海洋飞沫对热带气旋边界层结构的影响.docx
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海洋飞沫对热带气旋边界层结构的影响
海
洋
学
报
第36卷第9期
2014年9月
Vol.36,No.9
September2014
ACTAOCEANOLOGICASINICA
王平,陈葆德,曾智华.海洋飞沫对热带气旋边界层结构的影响[J].海洋学报,2014,36(9):
84—93,doi:
10.3969/j.issn.0253-
4193.2014.09.010
WangPing,ChenBaode,ZengZhihua.Effectofseasprayontropicalcycloneboundarylayerstructure[J].ActaOceanologicaSinica(in
Chinese),2014,36(9):
84—93,doi:
10.3969/j.issn.0253-4193.2014.09.010
海洋飞沫对热带气旋边界层结构的影响
王平1,2,陈葆德1,2,曾智华1
(1.中国气象局上海台风研究所,上海200030;2.中国气象局台风数值预报重点实验室,上海200030)
摘要:
将海洋飞沫参数化引入到一个高分辨率、非静力中尺度WRF模式中,对0908号热带气旋
Morakot进行数值模拟,探讨了海洋飞沫对热带气旋Morakot边界层结构和强度的影响。
模拟结果表
明:
采用新参数化后,对热带气旋Morakot的强度预报有改进,但对热带气旋移动路径改进不大;其
次,通过对边界层过程的改进,使得眼墙区域的平均径向风速、切向风速、温度、相对湿度、垂直风速、
热通量,降水等物理量均有增强,各物理量的贡献对热带气旋Morakot强度和结构变化的影响十分重要。
关键词:
海洋飞沫;热带气旋;Morakot;边界层;参数化方案
中图分类号:
P732.3
文献标志码:
A
文章编号:
0253-4193(2014)09-0084-10
确指出飞沫是否会对热带气旋的强度产生影响,但模
拟结果表明,加入飞沫的影响,模式模拟出的热带气旋发展演变过程更接近观测,海气温差与观测结果也
更加一致。
通过拟合分析HEXOS(humidityex-changeoverthesea)试验海气界面资料,Andreas等[3—11]给出了一种适合于较强风速情况的海洋飞沫
通量参数化方法,该参数化方案为研究海洋飞沫在海气间热量和动量传输中的作用及其对海洋上风暴的影响提供了新途径。
Andreas和Emanuel[6]重新考虑了飞沫液滴(spraydroplet)的微物理过程,利用An-dreas和DeCosmo[8]的参数化方法进行研究指出海洋飞沫的蒸发使热带气旋的最大潜在强度增强。
Bao
等[12]将FKH参数化方案应用到一个海气耦合模式,
对飓风个例Opal进行模拟,发现如果只有一部分飞
沫蒸发,蒸发所需的热量来自海洋,这部分蒸发会使
引言
热带气旋(简称TC)是一种强烈的高影响天气系统。
开阔洋面上,热带气旋期间的强风使波浪和气泡破碎,在大气边界层低层产生大量的海洋飞沫。
由于在强风条件下的海上观测存在很大的困难,因此在模
式中采用参数化的方法来计算海洋飞沫对海气间通量交换的贡献。
目前的数值预报模式中,海气或陆气间的通量的计算都是体现在行星边界层参数化中,都没考虑海洋飞沫的作用。
1982年,Anthes[1]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。
1994年,Fairall等[2]最先提出了海洋飞沫通量的总体参数化方案(FKH方案),他们把此
参数化方案加入到模式中模拟热带气旋,虽然没有明
1
收稿日期:
2014-02-12;修订日期:
2014-07-08。
基金项目:
国家自然科学基金项目———气溶胶-云微物理-降水相互作用对登陆我国台风的影响(41175094);热带气旋强度变化的环境因子影响研
究(41275067);近海热带气旋边界层过程对其结构和强度变化的影响(40875039);基于ADAS-WRF的RUC系统引进及本地化改进技术研究
(GYHY201306014-2)。
作者简介:
王平(1986—),女,陕西省绥德县人,主要从事数值模拟研究。
E-mail:
wangp@mail.typhoon.gov.cn
9期
王平等:
海洋飞沫对热带气旋边界层结构的影响
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飓风强度明显增强,而如果飞沫全部蒸发,则蒸发会
从大气吸取热量,从而使大气边界层低层冷却,对飓风增强产生负面影响。
Wang等[13]使用其高分辨率的热带气旋模式(TCM3)进行理想实验,他们的结果表明飞沫蒸发使模拟热带气旋增强率减小而且对其最终强度影响也很小。
黎伟标等[14]在中尺度模式中
引入海洋飞沫参数化方案,可使台风期间海气界面的潜热通量增加50%,10m层风速最大值增加30%,从而使模拟台风的强度明显增加,使模拟结果更趋于合理。
综上所述,以上海洋飞沫对热带气旋影响的研究大都针对大西洋,关于西太平洋和南海热带气旋期间海洋飞沫对其演变的影响规律和机理,目前尚缺乏系统深入的研究,因此,在对台风的数值模拟中,考虑大气和海洋飞沫的动力、热力相互作用过程是必要的。
本文使用的NOAA/ESRL海洋飞沫参数化方案版本
是基于Fairall等[15]研究设计的,该参数化方案基本
恰当地反应了海洋飞沫对海气交换过程的影响,把海
洋飞沫参数化方案引入到中尺度大气模式WRF中,选取2009年8月的热带气旋“莫拉克”(Morakot)作为研究个例,分析海洋飞沫对热带气旋边界层结构和强度的影响。
积分96h,细网格启动时间与粗网格一致,采用涡旋
追随嵌套网格(vortexfollowingnestedgrid)技术,该
技术最大优点是热带气旋(或台风)始终处在移动的
最高分辨率网格区的中心,因此它的模拟区域是随着
模式运行自适应调整的(详细模式配置见表1)。
表1
模式设计
Tab.1
Themodelconfiguration
模式参数
粗网格
细网格
格点数
650×350
334×334
格距
9km
3km
积分步长
45s
15s
微物理方案
WSM6
WSM6
无
积云参数化方案
Kain-Fritsch
长波辐射参数化方案
rrtm
rrtm
短波辐射参数化方案
Dudhia
Dudhia
thermaldiffusion
scheme
thermaldiffusion
scheme
陆面过程
海洋飞沫参数化方案
在WRF模式中,洋面上的湍流交换过程是用
Monin-Obukhov相似理论描述的。
计算如下:
2.3
τ=ρau2
=ρaCDU2
zl,
()
1
(2)
(3)
*
个例选取和数值试验
莫拉克台风过程简介
2009年第8号热带气旋Morakot于8月4日02
2
2.1
HS=ρacpaCHUz(Ts-Tz),
l
l
HL=ρaLvCEUzl(Qs-Qzl),
式中,τ、HS和HL分别是动量、感热和潜热通量,ρa
是空气密度,cpa是定压比热,Lv是水汽潜热,Uz、Tz
ll
和Qz分别是模式底层10m高度风速、温度和比湿,
l
Ts是海表温度,Qs是海表比湿。
式(1)中还定义了摩
时在菲律宾东北方海面生成,生命期为7d。
莫拉克
台风形成不久后,向西北偏西方向移动,并在8月5
日5时起转为偏西行进,朝台湾东部沿海靠近,5日
20时增强为中度台风,7日23时50分左右在花莲市
附近登陆,于8日14时左右在桃园附近出海,进入台
湾海峡北部,并持续向西北缓慢移动,9日18时30分
左右在马祖北方进入福建,强度减弱,10日早晨进入
浙闽交界,然后穿过浙江,于8月11日减弱为热带性
低气压,经过太湖流域,11日下午在江苏盐城东台
入海。
擦速度u*=槡CDUzl。
中性情况下,
CDN=κ2[ln(zl/z0m)]-2,
CEN=κ2[ln(zl/z0m)]-1[ln(zl/z0t)]-1,
(4)
(5)
(6)
CEN=κ2[ln(zl/z0m)]-1[ln(zl/z0)]-1,
q
式中,κ是vonKarman常数,取为0.4;z0m、z0t和z0q分
别是空气动力、温度和湿度的粗糙度长度。
本文采用Fairall等[15]和Bao等[16]改进的海洋飞沫参数化方案。
该方案的特点是考虑了海洋飞沫的反馈影响,他们认为,海气之间总的动量、感热和潜热传输包括了湍流传输和海洋飞沫的传输,表达式为:
模式方案
采用中尺度数值模式WRF(weatherresearchandforecast),模拟试验选取0.5°分辨率GFS的AVN资料作为初始场,模拟采用双重嵌套网格,区域中心点位于(27°N,132°E),水平分辨率由粗到细为9km、3
km,垂直层数为35层,模式层顶50hPa。
粗网格的
起始时间为2009年8月6日00时(世界时,下同),
2.2
τtot=τ+τsp,
Hs,tot=Hs+αsQs-αlQl,
Hl,tot=Hl+αlQl,
(7)
(8)
(9)
式中,τtot、Hs,tot、Hl,tot分别为动量、感热和潜热的总通
海洋学报
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量α为次网格反馈常数,τsp、Qs、Ql分别为海洋飞沫
引起的动量、感热和潜热通量,它们分别由下面的公
式计算:
两试验模拟的路径移动都稍微快于最佳路径,这主要
是由于模式嵌套网格在初始时刻(8月6日00时)两个试验的台风中心均位于实况的西北面。
在6日00时到7日00时之前的路径模拟中,Control试验和Spray试验的路径相似,和台风最佳移动路径的误差不是很大。
在8日7日12时至8日00时,两个试验模拟的路径都在最佳路径的南侧,这主要是由于在8月7日12时登陆台湾,受陆地摩擦耗散的影响,其强度逐渐减弱,以较慢的速度穿过台湾岛,随后沿西北
向移动。
在8日18时以后,Control试验和Spray试验模拟的路径相对最佳路径移动都偏快。
热带气旋的移动路径主要也受引导气流、地形和不同尺度系统
相互作用等因子的影响,而海洋飞沫主要是通过改变边界层内的热量交换对热带气旋产生影响,这可能是两个试验模拟的移动路径较为相似的原因。
在对热带气旋强度的模拟上,Control试验和Spray试验模拟的台风系统均偏弱。
图1b给出了考虑和不考虑海洋飞沫作用时“莫拉克”最低海平面气压模拟结果的对比,由图可见,在48h之前,两个试
验模拟的中心海平面气压都大于实况,这是由初始场
中初始台风的强度比实际偏弱造成的。
由于台风发生在洋面上,观测资料的稀缺,往往造成台风的初始
化存在很大的误差。
此后台风继续发展,积分12h后,加入飞沫参数化模拟结果强于不考虑飞沫作用模式结果,中心气压与实况值更为接近(8月8日00—
18时)。
图1c给出了最大10m风速的模拟结果,在
模拟前期,Control试验模拟风场较强,Spray试验模
拟风场相对偏弱,是因为Spray试验中,近表层很不
稳定,近表层的风很强,高层的温度梯度分布是稳定
的,这意味着低层与高层很少有动量交换,导致模式
最低层风速降低,同样也影响10m层风速。
τsp=SVf,
Qs=ρacpaFv(Ts-Ta),
Ql=ρaLvFah[qs(Tw)-qs(Ta)],
Fa=0.125S-1Wb,
Fv=5×10-6mS-1Wb,
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
式中,Fa、Fv是飞沫质量流量,m是飞沫质量,Vf是液
滴的平均降落速度,S为海洋飞沫的浓度分布,Ts是
海洋温度,Ta是空气温度,Tw是飞沫液滴的湿球温
度,Wb=3.8×10-6U3.4
是白浪的面积,(T)是海表
qsa
z
上的大气饱和混合比,qs(Tw)是在湿球温度Tw时的
饱和混合比。
详细计算见Bao等[16]。
试验设计
为了评估海洋飞沫对热带气旋“莫拉克”的边界
层结构和强度的影响,设计了比对试验(表2),即在边界层过程中不考虑飞沫作用和考虑飞沫作用,分别称之为控制试验(Control)和飞沫试验(Spray),飞沫试验中边界层过程采用飞沫参数化方案。
2.4
表2
试验设计
Tab.2Theexperimentconfigure
试验类型
控制试验(Control)
飞沫试验(Spray)
YSU、Fairall等[15]、
边界层参数化
YSU
Bao等[16]
数值模拟结果
对路径和强度的影响
本文采用的是中国气象局上海台风研究所最佳
3
3.1
路径和强度(引用CMA-STI的2009年资料),这套
资料是中国气象局上海台风研究所按照《台风业务和
服务规定》,根据收集到的常规和非常规气象观测资料,对热带气旋的路径和强度资料进行整编,是一套后分析产品,包括了业务当时所获取的附加信息,可
认为产品中热带气旋位置和强度是相对最好的,即
“最佳路径和强度”。
图1表示台风“莫拉克”从8月6日00时到10日00时的最佳路径和强度以及Control试验和Spray试验的模拟路径和强度。
从图1a可以看到模拟开始后,“莫拉克”主要向西北方向移动,两试验较好地模
拟了“莫拉克”的路径,对比两模拟试验和观测发现,
对边界层结构和强度的影响
本文分析主要选取6日18时至7日06时内12h平均,即热带气旋加强阶段。
图2是两个试验6日18时至7日06时内12h
平均的边界层径向风、切向风轴对称结构。
从图中可
以发现,模式模拟的热带气旋的0.6km边界层高度里,边界层内有强的径向风,说明此处入流发展旺盛,有强烈的径向入流辐合,径向风的最大水平梯度区位于“莫拉克”的墙眼区(半径135km处),值得注意的是,近表层的流速向内逐渐增大,然后再逐渐减小,然后在风眼中心快速的减为0,显然地,导致径向风快速减速的原因是超梯度风的存在。
Control试验(见图2a)
3.2
9期
王平等:
海洋飞沫对热带气旋边界层结构的影响
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图12009年8月6日00:
00—10日00:
00台风“Morakot”最佳移动路径、Control试验和
Spray试验的路径(a),中心最低气压(b)和近中心最大风速(c)(台风位置每隔6h标识)
Fig.1Thebestmovingtrack,tracksofControlandSprayexperiments(a),minimumsea
levelpressure(b)andmaximumsurfacewind(c)fortyphoon“Morako”from6to10August2009
中最大径向入流风速为8m/s,Spray试验(见图2b)
中最大径向入流风速为9m/s,图2b表明当加入海洋
飞沫时,边界层结构发生了显著的变化,径向风速显
著增加,径向风最大水平梯度也明显增强,说明边界
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层中的辐合作用有所加强;切向风大值区略有减小,
表明引入海洋飞沫时会增加表面层的热量,使垂直混合增加,湍流混合增加,边界层摩擦增加,从而导致切
向风的大值区略有较小。
值得注意的是,边界层结构
的变化会造成热带气旋结构与强度的变化。
图22009年8月6日18时至7日06时12h平均的边界层切向风速(阴影,单位:
m/s)、和径向
风速(等值线,单位:
m/s)轴对称垂直结构
Fig.212haveragedaxisymmetricstructureoftangentialwind(shading,unit:
m/s)andradialwind
(solidline,unit:
m/s)withinboundarylayer
a.Control试验;b.Spray试验(虚线:
流入;实线:
流出)
a.Control,b.Spray.(dottedline:
inflow,solidline:
outflow)
感热通量和潜热通量的交换对台风的发生发展
具有十分重要的作用。
图3是Control试验和Spray试验积分18h后,潜热和感热通量的空间分布。
从图3可以看到,潜热通量和感热通量的主要分布形式大致相似,呈现高度的非对称性,从外向中心逐渐减
小,达到最大值后,向中心又逐渐减小,在热带气旋中心热通量数值较低,潜热通量的数值均为正值,且量值比感热通量大得多,说明海洋飞沫的蒸发为台风发展提供了大量的水汽和热量,潜热通量在台风的发展和发展中作用更大。
这与Jan等[17]研究观点一致:
随
着风速的增加,潜热通量的增加比感热通量明显,潜
热通量对热带气旋的发生和维持作用尤为重要。
从
图3a和图3b看到,Control试验的潜热通量的最大值为600W/m2,Spray试验最大值比Control试验大
100W/m2,且台风中心附近通量大于200W/m2的
区域Spray试验比Control试验大,两试验的感热通
量的最大值都为80W/m2(图3c、d)。
热通量的低值
区域在台风中心附近,在台风“莫拉克”中心的南侧和
西南侧的热通量都较大。
在整个Spray试验模拟时段内,潜热通量最大值为1200W/m2。
从图3b可以看到,感热通量的大值区分布在台风中心西南侧,而台风中心的北侧为低值区,这是因为感热通量的大小
取决于海气温差和风速大小。
飞沫的蒸发使边界层的结构发生了改变,更重要的是直接影响了感热通量和潜热通量的重新分配。
图4是Control试验和Spray试验从6日18时到7日
06时12小时平均的轴对称平均感热通量、潜热通量、
总热量随半径的分布。
由图4a感热通量的分布可以
看出,通量的大值区位于距热带气旋中心130~220
km处,从热带气旋中心到距中心约135km内,Spray
试验和Control试验的感热通量都随着半径逐渐增
大,加入飞沫后,感热通量增加了22%,距热带气旋中
心135km以外,Spray模拟的感热通量低于Control
试验模拟的感热通量,这主要是由于飞沫的蒸发使得
边界层冷却;Control试验中,感热通量的量值约是潜热通量的5%(图4a、4b),只占总热通量的6%(图4a、
4c);而在130km外,加入飞沫后,感热通量减小。
从图4b可以看到,加入飞沫后,从热带气旋中心到450km处,潜热通量明显增加。
由于飞沫的蒸发引起的潜热通量的明显增加,因此总的热通量有所增加(图
4c),增加的大值区位于眼墙附近,这也很好的解释了Spray试验模拟的最大风速和海平面气压强于Con-trol试验模拟的最大风速和海平面气压,同样,从图
4c中也可以看到,热通量存在两次大值,分别位于