不同边界层参数化方案对台风“利奇马”模拟的影响研究

仲鹏志，冶磊，李煜斌，吴彬贵，高志球

(1.南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 210044；2.天津市气象科学研究所，天津 300000)

1 引 言

台风是一种发生在热带或副热带洋面上具有暖心结构的强烈气旋性涡旋，多在每年夏秋季节生成于西北太平洋洋面。我国东南到华南沿海地区每年都会有多个台风登陆，部分台风更是伴随狂风暴雨，造成气象灾害，带来巨大经济损失并威胁人民的生命安全[1]。基于此，近年来众多科学家致力于准确参数化台风中的物理过程[2-3]，以提高其预报精度，从而为台风的防灾减灾提供科学支撑[4-5]。

大气边界层位于大气底层，这层大气受地面热力与动力影响，它通过湍流运动实现地面和大气之间动量、热量和水汽交换[6]。大气边界层参数化方案在台风数值模拟和预报中起着重要的作用，模拟的台风强度、路径和降水对边界层参数化方案极其敏感[7-8]。Braun等[9]的数值模拟试验表明，大气边界层方案对台风降水强度和分布有重要影响。Nolan等[10]比较了采用YSU和MYJ两种不同边界层方案模拟得到的台风外围和内核边界层的异同。Smith等[11]发现不同边界层方案估算的湍流扩散系数不同，并导致台风强度的差异。邓国等[12]指出边界层过程参数化方案对台风后期的强度影响十分明显。Zhang等[13]研究阐明了边界层参数化影响台风强度变化的机理。温晓培等[14]对比分析了不同边界层参数化方案模拟得到的台风初生结构，发现热带扰动的形成和发展与大气边界层物理过程密切相关。Liu等[15]研究了不同边界层方案对台风快速增强的影响，发现增强地表通量和边界层的垂直混合对于台风强度的预报有重要作用。丁成慧等[16]研究发现边界层参数化方案对台风移动路径影响较小，但对台风强度和结构有较大的影响。Pradhan等[17]通过比较YSU、QNSE和UWMT三种边界层方案，发现QNSE和UWMT方案能够更准确地模拟北大西洋冬季风暴的气旋发生和发展阶段。

2019年第9号台风“利奇马”是1949年以来登陆浙江第三强的台风，它给沿海居民带来了巨大的生命财产损失。分析不同边界层方案对台风“利奇马”模拟的影响将有助于提升对强台风模拟和预报中边界层参数化方案作用的认识，为今后的强台风模拟和预报提供一定参考。本研究选取了六个常用的边界层方案（包括三个局地方案和三个非局地方案）进行对比试验，重点分析了它们对南海台风“利奇马”路径和强度的影响。下文中第2节介绍了数据和试验设计，第3节为模拟结果分析，第4节为总结。

2 数据及试验设计

本文采用中尺度数值模式WRF V3.9.1，并用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA5再分析资料为模式提供初始场和边界条件，时间间隔为6小时，水平分辨率为0.25°×0.25°。模式采用双向三层移动嵌套，水平分辨率分别为18 km、6 km和2 km（图1）。为了进行高分辨率的模拟，垂直方向分为38层，模式层顶为50 hPa，积分时间为2019年8月6日12时—8月11日00时（世界时，下同），共积分108小时，每3小时输出一次结果。其中前12小时为模式物理过程的初始启动时间，本文主要分析2019年8月8日00时—11日00时共96小时的结果。本文采用中国气象局热带气旋资料中心提供的台风最佳路径数据集来确定台风“利奇马”的路径和强度，其中台风最佳路径数据中包含西太平洋热带气旋逐3小时的位置和强度。

图1 模拟区域设置

WRF模式中主要的物理过程包含：云微物理过程、积云对流过程、长波辐射、短波辐射、近地面层、陆面过程及边界层物理过程等。各模拟试验中除边界层物理过程以外的其他物理过程设置均保持一致（详细配置如表1所示），具体选择为：WSM6[18]微物理参数化方案、Kain-Fritsch[19-20]积云对流参数化方案、RRTMG[21]长波和短波辐射方案、以及Noah[22]陆面过程方案，MYJ方案使用的表面层方案为MYJ Monin-Obukhov方案，而其它方案使用的表面层方案均为MM5 Monin-Obukhov方案。其中，积云对流参数化方案仅在分辨率为18 km的网格中使用。

表1 模式其它方案的设定

边界层中参数化方案主要用于计算湍流引起的通量输送，经过多年的研究和发展，WRF模式中已有多种边界层方案，他们分别是BouLac[23]、MYJ、MRF[24]、QNSE[25]、YSU[26]、ACM2[27]、UW[28]、以及Shin-Hong[29]等。按照是否局地闭合，这些方案可分为局地闭合方案(BouLac、MYJ、UW等)和非局地闭合方案(YSU、ACM2、Shin-Hong等)。局地闭合方案通过本格点处的信息对湍流通量进行参数化，而非局地闭合方案则同时使用了其他格点处的信息。其中，局地边界层方案主要是建立湍流动能的预报方程，然后基于局地湍流动能计算湍流通量，认为局地湍流动能可以反映局地的湍流输运；而非局地边界层方案在计算湍流动能的过程中在依据局地气象要素切变的基础上加上了大涡的贡献，认为局地信息不足以反映局地湍流输运，而较大的涡旋也可以影响到湍流输运。对于边界层结构的研究表明，在稳定层结下局地闭合方案的模拟性能通常更好；而在不稳定层结下，大涡结构较易发展，非局地闭合方案考虑非局地大涡输送，从而表现更优[30]。鉴于局地闭合方案如MYJ和非局地闭合方案如YSU在台风模拟中都是常用方案[31]，本文选取这两种方案进行对比研究。另外，本文还选取了4种较常用的边界层方案，包括局地闭合方案BouLac和UW，以及非局地方案ACM2和Shin-Hong，从而对这两类方案进行更深入全面的对比分析。其中三种局地闭合方案均为1.5阶闭合方案，通过预报湍流扰动动能（TKE）来解决湍流闭合问题；而三种非局地闭合方案均为1阶闭合方案，通过K廓线来处理湍流闭合问题。通过对比这些不同边界层方案模拟的结果，将有助于研究其对台风路径和强度的影响。表2是这六种边界层参数化方案的主要特征。

表2 边界层方案主要特征

3 结 果

3.1 不同边界层方案模拟得到的台风路径

台风“利奇马”于2019年8月4日15时形成于菲律宾吕宋岛以东的洋面上，随后向西北偏北方向移动，8月7日05时加强为台风，并在23时加强为超强台风。10日02时在浙江省沿海登陆，登陆时中心附近最大风力达16级（52 m/s），中心最低气压为930 hPa。登陆后“利奇马”的强度迅速减弱，并逐渐转向偏北方向移动。11日12时前后，“利奇马”从江苏省连云港市附近出海，之后在山东省青岛市沿海再次登陆，随后进入到渤海海面后减弱为热带低压，并逐渐消亡。

图2是不同边界层方案模拟的台风路径与实际观测路径的对比情况，模拟的台风中心通过最低海平面气压的位置所确定。图2显示了模拟的台风先偏西行然后转向北行的路线。在模式积分60 h后，各边界层方案模拟的台风路径开始逐渐偏离实际路径。除MYJ方案模拟的路径较实际路径偏东北，其他模拟的台风路径均较实际路径偏西南，且所有模拟的台风移动速度比实况稍慢。

图2 模拟的台风路径和观测得到的最佳路径

为定量比较不同边界层方案对台风路径的影响，图3列出了各试验模拟的台风中心位置与对应时刻实况位置之间距离的偏差和其平均值。由图3可知BouLac、MYJ、UW、YSU、ACM2和SH方案96小时模拟的台风路径平均偏差分别为116.65 km、115.47 km、126.21 km、115.34 km、152.62 km、131.53 km。结合图2和图3，ACM2和UW方案模拟的路径与实际偏差较大，而MYJ和YSU方案模拟的路径较为准确，其中MYJ方案在模拟过程前期与实际路径相近，登陆时路径向东偏离，然后再与实际路径相近。而方案YSU前期一直与实际路径相近，在登陆后逐渐向西偏离。

图3 不同边界层方案与实况距离的偏差

3.2 不同边界层方案模拟得到的台风强度

图4给出不同边界层方案模拟的台风中心海平面气压与实际台风中心海平面气压的对比情况。从实际最低海平面气压来看，台风“利奇马”在西太平洋上开始加强，于8日12时达到最强，最低气压为915 hPa，之后台风登陆浙江，强度开始减弱。由图4中可以看出，各边界层参数化方案都模拟出了台风先增强后减弱的变化趋势，但模拟的强度相差较大。在0～60小时之间，除方案UW模拟的台风强度具有快速增强的特征外，其余方案模拟的台风强度都较实况偏低且增强速度较实况偏慢；在80小时之后，除MYJ和YSU方案外，其余边界层方案中的台风中心气压比实况偏高，但是所有方案模拟的台风强度减弱速度较实况偏慢。局地方案UW和非局地方案ACM2模拟的台风强度误差较大，其中局地方案UW模拟的台风最强，达到了880 hPa，而非局地方案ACM2模拟的台风最弱，只有935 hPa。从整个模拟过程可以发现，局地方案BouLac对台风“利奇马”强度的模拟最为接近实际强度，但最低气压出现的时间滞后15小时。

由图5可以发现，最佳路径数据的最大10 m风速先增大后减弱，并在8日12时达到最大值，为62 m/s。各边界层方案模拟的最大10 m风速在初期都较实况偏小，但都能模拟出最大10 m风速先增大再减弱的趋势。各个边界层方案模拟的结果相差较大，除了方案BouLac和UW，其它方案模拟的最大10 m风速都比实况偏小。BouLac方案模拟的最大10 m风速数值与实况最为接近，当台风达到最强时，其最大10 m风速为65 m/s，但同最低气压类似，最大10 m风速出现的时间滞后15小时。方案UW模拟的10 m风速最大，达到了69 m/s。

结合图4和图5可以看出，局地方案BouLac所模拟的台风最大强度总体要比其它边界层方案与实况更加接近，但其台风增强时期比最佳路径数据长，最低气压出现时间滞后最佳路径数据15小时；局地方案UW模拟的台风强度在8日03时之前较好地模拟了快速增强的过程，但到9日03时所达的最大强度与最佳路径相比过强；而局地方案MYJ和非局地方案YSU、ACM2和SH在台风增强时期低估台风强度，但在9日00时之后的消散阶段它们与最佳路径数据十分接近。

图4 模拟的最低海平面气压和观测得到的最佳路径气压之间的对比

图5 模拟的最大10 m风速和观测得到的最佳路径风速的对比

3.3 不同边界层方案模拟得到的台风风场

切向风是台风过程中主要环流，六组模拟试验中局地方案BouLac和MYJ的切向风最大值约为65 m/s，局地方案UW出现了最大的切向风，最大值为75 m/s。非局地方案YSU和SH的切向风最大值为56 m/s，而非局地方案ACM2模拟的切向风最小，最大值为52 m/s左右。再结合图4、图5，可以发现试验中切向风的强弱也与台风的强度相一致，切向风速越大，方案模拟出的台风强度就越强。在图6中，六组试验切向风速的风速半径随高度增加，并不断向外倾斜。通过对六组试验的切向风速分析，局地方案的切向风风速普遍要比非局地方案的大一些。局地方案UW的切向风速比其它五个方案大得多，而较大的切向风也会不断加强台风的能量，方案UW模拟的台风强度也因此过强。

图6 8月9日18时不同边界层方案模拟的切向风速方位平均图

由图7看出，台风中心以下沉运动为主，眼壁区有倾斜向上的运动，台风的最大垂直上升速度主要分布在距台风中心半径50～70 km的位置。其中，局地方案BouLac的垂直上升速度较大，最大值在1.5 m/s左右，局地方案MYJ的最大垂直上升速度约为1.2 m/s。而局地方案UW在眼壁区有最大的垂直上升速度，最大值达到1.8 m/s。非局地方案YSU和ACM2的最大垂直上升速度约为1.3 m/s，非局地方案SH的垂直上升速度最小，最大只有1 m/s。垂直速度的强弱与切向风较为一致，较强的垂直速度对应着较强的台风切向风，反之亦然。

图7 8月9日18时不同边界层方案模拟的垂直风速方位平均图

径向风可呈现出台风低层风流入和高层风流出的情况。从图8中可以发现，气流辐合主要出现在低层，局地方案BouLac和UW的流入气流最大，达到了24 m/s。非局地方案YSU和ACM2的流入气流为10 m/s，而局地方案MYJ和非局地方案SH的流入气流最小，只有8 m/s左右的径向风。由于台风的上层辐散主要受到低层辐合和垂直上升速度的制约，结合图6，可以发现局地方案BouLac和UW有较大的流入气流和较强的垂直上升速度，因此局地方案BouLac在高层的流出气流较大，径向风速达到30 m/s，局地方案UW模拟的流出气流也较大，径向风速达到26 m/s。而局地方案MYJ和其它三种非局地方案低层辐合较弱，垂直上升速度较小，从而得到了较小的流出气流，局地方案MYJ的径向风速只有13 m/s，其它三种非局地方案流出气流的径向风速均在16 m/s。可能这也是导致局地方案MYJ和其它非局地方案模拟的台风强度较弱的原因之一。局地方案BouLac和UW模拟出的热带气旋低层辐合和高层辐散最为显著，垂直上升速度较大，因此它们的台风强度也比其他方案要强。

图8 8月9日18时不同边界层方案模拟的径向风速方位平均图

3.4 不同边界层方案模拟得到的地表通量

潜热和感热通量的传输是边界层中的重要物理过程，以台风中心为圆心，200 km为半径做地表潜热、感热和动量通量的平均，其时间序列如图9所示。结合图9可以看出在模拟9 h后，六种边界层方案模拟的地表通量开始出现差别，但都表现出先增大后减小的趋势。在登陆前地表通量均不断增加，在登陆后其不断减少，甚至六种方案的感热通量出现了负值。无论是潜热、感热还是动量通量，局地方案UW都是最大的，然后是局地方案BouLac和MYJ，而三种非局地方案的地表通量都较小，这与各方案模拟的台风强度较为一致。

图9 以台风中心为圆心，200 km为半径的平均时间序列 a.地表潜热通量；b.地表感热通量；c.地表动量通量。

地表潜热通量（Latent Heat Flux，LH）向上输入台风，是台风能量的主要来源。从图10可以看出，六组模拟试验中洋面均有大量潜热通量向上输送，地表潜热通量沿着台风“利奇马”中心呈非对称气旋式分布，其高值大多分布在“利奇马”中心的右下方。台风中心的潜热通量为低值，潜热通量由中心向外逐渐增强，一般在台风云墙区，地表潜热通量达到最大值。其中局地方案BouLac模拟的地表潜热通量约为2 000 W/m2，局地方案MYJ约为1 800 W/m2，局地方案UW最大，高达2 600 W/m2。而非局地方案ACM2约为1 100 W/m2，非局地方案YSU和SH最小，约为850 W/m2。地表潜热通量的大小和台风强弱成正相关，潜热输送越大，台风强度越强，反之，潜热输送越小，台风强度越弱。

图10 8月9日18时不同边界层方案模拟的地表潜热通量

地表感热通量（Sensible Heat Flux，HFX）的空间分布特征与地表潜热通量的分布特征相似（图11）。感热通量的数值有正有负，向上的感热通量为正值，台风区域附近为感热通量的正值区，而台风“利奇马”中心的感热通量最小，向外逐渐增大，在台风云墙处达到最大。与潜热通量不同的是感热通量在数值上比潜热通量小近一个量级，如局地方案BouLac和MYJ其最大感热通量为250 W/m2，局地方案UW的最大值为330 W/m2。非局地方案ACM2约为220 W/m2，而非局地方案YSU和SH模拟的感热通量最小，仅为120 W/m2。陆地上的感热通量主要是负值，说明陆地上的感热通量会降低台风的能量，从而使得台风登陆后强度不断减弱。虽然台风的感热通量数值较小，但它可以维持台风眼区周围对流活动以及稳定台风暖心结构，是台风运动中不可或缺的过程。

图11 8月9日18时不同边界层方案模拟的地表感热通量

边界层中动量通量（Momentum Flux，τ）对台风发生和发展过程也有非常重要的影响，6组模拟试验的动量通量和其潜热、感热通量的空间分布基本一致（图12）。由图12看出，台风“利奇马”中心的动量通量明显小于四周，主要是由于上升气流出现在台风的云墙区和雨带区，而下沉气流出现在台风的眼区。比较6组试验的动量通量可知，局地方案BouLac和MYJ为10 kg/(m·s2)，局地方案UW模拟的动量通量最强，最大值达到17 kg/(m·s2)，非局地案ACM2为8 kg/(m·s2)，而非局地方案YSU和SH模拟的动量通量最小，约为4 kg/(m·s2)。

综上所述，地表通量越大的边界层方案，通常台风的强度也越强，特别是潜热通量，与台风强度密切相关。局地方案UW模拟的潜热通量最大，台风也是最强，其次是局地方案BouLac。而非局地方案YSU和SH模拟的潜热最小，台风强度也是最弱。

3.5 不同边界层方案模拟得到的湍流扩散系数

热量通量的湍流扩散系数则代表了湍流所引起的扩散强度。通过图13可以看出局地方案BouLac的湍流扩散系数在所有方案中最大，其方位平均后的最大值为290 m2/s，局地方案MYJ的最大值约为160 m2/s，局地方案UW在270 m2/s左右。非局地方案ACM2的最大值为180 m2/s，而非局地方案YSU和SH的湍流扩散系数最小，最大湍流扩散系数约为150 m2/s。因此可以发现垂直结构中湍流扩散系数的大小特征与切向风、径向风较为一致，即局地方案BouLac和UW的湍流扩散系数比其他方案更大。地表通量主要取决于表面层通量方案，但本次试验中除局地方案MYJ采用的表面层方案是MYJ Monin-Obukhov方案，其它方案使用的表面层方案均为MM5 Monin-Obukhov方案，因此地表通量不仅仅取决于表面层方案，也可能与湍流扩散系数有关。而湍流扩散系数越大，湍流引起的扩散强度越强，进一步导致更大的地表通量，从而模拟得到更强的台风强度；反之，则台风强度较弱。

图13 8月9日18时不同边界层方案模拟的湍流扩散系数方位平均图

4 结 论

使用美国高分辨率非静力数值模式WRFV3.9.1，选取了六个边界层参数化方案分别对南海台风“利奇马”进行了六组模拟试验，其中三组是局地闭合方案(BouLac、MYJ、UW)，另外三组是非局地闭合方案(YSU、ACM2、SH)。并对模拟结果进行了对比分析，以及探讨了不同边界层参数化方案如何对台风强度产生影响。

（1）边界层参数化方案对台风移动路径影响较小，不同方案模拟的路径平均偏差较为接近，但其对台风强度有较大的影响。局地方案BouLac模拟的最低海平面气压和台风中心附近最大10 m风速与中国台风最佳路径数据最为接近。局地方案UW模拟的台风强度过强，与实况相差较大，而局地方案MYJ和三个非局地边界层方案模拟的台风强度偏弱。

（2）模拟的台风强度大小与受边界层方案直接影响的地表潜热、感热和动量通量有明显的对应关系。其中，地表潜热通量越大，模拟的台风强度也就越强。局地方案UW模拟的这些潜热通量要比其他方案大得多，模拟的台风强度也最强，局地方案BouLac次之。局地方案MYJ和非局地方案YSU、ACM2和SH模拟的潜热通量较小，所以台风强度也较弱。

（3）模拟的台风强度与边界层中的湍流扩散系数相关。湍流扩散系数越大，湍流引起的扩散强度越强，进一步导致更大的地表通量，从而模拟得到更强的台风强度；反之，则台风强度弱。当然这只是一个简单的猜测，风速的变化、其他物理过程参数化的偏差等都会对湍流扩散系数和地表通量产生影响，因此在后续研究中，将需有针对性的逐一探讨，从而使得模拟结果进一步接近观测。此外，台风强度也受到台风结构的影响，台风的径向风越大，台风低层辐合越强，垂直上升速度越强，更易于台风的增强。相比其他方案，局地方案UW和BouLac模拟的湍流扩散系数和径向风更大，因此局地方案UW和BouLac强度较强。