束正淼　(解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101)



区域气候模式对西北太平洋热带气旋活动模拟能力检验

束正淼(解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京 211101)

摘要选取RMIP 第3阶段由南京大学提供的3个区域气候模式模拟结果，将模拟的1980～1999年西北太平洋热带气旋(TC)的活动特征与观测进行对比，初步检验了模式模拟西北太平洋TC活动特征的能力。结果表明，3个模式模拟的TC生成频数和实况差异均较大，WRF模式和WRF_sn模式的TC生成频数比观测分别多53.1%和40.8%，而RegCM3模式比观测少76.5%；在TC生成地点分布方面， WRF模式对南海TC生成模拟效果较差，WRF_sn模式对西北太平洋3个TC生成大值区均有一定的模拟能力， RegCM3模式的TC生成频数普遍偏少；WRF模式和WRF_sn模式均能模拟出TC生成频数的季节变化和年际变化，但模拟的最大TC生成月份分别出现在7和6月，比实际最大生成的8月分别早1～2个月。分析6～10月环境场发现，模拟的TC生成频数和生成位置空间分布的误差与季风槽位置、垂直风切变强度等的模拟误差有关。

关键词RMIP;热带气旋;西北太平洋;区域气候模式；大尺度环境场

热带气旋(TC)是发生在热带洋面上的具有暖心结构的气旋性环流，它的生成和发展常伴随着强风和强降水等天气现象，登陆的TC还会引发洪涝、泥石流等灾害。TC在带来灾害的同时，也能将大量的水汽从海洋输送到陆地，是夏季陆地上重要的水汽来源[1]。此外，TC将大量水物质和能量从热带地区裹挟到副热带地区，并与副热带区域的天气系统相互作用，这对于不同纬度间大气物质和能量的交换以及全球天气气候的变率也会产生重要的影响[2-3]。西北太平洋(WNP)是世界上TC活动最活跃的海域，且是全球唯一的一年四季都有TC生成和活动的海域[4-5]。对这一海域的TC活动特征的研究不仅有助于东亚、东南亚国家和地区政府制定科学的防御措施，减少生命和财产损失[6-7]，且对天气和气候学的发展也十分重要。

区域气候模式(RCM)是气候学研究的重要工具，为了对不同RCMs模拟区域气候产生的不确定性进行定性和定量分析，在亚太观测网(Asia-Pacific Network,APN)对全球气候变化研究的支持下，中国科学院启动了以东亚为中心的亚洲区域气候模式比较计划(RMIP，the Regional Climate Model Inter-comparison Project)[8]，参加该计划的RCMs使用同一种CO2排放方案，驱动场为同一个全球气候系统(GCM)的模拟结果。RMIP的主要目标是客观评估比较计划中各模式对亚洲区域气候的模拟能力，对亚洲未来气候进行预估，并研究通过多模式集成分析方法预估未来气候时产生的不确定性的来源和量级。在RMIP的前2个阶段，通过多模式的模拟，评估了RCMs对亚洲季风气候和极端气候的模拟能力；在第3阶段，构建了基于10个RCMs和3 个GCMs的多模式模拟框架。RMIP第3阶段的目标之一就是基于CMIP3中的ECHAM5模式，利用区域模式降尺度技术，对亚洲区域气候做出可靠的预估。前期的一些研究对比检验了RMIP计划第3阶段中RCM和高分辨率GCM对东亚区域气候的模拟能力，发现参加RMIP计划第3阶段的RCMs对温度和降水的空间分布模拟优于驱动场ECHAM5的模拟结果，且对温度的季节变化和降水年循环变化趋势的模拟也有所改善，但模拟误差和不确定性仍然是不能克服的问题[9]。Zhong[10]研究表明RCM对西北太平洋TC活动的模拟误差是东亚区域气候模拟误差的重要来源，虽然现阶段RCM对TC的活动特征有较好的模拟能力[11-12]，但不同RCM对TC活动特征的模拟存在不确定性。笔者选取南京大学提供的参加RMIP第3阶段的3个RCM模拟结果，检验各模式模拟西北太平洋TC活动特征的能力，并从与TC生成相关的大尺度环境场分析模式模拟TC活动特征存在误差的原因，为改进模式模拟效果提供参考依据。

1资料和方法

1.1模式和资料所使用的参加RMIP计划第3阶段的南京大学3个RCM的名称、动力框架和物理过程信息如表1所示。在RMIP计划第3阶段，模式主要模拟了2个时间段的气候变化，即近代时间段(1978～2000年)和未来时间段(2038～2070年)。不管是对近代还是未来的气候模拟，所有模式均进行2年以上的spin-up模拟。在该所选的3个模式均是每3 h输出一次地面场模拟结果，每6 h输出一次高空场模拟结果。 采用1980～1999年的模拟结果，研究模式模拟这20年西北太平洋TC活动的能力。3个模式的水平分辨率均是50 km，驱动场均为ECHAM5的模拟结果。由于受模式模拟区域范围所限，在该研究TC活动所在的西北太平洋海域的地理范围为100°～160°E、0°～60°N。

该研究用于对照的资料是美国联合飓风警报中心(JTWC)提供的热带气旋最佳路径资料，仅对其中达到热带风暴强度(最大风速达17.2 m/s)及以上的TC活动进行检验。此外，利用NCEP 2.5°×2.5°再分析资料作为观测资料与模式中的大尺度环境场进行对比，评估模式对环境场的模拟能力及其对TC活动模拟的影响。

1.2模拟TC识别方法模式中TC中心和路径的识别方法已有许多研究[13-14]。笔者在前人研究的基础上，设计出适合该研究选用模式的TC识别方法，将满足以下条件的网格点定义为TC中心：①寻找850 hPa等压面上的最大相对涡度>5×10-5s-1的网格点；②在该点周围300 km内选定气压最低点作为TC中心；③该中心周围300 km内海面10 m处最大风速>17 m/s；④在300 hPa等压面上，中心温度比中心周围300 km内平均温度高0.5 K；⑤该中心周围300 km内在850 hPa的平均风速大于在300 hPa的平均风速。条件④和⑤可以用来排除温带气旋等对TC挑选的影响[15]。找到TC中心后用TC移动速度<90 km/h这个阈值来确定TC中心是否为同一热带气旋，在找到完整的路径后，去掉生命史<2 d的低压涡旋，并要求涡旋的生成位置在35°N以南的海面上。

2结果与分析

2.1热带气旋生成和路径分布特征从1980～1999年西北太平洋海域观测和模式模拟的年平均TC生成频数以及两者差值的统计结果(表2)可看出，根据JTWC资料，1980～1999年西北太平洋160°E以西海域平均每年有21.3个达到热带风暴(TS)强度以上的TC生成；在WRF和WRF_sn模式中，20年间平均每年在该海域分别生成32.6和30.0个；而在RegCM3模式中，平均每年在此海域仅有5.0个达到TS强度以上的TC生成。与观测相比，WRF和WRF_sn模拟生成的TC频数分别比观测多53.1%和40.8%，而RegCM3模拟生成的TC频数比观测少76.5%。因此，从生成频数上看，3个模式的模拟能力均欠佳，这是造成区域气候状态模拟偏差的原因之一。

表2西北太平洋海域1980～1999年观测和模拟的TC生成情况

Table.2Annual mean TC numbers of observation and simulations in the Western North Pacific during 1980-1999

除了比较各模式模拟的TC生成频数和观测的差异外，还比较了各模式模拟的TC生成位置与观测的差异，为便于比较，将模式和观测的TC生成频数统一插值到5°×5°分辨率网格上，即统计20年中在一个5°×5°的网格内TC生成的个数。由观测的TC生成频数分布(图1a)可见，TC生成频数的大值区分别在南海和菲律宾以东的西北太平洋上，其中在邻近菲律宾的海域TC生成频数最多。而各模式模拟的TC频数分布各异，WRF模式TC生成大值区主要在菲律宾以东海域，其中150°～160°E海域频数最多，而在南海海域生成较少(图1b1)；WRF_sn模式对南海和邻近菲律宾东部邻近海域TC生成大值中心有较好的模拟能力，但在150°E以东海域模拟出过多的TC生成(图1b2)；RegCM3模式模拟的TC生成频数分布和观测有很大差异，且生成频数过少(图1b3)。

将1980～1999年西北太平洋海域观测和模式模拟的TC出现点数据统一插值到5°×5°的分辨率上，即在一个5°×5°的网格中统计20年中TC在此范围出现的个数，并将其赋值给网格的中心格点上。从图2可以看出,观测中TC的路径频数大值区主要在南海北部和菲律宾以东海域，而各模式模拟的TC路径情况各异，WRF模式较好地模拟出了路径频数在南海北部和菲律宾以东海域的大值区，但模式中在140°E附近存在大值区，这可能与TC生成频数位置偏东有关；WRF_sn模式模拟的TC路径频数大值区分别在南海和150°E附近，南海海域的TC路径频数较多，说明模式模拟的TC西行路径较多；RegCM3模式中，TC路径频数整体偏少，这与前面分析的TC生成频数偏少有关，主要集中菲律宾东北海域。2.2热带气旋频数的季节和年际变化模拟从观测和模拟的西北太平洋TC频数季节变化(图3a)可以看到，3个模式均能给出夏季TC生成较多的季节变化规律，但除8～10月以外的其他月份，WRF模式和WRF_sn模式的TC生成频数偏多现象均比较明显，且模拟的最大生成频数分别出现在7和6月，早于观测的最大生成频数出现月份(8月)，而RegCM3模式对全年TC主要生成季节的频数模拟均明显少于观测。

从观测和模拟的TC频数年际变化上看(图3b)，除模拟生成频数偏多外，WRF模式和WRF_sn模式均基本上能模拟出TC生成频数的年际变化特征，观测和模拟的TC频数年际变化相关系数分别为0.47和0.22，如不考虑模式对1997～1999年TC生成频数持续减少现象模拟偏差大的3年，1980～1996年频数年际变化相关系数则分别达0.78和0.63；而RegCM3模式不仅模拟TC生成频数明显少于观测，对年际变化的模拟也与观测有很大差异，相关系数为-0.07。2.3模拟热带气旋生成频数差异的原因分析许多研究表明，TC活动和大尺度环境场之间存在密切的关系，影响TC生成的主要环境因子包括垂直风切变[16-18]、海表面温度的时空分布状况[18-20]、对流层中层的相对湿度条件[21]、低层较大的相对涡度区或辐合区等。因此，可以通过分析与TC生成有关的大尺度环境场来研究模式模拟TC生成频数与观测差异的原因。在西北太平洋海域，6～10月是热带气旋的主要活动季节(图3a)。由于RMIP计划没有要求提供湿度场和高度场模拟结果，下面仅从涡度和垂直切变因子简要分析6～10月TC生成频数分布和环境场之间的关系。

季风槽是影响西北太平洋TC生成和发展的重要大尺度系统。研究表明，平均超过75%的TC生成于季风槽所在区域[22]。从1980～1999年观测和模拟的西太平洋6～10月平均850 hPa风矢量(图4)可以看到，副热带高压反气旋环流控制西北太平洋大部分海域，菲律宾以西海域为西南季风控制，西南季风与越赤道气流和副热带高压南部的偏东风在赤道辐合带附近汇合，季风槽西至南海北部，东至150°E附近(图4a)。模拟的850 hPa平均风矢量也有相似的特征，但模拟的副热带高压偏东北，西南季风偏强，使得模拟的季风槽位置偏北偏东；其中WRF模式和RegCM3模式模拟的季风槽西至130°E附近(图4b1、b3)，因此，这2个模式在南海的TC生成频数较少，没有模拟出TC生成频数在南海的大值区(图1b1、b3)。WRF模式和WRF_sn模式模拟的季风槽位置均东伸至160°E附近，导致观测到的140°～150°E TC生成频数大值区在模式中东移至150°～160°E海域(图1b2、b3)。

弱的垂直风切变是TC生成的重要条件之一。因为大的垂直风切变会抑制对流的发展,从而限制上层暖心和涡旋的形成,而较小的风垂直切变可以使得初始扰动的对流凝结所释放的潜热能集中在一个有限的空间范围,热量能在对流层中上层集中，形成暖心结构，而后高空出现辐散，地面气压降低，有利热带气旋的形成[23]。从1980～1999年模式模拟的6～10月平均垂直风切变与观测的差值场(图5)可看出，其中图5a和5b中的黑色方框区域表示此处模式模拟的垂直风切变比观测小，有利于TC在此区域生成，WRF模式在菲律宾以东海域的垂直风切变较小，而WRF_sn模式在160°E附近垂直风切变较小，因此，WRF模式中在菲律宾以东海域的TC生成频数较多；而WRF_sn模式在160°E附近海域TC生成频数较多；而RegCM3模式在110°～160°E模拟的垂直风切变均比观测大，不利于TC的生成，这也是该模式模拟的TC明显少于观测的主要原因。

3结论

该研究选取了RMIP计划第3阶段南京大学提供的3个区域气候模式模拟结果，将模拟的1980～1999年西北太平洋TC活动特征与JTWC路径资料进行对比分析，评估了各模式对TC生成频数、生成位置分布、路径分布、生成频数的季节和年际变化等方面的模拟能力，并根据有利于TC生成的大气环境场因子分析，揭示了模式对6～10月模拟TC活动存在误差的原因。

在生成频数方面，WRF和WRF_sn模拟的TC频数比观测分别多53.1%和40.8%，而RegCM3模式比观测少76.5%。在生成位置分布方面，WRF模拟的TC生成位置大值区主要在菲律宾以东海域和150°～160°E海域，而在南海生成较少；WRF_sn对TC生成位置的3个大值区均有一定的模拟能力，但与观测相比，模式在南海和菲律宾以东海域TC生成频数偏少，而模拟的140°～150°E海域大值区偏东，集中在150°～160°E海域，且频数偏多；RegCM3模拟的TC生成频数大值区在菲律宾以东洋面，且生成频数远少于实况。在路径分布方面，WRF较好地模拟出了路径频数在南海北部和菲律宾以东海域的大值区，但模式中在140°E附近存在大值区，这可能与TC生成频数位置偏东有关；WRF_sn模拟的TC路径频数大值区分别在南海和150°E附近，南海海域的TC路径频数较大，模拟的TC西行路径偏多；RegCM3模拟的TC路径频数整体偏少，这与模拟的TC生成频数偏少有关，主要集中在菲律宾东北部海域。从TC的季节和年际变化来看，WRF和WRF_sn均具有模拟TC活动季节和年际变化能力，但2个模式模拟的TC频数季节变化在7月份之前和11月份以后均比观测偏多，而除去TC生成频数持续降低的1997～1999年外，2个模式模拟的TC生成频数年际变化和观测的相关系数分别达0.78和0.63。

模式模拟的TC和观测的差异与模式对季风槽以及垂直风切变等的模拟误差有关，模式模拟的季风槽位置普遍偏北偏东。WRF和RegCM3模拟的季风槽西至130°E附近，使得这2个模式模拟的南海TC生成频数较少，因而没有模拟出TC生成频数在南海的大值区。WRF和WRF_sn模拟的季风槽位置均东伸至160°E附近，导致位于140°～150°E的TC生成频数大值区东移至150°～160°E海域。WRF模式在菲律宾以东海域的垂直风切变较小，而WRF_sn模式在160°E附近垂直风切变较小，使得WRF模式中在菲律宾以东海域的TC生成频数较多，而WRF_sn模式在160°E附近海域TC生成频数较多。RegCM3模式在110°～160°E模拟的垂直风切变均比观测大，不利于TC的生成，这使得模式生成的TC明显少于观测。

由于TC模拟误差是区域气候模式模拟东亚夏季风出现偏差的原因之一[10]，因此，在东亚季风区改进区域气候模式对TC路径的模拟是提高模式对季风气候模拟能力的有效途径。

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Simulation Ability Test of Regional Climate Model to Tropical Cyclone Activities over Western North Pacific

SHU Zheng-miao

(College of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing,Jiangsu 211101)

Key wordsRMIP; Tropical cyclone; Western North Pacific; Regional climate mode; Large-scale environmental fields

AbstractUsing the simulation results of three regional climate models (RCMs) provided by RMIP III,the capability of RCMs to simulate the tropical cyclones (TCs) over Western North Pacific during 1980 to 1999 was assessed by comparing the simulated WRF,WRF_sn and RegCM3 with the observations.The study showed that relatively large biases in genesis number of TCs were produced by all three RCMs,as WRF_SN and WRF overestimating the annual mean number of TCs by 53.1% and 40.8%,respectively,RegCM3 displaying underestimation of 60.4%.The simulated distribution of TC genesis positions in WRF_sn agreed well with the observation,and the simulated frequency of TC genesis was less than the observation in RegCM3.Annual cycle of TC genesis was well represented by WRF and WRF_SN,with up to two-month advance of peak value appreading ahead of the observation.With further investigation on the large-scale environmental fields in June-October,it could be concluded that the RCMs’ ability of simulating the frequency and distribution of TC genesis was associated with the biases of the simulated monsoon trough location,strength of vertical wind and so on.

基金项目亚洲区域气候模式比较计划项目(ARCP2010_04CMY_WANG)。

作者简介束正淼(1991- )，男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向：热带气旋数值模拟。

收稿日期2016-02-14

中图分类号S 16

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)07-209-05