基于数值仿真的台风环境模型生成

程 锐，徐幼平，平 凡，邓志武

(1. 地理信息工程国家重点实验室，北京100029； 2. 中科院大气物理研究所，陕西 西安 710054)

1 引言

众所周知，人类生活的自然环境包括陆地、海洋、大气、空间及电磁等诸多要素，具有地域广、影响因素多及时间变化快等特征。伴随基于网络的大规模、分布式、多平台综合仿真虚拟环境的广泛应用，综合自然环境仿真逐渐成为系统仿真运行的重要支撑。综合自然环境仿真从最初主要集中在可视化仿真、地形数据库和动态地形仿真到后来的动态自然环境仿真，环境建模、表达和确认技术业已成为关键环节。以美国为首的发达国家在环境仿真领域开展了许多开创性的工作，也一直处于领先地位，如美国国防建模与仿真主计划MSMP将提供自然环境及时权威表达最为主要目标之一；其后组织开发的JSIMS(Joint Simulations)系统主要解决一体化海洋、大气及综合环境建模问题，WARSIM2000(战士模拟系统)中的综合自然环境主要提供气象、地形及烟尘等仿真训练环境；美新一代半自动化兵力(OneSAF)仿真系统具有静态、动态物理环境(主要为天气、地形、烟、沙和尘)建模及其对仿真行为的影响能力。

近些年，我国综合自然环境建模与仿真取得了较大进展，其中陆地环境仿真开展较早，技术比较成熟。大气环境仿真主要是结合武器平台开展环境仿真及其对武器系统影响、构建环境模型方法以及开发自然环境仿真数据库及分布式虚拟环境构建等方面的研究。当前，大多作战仿真都考虑了大气环境影响，但有的考虑过于简单，仍以理想大气或标准大气为主，有的提供了常规大气环境要素或部分敏感参数的分布特征，但模型和数据的一致性、可重用性及标准化程度较低，对危险性天气系统(如台风、强对流)的建模仿真更是较少开展，这也造成我国大气环境建模与仿真系统的有效性、代表性和完整性仍不强，接近真实条件的战场自然环境仿真技术仍较薄弱。

大气环境建模与仿真的主要内容包括数据、模型和仿真三部分，主要通过数据驱动仿真运行，其中模型研究需将大气环境数据转换为作战仿真易用的对象、形式和格式。当前，大气环境模型提取技术已成为大气环境建模与仿真的重点研究内容。本文将结合物理模式和统计方法提取台风环境模型产品。台风典型特征模型将以点、线、面、体等形式构成环境对象，来刻画台风路径、强度、水平与垂直分布、内核与外围结构等特征。

2 台风环境数值仿真

当前，台风探测资料相对匮乏，要合理提取典型特征模型，需要考虑多种资料源和技术手段。从台风环境仿真角度来分析，影响系统仿真的主要环境要素包括：台风路径、强度演变，低层大气状态以及云雨分布和强度。当前，台风定位定强可以由卫星和雷达探测得到，可靠性强、精度较高；再分析资料的出现，有力弥补了观测资料时空分布不均匀的缺陷，尽管还不能真实刻画台风强度演变，但仍然为海洋上空台风分布特征建模提供了重要数据支撑；云雨等非常规要素特征模型提取将主要依赖数值仿真手段，以模拟数据为基础开展建模计算。

开展台风环境数值仿真，数值模式是其核心，直接决定着环境仿真的精度和可信度[。当前，大多数台风数值仿真模式都以中尺度大气模式为基础发展而来，如HWRF(Hurricane Weather Research and Forecasting model)和GRAPES-TC(Global and Regional Assimilation and PrEdiction System Tropical Cyclone model)等。本文以中科院大气物理研究所和北京应用气象研究所自主开发的中尺度AREM模式(Advanced Regional Eta-coordinate Model)为基础发展台风数值仿真模式。该模式根据东亚季风区特殊地理环境和气候特征设计，动力框架易于构造出完全能量守恒的时空差分格式，且在地形处理、水汽输送及计算扩散处理等方面特点显著，已成为东亚季风区暴雨等灾害性天气模拟和预报的较好工具之一。为了更好开展台风数值仿真，需要对AREM模式进行适应性发展，本文提出台风环境数值仿真三个关键环节：

1)云微物理过程描述

很多研究都表明云物理过程对台风结构和强度有着重要影响，通过调研分析和模拟试验比较，选用一种在云和中尺度模式中得到广泛检验和使用的参数化方案(Wang云微物理方案)。该物理过程包括6种水物质36种云微物理过程，云微物理预报变量包括云水、雨水、云冰、雪和霰的混合比。引入该物理过程后，台风结构仿真改进明显。

2)台风涡旋初始化

从易用性和初始化效果综合考虑，使用兰金涡旋人造台风构造方式实现台风初始化，从而使台风位置和强度信息接近观测。该方案主要通过3个步骤来实现：①从背景场(文中为再分析资料)中去除初始涡旋，②构造位置和强度接近实际的人造涡旋，③与修正的背景场结合形成模式初值。考虑台风初始化后，台风强度和路径仿真改观显著。

3)高分辨率数值仿真

采用高分辨率模式进行台风仿真，已经成为大家普遍接受的一种观点。水平区域嵌套是开展高分辨数值仿真经济有效的方法。本文考虑粗细网格双重嵌套，粗网格模式使用全球再分析资料进行初值和边值驱动，并为细网格模式提供侧边界强迫；当前不考虑细网格对粗网格的反馈效应。仿真模式分辨率的调整，不只是简单地改变时步和某些计算参数，还需相应提高地理数据的分辨率、细化地理数据分类特征从而更好匹配仿真模式的精细化。

经过上述三个关键环节的发展，即可采用新发展的数值模式来进行台风环境数值仿真。当前，粗细网格区域分辨率分别为15km和5km，仿真区域范围粗网格0～52°N、76～146°E，细网格10～40°N、110～140°E；垂直方向从地表至10hPa(～30km)。除云微物理过程外，模式采用非局地行星边界层参数化方案进行湍流垂直混合计算，地表通量计算采用Zeng多层结通量廓线方案，地表辐射采用Ghan方案计算。仿真方案确定后，选取了若干典型台风个例进行36h数值仿真，仿真时间分辨率为1h。

3 台风环境特征建模

台风环境建模主要以数值仿真和统计建模方法为主，所用数据包括台风年鉴、再分析资料、常规观测和台风模拟数据等。为了得到典型、有效的台风特征模型，需先进行统计分型。此处，采用中国气象局整编的1949-2007年共59年热带气旋年鉴资料，对其归纳的13种台风路径进行适当再分析和归纳，得到西北行、西行、转向及复杂4种路径类型。通过路径相似判断技术，从2000年至2014年历史台风个例中检索出不同类型台风个例，形成台风建模数据库。

台风特征建模不同于普通的大气状态(如温度、湿度和风场)及云雨雾等天气现象的模型提取过程。首先，台风强度越强，其内核区域(文中将其定义为距离台风中心1的圆形区域)与外围螺旋雨带(文中将其定义为距离台风中心2～3的环形区域)物理要素的差别越明显，这时普通的区域平均可能会失去物理意义；其次，台风处于不停移动状态，而且轨迹复杂，要提取其主要特征更有难度；再次，不同台风强度差异很大，且其结构和风雨等天气特征也会有很大不同；最后，台风多发生、发展在海上，更多结构、强度和演变特征刻画要借助于数值仿真手段。考虑上述因素，给出台风系统环境的建模流程(如图1所示)。首先读入台风仿真基本描述信息，主要包括类型(如西北型)和位置，以及仿真初始时间和仿真区域范围等；接下来读入台风观测资料、再分析数据及数值仿真结果；接着确定台风中心；再采用多项式拟合方法确定台风最佳路径和强度；然后开展台风分布特征和结构特征模型提取，主要包括廓线、水平和垂直结构特征；最后进行模型标准化输出。

图1 台风环境建模流程

3.1 台风中心确定

台风中心确定是模型提取的第一步，也是重要一步，路径、强度、分布以及二三维结构特征提取都以此为基础。采用海平面低气压中心来客观定位台风中心。考虑到台风较弱时低气压中心可能并不一定是台风中心，故采用初始台风中心追踪算法保证遍历搜寻的气旋中心在台风内核有效影响范围之内。

3.2 台风中心路径和强度模型

台风路径模型提取采用多项式拟合方法，拟合阶数取为5阶，水平方向在纬向取为14个离散点。主要算法如下：

采用如下5次最小二乘拟合多项式

(1)

式中，,,…,表示拟合多项式系数，表示某维坐标，而是其平均值。

拟合求解时，先将模拟台风中心位置向量化，为拟合求解做好形式匹配；接下来，利用(1)式拟合求解多项式的6个系数；最后，给定一定形式经度变化，即可根据5次最小二乘拟合给出相应的纬度变化，进而拟合求出台风中心路径模型。

台风强度模型则根据距离权重方法由模拟台风中心近地面最大风速或中心海平面气压的统计平均给出。需要说明的是，此处以拟合台风中心与模拟台风中心距离不大于0.5°(～50km)为条件进行台风强度统计，最终得到拟合台风中心强度模型。

3.3 台风廓线模型

考虑台风结构特点，台风廓线模型主要分为台风内核区域和外围螺旋雨带廓线模型。廓线形式包括平均廓线分布、廓线标准偏差及廓线极值分布3类。在设计廓线模型时，可既考虑台风移动特点，又考虑台风强度变化，也就是说，在不同发展阶段也会存在不同的台风廓线特征，如在台风发展加强和减弱消散阶段，其内核云场廓线可能完全不同。

3.4 台风结构模型

鉴于台风主要表现为移动涡旋特征，此处台风结构模型将主要采用拉格朗日空间微团平均方法进行提取。使用该方法得到的平均统计特征可以更好反映伴随台风移动过程中，台风内核及外围螺旋雨带的平均分布及结构特征。

4 台风环境模型生成

下面，进行台风环境模型提取。环境模型采用点、线、面的方式体现，模型对象包括台风路径与强度、水平与垂直分布以及结构特征模型。模型产品采用SEDRIS(Synthetic Environmental Data Representation and Interchange Specification)简化的“数据柱”形式规范化存储于文件中，该格式既适用于大气环境数据特点，同时也方便与作战环境数据格式相互转换。限于篇幅，此处针对西型、西北型、转向型和复杂型四类台风提取了基本要素场分布特征模型，并针对西北型台风详细分析了路径、强度和结构的典型特征。

4.1 基本要素场分布特征模型

4.1.1 水平分布模型

主要利用CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)进行基本要素场建模。该资料集为全球再分析资料，水平分辨率0.5°×0.5°，每天4个时次，主要包括地表和大气变量。由于大气场分布在等压面，需要对其进行垂直内插，得到等高面分析数据。在此基础上，根据近地面风场确定台风中心。接下来，将不同时次台风中心进行重置匹配，使它们彼此重合，相当于把多个台风中心串在一条直线上。最后进行微团统计平均，得到特征模型。首先分析风场分布(图2)。不难看出，除转向型台风涡旋气流呈圆形分布外(圆心位于最大风速核左侧)，其它三型都为椭圆形分布结构(椭圆长轴均为西南-东北向)。西型、西北型、转向和复杂型近台风中心最大风速核分别在台风中心北部、东北部、东南部和东部；风速最强为复杂型，最弱为西北型；另外，西北型台风中心和最大风速核相距最远，复杂型台风中心与最大风速核相聚最近。

再来看5000m高度气压场和温度场形势(图略)，可以看到，对于不同型气压场分布，台风内核区域都表现为圆形低压结构，复杂型中心强度最强，西北型强度最弱。远离台风内核，西北型台风呈现向西南方向拉伸分布形态，外围逐渐形成椭圆结构；西型和转向型台风外围形态变化不大，但低压区分别向西南、西北方向伸展。不同型台风内核都表现为暖心结构，西北型暖区范围最大，复杂型暖区范围最小。西型和西北型台风移行后方是冷区，暖区伸展方向与台风移向基本相同；转向型和复杂型台风位于温度梯度较大区域南侧，前者梯度更强。

图2 不同型台风5000m高度风场模型(单位：%)

4.1.2 垂直分布模型

此处，着重分析1.5km以下(行星边界层以内)台风垂直分布形势。从图3发现，四型台风的近台风中心都表现为弱风速；强风速分布并不对称，而是在台风东部更加明显；从低至边界层顶，各型台风风速逐渐增强，其中复杂型台风风速最强(～20m/s)，西北型最弱(～16.5m/s)，西型和转向型介于两者之间。从气压场和温度场的垂直剖面(图略)可以发现，不同型台风气压分布基本类似，整个边界层都表现为台风内核低气压、外围高气压的特征；但复杂型台风内核附近气压梯度最强，西行和转向型居中，西北型最弱。在边界层以内存在温度地槽结构，其中西型台风中心位于温度槽后，西北型位于槽线附近，转向型和复杂型位于槽前；西型和西北型台风整体更“暖”，转向型和复杂型表现更“冷”态势。

图3 不同型台风过台风中心风速剖面模型(单位：m/s)，黑色实线表示最强风速

4.2 西北型台风结构和强度特征建模

4.2.1 台风路径和强度模型

首先分析西北型台风拟合路径模型。图4是根据多项式拟合方法得到的西北型台风拟合路径，图中选取了14个位置点进行拟合分析，拟合位置点附近的数字表示拟合路径某点周围150km范围内出现西北型台风的平均概率。可以看出，拟合台风基本为西北移行，尤其是在登陆之前非常明显；台风登陆后路径存在向西南方向转向的特征。另外，该型台风有两次登陆过程，一次经过西北太平洋在台湾岛东南部，一次经过台湾海峡在东南沿海地区。从该型台风平均概率发现，接近一半拟合位置点的西北型台风发生概率在50%或以上，且分布在台风发展演变的不同阶段。这说明，多项式拟合台风路径能够反映出西北太平洋西北型台风的主要路径特征。下面，可以在此基础上进行强度和结构特征模型提取与分析。

图4 西北型台风拟合路径

图5 西北型台风拟合海平面气压

接下来分析台风海平面气压拟合模型。海平面气压表示海平面至大气层顶之间气柱的质量。要注意此处不是某个台风移行过程中中心海平面气压随时间演变，而表示西北型拟合路径不同位置点对应的海平面气压变化。从图5可以看出，台风从东南向西北移行发展过程中，气压从1000hPa逐渐减小，并在119E～128E和18N～24N之间区域气压最低(强度最强约950hPa)；该区域主要覆盖台湾海峡以及台湾岛东部海域。台风经过该区域后，气压逐渐增大(台风变弱)。需要注意的是，台风登陆之后，存在变性增强过程，之后才减弱。

台风强度特征还可以使用近台风中心海面风速来表征(见图6)。可以看到，在119E～128E和18N～24N之间区域，海面风速最强(～40m/s)；在(115E、25N)附近，伴随台风转向西南移行，存在明显变性增强过程。另外发现，该型台风发展演变过程中，7级风(>13.9m/s)几乎覆盖所有拟合路径位置点，大部分位置点风速在7级和10级风之间。

图6 西北型台风拟合海面风速(单位：m/s)

4.2.2 台风廓线模型

本节分析台风云粒子廓线模型特征。需要说明的是，此处利用经过检验的数值仿真结果进行特征模型提取。由于云探测资料分布和数量的限制，只有个别台风(如2004年“云娜”)进行了云模拟验证，其它个例则以路径、强度、基本要素场检验为主。对经过检验的个例，将不同时次模拟数据进行微团追踪和统计建模，得到西北型台风内核和外围雨带的云粒子廓线分布(见图7所示)。另外，在此只对近台风中心海面风速在10级风以上的模拟数据进行统计建模，得到较强台风的典型云粒子结构。

整体来看，内核和外围雨带台风云粒子廓线都具有单峰特征，后者更加明显；对于外围雨带，平均、峰值云粒子含量及其偏差的最大值都出现在10km附近，最大分别约为0.2g/kg、18g/kg和0.3g/kg。另外不难发现，外围雨带云粒子的偏差始终大于平均值，说明该区域云粒子强度分布极不均匀。

对于台风内核而言，云粒子峰值、平均值和偏差出现高度差异较大，分别在17km、9km和8km附近达到最大值15g/kg、1.2g/kg、1.3g/kg。可以发现，内核比外围雨带云粒子峰值强度弱，但平均强度强。

图7 西北型台风外围雨带廓线(单位：g/kg)

4.2.3 台风二维模型

接下来分析台风速度场水平分布和垂直剖面结构(如图8)。垂直运动是刻画台风特征的典型物理量，但其仍不可直接观测。在此，利用经过检验的数值仿真数据进行垂直运动统计建模。可以发现，在距离台风中心100km的内核区域以强上升运动为主，而外围雨带则以弱上升、下沉气流交错分布为主，近台风中心垂直运动最弱。另外，台风垂直气流分布极不均匀，最强上升气流在台风内核下部，而最强下沉气流出现在台风内核左上部，其强度分别达到6m/s、-2m/s。

再来看水平风速分布。海面风速的分布呈现明显的气旋式入流结构，强风速集中在台风内核附近区域，最强达到40m/s以上；近台风中心风速最弱。水平风场的分布也具有强不均匀特征，强风速区主要分布在台风中心右侧。

最后，再来分析垂直运动的纬向和经向垂直剖面结构。不难发现，台风的垂直气流呈现明显的垂向柱状结构，在距离台风中心100km附近区域存在最强上升气流，像两堵墙(也称为云墙)将台风中心附近弱下沉气流和外围弱上升、下沉气流分开。云墙处强垂直运动主要分布在10km以上，集中在台风中心西南方(左下侧)。另外，纬向剖面比起经向剖面，云墙随高度向台风外围倾斜更加明显。

图8 西北型台风速度场水平分布和垂直剖面结构

5 结束语

本文主要以数值仿真结合统计建模方法，开展西北太平洋和南海海域4类主要台风特征模型提取，重点开展了西北型台风特征建模。主要结论有：

1)建立了适用于台风模拟的数值仿真模式，开展了大量数值试验和检验，为台风环境建模奠定了物理模型基础。

2)鉴于台风系统发展演变和分布结构的特殊性，提出先根据路径分型，再拟合最佳路径，最后利用微团跟踪方法进行特征模型提取的建模思路。

3)根据现有资料状态开展环境建模，即从再分析资料出发进行台风环境基本场数值建模，从最佳台风路径资料出发开展台风路径和强度数值建模，以数值模拟数据为基础进行台风结构数值建模。

可以看出，大气环境模型生成时将物理模型与统计方法相结合，可以使样本统计结果具有物理意义保证，同样也使物理模型通过大量样本统计更能反映典型和总体特征。但由于台风发展演变的特殊性及探测资料的局限性，本文数值仿真模型虽经过验证，但仿真要素检验仍不够全面，有的样本仅包括基本物理场的检验。因此，台风环境典型特征尤其是云雨结构特征建模仍需更多样本验证。

致谢：本文得到国家重点研发计划(2018YFC1507200、2017YFA0604000)、国家自然科学基金(91637211、61572058)的资助。在本文撰写过程中，王洋、张硕两位同事提出许多宝贵建议，并帮助修改论文，在此一并感谢！