不同微物理方案对台风“利奇马”雨带模拟的影响分析

李冠秀 ，吴宛真, ，黄伟, ，束炯，邓琳,

(1. 华东师范大学地理科学学院，上海 200041；

2. 中国气象局上海台风研究所，上海 200030；
3. 中国气象局台风数值预报重点实验室，上海 200030)

台风是产生暴雨的主要天气系统，经常伴随极端性降水，由于其危害严重、预报难度大，所以仍是当下研究的热点及难点问题之一[1]。随着卫星资料的广泛应用和中尺度模式的逐步发展，对台风的路径、强度的预报水平也逐年提升[2]。中尺度模式中除了包含基本的动力框架外，同时也包含了多种物理过程[3]，其中微物理过程描述了云中水汽和各种水凝物间的转换，即成云致雨的过程以及相应的动力、热力效应[4]。近年来国内外学者从路径强度、大尺度环境、内部结构等多个方面研究了微物理方案与台风发生、发展机制的相互作用，并取得了较多成果[5]。

许多研究表明，模拟的台风路径通常对云微物理方案不敏感，但模拟的台风强度对云微物理方案是非常敏感的[6-7]。如Wang 等[8]提出仅使用暖云参数化方案时，模拟的台风具有最强的加深或增强作用；
Willoughby 等[9]发现与不使用冰相微物理方案的模拟相比，使用冰相可模拟出更真实的下降气流和更强的强度，且活跃的冰相过程与台风强度相关；
Yang 等[10]通过研究不同云微物理方案对台风强度模拟的差异，发现模拟的海平面最低气压与暖云方案中水凝物的转化率相关，暖云中云水、雨水的高转化率可促使大雨滴在眼墙周围快速下落形成较低气压。此外，微物理方案还直接决定了眼墙及外围雨带里水凝物的组成成份，通过水汽凝结、雨滴蒸发等相变过程带来潜热释放，与环境场进行热量交换，从而改变涡旋内部的热力结构，进一步影响台风的发生发展[11-12]，如Chan等[13]使用了不同微物理参数化方案诊断由微物理过程引起的非绝热加热，发现非绝热加热的差异主要来源于不同微物理参数方案中雨、雪和霰的自我转化、冻结和积聚，云水以及冰和雪的沉积；
其他研究表明云微物理方案还影响着水凝物的垂直分布及外围雨带的水平分布，雨水和霰的混合比与台风眼壁区域的垂直速度分量和等效势能温度高度相关[14]。

不同微物理参数化方案的选取意味着选择了不同的水凝物计算方式，所有水凝物的含量及相互作用都影响着台风的结构及发展，同时产生的潜热释放也会影响台风眼墙的垂直速度和降水速率，因此微物理方案之间的差异对台风内部结构及降水模拟有着直接影响。本文拟通过对比不同微物理参数化方案模拟台风“利奇马”的结果，分析雨带模拟产生明显差异的原因，探究造成差异的微物理过程来源，通过微物理过程归因不同微物理方案中水凝物的计算及表征方式，为后续微物理方案的改进提供进一步的参考依据。

本文选取台风个例为“利奇马”，“利奇马”是2019 年登陆我国的最强台风，于2019 年8 月4 日09 时(除标明外，均为世界时)在西太平洋洋面上形成，并向西北方向移动，8 月7 日15 时加强为超强台风，并继续向西北方向移动，向浙江沿海靠近，并于8 月9 日17 时45 分在浙江省温岭市沿海登陆，登陆时中心附近最大风力达16 级(52 m/s)[15]。

本文模拟选取了华东区域中尺度模式系统，该模式系统基于WRFv3.8.1 (Weather Research and Forecasting Model)建立[16]，是华东区域气象中心主要的数值预报业务模式系统。模拟采用Lambert 地图投影，水平格点792×852，水平格距3 km，时间步长15 s，垂直51 层，初始场使用GFS(Global Forecast System)全球模式分析场，大尺度强迫采用相应的预报场。模式中心经纬度为127.0 °E，26.0 °N，模拟区域如图1 所示。预报时间为2019年8月8日00时—11日00时共72小时，逐时输出模式结果。本次实验除微物理方案外，其他物理方案都固定选取同样配置，分别为RRTMG 长波辐射方案[17]、Dudhia 短波辐射方案[18]、YSU 边界层方案[19]，陆面过程选择Noah 方案[20]，无积云对流参数化方案，以CMAQ 模式[21]输出的2019 年8 月8 日00 时的气溶胶分布场作为气溶胶初始场。

图1 模拟区域

微物理方案分别选取Thompson 方案及CLR方案(Chen, Lamb and Reisner scheme)[22-23]，Thompson 方案是一种不完全的双参方案，可预报云水、雨水、雪、冰和霰5 类水凝物的质量混合比，相较于传统的单参数方案增加雨水和云冰的数浓度，假设了雪粒子为非球面，且密度随直径变化而变化[24-25]。CLR方案则是完全双参数方案，可同时预报云水、雨水、雪、冰和霰5类水凝物的质量混合比(qc、qr、qi、qs、qg)和数浓度(nc、nr、ni、ns、ng)，两个微物理方案的水凝物预报量如表1 所示。Thompson是应用广泛的微物理方案，其最新版本中包含了气溶胶对云水核化的影响，研究显示该版本对台风降水模拟得更好；
CLR 方案由一系列体积液态水的质量和数浓度的经验公式组成，则有更完善的云水核化过程，提供了诊断方程来计算下落速度，使得较大的液滴产生更大的下落速度，因此凝结物的有效半径分别对降水过程、辐射加热或冷却至关重要。

表1 微物理方案的水凝物预报变量

3.1 路径与强度

由图2 可看出，在模拟初期，当台风还位于宽广的洋面上，除了细微的速度差异，两个试验的路径模拟结果几乎一致；
而在台风登陆前后Thompson 方案模拟的路径相较于CLR 方案向右偏移。结果显示，CLR 方案对台风“利奇马”的模拟结果与观测更相符，与BABJ (国家气象中心的实时报文资料)观测路径保持相对一致，速度稍滞后于实况，Thompson 方案在登陆后与BABJ 实况路径出现差异，且移动速度滞后于BABJ路径。

图3 表明，两个试验虽较好地模拟出了台风“利奇马”强度的变化，当台风位于宽广的洋面上时，Thompson 方案在模拟初始阶段(0—12 h 期间)表现出了更强的强度，其余时段两个试验的模拟强度基本上维持着一致的变化，均弱于实际的台风的强度；
而在台风登陆前后，两个试验的强度开始出现差异，从中心最大风速和最低气压来看，Thompson 方案模拟的台风强度强于CLR 方案，但CLR 方案的强度在台风登陆后与观测更接近。综合来看，两组试验模拟的强度差异较小，海平面最低气压与中心最大风速均显示出CLR 方案对“利奇马”的强度预报表现较好。

图2 BABJ实况(黑色)与Thompson方案(蓝色)、CLR方案(红色)模拟的移动路径(逐小时)对比(实心点间隔24小时)

图3 BABJ实况(黑色)与Thompson方案(蓝色)、CLR方案(红色)模拟的最低中心气压(虚线)及10 m风速(实线)对比

3.2 降水分布

Global Precipitation Measurement IMERG(GPM) 作 为 继 Tropical Rainfall Measuring Mission 3B42 (TRMM)之后新一代的全球卫星降水产品,被证实其精度较好且优于TRMM[26]，因而本文使用了GPM 卫星与地面观测融合降水产品作为观测实况。模拟初期(图4a～4c)两个方案的降水形态比较相似，且与GPM 卫星观测资料的降水形态比较一致；
在台风接近陆地登陆前(图4d～4f)，虽然两个方案在眼墙的位置降水结构相似，但Thompson 方案在距离台风中心更近的位置形成较强的螺旋雨带，而CLR 方案模拟的螺旋雨带较弱，且距离台风中心较远，GPM 卫星观测资料结果显示CLR 方案的模拟结果更准确；
图4g～4i 显示，在台风登陆后，由于两个方案模拟台风移向及移动速度的差异造成台风结构破坏的情况不同，因此在陆地上的降水结构也产生了明显差异，其中CLR 方案模拟的降水形态与观测资料更接近。

3.3 云微物理过程特征

Thompson 与CLR 方案模拟结果与观测对比表明，模式基本模拟出了台风的路径、强度和降水分布。在模拟前36 小时，两个方案模拟的路径和强度差异并不明显，且两个方案在眼墙位置形成了相似的降水结构，但外围雨带降水却出现了明显差异。Thompson 方案在距离台风中心100 km左右形成较强的螺旋雨带，而CLR 方案在距离台风中心150 km 左右的位置形成了较弱的螺旋雨带。登陆后两个方案的台风结构破碎情况有明显差异，由此又进一步影响了降水结构的分布。图5显示两个方案的主要降水区域集中分布在50 km半径附近的区域，其中Thompson 方案的最大值约为40 mm/h，出现在模拟开始的前6 h，意味着Thompson 方案在模拟初始时刻形成了更强的降水。自8 月9 日00 时开始，Thompson 方案在100 km 半径附近逐步出现降水的大值区，为16～26 mm/h，对应台风外围的降水雨带；
至9 日12 时，两个方案出现明显降水分布差异，Thompson 方案在100 km处出现明显的降水中心，CLR在150 km附近出现16～20 mm 的降水区域，分别对应了距台风中心不同距离的外围雨带。由此看出，当台风位于宽广洋面上时，即两个方案模拟的路径、强度较一致时，降水分布产生明显差异，主要差异表现在8 月9 日12 时前后出现了距台风中心不同距离的外围雨带分布。

图4 GPM卫星与地面观测融合1 h降水产品(a、d、g)与Thompson方案(b、e、h)、CLR方案(c、f、i)模拟的1 h降水结果对比 a～c、d～f、g～i分别为北京时间2019 年8月8日18—19时、9日14—15时、10日05—06时的1 h降水模拟结果；
e、f中红圈代表外围雨带位置。单位：mm。

图5 Thompson(a)、CLR(b)方案小时降水量的径向平均随时间变化

两组试验中雨带上的明显差异可能与两个微物理过程对水凝物模拟差异有关，图6 结果显示，自8 月9 日00 时开始，Thompson 方案中距台风中心100 km 半径处冰相态的水凝物逐步出现7～9 kg/m2的大值区，CLR 方案距台风中心150 km 半径处出现3～4 kg/m2的大值区。由于眼墙的形成主要是受到大尺度的动力驱动，雨带的差异则与微物理参数化方案产生的水凝物以及沉降过程密切相关，两组试验中雨带出现的大值区分别与冰相态的水凝物出现的大值区相对应。代表了台风外围雨带主要来源于冰相态粒子下落过程中融化等相变过程，两组试验模拟形成的不同冰相态粒子的含量及分布直接决定了台风外围雨带的形态分布，因而雨带差异依赖于两组试验微物理过程中模拟的冰相态粒子含量及下落速度。

图6 8月8日00时—11日00时Thompson和CLR方案冰相态水凝物(冰、雪、霰)(a、b)、液态水凝物(云水、雨水)(c、d)的径向平均随时间变化

进一步定义各时刻距离台风中心最低气压所在位置小于等于190 km 范围的格点作为台风主体，进行区域面平均，计算了8 月8 日00 时—11 日00时台风主体内云中水凝物垂直积分量随时间的演变(图7)。

图7 台风主体(距台风中心190 km半径内)冰相态(a)、液态(b)

水凝物的区域平均随时间变化，其中冰相态水凝物：冰(QICE)、雪(QSNOW)、霰(QGRAUP)，液态水凝物：云水(QCLOUD)、雨水(QRAIN)。

液态及固态水凝物随时间的变化反映了两组试验在模拟台风的组成和结构上的差异，同时也暗示了台风模拟内部暖云和冷云过程的差异。两组试验在模拟期间产生的液态水总量相近，主要差别在于CLR方案在模拟过程中产生了更多的云水，造成该差异可能有三种不同原因：一是云滴成长为雨滴过程效率的差异；
二是CLR 方案产生的雨滴平均粒径小、沉降慢，导致大气中的液态水多，降水率却低；
三是若液态水持续上升至温度零下的环境后，可能自发凝固或是透过与冰的碰撞凝固成冰，当整体的凝固效率不佳时，会有一部分水凝物保持在过冷水的状态不会凝固，因此造成云水较多。两组试验在模拟期间冰相态粒子的差异表现在Thompson 方案产生了更多冰相态粒子，尤其是相比于CLR方案产生了更多含量的雪。该特征也是两个方案在冰相态粒子模拟中产生的最大差异，尽管两组试验在雪含量的模拟上呈现了较一致的变化趋势，雪的含量约为霰的10 倍多。自8 月9 日15 时前后开始(登陆前)云冰与雪的垂直积分量有明显的下降趋势，考虑可能因为台风接近陆地，底层结构更快受到破坏，相对位于低层的雪、霰的含量有更明显的下降，其中Thompson方案的雪、霰相比与CLR方案下降趋势更加平缓，云冰的垂直积分量波动略降，这与登陆后两个方案的强度变化也较一致，尤其是霰的垂直积分量与台风强度有很好的相关性，与中心最大风速的变化趋势一致。Thompson 方案登陆后路径偏右，更加接近洋面，可吸收和获取更多的水汽供应以维持台风强度，而CLR 方案以更快的移速向内陆移动，水汽供应切断导致强度减弱得更加迅速，因而影响了与对流活动关系密切的冰态水凝物的形成。

从水凝物在垂直方向的分布变化来看(图8)，较CLR 方案而言，Thompson方案在融化层以上存在更丰富的过冷水滴，由于过冷水滴与高层的冰晶可通过冻结进一步转化为雪，因此为雪凇附增长提供了良好环境。两个方案的固态水凝物均以雪为主，霰较少，高层的雪和霰随着反气旋辐散向外流出，掉落到低层之后会成为触发雨带生成的重要机制，如果固态水的沉降速度慢，将有机会被送到更远的地方。Thompson 方案中雪含量的大值区集中10 km 高度上，明显高于CLR 方案，CLR方案中霰的含量在5 km 左右达到最大值。由于雪、霰在暖区的融化以及云水、雨水的碰并也是降水的主要来源，霰转化率的大值区常对应着雨水转化率的大值区，说明霰粒子溶化形成水滴是台风暴雨的主要形成机制，因而霰过程的强弱与台风强度的变化趋势一致[27]，解释了模拟的水凝物中霰的垂直积分量与台风强度有很好的相关性，与中心最大风速的变化趋势一致。

图8 8月9日08时水凝物质量混合比的径向平均随高度变化

图9 展示了8 月9 日06 时两个方案模拟对流系统的发展状态，Thompson 方案在距台风中心100 km 处形成了一明显的上升气流，该上升气流的位置与潜热释放的大值区相对应。微物理过程中的潜热释放来自于水凝物的相态变化，例如台风眼墙区上升运动伴随的加热来源于水汽转变为液态水和固态水的过程，因而Thompson 方案在100 km处上升支的形成主要是来源于冰相态粒子(雪)相态的变化，冰相态粒子的融化贡献了潜热释放，对应了Thompson 方案在距台风中心100 km处形成了外围雨带。

图9 垂直速度(m/s)的径向平均随高度变化(a，b)、潜热释放(K/s)的径向平均随高度变化(c，d)

在整个模拟过程，两个方案中雪粒子含量为霰的10 倍左右，且Thompson 方案中雪粒子的含量明显高于CLR 方案，因此主要关注雪粒子的下落速度与直径的关系。一方面雪粒子掉落溶化形成水滴是台风暴雨的来源，另一方面雪粒子的沉降速度与直径又直接影响了其由台风中心向外辐散的速度，从而决定外围雨带形成的位置离台风中心的距离。图9 对比两个方案雪粒子的下落速度与直径的关系，可看出CLR 方案中的雪粒子直径相较于Thompson 方案较大，固态粒子的沉降速度也更慢，在高层反气旋向外辐散的过程中，冰态粒子将更有机会被送到更远的地方，通过融化形成降雨，因而CLR 方案生成的外围雨带离中心更远。综合以上雨带及冰水物质随时间分布的变化，认为Thompson及CLR方案雨带的差异是由于两个方案中冰相态粒子下落速度的差异，下落速度更小的冰相态粒子更有可能被高层反气旋向外辐散至更远的区域。粒子直径大小也会影响冰相态水凝物的水平移动速度，使其被抛至距台风中心不同的距离处。例如小雨滴受到环境风切变影响下，通常与环境风速保持一致，而相同的风切下，粒子尺度越大，水平移动速度更大，偏离环境风速越大[28]。因此大雨滴容易被送到距离台风中心更远的距离处，影响台风该处中高层的大气稳定度，产生不稳定能量并释放潜热，最后冰相粒子下落中一部分融化形成降水，形成距台风中心不同距离处的外围雨带，与Thompson、CLR 方案中液态水凝物100 km、150 km 处的大值区相对应，此外又进一步激发对流的发展，造成该处垂直上升运动的增强。

图10 8月9日08时雪粒子下落速度随直径变化情况

本文选取了Thompson 和CLR 微物理参数化方案，使用华东中尺度模式系统模拟了台风“利奇马”，对比分析了两个方案的差异。

(1) 相比于Thompson 方案，CLR 方案模拟台风“利奇马”的路径、强度在登陆后明显更接近观测。

(2) 由于台风结构和移速模拟的差异，两个方案模拟的“利奇马”在登陆后结构破碎产生差异，结果表明CLR 方案在登陆后路径、强度及降水形态更接近实况。

(3) 比较两个方案模拟的台风中心最低气压、眼墙及强度在登陆前几乎一致，但外围雨带却有着明显差异，Thompson 方案在距离台风中心100 km 左右形成较强的螺旋雨带，而CLR 方案在距离台风中心150 km 左右的位置形成了较弱的螺旋雨带，即CLR 方案产生了距离台风中心更远的外围雨带。

(4) 两个方案雨带模拟的差异与云微物理过程相关，Thompson 方案的固态水以雪、霰为主，高层的雪和霰随着反气旋辐散向外流出，掉落到低层之后会成为触发雨带生成的重要机制，且Thompson 方案的雪粒子下落速度相对更小、直径更大，更有机会被送到离台风中心更远的位置，冰相粒子下落中一部分融化形成降水，最终形成距台风中心不同距离处的外围雨带，因此解释了CLR方案模拟的雨带生成的位置离中心更远。

微物理参数化方案蕴含了不同微物理过程的表征方式，本文研究结果表明，微物理过程不仅直接描述了台风降水的量级与速率，且模拟的外围雨带结构特征也与水凝物的含量变化、直径大小及下落速度的设定息息相关。对比不同微物理参数化方案产生的雨带模拟差异，有助于了解微物理过程对于台风结构模拟上更深层次的影响，为进一步完善数值模式的微物理参数化方案提供了参考。

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