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本论文讨论了WRF-ARW模式中的模式误差对西北太平洋台风路径与强度模拟的影响。利用大量西北太平洋台风个例的模拟,研究了台风路径与强度模拟对积云对流参数化方案以及边界层参数化方案选择的敏感性,并分析了这种敏感性的物理机制。在此基础上,进一步研究了台风路径与强度模拟对积云对流参数化方案以及边界层参数化方案选择的个例依赖性,并给出了在研究中如何选择物理参数化方案的建议。
本文的主要结论如下:
1.模式水平分辨率的提高对台风路径与强度的模拟时选择不同物理参数化方案的敏感性的影响较小。随着模式水平分辨率的提高,模拟的台风路径较为类似,而模拟的台风强度会有所增强。
2.2003年~2008年期间的20个西北太平洋台风个例模拟试验的统计结果表明,台风路径与强度的模拟对积云对流参数化方案的选择均较为敏感。台风路径与强度模拟对积云对流参数化方案选取的敏感性的物理原因主要是:不同积云对流参数化方案通过垂直对流加热的差异,导致了台风中心潜热释放的差异,进而导致了台风中心的暖湿结构存在一定的差异,KF方案释放的潜热较多,暖心结构明显,模拟的台风强度较强,与观测较为接近;BMJ方案释放的潜热次之,模拟的台风强度也相对较弱;GD方案模拟的潜热最弱,模拟的台风强度也最弱。不同积云对流参数化方案对大气的温度场与湿度场调整的差异,导致了大气中大尺度环境场模拟的差异,进而导致模拟的台风路径存在较大的差异。
对20个台风个例72小时路径与强度模拟结果的分析表明,台风路径的模拟对积云对流参数化方案的选择存在“个例依赖”的特点,75%的台风个例选择KF方案模拟的路径误差更小,25%的台风个例选择BMJ方案模拟的路径预报误差更小;但台风强度的模拟对积云对流参数化方案的选择体现了较为一致的特征,KF方案模拟的台风强度较强,与观测较为接近;GD方案模拟的台风强度最弱,BMJ方案模拟的台风强度介于两者之间。综合考虑台风路径与强度的模拟结果,对西北太平洋台风的模拟选择KF方案较为合适。
3.2004年~2009年期间的15个西北太平洋台风个例模拟试验的统计结果表明,台风强度的模拟对边界层参数化方案的选择较为敏感,而台风路径的模拟对边界层参数化方案的选取不敏感。不同的边界层参数化方案模拟的各个时次的大尺度环境场较为一致,导致了不同方案模拟的台风路径较为相似。边界层方案对台风强度模拟的影响主要是因为不同的边界层参数化方案模拟的通量及边界层的垂直混合和扩散的差异导致的。QNSE方案模拟的潜热及感热通量较大,边界层高度较高,更多的能量可以通过边界层输入自由大气中,导致台风的强烈发展,模拟的台风强度较强;YSU方案模拟的平均潜热最大,虽然边界层高度模拟的不是很高,但是台风中心较强的垂直热输送使得台风中心的暖心结构明显,因此该方案模拟的台风强度与QNSE方案模拟的台风强度类似;MYNN3方案模拟的潜热与感热较小,且边界层高度较低,台风中心的暖湿结构相较于前两个方案较为干冷,因此模拟的台风强度也较弱;MYJ方案虽然模拟的潜热与感热与YSU方案的结果比较类似,边界层高度甚至还高于YSU方案,但是其模拟的台风中心最为干冷,模拟的台风强度也最弱。
台风强度的模拟对边界层参数化方案的选择具有“个例依赖”的特点,仅考虑YSU方案与MYJ方案时,67%的个例中YSU方案模拟的72小时台风强度更接近于观测;33%的个例中MYJ方案模拟的72小时台风强度更接近于观测。初步分析结果表明,若24小时或者48小时模拟的台风强度非常接近或者强于观测的台风强度时,选择M Y J方案较为合适;若初始场的台风中心假相当位温在垂直各层上均较小,则选择Y S U方案较为合适。