微物理学对飓风轨迹和强度预报的影响外文翻译资料

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微物理学对飓风轨迹和强度预报的影响

罗伯特G福尔 *加州大学洛杉矶分校

1. 介绍

2005年9月24日上午，丽塔飓风在德克萨斯州/路易斯安那州边界附近登陆作为第三类风暴，最大风力约为54米每秒。国家飓风中心（NHC）的预测在登陆前36小时内发布了这个位置。相比之下，54小时预报使得位于休斯敦和加尔维斯敦岛以西的最高概率登陆地点在德克萨斯州沿岸超过130公里的范围。这引起了极度的重视，因为一旦它发生了，很多不必要的地区也要进行疏散。特别是当算上人口加权时，这个位置差异很大。国家统计局统计数据显示，72小时预报的位置误差在过去15年左右大约减少了一半，预测强度误差的下降幅度也缓和得多了。然而，2005年的大西洋飓风已经提醒我们，在飓风预报方面还有很多进展空间。

位置误差的改善得益于采用集合预报,不同模型,物理模型的选择和/或初始化应用于相同的事件,产生了客观衡量预测的不确定性。在这里，我们证明云微物理假设也可以对模拟飓风轨道产生巨大的影响。这在天气研究和预报（WRF）模型模拟分辨率为30公里的飓风“丽塔”中首次得到证实。几个微物理方案与多个对流参数化方案结合测试综合得到的登陆位置可以和由NHC多模式规定的相媲美。显然，微物理过程可以提供一个有效的途径来激发飓风般的涡流转变中的潜在敏感性，因此微物理方案的变化可以在物理基础上进行考虑。

2.模型和初始化

所有模拟使用WRF版本2.1.2和以北加勒比海为中心的距离3900公里到6000公里的区域。主要的总体实验采用了30公里的分辨率。该网格间距捕获飓风的基本结构，同时保持相对计算效率。选用了四个微物理选项进行研究： Kessler （暖雨）参数化，Lin（LFO）方案以及第三类第五类单矩阵（WSM3和WSM5）。 KainFritsch（KF），Grell和Betts-Miller-Janjic（BMJ）对流参数化测试。 Runswere也是用微物理学和/或对流参数化来进行的。运行也是用微物理学和/或对流参数化来进行的。 大部分运行已经使次网格级混合失效; 当纳入这些过程时，使用Smagorinsky第一阶关闭（km_opt = 4）在坐标表面（diff_opt = 1）上评估使用条件。

在同样位置的领域也进行了60公里，12公里和6公里分辨率的模拟。这些运行是为了评估微物理敏感度对分辨率的可靠性。 12公里和6公里的运行进一步评估排除参数化对流。初始和边界数据由操作GFS模拟提供，用06 UTC或18 UTC从 9月22日开始运行。综合实验较早就开始进行。

1. 使用控制设置进行模拟

集合预报实验的控制设置包括LFO微物理学，KF对流，无次网格尺度混合。这个组合生产了一个前所未有的命令。图2显示了飓风在39时的状态（09 UTC 9月24日），相当于实际登陆时间。模拟风暴的最小海平面气压（SLP）为937 mb，与实际风暴的936 mb读数相当。图3给出了实际和模拟SLP的时间序列。由于初始数据比较粗糙，初始饱和度不足，模拟飓风的发生频率太高，需要延长时间。然而，18小时后的预测，模型和观测到的SLP是相近的，但实际风暴在预测期的第一部分缓慢减弱。登陆后，模拟的“丽塔”比现实的飓风慢一些。

然而，12小时前初始化的控制设置运行不太熟练（图4），导致飓风直击休斯敦。这个结果类似于同期的NHC预测（图1）。很容易怀疑06Z 9月22日的GFS模拟在某种程度上不利于预测飓风被嵌入的环境流。 然而，集体预测的主要目的是衡量不确定性和敏感性，有时可能被视为是为了补偿一些潜在的不利数据。下一节将讨论30公里物理为主的主要成果。

4.整体模拟

（a）30公里集合的亮点

图5显示了从06 UTC 22日开始的控制仿真的SLP轨迹图，如图4所示。根据逐小时每个点的数据，绘制了54小时模拟的最后27小时记录的最低SLP。彩色阴影揭示了控制飓风如何接近休斯敦，达到最低SLP，低于928 mb。该最小压力低于此时或之后实际测量的最小压力。飓风眼的轨迹是由坚实的黑线表示。

将30公里整体的最好和最差的结果叠加在这个图上，以便确定位置误差。将WSM3微物理过程与BMJ对流参数化相结合的组合正确地模拟了登陆的位置和时间。这个风暴的漩涡的路径用长长的黑色破折号表示。相比之下，无冰的Kessler方案（黑色点划线）预计在德克萨斯州沿岸更为南部登陆。来自剩余组合的轨迹落在这两个极端之间（未显示）。总而言之，这个基于物理学的集合在NHC的多模型集合中相同时段具有相似的登陆数量（图6）。 NHC系列由十多种各种类型和复杂程度的模型组成。

因为不能跟踪每一个凝结物颗粒，微物理参数化试图根据推测的粒度分布，类型和密度进行划分。然而，即使是最简单的参数化，也包含大量假设和“旋钮”，这些假设和“旋钮”可能缺乏观察或理论的理由，因此可能在模型中引入大量的不确定性。为了得到有用的不确定性，每个计划必须有合理的机会在任何给定的情况下产生最熟练的结果。换句话说，只有正确预测的参数化才能产生正确的影响。

鉴于目前情况下的很大的位置误差，人们可能会怀疑Kessler方案是否能够产生正确的预测。答案可以通过涉及大量案例和登陆时间的广泛实验，并涵盖各种分辨率。在这里，我们暂时性地通过两种方式提出这个问题：通过尝试识别激发上述敏感度的“旋钮”，并确定当网格间距改变时，看看在30公里的行程中发现的微物理影响是否仍然存在。这些探索是确定微物理过程为什么对模拟的风暴轨迹产生了深远影响的任务前提。

（b）跌落敏感度测试

关于首先列出的程序，即使是最简单的冰微物理方案（如WSM3），也比无冰Kessler参数化还要复杂，因此也有更多的可调参数。然而，允许冷冻冷凝物的任何微物理方案共同的一个特征是较低的平均下降速度，特别是高于冻结水平时。为了探索水汽凝结物下降速度对整体传播的作用，我们采用了最精确的组合（WSM3 / BMJ组合），并修改了微物理参数，以迫使冰拥有具有等效质量的雨滴的终点速度。这导致了模拟飓风在休斯敦西部登陆，如图5的黄色虚线所示。

图中的黄色虚线显示了Kessler方案中雨水终点速度为零时发生的变化。 该运行的位置误差提高到略小于控制运行的位置误差。 因此，至少对于这种特殊情况，可以通过操纵水汽凝结物的下降速度来激发相当大的灵敏度。

（c）较低和更高分辨率的模拟

我们还进行了较高分辨率和较低分辨率的模拟，试图确定微物理灵敏度的普遍性。在低分辨率和中等分辨率模型中，显式云微物理学方案与对流参数化协同与竞争的方式共存。改变分辨率直接和间接地影响这种复杂的关系，所以可能预计某些组合可能比其他组合更好一些。

图7给出了60公里集合的几个组合的SLP轨迹图。在这个分辨率中，与实际情况相比，所有的风暴都很弱，30公里的行程很多。然而，这个集合有一些非常准确的登陆预测，其中包括（令人惊讶的是）在30公里实验中Kessler/ KF组合的表现不佳。事实上，30公里运行最准确的组合--WMM3 / BMJ组合 - 在这个分辨率中产生了较大的位置误差。总体路径与30公里实验相似，尽管轨道远离东部。这意味着60公里的实验组合实际上比其30公里的模拟更为准确的登陆。

相比之下，更高分辨率的模拟通常确定了30公里的集合结果，至少在微物理学方面。 在这些运行中，对流参数化被激活，试图去反卷积竞争机制; 这是6公里的标准做法，可以说在12公里网格间距仍然适用。 在更高的分辨率下，Kessler方案（未显示）仍然产生一个路径，终止于休斯顿西部，而LFO风暴眼横穿加尔维斯顿。 WSM3微物理方案再次产生最准确的运行（未显示）结果，虽然登陆位置位于实际位置的西侧。 一般来说，没有参数化对流的12公里，甚至6公里的运行案例，通常相对于SLP和最大水平风比其30公里的组合，特别是WSM3的组合稍弱。 这表明准确的强度预测可能不需要特别细微的网格间距。

（d）微物理学在涡流转变中的作用

已知飓风般的涡流可以表现出对自身传播产生深刻影响的不对称性，比如科里奥利力量的纬度变化（例如，Holland 1983; Willoughby 1994等）。考虑到这一点，我们已经开始研究可能直接或间接地与云微物理过程相关联的不对称模拟飓风。 例如，图8表示使用Kessler和LFO方案的12公里模拟的850 mb的绝对涡度场。 这些领域是在登陆之前的18小时内的飓风之后构建的复合材料，并以围绕涡旋的300公里平方的区域呈现。不仅显示了全部场景（图a和c），移除方位平均值后的不对称组分也显示（图b和d）。

Kessler涡旋显然比LFO风暴更大和更弱，尽管在左翼风暴中都具有最大的涡度值。然而，这些涡旋的不对称组分明显不同。在无冰的情况下，看到明显的涡流偶极子，其中气旋性涡度位于左侧。这应该通过自我传播机制向上和向西的运动。 LFO风暴的不对称稍微复杂一点，显示出与东北方向对齐的循环中心附近较小的涡旋双峰。这不是涡旋运动的唯一组成部分，但是总的来说，这些差异有助于解释两个模型飓风所采取的不同路径。预计这些方面的进一步研究将有助于理解为什么特定的方案倾向有利于或促进特定涡流不对称性的发展。

1. 结语

飓风跟踪和登陆预测是一个复杂的科学问题，具有重大的社会意义。在这里，已经证明了微物理过程的变化，在集合预测的背景下进行，可以产生与多模型集合相当的整体效果。事实上，各种动力学模型之间的差异可能会在微观物理学的各自处理以及与对流有关的其他过程中存在。也就是说，微物理学可能只是激发飓风般涡流的固有发展灵敏度的一条途径。然而，微物理学应该被认为是基于物理学的集体预测的有价值且可行的部分。

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