边界层参数化方案在模拟热带气旋时的选择外文翻译资料

 2022-12-04 15:29:40

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边界层参数化方案在模拟热带气旋时的选择

摘要：热带台风边界层和其他地区的大气边界层在某些地方不太一样，这就有必要评估热带台风边界层参数化方案，使其适合热带台风模拟。以前的研究指出了方案选择潜在的敏感性以及一些方案的缺点，但是没有推荐哪一种方案是最合适的。这里，具有代表性的模式中的几种方案被用来检验和应用在一个简化的模式框架上。基于观测比较和理论依据，一种热门的方案表明它在预测近地面风场上有很大缺陷，因此不应该被应用。另一个方案在诊断边界层厚度（一个在热带台风中心的困难问题）显得很敏感，并且给出了注意事项。路易斯边界层方案和一种高次序近似方案（至今没有大的问题）被推荐。这里的推荐和讨论应该可以帮助用户对于边界层参数化方案作出更有远见的选择，并且能够更好的理解这些方案所得出的结果。

  1. 引言

边界层是热带台风的重要组成部分，因为其限制了热量和水汽的来源还有动量的输送，这决定了风暴的厚度，并且正因为它贯穿了整个边界层，他对人类和环境有巨大的影响。但是它和大部分的大气边界层不同，因为台风旋转对边界层有动力的强烈作用。

表面通量对强度的影响很大最近努力改善参数化的动机这些在极端风力条件下的通量，通过这两种测量。这项努力的主要结果是，风阻系数不会随着风速无限增加，而是有上限或可能开始减小风速约30米m/s，同时湿度转移系数至少保持33 m/s。

相反，更少的努力已经投入到更多确定湍流通量的难题表面层以上的焓和动量。已经表明了存在卷状特征并注意到这些可能对确定通量有重要意义。莫斯（1978）和Moss和Merceret（1976）提出了湍流测量在飓风Eloise的边缘，同时Zhang等人（2009年）提出了飞机测量外部雨带之间的湍流通量推导出湍流动能（TKE）预算。Zhang等人（2011a）估计了压力，TKE和在流入层顶部附近的涡流扩散系数飓风雨果的内核。 Lorsolo等人（2010年）在几次风暴中广泛使用了TKE多普勒雷达测量。尽管如此，还是有目前数据不足以直接验证动荡通量参数化在热带地区表层以上旋风。

几项建模研究表明，风暴强度和结构对参数化敏感这些通量。布劳恩和陶（2000）比较了第五代宾夕法尼亚州的四种方案（两种本地方案，一种高级方案和一种非本地方案）州立大学 - 国家大气中心ResearchMesoscaleModel（MM5）模拟飓风鲍勃发现了高达15m/s的差异在中心气压和16 hPa中心气压下，以及降雨量差异很大。这些差异减少了，但在所有计划都没有消除时就没有消除修改为使用表面的相同参数化通量，尽管是中程预报（MRF）计划仍然是一个异常。史密斯和汤姆森（2010）进行了比较几个计划，包括本地，非本地，和更高阶的封闭，在理想化的F平面设置并使用相同的表面通量参数化和发现风暴结构，强度，和集约化程度。虽然他们注意到缺陷一些计划，他们无法推荐任何一个“最佳”。诺兰等人。 （2009a，b）比较了一个地方和一个更高阶的方案，提供更详细的分析的边界层结构比其他研究。尽管这些计划之间存在一些差异，他们一般重现了观察到的结构热带气旋边界层非常好。

两项研究比较了a中的参数化更理想化的设置，其中边界层流动被诊断为对规定压力场的响应。福斯特（2009）考虑了三种不同的规定垂直湍流扩散的结构与各种大小和垂直尺度，并发现相当大的变化。相反，Kepert（2010a，b）简要比较了a具有简单非局部闭合的高阶闭包，以及发现他们在旋风中产生了类似的结果内核，但在半径的结果明显不同有沉降，因为只有更高阶的封闭对由此导致的静态稳定性增加敏感。

上面讨论的全物理建模研究中的模拟热带气旋行为的大范围传播提出了两种可能性。 也许旋风对边界层的微小变化非常敏感，因此参数化之间的微小差异会导致模拟的巨大差异。 这种情况可能是直接产生的，也可能是通过非线性反馈产生的，其中上述边界层和大气各依赖于另一个。 当然这后面的反馈存在; 问题在于边界层和涡旋其余部分之间的反馈是否强到足以解释对参数化的敏感性。 另一种可能性是边界层参数化之间可能存在较大差异，足以解释这些模拟中的差异。

参数化之间存在较大差异的可能性值得关注。 这些参数化都旨在做同样的事情代表湍流通量的影响虽然采用了不同的方法。 较大的差异意味着科学知识不足，或者某些方案包含错误。 本文表明模拟与常用于TC模拟的方案之间存在巨大差异，并且检验了这些差异的原因。

主要使用的工具是KW01的诊断热带气旋边界层模型，该模型根据规定的压力场来诊断边界层流量，该压力场代表了其余的旋风分离器。 随着压力场的规定，边界层对其余旋流器的影响被消除，限制了对参数化差异的直接影响的关注。 已经分析了许多边界层参数化，包括上述建模研究中使用的边界层参数化，并在该模型中实施了代表性集。 所有实验都使用相同的表面通量参数，从而消除了另一个变化来源。 结果表明，一类广泛使用的PBL参数化存在严重缺陷，包括严重无法再现观测值，因此不应使用。 在某些情况下，会显示更多班级产生较差的模拟。 我们建议讨论这些原因并谨慎使用此类方案。 在适当的情况下，通过湍流结构的理论考虑来支持对这些模型结果的讨论。

诸如MM5和天气研究和预报（WRF）模型等模型为用户提供了几种边界层方案的选择。 希望此处的分析能够帮助用户避免某些不适合热带气旋模拟的参数化，并从余下的方面做出更明智的选择。 分析也可以帮助用户诊断，理解并且可能纠正与其他方案一起发生的不良行为。

第2节给出了边界层参数化的简要介绍，为非专业人士提供了足够的背景知识来了解主要问题。 接下来是对参数化方法的调查以及这里使用的方法的介绍。 第4节描述了模型，第5节给出了每个参数化的模拟。 这些结果在第6节中讨论，然后是结论。

2.典型边界层参数化的组成

行星边界层通常分为表面或恒定磁通层以及混合层，如图1所示。实际上这些层之间没有明显的分界，而是表面层通常被认为是其中通量相对于其表面值变化小于10％并且占据边界层的最低十分之一。

1

a.近地面层参数化

在中性条件下，观察到表层中动量，热量和湿度的垂直剖面高度为对数。普朗特（Prandtl，1932）认为，一个接近平坦表面的量的垂直湍流通量可以用流量梯度关系式来表示

,

湍流扩散系数与距表面距离成正比：

在这里，k是冯卡尔曼常数和u*是摩擦速度，定义为

其中t是表面处的动量通量大小。 考虑表面流动方向上的风分量u和表面层中的流动，使得通量可以假定为随高度而接近恒定。 然后，忽略垂直平流（因为表面上的w =0）和旋转3的稳定的，水平均匀的流动的动量方程减小到

当解决时给出对数轮廓：

这里z0是积分常数，称为粗糙度长度。 这些方程式以及类似的热量和湿度方程组成了一种用于参数化近地表通量的标准方法。 另一种方法是通过批量公式。 对于动量，给定阻力系数CD和最低模型水平u1下的风速，

所以这些方法是相关的

其中z1是最低模型级别的高度; 注意CD因此取决于参考高度。 在非中性气氛下，这些公式需要修改以解释稳定性的影响，通常通过使用Monin-Obukhov相似性理论。 这两种形式都广泛用于大气建模，用于参数化表面与最低模型之间的通量。

b.混合层参数化

在表层以上，流量梯度关系在（1）被广泛使用，但是扩散率并没有像（2）那样随着高度而无限增加。 然而，非常希望在这种重新设计中的湍流参数化，首先，大气层不包含两层之间的明显分工。 其次，表层的深度取决于气象情况，所以参照图1中，落在表层的模型层数将会有所不同。 大气模型通常仅将地表层参数化用于地球表面和模型最低层之间的通量，因此混合层参数化必须能够在大气表层延伸到最低模型层以上时对表层的行为进行建模。 这一要求还降低了模拟对模型垂直等级精确配置的灵敏度，并确保解决方案随着垂直分辨率的增加而收敛。 事实上，表面层比混合层更易于理解和测量，所以混合层参数化常常测试其再现表层测量的能力。

湍流参数化通常包含一个长度尺度l，它代表了含能涡流的尺度。 在表面附近，表面的接近限制了这些漩涡的大小，这是一种导致Prandtl在（2）中的表面层参数化的想法，其中长度尺度（或混合长度）为l=kz. 这个长度尺度并不随高度而无限增加，而Blackadar（1962）提出了一种形式, 自从广泛使用以来，虽然不是普遍使用：

其中llsquo;是渐近混合长度。 对于小的z，（8）给出lkz，而l / llsquo;给出z /。 这种形式最适合中立和不稳定的条件; 在静态稳定条件下，分层起作用以限制湍流涡旋的垂直范围，并且可以相应地修改l。 当使用（8）时，本文将使用来自KW01的值，llsquo;=80 m; 第5b节讨论了对其他选择的敏感性。

上面的简单介绍适用于近中性的边界层，适用于热带气旋的情况，其中剪切是主要的湍流来源（Zhang et al。2009）。 强烈的热效应可以显着改变事态。 这些影响包括以下内容：

1)在强表面加热的情况下，浮力漩涡可以通过上部边界层中的稳定层化进行混合，并将热量向上传递至平均温度梯度。 这种现象称为反梯度热通量; 它可以通过修改流量梯度关系进行参数化。

2)稳定的分层可以限制湍流漩涡的垂直范围，从而限制混合长度。 它也摧毁了TKE。

3)如果湍流主要由浮力产生并且剪切力的产生可以忽略不计，那么会出现一种称为自由对流的情况（这个术语不是指云）。

然而，这些情况取决于强烈的热效应，并且尽管对于在陆地上昼夜变化的边界层获得良好模拟至关重要，但可合理地预期在对湍流的浮力影响较弱的热带气旋核心中较不重要（Zhang等2009）。 第5节将介绍证据以支持这一预期。

3.用于热带气旋模拟的边界层参数化

本节介绍了一些常用的边界层参数化方法，并讨论了KW01模型中各个代表的实现。 所考虑的方案总结在表1中。这些实现不使用其他模型中使用的实际代码，因为这些模型对KW01使用不同的nu-merics。 相反，计算K的方程是在KW01模型中实现的，并且使用了它的数值解。 在所有情况下，表面通量都是用体积公式计算的，阻力系数由下式给出

（Smith和Montgomery 2008），其中u10是10米风速（单位为ms21）和传热系数Ch5 0.0011。 这种地表通量参数化与最近的高风速测量一致（Powell et al.2003; French et al.2007; Black et al.2007），Kepert（2010a，b）使用了这种方法。

第3e节介绍了近期热带气旋文献中使用哪种边界层参数化的调查。

a.MM5的Bulk和Hi-Res计划

这些方案通过参数化扩散性

其中l是常数，S是垂直风切变的大小，并且对于临界理查森数Ric=0.25,。 该方案被称为一阶局部封闭一阶，因为没有预测湍流量的方程，而局部因为任何点的扩散率只取决于那个点的条件。

Bulk方案起源于Blackadar（1976）在夜间边界层上的一篇论文，该论文基于简化的湍流模型（10）提出了争论。 使用1528米的恒定混合长度，后来增加到40米（Blackadar 1979），对于这种高度分层的情况是合理的。 考虑到该时期的粗略垂直分辨率，可能有理由违反预期的近地表行为（l=kz）稳定性对混合长度的影响。 确实，或Blackadar（1976）提出后立即注意到（10）如果分层较不稳定，那么在表面处与l=kz相切的l形式将是优选的。

高分辨率（高分辨率）方案描述Zhang和Anthes（1982），似乎是因为这篇论文的标题而得名。 它考虑了表面通量参数化的四个稳定性类别，其细节在这里不重要，以及混合层通量的两个稳定性类别：自由对流和其他。 除自由对流条件外，混合层通量与散装方案相同，除了混合长度写为kl而不是l并且增加至kl=40 m（这里使用的值）。 当发生自由对流时，在整个混合层中同时发生混合，混合强度由混合层的热结构和表面热通量的强度决定。 然而，这个模块仅在强表面加热和弱垂直风切变时触发，这种情况在热带气旋中不会发生。 不幸的是，Blackadar关于在没有高度分层的条件下需要更合适的近表面形式的警告并未在任何一个方案中实现。4因此，尽管许多人将后者参数化称为“Blackadar”， 我们更喜欢Hi-Res，因为他的处方没有遵循。

观测表明，热带气旋边界层的风切变向着热带气旋边界层的表面增加（Franklin et al.2003; Kepert 2006a，b）。 因此，Bulk和Hi-Res参数化将在最低模型水平或接近最低模型水平时提供最大扩散率，这是Braun和Tao（2000，他们的图15）以及Smith和Thomsen（2010，他们的图8）中显而易见的结构。

在具有（10）和1常数的中性近表面恒定磁通层中，与第2部

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