仲鵬志，冶磊，李煜斌，吳彬貴，高志球

(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300000)

1 引 言

臺(tái)風(fēng)是一種發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上具有暖心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈氣旋性渦旋，多在每年夏秋季節(jié)生成于西北太平洋洋面。我國(guó)東南到華南沿海地區(qū)每年都會(huì)有多個(gè)臺(tái)風(fēng)登陸，部分臺(tái)風(fēng)更是伴隨狂風(fēng)暴雨，造成氣象災(zāi)害，帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失并威脅人民的生命安全[1]?；诖?，近年來(lái)眾多科學(xué)家致力于準(zhǔn)確參數(shù)化臺(tái)風(fēng)中的物理過(guò)程[2-3]，以提高其預(yù)報(bào)精度，從而為臺(tái)風(fēng)的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)支撐[4-5]。

大氣邊界層位于大氣底層，這層大氣受地面熱力與動(dòng)力影響，它通過(guò)湍流運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)地面和大氣之間動(dòng)量、熱量和水汽交換[6]。大氣邊界層參數(shù)化方案在臺(tái)風(fēng)數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)中起著重要的作用，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、路徑和降水對(duì)邊界層參數(shù)化方案極其敏感[7-8]。Braun等[9]的數(shù)值模擬試驗(yàn)表明，大氣邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)降水強(qiáng)度和分布有重要影響。Nolan等[10]比較了采用YSU和MYJ兩種不同邊界層方案模擬得到的臺(tái)風(fēng)外圍和內(nèi)核邊界層的異同。Smith等[11]發(fā)現(xiàn)不同邊界層方案估算的湍流擴(kuò)散系數(shù)不同，并導(dǎo)致臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的差異。鄧國(guó)等[12]指出邊界層過(guò)程參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)后期的強(qiáng)度影響十分明顯。Zhang等[13]研究闡明了邊界層參數(shù)化影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化的機(jī)理。溫曉培等[14]對(duì)比分析了不同邊界層參數(shù)化方案模擬得到的臺(tái)風(fēng)初生結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)熱帶擾動(dòng)的形成和發(fā)展與大氣邊界層物理過(guò)程密切相關(guān)。Liu等[15]研究了不同邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)快速增強(qiáng)的影響，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)地表通量和邊界層的垂直混合對(duì)于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)有重要作用。丁成慧等[16]研究發(fā)現(xiàn)邊界層參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑影響較小，但對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)有較大的影響。Pradhan等[17]通過(guò)比較YSU、QNSE和UWMT三種邊界層方案，發(fā)現(xiàn)QNSE和UWMT方案能夠更準(zhǔn)確地模擬北大西洋冬季風(fēng)暴的氣旋發(fā)生和發(fā)展階段。

2019年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”是1949年以來(lái)登陸浙江第三強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)，它給沿海居民帶來(lái)了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。分析不同邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”模擬的影響將有助于提升對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)模擬和預(yù)報(bào)中邊界層參數(shù)化方案作用的認(rèn)識(shí)，為今后的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)模擬和預(yù)報(bào)提供一定參考。本研究選取了六個(gè)常用的邊界層方案（包括三個(gè)局地方案和三個(gè)非局地方案）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了它們對(duì)南海臺(tái)風(fēng)“利奇馬”路徑和強(qiáng)度的影響。下文中第2節(jié)介紹了數(shù)據(jù)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，第3節(jié)為模擬結(jié)果分析，第4節(jié)為總結(jié)。

2 數(shù)據(jù)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用中尺度數(shù)值模式WRF V3.9.1，并用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ERA5再分析資料為模式提供初始場(chǎng)和邊界條件，時(shí)間間隔為6小時(shí)，水平分辨率為0.25°×0.25°。模式采用雙向三層移動(dòng)嵌套，水平分辨率分別為18 km、6 km和2 km（圖1）。為了進(jìn)行高分辨率的模擬，垂直方向分為38層，模式層頂為50 hPa，積分時(shí)間為2019年8月6日12時(shí)—8月11日00時(shí)（世界時(shí)，下同），共積分108小時(shí)，每3小時(shí)輸出一次結(jié)果。其中前12小時(shí)為模式物理過(guò)程的初始啟動(dòng)時(shí)間，本文主要分析2019年8月8日00時(shí)—11日00時(shí)共96小時(shí)的結(jié)果。本文采用中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心提供的臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)集來(lái)確定臺(tái)風(fēng)“利奇馬”的路徑和強(qiáng)度，其中臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)中包含西太平洋熱帶氣旋逐3小時(shí)的位置和強(qiáng)度。

圖1 模擬區(qū)域設(shè)置

WRF模式中主要的物理過(guò)程包含：云微物理過(guò)程、積云對(duì)流過(guò)程、長(zhǎng)波輻射、短波輻射、近地面層、陸面過(guò)程及邊界層物理過(guò)程等。各模擬試驗(yàn)中除邊界層物理過(guò)程以外的其他物理過(guò)程設(shè)置均保持一致（詳細(xì)配置如表1所示），具體選擇為：WSM6[18]微物理參數(shù)化方案、Kain-Fritsch[19-20]積云對(duì)流參數(shù)化方案、RRTMG[21]長(zhǎng)波和短波輻射方案、以及Noah[22]陸面過(guò)程方案，MYJ方案使用的表面層方案為MYJ Monin-Obukhov方案，而其它方案使用的表面層方案均為MM5 Monin-Obukhov方案。其中，積云對(duì)流參數(shù)化方案僅在分辨率為18 km的網(wǎng)格中使用。

表1 模式其它方案的設(shè)定

邊界層中參數(shù)化方案主要用于計(jì)算湍流引起的通量輸送，經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，WRF模式中已有多種邊界層方案，他們分別是BouLac[23]、MYJ、MRF[24]、QNSE[25]、YSU[26]、ACM2[27]、UW[28]、以及Shin-Hong[29]等。按照是否局地閉合，這些方案可分為局地閉合方案(BouLac、MYJ、UW等)和非局地閉合方案(YSU、ACM2、Shin-Hong等)。局地閉合方案通過(guò)本格點(diǎn)處的信息對(duì)湍流通量進(jìn)行參數(shù)化，而非局地閉合方案則同時(shí)使用了其他格點(diǎn)處的信息。其中，局地邊界層方案主要是建立湍流動(dòng)能的預(yù)報(bào)方程，然后基于局地湍流動(dòng)能計(jì)算湍流通量，認(rèn)為局地湍流動(dòng)能可以反映局地的湍流輸運(yùn)；而非局地邊界層方案在計(jì)算湍流動(dòng)能的過(guò)程中在依據(jù)局地氣象要素切變的基礎(chǔ)上加上了大渦的貢獻(xiàn)，認(rèn)為局地信息不足以反映局地湍流輸運(yùn)，而較大的渦旋也可以影響到湍流輸運(yùn)。對(duì)于邊界層結(jié)構(gòu)的研究表明，在穩(wěn)定層結(jié)下局地閉合方案的模擬性能通常更好；而在不穩(wěn)定層結(jié)下，大渦結(jié)構(gòu)較易發(fā)展，非局地閉合方案考慮非局地大渦輸送，從而表現(xiàn)更優(yōu)[30]。鑒于局地閉合方案如MYJ和非局地閉合方案如YSU在臺(tái)風(fēng)模擬中都是常用方案[31]，本文選取這兩種方案進(jìn)行對(duì)比研究。另外，本文還選取了4種較常用的邊界層方案，包括局地閉合方案BouLac和UW，以及非局地方案ACM2和Shin-Hong，從而對(duì)這兩類方案進(jìn)行更深入全面的對(duì)比分析。其中三種局地閉合方案均為1.5階閉合方案，通過(guò)預(yù)報(bào)湍流擾動(dòng)動(dòng)能（TKE）來(lái)解決湍流閉合問(wèn)題；而三種非局地閉合方案均為1階閉合方案，通過(guò)K廓線來(lái)處理湍流閉合問(wèn)題。通過(guò)對(duì)比這些不同邊界層方案模擬的結(jié)果，將有助于研究其對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的影響。表2是這六種邊界層參數(shù)化方案的主要特征。

表2 邊界層方案主要特征

3 結(jié) 果

3.1 不同邊界層方案模擬得到的臺(tái)風(fēng)路徑

臺(tái)風(fēng)“利奇馬”于2019年8月4日15時(shí)形成于菲律賓呂宋島以東的洋面上，隨后向西北偏北方向移動(dòng)，8月7日05時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，并在23時(shí)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。10日02時(shí)在浙江省沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)16級(jí)（52 m/s），中心最低氣壓為930 hPa。登陸后“利奇馬”的強(qiáng)度迅速減弱，并逐漸轉(zhuǎn)向偏北方向移動(dòng)。11日12時(shí)前后，“利奇馬”從江蘇省連云港市附近出海，之后在山東省青島市沿海再次登陸，隨后進(jìn)入到渤海海面后減弱為熱帶低壓，并逐漸消亡。

圖2是不同邊界層方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑與實(shí)際觀測(cè)路徑的對(duì)比情況，模擬的臺(tái)風(fēng)中心通過(guò)最低海平面氣壓的位置所確定。圖2顯示了模擬的臺(tái)風(fēng)先偏西行然后轉(zhuǎn)向北行的路線。在模式積分60 h后，各邊界層方案模擬的臺(tái)風(fēng)路徑開(kāi)始逐漸偏離實(shí)際路徑。除MYJ方案模擬的路徑較實(shí)際路徑偏東北，其他模擬的臺(tái)風(fēng)路徑均較實(shí)際路徑偏西南，且所有模擬的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度比實(shí)況稍慢。

圖2 模擬的臺(tái)風(fēng)路徑和觀測(cè)得到的最佳路徑

為定量比較不同邊界層方案對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的影響，圖3列出了各試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)中心位置與對(duì)應(yīng)時(shí)刻實(shí)況位置之間距離的偏差和其平均值。由圖3可知BouLac、MYJ、UW、YSU、ACM2和SH方案96小時(shí)模擬的臺(tái)風(fēng)路徑平均偏差分別為116.65 km、115.47 km、126.21 km、115.34 km、152.62 km、131.53 km。結(jié)合圖2和圖3，ACM2和UW方案模擬的路徑與實(shí)際偏差較大，而MYJ和YSU方案模擬的路徑較為準(zhǔn)確，其中MYJ方案在模擬過(guò)程前期與實(shí)際路徑相近，登陸時(shí)路徑向東偏離，然后再與實(shí)際路徑相近。而方案YSU前期一直與實(shí)際路徑相近，在登陸后逐漸向西偏離。

圖3 不同邊界層方案與實(shí)況距離的偏差

3.2 不同邊界層方案模擬得到的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度

圖4給出不同邊界層方案模擬的臺(tái)風(fēng)中心海平面氣壓與實(shí)際臺(tái)風(fēng)中心海平面氣壓的對(duì)比情況。從實(shí)際最低海平面氣壓來(lái)看，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在西太平洋上開(kāi)始加強(qiáng)，于8日12時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，最低氣壓為915 hPa，之后臺(tái)風(fēng)登陸浙江，強(qiáng)度開(kāi)始減弱。由圖4中可以看出，各邊界層參數(shù)化方案都模擬出了臺(tái)風(fēng)先增強(qiáng)后減弱的變化趨勢(shì)，但模擬的強(qiáng)度相差較大。在0～60小時(shí)之間，除方案UW模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度具有快速增強(qiáng)的特征外，其余方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度都較實(shí)況偏低且增強(qiáng)速度較實(shí)況偏慢；在80小時(shí)之后，除MYJ和YSU方案外，其余邊界層方案中的臺(tái)風(fēng)中心氣壓比實(shí)況偏高，但是所有方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度減弱速度較實(shí)況偏慢。局地方案UW和非局地方案ACM2模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度誤差較大，其中局地方案UW模擬的臺(tái)風(fēng)最強(qiáng)，達(dá)到了880 hPa，而非局地方案ACM2模擬的臺(tái)風(fēng)最弱，只有935 hPa。從整個(gè)模擬過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，局地方案BouLac對(duì)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”強(qiáng)度的模擬最為接近實(shí)際強(qiáng)度，但最低氣壓出現(xiàn)的時(shí)間滯后15小時(shí)。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，最佳路徑數(shù)據(jù)的最大10 m風(fēng)速先增大后減弱，并在8日12時(shí)達(dá)到最大值，為62 m/s。各邊界層方案模擬的最大10 m風(fēng)速在初期都較實(shí)況偏小，但都能模擬出最大10 m風(fēng)速先增大再減弱的趨勢(shì)。各個(gè)邊界層方案模擬的結(jié)果相差較大，除了方案BouLac和UW，其它方案模擬的最大10 m風(fēng)速都比實(shí)況偏小。BouLac方案模擬的最大10 m風(fēng)速數(shù)值與實(shí)況最為接近，當(dāng)臺(tái)風(fēng)達(dá)到最強(qiáng)時(shí)，其最大10 m風(fēng)速為65 m/s，但同最低氣壓類似，最大10 m風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間滯后15小時(shí)。方案UW模擬的10 m風(fēng)速最大，達(dá)到了69 m/s。

結(jié)合圖4和圖5可以看出，局地方案BouLac所模擬的臺(tái)風(fēng)最大強(qiáng)度總體要比其它邊界層方案與實(shí)況更加接近，但其臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)時(shí)期比最佳路徑數(shù)據(jù)長(zhǎng)，最低氣壓出現(xiàn)時(shí)間滯后最佳路徑數(shù)據(jù)15小時(shí)；局地方案UW模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度在8日03時(shí)之前較好地模擬了快速增強(qiáng)的過(guò)程，但到9日03時(shí)所達(dá)的最大強(qiáng)度與最佳路徑相比過(guò)強(qiáng)；而局地方案MYJ和非局地方案YSU、ACM2和SH在臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)時(shí)期低估臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，但在9日00時(shí)之后的消散階段它們與最佳路徑數(shù)據(jù)十分接近。

圖4 模擬的最低海平面氣壓和觀測(cè)得到的最佳路徑氣壓之間的對(duì)比

圖5 模擬的最大10 m風(fēng)速和觀測(cè)得到的最佳路徑風(fēng)速的對(duì)比

3.3 不同邊界層方案模擬得到的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)

切向風(fēng)是臺(tái)風(fēng)過(guò)程中主要環(huán)流，六組模擬試驗(yàn)中局地方案BouLac和MYJ的切向風(fēng)最大值約為65 m/s，局地方案UW出現(xiàn)了最大的切向風(fēng)，最大值為75 m/s。非局地方案YSU和SH的切向風(fēng)最大值為56 m/s，而非局地方案ACM2模擬的切向風(fēng)最小，最大值為52 m/s左右。再結(jié)合圖4、圖5，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)中切向風(fēng)的強(qiáng)弱也與臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度相一致，切向風(fēng)速越大，方案模擬出的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度就越強(qiáng)。在圖6中，六組試驗(yàn)切向風(fēng)速的風(fēng)速半徑隨高度增加，并不斷向外傾斜。通過(guò)對(duì)六組試驗(yàn)的切向風(fēng)速分析，局地方案的切向風(fēng)風(fēng)速普遍要比非局地方案的大一些。局地方案UW的切向風(fēng)速比其它五個(gè)方案大得多，而較大的切向風(fēng)也會(huì)不斷加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的能量，方案UW模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也因此過(guò)強(qiáng)。

圖6 8月9日18時(shí)不同邊界層方案模擬的切向風(fēng)速方位平均圖

由圖7看出，臺(tái)風(fēng)中心以下沉運(yùn)動(dòng)為主，眼壁區(qū)有傾斜向上的運(yùn)動(dòng)，臺(tái)風(fēng)的最大垂直上升速度主要分布在距臺(tái)風(fēng)中心半徑50～70 km的位置。其中，局地方案BouLac的垂直上升速度較大，最大值在1.5 m/s左右，局地方案MYJ的最大垂直上升速度約為1.2 m/s。而局地方案UW在眼壁區(qū)有最大的垂直上升速度，最大值達(dá)到1.8 m/s。非局地方案YSU和ACM2的最大垂直上升速度約為1.3 m/s，非局地方案SH的垂直上升速度最小，最大只有1 m/s。垂直速度的強(qiáng)弱與切向風(fēng)較為一致，較強(qiáng)的垂直速度對(duì)應(yīng)著較強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)切向風(fēng)，反之亦然。

圖7 8月9日18時(shí)不同邊界層方案模擬的垂直風(fēng)速方位平均圖

徑向風(fēng)可呈現(xiàn)出臺(tái)風(fēng)低層風(fēng)流入和高層風(fēng)流出的情況。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，氣流輻合主要出現(xiàn)在低層，局地方案BouLac和UW的流入氣流最大，達(dá)到了24 m/s。非局地方案YSU和ACM2的流入氣流為10 m/s，而局地方案MYJ和非局地方案SH的流入氣流最小，只有8 m/s左右的徑向風(fēng)。由于臺(tái)風(fēng)的上層輻散主要受到低層輻合和垂直上升速度的制約，結(jié)合圖6，可以發(fā)現(xiàn)局地方案BouLac和UW有較大的流入氣流和較強(qiáng)的垂直上升速度，因此局地方案BouLac在高層的流出氣流較大，徑向風(fēng)速達(dá)到30 m/s，局地方案UW模擬的流出氣流也較大，徑向風(fēng)速達(dá)到26 m/s。而局地方案MYJ和其它三種非局地方案低層輻合較弱，垂直上升速度較小，從而得到了較小的流出氣流，局地方案MYJ的徑向風(fēng)速只有13 m/s，其它三種非局地方案流出氣流的徑向風(fēng)速均在16 m/s?？赡苓@也是導(dǎo)致局地方案MYJ和其它非局地方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較弱的原因之一。局地方案BouLac和UW模擬出的熱帶氣旋低層輻合和高層輻散最為顯著，垂直上升速度較大，因此它們的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也比其他方案要強(qiáng)。

圖8 8月9日18時(shí)不同邊界層方案模擬的徑向風(fēng)速方位平均圖

3.4 不同邊界層方案模擬得到的地表通量

潛熱和感熱通量的傳輸是邊界層中的重要物理過(guò)程，以臺(tái)風(fēng)中心為圓心，200 km為半徑做地表潛熱、感熱和動(dòng)量通量的平均，其時(shí)間序列如圖9所示。結(jié)合圖9可以看出在模擬9 h后，六種邊界層方案模擬的地表通量開(kāi)始出現(xiàn)差別，但都表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在登陸前地表通量均不斷增加，在登陸后其不斷減少，甚至六種方案的感熱通量出現(xiàn)了負(fù)值。無(wú)論是潛熱、感熱還是動(dòng)量通量，局地方案UW都是最大的，然后是局地方案BouLac和MYJ，而三種非局地方案的地表通量都較小，這與各方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較為一致。

圖9 以臺(tái)風(fēng)中心為圓心，200 km為半徑的平均時(shí)間序列 a.地表潛熱通量；b.地表感熱通量；c.地表動(dòng)量通量。

地表潛熱通量（Latent Heat Flux，LH）向上輸入臺(tái)風(fēng)，是臺(tái)風(fēng)能量的主要來(lái)源。從圖10可以看出，六組模擬試驗(yàn)中洋面均有大量潛熱通量向上輸送，地表潛熱通量沿著臺(tái)風(fēng)“利奇馬”中心呈非對(duì)稱氣旋式分布，其高值大多分布在“利奇馬”中心的右下方。臺(tái)風(fēng)中心的潛熱通量為低值，潛熱通量由中心向外逐漸增強(qiáng)，一般在臺(tái)風(fēng)云墻區(qū)，地表潛熱通量達(dá)到最大值。其中局地方案BouLac模擬的地表潛熱通量約為2 000 W/m2，局地方案MYJ約為1 800 W/m2，局地方案UW最大，高達(dá)2 600 W/m2。而非局地方案ACM2約為1 100 W/m2，非局地方案YSU和SH最小，約為850 W/m2。地表潛熱通量的大小和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)弱成正相關(guān)，潛熱輸送越大，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越強(qiáng)，反之，潛熱輸送越小，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度越弱。

圖10 8月9日18時(shí)不同邊界層方案模擬的地表潛熱通量

地表感熱通量（Sensible Heat Flux，HFX）的空間分布特征與地表潛熱通量的分布特征相似（圖11）。感熱通量的數(shù)值有正有負(fù)，向上的感熱通量為正值，臺(tái)風(fēng)區(qū)域附近為感熱通量的正值區(qū)，而臺(tái)風(fēng)“利奇馬”中心的感熱通量最小，向外逐漸增大，在臺(tái)風(fēng)云墻處達(dá)到最大。與潛熱通量不同的是感熱通量在數(shù)值上比潛熱通量小近一個(gè)量級(jí)，如局地方案BouLac和MYJ其最大感熱通量為250 W/m2，局地方案UW的最大值為330 W/m2。非局地方案ACM2約為220 W/m2，而非局地方案YSU和SH模擬的感熱通量最小，僅為120 W/m2。陸地上的感熱通量主要是負(fù)值，說(shuō)明陸地上的感熱通量會(huì)降低臺(tái)風(fēng)的能量，從而使得臺(tái)風(fēng)登陸后強(qiáng)度不斷減弱。雖然臺(tái)風(fēng)的感熱通量數(shù)值較小，但它可以維持臺(tái)風(fēng)眼區(qū)周圍對(duì)流活動(dòng)以及穩(wěn)定臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)，是臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)中不可或缺的過(guò)程。

圖11 8月9日18時(shí)不同邊界層方案模擬的地表感熱通量

邊界層中動(dòng)量通量（Momentum Flux，τ）對(duì)臺(tái)風(fēng)發(fā)生和發(fā)展過(guò)程也有非常重要的影響，6組模擬試驗(yàn)的動(dòng)量通量和其潛熱、感熱通量的空間分布基本一致（圖12）。由圖12看出，臺(tái)風(fēng)“利奇馬”中心的動(dòng)量通量明顯小于四周，主要是由于上升氣流出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)的云墻區(qū)和雨帶區(qū)，而下沉氣流出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)的眼區(qū)。比較6組試驗(yàn)的動(dòng)量通量可知，局地方案BouLac和MYJ為10 kg/(m·s2)，局地方案UW模擬的動(dòng)量通量最強(qiáng)，最大值達(dá)到17 kg/(m·s2)，非局地案ACM2為8 kg/(m·s2)，而非局地方案YSU和SH模擬的動(dòng)量通量最小，約為4 kg/(m·s2)。

綜上所述，地表通量越大的邊界層方案，通常臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度也越強(qiáng)，特別是潛熱通量，與臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度密切相關(guān)。局地方案UW模擬的潛熱通量最大，臺(tái)風(fēng)也是最強(qiáng)，其次是局地方案BouLac。而非局地方案YSU和SH模擬的潛熱最小，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也是最弱。

3.5 不同邊界層方案模擬得到的湍流擴(kuò)散系數(shù)

熱量通量的湍流擴(kuò)散系數(shù)則代表了湍流所引起的擴(kuò)散強(qiáng)度。通過(guò)圖13可以看出局地方案BouLac的湍流擴(kuò)散系數(shù)在所有方案中最大，其方位平均后的最大值為290 m2/s，局地方案MYJ的最大值約為160 m2/s，局地方案UW在270 m2/s左右。非局地方案ACM2的最大值為180 m2/s，而非局地方案YSU和SH的湍流擴(kuò)散系數(shù)最小，最大湍流擴(kuò)散系數(shù)約為150 m2/s。因此可以發(fā)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)中湍流擴(kuò)散系數(shù)的大小特征與切向風(fēng)、徑向風(fēng)較為一致，即局地方案BouLac和UW的湍流擴(kuò)散系數(shù)比其他方案更大。地表通量主要取決于表面層通量方案，但本次試驗(yàn)中除局地方案MYJ采用的表面層方案是MYJ Monin-Obukhov方案，其它方案使用的表面層方案均為MM5 Monin-Obukhov方案，因此地表通量不僅僅取決于表面層方案，也可能與湍流擴(kuò)散系數(shù)有關(guān)。而湍流擴(kuò)散系數(shù)越大，湍流引起的擴(kuò)散強(qiáng)度越強(qiáng)，進(jìn)一步導(dǎo)致更大的地表通量，從而模擬得到更強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度；反之，則臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較弱。

圖13 8月9日18時(shí)不同邊界層方案模擬的湍流擴(kuò)散系數(shù)方位平均圖

4 結(jié) 論

使用美國(guó)高分辨率非靜力數(shù)值模式WRFV3.9.1，選取了六個(gè)邊界層參數(shù)化方案分別對(duì)南海臺(tái)風(fēng)“利奇馬”進(jìn)行了六組模擬試驗(yàn)，其中三組是局地閉合方案(BouLac、MYJ、UW)，另外三組是非局地閉合方案(YSU、ACM2、SH)。并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，以及探討了不同邊界層參數(shù)化方案如何對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

（1）邊界層參數(shù)化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑影響較小，不同方案模擬的路徑平均偏差較為接近，但其對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度有較大的影響。局地方案BouLac模擬的最低海平面氣壓和臺(tái)風(fēng)中心附近最大10 m風(fēng)速與中國(guó)臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)最為接近。局地方案UW模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)，與實(shí)況相差較大，而局地方案MYJ和三個(gè)非局地邊界層方案模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度偏弱。

（2）模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大小與受邊界層方案直接影響的地表潛熱、感熱和動(dòng)量通量有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，地表潛熱通量越大，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也就越強(qiáng)。局地方案UW模擬的這些潛熱通量要比其他方案大得多，模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也最強(qiáng)，局地方案BouLac次之。局地方案MYJ和非局地方案YSU、ACM2和SH模擬的潛熱通量較小，所以臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也較弱。

（3）模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度與邊界層中的湍流擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)。湍流擴(kuò)散系數(shù)越大，湍流引起的擴(kuò)散強(qiáng)度越強(qiáng)，進(jìn)一步導(dǎo)致更大的地表通量，從而模擬得到更強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度；反之，則臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度弱。當(dāng)然這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的猜測(cè)，風(fēng)速的變化、其他物理過(guò)程參數(shù)化的偏差等都會(huì)對(duì)湍流擴(kuò)散系數(shù)和地表通量產(chǎn)生影響，因此在后續(xù)研究中，將需有針對(duì)性的逐一探討，從而使得模擬結(jié)果進(jìn)一步接近觀測(cè)。此外，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度也受到臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響，臺(tái)風(fēng)的徑向風(fēng)越大，臺(tái)風(fēng)低層輻合越強(qiáng)，垂直上升速度越強(qiáng)，更易于臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)。相比其他方案，局地方案UW和BouLac模擬的湍流擴(kuò)散系數(shù)和徑向風(fēng)更大，因此局地方案UW和BouLac強(qiáng)度較強(qiáng)。