台风在内的区域数值天气预报研究及业务应用。该模式按照动力框架的不同，分为用于科研的ARW模式（Advanced Research WRF）和用于业务预报的NMM模式（Nonhydrostatic Mesoscale Model），本文主要使用ARW模式进行试验。

2.2 台风个例介绍

本文用于进行数值模拟的台风“尤特”前身是2001年6月底生成于西北太平洋的季风低压，7月1日增强为热带低压，此后向西北方向移动，7月4日中午前后穿过巴士海峡进入南海，观测得到的最强风速为35 m/s，7月6日凌晨登陆广东省惠州市。观测路径如图1所示。虽然该台风强度不高，但由于其移动路径属于典型华南登陆型台风，具有很强的路径代表性，因此选取该台风作为研究对象。

图1 台风“尤特”路径图（数字代表2001年7月X日台风中心所在位置，蓝色点、绿色点和黄色点分别代表热带低压、热带风暴和台风强度，图源自日本气象厅NII数据库）

2.3 模式设置

采用WRF 3.7.1-ARW模式[9]对台风“尤特”进行模拟，初始场数据取自欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的ERA-Interim再分析资料[10]，分辨率为0.75°×0.75°；台风观测数据来自中国气象局（China Meteorological Administration，CMA）热带气旋资料中心的CMA热带气旋最佳路径数据集（Best Track Data）[11]，模拟时间为台风“尤特”巅峰强度时期至登陆前的生命历程，即2001年7月3日00时（世界时，下同）至7月7日00时，共96 h，模拟区域见图2。为了更好地考察模式对大尺度环流场的模拟情况，模拟嵌套层数为2层，其中D01水平格点数为193×235，水平分辨率为36 km；D02水平格点数为433×595，水平分辨率为12 km；垂直分层采用η坐标，共计分成高度差不相等的41层；积分步长为120 s。模式配置见表1。

图2 模式嵌套区域

表1 试验使用模式物理方案配置

在上述配置下，选取WRF-ARW模式6种积云对流参数化方案分别进行模拟：

KF方案属于质量通量类型方案，是使用有下沉气流和对流有效位能可移动时间尺度的质量通量近似的深对流和浅对流次网格方案。该方案在Eta模式中进行过测试调整，采用一个含有水汽上升和下降过程的简单云模式，包括卷入和卷出，以及相对粗糙的微物理过程[12]。

BMJ方案属于对流调整方案，源于BM对流调整方案，主要改进处在于引入成云效率参数，并增加了一个决定大气加热和水汽目标廓线的自由度。其中，浅对流调整是参数化的重要组成部分。柱状水汽调整方案与一个充分混合廓线相关[13-14]。

GF（Grell-Freitas）集合方案运用了多种数值模式中积云对流参数化方案的不同闭合假设和参数[15]，用统计学或集合概率密度函数和资料同化的方法得到最优的积云对大尺度场的反馈。

OSAS（Old Simplified Arakawa-Schubert）方 案是基于由Grell[16]简化过的，带有饱和下沉气流的OSAS方案[17]，并参照Pan等[18]进行深对流模拟。

Grell的G3（Grell-3）与GD方案有很多相同之处，但是不再包含集合成员间的准平衡方法。与其他积云参数化方案最显著的差异在于下沉效应可以扩散到周围格点，具有较高的分辨率[19]。

TDK方案是由Tiedke等[20-21]结合OSAS等方案，考虑深对流、浅对流及中层对流，采用总体云模式提出的质量通量形式的方案。

3 不同积云对流参数化方案对台风“尤特”模拟情况

3.1 路径模拟情况

在不改变表1所示物理方案配置的情况下，对采用6种不同积云对流参数化方案的台风“尤特”巅峰期生命历程进行模拟，并将其行进路径与观测结果比较，结果如图3，路径误差结果（在以地心为原点的球坐标系下计算）汇总为图4。

图3 不同积云对流参数化方案对台风“尤特”路径模拟结果对比（红色为观测路径，蓝色为模式模拟结果）

从图4可知，在模拟时长的前24 h，各方案路径均与观测结果相近；在经过巴士海峡后，KF方案和TDK方案路径明显偏南，BMJ方案和GF方案路径偏北，OSAS方案和G3方案的模拟误差不大。模拟48 h后，KF方案和TDK方案模拟的台风路径偏北分量增大，模拟结果由之前的偏南转为逐渐靠近观测结果，BMJ方案、GF方案和OSAS方案均在接近登陆时出现西折，G3方案台风移速明显偏慢，没有登陆。从路径误差对比结果可发现：在模拟时段的前36 h，各方案模拟的台风中心位置与观测结果误差大部分在100 km以内；模拟36 h后，BMJ方案的误差开始增大，其模拟的17个时刻平均路径误差为194.80 km，为6个方案中的最大值，模拟效果最差；模拟60 h后，G3方案和TDK方案误差开始增大，平均误差分别为169.19 km和144.31 km，应该与其移速变慢有关；OSAS方案的模拟误差在84 h前均在100 km以下，84 h后因其路径西折，误差增大，平均误差为90.31 km；KF方案和GF方案模拟误差相对较小，平均误差分别为75.52 km和81.96 km，模拟效果相对较好。

图4 不同积云对流参数化方案对台风“尤特”路径模拟误差

综上可知，选取不同积云对流参数化方案对于台风“尤特”的路径模拟具有较强的不确定性，主要分歧点在台风通过巴士海峡进入南海后，各方案开始出现偏差，其中KF方案平均路径位置误差最小，模拟效果最佳。

3.2 强度模拟情况

本文以台风中心附近最低气压表征台风强度。在不改变表1所示物理方案配置的情况下，对采用6种不同积云对流参数化方案的台风“尤特”巅峰期生命历程进行模拟，将其模拟的强度变化与观测结果比较，得到结果如图5，强度误差结果（观测结果减去模式结果，数值越大代表模式结果越偏强）见图6。

图5 不同积云对流参数化方案对台风“尤特”的强度模拟情况（黑色虚点线为最佳路径数据观测结果）

从图6中可以看出，各方案对于台风强度的模拟结果以模拟时间的第60 h（即7月5日12时）为界，前后出现明显变化：在前60 h中，除KF方案较观测结果偏强、TDK方案与观测结果接近以外，其余方案均较观测结果偏弱，偏弱范围在10 hPa及以下；60 h后，各方案的台风强度虽有减弱趋势，但均未能模拟出台风靠近海岸以及环流结构受损造成强度大幅减弱的情况，其强度误差均偏强；60～96 h（7月7日00时），各方案模拟的台风强度误差均偏强10 hPa以上，其中偏强最多的KF方案达到了26.9 hPa。由此可知，不同积云对流参数化方案对于台风强度的模拟具有较强的敏感性，在模拟时长超过60 h后，台风强度误差普遍存在偏强的趋势。

图6 不同积云对流参数化方案对台风“尤特”强度模拟误差

4 不同积云对流参数化方案对台风“尤特”模拟偏差的成因探究

已有研究表明，台风路径变化主要由大尺度的驶流（引导气流）及与地转偏向力有关的β效应造成的[22]，而台风强度则受到西风槽、冷空气、中小尺度系统和低空急流等物理因素影响[23]。积云对流运动一方面间接调整质量场及大尺度环流场，引起台风路径的变化；另一方面，积云对流产生积云降水，释放凝结潜热，通过调整温度场和湿度场等影响台风强度[6]。由于不同积云对流参数化方案的闭合假设不同[24]，各模拟的温度场和环流场也不尽相同，因此造成模拟结果的不同。

西北太平洋热带气旋最常见的驶流是由副热带高压产生的。在对流层中层，副热带高压外围因气压梯度力产生的引导气流通常成为台风路径的重要判断依据。从各方案在500 hPa位势高度场及风场图中可以看到（见图7），在模拟第24 h（7月4日00时）时，各方案差别不大，均模拟出台风“尤特”加强阶段的环流场形势：副高西伸控制我国东南沿海，台风“尤特”在其南缘受强盛东南风引导气流的影响向西北方向行进；在模拟第48 h时，随着东亚大槽东移南压，副高减弱东退，KF方案、OSAS方案和TDK方案较其余3种方案副高脊线偏西，东南引导气流偏强，台风能够稳定向西北方向行进，路径与观测结果的差距较小；在模拟第72 h及以后的形势中，KF方案模拟出了副高重新西伸加强和大陆高压合并的形势，其余方案则存在东亚大槽加深阻断副高西伸，引导气流减弱，台风仅凭借内力运动，路径及移速趋于不确定（如BMJ方案和G3方案），以及大陆高压偏强，台风受其影响折向偏西方向运动（如GF方案和OSAS方案）等情况。综上所述，在模拟时间较长的情况下，不同积云对流方案对大尺度环流场及天气系统的模拟存在较大差别，对台风路径及移动速度的影响较为明显。

图7 不同积云对流参数化方案模拟台风“尤特”500 hPa位势高度场叠加风场（红线为588位势什米等高线）

图8为模拟时间24 h、48 h、72 h和96 h时，以台风中心为圆心，半径100 km以内的核心区域平均垂直速度廓线。从图中可以看出，模拟第24 h和48 h时，在台风核心区域内，各方案在500 hPa高度层以下及以上均有较为明显的上升运动，其中KF方案和TDK方案上升运动最明显，有利于第二类条件不稳定机制的维持，模拟台风强度能够维持在较高的水平；模拟第72 h和第96 h时，各方案的上升运动虽有减弱，但依旧维持在一定水平，其中对流层上层的上升运动仍然较为显著，有利于能量的输送，使得后期台风模拟强度偏强。

图8 不同积云对流参数化方案对台风“尤特”模拟不同时刻台风核心区垂直速度廓线

气象学上，一般使用假相当位温表征气团的性质及其对流稳定性。假相当位温，是饱和湿空气块（或未饱和湿空气块）在绝热上升的过程中，在气块本身维持饱和状态的前提下，其所有的水汽全部凝结脱离后的位温[25]。水汽凝结过程中会释放潜热，改变气团的温度垂直递减率，气团趋于不稳定。不同积云对流参数化方案对积云对流过程的调整使得各自模拟的台风强度不同。图9展示了不同模拟时间段内，不同积云对流参数化方案在台风中心半径100 km范围内的核心区域平均假相当位温垂直廓线。图中可以看出，在模拟的第24 h，各方案的假相当位温垂直廓线较为相近，在450～600 hPa高度层即对流层中层附近存在对流中性层，其以下为对流不稳定层，其上为对流稳定层。各方案在900 hPa至对流中性层的高度区间中均表现为较强的对流不稳定，说明在台风中心范围区域内，对流层中低层内旺盛的积云对流运动释放较多的凝结潜热，上升运动强烈，有利于台风环流发展，使台风强度增强；48 h后，各方案不稳定层结的趋势减弱，然而如图7所示的上升运动仍然维持在较高水平，台风强度并未像观测数据那样出现减弱趋势。从模拟第96 h的结果可以看出，各方案间假相当位温的数值差距较大，除去离岸较远的G3方案数值偏大以外，其余近岸的5种方案数值与台风强度成正比，说明假相当位温的数值越高，气团蕴含的能量越多，越有利于台风强度的维持。

图9 不同积云对流参数化方案对台风“尤特”模拟不同时刻台风核心区假相当位温廓线

综上所述，使用不同积云对流参数化方案对WRF模式进行调整，得到的台风模拟结果不尽相同，积云对流参数化方案的选取对于台风路径和强度的模拟有较强的敏感性；其中，属于质量通量形式的浅对流方案即KF方案及TDK方案对台风的模拟效果较好。

5 结果与讨论

利用WRF-ARW模式中6种不同积云对流参数化方案对0104号台风“尤特”进行模拟试验，考察该模式对影响我国最大的西北太平洋登陆型台风的模拟情况，并探究了不同方案对台风路径和强度模拟的影响。结论如下：

（1）对于台风“尤特”路径，各方案在模拟时间较短（一般为60 h以内）的情况下，模拟结果差别不大，与观测结果差距也较小；在模拟时间较长的情况下，由于大尺度环流场配置发生较大差异，副高及东亚大槽的位置强度不同，导致台风在临近登陆时路径误差加大。综合比较，KF方案和GF方案总体路径误差最小，模拟效果最好。

（2）对于台风“尤特”强度，在前60 h内，各方案均模拟出台风在发展阶段的加强趋势，强度模拟误差均在10 hPa以内，其中TDK方案与观测结果最为相近，误差最小；60 h以后，由于对流层中下层仍然有对流不稳定层结存在，且上升运动较为强盛，各方案均未能模拟出台风近岸登陆并减弱的趋势，说明积云对流参数化在模拟时间较长的情况下会使台风模拟强度偏强。

（3）综合路径及强度的模拟结果，可知台风模拟结果对模式积云对流参数化方案的选取具有较强的敏感性。建议在针对台风的模拟中，选取积云对流参数化方案采用集合预报方式，并给予KF方案和TDK方案较大的权重。

从本次控制试验的效果来看，在WRF模式中采用6种积云对流参数化方案在台风即将登陆的情况下会出现路径偏离和强度偏强的态势，鉴于WRF模式仍在不断发展完善，更多的方案也在加入，其他方案对台风的影响究竟如何仍有待探究。另外，WRF模式中几大类物理参数化方案之间针对特定试验存在匹配关系，对于控制变量法的单独同类方案试验局限性较大，未来将尝试对不同物理参数化方案的组合展开更多研究。