第41卷 第6期
海 洋 学 报
V o l .41,N o .6
2019年6月
H a i y a n g X
u e b a o J u n e 2019
雷小途，李永平，于润玲，等.新一代区域海-气-浪耦合台风预报系统[J ].海洋学报,2019,41(6):123 134,d o i :10.3969/j
.i s s n .0253-4193.2019.06.012
L e i X i a o t u ,L iY o n g p i n g ,Y uR u n l i n g ,e t a l .An e w g e n e r a t i o n o f r e g i o n a l a i r -s e a -w a v e c o u p l e d t y p h o o n p r e d i c t i o n s y s t e m [J ].H a i y
-a n g X u e b a o ,2019,41(6):123 134,d o i :10.3969/j
.i s s n .0253-4193.2019.06.012新一代区域海-气-浪耦合台风预报系统雷小途1,2
，李永平1，于润玲1，李泓1，汤杰1，段自强1，郑运霞1，方平治1，赵兵科1,
曾智华1，黄伟1，鲍旭炜1，喻自凤1，陈国民1，马雷鸣1，骆婧瑶1，张帅1，林立旻1
戚风蛋糕做法(1.中国气象局上海台风研究所，上海200030;2.上海市气象局，上海200030异常的拼音
)收稿日期:2019-01-23；修订日期:2019-05-15
㊂基金项目：国家重点研发计划(2018Y F C 1506400)；海洋国际合作项目(I P O V A I -04-05)；国家973计划项目(2013C B 430305
)㊂作者简介：雷小途(1968 )，男，江西省奉新县人，研究员，博士，从事台风理论及预报技术研究㊂E -m a i l :l e i x t @t y p h o o n .o r g
.c n 摘要：依托国家重点基础研究(973)计划项目 上层海洋对台风的响应和调制机理研究 ，中国气象局上海台风研究所联合国家海洋局的相关单位，通过实施近海台风的外场观测科学试验㊁加强台风边界层(特别是海气相互作用)物理过程诊断分析及参数化方案等的研究，建立并改进了台风强度预报的海-气-浪耦合预报模式系统，并在此基础上发展了台风强度的集合预报技术，在历史典型台风个例和2
016 2017年台汛期的业务化测试中表现出良好的预报性能㊂关键词：台风；强度预报；海-气-浪耦合中图分类号:P 457.8
文献标志码:A
文章编号:0253-4193(2019)06-0123-12
1 引言
近年来，台风(西北太平洋热带气旋的俗称)路径
预报误差显著减小[1
]，但其强度预报仍然进展缓慢,
即便是台风强度的确定(简称定强)都仍存在较大的
不确定性[
2
]㊂通常数值模式对强度较强的台风预报偏弱，而对较弱的台风预报偏强，至今数值模式对台
风强度仍没有明显的业务预报能力[3
]㊂究其原因，大
尺度环境场的引导气流主导了台风的移动，引导气流较弱时下垫面(含海-气相互作用)及台风本体结构的作用才会显露出来(但因引导较弱故移速较慢因而误差不会太大)，而大尺度环境场㊁下垫面及台风结构三
者对台风强度的影响程度通常不分伯仲[
4
]㊂随着卫星等大气探测及数值预报技术的发展，目前数值模式对大尺度环境场的描述和预报已较为可靠，但对台风结构及下垫面(下边界层)物理过程，特别是海-气相互作用等的刻画因直接观测资料的匮乏而仍有待
改进㊂
自20世纪50年代美国在大西洋实施飞机穿越
飓风(大西洋热带气旋的俗称)的观测一直延续至今㊂这项业务性观测，一方面提高了飓风的业务定强精度，另一方面通过所获直接观测资料的同化，改进了模式台风结构的有效刻画，进而可减少模式对飓风强
度预报误差20%以上[5]
㊂2010年,
美国国家海洋和大气管理局(N a t i o n a lO c e a n i ca n dA t m o s p
h e r i cA d -m i n i s t r a t i o n ,N O A A )启动了为期10年的飓风预报能力提升计划(H u r r i c a n eF o r e c a s t I m p
r o v e m e n tP r o -g
r a m ,H F I P )，主要通过飓风海-气边界层和高层流出层的观测㊁数值模式(含高分辨率模式㊁海-气耦合模式㊁集合预报)及其资料同化系统的研发和改进，将飓风预报的时效延长至7d ，飓风路径和强度预报性能
提高50%,24h 的飓风强度快速变化检测概率(P r o b -
a b i l i t y o
f D e t e c t i o n ,P O D )提高至90%(5天线性减少至不小于60%)㊁虚警率(F a l s eA l a r m R a t i o ,F A R )
减
小至10%(5天线性增长至不超过30%)[6-7]㊂美国众多高校和研究院所参加了H F I P计划，已取得显著进展，并提前1年达到计划的5年目标[8-10]㊂
有鉴于此，中国气象局上海台风研究所，依托所主持的国家重点基础研发(973)计划项目 台风登陆前后异常变化及机理研究(2009C B421500) ，在原有台风业务(大气)模式(G R A P E S_T C M)的基础上，自2009年发展建立了海-气耦合的台风模式(G R A P E S_ T C M+E C O M),2004 2012年登陆我国的10个典型台风的批量对比试验结果表明：相对于大气模式，海-气耦合模式显著提高了24h和48h台风路径预报能力[11]㊂
考虑到台风条件下的海-气相互作用的复杂性，加之我国长期 海面以上归气象㊁海面以下归海洋 的部门职责分割状况，客观上部分制约了我国台风条件下的海-气相互作用及其对台风强度影响的机理研究和预报能力的提升㊂为此，中国气象局上海台风研究所，自2013年与自然资源部第二海洋研究所(原
国家海洋局第二海洋研究所)等单位联合开展国家重点研发计划等项目研究，旨在综合应用海上观测资料，研究台风海-气相互作用过程中大气和海洋边界层物理过程的特征，对现有初步建立起来的台风(大气)和海洋耦合模式进行改进和完善，在资料同化技术基础上融合各种观测资料并研制海-气耦合台风数值预报模式的大气初始化技术，开发台风强度集合预报方法，建立综合采用各种预报产品的台风强度变化的集合预报应用示范平台[12]㊂通过近5年的攻关研究，除在台风条件下的海-气相互作用及大气和海洋边界层物理过程特征观测研究方面取得较显著进展外，对台风数值模式的海-气耦合物理过程的改进有效提高了台风强度的预报性能㊂
2新一代区域台风耦合模式系统的研发
在国家重点基础研究发展计划(973计划) 台风登陆前后异常变化及机理研究(2009C B421500) 已初步建立起来的由G R A P E S_T C M中尺度台风模式和E C O M海洋环流模式构成的台风海-气耦合模式基础上，研制建立了一个由G R A P E S_T C M中尺度台风模式[13]㊁E C O M海洋环流模式[14]和W A V E W A T C H I I I (WW3)[15]海浪模式构成的新一代的区域中尺度台风耦合模式系统㊂该 耦合模式 基于O A S I S耦合器[16]实现台风(大气)㊁海洋环流㊁海浪模式三者间的信息交换㊂大气模式主要通过风应力向海浪模式输送动量通量，海浪模式通过波浪高度㊁波龄等参数改变海面粗糙度，从而反馈影响海-气界面的动量通量，同时大气模式通过风应力向海洋环流浪模式输送动量通量，从而改变海面温度和海流，海面温度的改变通过热量通量反馈影响大气，海流则通过波流相互作用影响波浪(图1)㊂
图1新一代区域海-气-浪耦合的台风预报模式结构
F i g.1S t r u c t u r a l f r a m e w o r ko f t h e n e w g e n e r a t i o n o f r e g i o n a l
a i r-s e a-w a v e c o u p l e d t y p h o o nm o d e l
对0413号强台风 云娜 和1003号台风 灿都 等典型台风个例，进行了大量的模拟和预报试验，图2为耦合模式对 灿都 强度的模拟㊂结果表明：海洋环流模式可引起S S T明显下降，进而影响海-气热量通量，导致台风强度减弱；而海浪模式的引入主要引起海表粗糙度的变化，改变海-气动量通量的交换，进而影响台风的强度和结构[17]㊂分析发现：远海区域，海表降温使得台风强度减弱，而海浪使得台风强度增强，正负反馈互相影响；而近海区域，海浪对台风强度的增强作用较远海加大，但仍不及海表降温等海洋环流过程对台风强度的影响(图略)㊂
分析还表明，气-浪耦合使台风加强，海-气耦合使台风减弱，海-气-浪耦合的结果接近海-气耦合㊂海浪的引入使台风强度变强，风速变大，风应力增大，使海水上翻引起的混合加强，导致海表降温更加明显㊂气-浪耦合加强海-气间热量交换[17]，而海-气耦合减弱海-气间热量交换，海-气-浪耦合的结果取决于两者的平衡㊂海浪场的分布主要取决于风场的分布㊂另外，混合层深度的增加使海表降温减弱，但使深层海水降温增强，上层海洋热量耗散加强，有效波高增大[18]㊂
3耦合模式物理过程参数化方案的改进利用典型台风个例，完成了对海-气-浪模式耦合
421海洋学报41卷
过程的合理性测试㊂在此基础上，我们充分利用上海台风研究所及973项目实施过程中获取的目标台风野外直接观测资料，对耦合模式大气边界层内海-气动量交换㊁海面水汽输送和海浪飞沫的感热与潜热输
送等物理过程参数化适用算法等进行了改进和完善，并开展了耦合模式边界层高度参数化方案改进等研究(图3
)
㊂图2 新一代区域耦合模式对1003号
灿都 台风强度的模拟F i g .2 S i m u l a t i o n o f t y p h o o nC h a n t h u s i n t e n s i t y b y t h e n e wr e g i o n a l c o u p
l e dm o d e
l 图3 耦合模式组合试验中物理海洋要素的时间系列
F i g .3 T i m e s e r i e s o f p h y s i c a l e l e m e n t s o f o c e a n f r o mt h e c o u p l e dm o d e lw i t h c o m b i n a t o r i a l e x p
e r i m e n t s A S ：海-气耦合;A S W ：海-气-浪耦合;50和100分别为海洋混合层深度设置为50m 和100m
A S :a i r -s e a c o u p l i n g ;A S W :a i r -s e a -w a v e c o u p l i n g ;50a n d 100r e p r e s e n t t h e d e p t h s o f o c e a n i cm i x e d l a y e r s e t t i n g s a s 50ma n d 100m ,r e s p e c t i v e l y
3.1 海洋飞沫生成函数改进
台风条件下海浪破碎产生的飞沫会在海-气界面处形成一个水滴蒸发层，直接影响海-
气之间的动量㊁热量以及水汽交换，从而影响台风的结构与强度㊂海洋飞沫对台风的影响，渐成台风学科的研究热点之一，研究发现飞沫生成函数不仅是风速的函数，还与海浪状态，如海面粗糙度㊁白冠覆盖率㊁波龄等因素有
关，而且不同沫滴半径的飞沫生成函数值相差可达数
个量级[19
]㊂A n d r e a s [2
小学卫生工作计划
0]根据少量的观测结果给出了大粒径段粒子通量的谱特征，认为在10μm 以上粒径段，粒子通量与粒径之间存在幂次律关系，并给出了
不同粒径段对应的幂次律常数㊂G r y
t h e 等[21]
利用大量站点和船载平台等观测的海洋飞沫浓度资料，并结合拉格朗日粒子扩散模型(F L E X P A R T )，给出了海洋飞沫生成函数，该函数主要适用于小粒径的海洋飞
5
216期 雷小途等：新一代区域海-气-浪耦合台风预报系统
菜花怎么炒沫，并不适用于大粒径粒子的飞沫生成㊂
我们采用分粒径段对飞沫生成函数进行组合计
算，即用G r y t h e 的方案计算小粒径(<10μm )的海洋飞沫生成量，用A n d r e a s 的方案计算大粒径段
(>10μm )
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的海洋飞沫生成量，将二者组合形成一个新的海洋飞沫浓度的计算方案，该方案适用于0.01~
征字组词200μm 粒径的海洋飞沫生成量计算[2
2]
㊂对典型个例1409号台风
威马逊 的数值试验表明，耦合模式中，海洋飞沫主要通过改变海表面粗糙度与热通量对台风的强度与结构产生影响；分粒径段组合方式的海洋飞沫生成函数，可改善海-气-浪耦合模式对台风强度变化过程的模拟(图4
)
㊂图4 海洋飞沫新方案在耦合模式对1409号台风 威马逊 强度与路径模拟中的应用(2014年7月16日00时-18日00时)F i g .4 A p p l i c a t i o n o f t h e n e ws c h e m e o fm a r i n e d r o p l e t i n t h e i n t e n s i t y a n d t r a c k s i m u l a t i o n o fN o .1409t y p
h o o nR a m a s o n b y c o u p l e dm o d e l (J u l y 1
600:00-1800:00,2014)3.2 海面拖曳系数计算方案改进
在海洋飞沫生成函数改进及近海相关观测资料
分析的基础上[23
]，形成一个新的适用于强风条件且
依赖水深的海面拖曳系数C D 计算方案，并通过海洋环流模式的数值模拟，对比分析了台风条件下使用新的海面拖曳系数方案与模式原有G a r r a t t (1977)拖曳系数方案后上层海洋海温响应的差异(图5)㊂结果表明，在低风速情况下，考虑海洋飞沫因素的海面拖曳系数C D 与经典的G a r r a t t (1977)拖曳系数经验公式计算数值相近，在台风高风速情景下，考虑海洋飞
沫因素后的C D 方案与经典的计算方案差别较大，表现出随风速增长而趋缓，约在最大风速为19m /s
附近达到饱和，它略小于以往研究结果㊂随着风速进一步增大,C D 数值逐渐减小，它主要与高风速条件下海洋飞沫层的形成减小海面粗糙度有关㊂对比数值模拟试验结果表明，模式采用考虑海洋飞沫作用后新的海面拖曳系数计算方案，减弱了大气对上层海洋的动力强迫，通过与南海浮标列阵的观测比较，表明采用新方案后模式能更好地反映台风条件下上层海洋的温度降温幅度㊁混合层加深幅度㊁温跃层强度减弱等
621海洋学报 41卷
上层海洋要素变化的观测特征[24]㊂该研究结果对于
深入认识海-气动量交换过程的复杂性㊁优化台风海-
气耦合模式的耦合方案具有参考意义
㊂
图51409号台风 威马逊 影响前后海温随深度的变化廓线
F i g.5 P r o f i l e o f s e a s u r f a c e t e m p e r a t u r e c h a n g ew i t hd e p t hb e f o r e a n d a f t e r t y p h o o nR a m a s o nP a s s 实线-台风影响前浮标B4观测，虚线-台风影响后浮标B4观测,e x p1-C D老方案,e x p2-C D新方案s o l i d l i n e-t h e o b s e r v a t i o n d a t a o f b u o y B4b e f o r e t y p h o o n a f f e c t e d,d a s h e d l i n e-t h e d a t a o f B4b u t a f t e r t y p h o o n,
e x p1-t h e e x p e r i m e n t b y u s i n g t h e o l d C D c a l c u l a t i o n s c h e m e,e x p2-b y u s i n g t h e n e w C D s c h e m e
3.3耦合模式边界层高度参数化方案改进
知识产权日耦合模式边界层高度对边界层的湍流及海-气通量等有重要影响，动力和热力学角度均可刻画(定义)边界层高度㊂近年来，上海台风研究所基于考虑台风入流层物理特征并结合边界层普遍存在的卷涡特点，发展了适用于台风模式的边界层高度参数化的动力学新方案[25-26]，并应用于耦合模式㊂图6给出的是新老方案计算的台风 莫拉克(0908号) 边界层高度及耦合模式使用新老方案对台风 莫拉克 (0908号)路径和强度模拟的影响㊂
对比数值试验结果表明，新的边界层高度参数化方案与原方案的最大差异发生在陆地上和海上的强对流区域；新的边界层高度表征方案能改善耦合模式中不稳定能量的分布以及对流的发展，进而改进模式降水和台风强度的模拟㊂
4耦合模式批量预报试验
集成海洋飞沫生成函数㊁拖曳系数及边界层高度等新方案于海-气-浪耦合模式，针对典型台风个例进行了模拟性能测试㊂图7为对1601号 尼伯特 台风强度的模拟结果，可见海-气-浪耦合模式对 尼伯特 台风迅速增强的过程模拟较好(其中海浪的作用明显)，而几乎所有的业务模式均未对 尼伯特 台风的突然增强过程有所反应(在突然增强阶段的强度预报的误差均超过20m/s)，对1409号超强台风 威马逊 的模拟也有类似结果(图略)㊂表明新一代区域海-气-浪耦合模式对台风强度变化(包括快速增强台风)有一定的模拟能力㊂
在此基础上，在2016年至2017年西北太平洋台风汛期，对海-气-浪耦合模式和海-气耦合模式进行了批量同样本的准业务预报对比试验㊂从台风强度预报误差看，海-气-浪耦合模式12~72h预报的台风近中心最大风速，比海-气耦合和非耦合模式预报效果都好，特别是对48~72h的预报改进更为明显(图8)㊂
进一步对大量台风个例的后报和准业务预报结果分析表明，引入海洋模式可引起海表温度明显下降，进而影响海-气热通量，导致台风强度减弱；而引入海浪模式，能更加合理地描述台风条件下波浪引起
的海面粗糙度和波浪破碎㊁海洋飞沫等物理因子和过
古典小说721
6期雷小途等：新一代区域海-气-浪耦合台风预报系统
