郭春迓，張旭斌，陳子通，戴光豐

（1.廣東省氣象臺，廣東廣州 510640；2.廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預報重點實驗室，廣東廣州 510640）

近年來，集合預報產品在臺風預報中的廣泛應用，為臺風預報準確率的提高做出了積極貢獻［1-4］?，F(xiàn)有業(yè)務中常用的集合預報產品主要來自歐洲中心中期天氣預報（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）和美國國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的集合系統(tǒng)-ECMWF-EPS和NCEP-EPS，基于這些集合預報產品，一些釋用方法也得到了較好的業(yè)務應用價值［5-6］。

廣州熱帶海洋氣象研究所在早期的南海臺風模式基礎上，開發(fā)了一個新的南海熱帶區(qū)域大氣模式（tropical regional atmospheremodel for the South China Sea，TRAMS）［7］，該模式是建立在GRAPES中尺度模型框架基礎上的非靜力區(qū)域模型，經過幾代改進，目前產品的水平分辨率已經從36 km提高到了9 km，預報時效為72 h，時間分辨率為逐小時。2017年以來，基于TRAMS模式開發(fā)了相應的集合預報系統(tǒng)（TRAMSEPS），并通過3年的批量試驗證明了TRAMSEPS相比ECMWF-EPS在臺風強度、強降水與大風預報方面具有一定的優(yōu)勢［8］。然而，受限于計算資源，TRAMS-EPS的模式中心為中央氣象臺實時下發(fā)報文的臺風中心位置，空間覆蓋范圍較?。ㄋ骄W格數(shù)為385×305，水平分辨率為9 km），在業(yè)務應用上有一定的局限性。為了克服該局限性，TRAMS-EPS在2020年做了升級，范圍覆蓋70°E—160°E，0.8°N—54.8°N，水平網格數(shù)為1 001（經向）×601（緯向），垂直方向共有65層，輸出等壓面標準層共17層（1 000～10 hPa）；目前該產品處于業(yè)務試運行階段。作為一種具有高時空分辨率的區(qū)域數(shù)值模式產品，TRAMS-EPS產品在西北太平洋、南海臺風的預報中是否比全球模式產品更具優(yōu)勢？本研究將利用1907號臺風“韋帕”，對TRAMS-EPS、ECEPS、NCEP-EPS 3種模式產品展開對比分析，以此對TRAMS-EPS模式的預報性能進行評估，也為該區(qū)域模式產品在業(yè)務應用方面做進一步拓展。

1 數(shù)據(jù)和方法

1）數(shù)據(jù)介紹。

本研究所用的資料包括 ECMWF-EPS，NCEP-EPS和TRAMS-EPS 3種集合預報產品（因所用模式資料均為集合預報，故本研究分別簡稱為EC、NCEP、TRAMS）。前2種為TIGGE數(shù)據(jù)，TRAMS樣本數(shù)據(jù)為廣州熱帶海洋氣象研究所提供，因目前處于產品測試階段，00：00（世界時，下同）場沒有表層風場數(shù)據(jù)。3種模式具體介紹如表1所示。為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)，所有預報均選擇2019年7月31日12：00起報的未來72 h預報時效產品。實況數(shù)據(jù)采用中央氣象臺實時定位的臺風報文信息。要素包括10 m風場、海平面氣壓、850 hPa位勢高度等。

表1 ECMWF、NCEP、TRAMS 3種模式介紹

2）臺風中心和大風半徑的判定。

根據(jù)業(yè)務上常用的判定方法，將850 hPa位勢高度的低值中心定為臺風中心。根據(jù)臺風中心位置，找到蒲福風級表中，各級（這里根據(jù)臺風強度選擇8、7、6級）風速下限對應的風速值所在的最大半徑，定義為各級風圈半徑大小。

3）臺風路徑預報技巧判定。

將觀測位置100 km范圍內命中的集合預報成員占所有集合成員的比值定義為模式對臺風路徑的預報技巧［9］，該比值越高，則說明模式成員的預報越好。

4）誤差檢驗。

其中，F(xiàn)為預報值；i表示不同的集合成員；Q為觀測值；N為總集合成員數(shù)。

2 對比結果及分析

2.1 臺風路徑對比

臺風“韋帕”為2019年登陸廣東的首個臺風，具有“近海生成、強度較弱、路徑曲折、移速多變、風力較小”的特點。2019年7月30日17：00（北京時）在南海中部偏北海域生成，8月3日在越南東北部地區(qū)減弱消散，生命史共5 d。前期路徑為西偏北，8月1日早晨登陸海南后轉折北上，于1日下午登陸湛江，隨后路徑以偏西為主，沿北部灣北部海面進入越南境內。

圖1給出了臺風“韋帕”的實況路徑以及3種集合預報模式的對比。

圖1 三種集合預報路徑同實況路徑的對比

從圖1a可以看出，3種集合平均路徑總體同實況的差異不大，但對于臺風登陸海南島后的打轉路徑均沒有預報能力；登陸廣東前，TRAMS同EC的路徑幾乎重疊，同實況也更加接近，但不如NCEP報出了向北分量增加的趨勢；登陸廣東后，TRAMS和NCEP都預報“韋帕”在北部灣減弱消失，只有EC報出了更長的生命史（繼續(xù)登陸越南），這一點也同實況更加吻合。從各家路徑的集合成員來看，TRAMS對于臺風的生命史預報大多止步于登陸廣西，相比之下EC預報則多登陸越南；3種集合成員基本都能錨定實況路徑，但NCEP由于成員個數(shù)較少，且成員之間個別時次差異很小的緣故，預報并未有較好的發(fā)散度。

從3種路徑預報技巧（圖2）來看，在0～54 h預報時效內，TRAMS的預報得分基本都是最高，其中，在第6、24、42、48、54 h（6、12、42、48、54 h）幾個預報時效上明顯較EC（NCEP）更為穩(wěn)定，在66～72 h時效上，TRAMS得分出現(xiàn)了突降，相比之下EC最好。

圖2 三種集合預報路徑的命中得分

以上分析可以看出，在路徑預報方面，TRAMS較EC和NCEP具有一定的優(yōu)勢，但在較長預報時效（66～72 h）以及臺風生命史的預報上，EC相對更好，而NCEP在3種模式的表現(xiàn)中總體較差。

2.2 臺風強度對比

通過對比集合預報同實況的近中心最大風速和中心最低氣壓（圖3）可以看出，3種集合預報產品普遍存在近中心最大風速較實況偏低，中心最低氣壓偏高的現(xiàn)象，即模式預報的臺風強度較實況偏弱。另外一個共同點在于，在54～72 h預報時效上，3種模式預報的發(fā)散度都開始增大；但同時TRAMS似乎存在強度增強的趨勢，而EC和NCEP主要為減弱趨勢。在其它預報時效上，EC有個別成員在一些時次報出了與實況接近或高于實況的強度，但TRAMS和NCEP卻沒有。結合均方根誤差分布（圖略）來看，對于近中心最大風速，在0～6 h時效上，EC的均方根誤差最小（2～4 m／s），TRAMS最大（5 m／s左右），這可能與模式初始啟動有關；在12～30 h時效上，TRAMS誤差最小，并且隨時效增大，與EC的誤差差距逐漸減小，NCEP最大；在36～48 h時效上，EC誤差最小，TRAMS次之，NCEP最大；在54～72 h時效上，EC優(yōu)勢不再體現(xiàn)，NCEP的誤差趨于最小。中心最低氣壓具有相似的結論，只是個別時效有一定差異，此處不再贅述。

2.3 臺風大風結構對比

由于TRAMS樣本數(shù)據(jù)在00：00場沒有表層風速產品，因此對第6～72 h預報時效的3種模式預報的最大風速半徑，8、7、6級風速半徑展開對比分析，如圖4所示。從圖4可以看出，TRAMS預報的最大風速半徑具有較大的離散度，同時在多數(shù)預報時效相較另外兩種模式更大，這可能與高分辨率模式能更好刻畫臺風結構有關，但該要素沒有實況觀測與之對應，因此客觀上無法對其進行檢驗；值得一提的是，EC預報的集合離散度最小，而該模式的成員個數(shù)卻居3種之首，因此可以說對于最大風速半徑，該模式成員預報的一致性最高。

圖3 在不同預報時效時TRAMS（綠色實線）（a）、ECVOBS（枚紅色實線）（b）、NCEP（藍色實線）（c）集合預報與實況近中心最大風速（a、c、e）和中心最低氣壓（b、d、f）的對比

圖4 在6～72 h預報時效上最大風速半徑（黃色），8級（綠色）、7級（藍色）、6級（紅色）風圈半徑在3種模式之間的對比

與最大風速半徑相對應，8、7、6級風圈半徑也存在較大的模式間差異。TRAMS基本上都有相對最大的離散度，同時預報強度相對更強；EC的離散度在24 h時效后明顯下降，集合平均的8級風圈半徑隨預報時效的增加逐漸下降，從12 h開始基本穩(wěn)定在200 km左右，這也與實況給出的風圈半徑最為接近；而NCEP在第24 h之后就沒有預報出8級風圈半徑了，證明其對臺風強度的預報明顯較其他兩種更弱。

3種模式預報的6級風圈半徑在前54 h預報時效上基本比較一致，集合平均值也都集中在600 km左右（TRAMS略偏強），但是相對于實況（480～280 km）都偏強；在60～72 h時效上，隨著時效增加，TRAMS并未有像EC和NCEP預報一樣有明顯的減弱。

以臺風中心為原點，在其經向、緯向各500 km范圍內確定最大風速點，分別標記3種模式的最大風速半徑所在的象限（圖略）。對于TRAMS模式，在6 h預報時效上，各成員預報的最大風速半徑都在臺風中心北側，24 h之后轉為南側，36 h之后逐漸偏向正南；對于EC和NCEP模式，18 h之后基本上都偏南；但EC在24 h后逐漸偏向東南象限，而NCEP模式基本上一致維持正南。最大風速半徑所在的象限可能與模式的對流參數(shù)化方案有關。

3 結論

本研究通過對2019年7月31日12：00（世界時）起報的TRAMS、EC、NCEP集合預報模式產品相對1907號臺風“韋帕”的對比分析，得到如下主要結論：

1）在臺風路徑預報方面，TRAMS較EC和NCEP具有一定的優(yōu)勢，但在較長預報時效（66～72 h）以及臺風生命史的預報上，EC相對更好，而NCEP在3種模式的表現(xiàn)中總體較差。

2）在臺風強度預報方面，3種集合預報產品普遍存在預報強度偏弱的情況；在0～6 h和36～48 h的預報時效上，EC預報的臺風中心最大風速和最低氣壓的均方根誤差最?。辉?2～30 h時效上，TRAMS誤差最?。欢?4～72 h時效上，NCEP的預報誤差趨于最小。

3）在臺風結構預報方面，主要考察了最大風速半徑，8、7、6級風圈半徑的大小，結果表明，TRAMS模式的成員預報離散度最大，并且預報的半徑相對更大，同時與強度預報相對應，并未有明顯的隨著預報時效減弱的趨勢；EC預報最大風速半徑的集合離散度最小，同時8和7級風圈半徑同實況最為接近；NCEP對臺風強度的預報明顯較其它兩種偏弱，在24 h之后無法預報出8級風圈半徑；3種模式對6級風圈半徑都有一定程度的高估。TRAMS、EC、NCEP對于最大風速半徑所在的象限預報在6 h時效都偏北，隨預報時效增加，TRAMS和NCEP逐漸偏向正南，而EC偏向東南象限。

由于本研究所采用的資料只有一個起報時次，對于模式的評估不具有普適性，今后將利用更多的樣本數(shù)據(jù)針對模式的臺風預報展開檢驗，希望對模式產品的使用和模式產品設計提供一定幫助。