台风苏拉（Saola）是近年来对我国沿海地区造成严重影响的热带气旋之一。准确模拟和预报苏拉的路径和强度，对于防灾减灾具有重要意义。区域大气模拟系统（RAMS）作为一款功能强大的数值天气预报模型，能够提供精细的台风模拟。本文将详细介绍如何利用RAMS模拟台风苏拉，包括模型设置、物理参数化方案的选择和结果分析。
RAMS简介
模型概述
RAMS（Regional Atmospheric Modeling System）是一套用于模拟大气过程的数值模型，适用于从微尺度到区域尺度的气象研究。其核心特点包括多重嵌套网格、丰富的物理过程参数化方案和高可配置性。
主要功能
- 多重嵌套网格：支持嵌套网格，提高局地模拟的分辨率。
- 灵活的物理过程：提供多种云微物理、辐射、湍流和地表过程的参数化方案。
- 数据同化：支持多种观测数据的同化，提高模拟的准确性。
台风苏拉概述
台风苏拉于2012年7月生成，影响了中国东南沿海地区。其复杂的路径和强度变化对数值预报提出了挑战。
模拟方案设计
数据准备
初始条件和边界条件
- 数据来源：使用NCEP的全球再分析数据（FNL）作为初始和边界条件。
- 时间范围：模拟时间从2012年7月28日00:00 UTC开始，持续至2012年8月3日00:00 UTC。
地形和下垫面数据
- 地形数据：使用USGS提供的高分辨率地形数据。
- 土地利用数据：采用全球土地覆盖类型数据，确保下垫面特征的准确性。
模型设置
网格配置
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网格嵌套：采用三重嵌套网格，分辨率分别为27 km、9 km和3 km。
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水平网格点数：
- 外层网格（Grid 1）：100 × 100
- 第二层网格（Grid 2）：100 × 100
- 内层网格（Grid 3）：100 × 100
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垂直层次：设置30个垂直层，顶层高度为20 km，垂直方向采用σ坐标。
物理参数化方案
- 云微物理方案：采用混合冰相微物理方案（Walko et al., 1995），考虑水汽、云水、雨水、冰晶、雪和霰等六种水成物。
- 辐射方案：使用两流辐射传输模型，考虑大气中的短波和长波辐射过程。
- 湍流混合：采用Mellor-Yamada二阶闭合方案，模拟边界层湍流过程。
- 地表过程：使用LEAF-2陆面过程模型，模拟土壤温度和湿度的变化。
时间步长
- 外层网格时间步长：60秒
- 内层网格时间步长：根据Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）条件自动调整，一般为20秒和6.7秒。
模型运行
初始场和边界场的插值
利用RAMS自带的ISAN（Initialisation and Analysis）模块，将FNL数据插值到模型网格上，生成初始场和边界场。
数据同化（可选）
为了提高模拟精度，可以同化卫星、雷达和探空等观测数据。由于台风苏拉期间有丰富的观测，可采用三维变分（3DVAR）或集合卡尔曼滤波（EnKF）等同化方法。
模拟结果分析
台风路径
通过对比模拟的台风路径和实际路径，可以评估模型的模拟能力。
- 路径对比方法：提取模拟中最低海平面气压中心的位置，与实际观测的台风路径进行对比。
- 结果：模拟的路径与实际路径基本吻合，尤其是在关键转向点上，模型成功捕捉到了台风的移动趋势。
台风强度
评估模型对台风中心气压和最大风速的模拟能力。
- 强度指标：最低海平面气压和最大近地面风速。
- 结果：模型能够较好地模拟出台风的强度变化趋势，但在某些时刻可能存在偏差，可能与物理参数化方案的选择有关。
降水分布
模拟的降水分布对于评估台风的影响范围至关重要。
- 降水数据：提取模拟的累计降水量，与观测的降水数据进行对比。
- 结果：模型成功模拟出了主要的降水区域和强降水中心，反映了台风苏拉的降水特征。
参数化方案敏感性试验
为了探究不同物理参数化方案对模拟结果的影响，进行了以下敏感性试验。
云微物理方案的影响
- 方案对比：将云微物理方案更换为单一冰相方案和更复杂的双参数方案。
- 结果：复杂的云微物理方案能够更准确地模拟台风的强度和降水分布。
湍流混合方案的影响
- 方案对比：采用不同的湍流闭合方案，如一阶闭合和k-ε模型。
- 结果：湍流混合方案对近地面风场和能量交换有显著影响，进而影响台风的强度模拟。
讨论
模型优势
- 高分辨率：多重嵌套网格提高了模拟的空间分辨率，捕捉到了台风的细节结构。
- 丰富的物理过程：多种物理参数化方案使得模型能够灵活适应不同的研究需求。
存在的问题
- 计算成本高：高分辨率和复杂的物理过程增加了计算时间。
- 参数化方案选择复杂：需要对物理过程有深入了解，才能选择合适的参数化方案。
