楊亞新

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海系，江蘇南通 226010)

0 引言

熱帶氣旋(Tropical Cyclone，TC)是影響船舶航行的重要的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一.準(zhǔn)確的TC預(yù)報(bào)對(duì)船舶制定適宜的計(jì)劃航線、避開不利天氣影響至關(guān)重要.但當(dāng)前由于關(guān)注重點(diǎn)以及技術(shù)水平等差異，各種預(yù)報(bào)模式對(duì)TC的預(yù)報(bào)還存在一定的誤差，對(duì)各模式預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行客觀評(píng)定和綜合分析，對(duì)預(yù)報(bào)模式的改進(jìn)、預(yù)報(bào)結(jié)果的訂正和TC的防避等具有重要意義.

基于以上考慮，多年來國(guó)內(nèi)外有不少工作者從不同側(cè)面總結(jié)西北太平洋TC路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)情況.吳俞等［1］應(yīng)用國(guó)家氣象中心的T213L31模式對(duì)2006—2009年TC路徑數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行全面分析檢驗(yàn);漆梁波等［2］應(yīng)用1999—2003年我國(guó)中央氣象臺(tái)、日本氣象廳以及美國(guó)聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心發(fā)布的西北太平洋TC綜合預(yù)報(bào)資料，從總誤差、逐年誤差趨勢(shì)、不同海區(qū)誤差、不同路徑趨勢(shì)誤差、不同強(qiáng)度趨勢(shì)誤差等5個(gè)方面對(duì)各預(yù)報(bào)中心提供的TC路徑及強(qiáng)度預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析;中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所利用國(guó)內(nèi)TC路徑實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中使用的各種主客觀預(yù)報(bào)產(chǎn)品資料，對(duì)每年的TC預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)定位和預(yù)報(bào)精度都要進(jìn)行分析，為更好地使用和改進(jìn)預(yù)報(bào)方法等提供依據(jù)［3－7］.綜觀這些研究成果，大多集中在對(duì)我國(guó)TC預(yù)報(bào)誤差的分析及我國(guó)與國(guó)外預(yù)報(bào)誤差的比較上，較為全面地針對(duì)日本預(yù)報(bào)模式開展的TC預(yù)報(bào)誤差分析尚未見到.日本是世界上天氣預(yù)報(bào)精度相對(duì)較高的國(guó)家之一，日本傳真天氣圖是西北太平洋航行船舶制作航線天氣預(yù)報(bào)的重要參考依據(jù).因此，分析日本傳真天氣圖上TC預(yù)報(bào)誤差，對(duì)船舶正確、有效地應(yīng)用日本傳真天氣圖具有重要意義.本文利用日本傳真天氣圖上提供的2010和2011年共36個(gè)TC樣本資料，對(duì)TC路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行分析，為航行船舶防避TC提供參考.

1 資料來源及分析方法

1.1 資料來源

本文所用資料是日本JMH臺(tái)發(fā)布的2010和2011年TC警報(bào)圖上提供的36個(gè)TC逐日每隔6 h的實(shí)時(shí)和綜合預(yù)報(bào)資料，包括中心氣壓、近中心最大平均風(fēng)速、中心位置等.預(yù)報(bào)時(shí)效分別是24，48和72 h.

1.2 分析方法

將36個(gè) TC逐日00Z，06Z，12Z和18Z等4個(gè)時(shí)次的24，48和72 h中心位置(經(jīng)緯度表示)、中心氣壓、近中心最大風(fēng)速等預(yù)報(bào)結(jié)果分別與次日、第3日、第4日同一時(shí)間的實(shí)況資料進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算兩者之間的差值，分別得到24，48，72 h TC的中心位置(經(jīng)緯度表示)、中心氣壓、近中心最大風(fēng)速等預(yù)報(bào)誤差.預(yù)報(bào)值與實(shí)況值差值的絕對(duì)值越小，預(yù)報(bào)正確率越高，當(dāng)兩者差值為零時(shí)，則預(yù)報(bào)正確.按照上述方法計(jì)算得到24，48和72 h等3個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)誤差樣本資料分別為541，425和320個(gè).

強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差以TC中心氣壓誤差和中心附近最大平均風(fēng)速誤差表示.

路徑預(yù)報(bào)誤差根據(jù)實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、預(yù)報(bào)經(jīng)緯度以及兩者之間的經(jīng)緯度差，利用文獻(xiàn)［8］提出的方法計(jì)算而得.

圖1 地球表面上兩點(diǎn)之間距離計(jì)算示意圖

如圖1所示，設(shè)C和D為地球表面上任意兩點(diǎn)，θ為C和D所在大圓上的對(duì)應(yīng)的球心角.C和D兩點(diǎn)的緯度、經(jīng)度分別為 φC，λC和 φD，λD(北緯取正，南緯取負(fù);東經(jīng)取正，西經(jīng)取負(fù)).

首先利用球面三角形公式求出

再利用三角函數(shù)求出θ.根據(jù)實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)經(jīng)緯度計(jì)算而得的路徑預(yù)報(bào)誤差=θ×111.1 km/(°).

平均預(yù)報(bào)誤差是指所有樣本的預(yù)報(bào)誤差平均值.如24 h平均距離誤差，就是指541個(gè)樣本的距離誤差平均值;48 h平均中心氣壓誤差，就是指425個(gè)樣本的中心氣壓誤差平均值.

2 TC路徑預(yù)報(bào)誤差

2.1 平均距離誤差

表1為各種強(qiáng)度的TC在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均距離誤差.

表1 TC在不同預(yù)報(bào)時(shí)次的平均距離誤差

由表1可見，24，48和72 h的平均距離誤差分別為106.5，194.8和306.4 km.隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，平均距離誤差呈近等差級(jí)數(shù)增大，即預(yù)報(bào)時(shí)效每增加24 h，TC平均距離誤差大約增加100 km.為了更全面地反映各種距離誤差的分布情況，本文以50 km為間隔統(tǒng)計(jì)不同預(yù)報(bào)時(shí)效各距離誤差的累積頻率(某一距離誤差的累積頻率是指在該距離誤差范圍內(nèi)的樣本數(shù)與所有樣本數(shù)的百分比，如距離誤差為50 km的累積頻率就是指距離誤差小于等于50 km的所有樣本數(shù)與總樣本數(shù)541的百分比)，計(jì)算結(jié)果見圖2.

圖2 不同時(shí)效各距離誤差的累積頻率(間隔50 km)

由圖2可見:頻率越大，距離誤差越大;當(dāng)頻率相同時(shí)，預(yù)報(bào)時(shí)效越長(zhǎng)，距離誤差越大;不同時(shí)效距離誤差的分布范圍不同，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，距離誤差分布范圍增大.如24 h距離誤差的分布范圍最小，80%的樣本值距離誤差都在150 km以下;48 h距離誤差的分布范圍大于24 h，80%的樣本值距離誤差在300 km以下;72 h距離誤差的分布范圍最大，80%的樣本值距離誤差在450 km以下.根據(jù)圖2，船舶可以對(duì)預(yù)報(bào)的TC中心位置進(jìn)行各種頻率下的誤差訂正，從而更有效地防避TC.如在日本的傳真天氣圖上對(duì)TC路徑預(yù)報(bào)只給出70%的概率預(yù)報(bào)圓，即TC的預(yù)報(bào)位置落在預(yù)報(bào)圓范圍內(nèi)的概率為70%.如果船舶為了確保安全，希望得到更有效的防避效果，則可以提高預(yù)報(bào)圓的概率.船舶根據(jù)設(shè)定的概率查圖2，則可以得到相應(yīng)的預(yù)報(bào)誤差，再以TC預(yù)報(bào)位置為原點(diǎn)，以該預(yù)報(bào)誤差為半徑繪制預(yù)報(bào)圓，則可得到船舶未來需防避的危險(xiǎn)區(qū)域.

2.2 路徑預(yù)報(bào)偏向

為了進(jìn)一步了解日本TC路徑預(yù)報(bào)的偏向，本文以實(shí)際位置為中心，繪制預(yù)報(bào)位置相對(duì)實(shí)際位置的分布圖(見圖3)，同時(shí)分別統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)位置落在實(shí)際位置NE象限、SE象限、SW象限、NW象限的頻率(見圖4).由圖3和4可見:日本 TC路徑預(yù)報(bào)具有較明顯的偏向性，主要偏向SW和NE象限，其中預(yù)報(bào)路徑偏向SW象限的頻率最大，占30%以上，而且隨預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，偏向SW象限的頻率逐漸增大，72 h預(yù)報(bào)路徑偏向SW象限的頻率接近40%;預(yù)報(bào)路徑偏向NE象限的頻率占第二位，而且隨預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，偏向該象限的頻率也逐漸增大;預(yù)報(bào)路徑偏向SE和NW象限的頻率大體相當(dāng)，總計(jì)占30%左右.路徑預(yù)報(bào)正確率較低，只有24 h預(yù)報(bào)出現(xiàn)過2次正確預(yù)報(bào)(預(yù)報(bào)位置與實(shí)時(shí)位置重合)的情況，約占總樣本資料(541次)的0.4%.

2.3 距離誤差與TC強(qiáng)度的關(guān)系

TC在其發(fā)生發(fā)展過程中，強(qiáng)度是不斷變化的.為了討論不同強(qiáng)度TC距離誤差情況，本文按照我國(guó)TC分類標(biāo)準(zhǔn)［9］，根據(jù)每個(gè)TC每6 h的近中心最大風(fēng)速，將TC活動(dòng)過程劃分為熱帶風(fēng)暴(TS，近中心最大風(fēng)速34～47 kn)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴(STS，近中心最大風(fēng)速48～63 kn)、臺(tái)風(fēng)(TY，近中心最大風(fēng)速64～80 kn)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(STY，近中心最大風(fēng)速81～99 kn)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(super－TY，近中心最大風(fēng)速≥100 kn)等5個(gè)等級(jí)，分別統(tǒng)計(jì)不同等級(jí)TC在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均距離誤差.下面以24 h預(yù)報(bào)為例說明不同等級(jí)TC平均距離誤差的計(jì)算方法.在24 h預(yù)報(bào)中共有541個(gè)樣本資料，按照上述方法進(jìn)行劃分，得到的樣本資料為:TS等級(jí)169個(gè)，STS等級(jí)157個(gè)，TY等級(jí)125個(gè)，STY等級(jí)75個(gè)，super－TY等級(jí)15個(gè).將各等級(jí)TC樣本的距離誤差求平均，則得到24 h預(yù)報(bào)時(shí)效的各等級(jí)TC的平均距離誤差.48和72 h預(yù)報(bào)時(shí)效的各等級(jí)TC的平均距離誤差的計(jì)算方法相同.圖5為不同等級(jí)TC在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均距離誤差分布.由圖 5可見，TC平均距離誤差總體上隨強(qiáng)度增強(qiáng)呈減小的趨勢(shì)，即TC強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，路徑預(yù)報(bào)平均距離誤差小，TC強(qiáng)度弱時(shí)，路徑預(yù)報(bào)平均距離誤差大.這可能與強(qiáng)度越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)越清晰，定位越精確，強(qiáng)度誤差越小有關(guān).［10］圖中48和72 h超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的平均距離誤差略高于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，這可能與超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)樣本資料偏少有關(guān).

圖5 不同等級(jí)TC在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均距離誤差

3 TC強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差

3.1 平均強(qiáng)度誤差

表2列出TC在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均強(qiáng)度誤差.由表2可見，24，48和72 h的近中心最大風(fēng)速預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差分別為7.4，11.7和13.6 kn，中心氣壓的平均絕對(duì)誤差分別為0.80，1.27和1.46 kPa.很顯然，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差逐漸增大.為了深入了解強(qiáng)度預(yù)報(bào)情況，本文進(jìn)一步分析TC近中心最大風(fēng)速正誤差(預(yù)報(bào)偏強(qiáng))、零誤差(預(yù)報(bào)正確)和負(fù)誤差(預(yù)報(bào)偏弱)的分布情況，結(jié)果見表3.

表2 TC在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均強(qiáng)度誤差

表3 TC近中心最大風(fēng)速在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的正負(fù)誤差

由表3可見，出現(xiàn)正誤差的頻率較負(fù)誤差的頻率大，且正誤差平均幅度較負(fù)誤差平均幅度小.從24 h的預(yù)報(bào)誤差上看:出現(xiàn)正誤差的頻率為43.7%，平均誤差為0.89 kPa;出現(xiàn)負(fù)誤差的頻率為30.7%，平均誤差為1.13 kPa.其他預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)誤差分布情況與24 h預(yù)報(bào)時(shí)效的類似.這說明，一般情況下預(yù)報(bào)風(fēng)速偏強(qiáng)的頻率較大，預(yù)報(bào)風(fēng)速偏弱的頻率較小，且風(fēng)速預(yù)報(bào)偏弱時(shí)，預(yù)報(bào)誤差的幅度往往較大.由表3還可以看出，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，近中心最大風(fēng)速預(yù)報(bào)正確率(預(yù)報(bào)誤差為零的樣本數(shù)所占百分比)明顯降低，24，48和72 h預(yù)報(bào)正確率分別為25.6%，13.7%和9.5%;預(yù)報(bào)偏強(qiáng)的頻率逐漸增大，24，48和72 h正誤差頻率分別為43.7%，52.4%和58.0%，預(yù)報(bào)偏弱的頻率略有增加;各種預(yù)報(bào)時(shí)效預(yù)報(bào)正確和偏強(qiáng)的頻率較大，占70%左右，預(yù)報(bào)偏弱的頻率較小，占30%左右.

3.2 強(qiáng)度誤差與強(qiáng)度的關(guān)系

根據(jù)每個(gè)TC每6 h的中心氣壓和近中心最大風(fēng)速的實(shí)時(shí)和預(yù)報(bào)資料，分別統(tǒng)計(jì)各強(qiáng)度等級(jí)TC在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均強(qiáng)度誤差(計(jì)算方法同2.3)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6和7.由圖6和7可見，TC平均強(qiáng)度誤差隨強(qiáng)度增強(qiáng)總體呈增大的趨勢(shì)，即 TC強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均誤差大，TC強(qiáng)度弱時(shí)，強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均誤差小.強(qiáng)度誤差在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)及以下的TC之間差異相對(duì)較小，但當(dāng)TC達(dá)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)，強(qiáng)度誤差顯著增大，24 h中心氣壓平均誤差達(dá)2.43 kPa，近中心最大風(fēng)速平均誤差達(dá)18.3 kn，48和72 h的中心氣壓平均誤差達(dá)3.0 kPa以上，近中心最大風(fēng)速平均誤差接近30 kn.這說明，日本預(yù)報(bào)模式對(duì)超強(qiáng)TC的強(qiáng)度預(yù)報(bào)能力較差，而對(duì)強(qiáng)度較弱TC的強(qiáng)度預(yù)報(bào)效果較好.

4 結(jié)束語

通過對(duì)日本數(shù)值預(yù)報(bào)模式TC路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差分析，得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論:

(1)24，48和72 h預(yù)報(bào)時(shí)效TC的平均距離誤差分別為106.5，194.8和306.4 km.不同時(shí)效距離誤差的分布范圍不同，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，距離誤差分布范圍增大.24 h距離誤差的分布范圍最小，80%的樣本值距離誤差都在150 km以下;48 h距離誤差的分布范圍大于24 h，80%的樣本值距離誤差在300 km以下;72 h距離誤差的分布范圍最大，80%的樣本值距離誤差在450 km以下.

(2)路徑預(yù)報(bào)具有較明顯的偏向性，主要偏向SW和NE象限，偏向該兩象限的頻率占70%左右，其次為SE和NW象限，偏向該兩象限的頻率占30%左右.其中，預(yù)報(bào)位置落在SW象限的頻率最大，占30%以上，且隨預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，預(yù)報(bào)位置落在SW象限的頻率也逐漸增大.

(3)TC的平均距離誤差總體上隨強(qiáng)度增強(qiáng)呈減小的趨勢(shì):TC強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)，路徑預(yù)報(bào)平均距離誤差小;TC強(qiáng)度弱時(shí)，路徑預(yù)報(bào)平均距離誤差大.

(4)24，48和72 h預(yù)報(bào)時(shí)效的最大風(fēng)速預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差分別為7.4，11.7和13.6 kn，中心氣壓預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差分別為0.80，1.27和1.46 kPa.隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差逐漸增大.

(5)一般情況下，預(yù)報(bào)強(qiáng)度偏強(qiáng)的頻率較大，預(yù)報(bào)強(qiáng)度偏弱的頻率較小，且強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏弱時(shí)，預(yù)報(bào)誤差的幅度往往較大.隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，強(qiáng)度預(yù)報(bào)正確率明顯降低，預(yù)報(bào)偏強(qiáng)的頻率逐漸增大，預(yù)報(bào)偏弱的頻率略有增加.

(6)TC平均強(qiáng)度誤差隨強(qiáng)度增強(qiáng)總體呈增大的趨勢(shì)，即TC強(qiáng)度強(qiáng)時(shí)強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均誤差大，TC強(qiáng)度弱時(shí)強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均誤差小.當(dāng)TC達(dá)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)，強(qiáng)度誤差顯著增大，即日本預(yù)報(bào)模式對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)能力較差.

以上研究結(jié)果可為船舶防避TC提供參考依據(jù).當(dāng)船舶在海上遭遇TC時(shí)，可根據(jù)TC中心的位置、移動(dòng)方向和速度以及位置預(yù)報(bào)誤差，結(jié)合本船的船位、航向和航速，在海圖上或傳真地面天氣圖上作預(yù)報(bào)誤差圓，使船舶與TC保持一定距離(使船舶航行在預(yù)報(bào)誤差圓之外)，直到船舶完全脫離威脅后，才可改為沿原航向航行，直至到達(dá)目的地.預(yù)報(bào)誤差圓的半徑可以根據(jù)某一頻率下TC距離誤差選取.如希望未來24 h TC的入圓率達(dá)80%，則頻率取80%，由圖2查得，頻率為80%時(shí)的24 h距離誤差為150 km左右，則以150 km為半徑作預(yù)報(bào)誤差圓，該圓即為船舶未來24 h應(yīng)該避開的危險(xiǎn)區(qū)域.值得注意的是，不同強(qiáng)度的TC，其預(yù)報(bào)誤差有所不同，因此可以根據(jù)TC的強(qiáng)度及文中距離誤差與TC強(qiáng)度的關(guān)系對(duì)預(yù)報(bào)圓半徑作適當(dāng)修正.另外，船舶所選取的頻率(即TC未來入圓率)要適宜.如頻率選得大，預(yù)報(bào)圓半徑也大，雖然TC入圓率高、船舶危險(xiǎn)性小，但船舶需繞航的距離較長(zhǎng);如頻率選得小，預(yù)報(bào)圓半徑也小，雖然船舶需繞航的距離短或不需要繞航，但TC入圓率低、船舶危險(xiǎn)性大.因此，船舶需要選擇一個(gè)合適的頻率，在確保安全的情況下，盡可能縮短航程.船舶可根據(jù)本船的性能、抗風(fēng)浪能力、預(yù)報(bào)臺(tái)的預(yù)報(bào)水平、TC的強(qiáng)度等綜合選取預(yù)報(bào)圓半徑.

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