臺風(fēng)的數(shù)值模擬是什么 臺風(fēng)數(shù)值模擬的意義

導(dǎo)語：臺風(fēng)的數(shù)值模擬是什么?臺風(fēng)數(shù)值模擬的應(yīng)用范圍廣泛,，包括臺風(fēng)預(yù)報、災(zāi)害風(fēng)險評估,、氣候研究和決策支持等,，通過數(shù)值模擬,，可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測臺風(fēng)的路徑和強度，為相關(guān)部門提供決策依據(jù),，減少臺風(fēng)災(zāi)害對社會和經(jīng)濟的影響,，同時，數(shù)值模擬還可以用于研究臺風(fēng)形成和發(fā)展的機制,，提高我們對臺風(fēng)這一自然現(xiàn)象的認識水平,，接下來就一起去看看臺風(fēng)數(shù)值模擬的意義吧!

臺風(fēng)的數(shù)值模擬是什么

臺風(fēng)

最近十幾年來，數(shù)值模擬試驗成為研究熱帶氣旋發(fā)展和演變過程以及結(jié)構(gòu)的有力工具,。由于積云對流產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱釋放參數(shù)化的成功以及計算機能力的提高才可能較真實地模擬出熱帶氣旋的許多主要特征,。利用數(shù)值模式的方法研究臺風(fēng)從目前看來主要有兩個目的：一是通過研究制約臺風(fēng)發(fā)展的各種物理因子的作用，深入地了解臺風(fēng)形成,、發(fā)展和結(jié)構(gòu)的動力學(xué)問題,，并為將來臺風(fēng)形成和發(fā)展的數(shù)值預(yù)報準(zhǔn)備條件。二是從理論上研究人工影響臺風(fēng)的可能性,。臺風(fēng)數(shù)值模擬工作大約已有十幾年的歷史,，在這十幾年間發(fā)展是很迅速的。

在六十年代初期,，開始利用數(shù)值方法來研究臺風(fēng)的發(fā)展問題。但主要由于對臺風(fēng)中動力學(xué)和熱力學(xué)過程,，尤其是積云對流參數(shù)化問題了解不足,，得到的結(jié)果基本上是失敗的。用數(shù)值方法研究熱帶氣旋有其特殊的困難性,，因為必須考慮濕對流動力學(xué)問題,。Haque[33和Syōnol34}最先試圖利用數(shù)值模式從理論上研究熱帶氣旋的發(fā)展。他們把大量云系加熱總效果看作是大尺度濕絕熱上升產(chǎn)生的,，即凝結(jié)加熱率當(dāng)q>q,w>0=0當(dāng)qq,是飽和比濕,，w是垂直速度。結(jié)果得到,，當(dāng)大氣是絕對或條件不穩(wěn)定時,，由這種濕絕熱運動造成的最大增長率是積云尺度而不是氣旋尺度。后來郭曉嵐曾從理論上證明了這一點,。為了抑制小尺度積云對流的優(yōu)先增長,，在數(shù)值模式中采用了一些補救辦法，例如引入各種類型的擴散過程以求使小尺度對流增長受到阻尼,，最后顯示出氣旋尺度的增長;或者引入?yún)^(qū)域平均以消去小尺度對流,。

Rosenthal是通過采用較大的水平網(wǎng)格來阻止小尺度環(huán)流的增長作用。但這樣得到的結(jié)果與實際情況仍然差別很大,，并沒有解決數(shù)值模擬臺風(fēng)的基本困難,。由上可見,，雖然條件不穩(wěn)定層結(jié)對熱帶氣旋發(fā)展起著非常重要的作用，但大尺度氣旋并不能被認為是由浮力推動的自由環(huán)流,。用大尺度凝結(jié)加熱的方法來描述這種條件不穩(wěn)定下對流凝結(jié)加熱是完全不合適的,，為此必須尋找新的途徑。Riehl和Malkusl35的觀測結(jié)果對后來提出新的對流凝結(jié)加熱方案有著很大的啟示,。他們指出深厚積云塔(熱塔)是造成凝結(jié)潛熱釋放的主要系統(tǒng),。據(jù)此郭曉嵐提出，潛熱的釋放是在深對流云塔中,，而不是在軸對稱的平均運動場中,。雖然這種積云對流與熱帶氣旋是兩種不同尺度的系統(tǒng)，但兩者從物理上不是孤立的,，而是相互有關(guān)的,。

氣旋尺度的環(huán)流依賴于對流釋放熱能，而對流活動由氣旋環(huán)流供應(yīng)水汽和進行組織,，當(dāng)這種相互作用愈來愈明顯和加強時,，熱帶氣旋會因不穩(wěn)定(第二類條件不穩(wěn)定)而發(fā)展起來。為了在大尺度運動中考慮這種積云的總效果,，必須對積云對流進行參數(shù)化,。Ooyama,Chaney和Eliassen,郭曉嵐，Ogura[36]等最早根據(jù)上述概念提出了新型熱帶氣旋數(shù)值模式,，尤其是郭曉嵐的積云對流參數(shù)化模式得到了更為成功的結(jié)果,。盡管上述工作在不同方面具有一些缺點，但由于抓住了問題的本質(zhì),，從而開辟了數(shù)值模擬熱帶氣旋的新途徑,。后來Ooyama在以前模式改進的基礎(chǔ)上，成功地模擬了熱帶氣旋的生命史,。他的結(jié)果受到了普遍重視,。這證實積云參數(shù)化方法在模擬熱帶氣旋上是相當(dāng)成功的。

與此同時,，Yamasaki使用原始方程,、采用更多的層次也成功地模擬出熱帶氣旋的演變。最近幾年來,，臺風(fēng)數(shù)值模擬工作更深入,、更廣泛的開展起來。表6.5是臺風(fēng)數(shù)值試驗?zāi)Ｊ揭挥[表,。Rosenthal利用包括顯式水汽循環(huán)的原始方程模式進行了模擬;他不但考慮了產(chǎn)生于摩擦層的積云對流的加熱作用,，還包括了產(chǎn)生于較高層的對流以及非對流降水，這與觀測結(jié)果更近一致。Sundqvist除了采用十層模式外,，在積云對流參數(shù)化和加熱垂直分布上也有一些改進,。Anthes等用不對稱模式進行了模擬，發(fā)現(xiàn)結(jié)果有重要改進,。另外對各種物理參數(shù)如內(nèi)部混合,、加熱的空間分布、邊界層參數(shù),、靜力穩(wěn)定度等及計算條件(初始條件,、側(cè)向邊條件、徑向分辨率,、計算區(qū))等進行了大量試驗,，這對了解各種物理參數(shù)在風(fēng)暴發(fā)展中的作用以及模式的性能是很必要的。同時不少數(shù)值試驗還計算了模式熱帶氣旋的能量平衡37.結(jié)果與實際計算值十分接近,，這說明采用的模式從能量平衡上也是合理的,。

在臺風(fēng)數(shù)值研究中初條件的選取是很重要的。一般取圓對稱渦旋,。在t=0時,，v,=0=0.即沒有徑向環(huán)流存在。并且渦旋是處于梯度平衡中,。規(guī)定一定的地面氣壓分布后,，根據(jù)梯度風(fēng)方程可以求得初始切向風(fēng)分布。也可以先直接規(guī)定切向風(fēng)分布,。溫度場可取熱帶平均大氣,。關(guān)于初始條件對熱帶風(fēng)暴發(fā)展的影響不少人曾作過研究。Ooyama指出,，初始擾動強度的變化對熱帶氣旋組織或發(fā)展成成熟風(fēng)暴的時間長度有顯著影響，但成熟風(fēng)暴的最后狀態(tài)與初始渦旋強度關(guān)系很小,。Rosenthal專門對初始渦旋強度與風(fēng)暴發(fā)展的關(guān)系進行了試驗,，也得到了類似結(jié)果。當(dāng)取初始地面風(fēng)最大值為原來的兩倍時,，原來100多小時的組織時間縮短為24小時,，120小時即達到最大強度(原來是240小時),但此時最大風(fēng)速差別很小(1.5米/秒)。

另外,，模式氣旋的組織時間對初始濕度場也有密切的關(guān)系,。Rosenthal指出，初始濕度的增加可使組織時間縮短幾天時間,。例如原來濕度分布取1015毫巴：90%;900毫巴：90%;700毫巴：54%;500毫巴：44%;300毫巴：30%;200毫巴：30%;100毫巴：30%,。當(dāng)初始相對濕度處處取90%時，結(jié)果中心氣壓值、最大風(fēng)速都相同,，但后者比前者出現(xiàn)要早48小時,。通過十幾年，尤其是最近幾年臺風(fēng)數(shù)值試驗的研究,，臺風(fēng)的許多基本特征都已經(jīng)模擬出來了,，其中包括臺風(fēng)的演變過程、流場,、溫度場,、臺風(fēng)眼、雨帶,、能量平衡及其與環(huán)境或下墊面的關(guān)系,。其中有四個方面的工作是有代表性的，即Ooyama的工作,，Yamasaki的工作,、Sundqvist的工作和美國颶風(fēng)研究實驗室(NHRL)的工作。

Ooyama利用簡單的兩層平衡模式較早地模擬出熱帶氣旋的生命史,，結(jié)果比較成功,。Yamasaki的模式得到的風(fēng)暴結(jié)構(gòu)一般是真實的。Sundqvist的十層模式更仔細地和真實地模擬了風(fēng)暴的特征,，其中包括眼的結(jié)構(gòu),、低空螺旋帶等。自從1964年以后,，美國颶風(fēng)研究實驗室系統(tǒng)地進行了臺風(fēng)數(shù)值試驗,，其中進行的不對稱模式模擬出的雨帶結(jié)構(gòu)和高空流出層與實際較接近。模式中風(fēng)暴的演變可以分為三個階段,。首先是形成或組織階段,。這時風(fēng)速最大值變化很小，中心氣壓緩慢下降,。風(fēng)最大值半徑縮小,，加熱開始集中。此階段在對流層上部出現(xiàn)增暖,，可看到在高層逐漸過渡到暖心的過程,。位能開始轉(zhuǎn)化為動能。以后上部的層結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定,。這促使最大加熱區(qū)向下移動,。

使對流層最低層流入增加。其后是明顯的加強階段,。風(fēng)暴的狀態(tài)具有很迅速的變化,。氣壓下降的平均速度約20毫巴/天,，風(fēng)速迅速增加。并且可以看到切向風(fēng)速最大值的位置也隨時間向內(nèi)移動,，圖6.8表明了這種移動情況,。風(fēng)速最后達到45米/秒。這種向內(nèi)移動的現(xiàn)象是臺風(fēng)加深階段的一般特征,。但同時臺風(fēng)風(fēng)力和大風(fēng)風(fēng)力區(qū)向外擴張,。暖心結(jié)構(gòu)很快建立。第三是成熟階段,，這時渦旋變化率突然減小,，氣壓最后達到最低值，溫度增加達到最大值,。以后臺風(fēng)開始衰減,，中心附近徑向溫度梯度減小，切向風(fēng)速減小,。

模式風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)也很合理,。切向風(fēng)最大值位于20—30公里，900毫巴附近,。150毫巴以下是氣旋性的,，150毫巴以上轉(zhuǎn)變?yōu)榉礆庑缘模L(fēng)力很弱,。從徑向風(fēng)分布圖可知主要的流入層在900毫巴以下,，900毫巴到400毫巴左右是弱的流入層。400毫巴以上是流出層,，最強的在200—100毫巴層中,。在風(fēng)暴中心，有一明顯的增溫區(qū)(8℃)位于對流層上部(200毫巴左右),這與實際情況一致,。Yamasaki得到的暖中心偏低,，在350毫巴。在中心是下沉運動區(qū),，一直達到很低的高度,，這致使在中心附近云系消散。在整個臺風(fēng)演變時期,，眼區(qū)的下沉運動是逐漸向下擴展的。

一直到達700毫巴,。眼區(qū)之外是大范圍上升運動區(qū),，最大值在300—400毫巴之間。200公里以外是弱的下沉氣流區(qū),。在相對濕度徑向垂直剖面圖上,，對流層上部的飽和區(qū)擴展到很遠的地區(qū)，這與成熟臺風(fēng)上空的卷云罩結(jié)構(gòu)很相似。在96—216小時內(nèi),，總降水率平均是25厘米/天,，這個值是合理的。最大降水率出現(xiàn)在30公里附近,。非對流性降水約占對流降水的2/3.據(jù)Hawkins和Rubsam在Hilda颶風(fēng)收集到的資料表明,，由層狀云造成的降水很重要，他們的觀測還指出,，Hilda環(huán)流中大部分地區(qū)都包含有明顯的降雨,，只在眼壁中存在著活躍的積雨云，是主要對流性降雨區(qū),。根據(jù)這些觀測,，在模式中把降雨分為對流和非對流性是合理的。在200公里內(nèi)風(fēng)暴的機械效率(動能制造率與潛熱釋放率比值)在成熟階段很接近于經(jīng)驗值2.7%,。

根據(jù)臺風(fēng)的熱力和動力學(xué)條件,，每個風(fēng)暴強度和大小之間的差別與加熱分布的時空變化有關(guān)系，因而研究徑向加熱分布對風(fēng)暴的影響或者風(fēng)暴環(huán)流對加熱時空變化的響應(yīng)也是臺風(fēng)數(shù)值試驗工作的重要方面之一,。通過假設(shè)各種水平和垂直加熱分布的一些組合的試驗表明：加熱分布對臺風(fēng)的強度,、溫壓結(jié)構(gòu)有明顯的影響。例如,，如果加熱主要集中在中心附近時,，產(chǎn)生的暖心較小，得到的是一個尺度很小的臺風(fēng),。另外結(jié)果還表明,，在較大半徑處加熱的減小，對風(fēng)暴內(nèi)區(qū)影響不大,，最大風(fēng)速主要由內(nèi)區(qū)中的加熱決定,。當(dāng)加熱在遠處減小時，主要使風(fēng)暴環(huán)流的水平范圍減小,。

另外高空反氣旋強度和大小密切與遠處加熱量有關(guān),。不對稱模式在不少方面與對稱模式有顯著差異，它能更真實地模擬出熱帶氣旋三維結(jié)構(gòu)和演變的許多特征,。在不對稱模式中,，風(fēng)暴的演變分為兩個階段。在第一階段,，所有的特征對于風(fēng)暴中心都是很對稱的,。在降雨中沒有類似雨帶的帶狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，在對流層上層流出層也沒有出現(xiàn)某種不對稱性,，這個階段可叫“早期對稱階段”,。流出主要出現(xiàn)在兩個象限中,，在中心附近有一些小渦旋，這種流出層的不對稱特征是許多臺風(fēng)所具有的,。進一步的試驗表明,，這種不對稱性是由流出層水平氣流造成的一種動力不穩(wěn)定性引起，而這又與負絕對渦度區(qū)的出現(xiàn)有關(guān),。

這時由于上層質(zhì)量輻散增加,，促使低層輻合增加，積云對流增強,，最后出現(xiàn)與臺風(fēng)雨帶相似的螺旋狀上升運動帶,。中心最大上升運動為1.5米/秒，這與觀測一致,。螺旋帶不斷在風(fēng)暴中心形成,，以12米/秒速度向外傳播。在離中心較遠處遭到破壞,。一條云帶生命史約2.5天,。但根據(jù)Kurihara,Tuleya的結(jié)果，雨帶沒有那么長的生命期,，它們很象重力內(nèi)波以100公里/時的速度迅速向外傳播,。螺旋雨帶中的降水分布與成熟臺風(fēng)雷達照片一致(參看第二章圖2.28)。在中心附近出現(xiàn)強對流,，呈不規(guī)則的圓形分布,，這相應(yīng)于臺風(fēng)眼壁。此區(qū)中最大降水率大于100厘米/天,。在兩條向中心匯合的弱對流螺旋帶中,，降水率很小，只3厘米/天,。另外,，還研究了臺風(fēng)數(shù)值試驗期間的空氣質(zhì)點軌跡(圖略)。

空氣

在邊界層內(nèi)近于對稱,。當(dāng)空氣流入中心時加速,，到達中心區(qū)后迅速向上，2小時內(nèi)到達流出層,，質(zhì)點達到流出層之后減速,，在十分不對稱的不穩(wěn)定氣流中向外流出。上面這個時期叫“不對稱階段”,。應(yīng)該指出,，這個名稱是指處于氣旋尺度渦旋中的中尺度系統(tǒng)而言。在實際大氣中,，熱帶氣旋的生命史一般可由三個明顯的階段組成,。第一階段是東風(fēng)帶中或熱帶輻合區(qū)中的波狀擾動。從天氣尺度看是很不對稱的,。不對稱模式不能代表這種早期的波狀階段,。在第二階段，在波狀擾動的某一部分氣壓下降,，形成閉合低壓,，具有明顯的但是不強的氣旋性環(huán)流。如果從天氣尺度看,，這個階段比波動階段要表現(xiàn)出更大程度的圓對稱性,。上述早期對稱階段與實際風(fēng)暴發(fā)展的第二階段很相似。以后最低氣壓加強達到成熟階段,，正是在這個時期出現(xiàn)明顯的雨帶,，以此產(chǎn)生明顯的中尺度不對稱性。但從天氣尺度看,，成熟熱帶氣旋可能是很對稱的,。

只有上部對流層流場表現(xiàn)出很不對稱。模式氣旋的不對稱階段可認為與真實臺風(fēng)的這種成熟階段相類似,。上面說明,，臺風(fēng)數(shù)值模擬得到很多重要的成果。無論是臺風(fēng)演變和結(jié)構(gòu)都與實際觀測較為接近,。但這僅僅是第一步,。還有許多工作需要進一步研究。在所有數(shù)值模擬中,，都是采用圓對稱的初始渦旋假設(shè),，即討論的實際上是弱低壓圓形渦旋的增長問題，而在臺風(fēng)的生成預(yù)報中,，這種弱低壓渦旋是如何形成或由波狀擾動演變而來是很重要的,，而數(shù)值模式不包括這個時期，這是一個缺點,。在模擬風(fēng)暴的演變上,，對于風(fēng)暴的突然發(fā)展過程許多模式都沒有很好的模擬出來。另外,，一個風(fēng)暴的發(fā)展與環(huán)境條件密切有關(guān),，而在現(xiàn)今所有模式中都沒有充分考慮環(huán)境與風(fēng)暴的相互作用，如環(huán)境風(fēng)場,、周圍的天氣系統(tǒng),、垂直切變等。

為了更好地把數(shù)值試驗結(jié)果用于實際預(yù)報,，必須把一些重要的環(huán)境條件放入模式中去,，但這樣,，數(shù)值模式的處理將十分復(fù)雜，從目前來看還有一些困難,。不對稱模式的試驗是這方面工作的第一步,。另外，在臺風(fēng)數(shù)值試驗中,，還有不少工作值得進一步改進,，如參數(shù)化方案、初始條件和網(wǎng)格的選取等,。實際熱帶氣旋中的一些特征也需要進一步在模擬試驗中模擬出來,，例如風(fēng)暴中的一些中尺度特征。數(shù)值模擬是研究臺風(fēng)的一種有力工具,，隨著今后臺風(fēng)觀測和研究的深入,，計算機能力的加大將會有更大的發(fā)展，有許多重要的現(xiàn)象都可能由數(shù)值模擬得到解釋,?？梢韵嘈牛@方面的工作對我國臺風(fēng)研究和實際預(yù)報也有很大意義,。應(yīng)該在不久的將來,，結(jié)合我國具體情況積極地開展這方面的工作。

臺風(fēng)數(shù)值模擬的意義

臺風(fēng)數(shù)值模擬對于提高臺風(fēng)預(yù)報的準(zhǔn)確率和理解臺風(fēng)的形成,、?發(fā)展,、?移動及強度變化具有重要意義。?

臺風(fēng)數(shù)值模擬通過使用高分辨率的海溫數(shù)據(jù),、?物理-生物耦合的生態(tài)系統(tǒng)動力學(xué)模型,、?以及考慮海氣相互作用等因素，?能夠更準(zhǔn)確地模擬臺風(fēng)的動力和熱力條件,，?以及臺風(fēng)對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響,。?例如，?高分辨率的海溫數(shù)據(jù)對臺風(fēng)數(shù)值模擬有一定影響,，?能夠影響臺風(fēng)的強度變化1.?此外,，?通過數(shù)值模擬手段揭示臺風(fēng)過境引起的南海表層與次表層初級生產(chǎn)力的變化，?可以了解臺風(fēng)對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響.?

在臺風(fēng)路徑和強度預(yù)報方面,，?雖然MM5模式對臺風(fēng)的路徑預(yù)報具有一定的能力,，?但對強度的預(yù)報還不盡如人意。?通過加入Bogus人造臺風(fēng)渦旋,、?GTS常規(guī)觀測資料以及Quikscat衛(wèi)星海面風(fēng)非常規(guī)資料等手段,，?可以對初始場進行很好的調(diào)整，?顯著改善路徑和強度的預(yù)報.?

海氣相互作用對臺風(fēng)發(fā)展的影響研究也表明，?耦合作用引起的海表面溫度降低會減弱臺風(fēng)強度,，?而臺風(fēng)移動路徑受耦合作用的影響不大,。?這表明通過數(shù)值模擬研究海氣相互作用對提高臺風(fēng)的數(shù)值模擬及預(yù)報水平有重要意義.

綜上所述，?臺風(fēng)數(shù)值模擬不僅能夠幫助我們更好地理解臺風(fēng)的形成,、?發(fā)展,、?移動及強度變化，?還能夠提高臺風(fēng)預(yù)報的準(zhǔn)確率,，?為防災(zāi)減災(zāi)提供重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持?

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