段自強 李永平 于潤玲 黃 偉 鄭運霞

(中國氣象局上海臺風(fēng)研究所 上海 200030)

臺風(fēng)是嚴重影響我國的天氣系統(tǒng)之一。近年來國內(nèi)外學(xué)者對臺風(fēng)的運動、結(jié)構(gòu)、強度以及引起災(zāi)害性天氣的物理機制等進行了大量研究, 對臺風(fēng)路徑預(yù)報的精度穩(wěn)步提高, 但是對臺風(fēng)強度的預(yù)報還存在較大誤差(Rogers et al, 2013)。

海洋是臺風(fēng)發(fā)生和發(fā)展的重要能量來源。目前,臺風(fēng)強度預(yù)報不準確的重要原因之一是對海氣之間動量、感熱以及水汽等交換過程的認識還不充分(Andreas et al, 2001; Bao et al, 2011; Rogers et al,2013)。臺風(fēng)條件下, 海浪破碎產(chǎn)生的飛沫會在海氣界面處形成一個水滴蒸發(fā)層, 直接影響海氣之間的動量、熱量以及水汽交換, 從而影響臺風(fēng)的結(jié)構(gòu)與強度,這一點已為許多學(xué)者共識, 是近年來熱帶氣旋研究的熱點, 也是一些重要國際研究計劃, 如 CBLAST(邊界層海氣交換試驗)等關(guān)注的內(nèi)容(黎偉標, 2003;Black et al, 2007; 鄭靜等, 2008; 劉磊等, 2010; 孫一妹等, 2010; 王平等, 2012)。

關(guān)于海洋飛沫, 研究發(fā)現(xiàn)飛沫生成函數(shù)不僅是風(fēng)速的函數(shù), 而且與海浪狀態(tài), 如海面粗糙度、白冠覆蓋率、波齡等因素有關(guān)(Zhao et al, 2006; Zhang et al,2006; Zhang et al, 2008; Bianco et al, 2011;Kudryavtsev et al, 2011; 趙棟梁, 2012)。但是, 由于對這些物理過程認識不充分, 不同學(xué)者給出的飛沫生成函數(shù)差異很大。Andreas(2001)回顧之前的飛沫生成函數(shù)時指出, 對于任一給定的沫滴半徑, 不同的飛沫生成函數(shù)相差可達數(shù)個量級。因此, 在臺風(fēng)數(shù)值模式研究中選擇合理的飛沫生成函數(shù)非常重要。

Andreas(1998)給出了一種適用于高風(fēng)速條件的海洋飛沫生成函數(shù), 可以描述粒徑范圍為 2—500μm的海洋飛沫粒子, 在之后的熱帶氣旋研究中得到了廣泛應(yīng)用。但是, 對于小粒徑的海洋飛沫粒子, Andreas(1998)采用的是Smith等(1993)在90年代的觀測結(jié)果,受觀測環(huán)境以及當時觀測條件限制, 觀測結(jié)果存在較大不確定性。Grythe等(2014)在近年利用大量外場觀測資料, 包含站點與船載平臺等觀測的海洋飛沫濃度, 并結(jié)合拉格朗日粒子擴散模型(FLEXPART),給出了新的海洋飛沫生成函數(shù)。但是, Grythe等(2014)的研究主要關(guān)注小粒徑的海洋飛沫, 對大粒徑粒子缺少描述。因此, 本研究擬在以上研究基礎(chǔ)上, 采用分粒徑段組合方式, 結(jié)合 Andreas(1998)與 Grythe等(2014)各自飛沫生成函數(shù)的優(yōu)點, 改進海洋飛沫生成函數(shù), 對所采用的臺風(fēng)-海浪耦合模式進行優(yōu)化完善。

自2006年Global/Regional Assimilation and Prediction System-Tropical Cyclone Model (GRAPESTCM)正式投入業(yè)務(wù)運行以來, 通過不斷改進渦旋初始化方案、引入海洋對大氣負反饋作用等, 已開發(fā)出以GRAPES-TCM為基礎(chǔ)的區(qū)域海-氣-浪耦合模式(黃偉等, 2014; Zheng et al, 2015)。上述改進對臺風(fēng)路徑預(yù)報有明顯改善, 但是對臺風(fēng)強度預(yù)報作用不大(黃偉等, 2014; Zheng et al, 2015)。因此, 本文通過改進海洋飛沫方案, 優(yōu)化完善臺風(fēng)-海浪耦合模式。運用海氣耦合模式模擬臺風(fēng)個例, 分析研究飛沫方案改進對海氣動量、感熱以及潛熱通量的影響, 并通過分析臺風(fēng)結(jié)構(gòu)與強度的變化, 進一步探究海洋飛沫影響臺風(fēng)模擬的物理機制。

1 耦合模式和試驗方案

1.1 海氣耦合模式

本文所采用的區(qū)域海氣耦合模式由兩個子模式組成, 分別為區(qū)域大氣模式GRAPES-TCM與海浪模式WW3(WAVEWATCH )Ⅲ。已有研究對上述模式作出詳細介紹(黃偉等, 2014; Zheng et al, 2015)。

耦合模式通過耦合器 OASIS將大氣模式與海浪模式中的各物理量進行交換。OASIS由位于法國的“歐洲氣候模擬和全球變化研究中心(CERFACS)”開發(fā), 目前已廣泛應(yīng)用于全球各種海氣耦合模式(周天軍等, 2004)。在本研究中, 大氣模式向海浪模式提供風(fēng)場以及動量通量; 海浪模式向大氣模式提供海表面粗糙度以及海氣感熱、潛熱通量。海洋飛沫的作用在海浪模式中體現(xiàn), 海洋飛沫對海面粗糙度、海氣感熱潛熱通量產(chǎn)生影響。

GRAPES-TCM 的水平分辨率為 0.15°×0.15°, 垂向分 31層, 對流參數(shù)化過程采用 Kain-Fritsch方案(Kain et al, 1993), 邊界層過程采用Yongsei University(YSU)邊界層參數(shù)化方案(Hong et al, 2006a), 診斷可識別降水的顯式云方案是WRF single moment 6-class(WSM6)(Hong et al, 2006b)方案, 模式積分步長為60s。海浪模式分辨率與大氣模式相同, 模式積分步長為 300s。大氣模式與海浪模式的網(wǎng)格不一致, 兩個模式的信息交換通過插值處理完成。大氣模式初始場和側(cè)邊界采用美國預(yù)報中心(NCEP)全球模式(GFS)的間隔6小時、水平分辨率為0.5°的再分析資料。海浪模式由大氣模式計算的風(fēng)場驅(qū)動。

1.2 海洋飛沫方案

一般通過飛沫粒子的數(shù)通量定量地估計由海洋進入大氣的飛沫, 其表達式即海洋飛沫生成函數(shù)dF/dr0, 表示單位時間、單位面積、單位粒徑段內(nèi)的海洋飛沫粒子數(shù), 其中F為單位時間、單位面積由海洋進入大氣的粒子數(shù), 是粒徑與風(fēng)速的函數(shù); r0為粒子半徑。飛沫生成函數(shù)表達式為:

其中, dFN/dr0為海浪充分發(fā)展狀態(tài)下, 即白冠條件下的海洋飛沫生成量; FN為白冠條件下單位時間、單位面積由海洋進入大氣的粒子數(shù); W(U10)為白冠率, 僅為風(fēng)速的函數(shù), 且一般認為與風(fēng)速之間存在關(guān)系。Monahan等(1980)根據(jù)海表面成像資料給出了白冠率與風(fēng)速的關(guān)系式:

學(xué)者們根據(jù)外場觀測與水槽實驗等結(jié)果, 分別給出了海洋飛沫生成函數(shù)的具體表達式。受觀測條件限制, 飛沫生成函數(shù)往往是基于少量的觀測結(jié)果, 因此不同學(xué)者給出的函數(shù)之間存在可達數(shù)量級的差異。另外, 不同學(xué)者的思路也不相同。Monahan(1986)給出了冪次律的飛沫粒子數(shù)濃度譜函數(shù), 所有粒徑段粒子均采用一個關(guān)系式表達。Smith等(1993)最早指出不同粒徑段海洋飛沫的生成機制不同, 其濃度譜需要用不同的函數(shù)表示, 因此給出了不同粒徑段的粒子分布模態(tài), 由不同模態(tài)的線性疊加得到整體的海洋飛沫生成函數(shù), 隨后很多研究均采用這種思路(Andreas, 1998; Smith et al, 1998; Gong, 2003; Jaegle et al, 2011)。本文也將采用分粒徑段組合的方式對飛沫生成函數(shù)進行優(yōu)化。

對于 1—10μm粒徑段飛沫, 本文采用 Grythe等(2014)給出的海洋飛沫方案(G14)。該方案基于大量觀測資料, 包含站點與船載平臺觀測的海洋飛沫濃度,并結(jié)合拉格朗日粒子擴散模型(FLEXPART), 獲得了海洋飛沫濃度與風(fēng)速之間的關(guān)系式。對比之前研究提出的21種海洋飛沫生成函數(shù)關(guān)系式, G14給出的海洋飛沫生成函數(shù)與觀測結(jié)果最為接近。

由于高風(fēng)速條件下海洋環(huán)境的限制, 大粒徑飛沫粒子通量的直接觀測研究還很少。Andreas(1998)根據(jù)少量的觀測結(jié)果給出了大粒徑段粒子通量的譜特征, 認為在 10μm 以上粒徑段, 粒子通量與粒徑之間存在冪次律關(guān)系, 并給出了不同粒徑段對應(yīng)的冪次律常數(shù)。

本研究擬采用分粒徑段的形式, 將不同粒徑段內(nèi)估算效果較好的生成函數(shù)進行組合, 形成新的飛沫生成函數(shù)?？紤]到海洋飛沫生成函數(shù) G14基于最新觀測結(jié)果且觀測量較多。本研究采用 G14計算小粒徑段(＜10μm)的海洋飛沫生成量, 采用 Andreas(1998)提出的關(guān)系式計算大粒徑段(＞10μm)的海洋飛沫生成量; 將二者組合形成一個新的海洋飛沫濃度的關(guān)系式, 該式表達粒徑范圍為 0.01μm 至 200μm。新的海洋飛沫生成函數(shù)如下式所示:

其中, r80位氣溶膠粒子在 80%相對濕度條件下(海洋大氣邊界層中的典型值)的半徑, C1, C2, C3為依賴于風(fēng)速的系數(shù), 分別由上一粒徑段的數(shù)濃度值計算得到, Tw表示海溫。

為在數(shù)值模式中體現(xiàn)海洋飛沫的作用, 本文采用Bao等(2011)提出的方法。模式中, 表征動量通量的摩擦速度可由下式計算得到:

其中,*u為摩擦速度, U為風(fēng)速, D為風(fēng)速對應(yīng)的高度,0z表示粗糙度, κ為卡曼常數(shù),sΨ為修正函數(shù),體現(xiàn)穩(wěn)定度、海洋飛沫等因素的作用,sΨ的表達式(Bao et al, 2011)為:

耦合模式原始的海洋飛沫方案采用劉斌(2007)提出的方案, 海洋飛沫作用通過波齡的參數(shù)化體現(xiàn),具體表達式為:

其中, β*為波齡, ω為懸浮沫滴層對對數(shù)風(fēng)廓線的修正參數(shù), ω =min（ 1,acrκu*）, 其中 acr為飛沫降落速度, 并取 acr=0.64m/s。

1.3 試驗設(shè)計

本文將耦合模式應(yīng)用于 1409號臺風(fēng)“威馬遜”,通過不同數(shù)值試驗的對比來研究海洋飛沫方案改進對臺風(fēng)過程模擬的影響。第1409號超強臺風(fēng)“威馬遜”(Rammasun)是2014年登陸我國最強的熱帶氣旋,在7月12日由位于菲律賓以東的西北太平洋洋面上的一個熱帶低壓發(fā)展形成。形成后低壓中心向偏西方向移動, 強度迅速增強, 于15日增強為強臺風(fēng), 并在當天登陸菲律賓中部。穿過菲律賓進入南海以后,“威馬遜”繼續(xù)向西北方向移動, 再次增強, 于18日早晨增強為超強臺風(fēng), 18日下午達到其生命史最大強度, 近中心最大風(fēng)速為72m/s(＞17級)?！巴R遜”于18日15時30分前后在海南文昌短暫登陸, 并于17時30分前后在廣東徐聞再次登陸。臺風(fēng)“威馬遜”具有強度高、風(fēng)雨影響范圍廣、降雨強、災(zāi)情損失大等特點。

表 1給出了各試驗方案, 其中第一組對比試驗(EXP1—EXP3)為整體模擬結(jié)果比較。EXP1為控制試驗, 海面動力學(xué)粗糙度由經(jīng)典的 Charnock關(guān)系計算得到, 未考慮海洋飛沫對海面動力學(xué)粗糙度以及對海氣感熱、潛熱通量的影響; EXP2與EXP3為考慮海洋飛沫作用后的模擬試驗, EXP2采用原始海洋飛沫方案, EXP3采用本文提出的改進的海洋飛沫方案。第二組對比試驗(EXP1、EXP4與 EXP5)用來分析海洋飛沫如何通過影響海氣動量通量而影響臺風(fēng)過程模擬; EXP4與EXP5考慮海洋飛沫作用, 但是僅考慮海洋飛沫對動量通量的影響, EXP4采用原始海洋飛沫方案, EXP5采用改進的海洋飛沫方案。第三組對比試驗(EXP2與EXP4, EXP3與EXP5)用來分析海洋飛沫通過影響海氣熱量交換影響臺風(fēng)過程模擬; EXP2與EXP4采用原始海洋飛沫方案, 對比分析有無海洋飛沫熱通量作用的模擬結(jié)果, EXP3與EXP5采用改進的海洋飛沫方案, 對比分析有無海洋飛沫熱通量作用的模擬結(jié)果。各模擬試驗的具體描述如表4.1所示。

表1 使用耦合模式模擬1409號臺風(fēng)“威馬遜”的試驗方案Tab.1 The scheme of simulation on Typhoon Rammasun in the coupled model

根據(jù)對比試驗的模擬結(jié)果, 我們從臺風(fēng)強度、海氣界面的動量通量、感熱通量和潛熱通量、臺風(fēng)水平結(jié)構(gòu)以及臺風(fēng)軸對稱結(jié)構(gòu)等方面來分析改進的海洋飛沫生成函數(shù)對臺風(fēng)過程的模擬效果。

2 結(jié)果分析

2.1 臺風(fēng)強度與路徑

臺風(fēng)最低中心氣壓和近中心最大風(fēng)速是表征臺風(fēng)強度的重要參量。圖 1給出了第一組對比試驗(EXP1—EXP3)模擬的臺風(fēng)最低中心氣壓(Minimum Sea-level Pressure)和近中心最大風(fēng)速(Maximum Wind Speed)的時間序列。模式模擬的近中心最大風(fēng)速與最低中心氣壓的模擬結(jié)果基本對應(yīng), 在模擬時段的 12—48h, 各試驗均模擬出了臺風(fēng)“威馬遜”逐步增強的過程。其中, 控制試驗EXP1在30—48h模擬的最低中心氣壓偏高, 最大風(fēng)速偏低, 臺風(fēng)強度模擬結(jié)果偏弱; 原始海洋飛沫方案EXP2在12—36h模擬的最低中心氣壓偏低; 改進海洋飛沫方案EXP3的模擬結(jié)果與觀測結(jié)果最為接近(圖1)。

圖1給出了臺風(fēng)“威馬遜”路徑的模擬結(jié)果, 可以看出各模擬試驗結(jié)果相近。這是因為臺風(fēng)路徑通常主要受大尺度的環(huán)境流場控制, 海洋飛沫作用引起的臺風(fēng)內(nèi)部下邊界動力與熱力條件的改變對臺風(fēng)路徑的影響很小。

整體而言, 對比試驗?zāi)M結(jié)果表明考慮海洋飛沫以后, 由于海表面動力學(xué)粗糙度計算方案以及海氣感熱、潛熱通量的計算方案變化, 會對臺風(fēng)強度的模擬產(chǎn)生一定影響。同時, 與原始方案結(jié)果相比, 改進的海洋飛沫方案模擬的臺風(fēng)強度更接近實測。

2.2 臺風(fēng)結(jié)構(gòu)

圖 2給出了各時段不同試驗?zāi)M的海表面 10m風(fēng)速。從圖中可以看出, 各試驗?zāi)M的臺風(fēng)強度均在48h時達到最高強度。控制試驗EXP1模擬的風(fēng)場在24h至36h之間有減弱的過程, 實際臺風(fēng)在這一階段的增強過程未能得到體現(xiàn)。原始方案試驗EXP2模擬的風(fēng)速在模擬階段逐漸增強; 與EXP1相比, EXP2模擬的臺風(fēng)內(nèi)核區(qū)風(fēng)速有所增強, 但是外圍區(qū)風(fēng)速略有減小。改進方案試驗EXP3的模擬結(jié)果也呈現(xiàn)逐漸增強的過程; 與控制試驗EXP1相比, EXP3試驗?zāi)M的大風(fēng)區(qū)域與強度均有所增強。

為了進一步了解海洋飛沫對臺風(fēng)模擬的作用機制, 我們對模擬的臺風(fēng)個例進行結(jié)構(gòu)分析, 圖3給出了24—48h模擬時段臺風(fēng)的平均軸對稱結(jié)構(gòu), 物理要素包含切向風(fēng)、徑向風(fēng)、垂向風(fēng)與渦度。

圖1 耦合模式對1409號臺風(fēng)“威馬遜”強度與路徑的模擬Fig.1 Simulated track and intensity of 1409 Typhoon “Rammasun”

圖2 海表面風(fēng)場模擬結(jié)果Fig.2 Simulation results of sea-surface wind

各試驗對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果較為相近。切向風(fēng)(圖3a、b、c)風(fēng)速大值區(qū)均在距臺風(fēng)中心80km左右、高度約800hPa處, 至臺風(fēng)中心風(fēng)速減弱為接近于零。臺風(fēng)徑向風(fēng)(圖3d、e、f)在底層輻合, 在高層輻散, 而在臺風(fēng)中間層徑向風(fēng)很小, 接近 0。臺風(fēng)在邊界層的強烈流入和高空流出造成臺風(fēng)內(nèi)核眼壁區(qū)出現(xiàn)急劇的上升運動(圖 3g、h、i), 且眼壁區(qū)上升運動的垂向梯度很小。從渦度場的分布來看(圖 3j、k、l), 在臺風(fēng)中心及眼壁區(qū)的整個垂直層以正渦度為主, 且在臺風(fēng)中心近地面處渦度值最高, 隨著高度增加以及距臺風(fēng)中心距離的增加, 渦度值逐漸減弱。

由圖3還可以看出, 不同海洋飛沫方案以及控制試驗?zāi)M的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)相近, 但是強度之間存在一定差異: 考慮海洋飛沫的試驗(EXP2與EXP3)的模擬結(jié)果均強于控制試驗 EXP1, 且改進方案的增強幅度小于原始方案。與EXP1相比, EXP3計算的切向風(fēng)與徑向風(fēng)分別增強7—8與4—5m/s, 而EXP2計算結(jié)果的增強幅度均可達8—10m/s。EXP2計算的垂向風(fēng)速與渦度也明顯強于EXP3。

圖 4是 0—36h模擬時段的海溫變化, 可以看出與理論以及其他研究模擬結(jié)果相近, 受臺風(fēng)影響海表面溫度在模擬期間有減小趨勢, 且海溫變化的大值區(qū)主要在臺風(fēng)移動路徑的右后方位, 海溫變化滯后于臺風(fēng)的移動。改進海洋飛沫方案(EXP3)模擬的海溫變化區(qū)域、降溫幅度與控制試驗(EXP1)均比較接近。原始海洋飛沫方案(EXP2)模擬的降溫區(qū)域與降溫幅度均大于控制試驗與改進海洋飛沫方案。

2.3 動量通量

由上一小節(jié)分析可知, 考慮海洋飛沫之后, 臺風(fēng)強度的模擬結(jié)果變化較大。一般認為海洋飛沫可通過影響海洋下墊面粗糙度而影響海氣之間的動量交換,同時, 飛沫在大氣中的蒸發(fā)、熱傳遞等物理過程可以影響海氣之間的熱量交換。海氣之間動量與熱量交換均會影響臺風(fēng)強度(Emanuel et al, 1995; Bao et al,2011)。本小節(jié)擬從動量通量的角度研究海洋飛沫對臺風(fēng)模擬的影響。本小節(jié)的分析基于第二組對比試驗(控制試驗EXP1、原始方案試驗EXP4、改進方案試驗EXP5), 該組試驗均未考慮海洋飛沫對熱通量的影響, 僅考慮飛沫在動量交換中的作用。

由圖5可以看出, 海洋飛沫方案的選取會對風(fēng)場的模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。相對于控制試驗EXP1, EXP4模擬的風(fēng)場偏弱, 而EXP5模擬的風(fēng)場偏強。由海表面粗糙度場(圖5d、e、f)可以看出, EXP4得到的粗糙度場最強, 而 EXP5模擬的粗糙度場明顯弱于 EXP1與 EXP4。

圖 6給出了海氣界面處臺風(fēng)與下墊面之間的感熱與水汽交換(湍流運動引起的海氣交換, 非海洋飛沫引起)?？梢钥闯? 由于海氣湍流通量受海表面粗糙度控制, 海氣通量模擬結(jié)果與粗糙度場的模擬結(jié)果比較一致。EXP4計算的感熱通量與水汽通量最強,而 EXP1與 EXP5的計算結(jié)果相近, EXP5略弱于EXP1。

圖7是各試驗?zāi)M的臺風(fēng)平均軸對稱結(jié)構(gòu)?？梢钥闯? EXP4模擬的切向風(fēng) 45m/s等值線區(qū)域大于EXP1, 而 EXP5模擬的區(qū)域小于 EXP1, 即臺風(fēng)的中高層風(fēng)速模擬結(jié)果為 EXP4＞EXP1＞EXP5。臺風(fēng)渦度的模擬結(jié)果顯示, EXP4的模擬結(jié)果最大, 而EXP5的模擬結(jié)果最小。

圖3 臺風(fēng)軸對稱結(jié)構(gòu)(24—48h平均)Fig.3 Simulation results of typhoon axisymmetric structure (the average from 24h to 48h)

圖4 模擬時段0—36h海溫變化Fig.4 The SST (Sea-Surface Temperature) change during 0—36h in simulation

圖5 模擬時刻24h海表面風(fēng)場與粗糙度Fig.5 Sea-surface wind and friction velocity after 24h in simulation

圖6 24 h模擬時刻的海氣感熱與潛熱通量Fig.6 Air-sea sensible and latent heat fluxes after 24h in simulation

各方案計算的臺風(fēng)中高層風(fēng)速與海表面粗糙度場、海氣通量有很好的對應(yīng)關(guān)系。這是因為, 原始海洋飛沫方案計算的海表面粗糙度偏強, 這使得海氣之間感熱與水汽通量的計算結(jié)果也增強, 水汽等通過臺風(fēng)眼壁的上升運動到達臺風(fēng)中高層, 并通過凝結(jié)釋放潛熱為臺風(fēng)發(fā)展提供熱量, 從而促使臺風(fēng)的模擬結(jié)果增強。與此相反, 飛沫方案改進后的模擬試驗EXP5的計算結(jié)果偏弱。

由于下墊面摩擦作用, 臺風(fēng)邊界層風(fēng)場不再符合旋衡風(fēng)或梯度風(fēng)的風(fēng)壓關(guān)系, 是氣壓梯度力、離心力與底摩擦力等共同作用的結(jié)果。因此, 雖然原始海洋飛沫方案EXP4計算的臺風(fēng)中高層風(fēng)場強于改進后方案 EXP5, 但是由于下墊面對臺風(fēng)風(fēng)場的耗散作用也強于 EXP5, 綜合作用下 EXP5模擬的臺風(fēng)底層風(fēng)場較強。

2.4 熱通量

由上一小節(jié)分析可知, 海氣耦合模式中, 海洋飛沫可通過影響海表面粗糙度影響海氣動量通量, 進而影響臺風(fēng)的強度; 同時, 海洋飛沫還可通過影響粗糙度間接影響海氣感熱與潛熱通量, 進一步影響臺風(fēng)的強度(海洋飛沫對熱通量的間接作用)。除此之外,海洋飛沫可通過蒸發(fā)、熱傳遞等過程直接影響感熱與潛熱交換并作用于臺風(fēng)的強度(海洋飛沫對熱通量的直接作用)。本小節(jié)擬從飛沫直接作用于熱通量的角度研究海洋飛沫對臺風(fēng)模擬的影響。

本小節(jié)的分析基于第三組對比試驗(EXP2與EXP4; EXP3與EXP5), 該組試驗主要對比考慮海洋飛沫熱通量影響的試驗(EXP2、EXP3)與未考慮海洋飛沫熱通量作用的試驗(EXP4、EXP5)。同時, 兩個對比試驗(原始海洋飛沫方案EXP2與EXP4; 改進后的海洋飛沫方案EXP3與EXP5)之間的差異可用來分析不同海洋飛沫方案對模擬結(jié)果的影響。

圖7 臺風(fēng)軸對稱結(jié)構(gòu)(24—48h平均)Fig.7 Simulation results of typhoon axisymmetric structure (the average from 24h to 48h)

由圖8(a, b)可以看出, 對于原始海洋飛沫方案模擬試驗 EXP2與 EXP4, 考慮海洋飛沫的熱交換作用以后, 海氣感熱通量的計算結(jié)果增加。同時由圖 8(c,d)可以看出, 考慮海洋飛沫熱交換作用后的潛熱通量計算結(jié)果也明顯增加。對比感熱通量與潛熱通量可以發(fā)現(xiàn), 臺風(fēng)條件下海氣熱量交換以潛熱通量為主, 且海洋飛沫對潛熱通量的影響更大。

海氣交換的潛熱在眼墻上升運動中釋放以后,對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)與強度的影響如圖9所示。考慮海洋飛沫熱通量作用的 EXP2模擬的切向風(fēng)與渦度明顯強于EXP4。同時, 考慮海洋飛沫熱通量作用后的海表面風(fēng)場也增強(圖10)。這說明, 在粗糙度方案不變的條件下, 考慮海洋飛沫熱交換作用以后的臺風(fēng)中高層風(fēng)速與底層風(fēng)速均增強。

以上分析表明在海氣耦合模式中加入海洋飛沫的熱交換作用是一個正反饋過程, 且以影響海氣潛熱交換為主。

海洋飛沫方案改進后的模擬試驗(EXP3與EXP5)得到相似的結(jié)果, 在考慮海洋飛沫熱通量作用以后,海氣之間潛熱交換增強, 并引起臺風(fēng)中高層風(fēng)速、渦度以及海表面風(fēng)場的增強(圖11、12、13)。

對比圖8與圖11, 還可以發(fā)現(xiàn), 改進后海洋飛沫方案模擬的感熱、潛熱通量(EXP3、EXP5)要小于原始方案的模擬結(jié)果(EXP2、EXP4)。這是因為, 改進方案計算的海表面粗糙度要弱于原始方案, 而在模式中海洋飛沫的熱通量作用是通過海表面粗糙度進行參數(shù)化。因此 EXP3、EXP5計算的熱通量值也較小。與此相對應(yīng), 模擬試驗EXP3、EXP5計算的切向風(fēng)與渦度也要弱于EXP3、EXP5(圖9、12)。

2.5 海洋飛沫綜合作用分析

綜合海洋飛沫對動量通量、熱量通量的影響, 可知對于圖 2中的海表面風(fēng)場, 原始海洋飛沫方案試驗EXP2與控制試驗EXP1相比, 在臺風(fēng)中心附近EXP2的模擬結(jié)果偏強, 而在臺風(fēng)外圍則結(jié)果偏弱。這是因為EXP2計算的海表面粗糙度要大于控制試驗, 下墊面耗散作用的加強使臺風(fēng)外圍 EXP2的近海面風(fēng)速的減弱強于EXP1。但是在臺風(fēng)中心附近, 海洋飛沫直接與間接作用引起的海洋熱通量增加使臺風(fēng)風(fēng)速增加, 底耗散對風(fēng)場減弱作用與熱通量對風(fēng)場加強作用的共同影響是近臺風(fēng)中心EXP2計算結(jié)果強于EXP1的原因。

海洋飛沫方案改進后的試驗EXP3計算的海表面風(fēng)場強于控制試驗EXP1(圖2), 這是因為EXP3計算的海表面粗糙度小于 EXP1, 下墊面對 EXP3海表面風(fēng)速的耗散作用因此而減弱, 同時海洋飛沫的熱通量有增強臺風(fēng)強度的作用, 二者均有使海表面風(fēng)速增大的趨勢。綜合作用下, EXP3計算的海表面風(fēng)速要大于EXP1。

改進后海洋飛沫方案EXP3計算的海表面風(fēng)速要強于改進前 EXP2, 這是因為 EXP2計算的海表面粗糙度強于 EXP3, 雖然 EXP2的飛沫熱通量對臺風(fēng)加強作用更大, 但是下墊面的耗散作用也更大, 綜合作用的結(jié)果是EXP3計算結(jié)果較大。

對于圖3的臺風(fēng)軸對稱結(jié)構(gòu), 原始海洋飛沫方案EXP2模擬得到的風(fēng)速與渦度均大于控制試驗EXP1,這是因為 EXP2計算的海表面粗糙度大于 EXP1, 粗糙度增大使海氣熱通量增加, 進而使臺風(fēng)中高層的模擬結(jié)果增強; 同時, 海洋飛沫直接作用引起的海氣感熱、潛熱交換也使臺風(fēng)的模擬結(jié)果增強。

圖8 原始海洋飛沫方案試驗?zāi)M的海氣感熱與潛熱通量(24h)Fig.8 Air-sea sensible and latent heat fluxes after 24h in original sea-spray parameter scheme

圖9 原始海洋飛沫方案試驗?zāi)M的臺風(fēng)軸對稱結(jié)構(gòu)(24—48h平均)Fig.9 Simulation results of typhoon axisymmetric structure in original sea-spray parameter scheme (the average from 24h to 48h)

改進海洋飛沫方案試驗EXP3模擬的臺風(fēng)中高層風(fēng)速與渦度也大于控制試驗 EXP1, 這是因為 EXP3計算的海表面粗糙度弱于 EXP1, 使得海氣熱通量的模擬結(jié)果也減弱; 但是 EXP1未考慮海洋飛沫作用,而EXP3考慮了海洋飛沫對熱通量的影響后, 海氣熱通量計算結(jié)果增加。二者綜合作用的結(jié)果是EXP3的模擬結(jié)果強于EXP1的模擬結(jié)果。

由圖3還可以看出, 改進海洋飛沫方案EXP3模擬的臺風(fēng)強度弱于原始方案 EXP2, 這是因為 EXP3計算的粗糙度弱于EXP2的, 粗糙度減弱引起的海氣熱通量減弱以及海洋飛沫引起的海氣熱通量也弱于EXP2, 因此 EXP3模擬的臺風(fēng)軸對稱結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)邊界層以上均弱于EXP2。

臺風(fēng)引起的海溫變化很大程度上是因風(fēng)應(yīng)力引起表層海水輻散, 進而誘發(fā)上升流。因此, 各數(shù)值試驗?zāi)M的海水降溫幅度主要與風(fēng)應(yīng)力有關(guān)。原始海洋飛沫方案EXP2計算的海表面粗糙度明顯強于控制試驗EXP1與改進方案EXP3(圖5), 這是造成EXP2海水降溫幅度強于EXP1與EXP3的主要原因。

3 討論

本文采用分粒徑段組合方式對耦合模式海洋飛沫方案改進, 并利用耦合模式對1409號臺風(fēng)“威馬遜”進行數(shù)值模擬, 分析了海洋飛沫方案改進對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)、強度以及動量通量、熱量通量的影響,探究海洋飛沫影響臺風(fēng)模擬的機制。主要得到以下結(jié)論:

(1) 考慮海洋飛沫作用后, 臺風(fēng)海表面風(fēng)場與軸對稱結(jié)構(gòu)的強度都發(fā)生變化, 且改進海洋飛沫方案的模擬結(jié)果與觀測更接近。

圖10 原始海洋飛沫方案試驗?zāi)M的海表面風(fēng)場與粗糙度(24h)Fig.10 Sea-surface wind and friction velocity after 24h in original sea-spray parameter scheme

圖11 同圖8, 但為改進海洋飛沫方案模擬結(jié)果Fig.11 Same as in Fig.8 but in revised sea-spray parameter scheme

圖12 同圖9, 但為改進海洋飛沫方案模擬結(jié)果Fig.12 Same as in Fig.9, but in revised sea-spray parameter scheme

(2) 海洋飛沫可通過改變海表面粗糙度而影響海氣動量與熱量通量, 并進一步影響臺風(fēng)的強度。改進海洋飛沫方案計算的粗糙度弱于原始海洋飛沫方案。

(3) 海洋飛沫通過粗糙度影響臺風(fēng)發(fā)展的機制為: 若海洋飛沫方案計算的海表面粗糙度較強, 則海氣之間感熱與水汽的湍流交換也增強(非海洋飛沫引起), 感熱與潛熱在臺風(fēng)眼壁的上升運動中逐漸釋放,為臺風(fēng)發(fā)展提供能量, 使中高層風(fēng)速、渦度等模擬結(jié)果增強, 對海表面風(fēng)場也有增強作用。同時, 粗糙度計算結(jié)果的增加使下墊面耗散作用也增強, 對海表面風(fēng)場有減弱作用。海表面風(fēng)場是下墊面耗散作用減弱與熱通量作用增強共同作用的結(jié)果。

(4) 海洋飛沫除了通過海表面粗糙度間接影響海氣熱通量, 還可通過飛沫水滴直接向大氣輸送感熱和潛熱而影響海氣熱通量?？紤]海洋飛沫對海氣熱交換的直接影響后, 海氣熱通量計算結(jié)果增加, 且改進后海洋飛沫方案試驗EXP3的計算結(jié)果弱于原始方案試驗EXP2。

文中所采用的海洋飛沫方案可作為一種選擇性方案應(yīng)用于海浪模式或海氣耦合模式, 以考慮海洋飛沫的作用。受觀測資料限制, 對海洋飛沫生成函數(shù)的改進效果僅通過數(shù)值模擬試驗進行分析, 未能與海洋飛沫的直接觀測結(jié)果進行比較驗證, 未來仍需大量觀測試驗進一步研究。本文主要通過風(fēng)場、渦度場等分析臺風(fēng)結(jié)構(gòu)與強度, 未來可研究其他物理要素如溫度、濕度等分布特征, 有助于更全面理解海洋飛沫對臺風(fēng)過程的影響。同時, 更多臺風(fēng)個例的研究驗證也很有必要。

圖13 同圖10, 但為改進海洋飛沫方案模擬結(jié)果Fig.13 Same as in Fig.10, but in revised sea-spray parameter scheme

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