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科研进展:适用于对流允许尺度台风模拟的三维湍流参数化方案的发展

发布时间:2023-04-20 11:22:21   作者: 叶庚姣、张旭

湍流在台风系统中是普遍存在的,它不仅存在于边界层中,而且存在于边界层以上的湿对流系统内。准确且合理地参数化表征次网格尺度湍流输送,对于准确预测和模拟台风至关重要。然而,目前对流允许尺度(convection-permitting resolution)的数值天气预报模式中使用的湍流参数化方案无法合理表征台风对流系统内的次网格湍流输送。

针对上述问题,上海台风研究所团队利用台风大涡模拟数据对对流允许尺度下台风快速增强和成熟阶段的次网格湍流通量特征进行分析。研究表明,在对流允许尺度下,台风次网格水平湍流通量与垂直湍流通量的量级相当,边界层以上台风对流系统中均有很强的湍流通量输送,且呈现出明显的逆梯度输送特征。而传统的涡动扩散闭合方案是无法对水平以及垂直湍流输送进行合理表征的。

针对传统涡动扩散闭合方案无法表征次网格湍流通量逆梯度输送的问题,研究将基于网格尺度量水平梯度的尺度相似性闭合方案引入上海台风研究所自主研发的三维次网格湍流混合参数化方案(Shanghai Meteorological Service - Three Dimensional Turbulent Kinetic Energy,SMS-3DTKE方案)中,发展了新的三维湍流参数化方案(SMS-3DTKE-H方案)。模拟试验结果表明,新方案可很好地表征台风边界层以上对流系统内的次网格湍流输送(图1),对台风强度、结构的模拟也均有明显改善(图2)。

目前该研究成果已在《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》发表。研究工作受到国家重点研发计划“台风变分辨率预报模式的关键物理过程研究与示范应用”(2021YFC3000803)资助。论文第一作者为上海台风研究所博士研究生叶庚姣,通讯作者为上海台风研究所张旭研究员,合作者为上海台风研究所余晖研究员。


论文信息:

Ye, G. J., Zhang, X., & Yu, H. (2023). Modifications to three-dimensional turbulence parameterization for tropical cyclone simulation at convection-permitting resolution. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 15, e2022MS003530.


原文链接:

https://doi.org/10.1029/2022MS003530


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(叶庚姣、张旭)