CWRF对中国近海热带气旋活动季节和年际变化及环境场影响的模拟

史文茹 陈海山 梁信忠

(1 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044; 2 Earth System Science Interdisciplinary Center，University of Maryland，MD，USA 20742)

引 言

西北太平洋是热带气旋主要发生区域之一，全球每年约三分之一的热带气旋(约有27个)在西北太平洋上生成[1]，其发展形成的热带风暴或台风是影响我国的主要灾害性天气之一，据统计每年平均约7～8个热带气旋登陆中国，最多可达12个。每年这些热带气旋伴随的大风、巨浪、风暴潮和暴雨天气以及诱发的次生灾害给中国造成约250多亿经济损失和数百人的人员伤亡[2]。为尽可能降低损失，开展热带气旋预报为相关决策部门提供可靠的信息非常有必要。

模拟热带气旋气候的模型有统计模型、动力学模型和统计动力学模型[3]，动力学模型中的区域气候模型相较全球气候模型拥有更高的时空分辨率能更好地反映模拟区域下垫面的特征且在季风气候、极端降水天气等方面表现突出，越来越多的研究开始关注其对热带气旋的模拟能力[4-9]。

大尺度环境场能够影响西北太平洋热带气旋的活动。丁一汇等[10]研究了北半球影响热带气旋生成频数的大尺度环流条件，指出在热带气旋偏多的时期大尺度大气系统主要特征有西风带与西太平洋副热带高压北抬，热带环流系统中的季风槽北抬东伸，200 hPa呈反气旋性环流异常并伴随较强的高层东风急流，热带气旋偏少时期的大气特征则相反。Chia， et al[11]研究了7—10月热带气旋的平均季节变化与季风槽、副高的关系发现副高和菲律宾海域的季风槽增强(减弱)会导致热带气旋生成区域偏东(偏西)和偏南(偏北)。任素玲等[12]证实了不同的台风路径对应不同的副高形势，副高呈东西向带状且强大时，对应台风西行路径；副高主体逐渐东退时， 对应台风转向路径；副高主体偏东时，对应台风北上路径。吕心艳等[13]指出热带西北太平洋上71%的热带气旋形成于夏季季风槽内，中国南海季风槽是影响中国热带气旋活动的主要季风槽之一。季风槽内的正涡度气旋式环流、小的垂直风切变外加季风槽内部的动力不稳定条件均有利于槽内扰动发展成为热带气旋。季风槽对热带气旋生成[14-16]和移动路径[17-18]的影响目前已有丰富的研究成果。在环境风垂直风切变方面，大部分研究都证实了其与热带气旋活动关系密切[19-21]，通常环境风垂直切变越小，越有利于热带气旋的发展；环境风切变越大，越不利于热带气旋的发展。

新一代区域气候模型CWRF (Climate-Weather Research and Forecasting model) 性能优异且对中国区域气候的模拟具有较好的结果[22-24]。在之前的研究中，运用CWRF模式对中国近海热带气旋进行了集合模拟并分析了其对物理参数化方案的敏感性[25]。本文评估了CWRF模式最佳物理参数化方案的热带气旋模拟结果，并着重分析了环境场模拟及其影响，以期在将来通过改进模式环境场模拟提升其对热带气旋的模拟能力。

1 资料与方法

CWRF是LIANG，et al[26-28]对WRF模式进行细致改造并经过严格验证后完成的，其对WRF最显著的改良体现在优化了陆地—大气—海洋、对流—微物理、云—气溶胶—辐射模块之间的内部相互作用并保证了模式内部各模块的系统一致性，特别是CWRF运用对流云、云微物理过程、云的形成和辐射传输等新的参数化方案进行了全耦合，增加了云—气溶胶—辐射集合系统(Cloud-Aerosol-Radiation ensemble system， CAR)的相互作用机制[29-30]，使模式内的物理过程更接近真实。

本文运用区域气候模式CWRF 对1982—2016年发生在中国近海的热带气旋进行了模拟，模拟采用Lambert地图投影，以35.18°N、110°E为中心，纬向和经向分别为232和 172个格点，模式水平分辨率为30 km，垂直方向分36层[31]，图1为本试验模式模拟计算区域。模式由欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim再分析资料[32]驱动，海温强迫资料在1979—2005年为OISST V2.0[33](Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Version 2.0) ，在2006—2016年为RTG[34](Daily Real-time Global Sea Surface Temperature-high Resolution Analysis)，模式从1979年10月1日连续积分至2016年12月31日。采用的积云对流方案为ECP方案[35](Ensemble Cumulus Parameterization Model)、微物理方案为GSFCGCE方案[36](Goddard Space Flight Center Goddard Cumulus Ensemble Model)、辐射方案为GSFCLXZ方案[37](Goddard Space Flight Center LIANG Xinzhong Radiation Scheme)、边界层方案为CAM方案[38](Community Atmosphere Model)、陆面方案为CSSP方案[39](Conjunctive Surface-Subsurface Process Model)、云方案为XU & Randall[40]方案，此为LIANG， et al[26-28]经过多次试验确定的用于CWRF气候模拟的最优参数化方案。

图1 CWRF模拟计算区域Fig.1 The CWRF computational domain for this study

本文的热带气旋观测数据采用联合台风预警中心(Joint Typhoon Warning Center， JTWC)的最佳路径数据集(https:∥www.metoc.navy.mil/jtwc/jtwc.html)，其热带气旋坐标(经度、纬度)与强度都经过严格的质量控制。环境场观测数据选用美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合发布的CFSR再分析资料，其水平分辨率约为38 km。热带气旋追踪方法选用美国国家大气与海洋中心地球物理流体实验室(GFDL)在2018年4月发布的最新版本涡旋追踪器(Vortex Tracker)[41]，追踪热带气旋使用到的气象参数有平均海平面气压和200、850 hPa水平风场，另外本研究要求追踪到的热带气旋维持时间不少于36 h。

2 CWRF对中国近海热带气旋频数的模拟

为了尽可能多地获得热带气旋样本，本文对所有发生在、移动进入或经过模拟区域的热带气旋都进行了筛选，统计得出1982—2016年模式模拟区域中共出现热带气旋720个，平均每年约21个。图2为1982—2016年JTWC和CWRF模拟结果中热带气旋频数的平均季节变化和年际变化。由图2a可知，CWRF能够很好地模拟出热带气旋的平均季节变化形势，即6—10月为热带气旋活跃期，11—次年5月为热带气旋非活跃期，热带气旋活动峰值出现在8月，模拟结果与JTWC的相关系数达到0.99。CWRF在1—6月和10—12月与JTWC的误差保持在0.3个热带气旋以内，即使是在误差相对高的7—9月也不超过一个热带气旋，模拟结果与JTWC的均方根误差为0.29。热带气旋频数的年际变化在气候模拟中同样重要，图2b中年际变化模拟结果总体较好，CWRF能够捕捉到区域内87%的热带气旋，与JTWC的平均误差为2.74个热带气旋，均方根误差为3.23。模式能捕捉到2010与2012年真实发生的所有热带气旋，但1982、1989和1998年热带气旋频数模拟存在较大偏差，在变化趋势方面，模拟结果与JTWC的相关系数为0.84。

图2 1982—2016年JTWC(柱状)与CWRF模拟结果(线条)中热带气旋频数的(a)季节变化和(b)年际变化(右上角为二者均方根误差(RMSE)与相关系数(COR))Fig.2 (a) Seasonal and (b) interannual variation of tropical cyclone frequency during 1982-2016;bar and line represent JTWC and CWRF， respectively (The RMSE and COR are showed in upper right corner)

图3比较了1982—2016年模式模拟区域内JTWC和CWRF中热带气旋路径密度分布，观测资料在菲律宾东西两侧各分布有一个热带气旋路径密度的高值区。CWRF模式能够模拟出位于菲律宾西侧的高值区，但位置略偏南且高值中心偏大；模式对菲律宾东侧高值中心模拟不如西侧，东侧的路径密度总体偏小，这除了是模式模拟的偏差外，还可能是因为菲律宾东侧高值中心接近模式边界，部分热带气旋在36 h内由边界移动出模拟区域而未被计算在模拟结果中。总体而言，CWRF能够模拟出区域内热带气旋路径的分布，但是路径密度的模拟偏差不可忽略，对菲律宾西侧洋面上的热带气旋路径模拟要优于东侧。

图3 1982—2016年JTWC和CWRF的热带气旋路径密度及其差值在1°×1°网格上的分布(单位：个/a)Fig.3 Density distribution of JTWC and CWRF tropical cyclone tracks and their differences measured per year per 1°× 1° grid during 1982-2016

3 环境场对热带气旋模拟的影响分析

JTWC最佳路径数据集中7—10月发生的热带气旋约占全年热带气旋的75%。由图2a可知，7—10月热带气旋频数模拟偏差最大，本节将着重讨论这4个月环境场模拟对热带气旋模拟的影响。其中U风场异常为每年U风场季节变化减去其35 a的平均季节变化。

图4比较了观测和CWRF模拟的U850异常。其中绿色实线为U850零风速线用以表征季风槽的位置，发现7月东风异常模拟偏弱，导致槽线上方的气旋性环流异常明显减弱，其下的上升气流减弱，不利于槽内低压扰动或移动至此的热带气旋发展。8月中高纬度地区模拟的西风异常偏强，东风异常位置偏东且偏强，导致模式边界存在一个反气旋性环流异常，不仅会抑制热带气旋活动，还可能会使由模式外移动进入模拟区域的热带气旋在短时间内移出，无法满足持续36 h的要求。8月中低纬度的西风异常模拟偏大，使得中国南海上空的气旋性环流异常偏弱，从而影响我国南海的热带气旋模拟。9月模拟的气旋性环流异常明显偏小位置偏南，不利于我国东部洋面上的热带气旋发展，部分热带气旋可能会向南海地区偏移。10月热带气旋活动主要受东风异常影响向西移动，模拟结果中南侧边界存在一个观测中没有的西风异常，使得南海上空受气旋性环流异常控制，有利于南海地区热带气旋的发展。

图4 1982—2016年7—10月的热带气旋频数与U850异常的相关系数分布(阴影)和U850的零风速线(单位：m·s-1)(打点区相关系数达到α=0.05的置信度)：(a—d)CFSR再分析资料；(e—h)CWRF模拟结果 Fig.4 Correlation (shaded) between tropical cyclone frequency and U850 anomaly in JASO and mean U850 zero velocity line (unit: m·s-1) during 1982-2016(dotted area achieved 95% confidence interval)： (a-d) CFSR ；(e-h) CWRF results

图5比较了观测和CWRF模拟的U200异常。其中绿色实线为高空西风急流。本文的高空西风急流定义为U200≥20 m·s-1。7月西风急流模拟明显偏弱，无法模拟出东亚高空急流中心，且无法模拟出陆地上空的气旋性环流异常，强迫热带气旋向西北或东北转向的引导气流模拟偏弱，造成热带气旋路径模拟偏差较大。8月东亚西风急流模拟较好，但西风异常偏大、东风异常偏东，靠近模式边界的强反气旋性环流异常一方面会加速热带气旋消亡，另一方面会使得热带气旋过早移出模式边界。9月东亚西风急流模拟与观测相似，主要发挥引导作用，U200异常对热带气旋模拟影响不显著。10月东亚西风急流模拟也与观测相似，但模式的东风异常模拟偏大，热带气旋上部受其影响移速可能会增加，破坏了热带气旋的垂直结构，不利于热带气旋的发展。

图5 1982—2016年7—10月的热带气旋频数与U200异常的相关系数分布(阴影)和U200的高空西风急流(单位：m·s-1)(打点区相关系数达到α=0.05的置信度)： (a—d)CFSR再分析资料；(e—h)CWRF模拟结果 Fig.5 Correlation (shaded) between tropical cyclone frequency and U200 anomaly in JASO and mean U200 westerlies jet (unit: m·s-1) during 1982-2016(dotted area achieved 95% confidence interval)： (a-d) CFSR ；(e-h) CWRF results

图6比较了观测和CWRF模拟的500 hPa位势高度场。其中黑色实线为表征副高的5 880等位势高度线。7—10月的副高模拟相比观测均存在强度偏强位置偏西，7月结合图4a、e可知，这一偏差会导致副高脊线北侧850 hPa东风异常减弱，致使气旋性环流异常减弱，另外副高控制区域内下沉气流增强不利于对流运动的发展，也会抑制热带气旋的发生发展。8月副高北抬，结合图4b、f可知其导致了副高脊线南侧850 hPa东风异常偏强偏东，不利于热带气旋频数与路径的模拟。9月副高南撤受其影响850 hPa气旋性环流异常收缩到了中国南海地区，中国东部洋面热带气旋活动因此受到抑制。10月副高继续南撤但副高模拟偏差已不是该月热带气旋模拟出现偏差的主要原因。

图6 1982—2016年7—10月的多年平均500 hPa位势高度场(黑色实线为表征西太平洋副热带高压的5 880 gpm线)：(a—d)CFSR再分析资料；(e—h)CWRF模拟结果Fig.6 Multi-year average 500 hPa geopotential height field in JASO during 1982-2016 and 5 880 gpm equipotential height linerepresents western Pacific Subtropical High: (a-d) CFSR ;(e-h) CWRF results

本研究中垂直风切变定义为U200-U850。经比较发现，模式能较好地模拟出观测的平均垂直风切变，观测与模拟的垂直风切变在中国近海大部均小于等于12 m·s-1。图7为观测与CWRF模拟结果中平均垂直风切变的偏差。可以看到，7月模拟的垂直风切变偏小，结合图6中7月的副高位置发现热带气旋可能会在此处停留相对较久，受其上副高下沉气流的影响热带气旋在此处发展条件较差甚至会在此消亡。8—10月热带地区平均垂直风切变模拟误差较小，主要误差为东亚西风急流模拟偏弱导致的垂直风切变小于观测值，但此处的垂直风切变风速已大于20 m·s-1，主要起抑制热带气旋发展或使其消亡的作用，所以这一偏差对热带气旋路径模拟影响更大。

图7 1982—2016年7—10月CFSR再分析资料与CWRF模拟结果中平均垂直风切变的偏差(CFSR-CWRF)(单位：m·s-1)Fig.7 Vertical wind shear deviation of CFSR and CWRF results (CFSR-CWRF) in JASO during 1982-2016 (unit: m·s-1)

4 结论

本文运用区域气候模型CWRF模拟了1982—2016年中国近海的热带气旋活动，分析了CWRF对热带气旋活动特征的模拟能力并着重探讨了环境场模拟的影响。主要结论如下：

(1)CWRF模式能够合理的模拟出热带气旋频数的平均季节变化和年际变化，但是模拟结果较观测偏低，平均季节变化模拟总体要优于年际变化。模式基本能够模拟出热带气旋路径密度的空间分布，但是路径密度模拟明显低于观测。

(2)850 hPa环流异常位置和强度的模拟对热带气旋频数模拟影响显著，模式中气旋性环流异常模拟偏弱、偏南或反气旋性环流异常偏强、偏东不利于热带气旋活动从而导致模拟结果中热带气旋频数偏少。

(3)200 hPa环流异常位置与东亚西风急流强度的模拟对热带气旋路径密度模拟影响显著，模式中反气旋性环流异常偏强，东亚西风急流偏弱，热带气旋路径转向受其影响在陆地上的路径密度偏大。

(4)副高的位置与强度对热带气旋频数与路径均存在影响，模拟结果中副高偏西，偏强会抑制洋面对流运动的发展从而抑制热带气旋活动。另外，沿副高南侧西行的热带气旋路径的向北偏转会受影响偏南。

(5)模拟的垂直风切变偏小，使7月的热带气旋在副高下沉气流中停留时间增加，不利于热带气旋的发展；在中高纬度，东北转向的热带气旋受其影响生命周期可能延长从而导致路径延长。

总的来说，CWRF模式能够合理的模拟出热带气旋的频数，对热带气旋的路径模拟仍存在偏差，有待进一步提高。CWRF模式中U风场与500 hPa位势高度场的模拟偏差与热带气旋频数和路径的模拟关系密切。本文仅讨论了部分影响热带气旋活动的大尺度动力场，用以解释CWRF模式热带气旋模拟偏差出现的原因尚不够充分，在接下的研究中可以继续对影响热带气旋活动的大气动力场和热力场进行系统的研究，通过减小它们的模拟偏差，实现CWRF模式模拟热带气旋能力的提高。