台风过程数值模拟中4种初值化方案对比分析

１ １ １ 构 造 涡旋场 ．． 人造 涡旋 资料 （ ｏ ｕ 资料 ） Ｂ ｇｓ 的海平 面气 压是 由 Ｆ ｊａ １５ ） ｕｉ （ ９ ２ 经验 公式 得 到的 ： ｔ
Ｐｒ ＋ｐ 一１ １Ｙ］） ） ｏ 一 △ １［ （ （ ） ｛ ＋ ） １ ｌ
其 中 Ｐ 是 观测 的 台 风 中心 海 平 面 气 压 ；ｘ ｄ ｐ是 一 个 关 于海平 面气 压梯 度 信 息 的参 数 ， 由台 风 最 大风 速
１ 初值 化方 案 介绍
１ １ Ｂ Ａ 方 案 ． Ｄ
案 ）１￣ ２ ［３自 ０世 纪 ９ － ０年 代 提 出 以后 ， 许 多 国 家 的 在 台风业 务数 值 预报 中得 到 了广 泛应 用 ， 台 风数 值 使
预 报水 平有 了很 大 改进 。但 仍 然 有很 多 人 质 疑 Ｂ — ｏ
Ａ （ Ｆ（ ） ） ｒ ｒ （ ｒ ｒ≤ ）
（ １ １ ） （ ２ １ ）
Ｆ（ ） ＝ ｒ ＝ ＝
ｒ ｍ
Ｆ（ ）＝ ｒ ＝ ＝
ｒ ｍ ＿
（ ｒ＞ ｒ ）
（ ３ １）
１ ２ １ 扣除大 尺度 分析 场 中的弱 台风 ．． 首先 对涡 度 、 对涡 度 和散度 进 行修 改 ，涡度 、 相 流 函数和 无辐 散风 的关 系如公 式 （ ） （ ） 示 ： ４ 和 ５所
旦 ： 一 ＲＴ
…
（ ０ １）
、
ａ ｎ（ ） Ｉ
其 中 Ｒ 是气体 常数 ， 是 气压 。 １ ２ ２ 构造 并植 入人 造涡旋 ．． 该 Ｂ ｇ ｓ 案是基 于对 涡旋 的 如下 假 设 ： 轴 ｏｕ 方 ① 对称的； ②最 大 风速半 径是 固定 的 （ ５ｋ 格 距取 为 ４ ｍ
讨 论 。数 值 试 验 的 结 果 表 明 ： Ｄ 方 案 较 其他 方 案 在 台 风 的 路 径 模 拟 和 强 度 模 拟 方 面均 有较 大 的 优 势 。 ＢＡ 关键 词 台 风 初 值 化 方 案 四 维 变 分 同 化
引言 人 造 台 风 模 型 的 初 值 化 方 案 （ 称 Ｂ ｇ ｓ方 简 ｏｕ
径等 观测 资料 ， 据 Ｆ ｊ ａ经验 公 式 构 造 出一 个 根 ｕｉ ｔ
基于 真实 的人 造 涡旋 场 ， 然后 将 这 种 密 度很 大 的人 造涡 旋场 作 为一种 观 测 资 料 ， 用 四维 变分 资料 同 利 化 的方法 将这 一 涡旋场 加入 到原 来 涡旋较 弱 的背景
平 面气 压 的偏 差 ， 、表 示 模式 大 气 的 风场 与 Ｂ ｇ ｓ Ｊ， ｏ ｕ 资料 中风 场的偏 差 。 本文选 定 同化 窗 口为 ３ ｎ ２ ｍｉ 。背 景 场 资 料 的
同化 是在 初 始 时 刻 进 行 的 ， 对 于 Ｂ ｇ ｓ资 料 ， 而 ｏｕ 则
Ｂ ｇ ｓ台 风 的 垂 直 风 廓 线 由 Ｒ ｎ ｉｅ涡 旋 ｏｕ ａ ｋｎ
第 ３ ９卷 第 ４期
２１ ０ １年 ８月
气
象
科
技
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ４ １３ 。 ．
Ａ ｕｇ ２ １ ． ０１
Ｍ ＥＴＥＯＲＯＬＯＧＩ ＣＡＬ ＣＩ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ ＯＬＯＧＹ
台风过程数值模拟 中 ４种初值化方案对 比分析
王 云 峰 卢强 王斌 袁金 南。 韩 月琪
析 场 中扣 除 。
速 的观 测值 ， 么 式 （ ） 的 △ 那 １中 就 会 在 风 场 不 断
向观 测值 接 近 的 过 程 中得 到 调 整 。各 标 准 气 压 层 的风 速 可 以通 过 海 平 面 风 速 乘 以 一 个 经 验 系数 的
方法得到。
为 了扣 除温度 异 常 ， 以使用 静力 平衡 关系 式 ： 可
（ １解 放 军 理 工 大 学 气 象 学 院 ， 京 ２ １ ０ ； 南 １ １ １ ２中 国科 学 院 大 气 物 理 研 究 所 Ｌ Ｇ 实 验 室 ， 京 １ ０ ２ ； ＡＳ 北 ０ ０９ ３中 国 气 象 局 广 州 热 带 海 洋 气 象 研 究 所 ， 州 ５ ０ ８ ） 广 １０ ０
２ ） 纬 向滤 波公 式 为ｈ 一ｈ ＋ａ 一 ＋ ｈ ， （ ＋ｈ
ｘ— ； （
（） ７
一
其 中 是 速度 势 ， 是散度 ， 是 散度 风 。
２ ａ￣ ｈ，
） 中 波 数 口 （ ｃ ， ， 滤 系为一 １。 其 １ 一ｓ 经 ）
ＨＹ２ ０ ０ ０ ９ ＧＹＨＹ２ １０ ０ ４ 共 同 资 助 ０９６０ ， ０ １６ ０ ） 作 者 简 介 ： 云 峰 ， ，９ ２生 ， 士 ， 王 男 １７ 博 副教 授 ， 要研 究 四维 变分 资料 同化 ， 主 Ｅｍａｌｗａｇ ｆ ｍａｌｉｐ ａ．ｎ ｉ： ｎ ｙ＠ ｉ ａ ．ｃ ｃ ． 收稿 日期 ：０ ０年 ５月 ５１； 稿 日期 ：０ ０年 １ 月 １ 日 ２１ ５ 定 １ ２１ １ ５
给出：
一
将 人 造 涡 旋 看 成 在 ３ ｎ 内是 基 本 静 止 的 ， ２ ｍｉ 每
４ｍｉ ｎ有一个 相 同的 观测 ， ９个 时次 ， 种 处 理方 共 这 法 Ｘａ ｉｏ等 （０ ０ 已经 成功应 用过 了ｌ ， ２０） ＿ 不再 赘述 。 】
１２ ＭＭ５Ｂ ｇ ｓ方 案 ． ｏｕ
气
象
科
技
第 ３ 卷 ９
ｒ （ ＋ ） ， 一
其 中 ｐ是 空 气 的 密 度 。如 果 首 先 给定 台 风 最 大 风
假设 在 ｒ 之外 ， 转 涡 度 为零 ， 与 分 析 台风 连 接 地 则
着 的重力 位势 异常 就 可 以通 过 式 （ ） 得 并 从 分 ８求
。 一善
一
其 中取 ０ 一０ ７ 。Ａ（ ） 随 高 度 而 变 化 的权 重 ｔ 一 ．５ ｚ是
函数。从 地 面 到 ８０ Ｐ 取 为 １ ７０ Ｐ 、 ５ ｈ ａ ， ０ ｈ ａ
５ ０ｈ ａ ３ ０ ｈ ａ 、 ０ ｈ ａ １ ０ ｈ ａ 依 次 取 为 ０ Ｐ 、 ０ Ｐ ２ ０ Ｐ 、 ０ Ｐ
９ ｍ；５ｋ 格距 取 为 ５ ～ ６ ｉ） ③质 量场 和风 ０ｋ １ ｍ Ｏ ０ｋ ； ｎ 场 是非 线性 平衡 的 ； 近饱 和 的 内核 ， 眼 （ 于 ４ ④ 无 对 ５ ｋ 的格点 ） ⑤最 大 风速 根 据 事先 观 测 的 台风 的最 ｍ ； 大风 速而构 造 的 。
１ １ ２ 对涡 旋场 进行 变分 同化 ， ．． 产生优 化初 始场 根据 四维变 分资料 同化 的原 理 ， 义 代价 函数 ： 定
Ｊ（ ）一 Ｊｂ Ｊ ＋ Ｊｖ Ｘ ＋ 。 （） ３
其中． 厂 表示 模式 控制 变量 Ｘ 与 背景 场 ｘ 的偏 差 ，
。
表 示模 式 大 气 的海 平 面气 压 与 Ｂ ｇ ｓ资料 中海 ｏｕ
ｇ ｓ 术 ， 为 卫 星 反 演 资料 比 Ｂ ｇ ｓ资 料 的可 信 ｕ技 认 ｏｕ 度 高 ， 至 可 以 视 为 “ 测 ” 料 而 Ｂ ｇ ｓ资 料 不 甚 观 资 ｏｕ
能 。实 际 上 ， 谓 卫 星反 演 ， 由观 测 的 卫 星数 据 ， 所 是 根 据一 定 的物理 规 律 ， 反 演 ” 构 造 ） 三 维物 理 量 “ （ 出 场 ； Ｂ ｇ ｓ技 术 ， 是 由观 测 的 台 风 报 数 据 ， 而 ｏｕ 也 根 据 一 定 的 物 理 规 律 ， 造 出 二 维 ／ 维 的物 理 量 构 三
来确定 ； Ｒ是 最 大 气 压 梯 度 半 径 ； ｒ是 涡旋 的 半 径 。
海平 面风 场则 可利 用梯 度风关 系 得到 ：
国 际 合 作 项 目（ ０ ０ Ｆ ３ ８ ０ 、６ ２ １ Ｄ Ｂ ３ ８ ） ８ ３项 目 （０ ０ ２ １ＡＡ０ ２ ０ ） 国 家 自然 科 学 基 金 项 目（ １ ０ ０ ９ ４ ８ ５ ４ ） １３ ４ 、 ４ ０ ５ ２ ， ０ ０ ０ ６ 和公 益 性 行 业 专 项 课 题 （ Ｙ Ｇ
摘 要 了解 、 比较 并 改 善 各 种 Ｂ ｇ ｓ 术 ， 台风 数 值 模 拟 和 数 值 预 报 具 有 重 要 意 义 。 介 绍 了 ４种 不 同 的 台 风 初 ｏｕ 技 对 值 化 方 案 ： 于 四维 变 分 资 料 同 化 原 理 的 Ｂ Ａ 方 案 、 基 Ｄ ＭＭ５模 式 附 带 的 Ｂ ｇ ｓ 案 、 国 民 的 Ｂ ｇ ｓ 案 ， ｏｕ 方 王 ｏｕ 方 以及 广 州热 带海 洋 所 业 务 上 曾使 用 的 Ｂ ｇ ｓ 案 ， 体 台风 个 例 ， 这 几 种 方 案 在 台 风数 值 模 拟 中 所 起 的作 用 ， 行 对 比 ｏｕ 方 具 对 进
ｈ— ｈ Ｂ＋ ｈＤ （ ４） １
式（ ） ５ 就可 以计算出分析 台风的风场 ：然后从分 ， 析 风场 中将 ： 除 。 扣
对 于散度 风 和气压 异 常的扣 除可 以类 似地通 过
如下公 式进 行消 除 ：
） （一 （ ６）
径 向滤 波 公 式 为 ｈ 一 ｈ ＋ ａ（ 卜 ． ｈＴ ｌ一 ｈ ＋ １
（） ４
（） ５
０ ９ 、 ． 、 ． 、 ． 、 ． 。将 构 造 的 Ｂ ｇ ｓ台风 的 ． ５０ ９ ０ ７ ０ ６ ０１ ｏｕ 风场 植入 后 ， 通过 ＭＭ５模式 向前 积 分 ， 自动调 整 并 台风 的三维结 构 。
１３ ＷＧＭ 方 案 ．
ｋ× Biblioteka 其中 ７ ２ 是无 辐散 风 ， 是 ７ ２ 对 应 的 流 函数 ， 是 所 相对 涡度 。假 设分 析 台风 的半 径 为 ｒ 在 ｒ ， 之外 ， 设定 分 析 台风 的涡 度 等 于零 ， ｒ： 的 边 界上 ， 在 ＝ ：ｒ 定义 一０ 其 中分析 台风 的中一 位 置可 以 通过 近 地 ， ｔ ｌ ，
Ｂ ＤＡ方 案是 由 Ｚ ｕ等 （ ９ ９ Ｅ８ 出的一种 运 ｏ １９ ）－提 ３ ７ 用 四维 变分 资料 同化技 术对 粗糙 的热 带气 旋初 始场 进行 优化 的方 法 。其 原 理 是 利 用 台 风 中 心位 置 、 中
心海 平 面气压 、 台风 近 中心 最 大风 速 和 最 大 风速 半
场 中去 ， 并通 过不 断 的 迭代 调 整 使 之 和 环境 场 相 协
调起 来 。
场 。从 本质 上 讲 ， 者 是 完 全 一致 的 。至 于 构造 准 二 确度 ， 者均 依赖 于人 们对 台风结 构 的充 分认识 ， 二 此 外 台风 系统 中厚 厚 的 云 层 和 蕴含 的冰 晶 ， 得 红 外 使 探测 完全 不 能通 过 。因 此 ， 目前 在 我 国 卫 星 资料 还 不 能顺利 应 用 ＿ ， ｏ ｕ 技 术 仍 难 以 被 取 代 的情 况 ６ Ｂ ｇｓ ］
面气压 层上 的涡 度最 大 值 来 确定 。利 用公 式 （ ） ４ 可 以计算 出连 接着 分析 台风 的扰动 流 函数 ， 利用 公
该方 案 由王 国 民等 （ ９ ６ 提 出 ， 需 要 输 入 ３ １９ ） 只
个 参数 ： 台风 中心 经 、 度 和 中 ， 压 ｐ ， 纬 Ｉ气 ｉ 主观 确 定 的参 数 少 。 １ ３ １ 分析 台风 的分 离 ．． （） １ 假设 ｈ表示 分 析 场 ， 对 ｈ分 别 作 纬 向、 先 经 向滤波 ， 分解 为基本 场 和扰 动 场 ｈ ： 。
下， 通过 比较 并 改 进 Ｂ ｇ ｓ技 术 ， 台风 数 值 模 拟 ｏｕ 对 和 预报仍 有 重要 意义 。 本 文先 介 绍 几 种 台风 初值 化 方 案 ， 然后 结合 台 风“ 鸣蝉 ” 对 这几 种 方 案 在 台风 数值 模 拟 中所 起 的 ， 作 用 ， 行对 比分 析 。 进