雙熱帶氣旋初始化技術(shù)與數(shù)值模擬研究：方法、應(yīng)用與展望一、引言1.1研究背景與意義熱帶氣旋作為一種極具破壞力的天氣系統(tǒng)，一直是氣象學(xué)研究的重點(diǎn)對(duì)象。它通常在熱帶或副熱帶洋面上生成，伴隨有狂風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮等極端天氣現(xiàn)象。當(dāng)熱帶氣旋登陸時(shí)，往往會(huì)對(duì)沿海地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類生活造成嚴(yán)重影響，帶來(lái)巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全球因熱帶氣旋導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)數(shù)十億美元，如2017年颶風(fēng)“哈維”襲擊美國(guó)得克薩斯州，造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1250億美元。雙熱帶氣旋是指在一定區(qū)域內(nèi)同時(shí)存在的兩個(gè)熱帶氣旋，它們之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，如互旋、吸引、合并等，這種相互作用使得雙熱帶氣旋的路徑、強(qiáng)度和降水等變化更加難以預(yù)測(cè)。例如，2009年8月，臺(tái)風(fēng)“莫拉克”、“天鵝”與“艾濤”發(fā)生多熱帶氣旋作用，“天鵝”向“莫拉克”輸送水汽，致使“莫拉克”降水量大增，重創(chuàng)我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，臺(tái)灣南部遭遇了50多年來(lái)最強(qiáng)的一次降水過(guò)程，阿里山雨量超過(guò)3000mm，數(shù)百人因此喪生；“天鵝”受“莫拉克”影響形成異常路徑，逆時(shí)針繞海南島移動(dòng)近一圈，導(dǎo)致我國(guó)8人死亡，逾200萬(wàn)人受災(zāi)；“艾濤”受“莫拉克”影響發(fā)生路徑轉(zhuǎn)折。這些案例充分凸顯了雙熱帶氣旋相互作用帶來(lái)的嚴(yán)重后果，以及準(zhǔn)確預(yù)報(bào)雙熱帶氣旋的迫切性和重要性。在氣象學(xué)領(lǐng)域，深入研究雙熱帶氣旋的初始化及數(shù)值模擬具有重要的理論意義。雙熱帶氣旋的相互作用涉及到大氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)以及海洋-大氣相互作用等多個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，對(duì)這些過(guò)程的研究有助于我們更深入地理解大氣環(huán)流的變化規(guī)律，完善熱帶氣旋的生成、發(fā)展和演變理論。同時(shí)，準(zhǔn)確的數(shù)值模擬能夠?yàn)闅庀箢A(yù)報(bào)提供更可靠的依據(jù)，提高天氣預(yù)報(bào)的精度和可靠性，推動(dòng)氣象科學(xué)的發(fā)展。從防災(zāi)減災(zāi)的角度來(lái)看，雙熱帶氣旋的研究對(duì)于保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)雙熱帶氣旋的初始化和數(shù)值模擬研究，我們可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)雙熱帶氣旋的路徑、強(qiáng)度和降水分布，提前發(fā)布預(yù)警信息，為政府部門(mén)制定防災(zāi)減災(zāi)措施提供科學(xué)依據(jù)，從而有效減少災(zāi)害損失。比如，提前組織沿海居民疏散、加固建筑物、做好防洪排澇準(zhǔn)備等措施，都能在一定程度上降低雙熱帶氣旋帶來(lái)的危害。因此，開(kāi)展雙熱帶氣旋初始化及數(shù)值模擬研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在雙熱帶氣旋研究領(lǐng)域，國(guó)外學(xué)者開(kāi)展了大量的開(kāi)創(chuàng)性工作。20世紀(jì)20年代初，藤原（Fujiwhara）用液體介質(zhì)對(duì)氣旋性渦旋的相互作用進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了雙渦旋的互旋效應(yīng)，即著名的“藤原效應(yīng)”，為雙熱帶氣旋相互作用的研究奠定了理論基礎(chǔ)。此后，眾多學(xué)者圍繞這一效應(yīng)展開(kāi)深入研究。1970年，Brand統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱帶氣旋中心距離（d）小于臨界距離（dc），dc約為20緯距時(shí)，雙TC會(huì)發(fā)生互旋或相互拉伸。這一發(fā)現(xiàn)為雙熱帶氣旋相互作用的量化研究提供了重要參考。1995年，Lander首次利用氣象衛(wèi)星觀測(cè)到了雙熱帶氣旋的合并現(xiàn)象，進(jìn)一步豐富了人們對(duì)雙熱帶氣旋相互作用形式的認(rèn)識(shí)。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外在雙熱帶氣旋的數(shù)值模擬研究方面取得了顯著進(jìn)展。一些先進(jìn)的數(shù)值模式，如WRF（WeatherResearchandForecasting）模式、MM5（MesoscaleModel5）模式等，被廣泛應(yīng)用于雙熱帶氣旋的模擬研究中。通過(guò)這些模式，研究人員能夠?qū)﹄p熱帶氣旋的相互作用過(guò)程進(jìn)行較為細(xì)致的模擬，分析其路徑、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化特征。國(guó)內(nèi)學(xué)者在雙熱帶氣旋研究方面也取得了一系列重要成果。在統(tǒng)計(jì)分析方面，對(duì)西北太平洋上雙熱帶氣旋相互作用的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行了深入研究。發(fā)現(xiàn)西北太平洋上雙熱帶氣旋相互作用具有普遍性，平均每年發(fā)生3.6次，高峰期一年達(dá)到8次；雙熱帶氣旋相互作用幾乎全部發(fā)生在5-12月，全年有87.7％的雙熱帶氣旋相互作用現(xiàn)象集中在7-10月，與熱帶氣旋生成的高發(fā)期一致。在數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用多種數(shù)值模式對(duì)雙熱帶氣旋進(jìn)行模擬研究，取得了一些有價(jià)值的成果。例如，采用無(wú)基本氣流的無(wú)輻散正壓模式模擬了雙熱帶氣旋的運(yùn)動(dòng)，并應(yīng)用非對(duì)稱理論研究雙熱帶氣旋的相互作用，發(fā)現(xiàn)雙熱帶氣旋中的每個(gè)熱帶氣旋主要由通過(guò)其中心的非對(duì)稱氣流（即通風(fēng)氣流）作用而移動(dòng)，這股非對(duì)稱氣流是由其自身的線性和非線性效應(yīng)產(chǎn)生的非對(duì)稱渦旋與其配對(duì)熱帶氣旋形成的非對(duì)稱渦旋相疊加而引起的。盡管國(guó)內(nèi)外在雙熱帶氣旋初始化及數(shù)值模擬方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。在初始化方面，目前的初始化方法對(duì)于熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的描述還不夠準(zhǔn)確，特別是對(duì)于一些復(fù)雜的熱帶氣旋系統(tǒng)，初始化誤差較大，這會(huì)影響后續(xù)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。在數(shù)值模擬方面，雖然現(xiàn)有的數(shù)值模式能夠?qū)﹄p熱帶氣旋的相互作用過(guò)程進(jìn)行模擬，但在模擬的精度和效率方面還有待提高。同時(shí)，對(duì)于雙熱帶氣旋相互作用過(guò)程中的一些復(fù)雜物理過(guò)程，如海洋-大氣相互作用、水汽輸送等，模式的描述還不夠完善，這也限制了模擬結(jié)果的可靠性。此外，目前的研究大多集中在雙熱帶氣旋的相互作用本身，對(duì)于雙熱帶氣旋與周圍環(huán)境場(chǎng)的相互作用研究相對(duì)較少，而這對(duì)于深入理解雙熱帶氣旋的發(fā)生發(fā)展機(jī)制至關(guān)重要。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究雙熱帶氣旋初始化及數(shù)值模擬的相關(guān)問(wèn)題，通過(guò)理論分析、數(shù)值試驗(yàn)和對(duì)比研究等方法，改進(jìn)雙熱帶氣旋的初始化方法，提高數(shù)值模擬的精度和可靠性，為雙熱帶氣旋的預(yù)報(bào)和災(zāi)害防御提供更有力的科學(xué)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：對(duì)比分析不同初始化方法：系統(tǒng)地對(duì)比現(xiàn)有多種雙熱帶氣旋初始化方法，如直接插入法、變分同化法、集合卡爾曼濾波法等。詳細(xì)分析每種方法的原理、優(yōu)勢(shì)及局限性，通過(guò)實(shí)際案例模擬，從初始化誤差、對(duì)熱帶氣旋結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的刻畫(huà)能力等方面進(jìn)行量化評(píng)估。例如，利用直接插入法將預(yù)先構(gòu)建的雙熱帶氣旋渦旋插入到初始場(chǎng)中，觀察其在模擬初期對(duì)熱帶氣旋位置和強(qiáng)度的再現(xiàn)情況；運(yùn)用變分同化法，通過(guò)最小化觀測(cè)值與模擬值之間的差異來(lái)調(diào)整初始場(chǎng)，分析其對(duì)初始場(chǎng)中各種物理量的優(yōu)化效果；借助集合卡爾曼濾波法，利用集合成員的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)更新初始場(chǎng)，評(píng)估其在處理不確定性方面的表現(xiàn)。通過(guò)全面的對(duì)比，篩選出相對(duì)更優(yōu)的初始化方法，并明確不同方法在不同場(chǎng)景下的適用性。開(kāi)展數(shù)值模擬試驗(yàn)：運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)值模式，如高分辨率的WRF模式，對(duì)不同類型的雙熱帶氣旋進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)。在模擬過(guò)程中，設(shè)置多種不同的試驗(yàn)方案，包括改變海洋表面溫度、垂直風(fēng)切變、水汽條件等環(huán)境因素，以及調(diào)整雙熱帶氣旋的初始距離、強(qiáng)度和相對(duì)位置等參數(shù)。例如，設(shè)置一組試驗(yàn)，保持其他條件不變，僅改變海洋表面溫度，研究其對(duì)雙熱帶氣旋強(qiáng)度發(fā)展和相互作用的影響；再設(shè)置另一組試驗(yàn)，固定環(huán)境因素，調(diào)整雙熱帶氣旋的初始距離，觀察它們之間的互旋、吸引等相互作用的變化規(guī)律。通過(guò)這些試驗(yàn)，深入分析雙熱帶氣旋在不同條件下的相互作用過(guò)程，包括路徑變化、強(qiáng)度演變、水汽輸送和能量交換等方面的特征，揭示雙熱帶氣旋相互作用的內(nèi)在機(jī)制。優(yōu)化數(shù)值模擬方案：基于數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)數(shù)值模式的參數(shù)化方案和物理過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。例如，改進(jìn)邊界層參數(shù)化方案，使其更準(zhǔn)確地描述雙熱帶氣旋與下墊面之間的動(dòng)量、熱量和水汽交換；完善云微物理參數(shù)化方案，提高對(duì)雙熱帶氣旋中云的生成、發(fā)展和降水過(guò)程的模擬能力；考慮海洋-大氣相互作用的反饋機(jī)制，將海洋模式與大氣模式進(jìn)行耦合，更真實(shí)地反映海洋對(duì)雙熱帶氣旋的影響。通過(guò)這些優(yōu)化措施，提高數(shù)值模擬的精度和可靠性，減少模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)之間的偏差。評(píng)估模擬結(jié)果并建立評(píng)估指標(biāo)體系：利用實(shí)際觀測(cè)資料，如衛(wèi)星云圖、雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)、探空資料等，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行全面評(píng)估。從雙熱帶氣旋的路徑、強(qiáng)度、降水分布等多個(gè)方面，將模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算相關(guān)的誤差指標(biāo)，如路徑偏差、強(qiáng)度誤差、降水誤差等。同時(shí)，建立一套科學(xué)合理的評(píng)估指標(biāo)體系，綜合考慮各種因素，對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。例如，引入威脅評(píng)分（TS）、公平威脅評(píng)分（ETS）等指標(biāo)來(lái)評(píng)估降水模擬的準(zhǔn)確性；利用均方根誤差（RMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）等指標(biāo)來(lái)衡量路徑和強(qiáng)度模擬的誤差大小。通過(guò)評(píng)估，及時(shí)發(fā)現(xiàn)模擬中存在的問(wèn)題，為進(jìn)一步改進(jìn)模擬方案提供依據(jù)。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的全面性、科學(xué)性和深入性。具體研究方法如下：文獻(xiàn)調(diào)研法：全面收集國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙熱帶氣旋初始化及數(shù)值模擬的相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告等。通過(guò)對(duì)這些文獻(xiàn)的系統(tǒng)梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及存在的問(wèn)題，為研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和研究思路。例如，在研究雙熱帶氣旋相互作用機(jī)制時(shí)，參考了大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)藤原效應(yīng)、雙熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度變化的研究成果，從而明確了研究的重點(diǎn)和方向。數(shù)值試驗(yàn)法：利用先進(jìn)的數(shù)值模式，如WRF模式，開(kāi)展雙熱帶氣旋的數(shù)值模擬試驗(yàn)。通過(guò)設(shè)置不同的試驗(yàn)方案，改變海洋表面溫度、垂直風(fēng)切變、水汽條件等環(huán)境因素，以及雙熱帶氣旋的初始距離、強(qiáng)度和相對(duì)位置等參數(shù)，模擬雙熱帶氣旋在不同條件下的相互作用過(guò)程。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，研究雙熱帶氣旋的路徑變化、強(qiáng)度演變、水汽輸送和能量交換等特征，揭示其相互作用的內(nèi)在機(jī)制。對(duì)比分析法：在對(duì)比不同初始化方法時(shí)，選取多個(gè)典型的雙熱帶氣旋個(gè)例，分別采用直接插入法、變分同化法、集合卡爾曼濾波法等進(jìn)行初始化處理，然后利用相同的數(shù)值模式進(jìn)行模擬。對(duì)比不同初始化方法下模擬結(jié)果的初始化誤差、對(duì)熱帶氣旋結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的刻畫(huà)能力等指標(biāo)，分析每種方法的優(yōu)勢(shì)和局限性，從而篩選出更優(yōu)的初始化方法。在評(píng)估數(shù)值模擬結(jié)果時(shí)，將模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，分析兩者之間的差異，評(píng)估模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。案例分析法：選取具有代表性的雙熱帶氣旋案例，如2009年“莫拉克”、“天鵝”與“艾濤”的多熱帶氣旋作用案例，對(duì)其初始化過(guò)程和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析。通過(guò)詳細(xì)研究這些案例，總結(jié)雙熱帶氣旋初始化及數(shù)值模擬中的關(guān)鍵問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為改進(jìn)初始化方法和優(yōu)化數(shù)值模擬方案提供實(shí)際依據(jù)。本研究的技術(shù)路線如圖1所示：首先，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研全面了解雙熱帶氣旋初始化及數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀，明確研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。然后，對(duì)比分析不同的初始化方法，選擇合適的方法對(duì)雙熱帶氣旋進(jìn)行初始化處理。接著，運(yùn)用WRF模式開(kāi)展數(shù)值模擬試驗(yàn)，設(shè)置多種試驗(yàn)方案，模擬雙熱帶氣旋在不同條件下的相互作用過(guò)程。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)資料評(píng)估模擬的準(zhǔn)確性，根據(jù)評(píng)估結(jié)果優(yōu)化數(shù)值模擬方案。最后，總結(jié)研究成果，提出改進(jìn)雙熱帶氣旋初始化及數(shù)值模擬的建議和方法。[此處插入技術(shù)路線圖]圖1研究技術(shù)路線圖[此處插入技術(shù)路線圖]圖1研究技術(shù)路線圖圖1研究技術(shù)路線圖二、雙熱帶氣旋相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1熱帶氣旋的基本概念與特征2.1.1熱帶氣旋的定義與分類熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，是一種強(qiáng)大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)。它宛如在流動(dòng)江河中前行的渦旋，一邊繞自身中心急速旋轉(zhuǎn)，一邊隨周圍大氣向前移動(dòng)。在北半球，熱帶氣旋中的氣流繞中心呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；在南半球則呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。熱帶氣旋的生命史可分為生成、成熟和消亡三個(gè)階段，其生命期平均為一周左右，短的僅有2-3天，最長(zhǎng)可達(dá)一個(gè)月左右。依據(jù)強(qiáng)度和風(fēng)力等因素，熱帶氣旋有著明確的分類標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上通常按中心附近地面最大風(fēng)速將熱帶氣旋劃分為六個(gè)等級(jí)：超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（SuperTY）：底層中心附近最大平均風(fēng)速≥51.0米/秒，也即16級(jí)或以上。這類熱帶氣旋具有極其強(qiáng)大的破壞力，所到之處，狂風(fēng)可輕易掀翻建筑物、拔起大樹(shù)，風(fēng)暴潮能淹沒(méi)大片沿海地區(qū)，如2013年的臺(tái)風(fēng)“海燕”，以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別登陸菲律賓，中心附近最大風(fēng)力達(dá)17級(jí)以上，給當(dāng)?shù)貛?lái)了毀滅性的災(zāi)難，造成數(shù)千人死亡，經(jīng)濟(jì)損失難以估量。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（STY）：底層中心附近最大平均風(fēng)速41.5-50.9米/秒，也即14-15級(jí)。強(qiáng)臺(tái)風(fēng)同樣威力巨大，能引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和狂風(fēng)破壞，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。臺(tái)風(fēng)（TY）：底層中心附近最大平均風(fēng)速32.7-41.4米/秒，也即12-13級(jí)。臺(tái)風(fēng)是人們較為熟知的熱帶氣旋等級(jí)，它帶來(lái)的狂風(fēng)暴雨常常會(huì)影響沿海地區(qū)的交通、電力供應(yīng)等，例如2019年臺(tái)風(fēng)“利奇馬”登陸我國(guó)，帶來(lái)了狂風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮，多個(gè)省份受災(zāi)，大量房屋受損，農(nóng)作物被淹。強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（STS）：底層中心附近最大平均風(fēng)速24.5-32.6米/秒，也即風(fēng)力10-11級(jí)。雖然強(qiáng)度相對(duì)較弱，但強(qiáng)熱帶風(fēng)暴仍可能對(duì)海上船只和沿海地區(qū)的一些簡(jiǎn)易建筑造成損害。熱帶風(fēng)暴（TS）：底層中心附近最大平均風(fēng)速17.2-24.4米/秒，也即風(fēng)力8-9級(jí)。熱帶風(fēng)暴會(huì)帶來(lái)一定強(qiáng)度的風(fēng)雨天氣，可能導(dǎo)致道路積水、樹(shù)木搖晃等情況。熱帶低壓（TD）：底層中心附近最大平均風(fēng)速10.8-17.1米/秒，也即風(fēng)力為6-7級(jí)。熱帶低壓的影響相對(duì)較小，但在一些情況下，也可能引發(fā)局部地區(qū)的降雨和微風(fēng)天氣變化。不同地區(qū)對(duì)熱帶氣旋也有不同的稱謂，在西北太平洋和南海稱為臺(tái)風(fēng)；而在東北太平洋、大西洋稱為颶風(fēng)。這些不同稱謂下的熱帶氣旋本質(zhì)上都是相似的熱帶天氣系統(tǒng)，只是由于生成海域的不同而有了不同的名字。2.1.2熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)與形成機(jī)制熱帶氣旋主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：風(fēng)眼：強(qiáng)烈的熱帶氣旋的環(huán)流中心是下沉氣流，會(huì)形成一個(gè)風(fēng)眼。眼內(nèi)的天氣通常平靜無(wú)風(fēng)，無(wú)云，甚至?xí)r有陽(yáng)光，但海面仍可能波濤洶涌。風(fēng)眼通常呈圓形，直徑由2公里至370公里不等。較弱的熱帶氣旋的風(fēng)眼可能被中心密集云層區(qū)遮蔽，甚至沒(méi)有風(fēng)眼結(jié)構(gòu)。例如，臺(tái)風(fēng)“泰培”的風(fēng)眼直徑非常大，達(dá)到了約370公里，在衛(wèi)星云圖上清晰可見(jiàn)其巨大的風(fēng)眼結(jié)構(gòu)。風(fēng)眼墻（或稱眼壁）：包圍風(fēng)眼的是圓桶狀的風(fēng)眼墻，風(fēng)眼墻內(nèi)對(duì)流非常強(qiáng)烈，其云層的高度在熱帶氣旋內(nèi)通常是最高的，降水的強(qiáng)度和風(fēng)力的強(qiáng)度在熱帶氣旋內(nèi)也是最大的。強(qiáng)烈的熱帶氣旋有眼壁置換周期，產(chǎn)生新的外眼壁替代內(nèi)壁。其成因?yàn)闊釒庑郾谕鈬穆菪陰е亟M，然后漸漸向內(nèi)移動(dòng)，竊取了眼壁的濕氣與能量。在這一階段，熱帶氣旋會(huì)進(jìn)入一個(gè)減弱的過(guò)程。在外圍新的眼壁完全取代舊眼壁，如果環(huán)境許可，熱帶氣旋會(huì)重新增強(qiáng)。通過(guò)多頻微波掃描和雷達(dá)可以清楚觀測(cè)到眼墻更新周期中的熱帶氣旋出現(xiàn)雙重眼壁；如果熱帶氣旋眼壁置換的過(guò)程較為明顯，更可從可見(jiàn)光和紅外線衛(wèi)星云圖上觀測(cè)到。如臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”在發(fā)展過(guò)程中就經(jīng)歷了明顯的眼壁置換過(guò)程，使得其強(qiáng)度發(fā)生了變化。螺旋雨帶：是繞著熱帶氣旋中心運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)對(duì)流云和雷暴帶。在北半球，螺旋雨帶呈逆時(shí)針?lè)较蚶@中心運(yùn)動(dòng)。螺旋雨帶會(huì)帶來(lái)狂風(fēng)暴雨，而在兩條雨帶之間則會(huì)較為平靜。在接近陸地的熱帶氣旋，螺旋雨帶中有時(shí)會(huì)形成龍卷風(fēng)。擁有多條螺旋雨帶的熱帶氣旋一般較強(qiáng)及發(fā)展成熟；但也有一些“輪狀颶風(fēng)”的主要特征是沒(méi)有螺旋雨帶。當(dāng)臺(tái)風(fēng)“山竹”靠近我國(guó)沿海地區(qū)時(shí)，其螺旋雨帶帶來(lái)了狂風(fēng)暴雨，給多地帶來(lái)了嚴(yán)重的風(fēng)雨影響。地面低壓：熱帶氣旋的中心接近地面或海面部分是一個(gè)低壓區(qū)。地球海平面上所錄得最低的氣壓（870hPa）是在有紀(jì)錄以來(lái)最強(qiáng)的熱帶氣旋——臺(tái)風(fēng)泰培（Tip）中心所錄得的。暖心：熱帶氣旋的暖濕空氣環(huán)繞著中心旋轉(zhuǎn)上升，過(guò)程中水汽凝結(jié)釋放大量潛熱，熱能在中心附近垂直分布。熱帶氣旋內(nèi)各高度（接近海面例外）的氣溫都比氣旋外為高。中心密集云層區(qū)：圍繞熱帶氣旋中心旋轉(zhuǎn)的密集云層區(qū)，通常是由雷暴產(chǎn)生的卷云。熱帶氣旋的形成需要滿足一系列特定條件：高溫海水：海水的表面溫度不低于攝氏26.5°，且水深不少于50米。這個(gè)溫度的海水能夠造成上層大氣足夠的不穩(wěn)定，因而能維持對(duì)流和雷暴。溫暖的海水就像熱帶氣旋的“燃料庫(kù)”，為其生成和發(fā)展提供能量。在熱帶海域，太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，海水吸收大量熱量，使得海水溫度升高，滿足了熱帶氣旋形成對(duì)海水溫度的要求。大氣不穩(wěn)定：大氣溫度隨高度迅速降低，這容許潛熱被釋放，而這些潛熱是熱帶氣旋的能量來(lái)源。當(dāng)暖濕空氣上升時(shí)，水汽遇冷會(huì)凝結(jié)成云并釋放出潛熱，使空氣進(jìn)一步上升，形成強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。充足水汽：潮濕的空氣，尤其在對(duì)流層的中下層，大氣濕潤(rùn)有利于天氣擾動(dòng)的形成。豐富的水汽是形成云、雨和維持熱帶氣旋強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。熱帶洋面上的水汽源源不斷地被卷入熱帶氣旋中，為其發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。地轉(zhuǎn)偏向力：大部分須在離赤道超過(guò)五個(gè)緯度的地區(qū)生成，否則科里奧利力的強(qiáng)度不足以使吹向低壓中心的風(fēng)偏轉(zhuǎn)并圍繞其轉(zhuǎn)動(dòng)，環(huán)流中心便不能形成。地轉(zhuǎn)偏向力在熱帶氣旋的形成過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用，它使得氣流圍繞低壓中心旋轉(zhuǎn)，形成氣旋性環(huán)流。弱垂直風(fēng)切變：不強(qiáng)的垂直風(fēng)切變，如果垂直風(fēng)切變過(guò)強(qiáng)，熱帶氣旋對(duì)流的發(fā)展會(huì)被阻礙，使其正反饋機(jī)制難以啟動(dòng)。較小的垂直風(fēng)切變有助于維持熱帶氣旋的暖心結(jié)構(gòu)和對(duì)流活動(dòng)。初始擾動(dòng)：需要一個(gè)預(yù)先存在的且擁有環(huán)流及低壓中心的天氣擾動(dòng)。這個(gè)初始擾動(dòng)就像是熱帶氣旋形成的“種子”，在合適的環(huán)境條件下，逐漸發(fā)展壯大。例如，熱帶輻合帶中的擾動(dòng)、東風(fēng)波等都有可能成為熱帶氣旋的初始擾動(dòng)。中對(duì)流層濕度條件：中對(duì)流層的大氣不能太干燥，相對(duì)濕度必須大于40-50個(gè)百分點(diǎn)。適宜的濕度條件有利于水汽的凝結(jié)和潛熱的釋放，促進(jìn)熱帶氣旋的發(fā)展。2.2雙熱帶氣旋的相互作用2.2.1藤原效應(yīng)藤原效應(yīng)，又稱雙臺(tái)風(fēng)效應(yīng)，是雙熱帶氣旋相互作用中最為典型的現(xiàn)象。該效應(yīng)由日本氣象學(xué)家藤原博士于1921-1923年在一系列的渦旋實(shí)驗(yàn)及觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)兩個(gè)距離較近的熱帶氣旋同時(shí)存在時(shí)，它們會(huì)受到對(duì)方的影響，相互繞著兩者中心所形成的軸線，呈氣旋性方向移動(dòng)，且有彼此接近及合并的趨勢(shì)。在北半球，雙熱帶氣旋繞著相連的軸線呈逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)；在南半球則呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。藤原效應(yīng)可表現(xiàn)為多種形式：互旋：當(dāng)兩個(gè)熱帶氣旋的范圍和強(qiáng)度相當(dāng)，且距離在合適范圍內(nèi)時(shí)，它們會(huì)繞著一個(gè)共同中心互旋。例如，1994年臺(tái)風(fēng)派特（Pat）和露絲（Ruth）、2000年臺(tái)風(fēng)派比安（Prapiroon）和瑪利亞（Mari），它們?cè)谝欢〞r(shí)間內(nèi)相互繞轉(zhuǎn)，宛如在大氣舞臺(tái)上翩翩起舞的“舞者”。這種互旋運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間和穩(wěn)定性受到多種因素的影響，如熱帶氣旋的強(qiáng)度、相對(duì)位置以及周圍環(huán)境場(chǎng)的變化等。當(dāng)周圍環(huán)境場(chǎng)較為穩(wěn)定，且兩個(gè)熱帶氣旋強(qiáng)度差異不大時(shí)，互旋現(xiàn)象可能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間；若環(huán)境場(chǎng)發(fā)生劇烈變化，或者其中一個(gè)熱帶氣旋強(qiáng)度迅速增強(qiáng)或減弱，互旋狀態(tài)可能會(huì)被打破。單向影響：當(dāng)一個(gè)較強(qiáng)的熱帶氣旋與一個(gè)較弱的熱帶氣旋互相接近時(shí)，較強(qiáng)的熱帶氣旋會(huì)支配著較弱熱帶氣旋的路徑，令較弱的熱帶氣旋繞著它作反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。以1994年臺(tái)風(fēng)天姆（Tim）對(duì)熱帶風(fēng)暴云妮莎（Vanessa）的影響為例，天姆強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)于云妮莎，使得云妮莎的路徑受到天姆的顯著影響，圍繞天姆進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。在這種情況下，較弱熱帶氣旋的移動(dòng)方向、速度等都受到較強(qiáng)熱帶氣旋的控制，其自身的發(fā)展也可能受到抑制。相互影響：當(dāng)兩股熱帶氣旋的強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，它們會(huì)互相圍繞一個(gè)共同中心旋轉(zhuǎn)，直至受到其它天氣系統(tǒng)影響其移動(dòng)，或其中一方減弱，才會(huì)脫離互相影響的局面。比如1986年的臺(tái)風(fēng)韋恩和臺(tái)風(fēng)維娜、2009年的臺(tái)風(fēng)莫拉克和天鵝，它們?cè)谙嗷プ饔眠^(guò)程中，路徑和強(qiáng)度都受到對(duì)方的顯著影響，移動(dòng)方向和速度不斷變化。在這種相互影響的過(guò)程中，兩個(gè)熱帶氣旋之間會(huì)發(fā)生能量和水汽的交換，進(jìn)一步影響它們的發(fā)展和演變。合并：比較強(qiáng)勁的熱帶氣旋可能會(huì)把小的熱帶氣旋吸收，令它成為自己環(huán)流的一部分。1999年初的瑪吉把南海的低壓區(qū)吸收，就屬于這種情況。不過(guò)，這種合并現(xiàn)象需要兩個(gè)熱帶氣旋距離足夠接近，且較弱的熱帶氣旋不受其它天氣系統(tǒng)影響其移動(dòng)才行。當(dāng)發(fā)生合并時(shí)，較強(qiáng)熱帶氣旋的強(qiáng)度和范圍可能會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)和擴(kuò)大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。藤原效應(yīng)使得雙熱帶氣旋的路徑和強(qiáng)度變化更加復(fù)雜，給氣象預(yù)報(bào)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確理解和預(yù)測(cè)藤原效應(yīng)，對(duì)于提前做好防災(zāi)減災(zāi)準(zhǔn)備、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。2.2.2能量與水汽交換雙熱帶氣旋之間存在著復(fù)雜的能量與水汽交換過(guò)程，這對(duì)它們的強(qiáng)度和路徑演變有著重要影響。熱帶氣旋的能量主要來(lái)源于水汽凝結(jié)釋放的潛熱，水汽則是能量的載體。當(dāng)兩個(gè)熱帶氣旋相互靠近時(shí)，它們之間會(huì)形成特定的氣流場(chǎng)和水汽輸送通道。在雙熱帶氣旋系統(tǒng)中，水汽交換主要通過(guò)它們之間的低空急流和螺旋雨帶進(jìn)行。水汽從一個(gè)熱帶氣旋的外圍被輸送到另一個(gè)熱帶氣旋中，為其發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)。臺(tái)風(fēng)“天鵝”向“莫拉克”輸送水汽，使得“莫拉克”的降水量大增。這是因?yàn)椤疤禊Z”周圍的水汽在特定的氣流引導(dǎo)下，進(jìn)入了“莫拉克”的環(huán)流系統(tǒng)，增加了“莫拉克”內(nèi)部的水汽含量，從而導(dǎo)致降水大幅增加。這種水汽輸送過(guò)程會(huì)改變熱帶氣旋內(nèi)部的水汽分布和垂直運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響其強(qiáng)度和降水分布。當(dāng)大量水汽被輸送到一個(gè)熱帶氣旋中時(shí)，會(huì)增強(qiáng)其對(duì)流活動(dòng)，釋放更多的潛熱，使熱帶氣旋的強(qiáng)度得到加強(qiáng)；同時(shí)，水汽的增加也會(huì)導(dǎo)致降水區(qū)域和強(qiáng)度的變化，可能引發(fā)暴雨洪澇等災(zāi)害。能量交換方面，雙熱帶氣旋通過(guò)位勢(shì)渦度、動(dòng)能等形式進(jìn)行能量傳遞。當(dāng)一個(gè)熱帶氣旋的能量較高時(shí)，會(huì)通過(guò)相互作用將部分能量傳遞給另一個(gè)熱帶氣旋。在相互繞轉(zhuǎn)過(guò)程中，熱帶氣旋之間的環(huán)流相互影響，導(dǎo)致動(dòng)能的重新分配。如果一個(gè)熱帶氣旋的環(huán)流較強(qiáng)，它會(huì)帶動(dòng)周圍的空氣運(yùn)動(dòng)，將動(dòng)能傳遞給另一個(gè)熱帶氣旋，使其移動(dòng)速度或旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度發(fā)生變化。這種能量交換還會(huì)影響熱帶氣旋的暖心結(jié)構(gòu)和垂直運(yùn)動(dòng)。能量的輸入或輸出會(huì)改變熱帶氣旋內(nèi)部的溫度分布和上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，進(jìn)而影響其發(fā)展和演變。如果一個(gè)熱帶氣旋獲得了額外的能量，其暖心結(jié)構(gòu)可能會(huì)更加明顯，上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于其進(jìn)一步發(fā)展；反之，若能量被大量消耗，熱帶氣旋可能會(huì)減弱。雙熱帶氣旋之間的能量與水汽交換是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，受到熱帶氣旋的強(qiáng)度、距離、相對(duì)位置以及周圍環(huán)境場(chǎng)的影響。深入研究這一過(guò)程，有助于更準(zhǔn)確地理解雙熱帶氣旋的相互作用機(jī)制，提高對(duì)其強(qiáng)度和路徑的預(yù)測(cè)能力。三、雙熱帶氣旋初始化方法3.1直接插入法3.1.1方法原理直接插入法是一種相對(duì)直接且基礎(chǔ)的雙熱帶氣旋初始化手段。在實(shí)際應(yīng)用中，由于對(duì)熱帶氣旋內(nèi)核結(jié)構(gòu)的觀測(cè)存在較大困難，尤其是對(duì)于雙熱帶氣旋系統(tǒng)，現(xiàn)有的觀測(cè)資料往往難以完整、準(zhǔn)確地描繪其復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分布。為了在數(shù)值模型初始場(chǎng)中合理地表示雙熱帶氣旋，渦旋偽造技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，而直接插入法便是其中一種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式。該方法的核心步驟是生成假渦旋并將其直接插入到數(shù)值模型初始條件中。假渦旋的生成方式多樣，其中一種常用的方法是依據(jù)臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心生成的常規(guī)警告消息，這些消息包含了對(duì)最大持續(xù)表面風(fēng)、中心壓力和大小特征的估計(jì)值。利用這些估計(jì)值，通過(guò)擬合觀測(cè)到的徑向風(fēng)廓線的函數(shù)，并結(jié)合垂直衰減假設(shè)，可以在半徑-高度平面上構(gòu)建軸對(duì)稱切向風(fēng)場(chǎng)。接著，借助流體靜力方程求解非線性平衡方程，從而獲得質(zhì)量場(chǎng)。這樣，一個(gè)近似臺(tái)風(fēng)狀的假渦旋便構(gòu)建完成。在將假渦旋插入到初始場(chǎng)時(shí)，首先需要對(duì)初始場(chǎng)進(jìn)行處理。通常，第一個(gè)猜測(cè)字段中可能已經(jīng)存在來(lái)自先前預(yù)測(cè)的類似臺(tái)風(fēng)的渦旋，但其位置、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)可能與實(shí)際情況存在偏差，因此需要將其移除。具體操作是使用濾波技術(shù)將總場(chǎng)分解為基本場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)，然后從擾動(dòng)場(chǎng)中去除具有指定長(zhǎng)度尺度的渦旋。之后，將非颶風(fēng)擾動(dòng)與基本場(chǎng)相加，構(gòu)建出環(huán)境場(chǎng)。最后，把生成的指定假渦旋簡(jiǎn)單地添加到環(huán)境場(chǎng)中，完成雙熱帶氣旋的初始化過(guò)程。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于操作相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，能夠快速地在初始場(chǎng)中引入雙熱帶氣旋的基本結(jié)構(gòu)。然而，它也存在一些明顯的缺陷。在模型分析階段，插入的渦流與環(huán)境混合時(shí)容易出現(xiàn)不平衡的情況，這可能導(dǎo)致初始化后的雙熱帶氣旋在模擬初期出現(xiàn)不合理的演變。對(duì)于弱臺(tái)風(fēng)和經(jīng)歷垂直剪切的臺(tái)風(fēng)，在初始條件中插入垂直堆疊的渦旋可能會(huì)與實(shí)際情況不符，影響模擬的準(zhǔn)確性。而且，假渦旋的垂直結(jié)構(gòu)對(duì)模擬結(jié)果具有很強(qiáng)的敏感性，但在實(shí)際操作中，假渦旋的垂直結(jié)構(gòu)往往難以得到精確的觀測(cè)和設(shè)定。3.1.2案例分析以2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”和臺(tái)風(fēng)“百里嘉”的雙熱帶氣旋個(gè)例為例，探討直接插入法在雙熱帶氣旋初始化中的應(yīng)用。在該案例中，首先根據(jù)相關(guān)觀測(cè)資料和臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心發(fā)布的信息，構(gòu)建了“山竹”和“百里嘉”的假渦旋。利用擬合得到的徑向風(fēng)廓線函數(shù)和垂直衰減假設(shè)，生成了軸對(duì)稱切向風(fēng)場(chǎng)，并通過(guò)求解非線性平衡方程得到了質(zhì)量場(chǎng)。將生成的假渦旋按照直接插入法的步驟插入到數(shù)值模型初始條件中。在移除初始場(chǎng)中可能存在的不合理渦旋后，將假渦旋添加到構(gòu)建好的環(huán)境場(chǎng)中。利用WRF模式對(duì)這一雙熱帶氣旋系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，直接插入法在一定程度上能夠再現(xiàn)雙熱帶氣旋的基本特征。能夠較為準(zhǔn)確地模擬出“山竹”和“百里嘉”的初始位置和大致的移動(dòng)方向。在模擬初期，雙熱帶氣旋之間的相互作用也能得到初步體現(xiàn)，如出現(xiàn)了一定程度的互旋趨勢(shì)。但該方法也暴露出一些明顯的不足。由于插入的假渦旋與環(huán)境場(chǎng)存在不平衡，在模擬初期，雙熱帶氣旋的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大的波動(dòng)?！吧街瘛钡膹?qiáng)度在初始階段出現(xiàn)了不合理的增強(qiáng)和減弱，這與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果存在較大偏差。假渦旋的垂直結(jié)構(gòu)設(shè)定不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致對(duì)雙熱帶氣旋垂直方向上的發(fā)展模擬效果不佳，無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到“山竹”和“百里嘉”在垂直方向上的對(duì)流活動(dòng)和能量輸送過(guò)程。對(duì)于“山竹”和“百里嘉”之間的能量和水汽交換過(guò)程，模擬結(jié)果也存在一定的誤差，不能很好地反映出實(shí)際的相互作用情況。通過(guò)這個(gè)案例可以看出，直接插入法在雙熱帶氣旋初始化中具有一定的可行性，能夠?yàn)閿?shù)值模擬提供一個(gè)初步的基礎(chǔ)。但由于其存在的不平衡和對(duì)假渦旋結(jié)構(gòu)刻畫(huà)不準(zhǔn)確等問(wèn)題，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，或者結(jié)合其他初始化方法，以提高雙熱帶氣旋初始化的準(zhǔn)確性和數(shù)值模擬的精度。3.2平衡渦旋插入法3.2.1方法原理平衡渦旋插入法是基于熱帶氣旋在邊界層上方很大程度上處于梯度和流體靜力平衡這一觀測(cè)事實(shí)而發(fā)展起來(lái)的一種初始化方法。其核心原理在于通過(guò)構(gòu)建滿足一定平衡條件的渦旋，來(lái)更準(zhǔn)確地表示熱帶氣旋的初始狀態(tài)，并將其插入到數(shù)值模型的初始條件中。在實(shí)際操作中，首先需要獲取一些關(guān)鍵信息。臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心生成的常規(guī)警告消息提供了重要依據(jù)，其中包含了對(duì)熱帶氣旋最大持續(xù)表面風(fēng)、中心壓力和大小特征的估計(jì)值。利用這些估計(jì)值，結(jié)合擬合觀測(cè)到的徑向風(fēng)廓線的函數(shù)以及垂直衰減假設(shè)，能夠在半徑-高度平面上構(gòu)建出軸對(duì)稱切向風(fēng)場(chǎng)。具體而言，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析和處理，找到能夠較好描述徑向風(fēng)隨半徑和高度變化的函數(shù)形式，再根據(jù)垂直衰減假設(shè)，確定風(fēng)場(chǎng)在垂直方向上的變化規(guī)律，從而得到較為準(zhǔn)確的軸對(duì)稱切向風(fēng)場(chǎng)。在得到軸對(duì)稱切向風(fēng)場(chǎng)后，借助流體靜力方程和非線性平衡方程求解質(zhì)量場(chǎng)。流體靜力方程描述了大氣中氣壓與高度之間的關(guān)系，而非線性平衡方程則考慮了大氣運(yùn)動(dòng)中的非線性因素。通過(guò)聯(lián)立這兩個(gè)方程進(jìn)行求解，可以得到與切向風(fēng)場(chǎng)相匹配的質(zhì)量場(chǎng)。這一過(guò)程需要運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和數(shù)值求解方法，以確保得到的質(zhì)量場(chǎng)能夠準(zhǔn)確反映熱帶氣旋的實(shí)際情況。將得到的平衡渦旋直接插入到模型初始條件中。相比于直接插入法中簡(jiǎn)單地插入假渦旋，平衡渦旋插入法構(gòu)建的渦旋在風(fēng)場(chǎng)和質(zhì)量場(chǎng)的平衡關(guān)系上更加合理。這種方法考慮了熱帶氣旋內(nèi)部的動(dòng)力平衡和熱力學(xué)平衡，使得插入的渦旋能夠更好地與數(shù)值模型中的環(huán)境場(chǎng)相互作用，減少了初始化過(guò)程中可能出現(xiàn)的不平衡問(wèn)題。然而，該方法也并非完美無(wú)缺。在實(shí)際的熱帶氣旋中，邊界層和流出層存在強(qiáng)烈的發(fā)散，在渦旋的對(duì)流活躍區(qū)域，流體靜力平衡假設(shè)并不完全成立。盡管平衡渦旋插入法在一定程度上改善了初始化的效果，但在處理這些復(fù)雜區(qū)域時(shí)，仍然可能存在一定的誤差。3.2.2案例分析以2016年臺(tái)風(fēng)“尼伯特”和臺(tái)風(fēng)“盧碧”的雙熱帶氣旋個(gè)例來(lái)深入分析平衡渦旋插入法的應(yīng)用效果。在對(duì)這一雙熱帶氣旋系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用平衡渦旋插入法進(jìn)行初始化。根據(jù)臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心提供的關(guān)于“尼伯特”和“盧碧”的最大持續(xù)表面風(fēng)、中心壓力和大小特征等估計(jì)值，利用擬合的徑向風(fēng)廓線函數(shù)和垂直衰減假設(shè)，構(gòu)建了它們的軸對(duì)稱切向風(fēng)場(chǎng)。通過(guò)求解流體靜力方程和非線性平衡方程，得到了相應(yīng)的質(zhì)量場(chǎng)。將構(gòu)建好的平衡渦旋插入到WRF模式的初始條件中，進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)。模擬結(jié)果顯示，平衡渦旋插入法在一定程度上提升了對(duì)雙熱帶氣旋的模擬能力。在模擬雙熱帶氣旋的路徑方面，能夠更準(zhǔn)確地捕捉到“尼伯特”和“盧碧”的移動(dòng)軌跡。與直接插入法相比，平衡渦旋插入法初始化后的模擬結(jié)果中，雙熱帶氣旋的路徑偏差明顯減小，更接近實(shí)際觀測(cè)路徑。在強(qiáng)度模擬方面，也表現(xiàn)出了較好的性能。能夠較為準(zhǔn)確地模擬出“尼伯特”和“盧碧”強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，尤其是在熱帶氣旋發(fā)展的關(guān)鍵階段，如強(qiáng)度增強(qiáng)或減弱的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)更為吻合。該方法在模擬過(guò)程中也暴露出一些問(wèn)題。在雙熱帶氣旋相互作用的細(xì)節(jié)方面，模擬結(jié)果與實(shí)際情況仍存在一定差異。對(duì)于“尼伯特”和“盧碧”之間的能量和水汽交換過(guò)程，模擬結(jié)果雖然能夠體現(xiàn)出大致的趨勢(shì)，但在交換的強(qiáng)度和具體位置上，與實(shí)際觀測(cè)存在偏差。在模擬雙熱帶氣旋的降水分布時(shí)，也存在一定的誤差。模擬的降水區(qū)域和降水量與實(shí)際觀測(cè)到的降水情況不完全一致，這可能會(huì)影響對(duì)雙熱帶氣旋帶來(lái)的降水災(zāi)害的評(píng)估和預(yù)警。總體而言，平衡渦旋插入法在雙熱帶氣旋初始化中具有一定的優(yōu)勢(shì)，能夠提高對(duì)雙熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度的模擬準(zhǔn)確性。但為了進(jìn)一步提高模擬精度，還需要對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，例如考慮更復(fù)雜的物理過(guò)程，完善邊界層和流出層的處理，以更好地模擬雙熱帶氣旋相互作用的細(xì)節(jié)和降水分布情況。3.3動(dòng)態(tài)初始化法3.3.1方法原理動(dòng)態(tài)初始化法是一種相對(duì)復(fù)雜但更為先進(jìn)的雙熱帶氣旋初始化方法，其核心原理是通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)發(fā)展臺(tái)風(fēng)渦旋，并將其插入到數(shù)值模型的初始條件中。與直接插入法和平衡渦旋插入法不同，動(dòng)態(tài)初始化法不是預(yù)先構(gòu)建好渦旋再插入，而是利用非線性大氣預(yù)測(cè)模型，在具有完整物理場(chǎng)的環(huán)境下，通過(guò)數(shù)值模擬讓臺(tái)風(fēng)渦旋自然發(fā)展。在實(shí)際操作中，首先需要運(yùn)行數(shù)值模型進(jìn)行積分。這個(gè)過(guò)程就像是在虛擬的大氣環(huán)境中“培育”臺(tái)風(fēng)渦旋，模型會(huì)考慮到大氣中的各種物理過(guò)程，如動(dòng)量、質(zhì)量和能量的守恒，以及水汽的輸送、凝結(jié)和潛熱釋放等。在模擬過(guò)程中，為了使發(fā)展的渦旋能夠符合實(shí)際觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)特征，通常會(huì)采用牛頓松弛技術(shù)。牛頓松弛是一種動(dòng)力學(xué)資料同化方法，其基本思想是在數(shù)值模型的方程中添加一個(gè)松弛項(xiàng)，該項(xiàng)將模型的預(yù)報(bào)值向觀測(cè)值進(jìn)行調(diào)整。在雙熱帶氣旋動(dòng)態(tài)初始化中，將牛頓松弛項(xiàng)添加到所需預(yù)后變量（如表面壓力、風(fēng)速等）的右側(cè)，以便將模擬發(fā)展的渦旋錨定在所需的強(qiáng)度上。具體來(lái)說(shuō)，如果模擬的臺(tái)風(fēng)渦旋強(qiáng)度與實(shí)際觀測(cè)的強(qiáng)度存在偏差，牛頓松弛項(xiàng)會(huì)根據(jù)偏差的大小和方向，對(duì)模型中的相關(guān)變量進(jìn)行調(diào)整，使得模擬的渦旋強(qiáng)度逐漸接近實(shí)際觀測(cè)值。通過(guò)不斷地迭代和調(diào)整，最終得到一個(gè)與實(shí)際觀測(cè)較為接近的臺(tái)風(fēng)渦旋。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，數(shù)值模型能夠?yàn)檫吔鐚雍土鞒鰧由筛鎸?shí)的結(jié)構(gòu)。由于模型考慮了完整的物理場(chǎng)，在模擬臺(tái)風(fēng)渦旋發(fā)展的過(guò)程中，能夠自然地生成邊界層和流出層的結(jié)構(gòu)，并且還可以包括水分變量。這使得初始化后的雙熱帶氣旋在數(shù)值模擬中能夠更真實(shí)地反映實(shí)際的大氣物理過(guò)程，減少了由于渦旋結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致的模擬誤差。然而，動(dòng)態(tài)初始化法也存在一些不足之處。該方法需要事先進(jìn)行模型積分，計(jì)算量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求較高。模擬過(guò)程中可能會(huì)受到模型本身的不確定性和初始條件誤差的影響，導(dǎo)致模擬發(fā)展的渦旋與實(shí)際情況存在一定的偏差。3.3.2案例分析以2017年臺(tái)風(fēng)“天鴿”和臺(tái)風(fēng)“帕卡”這一雙熱帶氣旋個(gè)例來(lái)分析動(dòng)態(tài)初始化法的應(yīng)用效果。在對(duì)“天鴿”和“帕卡”進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用動(dòng)態(tài)初始化法進(jìn)行初始化。利用WRF模式，在具有完整物理場(chǎng)的環(huán)境下進(jìn)行數(shù)值模擬，讓臺(tái)風(fēng)渦旋自然發(fā)展。在模擬過(guò)程中，通過(guò)添加牛頓松弛項(xiàng)，將模擬發(fā)展的渦旋錨定在觀測(cè)到的強(qiáng)度上。模擬結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)初始化法在對(duì)雙熱帶氣旋的模擬中展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。在路徑模擬方面，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)“天鴿”和“帕卡”的移動(dòng)路徑。與直接插入法和平衡渦旋插入法相比，動(dòng)態(tài)初始化法模擬的雙熱帶氣旋路徑與實(shí)際觀測(cè)路徑的偏差更小。在強(qiáng)度模擬上，也表現(xiàn)出色。能夠較好地模擬出“天鴿”和“帕卡”強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，尤其是在熱帶氣旋強(qiáng)度快速增強(qiáng)或減弱的階段，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)更為接近。在模擬“天鴿”登陸前強(qiáng)度快速增強(qiáng)的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)初始化法能夠準(zhǔn)確地捕捉到強(qiáng)度變化的時(shí)間和幅度，為提前做好防災(zāi)減災(zāi)準(zhǔn)備提供了更可靠的依據(jù)。動(dòng)態(tài)初始化法在模擬雙熱帶氣旋的相互作用細(xì)節(jié)方面也有較好的表現(xiàn)。能夠更準(zhǔn)確地模擬出“天鴿”和“帕卡”之間的能量和水汽交換過(guò)程，以及它們相互作用對(duì)周圍環(huán)境場(chǎng)的影響。通過(guò)模擬結(jié)果可以清晰地看到，兩個(gè)熱帶氣旋之間的水汽輸送通道和能量傳遞路徑，與實(shí)際觀測(cè)和理論分析相符合。在模擬降水分布時(shí)，動(dòng)態(tài)初始化法也能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出降水的區(qū)域和強(qiáng)度。模擬的降水分布與實(shí)際觀測(cè)到的降水情況更為一致，這對(duì)于評(píng)估雙熱帶氣旋帶來(lái)的降水災(zāi)害具有重要意義。盡管動(dòng)態(tài)初始化法在這個(gè)案例中表現(xiàn)出了諸多優(yōu)勢(shì)，但也并非完美無(wú)缺。在模擬過(guò)程中，仍然存在一些小的誤差。在模擬“天鴿”和“帕卡”相互作用后期的強(qiáng)度變化時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)存在細(xì)微的偏差。這可能是由于模型中某些物理過(guò)程的參數(shù)化方案不夠完善，或者是初始條件中仍然存在一些不確定性因素。為了進(jìn)一步提高模擬精度，還需要對(duì)模型的參數(shù)化方案進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)初始條件的分析和處理?？傮w而言，動(dòng)態(tài)初始化法在雙熱帶氣旋初始化及數(shù)值模擬中具有較高的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)殡p熱帶氣旋的預(yù)報(bào)和研究提供更準(zhǔn)確的初始條件和模擬結(jié)果。四、雙熱帶氣旋數(shù)值模擬4.1數(shù)值模擬的基本原理與模型4.1.1控制方程雙熱帶氣旋數(shù)值模擬是基于一系列控制方程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些方程描述了大氣運(yùn)動(dòng)的基本物理規(guī)律，是數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)。動(dòng)量守恒方程是描述大氣運(yùn)動(dòng)中動(dòng)量變化的關(guān)鍵方程，它考慮了氣壓梯度力、科里奧利力、摩擦力以及慣性力等對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的影響。在笛卡爾坐標(biāo)系下，水平方向的動(dòng)量守恒方程可表示為：\frac{\partialu}{\partialt}=-u\frac{\partialu}{\partialx}-v\frac{\partialu}{\partialy}-w\frac{\partialu}{\partialz}-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialx}+fv+F_{x}\frac{\partialv}{\partialt}=-u\frac{\partialv}{\partialx}-v\frac{\partialv}{\partialy}-w\frac{\partialv}{\partialz}-\frac{1}{\rho}\frac{\partialp}{\partialy}-fu+F_{y}其中，u、v、w分別是x、y、z方向的風(fēng)速分量，t為時(shí)間，\rho是空氣密度，p是氣壓，f是科里奧利參數(shù)，F(xiàn)_{x}、F_{y}分別是x、y方向的摩擦力。這些力相互作用，決定了大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。氣壓梯度力是推動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，它促使空氣從高壓區(qū)流向低壓區(qū)；科里奧利力則由于地球的自轉(zhuǎn)，使大氣運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在北半球向右偏，在南半球向左偏；摩擦力主要作用于大氣邊界層，影響大氣與下墊面之間的動(dòng)量交換。質(zhì)量守恒方程，又稱連續(xù)性方程，它保證了在大氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中質(zhì)量的守恒。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\frac{\partial(\rhou)}{\partialx}+\frac{\partial(\rhov)}{\partialy}+\frac{\partial(\rhow)}{\partialz}=0該方程表明，單位時(shí)間內(nèi)某一體積元內(nèi)空氣質(zhì)量的變化，等于通過(guò)該體積元表面凈流入的空氣質(zhì)量。在雙熱帶氣旋的數(shù)值模擬中，質(zhì)量守恒方程確保了模擬過(guò)程中大氣質(zhì)量的合理分布和變化，對(duì)于準(zhǔn)確模擬雙熱帶氣旋的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)演變至關(guān)重要。如果質(zhì)量守恒得不到滿足，可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果中出現(xiàn)不合理的氣壓變化和氣流運(yùn)動(dòng)。能量守恒方程描述了大氣中能量的轉(zhuǎn)化和守恒關(guān)系，主要考慮了內(nèi)能、動(dòng)能和位能的變化。在考慮非絕熱加熱（如太陽(yáng)輻射、潛熱釋放等）的情況下，能量守恒方程可表示為：\frac{\partiale}{\partialt}+u\frac{\partiale}{\partialx}+v\frac{\partiale}{\partialy}+w\frac{\partiale}{\partialz}=Q_{rad}+Q_{lat}-p\frac{\partial\alpha}{\partialt}其中，e是單位質(zhì)量空氣的內(nèi)能，Q_{rad}是凈輻射加熱率，Q_{lat}是潛熱釋放率，\alpha是比容。在雙熱帶氣旋中，能量守恒方程對(duì)于理解熱帶氣旋的發(fā)展和維持機(jī)制至關(guān)重要。潛熱釋放是熱帶氣旋能量的重要來(lái)源，當(dāng)水汽在上升過(guò)程中凝結(jié)成云時(shí)，會(huì)釋放出大量的潛熱，這些潛熱加熱了周圍的空氣，使空氣上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)了熱帶氣旋的發(fā)展。太陽(yáng)輻射則為大氣提供了初始的能量，影響著熱帶氣旋的生成環(huán)境。這些控制方程相互耦合，共同描述了大氣的運(yùn)動(dòng)和變化。在雙熱帶氣旋的數(shù)值模擬中，需要對(duì)這些方程進(jìn)行離散化處理，將連續(xù)的大氣運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)值計(jì)算，通過(guò)數(shù)值求解這些離散方程，來(lái)模擬雙熱帶氣旋的路徑、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)以及它們之間的相互作用等過(guò)程。由于大氣運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，在實(shí)際求解過(guò)程中，還需要考慮各種物理過(guò)程的參數(shù)化處理，如積云對(duì)流、邊界層過(guò)程、輻射傳輸?shù)?，以提高模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。4.1.2常用數(shù)值模型在雙熱帶氣旋數(shù)值模擬中，常用的數(shù)值模型有多種，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。WRF（WeatherResearchandForecasting）模式是一種由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）共同開(kāi)發(fā)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型，在雙熱帶氣旋模擬中應(yīng)用廣泛。它是一種非靜態(tài)和非線性的動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型，能夠模擬大氣中的各種物理過(guò)程，如輻射傳輸、湍流運(yùn)動(dòng)、云微物理、降水等。在模擬雙熱帶氣旋時(shí)，WRF模式可以精確地考慮水汽的凝結(jié)和蒸發(fā)過(guò)程，從而準(zhǔn)確地模擬雙熱帶氣旋帶來(lái)的降水分布。WRF模式具有高分辨率、高效率和靈活性的特點(diǎn)，可以根據(jù)不同的研究需求進(jìn)行定制化配置。在研究雙熱帶氣旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)和相互作用細(xì)節(jié)時(shí)，可以通過(guò)提高水平和垂直分辨率，更清晰地捕捉到雙熱帶氣旋內(nèi)部的風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的變化。WRF模式還支持多種物理方案的模型耦合，可以模擬不同時(shí)間尺度的天氣和氣候現(xiàn)象。這使得它在研究雙熱帶氣旋與大尺度環(huán)流系統(tǒng)的相互作用，以及雙熱帶氣旋在不同氣候背景下的變化時(shí)具有很大的優(yōu)勢(shì)。WRF模式具有較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度，特別是在局地細(xì)節(jié)和強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)方面有明顯優(yōu)勢(shì)。在模擬雙熱帶氣旋的登陸過(guò)程時(shí)，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其登陸地點(diǎn)和登陸時(shí)的強(qiáng)度變化，為防災(zāi)減災(zāi)提供了重要的參考依據(jù)。它還可以支持多種數(shù)據(jù)輸入輸出格式，能夠與其他模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)縫連接，并且具有開(kāi)源、免費(fèi)、共享的特點(diǎn)，為廣大科研人員提供了廣闊的研究平臺(tái)。CM1（CloudModel1）模式是一個(gè)三維的、非靜液壓的、非線性的、隨時(shí)間變化的數(shù)值模型，主要用于對(duì)大氣現(xiàn)象進(jìn)行理想的研究，在雙熱帶氣旋數(shù)值模擬中也有一定的應(yīng)用。該模式基于MM5模式建立，采用了高精度的控制方程和實(shí)時(shí)分段計(jì)算，充分考慮了地球物理系統(tǒng)。在模擬雙熱帶氣旋時(shí)，CM1模式可以對(duì)大氣中的小尺度物理過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的模擬，如積云對(duì)流的發(fā)展和演變。通過(guò)精細(xì)的網(wǎng)格設(shè)置，能夠捕捉到雙熱帶氣旋內(nèi)部小尺度的對(duì)流活動(dòng)，研究其對(duì)雙熱帶氣旋強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的影響。CM1模式采用分布式計(jì)算架構(gòu)，支持多核和多節(jié)點(diǎn)運(yùn)行，這使得它在處理大規(guī)模模擬任務(wù)時(shí)具有較高的效率。在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、高分辨率的雙熱帶氣旋模擬時(shí)，可以利用多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算，大大縮短計(jì)算時(shí)間。它還通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，支持自定義分解應(yīng)用，如云壓分析、水分邏輯和氣水互動(dòng)模塊。這使得研究人員可以根據(jù)具體的研究需求，靈活地對(duì)模式進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)展。不過(guò)，CM1模式相對(duì)更側(cè)重于對(duì)理想大氣現(xiàn)象的研究，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于復(fù)雜的邊界條件和觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理能力相對(duì)較弱。除了WRF和CM1模式外，還有一些其他的數(shù)值模型也應(yīng)用于雙熱帶氣旋模擬。MM5（MesoscaleModel5）模式，它是較早發(fā)展起來(lái)的中尺度數(shù)值模式，在雙熱帶氣旋模擬的早期研究中發(fā)揮了重要作用。該模式在處理地形和邊界層過(guò)程方面有一定的優(yōu)勢(shì)，能夠較好地模擬雙熱帶氣旋在陸地和海洋邊界附近的變化。隨著技術(shù)的發(fā)展，MM5模式逐漸被更先進(jìn)的模式所取代。還有一些全球氣候模式，如ECMWF（EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts）模式，雖然主要用于全球尺度的氣候模擬，但在研究雙熱帶氣旋與全球氣候系統(tǒng)的相互作用時(shí)也具有重要價(jià)值。這些全球氣候模式可以提供大尺度的背景場(chǎng)信息，幫助研究人員理解雙熱帶氣旋在全球氣候背景下的生成、發(fā)展和演變規(guī)律。不同的數(shù)值模型在雙熱帶氣旋數(shù)值模擬中各有優(yōu)劣，研究人員需要根據(jù)具體的研究目的和需求，選擇合適的數(shù)值模型，并結(jié)合實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和分析，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。4.2數(shù)值模擬的步驟與參數(shù)設(shè)置4.2.1模擬步驟雙熱帶氣旋數(shù)值模擬是一個(gè)復(fù)雜且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪^(guò)程，其步驟涵蓋從模型搭建到結(jié)果輸出的多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模型搭建是數(shù)值模擬的首要任務(wù)。在眾多可選用的數(shù)值模型中，WRF模式因其卓越的性能和廣泛的適用性成為常用選擇。WRF模式具備模擬多種氣象要素的能力，通過(guò)對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程進(jìn)行細(xì)致描述，為雙熱帶氣旋的模擬提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在搭建WRF模式時(shí)，需精確界定模擬區(qū)域。模擬區(qū)域的范圍應(yīng)依據(jù)研究目的和雙熱帶氣旋的活動(dòng)范圍來(lái)確定。若研究目標(biāo)是分析雙熱帶氣旋在特定海域的相互作用，模擬區(qū)域應(yīng)涵蓋該海域及其周邊一定范圍，以充分考慮周圍環(huán)境場(chǎng)對(duì)雙熱帶氣旋的影響。設(shè)置模擬區(qū)域時(shí)，要考慮到計(jì)算資源的限制，避免設(shè)置過(guò)大或過(guò)小的區(qū)域，影響模擬效率和準(zhǔn)確性。除了確定模擬區(qū)域，還需對(duì)模式的嵌套結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)置。WRF模式支持多重嵌套，通過(guò)設(shè)置不同分辨率的嵌套區(qū)域，可以在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域提高模擬分辨率，更細(xì)致地捕捉雙熱帶氣旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)和相互作用細(xì)節(jié)。在模擬雙熱帶氣旋登陸過(guò)程時(shí)，可以在登陸區(qū)域設(shè)置高分辨率嵌套，準(zhǔn)確模擬熱帶氣旋與陸地地形的相互作用。初始條件設(shè)置是數(shù)值模擬的關(guān)鍵步驟，直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。初始化方法的選擇至關(guān)重要，前文介紹的直接插入法、平衡渦旋插入法和動(dòng)態(tài)初始化法各有優(yōu)劣。直接插入法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但初始化誤差較大；平衡渦旋插入法考慮了渦旋的平衡關(guān)系，能在一定程度上減少誤差；動(dòng)態(tài)初始化法通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)展渦旋，模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，但計(jì)算量較大。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的初始化方法。以2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”和“百里嘉”的雙熱帶氣旋個(gè)例為例，若采用直接插入法，需根據(jù)觀測(cè)資料構(gòu)建假渦旋，并將其插入到初始場(chǎng)中。在構(gòu)建假渦旋時(shí)，要準(zhǔn)確獲取“山竹”和“百里嘉”的最大持續(xù)表面風(fēng)、中心壓力和大小特征等信息，利用擬合的徑向風(fēng)廓線函數(shù)和垂直衰減假設(shè)，生成軸對(duì)稱切向風(fēng)場(chǎng)，再通過(guò)求解非線性平衡方程得到質(zhì)量場(chǎng)。除了初始化方法，還需對(duì)初始場(chǎng)中的各種物理量進(jìn)行合理設(shè)置。這些物理量包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)場(chǎng)等，它們的初始值應(yīng)盡可能接近實(shí)際觀測(cè)值。可以利用氣象衛(wèi)星、地面觀測(cè)站、探空資料等多源觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)初始場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。將衛(wèi)星觀測(cè)的云圖信息與地面觀測(cè)站的氣象數(shù)據(jù)相結(jié)合，更準(zhǔn)確地確定初始場(chǎng)中的水汽分布和溫度場(chǎng)。模擬運(yùn)行是數(shù)值模擬的核心環(huán)節(jié)，在這一過(guò)程中，模式會(huì)根據(jù)設(shè)定的初始條件和物理參數(shù)，對(duì)雙熱帶氣旋的發(fā)展演變進(jìn)行模擬。在運(yùn)行WRF模式時(shí)，需要合理設(shè)置積分時(shí)間步長(zhǎng)和總積分時(shí)間。積分時(shí)間步長(zhǎng)的選擇要兼顧計(jì)算效率和數(shù)值穩(wěn)定性。時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小，雖然能提高模擬的精度，但會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間；時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)大，則可能導(dǎo)致數(shù)值不穩(wěn)定，影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。通常，需要通過(guò)多次試驗(yàn)來(lái)確定合適的時(shí)間步長(zhǎng)?？偡e分時(shí)間應(yīng)根據(jù)研究需求和雙熱帶氣旋的生命史來(lái)確定。如果研究雙熱帶氣旋的整個(gè)發(fā)展過(guò)程，總積分時(shí)間應(yīng)涵蓋其生成、發(fā)展、成熟和消亡的各個(gè)階段。在模擬運(yùn)行過(guò)程中，需要密切關(guān)注模式的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)處理可能出現(xiàn)的問(wèn)題。如果發(fā)現(xiàn)模式運(yùn)行出現(xiàn)異常，如計(jì)算結(jié)果不合理、程序崩潰等，要及時(shí)檢查初始條件、參數(shù)設(shè)置和模式代碼，找出問(wèn)題并進(jìn)行修正。結(jié)果輸出與分析是數(shù)值模擬的最后一步，也是獲取研究成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。WRF模式可以輸出多種格式的數(shù)據(jù)，如netCDF、GRIB等。這些數(shù)據(jù)包含了模擬過(guò)程中各個(gè)時(shí)刻的氣象要素信息，如雙熱帶氣旋的位置、強(qiáng)度、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、降水分布等。在輸出結(jié)果時(shí)，要根據(jù)研究目的選擇合適的輸出變量和輸出頻率。如果重點(diǎn)研究雙熱帶氣旋的路徑變化，應(yīng)重點(diǎn)輸出其位置信息，并設(shè)置較高的輸出頻率，以便準(zhǔn)確捕捉其移動(dòng)軌跡；若關(guān)注雙熱帶氣旋的強(qiáng)度變化，則要重點(diǎn)輸出中心氣壓、最大風(fēng)速等強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)輸出的結(jié)果進(jìn)行分析是揭示雙熱帶氣旋發(fā)展演變規(guī)律的重要手段?？梢岳脤I(yè)的氣象數(shù)據(jù)分析軟件，如GrADS、NCL等，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理，直觀地展示雙熱帶氣旋的各種特征。通過(guò)繪制雙熱帶氣旋的路徑圖、風(fēng)場(chǎng)分布圖、降水分布圖等，可以清晰地看到它們的移動(dòng)路徑、相互作用過(guò)程以及對(duì)周圍環(huán)境的影響。還可以將模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估模擬的準(zhǔn)確性。計(jì)算模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差，分析誤差產(chǎn)生的原因，為改進(jìn)模擬方法和提高模擬精度提供依據(jù)。4.2.2參數(shù)設(shè)置數(shù)值模擬中的參數(shù)設(shè)置對(duì)模擬結(jié)果有著至關(guān)重要的影響，不同的參數(shù)設(shè)置會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著差異。水平分辨率是影響模擬結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)之一。較高的水平分辨率能夠更精確地刻畫(huà)雙熱帶氣旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)。在模擬雙熱帶氣旋的風(fēng)場(chǎng)時(shí)，高分辨率可以清晰地展現(xiàn)風(fēng)眼、眼壁以及螺旋雨帶等結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。臺(tái)風(fēng)“海燕”在高分辨率模擬中，能夠準(zhǔn)確捕捉到其風(fēng)眼的直徑變化和眼壁的對(duì)流活動(dòng)。水平分辨率還對(duì)雙熱帶氣旋的強(qiáng)度模擬有重要影響。高分辨率可以更準(zhǔn)確地模擬熱帶氣旋內(nèi)部的動(dòng)力和熱力過(guò)程，從而提高強(qiáng)度模擬的準(zhǔn)確性。在模擬臺(tái)風(fēng)“山竹”時(shí)，高分辨率模擬能夠更準(zhǔn)確地反映其強(qiáng)度的快速增強(qiáng)過(guò)程。分辨率的提高也會(huì)帶來(lái)計(jì)算量的大幅增加。高分辨率意味著更多的網(wǎng)格點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都需要進(jìn)行大量的計(jì)算，這對(duì)計(jì)算機(jī)的性能提出了更高的要求。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)研究目的和計(jì)算資源的限制，權(quán)衡選擇合適的水平分辨率。如果研究重點(diǎn)是雙熱帶氣旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)和相互作用細(xì)節(jié)，且計(jì)算資源充足，可以選擇較高的分辨率；若只是進(jìn)行初步的模擬研究或計(jì)算資源有限，則可以選擇相對(duì)較低的分辨率。垂直分層也是影響模擬結(jié)果的重要參數(shù)。合理的垂直分層能夠更準(zhǔn)確地反映大氣的垂直結(jié)構(gòu)和物理過(guò)程。在雙熱帶氣旋的模擬中，垂直分層對(duì)對(duì)流活動(dòng)的模擬起著關(guān)鍵作用。對(duì)流層是雙熱帶氣旋活動(dòng)的主要區(qū)域，其垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含了各種不同高度的云系和氣流運(yùn)動(dòng)。通過(guò)合理的垂直分層，可以更好地模擬對(duì)流層中水汽的凝結(jié)、潛熱的釋放以及垂直氣流的運(yùn)動(dòng)。在模擬臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”時(shí)，合理的垂直分層能夠準(zhǔn)確地捕捉到其對(duì)流層中強(qiáng)烈的上升氣流和水汽輸送過(guò)程。垂直分層還會(huì)影響到對(duì)大氣邊界層的模擬。大氣邊界層是大氣與下墊面相互作用的區(qū)域，對(duì)雙熱帶氣旋的發(fā)展和演變有著重要影響。通過(guò)增加邊界層附近的垂直層數(shù)，可以更準(zhǔn)確地描述邊界層中的動(dòng)量、熱量和水汽交換過(guò)程。在模擬雙熱帶氣旋登陸時(shí)，合理的垂直分層可以更好地模擬其與陸地表面的相互作用。然而，垂直分層并非越多越好。過(guò)多的垂直分層會(huì)增加計(jì)算量，且在某些情況下，可能會(huì)引入數(shù)值誤差。因此，需要根據(jù)大氣物理過(guò)程的特點(diǎn)和計(jì)算資源的情況，選擇合適的垂直分層方案。物理過(guò)程參數(shù)化在雙熱帶氣旋數(shù)值模擬中起著不可或缺的作用。積云對(duì)流參數(shù)化是模擬雙熱帶氣旋中積云對(duì)流過(guò)程的關(guān)鍵。積云對(duì)流是雙熱帶氣旋能量釋放和發(fā)展的重要機(jī)制，通過(guò)積云對(duì)流參數(shù)化，可以將積云對(duì)流的宏觀效應(yīng)引入到數(shù)值模擬中。郭曉嵐積云對(duì)流參數(shù)化方案考慮了積云對(duì)流與大尺度環(huán)流的相互作用，能夠較好地模擬雙熱帶氣旋中積云對(duì)流的發(fā)展和演變。邊界層參數(shù)化則用于描述大氣邊界層中的各種物理過(guò)程。大氣邊界層中的摩擦力、熱量交換和水汽輸送等過(guò)程對(duì)雙熱帶氣旋的強(qiáng)度和路徑有著重要影響。不同的邊界層參數(shù)化方案對(duì)這些過(guò)程的描述方式和精度不同，會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果產(chǎn)生差異。YSU邊界層參數(shù)化方案在模擬雙熱帶氣旋時(shí)，能夠較好地考慮邊界層中的湍流運(yùn)動(dòng)和熱量交換，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。輻射參數(shù)化用于處理大氣中的輻射傳輸過(guò)程。太陽(yáng)輻射和地球長(zhǎng)波輻射是大氣能量的重要來(lái)源，對(duì)雙熱帶氣旋的發(fā)展和演變有著重要影響。不同的輻射參數(shù)化方案對(duì)輻射傳輸過(guò)程的計(jì)算方法和精度不同，會(huì)影響模擬結(jié)果中的溫度場(chǎng)和能量平衡。RRTMG輻射參數(shù)化方案能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算大氣中的輻射傳輸，提高模擬結(jié)果的可靠性。在實(shí)際模擬中，需要根據(jù)研究目的和模擬區(qū)域的特點(diǎn)，選擇合適的物理過(guò)程參數(shù)化方案。不同的參數(shù)化方案在不同的情況下可能會(huì)有不同的表現(xiàn)，因此需要通過(guò)多次試驗(yàn)和對(duì)比分析，選擇最適合的方案。4.3數(shù)值模擬結(jié)果分析4.3.1軌跡與強(qiáng)度模擬分析將雙熱帶氣旋數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，能夠深入評(píng)估模擬的準(zhǔn)確性，為改進(jìn)模擬方法提供有力依據(jù)。以2017年臺(tái)風(fēng)“天鴿”和“帕卡”為例，通過(guò)對(duì)它們的路徑和強(qiáng)度模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的對(duì)比分析，可清晰地了解模擬的效果。在路徑模擬方面，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)存在一定的偏差。從圖[具體圖號(hào)]中可以看出，在模擬初期，“天鴿”和“帕卡”的路徑與實(shí)際觀測(cè)較為接近，能夠較好地捕捉到它們的大致移動(dòng)方向。隨著模擬時(shí)間的推移，路徑偏差逐漸增大。在“天鴿”靠近我國(guó)沿海地區(qū)時(shí)，模擬路徑與實(shí)際路徑出現(xiàn)了明顯的偏離，實(shí)際路徑更偏向北方，而模擬路徑則相對(duì)偏南。這可能是由于在模擬過(guò)程中，對(duì)影響熱帶氣旋路徑的一些關(guān)鍵因素考慮不夠全面，如大尺度環(huán)流系統(tǒng)的變化、地形的影響等。在“天鴿”接近陸地時(shí)，陸地地形會(huì)對(duì)其路徑產(chǎn)生影響，而模擬中可能沒(méi)有準(zhǔn)確地描述這種地形效應(yīng)，導(dǎo)致路徑模擬出現(xiàn)偏差。周圍環(huán)境場(chǎng)的不確定性也可能對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，如海洋表面溫度的微小變化、垂直風(fēng)切變的不確定性等，都可能導(dǎo)致熱帶氣旋路徑的改變。在強(qiáng)度模擬方面，模擬結(jié)果也存在一定的誤差。圖[具體圖號(hào)]展示了“天鴿”和“帕卡”強(qiáng)度模擬與實(shí)際觀測(cè)的對(duì)比。在“天鴿”發(fā)展的前期，模擬強(qiáng)度與實(shí)際觀測(cè)較為吻合，能夠較好地反映出其強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。在“天鴿”強(qiáng)度快速增強(qiáng)的階段，模擬結(jié)果出現(xiàn)了一定的偏差，模擬強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較慢，未能準(zhǔn)確捕捉到其實(shí)際強(qiáng)度的快速變化。這可能是由于在模擬中，對(duì)熱帶氣旋內(nèi)部的物理過(guò)程描述不夠準(zhǔn)確，如積云對(duì)流的發(fā)展、水汽的凝結(jié)和潛熱釋放等過(guò)程。積云對(duì)流是熱帶氣旋能量釋放的重要機(jī)制，若對(duì)其參數(shù)化方案設(shè)置不合理，可能會(huì)導(dǎo)致模擬中能量釋放不足，從而使強(qiáng)度增長(zhǎng)模擬不準(zhǔn)確。海洋-大氣相互作用對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度也有著重要影響，模擬中可能沒(méi)有充分考慮海洋對(duì)熱帶氣旋的反饋?zhàn)饔茫瑢?dǎo)致強(qiáng)度模擬出現(xiàn)誤差。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，引入路徑偏差、強(qiáng)度誤差等量化指標(biāo)。路徑偏差可以通過(guò)計(jì)算模擬路徑與實(shí)際路徑之間的距離來(lái)衡量，強(qiáng)度誤差則可以通過(guò)計(jì)算模擬強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度的差值來(lái)表示。通過(guò)對(duì)這些量化指標(biāo)的分析，可以更直觀地了解模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)之間的差異程度。在“天鴿”和“帕卡”的模擬中，計(jì)算得到的路徑偏差在后期達(dá)到了[具體數(shù)值]公里，強(qiáng)度誤差在“天鴿”強(qiáng)度快速增強(qiáng)階段達(dá)到了[具體數(shù)值]hPa。這些量化指標(biāo)表明，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)存在一定的誤差，需要進(jìn)一步改進(jìn)模擬方法，提高模擬的準(zhǔn)確性。4.3.2結(jié)構(gòu)與相互作用模擬分析深入探討模擬中雙熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)特征以及它們之間的相互作用模擬效果，對(duì)于理解雙熱帶氣旋的形成和發(fā)展機(jī)制具有重要意義。以2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”和“百里嘉”為例，對(duì)其模擬結(jié)果進(jìn)行分析。在結(jié)構(gòu)特征方面，模擬能夠呈現(xiàn)出雙熱帶氣旋的一些基本結(jié)構(gòu)。通過(guò)模擬結(jié)果可以清晰地看到“山竹”和“百里嘉”的風(fēng)眼、眼壁和螺旋雨帶等結(jié)構(gòu)?！吧街瘛钡娘L(fēng)眼在模擬中呈現(xiàn)出較為清晰的圓形結(jié)構(gòu)，直徑約為[具體數(shù)值]公里，與實(shí)際觀測(cè)有一定的相似性。模擬也能夠較好地模擬出眼壁的對(duì)流活動(dòng)和螺旋雨帶的分布。在模擬中，“山竹”眼壁附近的風(fēng)速較高，對(duì)流活動(dòng)強(qiáng)烈，螺旋雨帶呈逆時(shí)針?lè)较驀@中心旋轉(zhuǎn)。模擬結(jié)果在一些細(xì)節(jié)方面與實(shí)際觀測(cè)存在差異。實(shí)際觀測(cè)中，“山竹”的風(fēng)眼結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到周圍環(huán)境場(chǎng)的影響而發(fā)生變化，如出現(xiàn)偏心等情況，而模擬中可能未能準(zhǔn)確地捕捉到這些細(xì)微變化。在模擬螺旋雨帶時(shí)，對(duì)其降水強(qiáng)度和分布的模擬與實(shí)際觀測(cè)存在一定的誤差。這可能是由于在模擬中，對(duì)云微物理過(guò)程的描述不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致對(duì)降水的模擬出現(xiàn)偏差。在相互作用模擬效果方面，模擬能夠初步體現(xiàn)出雙熱帶氣旋之間的相互作用。“山竹”和“百里嘉”在模擬中出現(xiàn)了互旋的趨勢(shì)，兩個(gè)熱帶氣旋繞著一個(gè)共同中心作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在模擬過(guò)程中，也能夠觀察到它們之間的能量和水汽交換。通過(guò)分析模擬結(jié)果中的水汽輸送路徑，可以發(fā)現(xiàn)“山竹”周圍的水汽有一部分被輸送到了“百里嘉”中，這與實(shí)際觀測(cè)中雙熱帶氣旋之間的水汽交換現(xiàn)象相符合。模擬結(jié)果在相互作用的細(xì)節(jié)方面仍有待提高。對(duì)于“山竹”和“百里嘉”之間的相互作用對(duì)它們強(qiáng)度和路徑的影響，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)存在一定的差異。在實(shí)際觀測(cè)中，“山竹”和“百里嘉”的相互作用導(dǎo)致它們的路徑和強(qiáng)度發(fā)生了復(fù)雜的變化，而模擬中可能沒(méi)有準(zhǔn)確地反映出這些變化。這可能是由于在模擬中，對(duì)雙熱帶氣旋相互作用的物理機(jī)制理解不夠深入，模型中對(duì)相互作用過(guò)程的描述不夠完善，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。為了進(jìn)一步分析模擬結(jié)果，采用可視化技術(shù)對(duì)雙熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)和相互作用進(jìn)行直觀展示。通過(guò)繪制風(fēng)場(chǎng)分布圖、水汽輸送圖等，可以更清晰地看到雙熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)特征和相互作用過(guò)程。在風(fēng)場(chǎng)分布圖中，可以直觀地看到“山竹”和“百里嘉”的風(fēng)眼、眼壁和螺旋雨帶的位置和強(qiáng)度分布；在水汽輸送圖中，可以清晰地看到兩個(gè)熱帶氣旋之間的水汽輸送路徑和強(qiáng)度。通過(guò)這些可視化分析，可以更深入地了解雙熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)和相互作用，為改進(jìn)模擬方法提供參考。五、案例研究5.1“天鵝”與“莫拉克”雙臺(tái)風(fēng)案例5.1.1案例背景介紹2009年8月，臺(tái)風(fēng)“天鵝”與“莫拉克”在西北太平洋洋面上同時(shí)生成，構(gòu)成了典型的雙熱帶氣旋系統(tǒng)，給我國(guó)東南沿海地區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重影響?！疤禊Z”于8月1日在南海東北部海面生成，其生成初期向西北方向移動(dòng)。在移動(dòng)過(guò)程中，“天鵝”的路徑較為復(fù)雜，受到多種因素的影響。8月3日晚上，“天鵝”加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴，并于5日早晨6時(shí)20分在廣東省臺(tái)山市沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有9級(jí)（23米/秒）。登陸后，“天鵝”減弱為低壓，折向西南方向移動(dòng)穿過(guò)雷州半島，7日早晨進(jìn)入北部灣海面。在北部灣南部海面，“天鵝”于7日下午再次加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴，8日晚上又折向偏東方向移動(dòng)，9日凌晨從海南三亞以南海域穿過(guò)，早晨減弱為低壓后進(jìn)入南海西北部海面。從生成到9日下午5時(shí)低壓“天鵝”停止編號(hào)，其歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)163小時(shí)，生命史較長(zhǎng)。“天鵝”的強(qiáng)度相對(duì)較弱，過(guò)程極大強(qiáng)度僅為9級(jí)（23米/秒）?！澳恕庇?月4日凌晨在西北太平洋洋面生成，生成后以每小時(shí)10-15公里的速度向北偏西方向，向臺(tái)灣東部海面靠近。5日凌晨和5日下午，“莫拉克”分別加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)。7日上午，“莫拉克”到達(dá)臺(tái)灣東部近海時(shí)速度明顯減慢，在臺(tái)灣東部近海停滯了12個(gè)小時(shí)左右后，于8月7日23時(shí)45分在臺(tái)灣省花蓮市沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有13級(jí)（40米/秒）。登陸臺(tái)灣后，“莫拉克”向偏西方向橫穿臺(tái)灣中部地區(qū)，于8日上午9時(shí)進(jìn)入臺(tái)灣海峽。進(jìn)入海峽后，“莫拉克”以每小時(shí)5公里左右的速度緩慢地向偏北方向移動(dòng)，強(qiáng)度緩慢減弱。8月9日下午4時(shí)，“莫拉克”中心在福建省霞浦縣沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有12級(jí)（33米/秒）。登陸福建后，“莫拉克”繼續(xù)向偏北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸減弱。“莫拉克”強(qiáng)度較強(qiáng)，過(guò)程及大強(qiáng)度為13級(jí)（40米/秒），范圍大，過(guò)程的最大7級(jí)風(fēng)圈半徑達(dá)500公里。其移速變化大，從生成到到達(dá)臺(tái)灣近海移速15公里/小時(shí)左右，在臺(tái)灣東部近海停留12小時(shí)后才登陸花蓮，登陸臺(tái)灣后9小時(shí)橫穿臺(tái)灣中部，又在臺(tái)灣海峽滯留了31小時(shí)后才登陸福建。在“天鵝”與“莫拉克”同時(shí)存在期間，它們之間發(fā)生了復(fù)雜的相互作用。由于藤原效應(yīng)，兩者的路徑受到對(duì)方的顯著影響?！疤禊Z”路徑盤(pán)旋曲折，每次移向的變化都與“莫拉克”有關(guān)。“莫拉克”與“天鵝”的移動(dòng)軌跡遵循雙臺(tái)風(fēng)渦旋逆時(shí)針互旋異常路徑的規(guī)律性特征。“天鵝”還向“莫拉克”輸送水汽，致使“莫拉克”降水量大增。此次雙臺(tái)風(fēng)過(guò)程給我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、福建、浙江等地帶來(lái)了狂風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮等災(zāi)害，造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。臺(tái)灣中南部和東部出現(xiàn)極端降雨，阿里山6天（8月5日至10日）累計(jì)雨量達(dá)3059.5毫米，24小時(shí)最大日降雨1623.5毫米，為我國(guó)日降雨量的第三極值。臺(tái)灣南部和東部出現(xiàn)50年來(lái)最嚴(yán)重水災(zāi)。福建東部、浙江、江蘇中南及安徽南部暴雨或大暴雨，局地特大暴雨，浙江泰順九峰和福建柘榮乍洋雨量達(dá)1250和734.4毫米，九峰24小時(shí)雨量高達(dá)750毫米，均超兩省最高記錄。5.1.2初始化與數(shù)值模擬過(guò)程針對(duì)“天鵝”與“莫拉克”雙臺(tái)風(fēng)案例，采用WRF模式進(jìn)行數(shù)值模擬。在初始化過(guò)程中，經(jīng)過(guò)對(duì)多種初始化方法的綜合評(píng)估，選擇了動(dòng)態(tài)初始化法。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)初始化法能夠在具有完整物理場(chǎng)的環(huán)境下，通過(guò)數(shù)值模擬讓臺(tái)風(fēng)渦旋自然發(fā)展，從而為邊界層和流出層生成更真實(shí)的結(jié)構(gòu)，減少初始化誤差。在運(yùn)行WRF模式時(shí)，對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行了精心設(shè)置。模擬區(qū)域涵蓋了西北太平洋洋面以及我國(guó)東南沿海地區(qū)，確保能夠完整地捕捉到“天鵝”與“莫拉克”的生成、發(fā)展以及它們之間的相互作用過(guò)程。水平分辨率設(shè)置為[具體分辨率數(shù)值]，以保證能夠較為準(zhǔn)確地刻畫(huà)雙熱帶氣旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)。垂直分層設(shè)置為[具體層數(shù)]，合理的垂直分層有助于更準(zhǔn)確地反映大氣的垂直結(jié)構(gòu)和物理過(guò)程。在物理過(guò)程參數(shù)化方面，選用了郭曉嵐積云對(duì)流參數(shù)化方案來(lái)描述積云對(duì)流過(guò)程。郭曉嵐方案考慮了積云對(duì)流與大尺度環(huán)流的相互作用，能夠較好地模擬雙熱帶氣旋中積云對(duì)流的發(fā)展和演變。邊界層參數(shù)化采用YSU方案，該方案在模擬雙熱帶氣旋時(shí)，能夠較好地考慮邊界層中的湍流運(yùn)動(dòng)和熱量交換。輻射參數(shù)化則采用RRTMG方案，以準(zhǔn)確計(jì)算大氣中的輻射傳輸。設(shè)置積分時(shí)間步長(zhǎng)為[具體時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)值]，總積分時(shí)間從“天鵝”和“莫拉克”生成前開(kāi)始，一直持續(xù)到它們對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)的影響基本結(jié)束。在模擬運(yùn)行過(guò)程中，密切關(guān)注模式的運(yùn)行狀態(tài)，確保模擬能夠順利進(jìn)行。5.1.3模擬結(jié)果與實(shí)際對(duì)比分析將“天鵝”與“莫拉克”雙臺(tái)風(fēng)的模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從路徑、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)以及相互作用等多個(gè)方面進(jìn)行深入分析。在路徑模擬方面，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)存在一定的吻合度。能夠大致捕捉到“天鵝”和“莫拉克”的移動(dòng)趨勢(shì)，模擬的“天鵝”在南海東北部生成后向西北方向移動(dòng)，以及“莫拉克”在西北太平洋生成后向臺(tái)灣東部海面靠近的路徑與實(shí)際情況相符。在模擬后期，路徑偏差逐漸顯現(xiàn)。在“莫拉克”靠近臺(tái)灣島時(shí)，模擬路徑與實(shí)際路徑出現(xiàn)了一定的偏離，實(shí)際路徑在臺(tái)灣東部近海的停滯時(shí)間和移動(dòng)速度與模擬結(jié)果存在差異。這可能是由于在模擬中，對(duì)影響熱帶氣旋路徑的一些因素考慮不夠全面，如臺(tái)灣島地形對(duì)“莫拉克”路徑的影響、雙熱帶氣旋之間相互作用的復(fù)雜性等。臺(tái)灣島地形會(huì)導(dǎo)致“莫拉克”的引導(dǎo)氣流發(fā)生變化，而模擬中可能沒(méi)有準(zhǔn)確地描述這種地形效應(yīng)，從而導(dǎo)致路徑模擬出現(xiàn)偏差。在強(qiáng)度模擬方面，模擬結(jié)果也存在一定的誤差。在“莫拉克”發(fā)展的前期，模擬強(qiáng)度與實(shí)際觀測(cè)較為接近，能夠較好地反映出其強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。在“莫拉克”強(qiáng)度快速變化的階段，模擬結(jié)果出現(xiàn)了偏差。“莫拉克”在登陸臺(tái)灣前后強(qiáng)度的變化，模擬結(jié)果未能準(zhǔn)確捕捉到。這可能是由于在模擬中，對(duì)熱帶氣旋內(nèi)部的物理過(guò)程描述不夠準(zhǔn)確，如積云對(duì)流的發(fā)展、水汽的凝結(jié)和潛熱釋放等過(guò)程。積云對(duì)流是熱帶氣旋能量釋放的重要機(jī)制，若對(duì)其參數(shù)化方案設(shè)置不合理，可能會(huì)導(dǎo)致模擬中能量釋放不足，從而使強(qiáng)度模擬出現(xiàn)誤差。在結(jié)構(gòu)模擬方面，模擬能夠呈現(xiàn)出“天鵝”和“莫拉克”的一些基本結(jié)構(gòu)特征。通過(guò)模擬結(jié)果可以看到雙臺(tái)風(fēng)的風(fēng)眼、眼壁和螺旋雨帶等結(jié)構(gòu)。模擬的“莫拉克”風(fēng)眼在一定程度上能夠反映出其圓形結(jié)構(gòu)，眼壁附近的風(fēng)速和對(duì)流活動(dòng)也能得到初步體現(xiàn)。模擬結(jié)果在一些細(xì)節(jié)方面與實(shí)際觀測(cè)存在差異。實(shí)際觀測(cè)中，“莫拉克”的風(fēng)眼結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到周圍環(huán)境場(chǎng)的影響而發(fā)生變化，如出現(xiàn)偏心等情況，而模擬中可能未能準(zhǔn)確地捕捉到這些細(xì)微變化。在模擬螺旋雨帶時(shí)，對(duì)其降水強(qiáng)度和分布的模擬與實(shí)際觀測(cè)存在一定的誤差。這可能是由于在模擬中，對(duì)云微物理過(guò)程的描述不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致對(duì)降水的模擬出現(xiàn)偏差。在相互作用模擬方面，模擬能夠初步體現(xiàn)出“天鵝”和“莫拉克”之間的相互作用。模擬中觀察到了雙臺(tái)風(fēng)之間的互旋趨勢(shì)，以及它們之間的能量和水汽交換。通過(guò)分析模擬結(jié)果中的水汽輸送路徑，可以發(fā)現(xiàn)“天鵝”周圍的水汽有一部分被輸送到了“莫拉克”中，這與實(shí)際觀測(cè)中雙熱帶氣旋之間的水汽交換現(xiàn)象相符合。模擬結(jié)果在相互作用的細(xì)節(jié)方面仍有待提高。對(duì)于“天鵝”和“莫拉克”之間的相互作用對(duì)它們強(qiáng)度和路徑的影響，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)存在一定的差異。在實(shí)際觀測(cè)中，雙臺(tái)風(fēng)的相互作用導(dǎo)致它們的路徑和強(qiáng)度發(fā)生了復(fù)雜的變化，而模擬中可能沒(méi)有準(zhǔn)確地反映出這些變化。這可能是由于在模擬中，對(duì)雙熱帶氣旋相互作用的物理機(jī)制理解不夠深入，模型中對(duì)相互作用過(guò)程的描述不夠完善，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。通過(guò)對(duì)“天鵝”與“莫拉克”雙臺(tái)風(fēng)案例的模擬結(jié)果與實(shí)際對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)模擬在一定程度上能夠再現(xiàn)雙熱帶氣旋的基本特征，但在路徑、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和相互作用等方面仍存在一些不足之處。這為進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值模擬方法和提高模擬精度提供了方向。5.2其他典型雙熱帶氣旋案例分析除了“天鵝”與“莫拉克”這一典型雙熱帶氣旋案例，還有許多其他案例值得深入研究。以2013年臺(tái)風(fēng)“菲特”和“丹娜絲”為例，它們?cè)谖鞅碧窖笱竺嫔贤瑫r(shí)活動(dòng)，構(gòu)成了雙熱帶氣旋系統(tǒng)。“菲特”于10月4日在菲律賓以東洋面生成，生成后逐漸向北偏西方向移動(dòng)。在移動(dòng)過(guò)程中，其強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，于6日下午加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。“丹娜絲”則于10月5日在菲律賓以東洋面生成，生成后向偏北方向移動(dòng)?！胺铺亍焙汀暗つ冉z”在相互靠近的過(guò)程中，發(fā)生了明顯的相互作用。由于藤原效應(yīng)，“菲特”的路徑受到“丹娜絲”的影響，路徑偏南，移速偏慢；而“丹娜絲”的路徑則受到“菲特”的影響，路徑偏北，移速變化不大。雙熱帶氣旋相互作用還使“菲特”和“丹娜絲”的強(qiáng)度發(fā)生變化。在“菲特”強(qiáng)盛階段，其強(qiáng)度更強(qiáng)；在減弱消亡階段，強(qiáng)度更弱。此次雙臺(tái)風(fēng)過(guò)程給我國(guó)華東地區(qū)帶來(lái)了強(qiáng)降水天氣，主要受“菲特”影響，“丹娜絲”使降水強(qiáng)度增強(qiáng)、強(qiáng)降水中心位置偏南。針對(duì)“菲特”和“丹娜絲”雙臺(tái)風(fēng)案例，同樣采用WRF模式進(jìn)行數(shù)值模擬。在初始化過(guò)程中，采用了集合變分混合同化方法