基于WRF模式预报孟加拉湾热带气旋Nargis对物理参数化的敏感性研究外文翻译资料

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基于WRF模式预报孟加拉湾热带气旋Nargis对物理参数化的敏感性研究

P. V. S. Raju · Jayaraman Potty

摘 要

本文以孟加拉湾形成的飓风Nargis为例，利用“Weather Research Forecast”（WRF-ARW）物理参数化方案的综合敏感性分析研究热带气旋的轨道和强度预报。生成于孟加拉湾的Nargis 在2008年5月02日袭击缅甸，给缅甸造成极大的生命财产损失。模型也用不同的初始条件从气旋发生到接近登陆时间内，每12 h间隔进行一次模拟。所有模式模拟的初始和边界条件都是来自国家环境预测中心（NCEP-GFS）的面向公众使用的1°分辨率的全球业务分析和预测产品。敏感性分析结果表明，与联合台风警报中心（JTWC）的估计相比，延世大学（YSU）的非局部抛物型交换系数PBL方案，结合深浅对流方案的质量通量方法进行积分参数化（Kain-Fritsch）方案，以及NCEP的云微物理学方案和混合相位过程诊断（Ferrier）预测的路径和强度效果更好。此外，从上述敏感性实验中挑选的的物理参数化方案的最终会被用于具有不同初始条件的模式。实验结果还表明，该模式的台风路径，在强度和登陆时间上均有良好的模拟效果，平均强度误差约为8 hPa，最大风速误差为12 m/s，路径误差为77 km。同时还发现，登陆时间误差和强度误差会随着初始条件的延后而降低，这说明当气旋接近海岸时，模式预报更为可靠。气旋降水的分布和强度也得到了很好地模拟，与TRMM的估计结果相当。

1. 引 言

尽管在孟加拉湾这个热带盆地的气旋总数少一些，但由于严重的热带气旋（TC）所造成的人力财产损失都是巨大的。大风，暴雨和风暴潮是与热带气旋相关的主要气象灾害（Bengtsson 2001; Emanuel 2005）。对强烈气旋的准确与长期预测以及适当的预防策略将大大减少生命和财产的损失。在包括孟加拉湾和阿拉伯海在内的北印度洋的气旋季节具有典型的双峰结构：表现在4月至5月期间TC活动频繁，10月至12月期间又是TC发生的高峰。除了TC季节异常年份，该地区平均每年经历五到六次风暴。过去300年的记录显示，来自北印度洋的气旋数量占全球热带气旋总数的6-7％（Neumann 1993），这其中75％的TC在该地区造成了了5000多人死亡事件。 热带气旋Nargis是2008年的TC季节首次对孟加拉湾造成严重灾害的风暴，也是缅甸历史上最严重的自然灾害，造成13万多人死亡，伊洛瓦底三角洲地区的牲畜也受到了严重影响（Webster 2008）

受赤道辐合带（ITCZ）的影响，2008年4月26日在孟加拉东南湾形成了一个气旋性涡旋系统，加上其他有利条件，如海面温度较低，垂直风切变较大，循环流动对流增强等，该系统在2008年4月27日UTC 0300发展成为热带低压。印度气象部门（IMD）根据3分钟的平均风速分类孟加拉湾和阿拉伯海形成的气旋风暴如下：

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分类 风速（3分钟平均）

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海里/h km/h

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低压 lt;27 lt;51

强低压 28–33 52–61

气旋风暴 34–47 62–87

强风暴 48–63 88–117

强烈风暴 64–119 118–221

超强风暴 gt;120 gt;222

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2008年4月28日0时UTC，系统在位于13.0°N，85.5°E的位置加强为气旋风暴，并被称为Nargis。它于2008年4月28日09时UTC加强为强风暴，并于4月29日03时UTC成为强烈风暴。然后，该系统向东移动，同时进一步加剧，并在2008年5月2日10时UTC跨越缅甸西南海岸，位置接近16.0°N，94°E。登陆后，此系统保持强风暴的强度，直到4月3日凌晨，逐渐减弱（IMD 2008）。从5月2日06时UTC到5月3日0时 UTC，环绕气旋中心的最高持续风速约为120海里。5月2日06时UTC的气旋中心气压估计值为937 hPa。上层辐散，下层辐合，低层的相对涡度有利于系统的辐合。

在过去二十年里，由于数值天气预报效果和先进计算资源的可用性有相当大的改善，从而对例如热带气旋等恶劣天气事件，我们可以有更加准确快速的预测。通常比全球模式范围更小的中尺度模型能够提供非常高的分辨率，因此能够解决高分辨率的复杂地形。如果对云辐射强迫，积云对流和陆面过程等各种次网格过程有更深的理解（Tenerelli和Chen 2001）也有利于提高预测效果。积云对流过程和边界层物理过程在热带气旋预报的发展中起着重要作用。各种研究人员已经根据不同的假设开发了一些参数化方案，尽管这些方案在预测热带气旋的路径和强度方面还存在一些局限性。 Chang等（2009）研究了两种中尺度模式（即MM5和WRF）对极端降水事件模拟的陆面过程参数敏感性，结果表明与MM5模式相比，WRF模拟的降水强度和分布更好。 MM5模式的敏感性实验表明，热带气旋的路径和强度预报对积云对流参数化方案和PBL参数化方案更加敏感（Braun and Tao 2000; Mandal et al。2004; Rao and Prasad 2007）。此外，云微物理参数化方案对路径的预测影响很大（Fovell和Su 2007）。大多数研究是基于MM5的非流体静力学模式孟加拉湾热带气旋的模拟。此外，大量对比研究表明，与MM5模式相比，WRF模式更适合模拟强降水，热带气旋等真实强烈的天气系统（Sousounis et al。2004; Cheng and Steenbyrgh 2005; Sujata and Mohanty 2008）。

热带气旋Nargis很特殊，因为它的路径呈东北方向，这与孟加拉湾上空热带气旋的气候学特征不同。因此，我们研究旨在孟加拉湾上空强风暴Nargis对ARW核心物理参数化方案的敏感性分析。本文主要目的分两方面：首先，确定WRF模式参数化方案的一个适当组合对热带气旋的路径和强度进行预测；其次，通过选择物理方案的组合，对使用从2008年4月28日0时UTC至2008年5月1日0时 UTC不同的初始场的WRF核心进行性能评估。我们还讨论了孟加拉湾上空的热带气旋Nargis相关的极端天气如强降水，强风和路径。第2部分简要介绍了WRF模式，而在第3部分，介绍了实验设计和数据。第4部分则提供敏感性实验和模式模拟的详细结果。第5部分为总结和结语。

1. WRF模式系统

本研究使用的中尺度模式是国家大气研究中心（NCAR）联合国家海洋和大气管理局（NOAA）、国家环境预测中心（NCEP）和各大学等多机构合作开发的先进Weather Research and Forecast（WRF）模式2.2.1。他们还将努力提供下一代中尺度预报模式和数据同化系统并推动中尺度天气的理解和预测，加快模式的业务应用速度（Dudhia 2004）。 WRF模式是一种非流体静力中尺度模式，用于模拟和预报精细大气现象，着眼于几公里甚至更小的水平网格宽度（Michalakes等人2005; Skamarock等人，2005）。该模式使用具有混合sigma;-气压垂直地形坐标的欧拉质量动力学核心。而网格使用的是Arakawa C网格方案。该模式在水平和垂直方向都使用Runge-Kutta二阶和三阶时间积分方案和二至六阶平流方案。它针对声波和重力波模式使用了时间分割的小步长（Skamarock和Klemp 2008）。WRF还提供物理过程的参数化方案，并可以由用户指定选项，从而体验更广泛多样的模式模拟，这包括物理方案的数量、初始化进程和数据同化包。该模式中可用的对流参数化方案是Kain-Fritsch新的Eta方案（Kain和Fritsch1993），Betts-Miller-Janjic方案（Betts 1986; Betts和Miller 1986; Janjic 1994）和Grell-Devenyi总方案（Grell和Devenyi 2002）、Mellor-Yamada-Janjic TKE计划的行星边界层方案、延世大学（YSU）提供的边界层方案（Hong et al，2006）都可以通过WRF模式访问。WRF可用的微物理方案是Kessler，Lin等人的方案、Ferrier（新Eta）微物理学，WSM-6阶冰雪方案和Thompson冰雪方案。此次热带气旋模拟研究的模式配置概述如表1所示。在本研究中，采用行星边界层、对流参数化和云微物理方案的各种选择，而 Dudhia短波辐射方案（Dudhia 1989）用于本研究中进行的所有实验。

表1 WRF模式参数一览

1. 数据与实验设计

模拟热带气旋Nargis所需的初始和边界条件是从NCEP运行分析和预报领域（GFS）中水平分辨率1°times;1°的资料中获得的。模式地形则以美国地质勘测局的10′分辨率资料为主。从NCEP（GFS）每隔6小时的预报场资料，得出侧边界条件随时间的变化。在整个模拟期间都使用NCEP数据集中的恒定SST数据。热带气旋的估计/观测强度和位置取自关岛的联合台风警戒中心（JTWC），与模式模拟进行比较。风暴期间的降水数据方面，因为几乎没有任何可用的观测资料，我们使用热带降水估计任务（TRMM）的降水数据用和模式导出的降水量进行比较。 TRMM是美国和日本的卫星联合卫星观测计划，负责监测热带和亚热带降水。本实验中使用的最终格点TRMM降水资料来自于调整后的红外降水（mm / h），三个小时一个间隔，水平分辨率为0.25°times; 0.25 °lat / long，空间覆盖范围是50°S到50°N（ Huffman等人2007）。

本文对Nargis气旋模拟进行了一系列敏感性实验，以不同初始条件对WRF模式的性能就路径、强度和登陆时间进行评估。通过不同的积云对流、行星边界层（PBL）和微物理参数化方案，共进行11次实验，以找出物理参数的合适组合。在每个实验中，模式都在2008年4月29日12时 UTC进行初始化，积分到96小时，即2008年5月03日12时UTC。最初进行的六个实验，为三个积云方案： Kain-Fritsch（KF），Betts-Meller-Janjic（BMJ），Grell-Devenyi（GD）和Mellor-Yamada-Janjic（MYJ），组合延世大学（YSU）计划中的两个边界层方案。而第二部分中，本文使用Kessler、Lin、WSM 6、Thompson以及Ferrier的不同微物理学方案，结合积云对流参数化方案和PBL方案组合的结果再进行五个模拟实验（Eta），表2提供了一个简短的实验设计。在第三部分中，模式从2008年4月28日0时UTC开始到2008年5月1日的0时UTC，每12小时利用不同的初始条件，以寻找前两个部分地实验对不同初始条件的敏感性研究结果。

表2 实验设计

1. 结果与讨论

气旋登陆的强度，路径和时间被认为是热带气旋预报中最重要和最具挑战性的问题。准确的路径预测对于确定预报时效内会发生的由于强风强降水造成最大损害的地理位置至关重要。通过模式预测，发生预报偏差的气旋中心会相对于实际登陆点预报不正确的登陆位置和气旋的强度。因此，路径预测对于确定强风区与强降水区至关重要。在4.1板块，我们讨论了不同物理过程下参数化方案对热带气旋预报影响。

4.1 积云对流参数化

本节讨论了两种PBL方案和Ferrier微物理方案结合的三种对流方案对台风强度和路径的预测。图1显示了热带气旋Nargis的路径预测，其中包括结合KF，BMJ和GD的对流参数化方案的YSU的两个PBL方案（上图）和MYJ方案（下图）。与观察到的路径相比，KF和BMJ方案与两个PBL方案的组合更好地预测了气旋的路径。然而，结合两种PBL方案的GD方案都未能预测气旋在缅甸西南部沿岸登陆。上述方案的路径预测的矢量位移误差如表3所示。GD方案显示：与其他两种方案相比，24小时预报后的位移误差大大增加。因此，在选择参数化方案预报热带气旋Nargis时，GD方案不被考虑。KF和BMJ方案结合两个PBL方案（YSU和MYJ）预报的气旋在登陆期间（即2008年5月2日06时UTC至12时UTC）路径误差比较小。另外，我们还根据上述组合的模拟出的中心气压和最大风速来讨论热带气旋的强度。资料估计和模式模拟（高达96小时）的最低中心气压（上层）和最大风速（下层）的时间演变如图2所示。观察到的最低中心气压发生在2008年5月02日12时UTC，约为937hPa。结果清楚地表明，使用YSU和MYJ的 PBL方案结合KF对流方案预测到的中心气压的强度非常接近观测值。然而，在气旋登陆前的12小时，YSU-KF组合能模拟出更好的强度。而MYJ-BMJ，MYJ-GD，YSU-BMJ以及YSU-GD在整个预报时次内无法模拟中心气压的强度。 图2b 给出了20

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