王雨星，鐘中，孫源，哈瑤

（解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇南京 211101）

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兩種邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)“Megi”路徑的影響

王雨星，鐘中，孫源，哈瑤

（解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，江蘇南京 211101）

摘 要：以WRF為試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?duì)比分析2種邊界層參數(shù)化方案（YSU、MYJ）對(duì)臺(tái)風(fēng)“Megi”路徑的影響。結(jié)果顯示，“Megi”路徑對(duì)邊界層方案的變化有一定的敏感性。相比于MYJ方案的模擬結(jié)果，YSU方案模擬的邊界層垂直混合作用和水汽垂直輸送較強(qiáng)，因此對(duì)流層高層的水物質(zhì)含量高于MYJ方案中的結(jié)果。分布于臺(tái)風(fēng)周圍的水物質(zhì)在對(duì)流層高層會(huì)以砧云的形態(tài)擴(kuò)散至副高區(qū)域，砧云在對(duì)流層高層凝結(jié)放熱增溫，在低層形成降水蒸發(fā)吸熱降溫，影響副高區(qū)域上下層的溫度分布，導(dǎo)致副高強(qiáng)度減弱、位置東退，最終造成臺(tái)風(fēng)提前轉(zhuǎn)向。

關(guān)鍵詞：天氣學(xué)；邊界層；臺(tái)風(fēng)路徑；WRF模式；臺(tái)風(fēng)“Megi”

王雨星，鐘中，孫源，等．兩種邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)“Megi”路徑的影響［J］．廣東氣象，2016，38（3）：17 -21．

自20世紀(jì)80年代以來，隨著數(shù)值預(yù)報(bào)模式分辨率逐步提高，預(yù)報(bào)技術(shù)不斷進(jìn)步［1］，臺(tái)風(fēng)路徑研究有了很大進(jìn)展。對(duì)于穩(wěn)定的西行或者西北行臺(tái)風(fēng)，預(yù)報(bào)誤差較小，但是對(duì)于異常路徑的臺(tái)風(fēng)，預(yù)報(bào)能力還有待提高。大量研究表明，臺(tái)風(fēng)的路徑變化很大程度上受到大尺度流場(chǎng)的引導(dǎo)［2 -3］；對(duì)于登陸我國的臺(tái)風(fēng)而言，其路徑很大程度上取決于副熱帶高壓（簡稱副高）和臺(tái)風(fēng)之間的相互作用［4］。近年來，我國氣象工作者在研究副高和臺(tái)風(fēng)相互作用方面已有諸多成果。黃莉莉等［5］研究發(fā)現(xiàn)，副高的穩(wěn)定強(qiáng)大會(huì)導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)路徑的穩(wěn)定和快速西行；蔡夏影等［6］通過對(duì)臺(tái)風(fēng)“康森”移動(dòng)路徑進(jìn)行分析，得出臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑與副高位置和形狀演變有密切關(guān)系；段朝霞等［7］的研究指出，大陸副熱帶高壓的變化是臺(tái)風(fēng)“黑格比”移向西折的關(guān)鍵因素。因此，探討副高和臺(tái)風(fēng)之間的關(guān)系，對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑變化的機(jī)理研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)十分有益。

而今，數(shù)值模式已然成為TC模擬和路徑預(yù)報(bào)的重要手段，而模式包含的諸多復(fù)雜的物理過程對(duì)TC的發(fā)展和移動(dòng)有重要影響。研究表明，模式中邊界層參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)中的物理量和環(huán)流有著重要影響［8 -8］。眾多的研究一般都選取某個(gè)時(shí)次的臺(tái)風(fēng)個(gè)例進(jìn)行模擬，并分析邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、路徑的直接影響。本研究與這些研究有所不同，利用中尺度數(shù)值模式WRF，對(duì)2010年第13號(hào)臺(tái)風(fēng)“Megi”登陸前后過程進(jìn)行數(shù)值模擬，比較兩種邊界層參數(shù)化方案（非局地YSU方案和局地MYJ方案）模擬的臺(tái)風(fēng)和副高差異，提出臺(tái)風(fēng)對(duì)副高的反饋?zhàn)饔?，并初步分?種邊界層參數(shù)化方案影響臺(tái)風(fēng)路徑的原因。

1　模式及邊界層方案

本研究所使用的模式為新一代高分辨率中尺度預(yù)報(bào)模式WRF（Weather Research and Forecast）。WRF模式是由美國環(huán)境預(yù)測(cè)中心（NCEP）、美國國家大氣研究中心（NCAR）等美國科研機(jī)構(gòu)中心著手開發(fā)的一種統(tǒng)一的中尺度天氣預(yù)報(bào)模式。WRF模式為完全可壓縮及非靜力模式，水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格點(diǎn)，垂直方向則采用地形跟隨質(zhì)量坐標(biāo)。WRF模式不僅可以用于真實(shí)天氣的個(gè)案模擬，也可以用其包含的模塊組作為基本物理過程探討的理論根據(jù)。

1．1WRF模式設(shè)置

模式采用1°×1°經(jīng)緯度分辨率的NCEP/ NCAR再分析資料作為初值場(chǎng)，設(shè)置單重雙向嵌套的模擬區(qū)域，水平分辨率為20 km，垂直方向分36層，模式層頂取為100 hPa。模擬區(qū)域中心點(diǎn)緯度為22°N，經(jīng)度為122°E，網(wǎng)格數(shù)為160×180，區(qū)域積分時(shí)間步長為80 s。其它物理過程方案設(shè)置如下：微物理方案采用WSM 3 - class方案；長波輻射為RRTM方案；短波輻射為Goddard方案；表面層方案需要和邊界層方案配合使用；MYJ方案使用Monin - obukhov（JANJIC）近地面層方案；YSU方案對(duì)應(yīng)Monin - obukhov方案；陸面過程采用thermal diffusion方案。積分時(shí)間為2010年10月14日00：00（UTC）到2010年10月25日00：00（UTC）共264 h，包括了臺(tái)風(fēng)“Megi”生成、發(fā)展和登陸的全部過程。

1．2邊界層參數(shù)化方案

本研究主要分析比較2種不同邊界層參數(shù)化方案——局地MYJ（Mellor - Yamada - Janjic）方案和非局地YSU（Yonsei University）方案對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的影響。

MYJ方案是行星邊界層和自由大氣中的湍流動(dòng)能參數(shù)化方案，采用Mellor—Yamada2．5階湍流閉合模式代表近地面層以上的湍流運(yùn)動(dòng)，湍流擴(kuò)散系數(shù)是由湍流動(dòng)能預(yù)報(bào)方程決定的，通過迭代算法求解湍流動(dòng)能產(chǎn)生和耗散的偏微分方程，并對(duì)湍流長度系數(shù)也進(jìn)行了修正［10］，適合研究精細(xì)的邊界層結(jié)構(gòu)。該方案用于所有穩(wěn)定和弱不穩(wěn)定的條件的邊界層，但在對(duì)流邊界層中，有較大偏差［11］。

YSU方案是一階非局地K理論方案，是MRF方案的改進(jìn)。YSU方案在湍流擴(kuò)散方程中加入逆梯度項(xiàng)，考慮逆溫層中夾卷作用造成的熱量交換，對(duì)PBL頂?shù)膴A卷進(jìn)行顯式處理，增加了熱量引起的自由對(duì)流機(jī)制下的邊界層混合，減少了機(jī)械強(qiáng)迫引起的對(duì)流機(jī)制下的邊界層混合［12］。相比于MRF方案，YSU方案對(duì)邊界層高度的計(jì)算也有相應(yīng)改進(jìn)，減弱了湍流強(qiáng)度，更接近真實(shí)的邊界層結(jié)構(gòu)。

2　數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

2．1路徑對(duì)比分析

首先比較不同的邊界層方案下“Megi”的路徑差異。圖1將2種不同邊界層參數(shù)化方案（YSU和MYJ）下模擬的臺(tái)風(fēng)路徑和美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心（JTWC）發(fā)布的最佳路徑（best track）進(jìn)行了對(duì)比。最佳路徑圖上顯示，臺(tái)風(fēng)初期路徑較為穩(wěn)定，先沿西北方向直行，后折向西南，進(jìn)入南海后路徑變得復(fù)雜，先西行，后略微南掉，再向西北方向移動(dòng)，而后沿東北方向移動(dòng)，最后沿西北方向登陸福建。從各時(shí)次的路徑預(yù)報(bào)結(jié)果可以看出，在登陸呂宋島之前，YSU方案和MYJ方案下的臺(tái)風(fēng)路徑并沒有顯著差異，但在此之后，YSU方案模擬的臺(tái)風(fēng)比實(shí)際路徑更早向北轉(zhuǎn)向，并向臺(tái)灣以東洋面移動(dòng)；相比之下，MYJ方案中的臺(tái)風(fēng)繼續(xù)西行并進(jìn)入中國南海，其路徑預(yù)報(bào)結(jié)果更接近于最佳路徑。這表明，“Megi”路徑對(duì)邊界層參數(shù)方案的變化總體上是比較敏感的。

圖1 兩種參數(shù)化方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑和實(shí)況路徑（用OBS標(biāo)示）

2．2形勢(shì)場(chǎng)對(duì)比分析

西太平洋熱帶氣旋臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)很大程度上決定于大尺度環(huán)境流場(chǎng)的引導(dǎo)，尤其受到500 hPa的西太平洋副熱帶高壓的影響。于海鵬等［13］通過分析“Megi”移動(dòng)過程得出，500 hPa流場(chǎng)始終是臺(tái)風(fēng)移向的決定因素。模擬不同邊界層方案（YSU和MYJ方案）的2010年10月15 日00：00（UTC）的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（圖略），此時(shí)臺(tái)風(fēng)還未進(jìn)入模擬區(qū)域，可以看出，2種方案模擬的副高強(qiáng)度和位置并沒有明顯差異，均呈緯向型分布。這表明，在臺(tái)風(fēng)不活躍期，邊界層參數(shù)化方案的改變并不能直接對(duì)副高強(qiáng)度造成較大影響。圖2為2010年10月18日00：00 （UTC）的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，臺(tái)風(fēng)中心位于呂宋島以西洋面，可以看出，YSU方案下的副高強(qiáng)度明顯弱于MYJ方案。在YSU方案下，副高的主體位于臺(tái)灣東部的西太平洋洋面上，原本的高壓帶已經(jīng)斷裂，臺(tái)風(fēng)位于副高西側(cè)，受副高西側(cè)較強(qiáng)的偏南風(fēng)引導(dǎo)，相比之下，MYJ方案下模擬的副高主體延伸至我國內(nèi)陸地區(qū)，臺(tái)風(fēng)處在副高南緣穩(wěn)定的偏東氣流中。對(duì)比2個(gè)時(shí)刻中的副高強(qiáng)度及位置可得，在臺(tái)風(fēng)活躍期，兩方案模擬的副高強(qiáng)度有著明顯差異，說明是由于不同邊界層方案模擬的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)各異，進(jìn)而影響到副高，間接導(dǎo)致2個(gè)方案模擬的副高強(qiáng)度有所不同。Y．Sun［14］在其研究中也得出了相似結(jié)論。

圖2 2010年10月19日00：00（UTC）YSU（a）和MYJ（b）參數(shù)化方案模擬的500 hPa高度場(chǎng)（單位：gpm）

圖3為2種邊界層方案中區(qū)域平均（25°N—30°N，110°E—130°E）經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)隨時(shí)間變化。該區(qū)域基本可以代表臺(tái)風(fēng)周圍環(huán)境的引導(dǎo)氣流位置，來進(jìn)一步比較2種邊界層方案中臺(tái)風(fēng)受到的引導(dǎo)氣流的區(qū)別。

圖3 兩種邊界層方案中區(qū)域平均的經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)時(shí)間演變

從圖3中可以看出，在臺(tái)風(fēng)進(jìn)入模擬區(qū)域時(shí)刻10月15日12：00，2種邊界層方案模擬的風(fēng)速和風(fēng)向并沒有明顯差異，臺(tái)風(fēng)受穩(wěn)定的東南風(fēng)控制，沿西北方向移動(dòng)，但隨著時(shí)間的演變，2種邊界層方案模擬的南風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸憋L(fēng)，但風(fēng)速變化不顯著；2種方案模擬的東風(fēng)逐漸加強(qiáng)，且MYJ方案模擬的東風(fēng)風(fēng)速大于YSU方案的模擬結(jié)果，臺(tái)風(fēng)向偏西方向移動(dòng)。至18日之后YSU方案模擬的東風(fēng)開始減弱，北風(fēng)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槟巷L(fēng)，風(fēng)速也逐漸加強(qiáng)，東風(fēng)和南風(fēng)風(fēng)速差異減小，臺(tái)風(fēng)開始向偏北方向移動(dòng)，MYJ方案的結(jié)果也有相應(yīng)變化，但東風(fēng)風(fēng)速仍然遠(yuǎn)大于南風(fēng)風(fēng)速，臺(tái)風(fēng)繼續(xù)向偏西方向移動(dòng)。至20日后MYJ方案模擬的東風(fēng)風(fēng)速和南風(fēng)風(fēng)速差異開始減小，南風(fēng)風(fēng)速逐漸大于東風(fēng)風(fēng)速，臺(tái)風(fēng)隨之向偏北方向移動(dòng)，而YSU方案的模擬結(jié)果仍然為偏南風(fēng)，臺(tái)風(fēng)北上。

大尺度環(huán)流從一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)變將引起熱帶氣旋周圍環(huán)境引導(dǎo)氣流的突然變化，從而導(dǎo)致熱帶氣旋的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。由此分析，由于YSU方案中的副高東退減弱并在臺(tái)風(fēng)所在經(jīng)度斷裂，呈經(jīng)向型分布，臺(tái)風(fēng)在偏南氣流引導(dǎo)下，提早北上轉(zhuǎn)向；而在MYJ方案的模擬結(jié)果中，副高勢(shì)力強(qiáng)盛，長軸呈東西向，脊線穩(wěn)定在25°N—30°N之間，緯向型的流場(chǎng)繼續(xù)引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)西行。

綜上所述，邊界層方案對(duì)副高強(qiáng)度模擬的直接影響較小，而不同方案下模擬的臺(tái)風(fēng)差異才是影響副高強(qiáng)度的關(guān)鍵，即不同邊界層方案是通過影響臺(tái)風(fēng)的模擬結(jié)果進(jìn)而對(duì)副高的強(qiáng)度和分布造成顯著影響的。由于臺(tái)風(fēng)模擬差異導(dǎo)致副高強(qiáng)度各異，使得臺(tái)風(fēng)周圍環(huán)境引導(dǎo)氣流有所不同，進(jìn)而導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑出現(xiàn)顯著差異。

3　副高強(qiáng)度差異成因分析

邊界層參數(shù)化方案描述了大氣水汽、熱量和動(dòng)量等在邊界層內(nèi)的輸送情況，而采用不同理論的參數(shù)化方案模擬的邊界層結(jié)構(gòu)特征必然有著很大差異。Brown［15］指出，MYJ方案是一個(gè)局地邊界層方案，僅考慮模式垂直高度相鄰層之間的湍流交換，在對(duì)流邊界層中不能構(gòu)造足夠的混合作用，而在弱的垂直混合作用下，只能將相對(duì)少的水汽和熱量輸送至對(duì)流層高層［16］；Hong等［17］的研究指出，YSU方案是一個(gè)非局地邊界層方案，考慮了由地面熱通量引起的次網(wǎng)格湍流混合作用，加強(qiáng)了整層邊界層湍流混合過程，能夠?qū)⑺蜔崃繌谋砻鎮(zhèn)鬏斨粮邔?。圖4為2種邊界層方案模擬的臺(tái)風(fēng)從西行至轉(zhuǎn)向前階段路徑區(qū)域平均（12°N—17°N，120°E—130°E）的地表向上輸送水汽通量（QFX）時(shí)間分布。可以看出，在積分時(shí)間的大部分階段，YSU參數(shù)化方案模擬的海表向上輸送的水汽通量都明顯大于MYJ參數(shù)化方案的模擬結(jié)果。這說明，由于YSU方案模擬的湍流混合作用較強(qiáng)，使得邊界層中較多的水汽抬升至對(duì)流層高層，水汽在抬升過程中伴隨著相變過程，并以水物質(zhì)形態(tài)分布于臺(tái)風(fēng)周圍，進(jìn)而導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)周圍的水物質(zhì)在高低層和周圍區(qū)域的分布不同。

圖4 兩種邊界層方案下區(qū)域平均的地表向上輸送水汽通量時(shí)間分布

圖5分析了2種邊界層方案下距臺(tái)風(fēng)中心徑向分布的水物質(zhì)隨高度變化情況，從圖6中可以看出，在YSU方案中，水物質(zhì)在800 hPa高度附近和400 hPa高度附近存在高值中心，水物質(zhì)在500 hPa高度以下基本分布于距臺(tái)風(fēng)中心300 km的范圍內(nèi)，只有小部分水物質(zhì)擴(kuò)散至距臺(tái)風(fēng)中心400 km左右，而在500 hPa高度以上水物質(zhì)分布范圍則很廣，尤其在350 hPa高度到200 hPa高度之間，水物質(zhì)甚至擴(kuò)散至距臺(tái)風(fēng)中心800 km以外區(qū)域；而在MYJ方案下，雖然水物質(zhì)在800 hPa高度附近和400 hPa高度附近也存在高值中心，但值得注意的是，在800 hPa高度上，MYJ方案中模擬的水物質(zhì)中心數(shù)值大于YSU方案中的模擬結(jié)果，而在400 hPa高度上，YSU方案中模擬的水物質(zhì)中心數(shù)值明顯大于MYJ方案中的模擬結(jié)果，這與2種方案中模擬的邊界層垂直混合過程的差異有密切關(guān)系。由于YSU方案模擬的垂直混合作用較強(qiáng)，因此更多水汽能夠輸送至對(duì)流層高層，導(dǎo)致高層的水物質(zhì)含量大于MYJ方案中的模擬結(jié)果，而MYJ方案模擬的垂直混合作用相對(duì)較弱，使得該方案在低層的水物質(zhì)含量大于YSU方案中的模擬結(jié)果。從低層到高層，MYJ方案模擬的水物質(zhì)基本分布于距臺(tái)風(fēng)中心400 km的范圍內(nèi)，只有少量的水物質(zhì)擴(kuò)散至距臺(tái)風(fēng)中心800 km以外區(qū)域。

從圖5中分析可得，由于YSU方案模擬的邊界層垂直混合作用強(qiáng)于MYJ方案的結(jié)果，使得更多的水汽輸送至對(duì)流層高層，并以水物質(zhì)的形態(tài)擴(kuò)散至臺(tái)風(fēng)外圍區(qū)域。Y．Sun［18］指出，當(dāng)模式模擬的臺(tái)風(fēng)周圍產(chǎn)生過多的水物質(zhì)時(shí)，會(huì)造成臺(tái)風(fēng)附近區(qū)域?qū)α鲗痈邔由系恼柙屏吭龆啵柙蒲由熘粮备邊^(qū)域，在500 hPa高度以上砧云凝結(jié)釋放熱量，500 hPa高度以下形成降水，蒸發(fā)吸收熱量，從而減弱副高的強(qiáng)度。

圖5 YSU（a）和MYJ（b）邊界層方案下距臺(tái)風(fēng)中心徑向分布的水物質(zhì)隨高度變化

因此，由于YSU方案中模擬的邊界層垂直混合作用較強(qiáng)，使得向上輸送的水汽通量更強(qiáng)，導(dǎo)致對(duì)流層高層的水物質(zhì)含量高于MYJ方案中的模擬結(jié)果，水物質(zhì)以砧云的形態(tài)擴(kuò)散至副高區(qū)域，并通過相變過程（高層凝結(jié)放熱增溫，低層蒸發(fā)吸熱降溫）影響副高區(qū)域上下層的溫度分布，造成500 hPa高度以上增溫、500 hPa高度以下降溫，從而減弱副高強(qiáng)度，最終導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)提前轉(zhuǎn)向。

4　結(jié)論

以上結(jié)果表明，邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)中的各種物理量和路徑有著非常重要的影響，這些影響存在關(guān)聯(lián)，相互制約。關(guān)于這方面的研究，國內(nèi)外已有不少，這些研究一般都選取某個(gè)時(shí)次的臺(tái)風(fēng)個(gè)例進(jìn)行模擬，并分析邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、路徑的直接影響。本研究的工作與這些研究有所不同，通過分析2種邊界層方案下臺(tái)風(fēng)和副高的差異，得出“Megi”路徑對(duì)邊界層方案的變化有一定的敏感性，并相應(yīng)分析臺(tái)風(fēng)路徑變化的機(jī)理：由于2種方案模擬的邊界層垂直混合作用的強(qiáng)弱不同，導(dǎo)致兩者模擬的水汽通量垂直輸送存在差異。YSU方案模擬的水汽通量垂直輸送較強(qiáng)，因此對(duì)流層高層的水物質(zhì)含量高于MYJ方案中的模擬結(jié)果，過多的水物質(zhì)會(huì)以砧云的形態(tài)擴(kuò)散至副高區(qū)域，砧云在對(duì)流層高層凝結(jié)放熱增溫，在低層形成降水蒸發(fā)吸熱降溫，導(dǎo)致副高強(qiáng)度減弱、位置東退，最終造成臺(tái)風(fēng)提前轉(zhuǎn)向。

本研究的結(jié)論只是基于對(duì)臺(tái)風(fēng)個(gè)例“Megi”的研究而得出，還需要對(duì)更多臺(tái)風(fēng)個(gè)例進(jìn)行研究。邊界層方案對(duì)其他臺(tái)風(fēng)的路徑影響與臺(tái)風(fēng)“Megi”是否有不同，仍需要進(jìn)行更多的試驗(yàn)。

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Effects of Two Boundary Layer Schemes on the Track of Typhoon Megi

WANG Yu-xing，ZHANG Zhong，SUN Yuan，HA Yao
（Institute of Meteorology and oceanography，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 211101）

Abstract：Using the WRF model as an experimental model，we compared and studied the effects of two schemes of boundary layer parameterization，YSU and MYJ，on the track of Typhoon Megi．As shown in the result，the track of Megi shows some sensitivity to the change of the boundary layer scheme．Compared with the simulation with the MYJ scheme，the vertical mixing effect and vertical water vapor transport in the boundary layer simulated by the YSU scheme is stronger，and the content of hydrometeors is higher．The hydrometeors，distributed around Megi in the upper troposphere，spread to the area of the subtropical high in the form of anvil clouds to heat the atmosphere through condensation at the upper level and cool it by evaporation through precipitation at the lower level．As a result，the temperature distribution at the upper and low levels of the subtropical high is disrupted，causing the subtropical high to weaken and retreat to the east and eventually making the typhoon to turn earlier than usual．

Key words：synoptics；boundary layer；typhoon track；WRF model；Typhoon Megi

中圖分類號(hào)：P44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．004

收稿日期：2015 -08 -08

作者簡介：王雨星（1884年生），男，碩士，主要從事數(shù)值模擬工作。E - mail：lgdx_wyx＠163．com