我国每年都要遭受严重的台风灾害。台风登陆, 常常伴随着暴雨和大风。统计研究表明^[1], 平均有16%的台风移到中国沿海突然加强, 另有一些则移到沿海突然减弱甚至消失。影响台风路径和强度的因素较多, 下垫面地形和边界层摩擦等是重要的外部因子^[2]。李英等^[3]用中尺度天气模式MM5研究了台风Nina, 发现湿地边界层通量对登陆台风的强度、结构和降水有影响, 其感热及潜热通量有利于台风的维持和增强; 张福青等^[4]用热带地区6层模式研究台风暴雨, 发现地面潜热通量和边界层动量通量在台风的发展和维持中起重要作用。此外, 大量的研究表明, 台风结构和强度变化与冷空气、急流、西风槽、中小尺度系统等物理因子密切相关^[2], 大气内部潜热释放和斜压位能释放是近海或登陆热带气旋加强或维持的两种主要能源^{[3, 5-6]}。显然, 台风的发展或结构变化是下垫面及大气内部过程综合作用的结果。

下垫面基本可分为陆地与海洋两部分。陆面过程模式(也称陆面方案)是反映下垫面与大气之间动量、水汽及能量交换的地球物理及生物化学的参数化方案^[7-8], 其中包含陆面通量及海洋表面通量的算法。由于台风生成、发展于海上, 不同陆面方案采用的陆地及海洋表面通量的算法有所差异, 在与大气模式耦合用于台风模拟时, 也必将对台风演变模拟结果起到重要的影响。为定量研究陆面方案的选择对台风模拟的影响, 本文选取了2008年的“凤凰”台风作为代表性个例, 进行了台风登陆前后48 h的数值研究。

1 模式及方案设计 1.1 模式和陆面方案

本文使用的模式为WRFv3^[7]。WRF模式作为新一代中尺度数值天气预报模式, 现已广泛应用于各种研究与业务应用中。除了极具特色的数值化动力框架外, WRF模式还包含许多先进的物理参数化方案选项, 考虑了比较详细的陆面过程, 能描述不同下垫面的热量、水分等的传输过程, 并实现其与边界层过程的耦合, 以增强模式模拟边界层物理过程的能力。本文采用WRFv3模式中四种陆面方案, 即SLAB陆面方案、NOAH陆面方案、PX陆面方案、RUC陆面方案^[7-8]。

上述方案中, SLAB方案是由原中尺度模式MM5中五层土壤方案移植而来。该方案采用修正的强迫-恢复法计算土壤层的温度, 较少考虑土壤湿度的变化, 同时没有显示地考虑植被的影响。NOAH方案经OSU陆面过程方案发展而来, 考虑了植被的影响、预报了四层(10、30、60、100 cm厚)土壤温度和湿度以及植被冠层水分和雪盖, 其表皮温度(skin temperature)由诊断方法得到。RUC陆面方案来自美国国家环境预报中心(NCEP)天气业务预报系统, 计算六层土壤的温度和湿度, 其中土壤温度由热扩散方程求解, 土壤湿度由Richards水分传输方程求解。PX陆面方案将土壤分为2层, 即1 cm的地表上层和99 cm的下层, 并用强迫-恢复法来计算土壤温度与湿度。

上述方案与WRF中大气模块耦合后, 计算通量将发生变化。不同的地表通量将改变大气内容的动力、热力结构, 从而对模拟台风产生影响。

1.2 模拟方案

模拟试验使用NCEP的1°×1°的FNL全球同化资料作为初始及边界条件, 采用三重嵌套, 水平分辨率分别为45、15和5 km, 中心点位于(24°N, 116°E), 其中三重区域格点数分别为52×45、127×106和325×268(见图 1); 垂直方向分为不等距的31层。物理方案采用的是Betts-Miller-Janjic积云对流参数化方案、简单冰相微物理方案、RRTM长波辐射方案以及YSU边界层方案^[7]。选取模拟时段为台风登陆前后各24 h, 积分时间为48 h, 时间步长为180 s。

本文通过高分辨率嵌套模拟实验, 研究了不同陆面方案对台风过程模拟的影响。为此, 设计的模拟区域中, 陆面区域与海洋区域的面积近似相等, 以考察面积同等区域的不同通量源在台风登陆前后的相对影响。试验一选用SLAB陆面方案进行模拟, 实验二选用NOAH陆面过程方案, 试验三选用PX陆面过程方案, 试验四选用RUC陆面过程方案。

1.3 “凤凰”台风概况

“凤凰”台风于2008年7月25日下午在西北太平洋洋面上生成, 26日下午加强为台风, 27日夜间加强为强台风。28日6时30分前后在台湾花莲南部沿海登陆, 强度有所减弱, 28日22时在福建福清东瀚镇登陆, 登陆时为台风最大风速为33 m/s。登陆后, “凤凰”深入陆地, 强度逐渐减弱。29日夜间, “凤凰”进入江西东北部, 30日14时在江西鄱阳县境内减弱为热带低压。

从500 hPa位势高度场可以看出(图略), 台风登陆前, 位于副热带高压西南侧, 受引导气流影响, 台风向西北方向移动, 移速正常, 随着副热带高压加强西伸, 逐渐与大陆上的高压相连接, 使得“凤凰”低压环流被局限在大陆和海上的副热带高压之间, 导致“凤凰”登陆后缓慢移动; 同时副热带高压的增强与台风之间存在很强的位势梯度, 使得台风由于摩擦作用而衰减的动能可以得到补偿, 并有利于台风东侧的水汽输送得以维持和加强, 从而有利于“凤凰”登陆后维持强度。

2 模拟结果及分析

下面主要从台风“凤凰”的移动路径、最大风速、地表通量等这几个方面的模拟结果进行分析, 探讨不同陆面方案的影响。

2.1 移动路径

图 2为模拟的台风“凤凰”移动路径与实况的对比。四种陆面方案模拟路径与实况相比均偏北。另外可以看出台风在登陆福建以前, 路径模拟结果与实况都较为接近, 登陆福建之后, 路径偏差开始变大, 但走势还基本能与实况保持一致。SLAB方案和NOAH方案对移动路径的模拟效果比其他两种陆面方案好, 更接近实况。

对台风“凤凰”的移动路径模拟效果的检验可以通过对移动路径与实况的偏差来考察(表 1)。通过方案模拟结果的对比, 可以看出, 模拟效果有系统性的差异。在三种偏差中, 以NOAH方案最好, SLAB方案次之, RUC方案再次之, 而PX方案模拟的效果最差。NOAH方案的移动路径平均偏差为73 km, 登陆后路径平均偏差为92 km, 与PX方案的结果相比较, 同时刻的移动路径平均偏差及登陆后路径平均偏差的差值达到了29 km及35 km, 可见不同陆面方案可导致较大的台风路径差异, 同时说明在对台风“凤凰”的路径模拟方面对不同的陆面方案是敏感的。

2.2 最大风速

图 3给出了选用四种陆面方案模拟的地面最大风速随时间的变化曲线。类似上述模拟路径的差异, 各个时次最大模拟风速也呈现出系统性特点。四种方案, RUC方案偏大, 而PX方案最小。对RUC方案, 与SLAB方案、NOAH方案和PX方案的模拟结果相比, 最大差值达到8.6 m/s, 平均已经达到PX方案最大风速的20%~30%, 差异相当明显, 但后面三种方案之间差异不很明显。

2.3 地表通量

图 4为模拟区域48小时感热通量和潜热通量平均值随时间变化。在平均感热通量的比较上, SLAB方案与PX方案最大差异达到20 W/m², 约占平均通量最大值的28%。对于平均潜热通量, NOAH方案与RUC方案的最大差值达到107 W/m², 约占NOAH方案平均潜热通量最大值的23%。另外可以看出, 对通量的模拟有明显的日变化特征, 如, 感热通量在北京时08时—20时比较强而晚上很小。由于模拟地表通量的差异将直接导致陆面及海面底层大气加热场的差异, 最终对模拟水平温度场的变化产生影响^[8], 再由热成风关系, 水平温度场的变化可进一步造成水平气压梯度及风速场的变化, 从而对标志台风强度的风速及标志路径的台风眼位置等构成重要影响。

3 结论

本文使用WRFv3模式, 对2008年08号台风“凤凰”进行了不同陆面过程方案的敏感性数值试验, 得出以下主要结论:

(1) 台风模拟可因陆面方案的不同而呈现系统性的差异。如模拟平均路径偏差中, 以NOAH方案最好, SLAB方案次之, RUC方案再次之, 而PX方案模拟的效果最差; 四种方案地面最大风速中, RUC方案最大, 而PX方案最小。由于不同陆面方案的侧重点不同, SLAB在四种方案中结构最简单, 在一定程度上也表明, 并非陆面模式越先进、越精细, 对台风的数值模拟效果也就越好。

(2) 台风模拟对陆面方案是敏感的。如, NOAH方案的移动路径平均偏差为73 km, 与PX方案的结果相比较, 差异可达这一数值的一半左右。

(3) 不同陆面方案主要通过模拟地表通量的差异导致温压场差异, 并最终影响模拟台风路径及台风强度。