在大气科学和环境科学领域，加利福尼亚气象模式(CALMET)是常用的微尺度诊断模式之一。近二十年，采用中尺度气象模式(如WRF)嵌套微尺度诊断模式CALMET的做法已越来越多地用于环境评估、风能、气象等领域来获取次公里级高分辨率风场。本研究以2016年超强台风“莫兰蒂”为例，分析了CALMET物理参数化方案(运动学效应、阻塞效应和坡面流效应)以及水平网格分辨率对复杂地形条件下台风近地面模拟风场的影响。

1. 什么是CALMET?

三维非稳态拉格朗日烟团扩散模式系统(California Puff Model, CALPUFF)由美国西格玛研究公司开发，是美国国家环保局推荐长期支持开发的法规导则模型，也是我国环保部门的推荐模型之一。本研究使用的CALMET(California Meteorological Model)为CALPUFF里的气象预处理模块，其作用是为CALPUFF提供三维气象场与必要的边界层参数，其核心部分包括诊断风场模块和微气象模块。CALMET通过质量守恒连续方程对风场进行诊断，是目前较常用的诊断模式之一。

2. 当前的CALMET有什么问题?

在诊断风场模块中，CALMET模式拥有运动学效应、阻塞效应和坡面流效应三个物理参数化方案。其中，CALMET使用运动学效应的默认前提是，大气环流为静力稳定、没有强烈垂直运动的流动，即水平无辐散流动。在此条件下，通过三维辐散最小化对水平风场进行调整。然而，在台风这一天气系统中，由于内核区眼墙附近存在较强烈的垂直运动，大气流动并不满足水平无辐散条件，因此采用上述方法对台风近地面风场进行运动学效应的调整是不合适的。

3. 改进运动学效应KETT

针对CALMET在诊断台风风场时存在的问题，本研究提出了适用于台风风场的改进运动学效应方案，取名为KETT(Kinematic Effects of Terrain for Typhoons)，解除了CALMET模式仅适用于大气静力稳定条件的限制。采用改进运动学方案KETT 后，其风速模拟误差在台风登陆前后相比原有方案平均减小10.8%，风向模拟误差平均减小5.4%，表明改进后的运动学效应方案KETT对台风大风区域的地表风场模拟能力有较显著提升(图1)。

（a）    （b）

图1  台风大风圈内，CALMET原始运动学效应方案(Non-Improved)、改进运动学效应方案(Improved)和WRF模拟中地表10 m高度的(a)风速V10、(b)风向WD10的均方差误差随时间变化图。R17表示台风大风圈内。

4. CALMET物理参数化方案的影响

研究结果表明：阻塞效应在台风登陆前影响较大，结合局地弗罗德数判断可知易在陡峭山体的迎风面产生阻塞，而在台风登陆时及登陆后影响较小;坡面流效应与地表热通量的日变化密切相关，无论在台风登陆前或登陆后，坡面流风速方向白天朝向山顶，夜晚朝向山底，且总体变化幅值较小(<3 m/s);运动学效应的调整取决于局地地形分布以及三维辐散最小化计算，是CALMET诊断风场模块中最核心的部分，在台风条件下应该采用进后的运动学效应方案KETT。

（a）   （b） 

图2  局地感热通量分布场(Q_h)和10 m高度风矢量差值场。填色图表示感热通量，风矢量表示坡面流效应方案(CAL6)和不采用坡面流效应方案(CAL7)的差值风场，等值线表示该研究区域的地形高度(单位：m)。

5. CALMET水平网格分辨率的影响

对于地表10 m高度风速来说，当CALEMT水平网格分辨率为500 m时，10 m风速的模拟效果最好，其次为250 m分辨率。值得注意的是，在台风大风影响后，地表10 m风速对CALMET模式网格分辨率变得更加敏感。

对于地表10 m高度风向来说，两个研究区域呈现了不一致的结果：石蛇山区域，最好的模拟结果仍然来自500 m水平网格分辨率;而石笋山区域，风向模拟结果随网格分辨率的提高而提高。

此外，本研究提出了“坡角”的概念来定量分析复杂地形条件下不同水平网格分辨率对模式近地面风场的影响。结果发现：在台风大风影响前和影响时，下坡风速总体大于上坡风速;且无论在上坡还是下坡方向，10 m风速随坡角的增大而减小。

（a）   （b） 

图3  石笋山和石蛇山区域的归一化泰勒图：(a) 10米风速;(b)10米风向。

本团队已在《Atmospheric Research》发表题为“Impact of horizontal resolution in CALMET on simulated near-surface wind fields over complex terrain during Super Typhoon Meranti (2016)”研究论文1篇;已在《Frontiers of Earth Science》发表题为“Impact of physical representations in CALMET on the simulated wind field over land during Super Typhoon Meranti (2016)”研究论文1篇;已在《同济大学学报(自然科学版)》发表题为“运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响”研究论文1篇。

(汤胜茗、余晖)

论文信息

[1] Tang S, Huang S, Yu H*, Gu M, Tang J. Impact of horizontal resolution in CALMET on simulated near-surface wind fields over complex terrain during Super Typhoon Meranti (2016). Atmospheric Research, 2021, 247: 105223. 

链接：https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105223

[2] Huang S, Tang S*, Yu H, Xue W, Fang P, Chen P. Impact of physical representations in CALMET on the simulated wind fields over land during Super Typhoon Meranti (2016). Frontiers of Earth Science, 2019, 13(4): 744-757. 

链接：https://doi.org/10.1007/s11707-019-0769-5

[3] 汤胜茗, 黄穗,余晖, 顾明*. 运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响. 同济大学学报: 自然科学版, 2020, 48 (1): 123-131.  

链接：https://doi.org/10.11908/j.issn.0253-374x.19177