基于mm5的台风切向风廓线的讨论

基于mm5的台风切向风廓线的讨论

1初始台风的构造台风是热带海洋形成的强灾候气系统。台风所伴有的风浪、风雨潮、风暴和风暴通常会给沿海地区的经济和人民带来重大损失。正确预测台风的路径、强度、大风分布和降雨分布，有助于减少台风造成的灾害损失。目前对于台风的异常路径、强度、大风和暴雨分布等方面的预报仍然不够准确,需要进一步改进和提高。由于台风形成于广阔的洋面上,观测资料非常稀少,在数值预报中能较准确地给出初始台风的结构将有利于提高台风路径和强度等预报效果,因此如何较好地构造初始台风显得十分重要。在数值模式中,初始台风构造多采用台风bogus方案。Fiorino等研究发现台风路径主要受台风外围风的影响,而跟台风的中心强度关系不大。孟智勇等提出了一种适合于较强台风的切向风廓线方案,即在Chan等的切向风廓线方案基础上引入十级风圈平均半径和七级风圈平均半径,发现可以改进台风异常路径的预报效果。Gao等采用Chan等的切向风廓线方案引入十级风圈平均半径和七级风圈平均半径对NCAR-AFWA的bogus方案进行改进,发现改进方案对台风强度预报改进明显。本文将直接在NCAR-AFWA的bogus方案中逐步引入十级风圈平均半径和七级风圈平均半径对初始台风切向风廓线进行改进,然后选取了具有异常路径并且强度和大风半径变化比较大的0425号“洛坦”台风进行了模拟,并对模拟的台风路径、强度和大风半径等模拟结果进行了分析。2级风圈平均半径的区域差异通过对日本1977~2004年西北太平洋台风十级风圈平均半径(R26)和七级风圈平均半径(R15)资料进行分析发现:(1)当台风中心附近最大风速为Vmax=45m/s时,十级风圈平均半径最小值为55.6km、最大值为416.7km、均值为204.8km;七级风圈平均半径最小值为189.9km、最大值为926.0km、均值为498.0km。其中50%的台风十级风圈平均半径介于166.7~240.8km之间,50%的台风七级风圈平均半径介于388.9~597.3km之间(表1)。(2)当台风中心附近最大风速为Vmax=45m/s、十级风圈平均半径(R26)为167km时,七级风圈平均半径(R15)的最小值为277.8km、最大值为555.6km、均值为378.9km,其中50%的台风七级风圈平均半径介于324.1~426.0km之间(表2)。本文给出了1977~2004年西北太平洋台风中心附近最大风速为Vmax=45m/s时的十级风圈平均半径和七级风圈平均半径分布的箱型图(图1a),以及1977~2004年西北太平洋台风中心附近最大风速为Vmax=45m/s、十级风圈平均半径为167km时七级风圈平均半径分布的箱型图(图1b)。从表1、2和图1可以看到:对于近中心最大风速相同的台风,其十级风圈平均半径和七级风圈平均半径可能会有较大的变化;即使当中心附近最大风速和十级风圈平均半径都相同的情况下,台风七级风圈平均半径仍然可能会有较大的变化。这表明强度(Vmax)相同的台风其切向风廓线可能会有比较明显的差异。由于不同台风的切向风廓线形态变化较大,因此,在数值模式的台风初始涡旋中引入十级风圈平均半径和七级风圈平均半径,构造与实际分布比较接近的台风切向风廓线,将有利于提高台风的路径和强度预报。3切向风速廓线形态因子3.1NCAR-AFWA的bogus切向风廓线的改进在MM5v3模式NCAR-AFWA的bogus方案中,初始涡旋均采用轴对称结构,其切向风速v(r,z)廓线为其中Vmax为台风中心附近最大风速,Rmax为最大风速半径,α为切向风速廓线形态因子,A(z)为垂直权重函数。对于切向风速廓线形态因子α,Riehl研究认为α大约取-0.5,而Miller则建议α值应在-0.5~-0.7之间变化,但是后来Christopher等认为α取-0.75比较合适。垂直权重函数A(z)的取值为:从地面到850hPa取1.0、700hPa取0.95、500hPa取0.85、400hPa取0.65、300hPa取0.35、200hPa取0.05、100hPa取0.0001。在NCAR-AFWA的bogus原方案中,切向风速廓线形态因子α一般取-0.75,可见,具有相同最大风速和最大风速半径的初始bogus台风涡旋的切向风速廓线形态都相同,这显然跟实际情况不符。为了更好地体现初始台风切向风廓线形态特征,提高模式对台风路径、强度和大风的预报能力,本文对MM5模式NCAR-AFWA的bogus方案进行适当的改进:即在bogus方案中逐步引入十级风圈平均半径和七级风圈平均半径,使得切向风速廓线形态因子α能够随着不同的台风而改变。即其中式(2)表示仅引入十级风圈平均半径、式(3)表示同时引入十级和七级风圈平均半径、式(4)表示仅引入七级风圈平均半径。在改进NCAR-AFWA的bogus方案中,对不同的台风其切向风速廓线形态因子α取值如下其中α=-0.75为原bogus方案切向风速廓线形态因子的取值,α1、α2、α3如公式(2)~(4)。通过在bogus方案中逐步引入十级和七级风圈平均半径两个参数来改变风速廓线形态因子α的值,从而修正初始台风切向风廓线的水平分布,达到改进bogus切向风廓线方案的目的。3.2模式格距及边界层设置本文采用美国PSU/NCAR非静力中尺度模式MM5v3,模式积分区域采用2重嵌套,区域中心设定在(23.5°N,124.5°E),外层模式格距为54km、积分区域为5292km×3996km,内层嵌套模式格距为18km、积分区域为2484km×2052km,垂直方向采用23层σ坐标。显式水汽采用Dudhia方案,积云对流参数化采用Grell方案,行星边界层采用MRF方案,考虑了云-辐射物理过程和双向嵌套的反馈。模式初始和侧边界场采用NCEP/NCAR每日4次水平分辨率为2.5°×2.5°的再分析格点资料进行插值所得。3.3研究范围这里没有台风中心附近最大风速半径的资料,根据Zhao等和Randhir等研究认为:在MM5模式中台风中心附近最大风速半径为3倍格距时预报台风路径和强度效果比较好,而孟智勇等假定台风中心附近最大风速半径近似为十级风的0.8倍。但是从Weatherford和Gray对西北太平洋台风的3年观测资料进行分析得到的台风切向风廓线形态来看,一般台风中心附近最大风速半径在100km范围内。因此,本文选取Rmax=50km(约3倍格距)和Rmax=90km这2种最大风速半径,而最大风速采用观测值Vmax=45m/s,并逐步引入十级风圈平均半径观测值(R26=167km)和七级风圈平均半径观测值(R15=390km),共设计了5个试验,试验起始时间均为2004102400UTC(世界时),模拟时效均为48小时。试验1:最大风速半径Rmax=50km,控制试验,即取α为不依赖于大风圈半径的常值。试验2:最大风速半径Rmax=50km,仅引入十级风圈平均半径R26=167km。试验3:最大风速半径Rmax=50km,引入十级风圈平均半径R26=167km和七级风半径R15=390km。试验4:最大风速半径Rmax=90km,仅引入十级风圈平均半径R26=167km。试验5:最大风速半径Rmax=90km,引入十级风圈平均半径R26=167km和七级风圈平均半径R15=390km。表3是5种试验分别对应的初始台风切向风廓线形态因子α的值。5种试验对应的初始台风切向风廓线形态如图2,可以看到:5种试验的初始切向风廓线之间在台风外围有较大的差别,其中试验3得到的切向风廓线的十级和七级风圈平均半径与实况最接近。4不同时距阵风风场分布的试验模拟图3是5种试验模拟48小时得到“洛坦”台风的移动路径和对应最佳路径。由图3可以看出,5种试验均模拟出了台风的转向异常路径,相对而言试验3、4、5的模拟路径与实况比较接近,而试验1的路径比实况明显偏西,试验2的路径比实况明显偏东。5种试验虽然都能模拟出“洛坦”台风的这次转向异常路径,但是在初始台风中同时引入十级和七级风圈平均半径后对这次台风异常路径的模拟效果有些改进。表4给出了5种试验分别对0425号台风进行模拟得到的24和48小时台风中心位置预报距离误差。可以看到,试验3模拟24和48小时的距离误差均比试验1、2的距离误差要小,试验5模拟24和48小时的距离误差均比试验4的距离误差要小。这说明在初始台风切向风廓线中逐步引入十级风圈平均半径和七级风圈平均半径会提高路径的模拟效果,而仅引入十级风圈平均半径的效果较差些。图4给出了试验1、试验3~5共4种试验模拟12小时得到的经过台风中心的切向风速和位温纬向垂直剖面。可看到,试验4、5(图4c、4d)模拟12小时得到的经过台风中心的切向风速和位温纬向垂直剖面非常相似,其中台风中心东侧的切向风大风范围明显大于西侧,且切向风最大风速范围也较大;而试验1(图4a)模拟的台风中心东、西侧的切向风大风范围非对称性相对没有试验3~5那么明显,试验3(图4b)模拟的台风中心东、西侧的切向风大风范围非对称性相对比较明显,试验1、3模拟的台风中心附近切向风最大风速范围均相对较小,这表明台风bogus方案会影响到台风的垂直结构。图5为试验1、试验3~5共4种试验模拟12小时得到850hPa等压面上风速的水平分布。可以看到:这4种试验模拟的结构有些相似,即4种试验的风速水平分布都有明显的非对称性,而且都有一个大风速中心位于东北位相和一个小风速中心位于西南位相;试验1(图5a)的台风中心正好位于最大风速区内,而试验3~5(图5b、5c、5d)的台风中心都位于最大风速区的西南面。同时可以看到,试验4、5的大风范围明显比试验1、3的要大,同时从经过台风中心的切向风速纬向垂直剖面图上所看到的是试验1、3模拟的台风中心附近切向风最大风速范围要相对小一些。图6给出了试验1、试验3~5共4种试验模拟12小时得到的经过台风中心的垂直速度纬向垂直剖面。可以看到,4种试验的模拟有比较明显的差别。试验1(图6a)模拟得到的垂直速度在台风中心附近的低层和中层为一强的上升区,并且没有明显的台风眼壁结构;试验3(图6b)模拟得到的垂直速度在台风中心附近可以看到明显的“V”型台风眼壁结构;试验4、5(图6c、6d)模拟得到的垂直速度在台风中心附近非对称性非常明显,且都存在台风眼壁,但是眼壁结构不是非常清晰。图7给出了4种试验模拟12小时得到的经过台风中心的位涡纬向垂直剖面。位涡作为一个综合反映大气动力学和热力学性质的物理量,可定性地反映出台风的发展趋势。由图7可看到,4种试验模拟12小时后在台风中心附近都维持一个高温湿的涡柱结构,试验1的位涡高值中心位于900~600hPa之间,试验3分别在对流层低层和中高层存在两个位涡高值中心,而试验4、5均在对流层中高层存在一个位涡高值中心。当对流层中高层存在一个位涡高值中心时将会有利于对流层低层气旋性涡度的发展,即有利于台风的发展。因此,从位涡垂直结构上看试验3~5都有利台风发展,但是试验4、5有利于台风强烈发展跟台风强度的实况变化不是很吻合。同时可以看到,初始台风切向风廓线的改变会影响台风的动力和热力垂直结构的变化,并进一步影响台风路径和强度的变化。由分析场得到的切向风速纬向垂直剖面上台风中心东、西侧的切向风大风范围(图8a)非对称性比较明显,由试验1、试验3~5模拟12小时得到的最大切向风速(图4)都比由分析场得到的最大切向风速明显偏大,其中试验3(图4b)的模拟结果与分析场更接近。由分析场得到的位涡值(图8b)较小,由试验1和试验3~5模拟12小时得到的位涡值(图7)均比由分析场得到的位涡值要明显偏大,其中同样是试验3的模拟结果(图7b)与分析场更接近。图9给出了5种试验模拟48小时的一些模拟结果和对应实况随时间的变化。由图9可以看到:5种试验模拟的台风中心海平面气压在前期都明显偏弱,而在后期试验3~5与实况较接近,5种试验模拟的台风中心海平面气压减弱趋势均比实况要小。5种试验模拟的台风中心附近最大风速在前期比实况偏弱而在后期多数比实况偏强,但在前36小时的台风中心附近最大风速随时间减弱的趋势基本上都能模拟出来。试验2、4、5模拟6~48小时的十级风圈平均半径在前期比实况偏小在后期比实况偏大,而试验1、3模拟的十级风圈平均半径一直比实况偏小,但是试验1、3基本模拟出了十级风圈平均半径随时间的变化趋势。试验1模拟6~48小时的七级风圈平均半径基本上比实况要偏小,而试验2模拟6~48小时的七级风圈平均半径比实况要偏大,其中试验3-5模拟6-48小时的七级风圈平均半径变化与实况更加接近。从总体上看,试验3的模拟效果相对而言要稍好一些。总之,在初始台风切向风廓线中同时引入十级和七级风圈平均半径对“洛坦”台风路径和强度模拟均有改进,其中有些方面的改进比较明显,另外这种bogus方案的改进对于开展台风大风范围的模拟或预报非常重要。5研究结论与建议通过对多年西北太平洋台风十级风圈平均半径和七级风圈平均半径资料进行分析,发