基于WRF的臺風過程模擬研究

陶韜　羅維

【摘 要】WRF （Weather Research and Forecast） 模式作為新一代的中尺度氣象模式，在預測和分析中尺度氣象方面具有良好的適用性。臺風過程作為極端惡劣的中尺度氣象現(xiàn)象，往往會造成巨大的人身和財產(chǎn)的損失。本文利用WRF模式對2011年的某次臺風過程進行了模擬，分析模擬區(qū)域的選擇，Nudging方法對臺風路徑模擬的影響，并和實際結果進行對比。

【關鍵詞】WRF；臺風路徑；Nudging方法

0 引言

在大氣動力學分析中，通常會將氣象現(xiàn)象按照不同的時間和空間尺度進行尺度分析，從而在動力學方程中，采用不同的形式表征這些運動要素的特征和影響[1]。在中尺度氣象模式中，大氣運動具有較強的豎向非靜力平衡性，尤其對于強烈的對流天氣結構，浮力可以使氣塊產(chǎn)生較強的垂直加速度，導致猛烈天氣的生成。

中尺度大氣數(shù)值模式在 20 世紀九十年代已有相當發(fā)展，如美國國家環(huán)境預報中心用于業(yè)務預報的ETA模式，美國賓夕法尼亞大學和國家大氣研究中心合作研制的MM5模式，科羅拉多州立大學研發(fā)的區(qū)域大氣模擬系統(tǒng)——RAMS等中尺度模式，已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。WRF-ARW模式擬重點解決分辨率為1～10Km、時效為60h以內的有限區(qū)域天氣預報和模擬問題。

對于臺風路徑的研究有著不同研究方法，采用數(shù)值模式的方式可以對臺風進行診斷分析以及預測分析。對于預報模式可以通過確定的邊界條件和數(shù)值及物理條件的設置模擬一個臺風過程發(fā)展和移動過程。雖然方法為預測方法，如果在全球模擬中模擬了整個時間段的氣象場，中尺度可以利用全球模擬的結果作為邊界條件和初始條件以模擬更小尺度下的大氣運動過程，如臺風過程。利用中尺度模式更加精細的分辨率，對研究臺風對地面結構的風荷載有重大意義。

1 WRF模式

WRF 模式系統(tǒng)[2]是 1997 年由美國國家大氣研究中心（NCAR） 中小尺度氣象處（MMM）、國家環(huán)境預報中心（NCEP）的環(huán)境模擬中心（EMC）、預報系統(tǒng)試驗室的預報研究處（FRD）和俄克拉荷馬大學的風暴分析預報中心（CAPS）四部門聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度預報模式和同化系統(tǒng)。在其發(fā)展過程中，分別形成了一個是在NCAR的MM5模式基礎上發(fā)展的ARW（Advanced Research WRF），另一個是在NCEP的Eta模式上發(fā)展而來的NMM（Nonhydrostatics Mesoscale Model），其動力框架如表1所示。本文中采用WRF-ARW模式。

表1 WRF動力框架

WRF的控制方程的通量形式如下所示：

WRF模式的初始條件和邊界條件由大氣氣象資料提供，通常可以通過下載NCEP或者ECWMF的氣象再分析資料獲得，日本氣象廳也提供了10km分辨率的分析資料GPV。

在WRF模式，有多種相關的物理參數(shù)化過程方案，如微物理過程方案，卷積云方案，表面層方案，大氣邊界層方案，大氣輻射方案等等。這些方案的選擇對中尺度氣象現(xiàn)象的模擬有重要的影響。

FDDA（Four-dimensional data assimilation），也代指Nudging方法，可以在各時間步的模擬中使模擬結果向分析或者觀測資料靠近。格點Nudging方法指的是在各個格點上使模擬結果靠近分析資料，觀測Nudging方法指的是使模擬結果靠近觀測數(shù)據(jù)。本文采用的是格點Nudging方法，其作用方程如下所示，

其中，θ代指的是Nudging方法作用的變量，F(xiàn)（θ）指的是不采用Nudging方法得到的變量的計算結果，Gθ指時間尺度對應的Nudging強度，Wθ指附加的調整的Nudging強度，0指Nudging目標文件在時間和空間上的插值結果。

2 模式設置

2.1 基礎算例設置

本文在利用WRF模式模擬的臺風過程是2011第12號臺風Roke，主要影響的區(qū)域為日本本島，該臺風于日本靜岡縣登陸，而后穿越日本本州島由宮城縣再度進入太平洋。

模式的氣象初始場采用的是日本氣象局再分析資料GPV，其分辨率為5km，其氣象要素按壓力層分布包括高度，水平風速，溫度，相對濕度，和海面更正氣壓值。邊界條件也由該數(shù)據(jù)提供，每3小時更新一次。地表溫度、濕度及海面溫度由歐洲中尺度氣象中心再分析資料提供（ECWMF-interm），其分辨率為0.7°，每6小時更新一次。

模式的地表靜態(tài)資料采用的美國國家地質勘探局USGS資料，主要包括地面高程和地表覆蓋信息，其最高分辨率為30s。

在本文的臺風過程模擬中，筆者將著重研究不同模式區(qū)域的選取對臺風過程模擬結果的影響，然后考慮Nudging方法作用的影響。為了排除多變量的復合影響，筆者先設置一個基礎算例。算例的相關方案如表2所示。

表2 基礎算例參數(shù)設置

2.2 變更算例設置

基于基礎算例，通過變更其中的某單一因素，可以提出新的計算算例，本文所探究的因素變更算例如下所述。

1）區(qū)域變更

臺風的發(fā)展機理非常復雜，受到四周邊界條件，上下頂面壓力，地/洋面熱效應，以及大氣過程等等諸多因素的干擾，導致對其路徑的預測具有很大的難度和不確定性。在利用氣象模式對某個臺風過程進行模擬時，采取不同的模擬區(qū)域，將直接改變其邊界條件，從而影響區(qū)路徑的發(fā)展。

通常而言，對于模擬臺風過程，區(qū)域的邊界需要“良好”的邊界條件，即在模擬時間段內，該邊界上的變量需要保持平穩(wěn)線性的變化。由于氣象場資料為3小時更新一次，及在3小時之內，邊界上的氣象場采用的是沿時間的線性插值邊界條件。對于臺風過程而言，由于臺風經(jīng)過的地區(qū)及周圍的氣壓和風速變化非常劇烈，所以單純的線性插值不能合適的體現(xiàn)正確的邊界條件。通常而言，我們采用的邊界需要覆蓋整個臺風路徑的同時，使得邊界處在離臺風中心較遠處。

在本文的算例中，基于基礎算例，筆者采用了另外四套區(qū)域的選取方案，如下表所示。

表3 區(qū)域變更算例

對應的區(qū)域位置如下圖1所示，圖中為計算初始狀態(tài)，即為2011年9月20日18：00（格林威治時間）1.5km高度處氣壓場分布，其中白色曲線表示的是模擬時間段內，臺風中心的實際移動路線。

圖1 四套區(qū)域方案示意圖

2）采用Nudging方法

由第一章章節(jié)內容可知，Nudging方法將作用于模擬過程的各個時間步中，使模擬的計算結果向分析資料或觀測值結果靠近。在本文的模擬中，在基礎算例的基礎上，采用了Nudging方法，其趨近的分析資料為日本氣象局GPV數(shù)據(jù)，每3小時更新一次趨近條件，Nudging方法作用的時間段為模擬時間總長的前半段（18個小時）。其作用的參數(shù)設置如表4所示。

表4

需要提到的是，在1000米以下，對于濕度和溫度變量，其發(fā)展受到微物理過程的控制，通常情況下不會對其進行Nudging作用。

3 計算結果與分析

3.1 變更算例

采用了基礎區(qū)域算例和四種變更區(qū)域的算例的計算結果如圖2所示。圖中顯示了不同區(qū)域下臺風的模擬路徑。

圖2 四套區(qū)域方案的計算臺風路徑

宏觀上，五種計算區(qū)域的臺風路徑整體上往偏北方向偏離實測路徑，其中路徑的接近程度為區(qū)域1>區(qū)域2，基礎區(qū)域>區(qū)域3>區(qū)域4，其中區(qū)域2與基礎區(qū)域的效果接近。

區(qū)域1的選取范圍很小，其在模擬時采用了較短的模擬時間，故其在同一時刻，臺風眼位置比其他四種模擬區(qū)域更接近真實值，整體上更接近真實值。但是通常情況由于模式需要一定時間的發(fā)展，采用較小的區(qū)域和較短的模擬時間并不具備很強的說服力，其模擬的結果需要后續(xù)工作的驗證。

區(qū)域2和基礎區(qū)域都覆蓋了臺風的整個運動區(qū)間，其中區(qū)域2的邊界離初始時刻臺風眼的中心較近，二者的結果比較接近，但是可以看出在開始階段，區(qū)域2偏離了實際路徑的偏南方向，這可能是由邊界條件變化比較劇烈造成的，但整體上而言，基本符合臺風路徑。

區(qū)域3和區(qū)域4的邊界分別離臺風的影響范圍有一定距離，尤其對于區(qū)域4而言，其邊界處的壓力梯度很大部分受到臺風外圍區(qū)域的影響，這會給整個模擬過程帶來更多的不確定性。

綜合而言，選取計算區(qū)域對臺風路徑模擬的影響很大，本次臺風移動的方向比較穩(wěn)定，更易得到較為良好的結果，選取的區(qū)域既應該覆蓋臺風的發(fā)展范圍，也不宜遠離臺風的影響區(qū)域。

3.2 Nudging方法的使用

圖3顯示了Nudging方法作用下臺風路徑和基礎算例下臺風路徑的對比。

在Nudging方法作用下的初始12個小時內，臺風路徑同實測路徑保持的比較一致，比基礎算例路徑更接近實測結果。但是當Nudging作用停止后，路徑發(fā)生了較大角度的偏轉，可簡要分析原因，由于Nudging作用的目標氣象場為3小時內的線性插值，當限制條件突然釋放后，計算氣象場會保持向原有目標的趨勢繼續(xù)發(fā)展，從而使的路徑發(fā)生偏轉。

4 結論

本文通過利用WRF模式對某個臺風過程進行了模擬，初步探究了不同選取對臺風路徑發(fā)展的影響，在臺風移動方向比較穩(wěn)定的前提下，可以采用接近臺風影響區(qū)域范圍的模擬區(qū)域。同時探究了Nudging方法的作用，其在作用范圍內對臺風路徑的發(fā)展有比較良好的修正效果，但是仍需進一步的改進。

【參考文獻】

[1]K. Heinke Schlünzen， David Grawe， SylviaI.Bohnenstengel， Ingo Schlüter and Ralf Koppmann[J]. Journal of wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011：99，217-225.

[2]Skamarock， W. C.， et al.. A description of the Advanced Research WRF version 3. NCAR Tech. Note NCAR/TN-4751STR[Z]. 2005.

[責任編輯：湯靜]