吳 俞, 麻素紅, 瞿安祥, 張永莉

(1.海南省氣象臺(tái),海南海口570203;2.中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心,北京 100081;3.成都信息工程學(xué)院,四川成都610225)

0 引言

隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展,氣象觀測(cè)資料越來(lái)越豐富,但對(duì)臺(tái)風(fēng)的觀測(cè)資料依然存在明顯的不足,譬如海洋上沒有探空資料,QuikSCAT衛(wèi)星表層風(fēng)的觀測(cè)資料受降水污染,衛(wèi)星紅外輻射資料受云污染,大尺度分析場(chǎng)中的初始渦旋通常偏弱或有位置偏差等,臺(tái)風(fēng)模式初始條件的不足嚴(yán)重影響了臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。因而在業(yè)務(wù)上針對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度弱且位置不準(zhǔn)確,國(guó)內(nèi)外的解決辦法基本上是消除弱且不準(zhǔn)確的擾動(dòng)渦旋場(chǎng),然后根據(jù)觀測(cè)信息和經(jīng)驗(yàn)公式構(gòu)造出一個(gè)三維渦旋環(huán)流場(chǎng)并嵌入模式初始分析場(chǎng),其Bogus方法宗旨是設(shè)計(jì)一個(gè)軸對(duì)稱臺(tái)風(fēng)渦旋并加入某種能表征臺(tái)風(fēng)及其環(huán)流氣流運(yùn)動(dòng)的非對(duì)稱分量。這種臺(tái)風(fēng)模型初始化方案使臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)水平有了較大的提高[1-7]。

國(guó)家氣象中心的TC(熱帶氣旋的簡(jiǎn)稱)初始化方案也做了較大的改進(jìn)[8-9],設(shè)計(jì)和發(fā)展了一套新的TC初始化業(yè)務(wù)方案,主要由初始渦旋形成、渦旋重定位和渦旋調(diào)整3部分組成,它有效地解決了目前業(yè)務(wù)中由于TC觀測(cè)資料缺失而造成的初始TC渦旋形成問題。業(yè)務(wù)中T213和T639模式的渦旋初始化過(guò)程基本相似,但略有差異,即實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行中在渦旋初始化的初始渦旋形成環(huán)節(jié)T639模式并不像T213模式一樣將構(gòu)造好的Bogus渦旋先利用模式進(jìn)行36h數(shù)值積分預(yù)報(bào),再?gòu)母鱾€(gè)時(shí)次的預(yù)報(bào)場(chǎng)中挑選出一個(gè)與觀測(cè)分析的TC特征數(shù)據(jù)最接近的渦旋環(huán)流系統(tǒng),最后從中分離出來(lái)嵌入到最初的背景場(chǎng)中形成初始的TC渦旋環(huán)流,而是采用傳統(tǒng)的人造Bogus方案[10-12]形成初始渦旋環(huán)流。盡管在模式預(yù)報(bào)中加入渦旋初始化能改進(jìn)TC路徑預(yù)報(bào),但在構(gòu)造Bogus渦旋時(shí),難免不代入人為給定的TC常數(shù),比如七級(jí)風(fēng)半徑、渦旋最外圍閉合半徑及環(huán)境氣壓等等,同時(shí)還由于風(fēng)速半徑的觀測(cè)和計(jì)算都有誤差,這些人為的主觀因素和儀器的客觀因素使模式對(duì)有些個(gè)例的預(yù)報(bào)偏差明顯偏大,因此還需要深入研究渦旋初始化問題。

文中以T639模式的渦旋初始化為重點(diǎn),采用和T213模式同樣的初始渦旋形成技術(shù),試驗(yàn)是否對(duì)TC路徑預(yù)報(bào)有所改進(jìn)。最后從構(gòu)造Bogus的特定參數(shù)出發(fā),先對(duì)比其初始場(chǎng)與ECMWF初始場(chǎng)的差異,確定最可能影響TC路徑預(yù)報(bào)的因子,再通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)探討這些因子對(duì)TC路徑預(yù)報(bào)的影響程度。

1 T639模式TC路徑預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程簡(jiǎn)介

重點(diǎn)介紹實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中T639模式TC路徑預(yù)報(bào)流程,如圖1所示,以00時(shí)(世界時(shí),下同)預(yù)報(bào)為例,由于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中各種觀測(cè)資料的獲得都比實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)時(shí)間延后,假設(shè)到04時(shí)才能獲取70%的觀測(cè)資料,為了提供較為及時(shí)的預(yù)報(bào),模式以04時(shí)的觀測(cè)資料進(jìn)入同化系統(tǒng)作為00時(shí)刻的TC路徑預(yù)報(bào)。但同化70%的觀測(cè)資料不能更好地為下一預(yù)報(bào)時(shí)次(06時(shí))提供最優(yōu)的模式背景場(chǎng)(00時(shí)的6小時(shí)預(yù)報(bào)場(chǎng)),假設(shè)到07時(shí)能獲得所有觀測(cè)到的資料,則業(yè)務(wù)中將在獲取所有觀測(cè)資料的時(shí)刻重新作00時(shí)的模式預(yù)報(bào),但該過(guò)程不進(jìn)行TC路徑預(yù)報(bào),僅僅為下一時(shí)次(12時(shí))預(yù)報(bào)提供6小時(shí)預(yù)報(bào)背景場(chǎng)。綜上介紹,簡(jiǎn)單講T639包括兩個(gè)循環(huán)過(guò)程:(1)預(yù)報(bào)循環(huán)過(guò)程;(2)同化循環(huán)過(guò)程。在預(yù)報(bào)循環(huán)過(guò)程中,所用的6小時(shí)預(yù)報(bào)背景場(chǎng)進(jìn)行了渦旋初始化,所用的觀測(cè)資料僅為總資料的70%,分別在00時(shí)和12時(shí)進(jìn)行兩次TC路徑預(yù)報(bào)。而同化循環(huán)過(guò)程所用的6小時(shí)預(yù)報(bào)背景場(chǎng)也進(jìn)行了渦旋初始化,所用觀測(cè)資料為100%,分別在06時(shí)和18時(shí)為00時(shí)和12時(shí)提供預(yù)報(bào)背景場(chǎng)。

圖1 T639模式熱帶氣旋路徑數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程

2 渦旋初始化對(duì)T639模式TC路徑預(yù)報(bào)影響的數(shù)值試驗(yàn)

2.1 新渦旋初始化方案的數(shù)值試驗(yàn)

引言中提到T639模式的初始渦旋形成與T213模式的有所差異,文中在T639模式中采用與T213一樣的初始渦旋形成技術(shù)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),進(jìn)一步探討使用新的初始渦旋形成方案對(duì)TC路徑預(yù)報(bào)是否有所改進(jìn)?

首先新的初始渦旋形成方案是先將構(gòu)造好的Bogus嵌入到背景場(chǎng)中作為初始場(chǎng),然后利用模式對(duì)這個(gè)含有構(gòu)造渦旋的初始場(chǎng)進(jìn)行48小時(shí)積分預(yù)報(bào),這樣在輸出的各個(gè)間隔時(shí)次的預(yù)報(bào)場(chǎng)中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)個(gè)演變的TC渦旋環(huán)流系統(tǒng),接下來(lái)從各時(shí)次的預(yù)報(bào)場(chǎng)中挑選出一個(gè)與觀測(cè)分析的TC特征數(shù)據(jù)最接近的渦旋環(huán)流系統(tǒng),并從預(yù)報(bào)場(chǎng)中分離出來(lái),將其嵌入到最初的背景場(chǎng)中形成初始的TC渦旋環(huán)流系統(tǒng),最后再進(jìn)行模式積分預(yù)報(bào)。新的初始渦旋形成方案在間接依靠Bogus技術(shù)的同時(shí),更多是利用了模式來(lái)約束積分產(chǎn)生一個(gè)渦旋環(huán)流系統(tǒng),相比原來(lái)直接嵌入Bogus渦旋而言,新的渦旋環(huán)流系統(tǒng)動(dòng)力屬性與模式本身比較協(xié)調(diào),大大減少預(yù)報(bào)初始積分過(guò)程中產(chǎn)生的振蕩問題,同時(shí)還能在一定程度上減少人為因素對(duì)TC渦旋結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 不同方案的路徑預(yù)報(bào)對(duì)比

選取2010年02號(hào)臺(tái)風(fēng)康森對(duì)原先的與新的初始渦旋形成技術(shù)(包括渦旋重定位、渦旋強(qiáng)度調(diào)整的初始化方案)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果如圖2所示,可以看出隨著時(shí)間的增加,新方案預(yù)報(bào)的路徑較控制試驗(yàn)(原方案)有向南調(diào)整的趨勢(shì)。模式對(duì)1002號(hào)臺(tái)風(fēng)康森的起報(bào)時(shí)間是2010年7月12日00時(shí),圖3(a)、3(b)分別是原方案和新方案的500hPa高度場(chǎng),可以看出原方案已經(jīng)形成了小范圍的閉合等高線,而新方案有氣旋性趨勢(shì)但未有閉合等高線,說(shuō)明新方案對(duì)人造Bogus有所調(diào)整;圖3(d)的新方案海平面氣壓場(chǎng)中TC渦旋外圍尺度半徑比原方案(圖3c)的也略有擴(kuò)大;圖3(f)的新方案垂直風(fēng)場(chǎng)剖面分布(負(fù)值對(duì)應(yīng)上升氣流,正值對(duì)應(yīng)下沉氣流)與圖3(e)的原方案相比,可以看出兩者在TC中心附近的垂直上升氣流分布較為相似,但新方案中的下沉氣流范圍及速度較原方案有所擴(kuò)大與加強(qiáng)。以上的幾點(diǎn)差異會(huì)隨著模式的時(shí)間積分逐漸擴(kuò)大,這也是新方案的路徑預(yù)報(bào)往南調(diào)整的原因。最后圖4對(duì)比了新方案與原方案在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均距離誤差,整體而言新方案比原方案要有所改進(jìn),說(shuō)明新方案在一定程度上減少了主觀因素對(duì)TC三維結(jié)構(gòu)的影響,更多地依靠模式動(dòng)力與物理過(guò)程在模式預(yù)報(bào)中產(chǎn)生渦旋環(huán)流,這樣產(chǎn)生的渦旋結(jié)構(gòu)不但與周圍環(huán)流形勢(shì)比較協(xié)調(diào),而且渦旋自身的各種物理量在動(dòng)力屬性上也比較平衡,在某種程度上降低了模式積分過(guò)程中對(duì)周圍形勢(shì)場(chǎng)的負(fù)面影響。

圖3 原方案和新方案分別在500hPa高度場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)和垂直風(fēng)場(chǎng)的對(duì)比

2.2 渦旋初始化中影響TC路徑預(yù)報(bào)的因子及其敏感性試驗(yàn)

上述的渦旋初始化試驗(yàn)可以看出,如果對(duì)初始化方案中的某個(gè)部分進(jìn)行改變會(huì)對(duì)TC路徑預(yù)報(bào)有所影響。因此只有深入研究初始化方案中可能造成TC路徑預(yù)報(bào)誤差的因素,才能更好改進(jìn)初始化方案,提高TC路徑預(yù)報(bào)水平。因此文中依然從渦旋初始化的每個(gè)方案出發(fā),通過(guò)敏感性試驗(yàn)分析影響TC路徑預(yù)報(bào)的因子。試驗(yàn)仍以1002號(hào)臺(tái)風(fēng)康森為個(gè)例。

要找到影響TC路徑預(yù)報(bào)的因子,首先要從T639模式中加入渦旋初始化后的分析場(chǎng)入手,對(duì)比其與ECMWF分析場(chǎng)的異同。圖5(a)是T639模式2010年7月14日00時(shí)的分析場(chǎng),對(duì)比同一時(shí)次ECMWF的分析場(chǎng)(圖5b)可以看出兩個(gè)模式分析場(chǎng)差異較大的天氣系統(tǒng)是TC渦旋。首先從渦旋大小來(lái)看,無(wú)論高低層渦旋大小(以最外圍閉合等值線的半徑大小衡量),T639模式初始場(chǎng)中TC渦旋都比ECMWF的偏小。另外從高低層高度場(chǎng)配置看,ECMWF分析場(chǎng)中TC渦旋高度場(chǎng)上下配置呈斜壓不對(duì)稱分布,而T639中TC渦旋基本呈正壓分布。最后對(duì)比兩個(gè)模式分析場(chǎng)TC強(qiáng)度的差異,圖6(a)、6(b)分別是T639模式和ECMWF 500hPa及海平面氣壓經(jīng)過(guò)TC中心的高度場(chǎng)剖面圖,從圖中可以看出T639的TC強(qiáng)度比ECMWF中的強(qiáng),和前面分析一樣TC高低層強(qiáng)度中心的配置ECMWF的要比T639的明顯傾斜。根據(jù)兩個(gè)分析場(chǎng)的差異,不難發(fā)現(xiàn)TC的結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度偏差很可能與初始化方案有關(guān)。由于在初始化中的初始渦旋形成方案在構(gòu)造Bogus渦旋時(shí)是人為給定的TC特征常數(shù),盡管能大體上表征每個(gè)TC的基本態(tài),但每一個(gè)實(shí)際發(fā)生的TC差異很大且復(fù)雜,人為設(shè)置的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)仍不夠客觀。同樣是否必須在TC初始化中進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)整也有待探討。

因此主要從初始渦旋形成方案中初步通過(guò)改變七級(jí)風(fēng)半徑、渦旋外圍半徑大小參數(shù)和有無(wú)進(jìn)行渦旋強(qiáng)度調(diào)整方案兩個(gè)方面入手進(jìn)行敏感性試驗(yàn),探討不同尺度、不同強(qiáng)度的渦旋對(duì)路徑預(yù)報(bào)的影響程度。

圖4 控制試驗(yàn)與新方案在不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均距離誤差對(duì)比

圖5 T639模式與ECMWF模式500hPa高度和海平面氣壓分析場(chǎng)對(duì)比(實(shí)線為500hPa高度場(chǎng),陰影部分為海平面氣壓場(chǎng))

圖6 2010年7月14日00時(shí)經(jīng)過(guò)TC中心的T639和ECMWF模式500hPa高度與海平面氣壓值的分布

根據(jù)T639模式渦旋初始化方案一共設(shè)計(jì)9組試驗(yàn),如表1所示,9組試驗(yàn)分別與控制試驗(yàn)(包含渦旋初始化的3個(gè)部分)做對(duì)比。其中試驗(yàn) 1、試驗(yàn)3、試驗(yàn)5、試驗(yàn) 7、試驗(yàn)9中都關(guān)閉了強(qiáng)度調(diào)整方案,從圖7(a)、7(c)、7(e)、7(g)、7(i)可以看出這5組試驗(yàn)的整體預(yù)報(bào)路徑都比控制試驗(yàn)的預(yù)報(bào)偏“北”(雙引號(hào)表示存在移向和移速的共同影響),后期預(yù)報(bào)的移速也稍微偏快,說(shuō)明TC的強(qiáng)度的改變會(huì)對(duì)其路徑造成一定影響,另外試驗(yàn)5北偏最明顯,反映出對(duì)渦旋外圍半徑減小,“北”偏越明顯。而試驗(yàn)2、試驗(yàn)4、試驗(yàn)6、試驗(yàn)8(圖7b、7d、7f、7h)中都進(jìn)行了強(qiáng)度調(diào)整,預(yù)報(bào)的路徑整體上比控制試驗(yàn)的偏“南”或相當(dāng),另外在這幾組試驗(yàn)中試驗(yàn)2偏“南”最明顯,說(shuō)明當(dāng)七級(jí)風(fēng)半徑保持不變,適當(dāng)增大渦旋最外圍半徑,路徑預(yù)報(bào)將向“南”調(diào)整,且向“南”偏的程度比既增大七級(jí)風(fēng)半徑和增大渦旋外圍半徑(試驗(yàn)6)要大,這也說(shuō)明TC路徑對(duì)渦旋外圍半徑的大小較為敏感。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖7 不同初始化方案與控制試驗(yàn)的對(duì)比

綜合而言,人為給定的反映TC特征的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)往往會(huì)因TC個(gè)例的不同而導(dǎo)致不同程度大小的誤差[5-6],通過(guò)敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TC路徑對(duì)TC強(qiáng)度和渦旋外圍半徑的大小較敏感。但是也可以看出無(wú)論是控制試驗(yàn)還是敏感性試驗(yàn),模式預(yù)報(bào)TC的路徑與實(shí)況相比都是北偏。因此今后在渦旋初始化方案中應(yīng)尋求避免人為給定臺(tái)風(fēng)常數(shù)的方法,盡可能多地引入實(shí)際觀測(cè)資料,實(shí)現(xiàn)既能較好反映TC本身特征,又能與模式本身相協(xié)調(diào),達(dá)到進(jìn)一步改善TC路徑預(yù)報(bào)的目的。

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)研究渦旋初始化對(duì)TC路徑預(yù)報(bào)的影響得到以下結(jié)論:

(1)在渦旋初始化方案中采用新的初始渦旋形成技術(shù)對(duì)1002號(hào)臺(tái)風(fēng)康森進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn),并對(duì)比與原方案的預(yù)報(bào)差異,得到新方案能在一定程度上減少主觀因素對(duì)TC三維結(jié)構(gòu)的影響,更多地依靠模式動(dòng)力與物理過(guò)程在模式預(yù)報(bào)中產(chǎn)生渦旋環(huán)流,降低了模式積分過(guò)程中渦旋環(huán)流對(duì)周圍形勢(shì)場(chǎng)的負(fù)面影響,從而改進(jìn)模式預(yù)報(bào)。

(2)以1002號(hào)臺(tái)風(fēng)康森為個(gè)例對(duì)比T639模式與ECMWF的分析場(chǎng)差異,初步從初始渦旋形成方案中通過(guò)改變七級(jí)風(fēng)半徑、渦旋外圍尺度半徑大小參數(shù)和有無(wú)進(jìn)行渦旋強(qiáng)度調(diào)整方案兩個(gè)方面入手進(jìn)行敏感性試驗(yàn),得到TC路徑的預(yù)報(bào)對(duì)TC渦旋外圍半徑和TC強(qiáng)度較敏感,會(huì)因渦旋外圍半徑大小和其強(qiáng)度的不同而有所差異。

綜上可以看出好的渦旋初始化方案是提高模式TC路徑預(yù)報(bào)的有效方法,因此今后的研究仍然是側(cè)重如何構(gòu)造更加客觀的Bogus渦旋,其不僅要與模式本身相協(xié)調(diào),還要充分吸收更多的TC觀測(cè)資料,達(dá)到既能夠反映TC內(nèi)部的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征,又能改善TC周圍環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)的預(yù)報(bào),最終改善TC的路徑預(yù)報(bào)。

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