台风的数值模拟是什么 台风数值模拟的意义

导语：台风的数值模拟是什么?台风数值模拟的应用范围广泛，包括台风预报、灾害风险评估、气候研究和决策支持等，通过数值模拟，可以更加准确地预测台风的路径和强度，为相关部门提供决策依据，减少台风灾害对社会和经济的影响，同时，数值模拟还可以用于研究台风形成和发展的机制，提高我们对台风这一自然现象的认识水平，接下来就一起去看看台风数值模拟的意义吧!

台风的数值模拟是什么

台风

最近十几年来，数值模拟试验成为研究发展和演变过程以及结构的有力工具。由于积云对流产生的凝结潜热释放参数化的成功以及计算机能力的提高才可能较真实地模拟出热带气旋的许多主要特征。利用数值模式的方法研究台风从目前看来主要有两个目的：一是通过研究制约台风发展的各种物理因子的作用，深入地了解台风形成、发展和结构的动力学问题，并为将来台风形成和发展的数值预报准备条件。二是从理论上研究人工影响台风的可能性。台风数值模拟工作大约已有十几年的历史，在这十几年间发展是很迅速的。

在六十年代初期，开始利用数值方法来研究台风的发展问题。但主要由于对中动力学和热力学过程，尤其是积云对流参数化问题了解不足，得到的结果基本上是失败的。用数值方法研究热带气旋有其特殊的困难性，因为必须考虑湿对流动力学问题。Haque[33和Syōnol³4}最先试图利用数值模式从理论上研究热带气旋的发展。他们把大量云系加热总效果看作是大尺度湿绝热上升产生的，即凝结加热率当q>q,w>0=0当qq,是饱和比湿，w是垂直速度。结果得到，当大气是绝对或条件不稳定时，由这种湿绝热运动造成的最大增长率是积云尺度而不是气旋尺度。后来郭晓岚曾从理论上证明了这一点。为了抑制小尺度积云对流的优先增长，在数值模式中采用了一些补救办法，例如引入各种类型的扩散过程以求使小尺度对流增长受到阻尼，最后显示出气旋尺度的增长;或者引入区域平均以消去小尺度对流。

Rosenthal是通过采用较大的水平网格来阻止小尺度环流的增长作用。但这样得到的结果与实际情况仍然差别很大，并没有解决数值模拟台风的基本困难。由上可见，虽然条件不稳定层结对热带气旋发展起着非常重要的作用，但大尺度气旋并不能被认为是由浮力推动的自由环流。用大尺度凝结加热的方法来描述这种条件不稳定下对流凝结加热是完全不合适的，为此必须寻找新的途径。Riehl和Malkusl³5的观测结果对后来提出新的对流凝结加热方案有着很大的启示。他们指出深厚积云塔(热塔)是造成凝结潜热释放的主要系统。据此郭晓岚提出，潜热的释放是在深对流云塔中，而不是在轴对称的平均运动场中。虽然这种积云对流与热带气旋是两种不同尺度的系统，但两者从物理上不是孤立的，而是相互有关的。

气旋尺度的环流依赖于对流释放热能，而对流活动由气旋环流供应水汽和进行组织，当这种相互作用愈来愈明显和加强时，热带气旋会因不稳定(第二类条件不稳定)而发展起来。为了在大尺度运动中考虑这种积云的总效果，必须对积云对流进行参数化。Ooyama,Chaney和Eliassen,郭晓岚，Ogura[36]等最早根据上述概念提出了新型热带气旋数值模式，尤其是郭晓岚的积云对流参数化模式得到了更为成功的结果。尽管上述工作在不同方面具有一些缺点，但由于抓住了问题的本质，从而开辟了数值模拟热带气旋的新途径。后来Ooyama在以前模式改进的基础上，成功地模拟了热带气旋的生命史。他的结果受到了普遍重视。这证实积云参数化方法在模拟热带气旋上是相当成功的。

与此同时，Yamasaki使用原始方程、采用更多的层次也成功地模拟出热带气旋的演变。最近几年来，台风数值模拟工作更深入、更广泛的开展起来。表6.5是台风数值试验模式一览表。Rosenthal利用包括显式水汽循环的原始方程模式进行了模拟;他不但考虑了产生于摩擦层的积云对流的加热作用，还包括了产生于较高层的对流以及非对流降水，这与观测结果更近一致。Sundqvist除了采用十层模式外，在积云对流参数化和加热垂直分布上也有一些改进。Anthes等用不对称模式进行了模拟，发现结果有重要改进。另外对各种物理参数如内部混合、加热的空间分布、边界层参数、静力稳定度等及计算条件(初始条件、侧向边条件、径向分辨率、计算区)等进行了大量试验，这对了解各种物理参数在风暴发展中的作用以及模式的性能是很必要的。同时不少数值试验还计算了模式热带气旋的能量平衡37.结果与实际计算值十分接近，这说明采用的模式从能量平衡上也是合理的。

在台风数值研究中初条件的选取是很重要的。一般取圆对称涡旋。在t=0时，v,=0=0.即没有径向环流存在。并且涡旋是处于梯度平衡中。规定一定的地面气压分布后，根据梯度风方程可以求得初始切向风分布。也可以先直接规定切向风分布。温度场可取热带平均大气。关于初始条件对热带风暴发展的影响不少人曾作过研究。Ooyama指出，初始扰动强度的变化对热带气旋组织或发展成成熟风暴的时间长度有显著影响，但成熟风暴的最后状态与初始涡旋强度关系很小。Rosenthal专门对初始涡旋强度与风暴发展的关系进行了试验，也得到了类似结果。当取初始地面风最大值为原来的两倍时，原来100多小时的组织时间缩短为24小时，120小时即达到最大强度(原来是240小时),但此时最大风速差别很小(1.5米/秒)。

模式气旋的组织时间对初始湿度场也有密切的关系。Rosenthal指出，初始湿度的增加可使组织时间缩短几天时间。例如原来湿度分布取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%。当初始相对湿度处处取90%时，结果中心气压值、最大风速都相同，但后者比前者出现要早48小时。通过十几年，尤其是最近几年台风数值试验的研究，台风的许多基本特征都已经模拟出来了，其中包括台风的演变过程、流场、温度场、台风眼、雨带、能量平衡及其与环境或下垫面的关系。其中有四个方面的工作是有代表性的，即Ooyama的工作，Yamasaki的工作、Sundqvist的工作和美国飓风研究实验室(NHRL)的工作。

Ooyama利用简单的两层平衡模式较早地模拟出热带气旋的生命史，结果比较成功。Yamasaki的模式得到的风暴结构一般是真实的。Sundqvist的十层模式更仔细地和真实地模拟了风暴的特征，其中包括眼的结构、低空螺旋带等。自从1964年以后，美国飓风研究实验室系统地进行了台风数值试验，其中进行的不对称模式模拟出的雨带结构和高空流出层与实际较接近。模式中风暴的演变可以分为三个阶段。首先是形成或组织阶段。这时风速最大值变化很小，中心气压缓慢下降。风最大值半径缩小，加热开始集中。此阶段在对流层上部出现增暖，可看到在高层逐渐过渡到暖心的过程。位能开始转化为动能。以后上部的层结逐渐趋于稳定。这促使最大加热区向下移动。

使对流层最低层流入增加。其后是明显的加强阶段。风暴的状态具有很迅速的变化。气压下降的平均速度约20毫巴/天，风速迅速增加。并且可以看到切向风速最大值的位置也随时间向内移动，图6.8表明了这种移动情况。风速最后达到45米/秒。这种向内移动的现象是台风加深阶段的一般特征。但同时台风风力和大风风力区向外扩张。暖心结构很快建立。第三是成熟阶段，这时涡旋变化率突然减小，气压最后达到最低值，温度增加达到最大值。以后台风开始衰减，中心附近径向温度梯度减小，切向风速减小。

模式风暴的结构也很合理。切向风最大值位于20—30公里，900毫巴附近。150毫巴以下是气旋性的，150毫巴以上转变为反气旋性的，风力很弱。从径向风分布图可知主要的流入层在900毫巴以下，900毫巴到400毫巴左右是弱的流入层。400毫巴以上是流出层，最强的在200—100毫巴层中。在风暴中心，有一明显的增温区(8℃)位于对流层上部(200毫巴左右),这与实际情况一致。Yamasaki得到的暖中心偏低，在350毫巴。在中心是下沉运动区，一直达到很低的高度，这致使在中心附近云系消散。在整个台风演变时期，眼区的下沉运动是逐渐向下扩展的。

一直到达700毫巴。眼区之外是大范围上升运动区，最大值在300—400毫巴之间。200公里以外是弱的下沉气流区。在相对湿度径向垂直剖面图上，对流层上部的饱和区扩展到很远的地区，这与成熟台风上空的卷云罩结构很相似。在96—216小时内，总降水率平均是25厘米/天，这个值是合理的。最大降水率出现在30公里附近。非对流性降水约占对流降水的2/3.据Hawkins和Rubsam在Hilda飓风收集到的资料表明，由层状云造成的降水很重要，他们的观测还指出，Hilda环流中大部分地区都包含有明显的降雨，只在眼壁中存在着活跃的积雨云，是主要对流性降雨区。根据这些观测，在模式中把降雨分为对流和非对流性是合理的。在200公里内风暴的机械效率(动能制造率与潜热释放率比值)在成熟阶段很接近于经验值2.7%。

根据台风的热力和动力学条件，每个风暴强度和大小之间的差别与加热分布的时空变化有关系，因而研究径向加热分布对风暴的影响或者风暴环流对加热时空变化的响应也是台风数值试验工作的重要方面之一。通过假设各种水平和垂直加热分布的一些组合的试验表明：加热分布对台风的强度、温压结构有明显的影响。例如，如果加热主要集中在中心附近时，产生的暖心较小，得到的是一个尺度很小的台风。另外结果还表明，在较大半径处加热的减小，对风暴内区影响不大，最大风速主要由内区中的加热决定。当加热在远处减小时，主要使风暴环流的水平范围减小。

另外高空反气旋强度和大小密切与远处加热量有关。不对称模式在不少方面与对称模式有显著差异，它能更真实地模拟出热带气旋三维结构和演变的许多特征。在不对称模式中，风暴的演变分为两个阶段。在第一阶段，所有的特征对于风暴中心都是很对称的。在降雨中没有类似雨带的带状结构出现，在对流层上层流出层也没有出现某种不对称性，这个阶段可叫“早期对称阶段”。流出主要出现在两个象限中，在中心附近有一些小涡旋，这种流出层的不对称特征是许多台风所具有的。进一步的试验表明，这种不对称性是由流出层水平气流造成的一种动力不稳定性引起，而这又与负绝对涡度区的出现有关。

这时由于上层质量辐散增加，促使低层辐合增加，积云对流增强，最后出现与台风雨带相似的螺旋状上升运动带。中心最大上升运动为1.5米/秒，这与观测一致。螺旋带不断在风暴中心形成，以12米/秒速度向外传播。在离中心较远处遭到破坏。一条云带生命史约2.5天。但根据Kurihara,Tuleya的结果，雨带没有那么长的生命期，它们很象重力内波以100公里/时的速度迅速向外传播。螺旋雨带中的降水分布与成熟台风雷达照片一致(参看第二章图2.28)。在中心附近出现强对流，呈不规则的圆形分布，这相应于台风眼壁。此区中最大降水率大于100厘米/天。在两条向中心汇合的弱对流螺旋带中，降水率很小，只3厘米/天。还研究了台风数值试验期间的空气质点轨迹(图略)。

空气

在边界层内近于对称。当空气流入中心时加速，到达中心区后迅速向上，2小时内到达流出层，质点达到流出层之后减速，在十分不对称的不稳定气流中向外流出。上面这个时期叫“不对称阶段”。应该指出，这个名称是指处于气旋尺度涡旋中的中尺度系统而言。在实际大气中，热带气旋的生命史一般可由三个明显的阶段组成。第一阶段是东风带中或热带辐合区中的波状扰动。从天气尺度看是很不对称的。不对称模式不能代表这种早期的波状阶段。在第二阶段，在波状扰动的某一部分气压下降，形成闭合低压，具有明显的但是不强的气旋性环流。如果从天气尺度看，这个阶段比波动阶段要表现出更大程度的圆对称性。上述早期对称阶段与实际风暴发展的第二阶段很相似。以后最低气压加强达到成熟阶段，正是在这个时期出现明显的雨带，以此产生明显的中尺度不对称性。但从天气尺度看，成熟热带气旋可能是很对称的。

只有上部对流层流场表现出很不对称。模式气旋的不对称阶段可认为与真实台风的这种成熟阶段相类似。上面说明，台风数值模拟得到很多重要的成果。无论是台风演变和结构都与实际观测较为接近。但这仅仅是第一步。还有许多工作需要进一步研究。在所有数值模拟中，都是采用圆对称的初始涡旋假设，即讨论的实际上是弱低压圆形涡旋的增长问题，而在台风的生成预报中，这种弱低压涡旋是如何形成或由波状扰动演变而来是很重要的，而数值模式不包括这个时期，这是一个缺点。在模拟风暴的演变上，对于风暴的突然发展过程许多模式都没有很好的模拟出来。一个风暴的发展与环境条件密切有关，而在现今所有模式中都没有充分考虑环境与风暴的相互作用，如环境风场、周围的天气系统、垂直切变等。

为了更好地把数值试验结果用于实际预报，必须把一些重要的环境条件放入模式中去，但这样，数值模式的处理将十分复杂，从目前来看还有一些困难。不对称模式的试验是这方面工作的第一步。在台风数值试验中，还有不少工作值得进一步改进，如参数化方案、初始条件和网格的选取等。实际热带气旋中的一些特征也需要进一步在模拟试验中模拟出来，例如风暴中的一些中尺度特征。数值模拟是研究台风的一种有力工具，随着今后台风观测和研究的深入，计算机能力的加大将会有更大的发展，有许多重要的现象都可能由数值模拟得到解释。可以相信，这方面的工作对我国台风研究和实际预报也有很大意义。应该在不久的将来，结合我国具体情况积极地开展这方面的工作。

台风数值模拟的意义

台风数值模拟对于提高台风预报的准确率和理解台风的形成、‌发展、‌移动及强度变化具有重要意义。‌

台风数值模拟通过使用高分辨率的海温数据、‌物理-生物耦合的生态系统动力学模型、‌以及考虑海气相互作用等因素，‌能够更准确地模拟台风的动力和热力条件，‌以及台风对海洋生态系统的影响。‌例如，‌高分辨率的海温数据对台风数值模拟有一定影响，‌能够影响台风的强度变化1.‌‌通过数值模拟手段揭示台风过境引起的南海表层与次表层初级生产力的变化，‌可以了解台风对海洋生态系统的影响.‌

在台风路径和强度预报方面，‌虽然MM5模式对台风的路径预报具有一定的能力，‌但对强度的预报还不尽如人意。‌通过加入Bogus人造台风涡旋、‌GTS常规观测资料以及Quikscat卫星海面风非常规资料等手段，‌可以对初始场进行很好的调整，‌显著改善路径和强度的预报.‌

海气相互作用对台风发展的影响研究也表明，‌耦合作用引起的海表面温度降低会减弱台风强度，‌而台风移动路径受耦合作用的影响不大。‌这表明通过数值模拟研究海气相互作用对提高台风的数值模拟及预报水平有重要意义.

‌台风数值模拟不仅能够帮助我们更好地理解台风的形成、‌发展、‌移动及强度变化，‌还能够提高台风预报的准确率，‌为防灾减灾提供重要的科学依据和技术支持‌