区域海气浪耦合模式中边界层过程对西北太平洋海上台风强度的影响

It is widely accepted that air-sea interaction is one of the key factors in controlling typhoon intensity, and the boundary layer plays an important role in the process of air-sea interaction. In our study, the advanced fully coupled ocean-atmosphere-wave model (COAWST) is employed to investigate whether the relationship between forecast of the intensity of different kinds typhoons and the choosing of various boundary layer parameterization schemes is "case dependent". And the result will be used to decide how to select boundary layer parameterization schemes in the fully coupled model theoretically. On the basis, we use the observation data to statistic the quantitative relationship between typhoon intensity and sea surface heat flux. Then the correction terms of the heat flux are added in the model code by estimating the typhoon intensity to improve the forecast skill of typhoon intensity. Finally, a suitable optimization approach is used to estimate the key parameters in the schemes. Additionally, a set of experiments will be carried out to investigate the improvement of the forecast skill from the optimal parameters, also to explain the the physical significance of the optimal parameters and the mechanism of the forecast skill improvement.

海气相互作用是控制台风强度的关键因子之一，而边界层在海气相互作用过程中起了非常重要的作用。本研究中采用先进的海气浪耦合模式（COAWST）研究不同类型的台风强度预报对边界层参数化方案选取的个例依赖性，从理论上给出在耦合模式中如何选择边界层参数化方案。在此基础上，结合统计学方法定量的给出台风强度与海表热通量的关系，在模式中加入海表热通量的订正项，改善台风强度的预报。最后，从动力学及优化的角度，采用合适的参数估计方法对边界层过程中的关键参数进行估计，考察优化的参数对台风强度预报的改善，并检验最优参数的物理意义及其对台风强度预报改善的机制。

台风的路径及强度预报是国际研究及预报领域的一个难点问题。项目组采用国际先进的区域耦合模式，首先研究了边界层参数化方案的不确定性对台风路径及强度模拟的影响。通过选用四种不同的边界层参数化方案（YSU、MYJ、MYNN以及ACM2）对大量西北太平洋的台风个例进行了模拟及对比分析，发现台风路径的模拟对边界层参数化方案的选取具有弱敏感性，且个例依赖性不强，这主要是由于影响台风路径的主要因子为中高层引导气流，其受不同边界层方案的影响相对较小；台风强度的模拟对边界层参数化方案的选取较为敏感，但表现为非局地边界层方案（YSU、ACM2）模拟的台风强度更强，而局地边界层方案（MYJ、MYNN）模拟的台风相对较弱，这主要是因为非局地边界层方案会导致更多的湿度通量及动量通量释放，导致台风强度的模拟加强。因此，在COAWST耦合框架下，我们建议选取非局地方案进行台风模拟/预报会取得更好的效果。在该研究的基础上，我们研究了潜热通量及感热通量对台风强度的影响及其相互之间的定量关系。通过对国际上主流的高时空分辨率的湍流热通量数据的对比及合成分析，发现台风期间西北太平洋的潜热通量异常及感热通量异常明显偏高，进而确定使用ERA_Interim数据及CFSR数据共同进行相关的定量的研究。采用线性回归的方式对这两套数据中的台风强度与台风中心附近最大潜热通量及感热通量的回归发现，潜热通量与台风强度之间存在显著的关系，而感热通量与台风强度之间的关系则存在一定的不确定性。进一步的通过敏感性试验证实，湿度通量对台风强度具有非常重要的影响。在此基础上，采用谱松弛同化、SST松弛及通量订正方案进行台风模拟，发现通过这些技术手段可以有效的改善台风路径及强度的模拟。进一步的，我们对之前选用的ACM2方案中的参数p及其对应表面层方案中的参数CZ0进行了敏感性试验，发现CZ0对台风强度的模拟更加敏感。进而设计了参数优化的方案，对参数CZ0进行优化，优化后的结果表明，优化后的参数可以有效的改进台风强度的预报。