基于wrf模式的臺風中心移動數(shù)值模擬

基于wrf模式的臺風中心移動數(shù)值模擬

臺風影響前后的地形變化研究作為一個高度破壞力的災難天氣系統(tǒng)，熱帶風暴不僅給接收到的場所帶來了嚴重的經(jīng)濟損失，而且還威脅到人類的生命。趙珊珊等(2015)分析了近10年我國熱帶氣旋帶來的氣象災害及時空分布特征,發(fā)現(xiàn)2004—2013年,廣東省是熱帶氣旋登陸及災害發(fā)生頻次最多的省份。例如2012年受臺風韋森特的影響,廣東省大部分地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)的強降水,降雨還造成滑坡、泥石流等地質(zhì)災害威脅(Chenetal,2005;Linetal,2012)。據(jù)統(tǒng)計截至到2012年7月25日12時,廣東省受災人數(shù)達82.3萬,因此臺風研究對沿海地區(qū)的防臺減災工作非常重要。臺風登陸前后是臺風環(huán)境場、下墊面改變最為劇烈的時段,也是臺風結構變化最為強烈的階段,海陸下墊面及地形強迫等會使登陸期間臺風風場分布出現(xiàn)明顯變化(PowellandHouston,1998;ChanandLiang,2003;李英等,2004;Au-YeungandChan,2010;端義宏等,2014)。臺風登陸前后的路徑、強度、結構及風雨的異常變化是臺風研究的重點與難點(陳聯(lián)壽,2010;許映龍等,2015)。陳聯(lián)壽等(2004)研究表明,臺風在運動過程中結構與強度的變化與下墊面的不同屬性密切相關。薛霖等(2015)對臺風Meranti經(jīng)過海峽地帶時強度的增大進行了數(shù)值模擬試驗,發(fā)現(xiàn)由于受特殊地形影響,臺風在登陸過程中強度加強的異?，F(xiàn)象。臺風登陸前后在沿海地區(qū)產(chǎn)生強風雨,下墊面的不同特征對沿海地區(qū)的風雨會產(chǎn)生重大影響(馬玉芬等,2009;余沛龍等,2013;盛春巖等,2014)。吳啟樹等(2005)作了臺風碧利斯暴雨影響福建沿海的地形敏感性試驗,針對山脈迎風坡的地形坡度與氣流正交速度乘積最大時段,討論了風向,地形與降水的相關特性。姚昊等(2008)利用地形高度場的敏感性試驗進一步探究了地形平滑方案與降水強度及時空分布關系。楊仁勇等(2011)的瓊州海峽大風數(shù)值模擬及地形敏感性試驗發(fā)現(xiàn),復雜地形對于局地風速影響關鍵,海峽中間區(qū)域風速會因“狹管效應”而加大。Lietal(2016)對深圳、香港地區(qū)沿海自動氣象站在臺風影響下多年陣風觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)陣風受周邊地形環(huán)境影響大,無阻擋的地方,風更大;一般說來,臺風對香港的沿海自動站風力影響大于對深圳沿海站的影響;深圳三個港灣碼頭站:鹽田港、媽灣港和蛇口碼頭,在西行臺風影響下,鹽田港的風力影響最大。Lietal(2016)的研究中指出鹽田港、媽灣港和蛇口碼頭相距不遠,最大陣風值相差卻很大。風力差異大的可能原因是因為香港島地形的影響,以及鹽田港附近梧桐山峽口地帶的影響作用。但是Lietal(2016)的研究并沒有對此假設進行驗證。本文利用中尺度數(shù)值模式WRFV3.7.1(weatherresearchandforecastingmodel)對給華南地區(qū)帶來嚴重風雨影響的1208號臺風韋森特與1415號臺風海鷗進行了數(shù)值模擬,“韋森特”和“海鷗”都是西向移動的臺風,是西向移動臺風對深圳、香港地區(qū)帶來嚴重影響的代表。本研究將利用觀測數(shù)據(jù)對模式輸出結果進行驗證,在模式結果與觀測比較一致的基礎上,運用改變地形高度、土地利用類型的方式,探究在臺風登陸期間,不同性質(zhì)的下墊面對深港局部地區(qū)的陣風影響,進而通過數(shù)值試驗驗證Lietal(2016)的分析結論。1研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源WRF模式是美國國家大氣研究中心(NationalCenterforAtmosphericResearch,NCAR)等科研機構研發(fā)的新一代中尺度模式和同化系統(tǒng),WRF模式系統(tǒng)在預報各種天氣中都具有較好的性能,在國內(nèi)外的氣象研究中得到了廣泛的應用(章國材,2004;王曉君和馬浩,2011;劉鳳梅和李楊,2011)。數(shù)值模式中地形數(shù)據(jù)的精度對近地模擬風場有直接影響(Carvalhoetal,2012),為精確描述深圳、香港地區(qū)的精細地形,尤其是深圳鹽田港地區(qū)附近梧桐山的峽口地帶,本文中的數(shù)值模式及敏感性試驗中設置了四重嵌套網(wǎng)格以提高地形插值精度,第四層網(wǎng)格分辨率為1.11km。圖1a顯示本研究采用的模式區(qū)域,圖1b顯示第四層網(wǎng)格(d04)的高程圖;圖1c顯示的是第四層網(wǎng)格(d04)的土地利用分類情況(采用USGS24類土地利用數(shù)據(jù))。表1為本項目數(shù)值試驗所選擇的模式參數(shù)方案。數(shù)值模擬的初始場與邊界場數(shù)據(jù)來源于美國國家環(huán)境預報中心(NationalCentersforEnvironmentalPrediction,NCEP)的全球再分析資料,該數(shù)據(jù)集空間分辨率為1°×1°,每6h提供一次。臺風路徑與強度數(shù)據(jù)來自日本氣象廳(JapanMeteorologicalAgency,JMA)的最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)(besttrackdata),臺風期間自動站氣象觀測數(shù)據(jù)來自深圳市氣象局的整點小時觀測記錄。本文涉及自動氣象站點包括:蛇口碼頭(ShekouFerryTerminal,SFT),媽灣港(MawanPort,MWP),竹子林站(ZhuzilinStation,ZZL)和鹽田港(YantianInternationalContainerTerminal,YICT)。四個站點的地理位置見圖1b。臺風韋森特(1208)模擬的起始時間為2012年7月22日00:00:00UTC,終止時間為7月26日00:00:00UTC,積分時長96h。臺風海鷗(1415)模擬起始時間為2014年9月14日00:00:00UTC,終止時間為9月18日00:00:00UTC,積分時長96h。模式結果每1h輸出一次。2臺風值模擬和地形敏感試驗2.1試驗1:地形影響試驗為了探究臺風登陸期間地形對局地陣風的影響,設計了如下試驗方案:(1)控制試驗(ControlRun,CTRL):以“韋森特”和“海鷗”兩個臺風過程作為控制試驗,模式區(qū)域設置見圖1a。(2)地形影響試驗一(Experiment1,EXP1):將模擬區(qū)域中香港下墊面改為大海,同時高程改為0。如圖2所示,圖2b中16表示水體,其他方案同CTRL。(3)地形影響試驗二(Experiment2,EXP2):在EXP1的基礎上去掉梧桐山峽口地形,使梧桐山地區(qū)與周圍的地形高程相近,如圖3a,其他方案同EXP1。(4)地形影響試驗三(Experiment3,EXP3):在EXP1的基礎上將梧桐山峽口區(qū)域高程增高到原高程基礎上的1.5倍。如圖3b,其他方案同EXP1。2.2試驗結果的分析2.2.1ea-lepterpersonal分析方法按第二節(jié)中模式設置方案進行臺風數(shù)值模擬,并對從模擬起始時刻至登陸前后期間的移動路徑及中心強度作出分析。模式結果中關于臺風的定位與追蹤方案采用SLP(sea-levelpressure)分析法(王詠青,2012),即采用最低海平面氣壓位置確定臺風中心。圖4顯示控制試驗(CTRL)臺風模擬路徑(藍色實心臺風符號)與JMA最優(yōu)路徑(紅色空心臺風符號)的移動變化。從表2路徑誤差分析可以看出,臺風登陸之前路徑誤差較小,登陸后的路徑誤差增大。其次臺風中心海平面氣壓(圖5)與中心最大風速(圖6)的模擬數(shù)值(實線)與最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)(虛線)變化趨勢一致,總體上看,臺風模擬的強度稍強。2.2.2強度風速變化本文分別對蛇口碼頭(SFT),媽灣港(MWP),竹子林站(ZZL)和鹽田港(YICT)四個站點的三個氣象要素(整點小時地表氣壓,整點小時地面風速,24h降雨量)的模擬結果與實際觀測數(shù)據(jù)進行分析對比。在臺風韋森特登陸過程中,站點氣壓值逐漸減小,風速隨之增大,在23日18時附近達到極值,之后隨著臺風中心遠離,站點氣壓值回升,風力減弱,圖7是臺風韋森特期間各站點氣壓及風場變化時間序列,其中觀測風速選取觀測站點的整點小時極大風速值。表3列出了兩個個例中四個自動氣象站點的地表壓強與近地風場的極值及對應時間點與誤差,可以看出,“韋森特”個例中站點的氣壓觀測值與模擬結果到達極值時間點僅偏差1h(時間點表示在97個模擬小時結果中出現(xiàn)極值所對應的序號),風場極值偏差時間點最大為4h,最低氣壓誤差最大3.0168hPa,風場誤差最大8.7943m·s受臺風韋森特環(huán)流影響,廣東省的中南部等地區(qū)出現(xiàn)了大暴雨,短時降雨的強度很大(如圖8所示),其中Rain式中,F為凝結率,p為氣壓,v為水平風矢量,g為重力加速度,ue065h為地形高度梯度,R為山脈爬坡氣流造成的降雨量。降雨量與附近地形及風場壓強變化密切相關,ZZL與SFT站點位于迎風一側(cè),區(qū)域的風壓相近(圖7),ZZL地形梯度相對較大(圖1b),所以降雨量也最大。同時在模式的區(qū)域風場時序變化(圖略)中可以看到,隨著風向與地形走勢逐漸呈正交趨勢,雨量進一步增大,在24日的降雨量顯著。從蛇口碼頭和媽灣港站點的模擬結果可以看到,24日的降雨量幾乎是23日的兩倍多,模擬結果與實際觀測誤差較小,鹽田港站點24日的模擬雨量相對較差。在“海鷗”個例(圖略)中站點雨量模擬結果一般,氣壓與風場的數(shù)值模擬結果良好?？偟膩碚f,WRF模式能夠較好地模擬出臺風的移動路徑,強度變化及區(qū)域與站點氣象要素的變化特征,模式結果穩(wěn)定。2.3控制試驗結果分析圖9和圖10給出了風速達到極值時刻附近(分別對應臺風韋森特2012年7月23日18:00:00與臺風海鷗2014年9月15日23:00:00)WRF模式模擬的研究區(qū)域風場圖,表4給出了地形敏感性試驗中單站點最大風速結果,表5表示在風速達到極值附近風向的情況,其中,α值為表示風向的方位角。從控制試驗模擬的區(qū)域風場圖可以看到,在研究區(qū)域風速達到峰值時,該區(qū)域盛行東南風,在EXP1中,香港的高程改為0同時下墊面改為大海,風速達到峰值時,由于沒有了香港的遮擋,蛇口港與竹子林站的風速(圖9b,圖10b及表4)極值及附近區(qū)域風場都有所增大;另一方面,由于蛇口半島的存在,媽灣港位于半島背風一側(cè),其變化相對蛇口碼頭增幅小。其次對于向西移動的臺風來講,鹽田港的風速受香港影響作用并不顯著;從表5中可以看出,去掉香港島的影響,4個站在“韋森特”及“海鷗”影響下的風,方位角有系統(tǒng)性的變小。在EXP2(圖9c,圖10c及表4)中,由于缺失了鹽田港附近梧桐山所形成的狹管效應,鹽田港的陣風極值及其附近區(qū)域陣風風速相較于EXP1有減小。在EXP3(圖9d,圖10d及表4)中,由于增大了梧桐山之間的地形梯度,狹管效應增強,梧桐狹口風速增大,鹽田港的陣風極值較EXP1增大;梧桐山的峽管效應存在與否對于四個臺站風向方位角不存在系統(tǒng)性的改變情況。3強度和陸面特征本文采用WRF模式,探討了臺風韋森特與海鷗登陸期間區(qū)域地形對深港近地面陣風極值的影響。在數(shù)值模擬結果與實況較為接近的基