第34卷第2期2019年4月
成都信息工程大学学报JOUＲNAL OF CHENGDU UNIVEＲSITY OF INFOＲMATION TECHNOLOGY
Vol．34No．2Apr．2019
文章编号：2096－1618（2019）02－0162－10
WＲF 模式中积云对流参数化方案
对南海土台风“
Ｒyan ”模拟的影响研究梁家豪，陈科艺，李
毓
（成都信息工程大学大气科学学院，四川成都610225）
摘要：为了研究数值模式中不同积云对流参数化方案对南海土台风模拟的影响，以T9514号南海土台风“Ｒy-an ”为例，利用中尺度WＲF-AＲW 模式（版本3．7．0）作对比试验，分析比较使用不同积云对流参数化方案模拟的台风路径、强度和相关物理量。结果表明，由Kain-Fritsch （KF ）方案模拟得到的
台风路径有北折过程，台风移速较快，台风强度较弱；由Betts-Miller-Janjic （BMJ ）方案模拟得到的台风移动速度快，台风中心对流强，台风强度较强；由Tiedtke （TDK ）方案模拟得到的台风路径最接近实况路径，台风强度较弱。
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键
词：大气科学；数值模拟；南海土台风；WＲF 模式；积云对流参数化方案；台风路径；台风强度
中图分类号：P444
文献标志码：A
doi ：10．16836/j．cnki．jcuit．2019．02．010
收稿日期：2018-11-07基金项目：国家自然科学基金资助项目（41505014）
0引言
南海诸岛及其附近海域，是侵袭中国的台风发源
地之一。南海海域较小，是西太平洋最大的半封闭边
缘海域，每年在南海生成的热带气旋占西北平洋热带气旋总数的30%左右，通常把发生发展在南海地区的台风称为
“南海台风”。南海台风主要分为两类：第一类是生成于西北太平洋后逐渐发展移入南海，俗称“洋台风”或
“客台风”；第二类是生成于南海海域的台风，俗称“土台风”［1］
。在气象学上，南海土台风也称为“非常态台风”，具有来势急（常在生成后较短时间
内就登陆），
强度弱（台风的强度多为强热带风暴等级，只有少数能达到台风等级以上），
范围小（直径大约只有200km ），
路径复杂（台风移动路径复杂，台风登陆点难预测）等特点。南海土台风受到复杂的近海
地形、青藏高原地形以及亚洲季风、西太平洋副热带高压等天气系统的共同影响，检测和预报的难度
较大。台风路径和强度的预报误差来源主要有两方面：第一方面是数值模式本身的误差；第二方面是大气和海洋初始状态的误差。模式中物理参数化方案的不确定性是模式误差的一个重要组成部分，选用不同物理参数化方案组合会对台风路径和强度的预报产生较大
影响
［2－3］
。由于模式分辨率一般大于积云的尺度，在模式中总体的积云效果通常用积云对流参数化方案描述
［4－6］
。在中尺度模式中，积云对流参数化方案描述的积云尺度和中尺度之间的能谱差距，与实际大气相
比有较大误差，是中尺度数值预报最大的误差来源之一［7］。高栓柱等［8］和王振会等［9］的研究认为，数值模式的物理参数化方案中，积云对流参数化方案对500hPa 高度场预报的影响最大，因此对台风路径预报的影响更为显著。有学者做了关于印度洋区域台风对MM5或WＲF 模式中物理参数化方案选择的敏感性的研究
［10－14］
，指出在中尺度数值模式中，选用不同物理
参数化方案对印度洋区域台风路径与强度的模拟均有一定影响，积云对流参数化方案对台风路径预报的影
响最大。Karyampudi 等［15］
认为模式对台风路径以及强
度模拟的敏感性主要是不同物理参数化方案对积云中
潜热计算的描述不同而导致的。Davis 等［16］
认为台风
路径模拟的差异主要是由对流层的Potential-Vorticity 异常以及深对流风的差异引起的，而强度模拟的差异主要是由于各自不同的触发机制导致的。
虽然目前有较多关于不同物理参数化方案对西北太平洋区域热带气旋路径与强度影响的研究，但有关南海热带气旋的研究仍很少且不够深入，尤其是在南海生成的
“本土台风”。文中研究的个例为1995年第14号台风“Ｒyan ”，是南海历史上土生的最强台风。它生成发展于南海，逆向穿越巴士海峡，掠过台湾东南近海无明显减弱，进入西太平洋后向北移动并两次登陆日本。利用WＲF-AＲW 模式，选取3种不同积云对流参数化方案（Kain-Fritsch ，KF ；Betts-Miller-Janjic ，BMJ ；Tiedtke ，TDK ）对T9514号台风“Ｒyan ”进行模拟，研究不同积云对流参数化方案对南海土台风“Ｒyan ”路径和强度模拟预报的敏感性。
1资料与研究方法
1．1资料
采用欧洲中期天气预报中心提供的EＲA-interim （Jan1979-present）全球再分析资料，时间分辨率为6h，水平分辨率为1ʎˑ1ʎ，垂直方向为10 1000hPa共32层，作为模式的驱动场，并用作环境场分析研究。台风资料采用日本气象厅东京台风中心提供的台风最佳路径数据集资料。实况降水资料由台湾地区气象局提供。
1．2积云对流参数化方案
采用中尺度数值模式WＲF-AＲW（3．7版本），选取3种常用的积云对流参数化方案分别是：Kain-Fritsch（KF）方案［17－19］，Betts-Miller-Janjic（BMJ）方案［20－22］和Tiedtke（TDK）方案
［23－25］，其差异如表1所示，并且设计不采用任何积云对流参数化方案的控制试验，下称其为NO方案。
表1KF，BMJ和TDK方案的对比
积云对流参数化方案水汽相态动量浅对流KF云水、雨水、云冰、雪No Yes
BMJ No Yes
TDK云水、云冰Yes Yes
Kain-Fritsch（KF）方案：该方案是对流有效位能释放式方案，由原Kain-Fritsch（1990，1993）方案的基础上改进发展而来。KF方案是基于“在某一格体内，对流有效势能在对流的生命期内会被对流活动完全消耗”的假设下，考虑了积云中上升和下沉气流的卷入卷出过程及相对粗糙的微物理过程等影响，描述伴随有水汽上升下沉的一种简单云模式［17－19］。
Betts-Miller-Janjic（BMJ）方案：该方案是对流调整式方案，是从Betts-Miller方案发展来的。在存在特征温湿结构的对流区发生对流活动时，通过对流调整方法，调整大气的温湿结构向着这种设定的特征结构转变［20－22］。
Tiedtke（TDK）方案：TDK方案是湍流扩散式方案，是结合了Kuo方案和Arakawa Schubert方案的优点，同时克服两者缺点的总体质量通量型积云方案［26］。该方案用一支总体上升或下沉气流描述该网格内所有积云单体的等效效果。TDK方案能够描述各种类型的对流，包括基于对流有效位能调整的闭合假设，与大尺度辐合流相联系的穿透对流；基于次云层水汽收支平衡假设的抑制条件下的浅对流；以及基于大尺度水汽辐合平衡假设，边界层以上的位势不稳定大气和大尺度上升相联系的热带外有组织中层对流［23－25］。
1．3试验设计
抽屉滑道试验中采用3层移动嵌套模拟，模式模拟区域分为d01，d02，d03（图1）：其中d01（0ʎN 57ʎN，85ʎE 164ʎE）是最外层的粗网格区域，该层的模式积分结果用于对比分析各组试验的环流形势；第二层d02（10ʎN 30ʎN，106ʎE 130ʎE）是固定嵌套网格区域，第二层的模式积分结果用于物理量诊断；最内层红框d03是移动嵌套网格区域，该层模式预报结果会提供模拟的台风中心坐标和最低气压，用于台风路径和强度的分析。3层网格的模式水平分辨率分别为36km、12km和4km，垂直方向为36层不等距的σ层
。
图1WＲF模拟区域
区域d01和d02采用积云对流参数化方案，区域d03的水平分辨率为4km，该分辨率可识别积云尺度，因此区域d03不采用积云对流参数化方案；其中3组敏感性试验采用的3种常用积云对流参数化方案分别为：Kain-Fritsch（KF）方案［17－19］，Betts-Miller-Janjic （BMJ）方案［20－22］和Tiedtke（TDK）方案［23－25］；控制试验的3层区域均不采用任何积云对流参数化方案（定义为NO方案）。模式的其他物理参数化方案（表2）均在3层积分区域中启用，4组试验除积云对流参数化方案不同，其他设置均一致。
模拟时段为1995年9月17日00时至22日06时（世界时，下同），模拟时长共为126h，时间积分步长为180s。该时段为台风“Ｒyan”从热带风暴，逐渐加强到四级超强台风的过程（表3）。d01区域模拟启动时间为1995年9月17日00时，先模拟12h；d02和d03区域模拟启动时间为1995年9月17日12时，1995年9月17日00时至18日00时共24h为模式的spin-up
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第2期梁家豪，等：WＲF模式中积云对流参数化方案对南海土台风“Ｒyan”模拟的影响研究
时间。
表2模式的其他参数设定
模式部分设定模式WＲF3．7水平分辨率/km36：12：4模式积分时间/h126边界层参数化方案YSU 微物理参数化方案WSM6
辐射方案短波
长波
ＲＲTMG
ＲＲTMG
积云对流参数化方案（仅在积分区域d01和d02中启用）
EXP1：KF EXP2：BMJ EXP3：TDK EXP4：NO
2台风个例介绍
贝多芬一生创作了多少首钢琴奏鸣曲选取的台风个例为1995年第14号台风“Ｒyan”（生命历程见表3），是南海历史上土生的最强台风。台风“Ｒyan”生成发展于南海，逆向穿越巴士海峡进入西太平洋，掠过台湾东南近海无明显减弱，并两次登陆日本。
表31995年台风“Ｒyan”生命历程
时间段台风等级9月15日00时－9月16日00时热带低压
9月16日06时－9月17日18时热带风暴
9月18日00时－9月19日06时强热带风暴
9月19日12时－9月23日15时台风
9月23日18时－9月23日21时强热带风暴
9月24日00时－9月24日06时热带风暴
9月24日09时－9月25日18时温带气旋
1995年09月15日（图2a），西太平洋地区存在T9512台风“Oscar”，在其西南方菲律宾上空存在一个
低压区；16－18日（图2b d），台风“Oscar”逐渐向东北方向移动消亡；东亚以及沿海地区处于鞍形气压场的环流形势下，菲律宾上空的低压断裂，在南海中部和西太平洋地区分别形成一个热带低压。位于西太平洋地区的热带低压逐渐发展，成为T9513台风“Polly”向东北方向发展移动；位于南海中部的热带低压在形成初期，处于鞍形气压场，受环境场的影响较小，在自身的内力作用下，摆动向北发展；9月16日，该热带低压持续发展加强，强度升级为热带风暴，并正式被JMA ＲSMC TOKYO命名为“Ｒyan”；9月17日至18日，热带风暴“Ｒyan”继续发展，强度加强为强热带风暴等级；9月19日开始，500hPa上（图2e i）副高由经向型转变为纬向型，西风急流中的西风槽东移，槽前的西南风与副高西北侧西风结合成西南急流，使“Ｒyan”向东北方向发展移动，移速逐渐加快；而后东亚大槽东移，受槽前西南气流和西风急流共同作用，“Ｒyan”开始出现爆发性增强，路径移向转为东北偏东方向，强度达到强台风等级，而后增强速度减慢，但仍持续缓慢增强。9月22日，在掠过台湾以南前，在近海岸地区测得最大风速达到66．8m/s，“Ｒyan”成为南海本土产生的第一个超强台风。9月22－23日，“Ｒyan”在台湾东南近海掠过，以西南东北向的方向，逆向经过巴士海峡，移出南海。期间台风虽然受到台湾的中央山脉等高大地形影响，但没有明显减弱，直至抵达台北以东洋面海域后强度才开始逐渐减弱。“Ｒyan”继续维持强台风的强度向东北方向移动，在9月23日，维持该强度登陆日本九州地区；登陆后继续横跨日本进入日本海，强度减弱为台风等级，并于9月24日再次登陆日本本州北部地区，见图3（f）和表3。
3试验结果分析
3．1台风“Ｒyan”模拟路径检验
由台风“Ｒyan”的路径模拟结果对比（图3）可知，各组试验均能模拟出与JMA实况资料一致的台风“Ｒyan”的西南－东北的移动过程，并且TDK方案的路径模拟结果优于KF、BMJ和NO方案。
其中，TDK方案（图3e）能很好地模拟9月17－20日期间，台风移动先向西，而后折向北，最后转为西南－东北方向的全过程，并且路径的整体走势与JMA的实况路径基本一致。而其他3组试验则不能很好地模拟上述路径转折的过程。NO、KF和BMJ3种方案模拟的台风路径与JMA实况路径相比，台风向东北方向移动的速度均比实况更快，台风的移动方向与实况一致。NO方案组试验（图3b）和KF方案组试验（图3 c）的台风路径与JMA实况路径相比有不同程度的北折。NO方案试验从9月21日06时开始，模拟的台风偏北分量增大，开始逐渐偏离实况路径。KF方案试验从9月21日18时开始，模拟的台风偏北分量增大，路径迅速北折，偏离实况路径移动方向。BMJ方案组试验（图3d）模拟的台风向东北方向移动速度比JMA实况更快，台风移动路径与JMA实况所示的台风发展移动趋势较为一致。
461成都信息工程大学学报第34卷
致我们终将逝去的青春
苹果手机正品查询入口图21995年9月15－23日每日00时的东亚地区500hPa
天气形势图
图3不同积云对流参数化方案模拟的台风
“Ｒyan ”的路径与JMA 最佳台风路径对比5
61第2期梁家豪，等：WＲF 模式中积云对流参数化方案对南海土台风“Ｒyan ”模拟的影响研究
图4为在地球球面坐标系下，
4组试验方案模拟的台风路径误差。4组试验中，台风移动路径误差最小的为TDK 方案试验，误差最大的为KF 方案试验。虽然NO 方案试验和BMJ 方案组试验模拟的路径误差不是最大，但第120小时预报时次的平均误差仍达到150km 以上。这4组试验模拟结果均较好的时间段为1995年9月18日00时至19日18时，该时段台风路径平均误差小于100km 。而在1995年9月19日18时（约模拟了3d ）后，
NO 方案试验、KF 方案试验和BMJ 方案试验模拟得到的台风移速开始增大（图3b d ），模式预报的台风路径逐渐偏离实况路径，台风路径误差也逐渐增大
。
图4不同积云对流参数化方案模拟的台风“Ｒyan ”
路径误差统计
图5不同积云对流参数化方案模拟T9514号台风“Ｒyan ”第24，48，72，96和120时预报时次的500hPa 高度场与流场的对比
超级大乐透中奖说明661成都信息工程大学学报第34卷
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