江麗芳，尹毅，劉春霞

邊界層參數(shù)化方案對臺風(fēng)“莫拉菲”熱力和動力結(jié)構(gòu)特征影響的對比

江麗芳1，尹毅2,3，劉春霞4

（1.國家海洋局南海預(yù)報中心，廣東廣州510310；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州510301；4.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510080）

評估WRF模式對南海臺風(fēng)期間邊界層的模擬能力，并對比分析了6組邊界層參數(shù)化方案模擬的邊界層熱力和動力結(jié)構(gòu)。與風(fēng)溫濕廓線探空資料的對比表明：邊界層參數(shù)化對于位勢高度和溫度的模擬影響較小；BouLac參數(shù)化方案模擬的結(jié)果與實況變化趨勢最接近，MYNN和YSU方案模擬的結(jié)果次之。是否考慮邊界層參數(shù)化對熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度的模擬影響顯著；采用不同邊界層參數(shù)化方案對熱帶氣旋結(jié)構(gòu)的模擬存在顯著差別，且這種差異不限于邊界層。和非局地參數(shù)化方案相對比，Boulac方案模擬的效果比較強(qiáng)，這可能是因為該方案有較高的混合效應(yīng)、較大的對流動能以及能更好的模擬濕對流引起的濕度。BouLac方案模擬的結(jié)果更接近實際觀測，這表明在穩(wěn)定層結(jié)下使用局地k理論計算湍流擴(kuò)散更為合理，但非局地方案在風(fēng)速和氣壓的預(yù)報上存在一定優(yōu)勢。

南海；熱帶氣旋邊界層；數(shù)值模擬；探空資料

1 引言

邊界層是熱帶氣旋的重要組成結(jié)構(gòu)之一，研究邊界層的結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步了解熱帶氣旋低層的通量分布、能量傳輸和垂直運(yùn)動發(fā)展等規(guī)律。在強(qiáng)風(fēng)條件下觀測資料獲取非常困難，目前海上低層觀測資料稀少，加上遙感資料短缺，至今都難以獲取可靠的熱帶氣旋天氣期間邊界層信息[1]。目前國內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)開展了一些邊界層方面的研究，主要集中在數(shù)值模式中不同邊界層參數(shù)化方案的對比分析。Braun等[2]利用MM5（National Center for Atmospheric Research/Penn State Mesoscale Model Version 5）模式分析了4組邊界層參數(shù)化方案下的海平面最低氣壓和最大風(fēng)速的差異。鄧國等[3]發(fā)現(xiàn)3組邊界層參數(shù)化方案對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等方面有顯著影響，不同邊界層參數(shù)化方案模擬的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致臺風(fēng)強(qiáng)度的差異。王晨稀[4]基于GRAPES-TCM（Global Regional Assimilation and Prediction System-Tropical Cyclone Model）模式，分析了2組邊界層參數(shù)化方案對臺風(fēng)預(yù)報的影響。賴文鋒等[5]利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式，對比了3組邊界層方案對臺風(fēng)登陸前后的路徑、強(qiáng)度和累積降水的影響。黃文彥[6]利用WRF模式，對比分析了5組不同邊界層參數(shù)化方案模擬的美國北部森林地區(qū)邊界層熱力和動力結(jié)構(gòu)。Que等[7]探討了WRF模式中2組邊界層方案對中國大陸、東印度洋和西太平洋這一特大區(qū)域的降水和溫度的影響。陳俊文等[8]選用WRF模式對南海冬季海面大風(fēng)天氣進(jìn)行48 h預(yù)報，對模式中多種邊界層參數(shù)化方案的預(yù)報效果進(jìn)行評估，從而尋找出適合南海冬季海面大風(fēng)預(yù)報的方案。以上研究普遍需要用到一些實測如探空資料等，這些資料的稀缺在很大程度上限制了對邊界層試驗結(jié)果的評估研究?？偟膩碚f，目前全面評估WRF模式中不同邊界層參數(shù)化方案對南海熱帶氣旋期間的邊界層熱力和動力結(jié)構(gòu)特征影響的工作開展較少。已開展的研究大都集中在臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度或降水等方面，本文將利用WRF模式，全面對比分析5組邊界層參數(shù)化方案及首次探討不考慮邊界層參數(shù)化方案模擬的通量、邊界層熱力和動力結(jié)構(gòu)，并結(jié)合歷史探空資料，探討對南海邊界層結(jié)構(gòu)有較好模擬能力的邊界層參數(shù)化方案。

2 模式設(shè)定和資料

WRF模式是以美國大氣研究中心、美國海洋大氣局預(yù)報系統(tǒng)實驗室、環(huán)境預(yù)報中心和俄克拉荷馬州大學(xué)為主，與其它大學(xué)的科學(xué)家共同研制和發(fā)展的中尺度預(yù)報和資料同化模式系統(tǒng)[9]。模式垂直方向分為40層，頂層高度為100 hPa，水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格，模擬范圍為93°—147°E，6°S—38°N，模擬中采用雙向兩重嵌套，網(wǎng)格格距分別為15 km和5 km，地形采用NCAR（National Center for Atmospheric Research）提供的10′×10′資料。模式物理方案包括NCEP（National Center for Environmental Prediction）3階簡單冰方案、RRTM（Rapid Radiative Transfer Model）長波輻射方案、Duhia短波輻射方案、熱力混合陸面方案、BMJ（Betts-Miller-Janjic）云參數(shù)化方案、Moni-obkhv近地層方案。利用美國國家環(huán)境預(yù)報中心的最終全球業(yè)務(wù)分析數(shù)據(jù)作為WRF模式的初始場，該數(shù)據(jù)時間分辨率為6 h一次，空間分辨率為1°×1°；采用中國氣象局熱帶氣旋資料中心的實測資料（Typhoon of China Meteoro-logical Administration，CMA）檢驗臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度的模擬情況；邊界層探空觀測資料來源于中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，該資料主要是通過GPS探空儀、探空數(shù)據(jù)接收機(jī)、探空基測箱等儀器獲取了各層的高度、氣溫、相對濕度、風(fēng)速等[10]，觀測地點為香港，觀測時間從2009年7月14日00時—2009年7月21日12時（北京時，下同）。

3 邊界層方案介紹

本次研究共使用了WRF模式中五種不同邊界層方案，分別是非局地YSU（Yonsei University）[11]、MRF（Medium Range Forecast）、ACM2（Asymmetric Convective Model Version 2[12]、MYNN（Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 2.5）、BouLac（Bougeault-lacarrere）方案。其中MRF方案[13]基于Troen-Mahrt針對充分混合邊界層中的反梯度和K廓線理論的描述在MRF模式中所實現(xiàn)，采用非局地大氣邊界層垂直擴(kuò)散方案，使用一個隱式方案實現(xiàn)更大的時間步長；YSU邊界層方案[11]是由MRF方案發(fā)展而來的，相對于MRF邊界層增加了處理邊界層頂部夾卷層的方法，反梯度非局地輸送，使用K廓線方法確定擴(kuò)散系數(shù)，顯式表示卷夾過程；ACM2方案[12]采用一個非局地向上混合和局地向下混合的非對稱對流模型，考慮非局地渦流擴(kuò)散對混合的影響，使用k廓線方法確定擴(kuò)散系數(shù)；MYNN 2.5層[14]方案采用2.5層湍流動能方案，重新設(shè)計了一個新的時間差分算法以克服湍流動能方程中的計算不穩(wěn)定問題；BouLac方案[15]在TKE預(yù)報方案的基礎(chǔ)上加入多層城市模式，在穩(wěn)定層結(jié)下使用局地k理論計算湍流擴(kuò)散，即湍流交換僅發(fā)生在相鄰層次之間，當(dāng)大氣層結(jié)轉(zhuǎn)為不穩(wěn)定時，則認(rèn)為湍流交換發(fā)生在地表和邊界層各層之間。

4 與實測結(jié)果對比分析

4.1 熱帶氣旋“莫拉菲”概況

本文選取2009年熱帶氣旋“莫拉菲”（Molave）作為邊界層敏感性試驗個例（見圖1a）。2009年7月15日09時，在菲律賓以東海域形成熱帶低壓，16日20時升級為熱帶風(fēng)暴。17日晚受副高影響，“莫拉菲”的移動速度稍稍減速，慢慢轉(zhuǎn)向偏西路徑前進(jìn)。18日“莫拉菲”以西北偏西方向逼近珠江口。19日凌晨熱帶氣旋“莫拉菲”在深圳南澳附近一帶登陸，于19日05時減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，08時“莫拉菲”減弱為熱帶風(fēng)暴，14時進(jìn)一步減弱為熱帶低壓，19日20時減弱為低壓區(qū)，橫過廣東漸漸消散。WRF模擬試驗中，模式積分時間為2009年7月16日00時—19日18時。

4.2 與臺風(fēng)年鑒資料的對比分析

圖1a為6組試驗?zāi)M的熱帶氣旋路徑和中國臺風(fēng)年鑒資料的對比圖。從模擬結(jié)果與實況資料對比看，模擬路徑與實況的移動方向較一致。對比結(jié)果表明：5組考慮邊界層參數(shù)化方案模擬的路徑差別不大，其中BouLac方案和YSU方案模擬的路徑整體較好，MYNN方案模擬的結(jié)果次之。在熱帶氣旋前期，模擬路徑與實況較為吻合；在模擬后期模擬誤差較大，其中模擬誤差較大的ACM2方案，其登陸時的誤差在150 km以內(nèi)。不考慮邊界層參數(shù)化方案對熱帶氣旋路徑的模擬影響很大，模擬的路徑偏差最大；模式有較強(qiáng)地模擬熱帶氣旋路徑的能力，但是模擬路徑和臺風(fēng)年鑒的路徑之間還是存在一些誤差，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是在模擬的后期，由于模擬時效的延長，大部份試驗?zāi)M的路徑較實際路徑偏南；二是模擬的移動速度較實測速度偏小，“莫拉菲”于19日00時已經(jīng)登陸，而相應(yīng)時刻模擬的熱帶氣旋中心還在南海近岸。

圖1b和1c分別為WRF模擬的熱帶氣旋中心的海平面最低氣壓和附近最大風(fēng)速與中國氣象局（China Meteorological Administration，CMA））臺風(fēng)年鑒的資料對比圖。從總的變化趨勢看，除不考慮邊界層參數(shù)化的試驗外，其它5組試驗?zāi)M的熱帶氣旋強(qiáng)度在18日12時前是一個逐漸加強(qiáng)的過程，隨后熱帶氣旋強(qiáng)度逐漸減弱，實際上熱帶氣旋強(qiáng)度也表現(xiàn)出相同的特征。其中YSU和BouLac方案模擬的熱帶氣旋強(qiáng)度和實測最接近，但最大風(fēng)速和海面氣壓從18日18時開始與實況誤差開始變大。BouLac方案模擬的海平面最低氣壓和最大風(fēng)速與年鑒資料對比最接近，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.90和0.87（見表1）。所有的參數(shù)化方案模擬的結(jié)果和實況資料對比，結(jié)果大體都是中心氣壓偏高，最大風(fēng)速偏小，整體強(qiáng)度偏弱，其主要原因可能是模式初始場的空間分辨率較低，沒有采用Bogus技術(shù)或同化技術(shù)調(diào)整模式起算時的熱帶氣旋中心經(jīng)緯度、氣壓和強(qiáng)度等[16-18]。

圖1 實測與模擬路徑、氣壓及風(fēng)速對比圖

表1 “莫拉菲”中心的海平面最低氣壓、最大風(fēng)速與臺風(fēng)年鑒資料對比統(tǒng)計結(jié)果

圖2 18日12時“莫拉菲”的模擬結(jié)果與探空資料（OBS）對比

4.3 與探空資料的對比分析

本文結(jié)合探空資料進(jìn)一步探討邊界層參數(shù)化方案在南海模擬熱帶氣旋邊界層的適用性。從圖2和表2可以看出，6組試驗?zāi)M的位勢高度、溫度和實測對比較一致，相關(guān)系數(shù)接近1，因此可認(rèn)為不同邊界層參數(shù)化方案對位勢高度和溫度的模擬影響很小。16日00時—17日12時及19日00時，不同邊界層參數(shù)化方案模擬的濕度與實測吻合較好，相關(guān)系數(shù)普遍大于0.80，而18日00時，18日12時及19日12時，各組參數(shù)化方案模擬的濕度與實測相差較大，相關(guān)系數(shù)普遍低于0.75。BouLac方案模擬的濕度與實測的變化趨勢最接近。16日00時—17日12時，不同參數(shù)化方案模擬的風(fēng)速與實測吻合較好，相關(guān)系數(shù)普遍大于0.70，而18日00時，12時及19日12時，不考慮邊界層方案模擬的風(fēng)速和實測相關(guān)性低于0.25。16日00時至19日12時的8個時刻，5組考慮邊界層參數(shù)化方案模擬的風(fēng)速和實測之間的相關(guān)性都相差不大，其中BouLac邊界層參數(shù)化方案模擬的風(fēng)速和實測之間的相關(guān)系數(shù)最高，為0.86。

5 不同邊界層方案模擬的通量分析比較

由于敏感性試驗中除邊界層方案不同外，其它各物理項的參數(shù)化方案均相同，因此可認(rèn)為這6組試驗?zāi)M結(jié)果的差異主要是由邊界層過程的不同引起的。

5.1 潛熱通量

潛熱和感熱通量的傳輸是邊界層中的主要物理過程之一[19]，潛熱通量對熱帶氣旋的發(fā)展、加強(qiáng)和維持有促進(jìn)作用。從圖3可以看出，6組敏感試驗?zāi)M的潛熱通量數(shù)值在海洋均為正值。5組考慮邊界層參數(shù)化方案的模擬中，潛熱通量沿著“莫拉菲”中心呈非對稱氣旋式分布，高值中心主要分布在“莫拉菲”中心右下側(cè)。熱帶氣旋中心為潛熱通量的低值區(qū)，潛熱通量由中心向外逐漸增強(qiáng)，一般在最大風(fēng)速區(qū)的潛熱通量達(dá)到最大值。其中BouLac方案模擬的潛熱通量最大值高達(dá)580 W/m2，MYNN方案次之，約為450 W/m2，YSU方案最小，約為330 W/m2。不考慮邊界層方案的試驗中，潛熱通量的氣旋式分布特征不顯著，其空間分布和其它5組參數(shù)化方案的敏感性試驗完全不一致。潛熱通量的大小和熱帶氣旋強(qiáng)弱成正相關(guān)，潛熱輸送越大，熱帶氣旋強(qiáng)度越強(qiáng)，反之，潛熱輸送越小，熱帶氣旋強(qiáng)度越弱。

表2 18日12時探空資料和模擬值的統(tǒng)計結(jié)果

圖3 18日12時潛熱通量分布圖（單位：W/m2）

5.2 感熱通量

感熱通量的空間分布特征與潛熱通量的分布特征基本相似（見圖4）。熱帶氣旋區(qū)域附近為感熱通量的正值區(qū)，其高值中心普遍位于“莫拉菲”中心的東南側(cè)，熱帶氣旋外區(qū)的感熱通量逐漸變小。與潛熱通量分布的不同之處在于感熱通量在數(shù)值上比潛熱通量小很多，如MYNN和BouLac方案中熱帶氣旋中心附近的最大值不到100 W/m2，ACM2方案次之，熱帶氣旋中心附近最大感熱通量為80 W/m2左右，不考慮邊界層方案模擬的感熱通量最小，僅為10 W/m2。由此可見雖然感熱通量對熱帶氣旋強(qiáng)度有一定影響，但是其影響相對比潛熱通量要小得多。

5.3 水汽通量

邊界層中水汽通量的供應(yīng)對熱帶氣旋發(fā)生、發(fā)展和加強(qiáng)過程也具有非常重要的影響，水汽通量的輻合上升釋放出來的大量凝結(jié)潛熱可為熱帶氣旋的發(fā)展和加強(qiáng)提供能量。6組試驗的水汽通量和潛熱通量的空間分布（見圖3）除了量值的大小差異，基本一致（圖略），其中考慮邊界層參數(shù)化的5組試驗?zāi)M的水汽通量的空間分布形式相似，其空間分布形態(tài)具有顯著的渦旋不對稱性分布特征，“莫拉菲”中心的水汽通量最小，最大風(fēng)速區(qū)中的水汽通量最大；在“莫拉菲”前進(jìn)方向右下方的水汽輻合較強(qiáng)，熱帶氣旋前進(jìn)方向左前方的水汽輻合較弱，這說明水汽通量的輻合主要產(chǎn)生在“莫拉菲”經(jīng)過后的一段時間里?！澳啤敝行牡乃棵黠@小于四周，這是因為上升氣流出現(xiàn)在臺風(fēng)眼區(qū)四周的云墻區(qū)和降水帶，而下沉氣流出現(xiàn)在臺風(fēng)的眼區(qū)。比較6組試驗的水汽通量可知，BouLac方案模擬的水汽通量最強(qiáng)，最高值為2.1×10-4kg/（m2·s），MYNN次之，為1.9×10-4kg/（m2·s），不考慮邊界層方案試驗?zāi)M的水汽輸送最弱，不足于維持臺風(fēng)的發(fā)展和加強(qiáng)，因此該時刻熱帶氣旋強(qiáng)度較弱，水汽通量也沒有顯著的氣旋結(jié)構(gòu)分布。

6 邊界層參數(shù)化模擬的熱力場和動力場的差異

邊界層通過海氣通量影響著“莫拉菲”的強(qiáng)度，而其強(qiáng)度的變化與其熱力場和動力場密切相關(guān)，下文將對比分析6組試驗的熱力場和動力場。

6.1 熱力場的差異

潛熱通量的大量釋放，是熱帶氣旋暖心結(jié)構(gòu)形成的重要因素[20]。從850 hPa溫度場（見圖5）來看，除了不考慮邊界層方案的試驗外，其它5組試驗?zāi)M的溫度場的空間分布較為一致，即“莫拉菲”中心是溫度的高值中心。自臺風(fēng)中心向外，“莫拉菲”中心切線方向上的等溫線構(gòu)成的閉合中心呈氣旋式分布形態(tài)[3，21-22]。YSU和BouLac方案模擬的熱帶氣旋中心溫度最高，均為24℃；MYNN方案次之，為22℃；850 hPa溫度的空間分布與潛熱通量的強(qiáng)弱分布較為一致，這說明熱帶氣旋的低層受海氣界面通量的影響比較顯著。另外在不考慮邊界層方案的模擬中，海面上溫度呈現(xiàn)氣旋式分布，其中心是一個高溫區(qū)，最高溫度超為24℃，該研究結(jié)果表明，不考慮邊界層參數(shù)化方案中，低層的溫度可以傳輸?shù)?50 hPa，但是沒有較強(qiáng)的潛熱通量和感熱通量以及水汽通量的輸送，熱帶氣旋失去了維持和發(fā)展的能量來源，因此該方案模擬的熱帶氣旋非常弱。

圖6a—f分別是“莫拉菲”18日12時經(jīng)過“莫拉菲”中心的東西向斷面的水汽通量空間分布圖。圖6b—f組模擬的水汽通量空間分布形態(tài)相似，均具有不對稱性特征；“莫拉菲”低層的水汽通量較大，隨著高度的升高，水汽通量不斷減小，中心左側(cè)的水汽通量值普遍較大。其中5組考慮邊界層方案模擬的水汽通量極大值均達(dá)到100%在400 hPa以下的極大值均在90%左右，其中ACM2和BouLac方案模擬的水汽通量整體較強(qiáng)。而不考慮邊界層方案模擬的水汽通量極大值不超過90%，400 hPa以上的濕度幾乎小于20%，底層的水汽輸送到約600 hPa就輸送不上去，說明不考慮邊界層參數(shù)化時，熱帶氣旋強(qiáng)度也就無法維持。

圖4 18日12時感熱通量分布圖（單位：W/m2）

圖5 18日12時850 hPa溫度等值線圖（單位：℃）

圖6 18日12時垂直濕度等值線分布圖（單位：%）

圖7 18日12時相對渦度（200 hPa和850 hPa渦度差，單位：10-4/s）

6.2 動力場的差異

相對渦度在一定程度上可作為熱帶氣旋強(qiáng)度的評判因子[22]。熱帶氣旋環(huán)流低層的相對渦度一般為正值，高層為負(fù)值。當(dāng)高層和低層相對渦度的差值小于零時，則說明該時刻的熱帶氣旋正在維持或發(fā)展中。相對渦度差越小，表明熱帶氣旋結(jié)構(gòu)就越完整，強(qiáng)度越強(qiáng)。圖7b—f組中熱帶氣旋中心相對渦度差的低值區(qū)都在-12×10-4/s以下，表明“莫拉菲”具有足夠的能量來維持其較強(qiáng)的垂向梯度運(yùn)動。雖然5組考慮邊界層參數(shù)化方案模擬的“莫拉菲”相對渦度差的負(fù)值區(qū)域的范圍基本一致，但低值中心位置存在顯著差異。其中BouLac方案渦度差極低值達(dá)-14×10-4/s，YSU方案模擬的渦度差的極低值次之，達(dá)-13×10-4/s，而不考慮邊界層試驗中的相對渦度普遍為正值，說明該區(qū)域沒有明顯的氣流輻合抬升。

散度的強(qiáng)弱可以反映了大氣中高、低層的輻散和輻合強(qiáng)弱，也反映可表征出邊界層中的天氣現(xiàn)象的劇烈程度[23]。圖8為18日12時6組試驗的200 hPa與850 hPa之間的散度差空間分布。與相應(yīng)的200 hPa與850 hPa之間的渦度差最小值出現(xiàn)在“莫拉菲”中心不同，散度正值區(qū)位于“莫拉菲”眼壁附近，呈氣旋式不對稱式的空間分布形態(tài)，該現(xiàn)象既表明“莫拉菲”的眼壁區(qū)存在強(qiáng)烈的輻合上升氣流，又反映了熱帶氣旋系統(tǒng)的氣旋式結(jié)構(gòu)分布特征。由于“莫拉菲”西側(cè)偏北的氣流部分經(jīng)過陸地，而東側(cè)偏南的氣流主要來自海洋，后者氣流攜帶的水汽較前者多，導(dǎo)致靠近陸地的熱帶氣旋西側(cè)的散度較小。從渦度和散度差的空間分布分析，不同方案下散度差的分布與相對渦度差的分布剛好相反，即散度越大，相對渦度差越小。其中YSU和MRF方案模擬的散度較BouLac方案的結(jié)果偏強(qiáng)，熱帶氣旋中心散度差值最大值超過6×10-4/s，說明這兩個方案下的熱帶氣旋高層輻散和低層輻合比其它方案顯著。不考慮邊界層方案中的渦度差和散度差值都很小，說明該方案模擬的熱帶氣旋低層輻合和高層輻合輻散都不顯著，熱帶氣旋結(jié)構(gòu)不完整，熱帶氣旋強(qiáng)度也較小。

從沿?zé)釒庑行臇|西向斷面的水平風(fēng)場垂直剖面圖來看（見圖9），“莫拉菲”的風(fēng)場呈顯著的不對稱結(jié)構(gòu)分布，內(nèi)部氣流以上升運(yùn)動為主，低層為氣旋式流入氣流，氣旋式流入氣流在垂直方向上一直延續(xù)到對流層頂部，高層為反氣旋式流出氣流。不考慮邊界層方案模擬的熱帶氣旋風(fēng)速強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其它5組模擬結(jié)果，低層沒有顯著的氣旋式氣流流入，低層風(fēng)速最大風(fēng)速不超過15 m/s，而高層也沒有反氣旋式氣流流出。5組考慮邊界層參數(shù)化方案模擬的低層風(fēng)速極大值區(qū)域均分布在“莫拉菲”中心北部偏向陸地的一側(cè)，這可能是因為“莫拉菲”低層的風(fēng)場受到陸地地形影響，在熱帶氣旋和陸地之間產(chǎn)生了較強(qiáng)的氣流，形成類似于狹管效應(yīng)的現(xiàn)象[3]。BouLac、YSU和ACM2方案模擬低層的風(fēng)速極大值較大，最大風(fēng)速達(dá)32 m/s，中高層以Acm2方案為大，在600 hPa到500 hPa之間，最大風(fēng)速達(dá)30 m/s左右，而MRF方案在所有層面上風(fēng)速均是最低的，但是相差不明顯，大概每個層面相差3m/s。

7 結(jié)論

利用WRF模式較全面的評估該模式對南海臺風(fēng)期間邊界層的模擬能力，并對比分析了邊界層參數(shù)化方案模擬的邊界層熱力和動力結(jié)構(gòu)，得到如下主要結(jié)論：

（1）與熱帶氣旋附近的風(fēng)溫濕廓線探空資料的對比表明：行星邊界層參數(shù)化對于位勢高度和溫度的模擬沒有很大影響；BouLac參數(shù)化方案模擬的熱帶氣旋結(jié)果與實況變化趨勢最接近，而且熱帶氣旋中心最低海平面氣壓、熱帶氣旋中心附近最大風(fēng)速與中國臺風(fēng)年鑒中的對應(yīng)要素的相關(guān)系數(shù)也最高；

（2）是否考慮邊界層參數(shù)化對熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度的模擬影響顯著；不考慮邊界層參數(shù)化，熱帶氣旋低層的熱量、水汽和動量通量均難以向高層輸送，而采用不同的邊界層參數(shù)化方案對熱帶氣旋結(jié)構(gòu)的模擬存在顯著差別，且這種差異不限于邊界層；

圖8 18日12時散度（200 hPa和850 hPa散度差，單位：10-4/s）

圖9 18日12時水平風(fēng)速的垂直分布

（3）BouLac方案模擬的潛熱通量、感熱通量以及水汽通量最高，這和該方案模擬的臺風(fēng)強(qiáng)度最強(qiáng)相對應(yīng)；BouLac和MRF方案模擬的散度較YSU方案的結(jié)果偏強(qiáng)，說明這兩個方案下的熱帶氣旋高層輻散和低層輻合比其它方案顯著。和非局地參數(shù)化方案相對比，Boulac方案模擬的效果比較強(qiáng)，是因為有較高的混合效應(yīng)、較大的對流動能以及能更好的模擬濕對流引起的濕度。

BouLac方案模擬的結(jié)果更接近實際觀測，這表明在穩(wěn)定層結(jié)下使用局地k理論計算湍流擴(kuò)散更為合理，但非局地方案在風(fēng)速和氣壓的預(yù)報上存在一定優(yōu)勢。

致謝：非常感謝中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所提供的探空資料。

[1]李響,王輝,吳輝碇,等.海上大氣邊界層數(shù)值預(yù)報技術(shù)發(fā)展概論[J].海洋預(yù)報,2010,27(1):72-82.

[2]Braun S A,Tao W K.Sensitivity of high-resolution simulations of hurricane Bob(1991)to planetary boundary layer parameterizations [J].Monthly Weather Review,2000,128(12):3941-3961.

[3]鄧國,周玉淑,李建通.臺風(fēng)數(shù)值模擬中邊界層方案的敏感性試驗I.對臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響[J].大氣科學(xué),2005,29(3):417-428.

[4]王晨稀.邊界層參數(shù)化影響“梅花”臺風(fēng)的敏感性試驗[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2013,28(2):197-208.

[5]賴文鋒,劉陽,麥健華,等.臺風(fēng)"莫拉菲"對不同邊界層方案的敏感性數(shù)值模擬[J].廣東氣象,2010,32(6):10-14.

[6]黃文彥,沈新勇,王衛(wèi)國,等.邊界層參數(shù)化方案對邊界層熱力和動力結(jié)構(gòu)特征影響的比較[J].地球物理學(xué)報,2014,57(5):1399-1414.

[7]Que L J,Que W L,Feng J M.Intercomparison of different physics schemes in the WRF model over theAsian summer monsoon region [J].Atmospheric and Oceanic Science Letters,2016,9(3):169-177.

[8]陳俊文,蔡揚(yáng),白毅平,等.南海冬季一次海面大風(fēng)天氣的WRF模式預(yù)報檢驗[J].海洋預(yù)報,2014,31(4):32-40.

[9]Michalakes J,Dudhia J,Gill D O,et al.The weather research and forecast model:software architecture and performance[C]//11th Workshop on the Use of High Performance Computing in Meteorology.UK:European Centre for Medium Range Weather Forecasts,2004:1-13.

[10]廖菲,鄧華,趙中闊,等.熱帶氣旋科學(xué)觀測試驗及研究進(jìn)展概況[J].熱帶氣象學(xué)報,2013,29(4):687-697.

[11]Hong S Y,Noh Y,Dudhia J.A new vertical diffusion package with anexplicittreatmentofentrainmentprocesses[J].Monthly Weather Review,2006,134(9):2318-2341.

[12]Pleim J E.A combined local and nonlocal closure model for the atmospheric boundary layer.Part I:Model description and testing [J].Journal of Applied Meteorology and Climatology,2007,46 (9):1383-1395.

[13]Hong S Y,Pan H L.Nonlocal boundary layer vertical diffusion in a medium-range forecast model[J].Monthly Weather Review, 1996,124(10):2322-2339.

[14]Nakanishi M,Niino H.An improved mellor-yamada level-3 model: its numerical stability and application to a regional prediction of advection fog[J].Boundary-Layer Meteorology,2006,119(2): 397-407.

[15]Bougeault P.A simple parameterization of the large-scale effects of cumulus convection[J].Monthly Weather Review,1985,113 (12):2108-2121.

[16]李江南,龔志鵬,王安宇,等.南海臺風(fēng)Vongfong(2002)的數(shù)值模擬試驗[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,43(3):85-89.

[17]鈕學(xué)新,杜惠良,劉建勇.0216號臺風(fēng)降水及其影響降水機(jī)制的數(shù)值模擬試驗[J].氣象學(xué)報,2005,63(1):57-68.

[18]張建海,諸曉明,王麗華.臺風(fēng)Haitang和Matsa引發(fā)浙江暴雨強(qiáng)度和分布的對比分析[J].熱帶氣象學(xué)報,2007,23(2):126-134.

[19]Charney J G,Eliassen A.On the growth of the hurricane depression[J].Journal of the Atmospheric Sciences,1964,21(1): 68-75.

[20]Wang B,Elsberry R L,Wang Y Q,et al.Dynamics in tropical cyclone motion:A review[J].Scientia Atmospherica Sinica,1998, 22(4):535-547.

[21]Hawkins H F,Imbembo S M.Structure of a small,intense hurricane—Inez 1966[J].Monthly Weather Review,1976,104(4): 418-442.

[22]陳聯(lián)壽,徐祥德,羅哲賢,等.熱帶氣旋動力學(xué)引論[M].北京:氣象出版社,2002:217-228.

[23]丁一匯.高等天氣學(xué)[M].2版.北京:氣象出版社,2005:276-289.

Comparison of the thermal and dynamic boundary layer structure with different boundary layer parameterizations during typhoon“Molave”

JIANG Li-fang1，YIN Yi2,3，LIU Chun-xia4
（1.South China Sea Marine Forecast Center of State Oceanic Administration,Guangzhou 510310 China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049 China;3.South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301 China; 4.Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology,CMA,Guangzhou 510080 China）

Base on the mesoscale WRF mode,the performance of simulating the structural feature of the boundary layer in the South China Sea is evaluated and the thermal and dynamic structural feature in the boundary layer under 6 kinds of boundary layer parameterizations scheme are compared and analyzed.Compared with the sounding data,the results show that the simulation of geopotential height and temperature is not greatly affected with the different PBL scheme.The simulation with the BouLac scheme is closest to the observed data. The MYNN scheme and YSU scheme produce weaker result than that of the BouLac scheme.The PBL schemes on the simulation of tropical cyclone track and intensity have a significant different to the result without PBL schemes.The simulations of structure of tropical cyclone are significantly difference with different PBL schemes; the difference is not limited in PBL.

South China Sea;the boundary layer of tropical cyclone;simulation;sounding data

P444

A

1003-0239（2017）04-0020-12

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.04.003

2016-11-04；

2017-01-19。

國家重點研發(fā)計劃（2016YFC1401407）；國家自然科學(xué)基金項目（41306014）。

江麗芳（1983-），女，工程師，博士，從事海氣相互作用及大氣海浪數(shù)值模擬。E-mail：lifangjiang@scsio.ac.cn

尹毅（1978-），男，工程師，博士，從事物理海洋動力學(xué)研究。E-mail：yinyi@scsio.ac.cn