基于數(shù)值仿真的臺風環(huán)境模型生成

程 銳，徐幼平，平 凡，鄧志武

(1. 地理信息工程國家重點實驗室，北京100029； 2. 中科院大氣物理研究所，陜西 西安 710054)

1 引言

眾所周知，人類生活的自然環(huán)境包括陸地、海洋、大氣、空間及電磁等諸多要素，具有地域廣、影響因素多及時間變化快等特征。伴隨基于網絡的大規(guī)模、分布式、多平臺綜合仿真虛擬環(huán)境的廣泛應用，綜合自然環(huán)境仿真逐漸成為系統(tǒng)仿真運行的重要支撐。綜合自然環(huán)境仿真從最初主要集中在可視化仿真、地形數(shù)據(jù)庫和動態(tài)地形仿真到后來的動態(tài)自然環(huán)境仿真，環(huán)境建模、表達和確認技術業(yè)已成為關鍵環(huán)節(jié)。以美國為首的發(fā)達國家在環(huán)境仿真領域開展了許多開創(chuàng)性的工作，也一直處于領先地位，如美國國防建模與仿真主計劃MSMP將提供自然環(huán)境及時權威表達最為主要目標之一；其后組織開發(fā)的JSIMS(Joint Simulations)系統(tǒng)主要解決一體化海洋、大氣及綜合環(huán)境建模問題，WARSIM2000(戰(zhàn)士模擬系統(tǒng))中的綜合自然環(huán)境主要提供氣象、地形及煙塵等仿真訓練環(huán)境；美新一代半自動化兵力(OneSAF)仿真系統(tǒng)具有靜態(tài)、動態(tài)物理環(huán)境(主要為天氣、地形、煙、沙和塵)建模及其對仿真行為的影響能力。

近些年，我國綜合自然環(huán)境建模與仿真取得了較大進展，其中陸地環(huán)境仿真開展較早，技術比較成熟。大氣環(huán)境仿真主要是結合武器平臺開展環(huán)境仿真及其對武器系統(tǒng)影響、構建環(huán)境模型方法以及開發(fā)自然環(huán)境仿真數(shù)據(jù)庫及分布式虛擬環(huán)境構建等方面的研究。當前，大多作戰(zhàn)仿真都考慮了大氣環(huán)境影響，但有的考慮過于簡單，仍以理想大氣或標準大氣為主，有的提供了常規(guī)大氣環(huán)境要素或部分敏感參數(shù)的分布特征，但模型和數(shù)據(jù)的一致性、可重用性及標準化程度較低，對危險性天氣系統(tǒng)(如臺風、強對流)的建模仿真更是較少開展，這也造成我國大氣環(huán)境建模與仿真系統(tǒng)的有效性、代表性和完整性仍不強，接近真實條件的戰(zhàn)場自然環(huán)境仿真技術仍較薄弱。

大氣環(huán)境建模與仿真的主要內容包括數(shù)據(jù)、模型和仿真三部分，主要通過數(shù)據(jù)驅動仿真運行，其中模型研究需將大氣環(huán)境數(shù)據(jù)轉換為作戰(zhàn)仿真易用的對象、形式和格式。當前，大氣環(huán)境模型提取技術已成為大氣環(huán)境建模與仿真的重點研究內容。本文將結合物理模式和統(tǒng)計方法提取臺風環(huán)境模型產品。臺風典型特征模型將以點、線、面、體等形式構成環(huán)境對象，來刻畫臺風路徑、強度、水平與垂直分布、內核與外圍結構等特征。

2 臺風環(huán)境數(shù)值仿真

當前，臺風探測資料相對匱乏，要合理提取典型特征模型，需要考慮多種資料源和技術手段。從臺風環(huán)境仿真角度來分析，影響系統(tǒng)仿真的主要環(huán)境要素包括：臺風路徑、強度演變，低層大氣狀態(tài)以及云雨分布和強度。當前，臺風定位定強可以由衛(wèi)星和雷達探測得到，可靠性強、精度較高；再分析資料的出現(xiàn)，有力彌補了觀測資料時空分布不均勻的缺陷，盡管還不能真實刻畫臺風強度演變，但仍然為海洋上空臺風分布特征建模提供了重要數(shù)據(jù)支撐；云雨等非常規(guī)要素特征模型提取將主要依賴數(shù)值仿真手段，以模擬數(shù)據(jù)為基礎開展建模計算。

開展臺風環(huán)境數(shù)值仿真，數(shù)值模式是其核心，直接決定著環(huán)境仿真的精度和可信度[。當前，大多數(shù)臺風數(shù)值仿真模式都以中尺度大氣模式為基礎發(fā)展而來，如HWRF(Hurricane Weather Research and Forecasting model)和GRAPES-TC(Global and Regional Assimilation and PrEdiction System Tropical Cyclone model)等。本文以中科院大氣物理研究所和北京應用氣象研究所自主開發(fā)的中尺度AREM模式(Advanced Regional Eta-coordinate Model)為基礎發(fā)展臺風數(shù)值仿真模式。該模式根據(jù)東亞季風區(qū)特殊地理環(huán)境和氣候特征設計，動力框架易于構造出完全能量守恒的時空差分格式，且在地形處理、水汽輸送及計算擴散處理等方面特點顯著，已成為東亞季風區(qū)暴雨等災害性天氣模擬和預報的較好工具之一。為了更好開展臺風數(shù)值仿真，需要對AREM模式進行適應性發(fā)展，本文提出臺風環(huán)境數(shù)值仿真三個關鍵環(huán)節(jié)：

1)云微物理過程描述

很多研究都表明云物理過程對臺風結構和強度有著重要影響，通過調研分析和模擬試驗比較，選用一種在云和中尺度模式中得到廣泛檢驗和使用的參數(shù)化方案(Wang云微物理方案)。該物理過程包括6種水物質36種云微物理過程，云微物理預報變量包括云水、雨水、云冰、雪和霰的混合比。引入該物理過程后，臺風結構仿真改進明顯。

2)臺風渦旋初始化

從易用性和初始化效果綜合考慮，使用蘭金渦旋人造臺風構造方式實現(xiàn)臺風初始化，從而使臺風位置和強度信息接近觀測。該方案主要通過3個步驟來實現(xiàn)：①從背景場(文中為再分析資料)中去除初始渦旋，②構造位置和強度接近實際的人造渦旋，③與修正的背景場結合形成模式初值。考慮臺風初始化后，臺風強度和路徑仿真改觀顯著。

3)高分辨率數(shù)值仿真

采用高分辨率模式進行臺風仿真，已經成為大家普遍接受的一種觀點。水平區(qū)域嵌套是開展高分辨數(shù)值仿真經濟有效的方法。本文考慮粗細網格雙重嵌套，粗網格模式使用全球再分析資料進行初值和邊值驅動，并為細網格模式提供側邊界強迫；當前不考慮細網格對粗網格的反饋效應。仿真模式分辨率的調整，不只是簡單地改變時步和某些計算參數(shù)，還需相應提高地理數(shù)據(jù)的分辨率、細化地理數(shù)據(jù)分類特征從而更好匹配仿真模式的精細化。

經過上述三個關鍵環(huán)節(jié)的發(fā)展，即可采用新發(fā)展的數(shù)值模式來進行臺風環(huán)境數(shù)值仿真。當前，粗細網格區(qū)域分辨率分別為15km和5km，仿真區(qū)域范圍粗網格0～52°N、76～146°E，細網格10～40°N、110～140°E；垂直方向從地表至10hPa(～30km)。除云微物理過程外，模式采用非局地行星邊界層參數(shù)化方案進行湍流垂直混合計算，地表通量計算采用Zeng多層結通量廓線方案，地表輻射采用Ghan方案計算。仿真方案確定后，選取了若干典型臺風個例進行36h數(shù)值仿真，仿真時間分辨率為1h。

3 臺風環(huán)境特征建模

臺風環(huán)境建模主要以數(shù)值仿真和統(tǒng)計建模方法為主，所用數(shù)據(jù)包括臺風年鑒、再分析資料、常規(guī)觀測和臺風模擬數(shù)據(jù)等。為了得到典型、有效的臺風特征模型，需先進行統(tǒng)計分型。此處，采用中國氣象局整編的1949-2007年共59年熱帶氣旋年鑒資料，對其歸納的13種臺風路徑進行適當再分析和歸納，得到西北行、西行、轉向及復雜4種路徑類型。通過路徑相似判斷技術，從2000年至2014年歷史臺風個例中檢索出不同類型臺風個例，形成臺風建模數(shù)據(jù)庫。

臺風特征建模不同于普通的大氣狀態(tài)(如溫度、濕度和風場)及云雨霧等天氣現(xiàn)象的模型提取過程。首先，臺風強度越強，其內核區(qū)域(文中將其定義為距離臺風中心1的圓形區(qū)域)與外圍螺旋雨帶(文中將其定義為距離臺風中心2～3的環(huán)形區(qū)域)物理要素的差別越明顯，這時普通的區(qū)域平均可能會失去物理意義；其次，臺風處于不停移動狀態(tài)，而且軌跡復雜，要提取其主要特征更有難度；再次，不同臺風強度差異很大，且其結構和風雨等天氣特征也會有很大不同；最后，臺風多發(fā)生、發(fā)展在海上，更多結構、強度和演變特征刻畫要借助于數(shù)值仿真手段。考慮上述因素，給出臺風系統(tǒng)環(huán)境的建模流程(如圖1所示)。首先讀入臺風仿真基本描述信息，主要包括類型(如西北型)和位置，以及仿真初始時間和仿真區(qū)域范圍等；接下來讀入臺風觀測資料、再分析數(shù)據(jù)及數(shù)值仿真結果；接著確定臺風中心；再采用多項式擬合方法確定臺風最佳路徑和強度；然后開展臺風分布特征和結構特征模型提取，主要包括廓線、水平和垂直結構特征；最后進行模型標準化輸出。

圖1 臺風環(huán)境建模流程

3.1 臺風中心確定

臺風中心確定是模型提取的第一步，也是重要一步，路徑、強度、分布以及二三維結構特征提取都以此為基礎。采用海平面低氣壓中心來客觀定位臺風中心。考慮到臺風較弱時低氣壓中心可能并不一定是臺風中心，故采用初始臺風中心追蹤算法保證遍歷搜尋的氣旋中心在臺風內核有效影響范圍之內。

3.2 臺風中心路徑和強度模型

臺風路徑模型提取采用多項式擬合方法，擬合階數(shù)取為5階，水平方向在緯向取為14個離散點。主要算法如下：

采用如下5次最小二乘擬合多項式

(1)

式中，,,…,表示擬合多項式系數(shù)，表示某維坐標，而是其平均值。

擬合求解時，先將模擬臺風中心位置向量化，為擬合求解做好形式匹配；接下來，利用(1)式擬合求解多項式的6個系數(shù)；最后，給定一定形式經度變化，即可根據(jù)5次最小二乘擬合給出相應的緯度變化，進而擬合求出臺風中心路徑模型。

臺風強度模型則根據(jù)距離權重方法由模擬臺風中心近地面最大風速或中心海平面氣壓的統(tǒng)計平均給出。需要說明的是，此處以擬合臺風中心與模擬臺風中心距離不大于0.5°(～50km)為條件進行臺風強度統(tǒng)計，最終得到擬合臺風中心強度模型。

3.3 臺風廓線模型

考慮臺風結構特點，臺風廓線模型主要分為臺風內核區(qū)域和外圍螺旋雨帶廓線模型。廓線形式包括平均廓線分布、廓線標準偏差及廓線極值分布3類。在設計廓線模型時，可既考慮臺風移動特點，又考慮臺風強度變化，也就是說，在不同發(fā)展階段也會存在不同的臺風廓線特征，如在臺風發(fā)展加強和減弱消散階段，其內核云場廓線可能完全不同。

3.4 臺風結構模型

鑒于臺風主要表現(xiàn)為移動渦旋特征，此處臺風結構模型將主要采用拉格朗日空間微團平均方法進行提取。使用該方法得到的平均統(tǒng)計特征可以更好反映伴隨臺風移動過程中，臺風內核及外圍螺旋雨帶的平均分布及結構特征。

4 臺風環(huán)境模型生成

下面，進行臺風環(huán)境模型提取。環(huán)境模型采用點、線、面的方式體現(xiàn)，模型對象包括臺風路徑與強度、水平與垂直分布以及結構特征模型。模型產品采用SEDRIS(Synthetic Environmental Data Representation and Interchange Specification)簡化的“數(shù)據(jù)柱”形式規(guī)范化存儲于文件中，該格式既適用于大氣環(huán)境數(shù)據(jù)特點，同時也方便與作戰(zhàn)環(huán)境數(shù)據(jù)格式相互轉換。限于篇幅，此處針對西型、西北型、轉向型和復雜型四類臺風提取了基本要素場分布特征模型，并針對西北型臺風詳細分析了路徑、強度和結構的典型特征。

4.1 基本要素場分布特征模型

4.1.1 水平分布模型

主要利用CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)進行基本要素場建模。該資料集為全球再分析資料，水平分辨率0.5°×0.5°，每天4個時次，主要包括地表和大氣變量。由于大氣場分布在等壓面，需要對其進行垂直內插，得到等高面分析數(shù)據(jù)。在此基礎上，根據(jù)近地面風場確定臺風中心。接下來，將不同時次臺風中心進行重置匹配，使它們彼此重合，相當于把多個臺風中心串在一條直線上。最后進行微團統(tǒng)計平均，得到特征模型。首先分析風場分布(圖2)。不難看出，除轉向型臺風渦旋氣流呈圓形分布外(圓心位于最大風速核左側)，其它三型都為橢圓形分布結構(橢圓長軸均為西南-東北向)。西型、西北型、轉向和復雜型近臺風中心最大風速核分別在臺風中心北部、東北部、東南部和東部；風速最強為復雜型，最弱為西北型；另外，西北型臺風中心和最大風速核相距最遠，復雜型臺風中心與最大風速核相聚最近。

再來看5000m高度氣壓場和溫度場形勢(圖略)，可以看到，對于不同型氣壓場分布，臺風內核區(qū)域都表現(xiàn)為圓形低壓結構，復雜型中心強度最強，西北型強度最弱。遠離臺風內核，西北型臺風呈現(xiàn)向西南方向拉伸分布形態(tài)，外圍逐漸形成橢圓結構；西型和轉向型臺風外圍形態(tài)變化不大，但低壓區(qū)分別向西南、西北方向伸展。不同型臺風內核都表現(xiàn)為暖心結構，西北型暖區(qū)范圍最大，復雜型暖區(qū)范圍最小。西型和西北型臺風移行后方是冷區(qū)，暖區(qū)伸展方向與臺風移向基本相同；轉向型和復雜型臺風位于溫度梯度較大區(qū)域南側，前者梯度更強。

圖2 不同型臺風5000m高度風場模型(單位：%)

4.1.2 垂直分布模型

此處，著重分析1.5km以下(行星邊界層以內)臺風垂直分布形勢。從圖3發(fā)現(xiàn)，四型臺風的近臺風中心都表現(xiàn)為弱風速；強風速分布并不對稱，而是在臺風東部更加明顯；從低至邊界層頂，各型臺風風速逐漸增強，其中復雜型臺風風速最強(～20m/s)，西北型最弱(～16.5m/s)，西型和轉向型介于兩者之間。從氣壓場和溫度場的垂直剖面(圖略)可以發(fā)現(xiàn)，不同型臺風氣壓分布基本類似，整個邊界層都表現(xiàn)為臺風內核低氣壓、外圍高氣壓的特征；但復雜型臺風內核附近氣壓梯度最強，西行和轉向型居中，西北型最弱。在邊界層以內存在溫度地槽結構，其中西型臺風中心位于溫度槽后，西北型位于槽線附近，轉向型和復雜型位于槽前；西型和西北型臺風整體更“暖”，轉向型和復雜型表現(xiàn)更“冷”態(tài)勢。

圖3 不同型臺風過臺風中心風速剖面模型(單位：m/s)，黑色實線表示最強風速

4.2 西北型臺風結構和強度特征建模

4.2.1 臺風路徑和強度模型

首先分析西北型臺風擬合路徑模型。圖4是根據(jù)多項式擬合方法得到的西北型臺風擬合路徑，圖中選取了14個位置點進行擬合分析，擬合位置點附近的數(shù)字表示擬合路徑某點周圍150km范圍內出現(xiàn)西北型臺風的平均概率。可以看出，擬合臺風基本為西北移行，尤其是在登陸之前非常明顯；臺風登陸后路徑存在向西南方向轉向的特征。另外，該型臺風有兩次登陸過程，一次經過西北太平洋在臺灣島東南部，一次經過臺灣海峽在東南沿海地區(qū)。從該型臺風平均概率發(fā)現(xiàn)，接近一半擬合位置點的西北型臺風發(fā)生概率在50%或以上，且分布在臺風發(fā)展演變的不同階段。這說明，多項式擬合臺風路徑能夠反映出西北太平洋西北型臺風的主要路徑特征。下面，可以在此基礎上進行強度和結構特征模型提取與分析。

圖4 西北型臺風擬合路徑

圖5 西北型臺風擬合海平面氣壓

接下來分析臺風海平面氣壓擬合模型。海平面氣壓表示海平面至大氣層頂之間氣柱的質量。要注意此處不是某個臺風移行過程中中心海平面氣壓隨時間演變，而表示西北型擬合路徑不同位置點對應的海平面氣壓變化。從圖5可以看出，臺風從東南向西北移行發(fā)展過程中，氣壓從1000hPa逐漸減小，并在119E～128E和18N～24N之間區(qū)域氣壓最低(強度最強約950hPa)；該區(qū)域主要覆蓋臺灣海峽以及臺灣島東部海域。臺風經過該區(qū)域后，氣壓逐漸增大(臺風變弱)。需要注意的是，臺風登陸之后，存在變性增強過程，之后才減弱。

臺風強度特征還可以使用近臺風中心海面風速來表征(見圖6)。可以看到，在119E～128E和18N～24N之間區(qū)域，海面風速最強(～40m/s)；在(115E、25N)附近，伴隨臺風轉向西南移行，存在明顯變性增強過程。另外發(fā)現(xiàn)，該型臺風發(fā)展演變過程中，7級風(>13.9m/s)幾乎覆蓋所有擬合路徑位置點，大部分位置點風速在7級和10級風之間。

圖6 西北型臺風擬合海面風速(單位：m/s)

4.2.2 臺風廓線模型

本節(jié)分析臺風云粒子廓線模型特征。需要說明的是，此處利用經過檢驗的數(shù)值仿真結果進行特征模型提取。由于云探測資料分布和數(shù)量的限制，只有個別臺風(如2004年“云娜”)進行了云模擬驗證，其它個例則以路徑、強度、基本要素場檢驗為主。對經過檢驗的個例，將不同時次模擬數(shù)據(jù)進行微團追蹤和統(tǒng)計建模，得到西北型臺風內核和外圍雨帶的云粒子廓線分布(見圖7所示)。另外，在此只對近臺風中心海面風速在10級風以上的模擬數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計建模，得到較強臺風的典型云粒子結構。

整體來看，內核和外圍雨帶臺風云粒子廓線都具有單峰特征，后者更加明顯；對于外圍雨帶，平均、峰值云粒子含量及其偏差的最大值都出現(xiàn)在10km附近，最大分別約為0.2g/kg、18g/kg和0.3g/kg。另外不難發(fā)現(xiàn)，外圍雨帶云粒子的偏差始終大于平均值，說明該區(qū)域云粒子強度分布極不均勻。

對于臺風內核而言，云粒子峰值、平均值和偏差出現(xiàn)高度差異較大，分別在17km、9km和8km附近達到最大值15g/kg、1.2g/kg、1.3g/kg。可以發(fā)現(xiàn)，內核比外圍雨帶云粒子峰值強度弱，但平均強度強。

圖7 西北型臺風外圍雨帶廓線(單位：g/kg)

4.2.3 臺風二維模型

接下來分析臺風速度場水平分布和垂直剖面結構(如圖8)。垂直運動是刻畫臺風特征的典型物理量，但其仍不可直接觀測。在此，利用經過檢驗的數(shù)值仿真數(shù)據(jù)進行垂直運動統(tǒng)計建模。可以發(fā)現(xiàn)，在距離臺風中心100km的內核區(qū)域以強上升運動為主，而外圍雨帶則以弱上升、下沉氣流交錯分布為主，近臺風中心垂直運動最弱。另外，臺風垂直氣流分布極不均勻，最強上升氣流在臺風內核下部，而最強下沉氣流出現(xiàn)在臺風內核左上部，其強度分別達到6m/s、-2m/s。

再來看水平風速分布。海面風速的分布呈現(xiàn)明顯的氣旋式入流結構，強風速集中在臺風內核附近區(qū)域，最強達到40m/s以上；近臺風中心風速最弱。水平風場的分布也具有強不均勻特征，強風速區(qū)主要分布在臺風中心右側。

最后，再來分析垂直運動的緯向和經向垂直剖面結構。不難發(fā)現(xiàn)，臺風的垂直氣流呈現(xiàn)明顯的垂向柱狀結構，在距離臺風中心100km附近區(qū)域存在最強上升氣流，像兩堵墻(也稱為云墻)將臺風中心附近弱下沉氣流和外圍弱上升、下沉氣流分開。云墻處強垂直運動主要分布在10km以上，集中在臺風中心西南方(左下側)。另外，緯向剖面比起經向剖面，云墻隨高度向臺風外圍傾斜更加明顯。

圖8 西北型臺風速度場水平分布和垂直剖面結構

5 結束語

本文主要以數(shù)值仿真結合統(tǒng)計建模方法，開展西北太平洋和南海海域4類主要臺風特征模型提取，重點開展了西北型臺風特征建模。主要結論有：

1)建立了適用于臺風模擬的數(shù)值仿真模式，開展了大量數(shù)值試驗和檢驗，為臺風環(huán)境建模奠定了物理模型基礎。

2)鑒于臺風系統(tǒng)發(fā)展演變和分布結構的特殊性，提出先根據(jù)路徑分型，再擬合最佳路徑，最后利用微團跟蹤方法進行特征模型提取的建模思路。

3)根據(jù)現(xiàn)有資料狀態(tài)開展環(huán)境建模，即從再分析資料出發(fā)進行臺風環(huán)境基本場數(shù)值建模，從最佳臺風路徑資料出發(fā)開展臺風路徑和強度數(shù)值建模，以數(shù)值模擬數(shù)據(jù)為基礎進行臺風結構數(shù)值建模。

可以看出，大氣環(huán)境模型生成時將物理模型與統(tǒng)計方法相結合，可以使樣本統(tǒng)計結果具有物理意義保證，同樣也使物理模型通過大量樣本統(tǒng)計更能反映典型和總體特征。但由于臺風發(fā)展演變的特殊性及探測資料的局限性，本文數(shù)值仿真模型雖經過驗證，但仿真要素檢驗仍不夠全面，有的樣本僅包括基本物理場的檢驗。因此，臺風環(huán)境典型特征尤其是云雨結構特征建模仍需更多樣本驗證。

致謝：本文得到國家重點研發(fā)計劃(2018YFC1507200、2017YFA0604000)、國家自然科學基金(91637211、61572058)的資助。在本文撰寫過程中，王洋、張碩兩位同事提出許多寶貴建議，并幫助修改論文，在此一并感謝！