譚曉偉

摘要：基于中國(guó)氣象局區(qū)域臺(tái)風(fēng)模式CMA-TYM模式，通過(guò)一系列敏感性試驗(yàn)，對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”（1713）生命過(guò)程中不同時(shí)間階段的移動(dòng)路徑及強(qiáng)度的數(shù)值模擬對(duì)模式參數(shù)化方案中邊界層高度（h）和動(dòng)量粗糙度（z0）的敏感性進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用不同參數(shù)化方案計(jì)算的h在“天鴿”（1713）初期的熱帶風(fēng)暴階段對(duì)熱帶氣旋的移動(dòng)路徑有較明顯的影響，在臺(tái)風(fēng)成熟后對(duì)熱帶氣旋的移動(dòng)路徑影響不顯著；臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速對(duì)h的變化不敏感，而最低海平面氣壓對(duì)h的變化卻非常敏感。同時(shí)在臺(tái)風(fēng)發(fā)展初期階段，邊界層過(guò)薄或過(guò)厚都不利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的發(fā)展加強(qiáng)，這表明邊界層高度h在熱帶氣旋數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)中是非常重要的，尤其是在臺(tái)風(fēng)發(fā)展的初期階段。動(dòng)量粗糙度z0的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”的影響主要體現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段，臺(tái)風(fēng)中心附近10 m風(fēng)速最大值在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段對(duì)z0敏感，尤其是在臺(tái)風(fēng)發(fā)展的初期階段。

關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng)；數(shù)值模擬；邊界層；參數(shù)化

中圖分類號(hào)：P444；P456? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：2096-3599（2023）01-0001-00

DOI：10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2023.01.003

Influence of the uncertainty of boundary layer height and momentum roughness on Typhoon Hato （1713） simulation

TAN Xiaowei1，2

（1. CMA Earth System Modeling and Prediction Centre （CEMC）， Beijing 100081， China; 2. State Key Laboratory of Severe Weather， Chinese Academy of Meteorological Sciences， Beijing 100081， China）

Abstract： Based on the CMA-TYM model， through sets of sensitivity experiments， the sensitivities of the simulated moving track and intensity of Typhoon Hato （1713） to the boundary layer height h and momentum roughness z0 in different life stages are studied. The experiment results show that the boundary layer height h from different parameterization schemes has significant influence on the moving track during the tropical storm stage， while there is no obvious influence on the moving track after Hato gets mature. The maximum 10-m wind speed near the typhoon center is not sensitive to the change of h， while the minimum sea-level pressure is very sensitive to the change of h. The study also finds that， in the early stage， it is not beneficial for the development of typhoon intensity whether h is too thin or thick， which shows that h is very important in the numerical simulation and prediction of tropical cyclones， especially in the early stage of typhoon. The influence of the change of momentum roughness z0 on Typhoon Hato is mainly reflected in the typhoon intensification stage. The maximum 10-m wind speed near the typhoon center is sensitive to z0 in the typhoon intensification stage， especially in the early stage of typhoon.

Keywords： typhoon; numerical simulation; boundary layer; parameterization

引言

熱帶氣旋（tropical cyclone，TC）會(huì)對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大危害，為了減少這類損失，相關(guān)機(jī)構(gòu)和個(gè)人都需要獲得TC的位置和強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。眾所周知，邊界層是熱帶氣旋的重要組成部分，邊界層過(guò)程是大氣的主要熱量和水汽的源，是動(dòng)量的匯，調(diào)節(jié)著與TC發(fā)展及增強(qiáng)密切相關(guān)的動(dòng)量和焓的徑向和垂直分布，在TC的能量傳輸過(guò)程中起著重要的作用。然而TC邊界層與大部分大氣邊界層不同，TC的旋轉(zhuǎn)對(duì)其動(dòng)力學(xué)有強(qiáng)烈的影響[1-5]，這也進(jìn)一步增加了TC數(shù)值模擬中邊界層參數(shù)化的復(fù)雜性[6]。

在數(shù)值模式中，邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0都是需要進(jìn)行參數(shù)化且具有重要意義的變量。例如，在被業(yè)務(wù)數(shù)值模式廣泛使用的一階K閉合方案（如Medium Range Forecast Model（MRF）方案和Yonsei University（YSU）方案）中，混合層的湍流擴(kuò)散系數(shù)需要使用混合層特征速度和邊界層高度h進(jìn)行參數(shù)化，而混合層特征速度的參數(shù)化也依賴于邊界層高度h。YSU方案的一個(gè)特點(diǎn)是包含了邊界層頂夾卷的參數(shù)化計(jì)算，而該夾卷項(xiàng)的參數(shù)化也依賴于邊界層高度h。因此，在數(shù)值模式中邊界層高度h影響著邊界層內(nèi)湍流熱量通量的垂直輸送，進(jìn)而影響TC的發(fā)展。另外，在大多數(shù)參數(shù)化方案中，描述地（海）氣交界面的動(dòng)量、感熱和潛熱交換作用的表面通量要依賴于動(dòng)量粗糙度z0，部分參數(shù)化方案會(huì)使用與z0有關(guān)的表面動(dòng)量交換系數(shù)CD（也稱為曳力系數(shù)）代替z0。因此，在數(shù)值模式中，邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0（或表面動(dòng)量交換系數(shù)CD）的確定在邊界層參數(shù)化過(guò)程中十分關(guān)鍵。

但是，由于數(shù)值計(jì)算過(guò)程中參數(shù)化方法的設(shè)計(jì)及對(duì)TC缺少足夠的科學(xué)認(rèn)識(shí)，都會(huì)為邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0的參數(shù)化計(jì)算帶來(lái)不確定性。利用總體理查森數(shù)（Rib）確定邊界層高度是邊界層參數(shù)化方案中廣泛使用的一種方案[7-10]。例如，MRF方案[11]和 YSU方案[12]中都使用了總體理查森數(shù)方法。從最低模式層向上進(jìn)行尋找，取總體理查森數(shù)首次等于臨界總體理查森數(shù)Ribcr（一般取Ribcr=0.5）時(shí)所在的高度作為大氣邊界層高度h，即認(rèn)為是首次達(dá)到中性層結(jié)的高度。如果Rib=Ribcr所在的高度層出現(xiàn)在兩個(gè)模式層之間，那么還需要通過(guò)線性插值的方法進(jìn)一步確定h的值。因此，在大氣邊界層高度h的這一參數(shù)化過(guò)程中，參數(shù)化方法、線性插值等數(shù)值計(jì)算方法都會(huì)導(dǎo)致h相對(duì)于真實(shí)大氣的邊界層高度具有不確定性。假設(shè)地面風(fēng)速為0，Hong等[12]用公式（1）定義了總體理查森數(shù)，表示浮力與切變力的比率，它們分別負(fù)責(zé)減少和產(chǎn)生湍流。

，? ?（1）

其中為地表面層與高度z之間的總體理查森數(shù)，為重力加速度，為z高度處的虛位溫，表示地表面的虛位溫，且，為最低模式層上的虛位溫，為地表面附近的額外虛溫，U（z）為z高度處的水平風(fēng)速。然而，Zhang等[13-14]的研究指出，用傳統(tǒng)的臨界總體理查森數(shù)法確定的邊界層高度可能不能準(zhǔn)確地再現(xiàn)颶風(fēng)邊界層的高度尺度。在進(jìn)行TC數(shù)值模擬過(guò)程中，如何對(duì)邊界層高度h進(jìn)行合適的參數(shù)化表達(dá)尚沒(méi)有讓人十分滿意的方案，仍在探索中。

在動(dòng)量粗糙度z0的參數(shù)化過(guò)程中，一般先通過(guò)地形靜態(tài)資料識(shí)別模式格點(diǎn)下方所處位置是屬于陸面還是水面，并將陸面上的動(dòng)量粗糙度z0設(shè)置為0.01，水面上使用比較復(fù)雜的參數(shù)化公式計(jì)算，不同的參數(shù)化方案在水面上常使用不同的參數(shù)化公式。在對(duì)水面上方的模式格點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化時(shí)，通常需要使用摩擦速度、水平風(fēng)速、重力加速度。其中，摩擦速度是在模式積分的每一時(shí)步通過(guò)參數(shù)化計(jì)算獲得，水平風(fēng)速是通過(guò)模式每一時(shí)步的積分計(jì)算獲得，重力加速度取一個(gè)近似的常數(shù)。因此，在動(dòng)量粗糙度z0的參數(shù)化過(guò)程中，不同參數(shù)化設(shè)計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致數(shù)值模式中的z0具有不確定性。但是目前水面上的動(dòng)量粗糙度z0（和曳力系數(shù)CD）的參數(shù)化尚沒(méi)有讓人十分滿意的方案，仍然在進(jìn)行探尋和摸索[15-19]。

以往的研究多集中在不同邊界層參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬的影響上，然而，熱帶氣旋的模擬對(duì)邊界層參數(shù)化的敏感性除對(duì)方案變化敏感以外，還可能對(duì)參數(shù)化表達(dá)的微小變化也敏感[20-23]。其影響對(duì)不同臺(tái)風(fēng)并不完全一致，因此針對(duì)更多臺(tái)風(fēng)開展數(shù)值試驗(yàn)來(lái)加深邊界層中變量的參數(shù)化對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬影響的認(rèn)識(shí)至關(guān)重要。深入了解邊界層參數(shù)化變量表達(dá)差異在臺(tái)風(fēng)過(guò)程不同階段中的影響十分必要，可為有針對(duì)性地改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的邊界層參數(shù)化方案提供參考依據(jù)。因此，分析臺(tái)風(fēng)過(guò)程中不同階段的數(shù)值模擬對(duì)邊界層參數(shù)化中變量要素的敏感性，認(rèn)清這些敏感要素是如何通過(guò)影響臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)來(lái)影響臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度具有重要意義。

對(duì)1713號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”開展敏感性試驗(yàn)，分別對(duì)邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0采用不同的參數(shù)化表達(dá)，考察“天鴿”生命過(guò)程中不同階段的移動(dòng)路徑和強(qiáng)度的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0的敏感性，為理解邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0參數(shù)化的差異對(duì)臺(tái)風(fēng)不同階段數(shù)值模擬的影響提供參考。

1 臺(tái)風(fēng)“天鴿”簡(jiǎn)介

1713號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”（Hato）于2017年8月20日14時(shí)于西北太平洋洋面上生成，此時(shí)為熱帶風(fēng)暴級(jí)別。8月22日08時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，22日15時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，23日07時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，23日15時(shí)前后以強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別在廣東省珠海市登陸，23日18時(shí)減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，23日22時(shí)開始減弱為熱帶風(fēng)暴，24日14時(shí)減弱為熱帶低壓。該臺(tái)風(fēng)最強(qiáng)時(shí)臺(tái)風(fēng)中心最小海平面氣壓為935 hPa，風(fēng)力達(dá)15級(jí)（48 m/s），強(qiáng)度變化大是該臺(tái)風(fēng)的一個(gè)主要特點(diǎn)。該臺(tái)風(fēng)為珠海、香港、澳門等地區(qū)帶來(lái)重大破壞，造成24人死亡和68.2億美元的經(jīng)濟(jì)損失，于2018年的第59屆臺(tái)風(fēng)委員會(huì)年度會(huì)議上被除名。

2 數(shù)值模式介紹

本文的研究工作均是使用CMA-TYM模式系統(tǒng)開展的。CMA-TYM模式是國(guó)家氣象中心于2010年基于中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES-MESO（Global/Regional Assimilation and Prediction System MESOscale model）[24]開始研發(fā)的區(qū)域模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2012年7月開始投入業(yè)務(wù)運(yùn)行并得到持續(xù)改進(jìn)，CMA-TYM熱帶氣旋路徑及強(qiáng)度預(yù)報(bào)能力不斷提升。2011年實(shí)時(shí)運(yùn)行結(jié)果和2012年業(yè)務(wù)運(yùn)行結(jié)果表明：CMA-TYM對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度具有一定的預(yù)報(bào)能力，強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均誤差小于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）全球模式；CMA-TYM的路徑及強(qiáng)度預(yù)報(bào)存在明顯的系統(tǒng)偏差：臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)系統(tǒng)性偏強(qiáng)，尤其是在預(yù)報(bào)前期存在明顯的快速增長(zhǎng)（spin-up）現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)于南海臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)存在明顯的系統(tǒng)性北偏[25]。

使用的CMA-TYM模式水平分辨率為0.09°×0.09°，共901×567個(gè)格點(diǎn)，模擬區(qū)域覆蓋西北太平洋和中國(guó)南海（90°～171°E，0°～50.94°N），垂直方向采用50層地形追隨高度坐標(biāo)，使用的主要物理方案包括：WSM6（Single-Moment 6-class）微物理方案、RRTM（Rapid and Accurate Radiative Transfer Model）長(zhǎng)波輻射方案、Dudhia短波輻射方案、Noah陸面方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案、邊界層參數(shù)化使用YSU方案，并用莫寧-奧布霍夫（Monin-Obukhov）相似理論對(duì)表面層進(jìn)行參數(shù)化。使用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）提供的每3 h一次0.5°×0.5°的零場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)進(jìn)行模式驅(qū)動(dòng)，并根據(jù)中央氣象臺(tái)的臺(tái)風(fēng)報(bào)文，使用渦旋重定位技術(shù)和渦旋強(qiáng)度調(diào)整技術(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)渦旋進(jìn)行初始化調(diào)整[25-28]。

3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用中央氣象臺(tái)提供的熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)作為實(shí)況。研究使用CMA-TYM模式對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”進(jìn)行數(shù)值模擬的過(guò)程中，選取代表“天鴿”（1713）生命過(guò)程中不同階段的四個(gè)不同時(shí)次作為起報(bào)時(shí)間，分別進(jìn)行120 h的數(shù)值模擬。

起報(bào)時(shí)間分別選取“天鴿”（1713）生命過(guò)程中不同階段的四個(gè)時(shí)次：2017年8月20日12：00 （世界時(shí)，下同）是臺(tái)風(fēng)初始階段，為熱帶風(fēng)暴級(jí)別，中心附近最小海平面氣壓為1 000 hPa，風(fēng)力8級(jí)（18 m/s）；2017年8月22日00：00剛剛升級(jí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)別，中心附近最小海平面氣壓為985 hPa，風(fēng)力10級(jí)（25 m/s）；2017年8月23日00：00剛升級(jí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)不久，尚未達(dá)到最大強(qiáng)度，中心附近最小海平面氣壓為950 hPa，風(fēng)力14級(jí)（42 m/s）；2017年8月23日06：00即將登陸，雖然仍為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，但已經(jīng)開始減弱一段時(shí)間，中心附近最小海平面氣壓為955 hPa，風(fēng)力14級(jí)（42 m/s）。

基于CMA-TYM模式分別對(duì)混合層參數(shù)化中的邊界層高度h和近地面層參數(shù)化中的動(dòng)量粗糙度z0使用不同的參數(shù)化表達(dá)形式，考察h和z0的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”不同生命階段中路徑和強(qiáng)度模擬的影響情況。

3.1 CMA-TYM模式的參數(shù)化方案介紹

CMA-TYM業(yè)務(wù)模式的邊界層參數(shù)化方案使用YSU方案，采用如下的方法對(duì)邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0進(jìn)行參數(shù)化。

3.1.1 邊界層高度的參數(shù)化方案介紹

YSU 方案是一階非局地K閉合方案。在YSU方案中，邊界層高度通過(guò)以下公式來(lái)推算出：

，? ? ?（2）

其中 為重力加速度，U為風(fēng)速，h為邊界層頂高度，為邊界層頂?shù)奶撐粶?，為最低模式層上的虛位溫，為地表面附近的額外虛溫，為臨界總體理查森數(shù)。該定義中的邊界層為熱力學(xué)邊界層，邊界層頂部是識(shí)別的通量最小值所在的層[12]。

3.1.2 動(dòng)量粗糙度z0的參數(shù)化方案介紹

與HWRF模式一樣，目前CMA-TYM業(yè)務(wù)模式中使用公式（3）對(duì)動(dòng)量粗糙度z0進(jìn)行參數(shù)化，該方案是對(duì)應(yīng)于曳力系數(shù)CD在颶風(fēng)級(jí)風(fēng)力下保持恒定的觀點(diǎn)[15]開發(fā)的，并在WRF-ARW3.4.1版本中采用[29]。

，? （3a）

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3b）

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3c）

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3d）

其中是摩擦速度。

3.2 對(duì)邊界層高度的敏感性試驗(yàn)方案

公式（2）中的是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)項(xiàng)，具有一定的不確定性[30]，這導(dǎo)致YSU 方案中定義邊界層高度h的不確定性。進(jìn)一步，YSU方案中用于計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)的變量項(xiàng)kpbl（表示邊界層頂在模式面中所在的位置：第k個(gè)模式層）也是會(huì)根據(jù)調(diào)制的邊界層高度h進(jìn)行相應(yīng)的改變。因此，針對(duì)YSU方案中定義邊界層高度的這種不確定性問(wèn)題，本文中通過(guò)改變一個(gè)α系數(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)邊界層高度，進(jìn)行針對(duì)邊界層高度h的一系列敏感性試驗(yàn)（表1）。

敏感性試驗(yàn)方案包括1組參考試驗(yàn)（CTRL）和5組敏感性試驗(yàn)（表1）。這里，用H表示CTRL中用YSU 方案（即公式（2））診斷出的邊界層高度h。將H乘以一個(gè)比率系數(shù)α，通過(guò)合理地改變?chǔ)恋娜≈禈?gòu)造其他5組敏感性試驗(yàn)。因此，在CTRL中，α=1.00。根據(jù)Ma等[31]的研究，這里將H的比率系數(shù)取為α=0.50，得出的邊界層高度h（即h=0.50×H）視為實(shí)際邊界層高度的下限值，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)H0.50；取α=0.75，得出的邊界層高度h（即h=0.75×H）對(duì)應(yīng)邊界層高度在一個(gè)合適的范圍里，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)H0.75；取α=1.50，得出的邊界層高度h（即h=1.50×H）對(duì)應(yīng)于一個(gè)大約1 km的典型深度，設(shè)計(jì)試驗(yàn)H1.50；分別取α=2.00和α=3.00，得出的邊界層高度h（即h=2.00×H和h=3.00×H）對(duì)應(yīng)某些條件下邊界層厚度能夠比1 km深得多的情況，設(shè)計(jì)試驗(yàn)H2.00和試驗(yàn)H3.00。Ma等[31]在文中詳細(xì)闡述了α取值的依據(jù)。

3.3 對(duì)動(dòng)量粗糙度z0的敏感性試驗(yàn)方案

在計(jì)算z0的時(shí)候，采用與公式（3）不同的其他幾種方法，進(jìn)行針對(duì)動(dòng)量粗糙度z0的一系列敏感性試驗(yàn)（表2）。敏感性試驗(yàn)方案包括1組參考試驗(yàn)（CTRL）和4組敏感性試驗(yàn)（表2），4組敏感性試驗(yàn)分別記為試驗(yàn)z0old1.5、試驗(yàn)z0old、試驗(yàn)z0new和試驗(yàn)z0CRTL0.5。

（4）

公式（4）產(chǎn)生的曳力系數(shù)CD隨風(fēng)速單調(diào)增加（對(duì)應(yīng)Green等[29]中的公式（5）），是WRF-ARW3.0版本之前就已經(jīng)采用的一種方案。試驗(yàn)z0old使用公式（4）來(lái)計(jì)算粗糙度z0。

試驗(yàn)z0new采用公式（5）的方法計(jì)算z0。該方案與Green等[29]中的第一個(gè)isftcflx選項(xiàng)方案一致，即粗糙度z0在低風(fēng)速下是使用本文公式（3）進(jìn)行計(jì)算，但允許風(fēng)速超過(guò)33 m/s以上時(shí)曳力系數(shù)持續(xù)增加。

，? ? ? ? （5）

其中z0是由公式（3）給出的。

為了使z0在保持隨風(fēng)速不變的情況下變化幅度有更大的差別，另外設(shè)計(jì)了兩個(gè)方案z0old1.5和z0CRTL0.5。試驗(yàn)z0old1.5是將試驗(yàn)z0old方案得到的z0乘以系數(shù)1.5，即將試驗(yàn)z0old得到的z0放大到原來(lái)的1.5倍。試驗(yàn)z0CRTL0.5是將CTRL方案得到的z0乘以系數(shù)0.5，即將試驗(yàn)CTRL的z0減小到原來(lái)的0.5倍。

對(duì)于表1中的5組敏感性試驗(yàn)方案，當(dāng)使用公式（6）的摩擦速度和10 m風(fēng)速的近似關(guān)系時(shí)[ 注意，實(shí)際的GRAPES_TYM模式中使用的摩擦速度與10 m風(fēng)速之間的關(guān)系比公式（6）復(fù)雜得多，是使用公式進(jìn)行參數(shù)化計(jì)算的。忽略穩(wěn)定度函數(shù)項(xiàng)，并取高度z=10 m，得到簡(jiǎn)化的公式（6）。]，可得到如圖1中所示的動(dòng)量粗糙度z0隨10 m風(fēng)速的變化關(guān)系。

，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

其中取，。

4 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 邊界層高度h對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度模擬的影響分析

4.1.1 對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑模擬的影響分析

圖2a、c、e、g給出了邊界層高度h的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”四個(gè)不同階段起報(bào)的移動(dòng)路徑模擬的影響，圖2b、d、f、h給出了對(duì)應(yīng)的移動(dòng)路徑預(yù)報(bào)誤差。在初期為熱帶風(fēng)暴的階段（2017年8月20日12：00）起報(bào)的試驗(yàn)中，積分約24 h之后，各試驗(yàn)中的移動(dòng)路徑誤差有明顯差異，邊界層高度h較薄的H0.50、H0.75和CTRL試驗(yàn)中移動(dòng)路徑誤差較小，在積分84 h之前基本小于150 km，但邊界層高度h較厚的H2.00和H3.00試驗(yàn)中的移動(dòng)路徑誤差較大，一般超過(guò)150 km（圖2a、b）。

而在臺(tái)風(fēng)成熟之后（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及后期，即2017年8月22日00：00、2017年8月23日00：00和2017年8月23日06：00）起報(bào)的試驗(yàn)中，邊界層高度h對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑的模擬影響差異較小（圖2c—h），沒(méi)有臺(tái)風(fēng)生命史初期（2017年8月20日12：00起報(bào)）顯著。

4.1.2 對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬的影響分析

圖3和圖4分別給出了邊界層高度h的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”四個(gè)不同階段起報(bào)的臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓模擬的影響。由圖3a和圖4a可見，在初期為熱帶風(fēng)暴的階段（2017年8月20日12：00）起報(bào)的試驗(yàn)中，h在合適的典型深度范圍（H0.75、CTRL和H1.50試驗(yàn)）有利于臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)發(fā)展，h過(guò)?。℉0.50試驗(yàn)）或太厚（H2.00和H3.00試驗(yàn)）都不利于臺(tái)風(fēng)的發(fā)展加強(qiáng)。

在臺(tái)風(fēng)成熟之后（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及后期，即2017年8月22日00：00、2017年8月23日00：00和2017年8月23日06：00）起報(bào)的試驗(yàn)中，臺(tái)風(fēng)中心附近10 m風(fēng)速最大值的模擬對(duì)h的變化不敏感（圖3b—d），但臺(tái)風(fēng)中心附近最小海平面氣壓的模擬對(duì)h的變化非常敏感（圖4b—d）。圖4b表明，在臺(tái)風(fēng)達(dá)到最大強(qiáng)度之前，較淺薄的h（H0.50、H0.75和CTRL試驗(yàn)）導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)加強(qiáng)偏快、強(qiáng)度發(fā)展過(guò)強(qiáng)。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于成熟的臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)中心附近最小海平面氣壓對(duì)h變化的反應(yīng)約在6 h以后才顯現(xiàn)（圖4b—d）；而初期階段的臺(tái)風(fēng)需要更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間（約24 h）（圖4a）。在臺(tái)風(fēng)達(dá)到最大強(qiáng)度以后的減弱階段，臺(tái)風(fēng)中心附近最小海平面氣壓的減弱對(duì)h的變化非常敏感（圖4a—d），圖4d顯示H3.00試驗(yàn)中臺(tái)風(fēng)減弱最快。

4.2 動(dòng)量粗糙度z0對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度模擬的影響分析

4.2.1 對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑模擬的影響分析

圖5給出了粗糙度z0的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”四個(gè)不同階段起報(bào)的移動(dòng)路徑模擬的影響及其對(duì)應(yīng)的預(yù)報(bào)誤差。容易看出，移動(dòng)路徑的模擬對(duì)粗糙度z0不太敏感，僅z0old1.5方案在初期為熱帶風(fēng)暴的階段（2017年8月20日12：00）起報(bào)的試驗(yàn)有可分辨的移動(dòng)路徑預(yù)報(bào)誤差（圖5b）。

4.2.2 對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬的影響分析

圖6和圖7分別給出了粗糙度z0的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”4個(gè)不同階段起報(bào)的臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓模擬的影響。在初期為熱帶風(fēng)暴的階段（2017年8月20日12：00）起報(bào)的試驗(yàn)中，臺(tái)風(fēng)在達(dá)到最大強(qiáng)度之前的加強(qiáng)過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度（臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓）模擬對(duì)z0敏感，在臺(tái)風(fēng)減弱過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)z0不敏感（圖6a、7a）。由圖7a可見，z0old1.5方案在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差最大，使臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)加深偏快的最多。

在臺(tái)風(fēng)成熟之后（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及后期，即2017年8月22日00：00、2017年8月23日00：00和2017年8月23日06：00）起報(bào)的試驗(yàn)中，臺(tái)風(fēng)中心附近最小海平面氣壓對(duì)z0的變化不敏感（圖7b—d）；減弱階段的臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速對(duì)z0的變化也不敏感（圖6b—d）。加強(qiáng)階段的臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速對(duì)z0的變化略有差異，z0old試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)發(fā)展明顯偏慢偏弱（圖6b）。

5 結(jié)論與討論

使用CMA-TYM模式系統(tǒng)，選擇1713號(hào)臺(tái)風(fēng)“天鴿”生命過(guò)程中4個(gè)典型的不同階段，進(jìn)行一系列敏感性試驗(yàn)，通過(guò)分別改變邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0，研究邊界層參數(shù)化過(guò)程中的兩個(gè)關(guān)鍵要素對(duì)該臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑和強(qiáng)度模擬的影響。結(jié)果顯示：

（1）邊界層高度h在初期的熱帶風(fēng)暴階段對(duì)熱帶氣旋的移動(dòng)路徑有較明顯影響，在臺(tái)風(fēng)成熟之后對(duì)熱帶氣旋的移動(dòng)路徑影響不顯著。反映臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的兩個(gè)要素，即臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓，對(duì)邊界層高度h的敏感性有很大差別。臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速對(duì)邊界層高度h的變化不敏感，而最小海平面氣壓對(duì)邊界層高度h的變化卻非常敏感。

（2）在臺(tái)風(fēng)發(fā)展初期階段，邊界層過(guò)薄或過(guò)厚（即邊界層高度h過(guò)高或過(guò)低）都不利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的發(fā)展加強(qiáng)。這表明邊界層高度h在熱帶氣旋數(shù)值模擬中的重要性，尤其是在臺(tái)風(fēng)發(fā)展初期階段。

（3）動(dòng)量粗糙度z0的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”移動(dòng)路徑模擬的影響不顯著，對(duì)臺(tái)風(fēng)減弱過(guò)程中的強(qiáng)度影響也不顯著；動(dòng)量粗糙度z0的變化對(duì)臺(tái)風(fēng)“天鴿”的影響主要體現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段。在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)階段，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度（特別是臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速）的加強(qiáng)過(guò)程對(duì)z0很敏感，尤其是在臺(tái)風(fēng)發(fā)展的初期階段。

反映臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速和最小海平面氣壓的模擬對(duì)邊界層高度h的敏感性非常不同，這是CMA-TYM模式改進(jìn)的一個(gè)方向。未來(lái)還需要通過(guò)討論和分析大量臺(tái)風(fēng)個(gè)例來(lái)進(jìn)一步理解臺(tái)風(fēng)生命過(guò)程不同階段的模擬對(duì)邊界層高度h和動(dòng)量粗糙度z0的敏感性問(wèn)題，例如是否個(gè)例依賴、參數(shù)化方案依賴或模式依賴，希望未來(lái)能總結(jié)出普遍適用的結(jié)論來(lái)幫助數(shù)值模式中邊界層參數(shù)化改進(jìn)。邊界層高度對(duì)模擬的臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的影響具有非線性特點(diǎn)，在臺(tái)風(fēng)發(fā)展初期階段，邊界層高度h過(guò)薄或過(guò)厚都不利于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的發(fā)展加強(qiáng)，不平衡過(guò)程的作用可能是一個(gè)主要原因?；贙廓線的YSU邊界層方案本質(zhì)上是用熱力學(xué)定義邊界層的一種方案，而動(dòng)力學(xué)的重要作用也是臺(tái)風(fēng)邊界層區(qū)別于其他邊界層問(wèn)題的主要特點(diǎn)之一，臺(tái)風(fēng)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)如何在邊界層參數(shù)化模式中合理地體現(xiàn)也是未來(lái)的模式邊界層改進(jìn)研究中需要著重考慮的一個(gè)方向。

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