海洋飞沫参数化方案在台风数值模拟中的应用

海洋飞沫参数化方案在台风数值模拟中的应用
刘磊;郑静;陆志武;章亦涛
【摘要】海洋飞沫作为海气相互作用的重要因子, 在台风的发生、发展过程中扮演着重要角色.将Fairall和Andreas海洋飞沫参数化方案加入到WRF模式中对两个台风--"珊珊"、"桑美"进行了模拟, 以研究不同海洋飞沫参数化在WRF模式中对台风模拟效果的影响.结果表明, 加入Fairall方案后潜热通量、感热通量得到很大程度的加强, 使得台风的热力结构得以改变, 暖心结构十分明显, 从而影响了动力场结构.相对涡差解释了台风移动路径变化的原因, 热成散度、涡度以及水汽通量的改变影响了台风的强度.Andreas方案由于界面通量算法在考虑海表面动量粗糙度、热力粗糙度及水汽粗糙度随风速、相对湿度变化的情况下, 得到的潜热通量、感热通量较Fairall方案为弱, 因而台风的强度不强.飞沫参数化方案对模拟台风路径的影响较小.
【期刊名称】《热带海洋学报》
【年(卷),期】2010(029)003
【总页数】11页(P17-27)
【关键词】WRF模式;海洋飞沫参数化方案;台风;数值模拟
【作者】刘磊;郑静;陆志武;章亦涛
【作者单位】解放军理工大学气象学院,江苏,南京,211101;解放军理工大学气象学院,江苏,南京,211101;解放军69008部队气象台;海军91316部队气象台
【正文语种】中文
【中图分类】P732;P444
台风的发生发展与海洋密切相关, 海气之间的相互作用影响台风的热力、动力结构。

在强风作用下, 海浪顶端的白泡沫破碎, 产生大量的海洋飞沫。

实验室研究[1]、沫
滴数值模拟[2−4]以及外海观测[5]都表明,海洋飞沫的生成和蒸发会使海气边界层
的温湿结构发生变化。

Anthes[6]提出海洋飞沫的蒸发会导致大气下界面的冷却, 进而提高海气界面的感
热交换, 使风暴强度增强。

Betts等[7]考虑飓风中从150km到30km半径处螺旋
向内的云下圆柱中同时发生的热量和湿度预算, 他们发现要接近这一预算必须包括飞沫小滴的蒸发过程, 但他们没有能把海洋飞沫的作用和降水的蒸发分离开来。

Korolev[8]认为海气界面气温的减小主要是由于海洋飞沫的蒸发引起的。

Cione等[8]利用浮标和沿海测站资料对海洋飞沫进行了更为深入的研究, 进一步肯定了海气温度差的增加。

Wang等[9]将海洋飞沫参数化方案Fairall和Andreas加入
TCM3模式中对台风进行了模拟研究, 从热力学角度考虑了海洋飞沫对台风强度的影响。

国内对于海气相互作用的研究主要着眼于海温对台风路径及强度的影响。

马艳等[10]通过引入热带测雨卫星微波成像仪/先进微波扫描辐射计来考察海表温度对台
风路径和强度的影响。

吴迪生等[11]用实测资料计算了9个台风的海气界面热量交换值,得到了有意义的结果。

黎伟标等[12]在加拿大中尺度大气模式MC2中引入Andreas海洋飞沫参数化方案对2002年的16号台风“森拉克”进行了数值模拟,认为加入海洋飞沫参数化方案后, 台风范围内潜热通量显著增加, 台风强度明显增强。

黄立文等[13]通过中尺度海气耦合模式研究了海气相互作用对台风暴雨的影响。

为了进一步研究海洋飞沫参数化对台风的热力、动力结构的影响, 从而构造出更为真实的海洋大气环境, 本文将Andreas(3.1版)及Fairall两种海洋飞沫参数化方案
引入当前国际上广泛使用的大气模式WRF中来讨论其对于台风模拟的影响。

要在数值模式中研究海洋飞沫对台风影响, 首先必须对飞沫引起的热焓通量进行准确估计。

强风条件下对海气界面热力学通量的直接观测是很困难的, 因此需要采用参数化的方法来估算飞沫对海气间通量交换的贡献。

在飞沫微物理模型研究的基础上, 利用实验室和外海观测数据, 一些学者提出了不同的海洋飞沫通量参数化方案, 不同的参数化方案中海洋飞沫对台风影响程度也不一样。

该方案包括界面通量和飞沫通量两个部分的计算[14−17]。

海气间总的动量、潜热和感热通量分别表示为:
其中τ1、H1和Hs是界面通量, 即通常情况下的海气间动量、感热和潜热通量, 与Fairall方案一样基于通过Monin_Obukhov相似理论得到粗糙尺度。

但不同的是Andreas方案由Charnock关系得到海表动量粗糙度、热力粗糙度和水汽粗糙度, 由COARE (Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment)总体通量算法(2.6版)[18]进一步计算得到交换系数, 最后得到界面通量。

(1)式中,wρ为海水密度，u*为摩擦风速；(2)、(3)式中和分别是通过微物理模型来确定的飞沫潜热和感热通量。

α、β 和γ 是通过微物理模型和观测数据拟合得到的非负常数。

α项表示飞沫蒸发对总的潜热通量的贡献, 由于飞沫蒸发的同时需要从环境大气吸收同等的感热, 因此该项需要在总的感热通量(3)式中扣除。

(3)式中的β 项表示飞沫从海表温度Ts 降为其平衡温度Teq所释放的感热, γ 项是一个反馈作用项,飞沫蒸发会使低层大气冷却, 从而增大了海气温差,对海洋向大气传递的总的感热有贡献。

Andreas方案的特点是发展了沫滴半径和温度随时间演变的模型,并将其进行参数化。

由于海洋飞
沫对动量通量的改变十分微小[19], 所以本文主要考虑了海洋飞沫的潜热、感热通
量对总的热通量的改变。

Fairall[20]方案在沫滴蒸发层顶总的感热和潜热通量表示为:
Fairall方案在计算界面通量时采用了容积通量算法(Bulk Fluxes Algorithm), 与WRF模式中Monin-Obukhov表层方案得到的界面通量一致, 但其得到的交换系
数与Andreas方案有一定不同, 使得两者界面通量有一定差异。

在计算飞沫热通量时,该方案最大的特点是考虑了反馈作用的界面感热(Hs′)和潜热通量(Hl′)的影响: 飞沫一方面冷却了低层大气, 使得海气温差增加, 从而增大海气间直接感热交换; 另一方面使低层大气湿度增大, 减小了湿度梯度, 减弱了海气间的直接潜热交换, 这也是与Andreas方案最大的区别之处。

Hsε为沫滴蒸发层中湍流动能的耗散加热, 由下式估算:
k为计算系数,aρ为空气密度,u*为摩擦速度,h为波浪破碎高度,U为风速。

和Qs′l的总和指从温度Ts降到Twet(湿球温度)所释放的总感热, 而实际上由环境大气以感热形式吸收的热量仅为沫滴从Ts降到Ta(空气温度)所释放的那部分, 所
以Qs′s和Qs′l分别表示沫滴从Ts降到Ta以及从Ta降到Twet时所释放的热量。

Q1′为飞沫潜热通量, 当飞沫蒸发时需要从大气吸收感热, 该热量与飞沫潜热通量大小相同。

将Andreas及Fairall两个海洋飞沫参数化方案应用在WRF 2.1.2有限区域模式表层方案中(sf_sfclay_physics, 同MM5模式中的边界层方案)。

为了研究海洋飞沫
在不同台风中的作用, 进行了两组台风试验来进行对比研究。

第一组试验为台风“珊珊”的成熟阶段: 2006年9月13日00时到2006年9月16日00时(以下
皆为世界时); 第二组试验为台风“桑美”的发生发展阶段: 2006年8月7日00时到2006年8月10日00时。

2.1.1 台风“珊珊”
2006年9月10日12时, 台风“珊珊”在134.8°E、16.8°N附近洋面上形成的一个热带风暴发展而来。

该热带风暴先向西北移动, 并发展成台风; 12日18时台风
移至130.0°E、20.0°N附近后开始向西挺进;至14日18时, 台风强度已达强台风, 并开始转向东北移动, 并逐渐减弱直至消亡。

2.1.2 台风“桑美”
2006年8 月5 日20时, 台风“桑美”在146.5°E、12.0°N附近洋面上生成, 中心最低气压为998hPa, 最高风速18m·s−1。

而后稳定向西北方向移动, 于8月10
日9时25 分登陆浙江省苍南县马站镇。

登陆时, 浙江苍南霞关附近中尺度自动站
出现了68.0m·s−1的大风, 苍南云岩站1h降水量达130mm,成为近50年来登陆
我国大陆最强的台风。

为了研究不同海洋飞沫参数化方案在不同台风不同阶段的作用, 第一组试验选取台风“珊珊”的成熟阶段为试验对象, 模式初始场采用NCEP资料插值得到, 并通过
三维变分同化了Bogus台风资料[21]; 区域格点数为109×94, 区域中心经纬度为124.74°E、21.43°N。

第二组试验选取了台风“桑美”,其过程包括了台风的发生、发展两个阶段; 区域格点数为172×133, 区域中心经纬度为135.39°E、20.56°N。

因第二组试验包括了台风的发生阶段, 为了减小人为因素的影响, 初始场未同化任
何探测资料。

两组试验水平分辨率都为15km, 垂直分层31个σ层, 时间步长60s。

积云参数化方案为Kain-Fritsch方案, 表层方案为Monin-Obukhov方案,每6h
输出一次模拟结果。

为了对比不同参数化方案对台风模拟的影响, 设计了以下3个方案:
a) ctrl: 对比试验;
b) andr: 在WRF模式表层方案中加入Andreas海洋飞沫参数化方案;
c) fairl: 在WRF模式表层方案中加入Fairall海洋飞沫参数化方案。

本文采用台风报文资料作为实况资料进行对比分析,主要对两组试验的路径和强度
来进行说明, 各种物理量的分析主要对第一组试验来进行说明。

由图1a、表1可见, 在模拟的前12h, 台风路径模拟出最大偏差依次为andr
(31km)、ctrl (61km)、fairl(109km)。

此阶段处于模式的spin-up阶段, 由于3个方案主要是在热通量输送上不同, 对模拟台风的路径预报有一定程度的冲击。

在其后的24h模拟过程中, 各方案的台风路径模拟偏差都处在一个较小范围。

从第30h
开始, 台风出现西北向偏转, 各方案的路径模拟偏差增大, 其中, fairl方案最大, 达99km, andr方案最小, 为47km, 这与不同的方案在其底边界热量输送不同进而影响动力场结构有关。

此后, 3个方案的模拟台风路径都较实况偏北, 保持西北方向移动。

在模拟的最后6h, 3个方案都模拟出了台风的东北转向过程, 说明WRF模式对台风具有较强的模拟能力。

除去spin-up阶段, 统计了后60h的路径平均偏差可以看到, 3个方案的台风路径偏差都较小, 略有差别。

由表2、图1b可以看到3个试验方案在台风“桑美”的路径模拟中基本一致,在前42h路径模拟偏差较小, 此后路径偏差逐渐增大, 72h的平均偏差3个方案在120km左右。

由以上两组试验可以分析得出, 飞沫参数化对模拟台风的路径影响较小。

由图2a可以看到实况和3个模拟方案的台风中心最低气压变化曲线。

实况台风在前42h始终保持在960hPa, 由于模式以及海上资料匮乏的原因, 3个试验方案在前42h都处于台风强度调整阶段。

在调整阶段中, fairl方案台风中心最低气压下降最明显,在第42h, 中心最低气压低至949.9hPa, 低于实况气压。

ctrl方案的气压在前42h始终略高于fairl方案,在第42h, 该方案的中心最低气压最接近于实况,为962.4hPa。

andr方案对于台风强度的描述较差, 即使其最强的台风时次, 中心最低气压也没有达到实况的最弱阶段。

在后30h, fairl方案的台风强度持续加强, 最低达到926.8hPa。

此次试验仅考虑飞沫对大气的正反馈而没有考虑海表面粗糙度的变化对大气的影响, 因此fairl方案的台风偏强。

从总体上来看, ctrl方案所模拟的台风强度最为接近实况。

在图2b台风“桑美”的模拟中可以看到, 初始场没有经过变分同化所模拟的台风强度与实况相差较大[22]。

初始时刻实况台风与台风初始场的强度差为17hPa,在第36h强度开始迅速加大, 直至72h的台风中心最低气压915hPa。

虽然模拟台风强度很弱, 没有模拟出台风的加强趋势, 但不同的海洋飞沫参数化方案对于台风强度有一定程度的影响。

andr方案对台风强度的模拟最弱, 其次为ctrl方案, 而fairl方案模拟的台风强度最强, 此试验结果与台风“珊珊”的模
拟中3个方案的强度配置一致。

无论是初始场经过同化后的成熟台风还是初始场未经处理的发展台风, 两个海洋飞沫参数化对台风的加强程度一致, andr方案加强程度偏弱, 主要与其潜热通量和空气相对湿度密切相关, fairl方案的界面通量受此影响较小, 在热通量分析中做详细说明。

在此后的物理量分析中主要对第一组台风“珊珊”说明。

水汽凝结所释放的潜热是台风发展维持的重要热量来源, 台风眼壁正是水汽抬升凝结所造成的现象。

大量的潜热释放, 也是台风暖心结构形成的重要原因。

不同的参数化方案, 对台风低层潜热的释放各不相同。

海洋是台风水汽的重要源, 其为台风的发展和维持提供了重要的水汽保障。

从水汽通量的垂直输送, 可以了解不同的参数化方案对台风热力结构的影响。

本文选取了台风模拟的第60h作为分析时次, 因为该时次台风的发展已经较为成熟(此后的分析都选该时次)。

由图3可以看到, 3个方案水汽通量的极值都出现在台风低层的眼壁附近, 说明眼壁中存在强烈的上升对流运动, 而台风眼区为水汽通量低值区。

ctrl方案中, 沿台风中心东西两侧的水汽通量较为对称, 极大值都为110g·(s·hPa·cm)−1,向上输送最高接近300hPa高度。

andr方案沿台风中心呈非对称分布, 极大值出现在台风中心东侧, 为
80g·(s·hPa·cm)−1, 向上输送最高为400hPa。

对图3a与3b进行比较后发现, ctrl 方案水汽输送的低层极大值区相对范围较窄, 而andr方案则相对较广, 这与参数化方法密切相关。

fairl方案的水汽通量最为强烈, 沿台风中心东西两侧呈非对称分布, 最大通量出现在台风中心西侧, 达140g·(s·hPa·cm)−1,强烈的低层水汽通量输送决定了fairl方案中台风的强度。

3.4.1 相对涡差
通常台风在低层相对涡度为正, 在高层为负。

高层相对涡度减去低层相对涡度为负值时, 说明此区域台风维持或发展[23]; 相对涡差越小, 说明台风发展越强。

由图4对比3种方案在模拟第60h的相对涡差, 分析台风发展状况, 以此揭示不同参数化
方案对台风动力结构的影响。

图4a中, 最低相对涡差出现在台风中心的第三象限, 为−6×10−4s−1, 在第一象限也出现了负相对涡差, 说明这两个区域台风发展强烈。

正相对涡差出现在过台风中心的二、四象限, 且极大值出现在第四象限。

图4b中, 最低相对涡差出现在台风中心的一、三象限, 且第一象限的低值区要明显大于第三象限, 正相对涡差出现在第四象限。

结合台风移动路径(图1)可以发现, 负相对涡度对台风的移动有一定程度的影响。

ctrl方案的负相对涡度在第三象限, 此区域台风
发展强盛, 为台风向第一象限移动提供动力; andr方案负相对涡度区在第一象限,
在先前向北的惯性作用下, 使得台风向第二象限移动; 由此可得fairl方案(图4c)台
风移动方向的原因。

可见不同的海洋参数化改变了动力场结构, 进而影响了台风移动路径。

3.4.2 热成散度
热成散度, 即200hPa与850hPa的散度差, 反映了大气高低层的辐散辐合, 由此可以得到边界层天气的垂直对流强弱。

由图5可以看到, 3个方案的热成散度的正值
区呈明显的螺旋带分布, 其与西南暖湿气流夹卷进入台风密不可分, 反映了此区域
强烈的辐合上升运动及台风的中尺度结构特征。

ctrl方案中, 热成散度的极值区在
台风南侧, 达到6×10−4s−1; andr方案的极值区位于台风中心北侧, 达
9×10−4s−1; fairl方案的热成散度区域面积较大, 位于台风中心北侧的极值为
6×10−4s−1。

通过对比可知加入海洋飞沫参数化后, 台风中心附近的对流活动加强, fairl方案的对流活动范围扩大, andr方案的热成散度极值加大。

3.4.3 相对涡度垂直剖面
图6为3个方案台风涡度的垂直分布。

3张图最大的特征是涡度在垂直方向上呈
柱状分布, 低层涡度大, 高层涡度小。

ctrl方案的低层最大涡度为24×10−4s−1, 且18×10−4s−1的涡度区一直向上扩展到450hPa。

andr方案的低层最大涡度也为24×10−4s−1,但其18×10−4s−1的涡度区仅向上扩展到500hPa附近,且包括的
范围小于ctrl方案。

fairl方案最大涡度达33×10−4s−1, 是3个方案中最为强烈的, 18×10−4s−1的涡度区面积也最大, 且向上最高扩展到200hPa。

3种方案的涡度场等值线在台风眼壁处十分密集, 而眼壁为台风的强烈抬升对流区,说明热通量的垂直输送引起台风动力结构的改变, 使台风强度加强,台风的涡旋结构更加显著。

fairl方案在ctrl方案的界面通量基础上考虑了海洋飞沫, 使得台风涡度场加强, andr方案则整体偏弱。

3.5.1 温度场垂直剖面
海洋飞沫通过热通量来改变台风结构, 而台风最显著的结构就是其暖心结构。

本文使用温度场减去平均环境温度场来作为台风暖心结构进行分析。

由图7可以看到3个方案都模拟出了较为明显的台风闭合温度距平场, 这是由台风内部的大量暖湿空气的对流凝结潜热释放造成的, 表明了台风内部的强烈对流。

台风眼壁附近温度距平等值线十分密集,经向梯度较大。

图7a的ctrl方案暖心最高温度距平为6K, 位于550hPa附近, 4K的距平场由600hPa向上一直扩展到150hPa。

andr方案(图7b)中台风暖心的最高温度距平为4K, 在600hPa附近分布, 距平场扩展的范围很小, 说明andr方案的对流活动较ctrl方案为弱。

图7c中的fairl方案暖心结构最为明显, 6K的温度距平场分布在550hPa、200hPa附近, 且4K的距平场分布范围远大于ctrl方案, 暖心结构的形成与台风强度的模拟相一致。

以上结果说明海洋飞沫对台风暖心结构的塑造有较大贡献。

3.5.2 海表潜热和感热通量
海洋飞沫对海气间相互作用过程最直接的影响就是改变了大气和海洋交界面的湍流交换。

强风条件下产生的海洋飞沫主要是在大风速时对海气间感热和潜热通量的传输有重要贡献[24]。

因此, 在图8、9中画出25m·s−1的等风速线, 以分析风速与感热、潜热的关系。

可以看到, 不管是潜热还是感热通量,其水平分布均是以台风眼为中心呈不对称分布, 风速较小的台风中心处通量很小, 由中心向外逐渐升高, 在台
风眼壁附近的最大风速区通量达到最大,此后向外又慢慢减小, 此现象在潜热分布中最为明显, 潜热通量600W·m−2的高值区基本上都包含在25m·s−1的高风速区。

图8a、c中, ctrl方案与fairl方案在300W·m−2、600W·m−2的区域都较为一致, 但fairl方案最明显的差别就是在台风眼西侧有一个潜热通量高值区。

由于两方案
的界面通量算法一致,因此, 此现象的产生主要是由海洋飞沫的对流凝结潜热释放造成的。

较高的潜热通量释放与台风的对流发展成正反馈, 这也是fairl方案中台风强度较强的原因。

图8b中, andr方案的潜热通量大值区域范围明显小于其他两个方案, 且通量较小。

Wang等[9]的研究表明, 海洋飞沫参数化得到的热焓通量对总热
焓通量的贡献为1.5%;而在本次试验中, 在考虑了飞沫算法的情况下, 潜热通量还较ctrl方案明显为弱, 因此, 主要与界面通量算法有关。

为了验证这个结果, andr方案中的界面通量用ctrl方案来代替(在此称为ctrl+andr方案), 得到了台风附近的潜
热和感热通量。

从图8d、9d可以看到, 台风中心附近的潜热感热通量得到了明显
加强, Andreas起沫方案得到的热通量大于Fairall方案。

在图10a中, andr方案
的热通量随风速的加大不断增加, 界面潜热增加最为明显。

在图10b中, 感热通量
随相对湿度的变化较小, 潜热通量(包括界面通量和飞沫通量)随着大气相对湿度的
增加急速降低。

台风内部为高温高湿的环境, 当在30m·s−1高风速的情况下, 潜热通量仍然下降很快。

这也就解释了andr方案在WRF模式中对台风强度模拟偏弱
的原因。

由图9可以看到, 感热通量的量级要明显小于潜热通量, 这与Wang等[9]的研究及海上界面热量通量输送的经典理论是一致的。

在对比中发现, andr及
fairl方案中感热通量的极大值要大于ctrl方案, 且感热通量大值区主要围绕眼区在台风云墙附近。

由于眼壁为台风风速的大值区, 引起海洋飞沫的增多, 飞沫在蒸发
过程中吸收热量, 使得低层大气温度降低, 海气间温差加大, 有利于感热通量的释放。

在海气间潜热、感热释放的共同作用下, 改变了台风的热力结构, 从而影响了其动
力结构。

本文将不同的海洋飞沫参数化方案加入到WRF模式中, 对两组台风进行了模拟。

结果表明,不同的飞沫参数化方案对台风的影响各不相同。

1) Fairall方案中潜热通量、感热通量得到很大程度的加强, 使得台风的热力结构得以改变, 暖心结构十分明显, 从而影响了动力场结构。

相对涡差对台风的移动路径有一定程度的影响, 热成散度、相对涡度以及水汽通量的改变影响了台风的强度。

2) Andreas方案由于界面通量算法在计算界面通量时得到的量值较小, 因此总的潜热通量、感热通量较Fairall方案为弱, 从而台风的强度不强,在台风“珊珊”路径的模拟上较好, 存在一定的偶然性。

在今后的研究中, 将考虑海表面粗糙度随风速变化, 即大气与海浪模式进行耦合, 构造更为真实的海气预报系统来进一步研究海气相互作用对台风的影响。

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