邱金晶 陳 鋒 董美瑩

浙江省氣象科學(xué)研究所，杭州 310008

提 要： ECMWF和GFS全球模式對(duì)2016—2019年影響浙江臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的評(píng)估結(jié)果表明：ECMWF模式對(duì)路徑預(yù)報(bào)總體優(yōu)于GFS模式，而GFS模式對(duì)強(qiáng)度預(yù)報(bào)更具優(yōu)勢(shì)。為提高臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)性能，基于該評(píng)估結(jié)論提出了一種業(yè)務(wù)可行的臺(tái)風(fēng)初始化方案。該方案基于ECMWF和GFS分析場(chǎng)及洋面臺(tái)風(fēng)觀測(cè)資料，利用臺(tái)風(fēng)渦旋分離技術(shù)，將從GFS分析場(chǎng)分離得到的渦旋場(chǎng)進(jìn)行重定位和最大風(fēng)速調(diào)整，然后與從ECMWF分析場(chǎng)中分離得到的大尺度環(huán)境場(chǎng)重新疊加融合，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建。針對(duì)近年14個(gè)影響浙江臺(tái)風(fēng)個(gè)例，應(yīng)用臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建技術(shù)的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式的回報(bào)試驗(yàn)表明：經(jīng)過(guò)初始場(chǎng)重建后，模式預(yù)報(bào)結(jié)果能兼顧ECMWF模式的路徑預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)和GFS模式的強(qiáng)度預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)，有效改進(jìn)了臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能。新方法的路徑預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差較GFS模式驅(qū)動(dòng)的中尺度模式預(yù)報(bào)結(jié)果減少21 km，標(biāo)準(zhǔn)差降低26.6 km；新方法的強(qiáng)度預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差較ECMWF模式驅(qū)動(dòng)的中尺度模式預(yù)報(bào)結(jié)果減少1.7 m·s-1，標(biāo)準(zhǔn)差降低2.3 m·s-1。對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬典型個(gè)例的進(jìn)一步分析得到，初始場(chǎng)重建技術(shù)對(duì)大氣環(huán)流特征和臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)模擬均有較好的修正能力。

引 言

臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的狂風(fēng)暴雨、洪澇、城市積澇等氣象災(zāi)害和泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害嚴(yán)重威脅著人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性直接影響到臺(tái)風(fēng)的總體預(yù)報(bào)效果，是臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中最受關(guān)注的預(yù)報(bào)內(nèi)容，也是難點(diǎn)問(wèn)題(陳聯(lián)壽等，2012；張定媛等，2018)。臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)是提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平的一個(gè)有效途徑(馬雷鳴，2014；端義宏等，2020)，而初始場(chǎng)的準(zhǔn)確性是提升數(shù)值預(yù)報(bào)性能的一個(gè)關(guān)鍵所在(Lorenz,1965；2004)。能否在初始場(chǎng)中合理描述臺(tái)風(fēng)所處的大氣環(huán)流背景，并且較為準(zhǔn)確地描述出臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)(這一過(guò)程被稱(chēng)為臺(tái)風(fēng)渦旋初始化)，對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)都顯得尤為重要(Hendricks et al,2013)。

數(shù)值模式初始化(包括資料同化、臺(tái)風(fēng)渦旋初始化)是基于觀測(cè)和背景場(chǎng)資料通過(guò)動(dòng)力和熱力約束形成數(shù)值模式初始場(chǎng)的過(guò)程。由于臺(tái)風(fēng)生命史中絕大部分時(shí)間處于海上，而洋面上缺乏觀測(cè)資料，普通的資料同化對(duì)臺(tái)風(fēng)渦旋的改進(jìn)有限。早期的研究直接剔除模式背景場(chǎng)中的初始渦旋，加入人造臺(tái)風(fēng)渦旋(簡(jiǎn)稱(chēng)bogus)實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)初始化(Kurihara et al,1990;Lord,1991;王國(guó)民等，1996)。Kurihara et al(1993;1995)利用濾波方法將臺(tái)風(fēng)背景場(chǎng)分解為環(huán)境場(chǎng)、對(duì)稱(chēng)渦旋場(chǎng)和非對(duì)稱(chēng)渦旋場(chǎng)，利用bogus技術(shù)對(duì)對(duì)稱(chēng)渦旋場(chǎng)進(jìn)行替換，最后合成新的初始場(chǎng)。針對(duì)上述方法存在臺(tái)風(fēng)初始條件和模式的物理過(guò)程以及動(dòng)力學(xué)不平衡的問(wèn)題，Zou and Xiao(2000)提出了BDA(bogus data assimilation)方案，把四維變分同化與bogus相結(jié)合，有效改進(jìn)了初始臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)。黃燕燕等(2010)驗(yàn)證了BDA方案可以更好地預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)海棠的路徑和中心強(qiáng)度變化。此外，渦旋重定位技術(shù)在近些年得到了發(fā)展并在GFS預(yù)報(bào)系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用(Kurihara et al,1995;Liu et al,2006)。渦旋重定位技術(shù)將模式預(yù)報(bào)的渦旋移動(dòng)到觀測(cè)的位置而不是植入一個(gè)人造渦旋，該方法減小了初始場(chǎng)與模式不協(xié)調(diào)的問(wèn)題(Hsiao et al,2010)。瞿安祥等(2009a;2009b)利用模式自身產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)渦旋，通過(guò)重定位和強(qiáng)度調(diào)整發(fā)展了一套完整可行的臺(tái)風(fēng)初始化數(shù)值方案，該方案更多的是依靠數(shù)值模式自身的動(dòng)力和物理過(guò)程來(lái)協(xié)調(diào)約束產(chǎn)生三維空間的渦旋結(jié)構(gòu)，預(yù)報(bào)效果較好。但這些研究或基于bogus渦旋及其衍生技術(shù)，或基于模式自身預(yù)報(bào)的渦旋，業(yè)務(wù)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度較大。

浙江是我國(guó)受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響較大的省份之一，提升臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)精細(xì)化水平是浙江現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)面臨的迫切任務(wù)。目前浙江業(yè)務(wù)運(yùn)行的浙江省中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)(ZJWARMS)使用GFS模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品作為初始場(chǎng)和背景場(chǎng)，在臺(tái)風(fēng)影響期間提供0～72 h的逐小時(shí)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)(陳鋒等，2012)。實(shí)際應(yīng)用表明，ZJWARMS由于缺乏有效的臺(tái)風(fēng)初始化方案，對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)存在較大的誤差。陳國(guó)民等(2018;2019)對(duì)2016年和2017年臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)評(píng)估發(fā)現(xiàn)，美國(guó)GFS全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)總體不如歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF模式，但在強(qiáng)度預(yù)報(bào)上優(yōu)于ECMWF模式。針對(duì)模式資料各有優(yōu)勢(shì)的情形，Wang and Yang(2008)融合了NECP/DOE R2和ERA40兩種再分析資料作為側(cè)邊界條件驅(qū)動(dòng)WRF模式，對(duì)減小模式不確定性有較大的作用。受此類(lèi)工作啟發(fā)，結(jié)合前述臺(tái)風(fēng)渦旋初始化技術(shù)的進(jìn)展，充分利用不同模式資料(如GFS模式和ECMWF模式)各自?xún)?yōu)勢(shì)、吸收有限的觀測(cè)資料，嘗試從基于全球模式評(píng)估結(jié)果的角度開(kāi)展臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建技術(shù)研究，通過(guò)為中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式提供更優(yōu)的臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)來(lái)提升其預(yù)報(bào)性能是值得探索的一個(gè)可行的途徑。

綜上所述，本文從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，基于GFS和ECMWF兩個(gè)全球模式臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合臺(tái)風(fēng)觀測(cè)資料，利用臺(tái)風(fēng)渦旋分離、渦旋重定位以及最大風(fēng)速調(diào)整等方法研制臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建技術(shù)，試圖改進(jìn)浙江省中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)性能，為精細(xì)化臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)提供科技支撐。

1 全球模式對(duì)影響浙江臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)評(píng)估

本文選取2016—2019年期間14個(gè)影響浙江的臺(tái)風(fēng)個(gè)例(1614莫蘭蒂、1616馬勒卡、1617鲇魚(yú)、1618暹芭、1703南瑪都、1718泰利、1808瑪莉亞、1810安比、1812云雀、1814摩羯、1818溫比亞、1909利奇馬、1913玲玲、1918米娜)，并收集中國(guó)氣象局下發(fā)的全球數(shù)值預(yù)報(bào)模式ECMWF和GFS對(duì)上述臺(tái)風(fēng)的0～72 h預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。ECMWF模式在每日00時(shí)和12時(shí)(世界時(shí)，下同)起報(bào)，產(chǎn)品垂直層數(shù)為19層，空間分辨率為0.125°×0.125°，時(shí)間分辨率為3 h。GFS模式起報(bào)時(shí)間和產(chǎn)品時(shí)間分辨率與ECMWF 模式相同，但其垂直層數(shù)為34層，空間分辨率為0.5°×0. 5°。結(jié)合臺(tái)風(fēng)影響浙江時(shí)段，提前24～36 h，選定14個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例的模式起報(bào)時(shí)間，將模式起報(bào)時(shí)間開(kāi)始的0～72 h作為研究時(shí)段。圖1是研究時(shí)段內(nèi)的逐6 h臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)況，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度實(shí)況見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集(Ying et al,2014)，該數(shù)據(jù)集提供了臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度標(biāo)記、緯度、經(jīng)度、中心最低氣壓、2分鐘平均近中心最大風(fēng)速。

圖1 研究時(shí)段內(nèi)14個(gè)臺(tái)風(fēng)的逐6 h路徑實(shí)況Fig.1 The 6 h track records of 14 typhoons during the study period

表1 研究時(shí)段內(nèi)14個(gè)臺(tái)風(fēng)的開(kāi)始、結(jié)束強(qiáng)度實(shí)況Table 1 The start and ending strength records of 14 typhoons during the study period

選用中心最低海平面氣壓進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)的定位，使用近中心最大風(fēng)速進(jìn)行定強(qiáng)，對(duì)全球模式ECMWF、GFS開(kāi)展上述14個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例的路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能評(píng)估。從路徑上來(lái)看，對(duì)比近4年影響浙江臺(tái)風(fēng)的逐6 h預(yù)報(bào)累積誤差，有64.3%(9個(gè))的個(gè)例，ECMWF模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑優(yōu)于GFS模式；有28.6%(4個(gè))的個(gè)例，ECMWF與GFS模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑相當(dāng)；僅有7.1%(1個(gè))的個(gè)例，GFS模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑優(yōu)于ECMWF模式。圖2給出了兩個(gè)模式0～72 h 臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的誤差分析，標(biāo)準(zhǔn)差的大小反映了模式預(yù)報(bào)誤差的離散度。由圖2a可知，兩個(gè)模式的路徑預(yù)報(bào)誤差均隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)而增大，尤其是在48 h以后，誤差明顯加大。兩個(gè)模式對(duì)0～24 h以?xún)?nèi)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)較好，平均誤差均在50 km左右，而對(duì)24～72 h 的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)，ECMWF模式要明顯優(yōu)于GFS模式，平均誤差值分別為157 km和187 km。圖2b顯示ECMWF模式預(yù)報(bào)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差在24～72 h期間明顯低于GFS模式，說(shuō)明ECMWF模式的預(yù)報(bào)誤差比GFS模式更為穩(wěn)定(離散度更小)。從強(qiáng)度的逐6 h預(yù)報(bào)累計(jì)絕對(duì)誤差來(lái)看，14個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例中有64.3%(9個(gè))的個(gè)例，GFS模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度優(yōu)于ECMWF模式；有7.1%(1個(gè))的個(gè)例，GFS與ECMWF模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度相當(dāng)；僅有28.6%(4個(gè))的個(gè)例，ECMWF模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度優(yōu)于GFS模式。由圖2c可知，GFS和ECMWF模式對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)均存在低估，0～72 h平均誤差分別為-4.4 m·s-1和-6.3 m·s-1，結(jié)合平均絕對(duì)誤差(圖2d)可知，GFS模式對(duì)0～42 h的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)要明顯優(yōu)于ECMWF模式。圖2e表明GFS模式0～42 h的強(qiáng)度預(yù)報(bào)離散度較ECMWF模式明顯偏低，預(yù)報(bào)更穩(wěn)定。

圖2 研究時(shí)段內(nèi)14個(gè)臺(tái)風(fēng)的ECMWF和GFS模式預(yù)報(bào)0～72 h臺(tái)風(fēng)路徑的平均誤差(a)及其標(biāo)準(zhǔn)差(b)和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的平均誤差(c)、絕對(duì)誤差(d)及其標(biāo)準(zhǔn)差(e)Fig.2 The average errors (a) and standard deviations (b) of typhoon tracks and the average errors (c), absolute errors (d), standard deviations (e) of typhoon strength with 0-72 h lead time by ECMWF and GFS of 14 typhoons during the study period

綜上所述，ECMWF模式對(duì)影響浙江臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)總體優(yōu)于GFS模式，其原因可能和ECMWF模式對(duì)500 hPa高度場(chǎng)的形勢(shì)預(yù)報(bào)具有較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，且對(duì)副熱帶高壓系統(tǒng)南側(cè)的引導(dǎo)氣流刻畫(huà)較準(zhǔn)有關(guān)(關(guān)月，2016；任宏昌，2017)。GFS模式進(jìn)行了臺(tái)風(fēng)初始化處理(Liu et al,2006)，ECMWF模式未做相關(guān)處理，因此GFS模式對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)把握更好，但仍存在初始強(qiáng)度估計(jì)偏低的問(wèn)題。

2 重建方案與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建方案

根據(jù)全球模式的評(píng)估結(jié)果，制定臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建方案，主要思路為：充分發(fā)揮ECMWF模式對(duì)大尺度環(huán)境場(chǎng)和GFS模式對(duì)臺(tái)風(fēng)渦旋場(chǎng)刻畫(huà)的優(yōu)勢(shì)，利用渦旋分離技術(shù)，將從GFS分析場(chǎng)中分離得到的渦旋場(chǎng)經(jīng)過(guò)重定位和最大風(fēng)速調(diào)整后，與從ECMWF分析場(chǎng)中分離得到的大尺度環(huán)境場(chǎng)重新疊加融合，重建一個(gè)強(qiáng)度、位置均和實(shí)況比較接近的新的臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)(具體流程如圖3所示)。

圖3 臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建方案流程Fig.3 Schematic diagram for typhoon initial field reconstruction

2.1.1 渦旋分離及重定位技術(shù)

本文采用Kurihara et al(1995)提出的渦旋分離技術(shù)，表征如下

(1)

相應(yīng)計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

(1)確定臺(tái)風(fēng)渦旋環(huán)流范圍。首先，利用850 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)確定臺(tái)風(fēng)中心位置，并在極坐標(biāo)下計(jì)算得到切向平均風(fēng)速；其次，自臺(tái)風(fēng)中心開(kāi)始隨著半徑增長(zhǎng)，取切向平均風(fēng)速在減弱過(guò)程中第一次小于等于3 m·s-1時(shí)對(duì)應(yīng)的半徑(Kurihara et al,1995)，即為臺(tái)風(fēng)尺度半徑r0，從而確定臺(tái)風(fēng)渦旋環(huán)流范圍。

(2)利用變化平滑系數(shù)的3點(diǎn)平滑算子將背景場(chǎng)H分離為基本場(chǎng)和擾動(dòng)場(chǎng)，平滑系數(shù)為

(2)

式中：取m=2,3,4,2,5,6,7,2,8,9,2，先沿緯向再沿經(jīng)向做濾波，得到擾動(dòng)場(chǎng)HD。

(3)對(duì)擾動(dòng)場(chǎng)HD做柱形濾波分離出渦旋環(huán)流，公式如下

(3)

(4)

式中：r為距離渦旋中心的半徑，l為控制E(r)形狀的參數(shù)，本文取l=r0/5。

(4)進(jìn)一步計(jì)算得到大尺度環(huán)境場(chǎng)HE

HE=H-HV

(5)

2.1.2 最大風(fēng)速調(diào)整技術(shù)

根據(jù)徐道生等(2019)提出的最大風(fēng)速調(diào)整技術(shù)方案，得到式(6)，重新定位以后的背景水平風(fēng)場(chǎng)可寫(xiě)成

(6)

通過(guò)對(duì)渦旋分量乘以系數(shù)β實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)速調(diào)整

(7)

=Vobs

(8)

(9)

值得注意的是，這里計(jì)算的是地面層的β，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要對(duì)其乘以一個(gè)權(quán)重系數(shù)使得低層的風(fēng)速做較大訂正，而高層較小。

2.1.3 臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建

以1909號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬為例，進(jìn)行初始場(chǎng)重建。圖4a和4b分別為2019年8月8日12時(shí)ECMWF 和GFS分析場(chǎng)的850 hPa全風(fēng)場(chǎng)，經(jīng)過(guò)渦旋分離，得到大尺度環(huán)境場(chǎng)(圖4d，4e)和渦旋場(chǎng)(圖4g，4h)，由圖可知，兩個(gè)模式的大尺度環(huán)境場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)中心附近主要為南風(fēng)和東南風(fēng)，而在渦旋場(chǎng)展示出了完整的氣旋式環(huán)流，可見(jiàn)中心附近的氣旋式環(huán)流均被較好地分離出來(lái)，這表明采用上述渦旋分離技術(shù)是可行的。進(jìn)一步對(duì)比得到，ECMWF分析場(chǎng)分離得到的大尺度環(huán)境場(chǎng)其南側(cè)的西南風(fēng)和北側(cè)的偏東風(fēng)氣流較GFS更為強(qiáng)盛，而GFS分析場(chǎng)分離得到的渦旋場(chǎng)表征的臺(tái)風(fēng)中心附近環(huán)流風(fēng)速較ECMWF偏強(qiáng)。根據(jù)觀測(cè)得到的臺(tái)風(fēng)中心位置(24.4°N、125°E)和近中心最大風(fēng)速(62 m·s-1)，將GFS分析場(chǎng)分離得到的渦旋場(chǎng)進(jìn)行重定位和最大風(fēng)速調(diào)整，然后疊加到ECMWF分析場(chǎng)分離得到的大尺度環(huán)境場(chǎng)，即得到重建初始場(chǎng)(圖4c)。由重建初始場(chǎng)與全球模式全風(fēng)場(chǎng)差值分布(圖4f，4i)可知，經(jīng)過(guò)最大風(fēng)速調(diào)整后的重建初始場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)中心附近的氣旋式環(huán)流明顯強(qiáng)于ECMWF分析場(chǎng)，略強(qiáng)于GFS分析場(chǎng)。同時(shí)，重建初始場(chǎng)對(duì)大尺度環(huán)流場(chǎng)較GFS分析場(chǎng)有所調(diào)整?；谏鲜龇椒?，對(duì)本文研究的14個(gè)臺(tái)風(fēng)均進(jìn)行了初始場(chǎng)重建。

圖4 2019年8月8日12時(shí)臺(tái)風(fēng)利奇馬850 hPa(a)ECMWF全風(fēng)場(chǎng)，(b)GFS全風(fēng)場(chǎng)，(c)重建初始場(chǎng)，(d)ECMWF大尺度環(huán)境場(chǎng)，(e)GFS大尺度環(huán)境場(chǎng)， (f)重建初始場(chǎng)與ECMWF全風(fēng)場(chǎng)差值場(chǎng)，(g)ECMWF渦旋場(chǎng)，(h)GFS渦旋場(chǎng)，(i)重建初始場(chǎng)與GFS全風(fēng)場(chǎng)差值場(chǎng)(矢量：風(fēng)場(chǎng)，單位：m·s-1；填色：風(fēng)速；黑點(diǎn)為觀測(cè)到的臺(tái)風(fēng)中心位置：24.4°N、125°E)Fig.4 (a) Full wind field of ECMWF, (b) full wind field of GFS, (c) reconstructed initial field, (d) large-scale ambient field of ECMWF, (e) large-scale ambient field of GFS, (f) difference between reconstructed initial field and full wind field of ECMWF, (g) vortex field of ECMWF, (h) vortex field of GFS and (i) difference between reconstructed initial field and full wind field of GFS at 850 hPa for Typhoon Likema at 1200 UTC 8 August 2019[vector: wind field, unit: m·s-1; colored: wind speed; black dot: typhoon center (24.4°N， 125°E)]

2.2 模式介紹和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 模式介紹

浙江省中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)框架(ZJWARMS)采用WRF 3.7.1為預(yù)報(bào)模式，選用單層嵌套，區(qū)域大致范圍為10°～55°N、80°～130°E，水平分辨率為9 km，垂直層數(shù)為51層。模式使用的物理過(guò)程包括：微物理方案采用WSM 6-Class方案(Hong et al,2004)，陸面過(guò)程使用Noah方案(Chen and Dudhia,2001)，行星邊界層采用Yonsei University(YSU)參數(shù)化方案(Hong and Pan,1996)，表面層使用基于Monin-Obukhov的MM5相似理論(Jiménez et al,2012)，長(zhǎng)波、短波輻射選用RRTMG快速輻射傳輸方案(Iacono et al,2008)，不采用積云參數(shù)化方案。

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探討臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建對(duì)路徑、強(qiáng)度預(yù)報(bào)的影響，對(duì)本文研究的14個(gè)臺(tái)風(fēng)，開(kāi)展如下三組回報(bào)試驗(yàn)：(1)TESTEC：利用ECMWF模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)提供初、邊界條件，驅(qū)動(dòng)ZJWARMS；(2)TESTGFS：利用GFS模式預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)提供初、邊界條件，驅(qū)動(dòng)ZJWARMS；(3)TESTCOM：利用重建的14個(gè)臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)，結(jié)合ECMWF模式預(yù)報(bào)場(chǎng)作為邊界條件，驅(qū)動(dòng)ZJWARMS。

3 結(jié)果分析

3.1 臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建對(duì)路徑、強(qiáng)度的影響

選用海平面最低氣壓進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)的定位，選用中心最低海平面氣壓和近中心最大風(fēng)速分別進(jìn)行定強(qiáng)，對(duì)三組試驗(yàn)開(kāi)展臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)評(píng)估。從路徑上來(lái)看，對(duì)比近4年14個(gè)影響浙江臺(tái)風(fēng)的逐6 h預(yù)報(bào)累計(jì)誤差，有64.3%(9個(gè))的個(gè)例，TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑優(yōu)于TESTGFS試驗(yàn)，另有57.1%(8個(gè))的個(gè)例，TESTCOM試驗(yàn)優(yōu)于TESTEC試驗(yàn)。圖5給出了三組試驗(yàn)對(duì)14個(gè)臺(tái)風(fēng)0～72 h路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的誤差散點(diǎn)分布及平均誤差分析。由圖5a、5d和5g可知，經(jīng)過(guò)渦旋重定位后，TESTCOM試驗(yàn)在初始時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)中心位置基本和實(shí)況一致，在24 h以后TESTCOM試驗(yàn)的路徑預(yù)報(bào)較TESTGFS試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始體現(xiàn)，尤其是在第60～72小時(shí)的預(yù)報(bào)明顯占優(yōu)，平均誤差減少65.3 km，標(biāo)準(zhǔn)差降低72.5 km。三組試驗(yàn)(TESTEC、TESTGFS和TESTCOM)所有預(yù)報(bào)時(shí)刻平均的路徑誤差分別為122、148和127 km，標(biāo)準(zhǔn)差分別為141.9、177.1和150.5 km?？梢?jiàn)，TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)路徑平均誤差較TESTGFS試驗(yàn)減少21 km，平均標(biāo)準(zhǔn)差較TESTGFS試驗(yàn)降低26.6 km。14個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例的誤差散點(diǎn)分布進(jìn)一步表明(圖5a)，對(duì)TESTGFS試驗(yàn)路徑預(yù)報(bào)誤差較大的臺(tái)風(fēng)個(gè)例，TESTCOM試驗(yàn)得到有效改進(jìn)。從強(qiáng)度預(yù)報(bào)累計(jì)絕對(duì)誤差來(lái)看，有78.6%(11個(gè))的個(gè)例，TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)的近中心最大風(fēng)速較TESTEC試驗(yàn)有改進(jìn)，另有50%(7個(gè))的個(gè)例，TESTCOM試驗(yàn)較TESTGFS試驗(yàn)有改進(jìn)；有64.3%(9個(gè))的個(gè)例，TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)的中心最低海平面氣壓累計(jì)絕對(duì)誤差小于TESTEC試驗(yàn)，另有50%(7個(gè))的個(gè)例，TESTCOM試驗(yàn)小于TESTGFS試驗(yàn)。由圖5b、5e和5h可知，經(jīng)過(guò)最大風(fēng)速調(diào)整后，TESTCOM試驗(yàn)初始時(shí)刻的近中心最大風(fēng)速誤差接近于0。除個(gè)別時(shí)刻外，TESTCOM試驗(yàn)的平均誤差、絕對(duì)誤差和誤差離散度均明顯小于TESTEC試驗(yàn)，尤其在第0～18小時(shí)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)，TESTCOM試驗(yàn)絕對(duì)誤差改進(jìn)4 m·s-1以上，標(biāo)準(zhǔn)差改進(jìn)6 m·s-1以上。進(jìn)一步計(jì)算得到，所有預(yù)報(bào)時(shí)刻平均的TESTEC、TESTGFS和TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)近中心最大風(fēng)速平均絕對(duì)誤差分別為7.2、5.6和5.5 m·s-1，平均標(biāo)準(zhǔn)差分別為9.5、7.7和7.2 m·s-1。可見(jiàn)，TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)近中心最大風(fēng)速平均絕對(duì)誤差較TESTEC試驗(yàn)減少1.7 m·s-1，平均標(biāo)準(zhǔn)差較TESTEC試驗(yàn)降低2.3 m·s-1。從中心最低海平面氣壓來(lái)看(圖5c、5f和5i)，TES- TCOM試驗(yàn)0～72 h預(yù)報(bào)較TESTEC試驗(yàn)更接近實(shí)況，預(yù)報(bào)更穩(wěn)定。平均來(lái)看， TESTEC、TESTGFS和TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)最低氣壓平均絕對(duì)誤差分別為12.3、10.5和10.6 hPa，平均標(biāo)準(zhǔn)差分別為16.9、14.1和14.1 hPa。計(jì)算得到，TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)中心最低海平面氣壓平均絕對(duì)誤差較TESTEC試驗(yàn)減少1.7 hPa，平均標(biāo)準(zhǔn)差較TESTEC試驗(yàn)降低2.8 hPa。14個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例的誤差散點(diǎn)分布進(jìn)一步表明(圖5b和5c)，對(duì)TESTEC試驗(yàn)強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差較大的臺(tái)風(fēng)個(gè)例，TESTCOM試驗(yàn)得到有效改進(jìn)。

圖5 研究時(shí)段內(nèi)14個(gè)臺(tái)風(fēng)的三組試驗(yàn)預(yù)報(bào)的0～72 h的(a，d，g)臺(tái)風(fēng)路徑、(b，e，h)近中心最大風(fēng)速及(c，f，i)中心最低海平面氣壓的(a，b，c)誤差散點(diǎn)分布及其平均誤差、(d，e，f)平均絕對(duì)誤差和(g,h,i)平均標(biāo)準(zhǔn)差Fig.5 (a, b, c) The scatter plots of errors with average values, (d, e, f) average absolute errors and (g, h, i) average standard deviations of (a, d, g) typhoon tracks, (b, e, h) maximum wind speed near typhoon centers and (c, f, i) minimum sea level pressure in typhoon centers with 0-72 h forecast lead time of three experiments of 14 typhoons during the study period

上述結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)初始場(chǎng)重建的TESTCOM試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力與TESTEC試驗(yàn)相當(dāng)，較TESTGFS試驗(yàn)有了較大改進(jìn)；TESTCOM試驗(yàn)的強(qiáng)度預(yù)報(bào)能力與TESTGFS試驗(yàn)相當(dāng)，較TESTEC試驗(yàn)有明顯優(yōu)勢(shì)。可見(jiàn)，重建臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)后的模式預(yù)報(bào)結(jié)果兼顧了ECMWF模式的路徑預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)以及GFS模式的強(qiáng)度預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)，有效改進(jìn)了臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)，本文提出的初始場(chǎng)重建方案可投入實(shí)際業(yè)務(wù)使用。

3.2 臺(tái)風(fēng)利奇馬個(gè)例分析

繼續(xù)以臺(tái)風(fēng)利奇馬2019年8月8日12時(shí)起報(bào)的三組試驗(yàn)結(jié)果為例，進(jìn)一步探討不同初始化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的影響。從路徑誤差來(lái)看(圖6a)，經(jīng)過(guò)初始場(chǎng)重建的模式預(yù)報(bào)路徑與實(shí)況最為接近，尤其是對(duì)48～72 h的預(yù)報(bào)結(jié)果，TESTCOM試驗(yàn)改進(jìn)最為顯著，平均預(yù)報(bào)誤差較TESTGFS試驗(yàn)降低200 km 以上。由強(qiáng)度誤差可知(圖6b和6c)，TESTCOM試驗(yàn)較TESTEC試驗(yàn)占優(yōu)，尤其對(duì)0～33 h的預(yù)報(bào)改進(jìn)較明顯，TESTCOM試驗(yàn)最大風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差較TESTEC試驗(yàn)平均降低9 m·s-1左右，最低氣壓預(yù)報(bào)誤差較TESTEC試驗(yàn)平均降低12 hPa左右?？偟膩?lái)說(shuō)，臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建技術(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)利奇馬的路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)具有顯著的正效應(yīng)。

圖6 三組試驗(yàn)預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)利奇馬0～72 h的(a)路徑、(b)近中心最大風(fēng)速及(c)中心最低海平面氣壓的誤差Fig.6 The errors of (a) typhoon tracks, (b) maximum wind speed near typhoon centers and (c) the minimum sea level pressure in the center with 0-72 h forecast lead time of three experiments for Typhoon Likema

本文擬從三組試驗(yàn)預(yù)報(bào)的大氣環(huán)流特征來(lái)分析初始場(chǎng)重建后的模式預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)路徑占優(yōu)的原因。利用NCEP/NCAR FNL(每日4次，水平分辨率為1°×1°)再分析資料作為實(shí)況。從8日12時(shí)的大氣環(huán)流分布來(lái)看(圖略)，三組試驗(yàn)初始時(shí)刻500 hPa等壓面中緯度是兩槽兩脊的形勢(shì)，西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱(chēng)副高)588 dagpm等值線西伸脊點(diǎn)位置位于33°N、124°E附近，與再分析資料得到的結(jié)果基本一致。從10日00時(shí)(模式起報(bào)后36 h)再分析資料的結(jié)果來(lái)看(圖7a)，副高西伸脊點(diǎn)位置較8日12時(shí)有所東退北抬，脊點(diǎn)位于36°N、128°E附近，TESTEC和TESTCOM兩組試驗(yàn)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出了副高的位置變化(圖7b，7d)，588 dagpm等值線西伸脊點(diǎn)與圖7d所示的位置接近，但圖7c表明，TESTGFS試驗(yàn)預(yù)報(bào)副高整體偏弱，副高西伸脊點(diǎn)大幅東撤至135°E以東，正是從該時(shí)刻開(kāi)始，TESTGFS試驗(yàn)的路徑誤差逐漸加大，而TESTEC和TESTCOM試驗(yàn)的誤差相對(duì)較小。可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)初始場(chǎng)重建的中尺度模式預(yù)報(bào)對(duì)環(huán)流形勢(shì)把握較好。

圖7 2019年8月10日00時(shí)500 hPa 位勢(shì)高度(單位：dagpm)(a)再分析場(chǎng)，(b)TESTEC試驗(yàn)預(yù)報(bào)場(chǎng)與分析場(chǎng)差值，(c)TESTGFS試驗(yàn)預(yù)報(bào)場(chǎng)與分析場(chǎng)差值，(d)TESTCOM試驗(yàn)預(yù)報(bào)場(chǎng)與分析場(chǎng)差值(圖7a中，黑色加粗線為副高標(biāo)志線588 dagpm線；紅色加粗線為臺(tái)風(fēng)標(biāo)志線570 dagpm線；黑點(diǎn)為臺(tái)風(fēng)中心位置) Fig.7 The 500 hPa geopotential height (unit: dagpm) at 0000 UTC 10 August 2019 (a) reanalysis field, (b) difference between TESTEC forecast field and the reanalysis field, (c) difference between TESTGFS forecast field and the reanalysis field, (d) difference between TESTCOM forecast field and the reanalysis field [Balck bold line (588 dagpm) represents the mark line of the western Pacific subtropical high in Fig.7a; red bold line (570 dagpm) and black dot indicate the mark line and the center of typhoon respectively]

為分析初始化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的影響，給出三組試驗(yàn)第0小時(shí)、第6小時(shí)、和第12小時(shí)預(yù)報(bào)的沿臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)速和溫度距平垂直剖面(溫度距平為當(dāng)前格點(diǎn)溫度值與同一高度層臺(tái)風(fēng)環(huán)流區(qū)域平均溫度值之差，圖8)。由圖8a～8c可知，經(jīng)過(guò)初始場(chǎng)重建的TESTCOM試驗(yàn)初始時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)近中心最大風(fēng)速為57.4 m·s-1，大風(fēng)速區(qū)在垂直方向深厚發(fā)展，較TESTGFS試驗(yàn)(45.8 m·s-1)和TSETEC試驗(yàn)(38.8 m·s-1)，風(fēng)速得到明顯增強(qiáng)。此外，三組試驗(yàn)在初始時(shí)刻臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)的溫度距平數(shù)值相當(dāng)，都達(dá)到了10 K。從第6小時(shí)的預(yù)報(bào)結(jié)果看(圖8d～8f)，TESTCOM試驗(yàn)的最大風(fēng)速(43.3 m·s-1)及暖心結(jié)構(gòu)(9.6 K)預(yù)報(bào)結(jié)果較TESTEC試驗(yàn)(35.1 m·s-1和8.8 K)要強(qiáng)，與TESTGFS試驗(yàn)(45.6 m·s-1和9.4 K)接近。再對(duì)第12小時(shí)的結(jié)果進(jìn)行分析(圖8g～8i)，TESTCOM試驗(yàn)的最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)速預(yù)報(bào)降至42.2 m·s-1，溫度距平為8.1 K，同時(shí)TESTGFS試驗(yàn)為41.1 m·s-1和8.2 K，TESTEC試驗(yàn)為32.1 m·s-1和6.6 K，TEST- COM試驗(yàn)的預(yù)報(bào)結(jié)果仍占優(yōu)。上述分析可知，模式預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，TESTCOM試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)較TESTEC試驗(yàn)有了明顯改進(jìn)，這與暖心結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)的改進(jìn)相匹配。從12 h以后的預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)看(圖略)，TESTCOM試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)較TESTEC試驗(yàn)仍有明顯優(yōu)勢(shì)，與TESTGFS試驗(yàn)水平相當(dāng)?？梢?jiàn)，初始場(chǎng)重建后的模式預(yù)報(bào)對(duì)臺(tái)風(fēng)垂向風(fēng)場(chǎng)和暖心結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)把握較好。

圖8 (a，d，g)TESTEC、(b，e，h)TESTGFS和(c，f，i)TESTCOM試驗(yàn)2019年8月8日12時(shí)起報(bào)的(a，b，c)第0小時(shí)、(d，e，f)第6小時(shí)、(g，h，i)第12小時(shí)沿臺(tái)風(fēng)中心的風(fēng)速(填色)與溫度距平(等值線，單位：K)的緯向垂直剖面Fig.8 Zonal vertical cross-sections along wind speed (colored) of typhoon center and temperature anomalies (isoline, unit: K) of (a, d, g) TESTEC, (b, e, h) TESTGFS and (c, f, i) TESTCOM initialized at 1200 UTC 8 August 2019(a, b, c) 0 h forecast, (d, e, f) 6 h forecast, (g, h, i) 12 h forecast

4 結(jié)論與討論

為提升區(qū)域中尺度數(shù)值模式臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)性能，本文基于ECMWF和GFS兩個(gè)全球模式對(duì)2016—2019年影響浙江臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的評(píng)估結(jié)果，提出了一種新的臺(tái)風(fēng)初始化方案，并開(kāi)展了在14個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例回報(bào)試驗(yàn)中的應(yīng)用和評(píng)估，主要結(jié)論如下：

(1)ECMWF模式對(duì)影響浙江臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)總體優(yōu)于GFS模式，而GFS模式對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)更具優(yōu)勢(shì)。

(2)基于ECMWF和GFS分析場(chǎng)及洋面臺(tái)風(fēng)觀測(cè)資料，利用臺(tái)風(fēng)渦旋分離、渦旋重定位以及最大風(fēng)速調(diào)整等方法研制了可吸收各模式優(yōu)勢(shì)的臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建技術(shù)。

(3)臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)重建技術(shù)在浙江省中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的應(yīng)用表明，經(jīng)過(guò)初始化處理過(guò)的模式預(yù)報(bào)結(jié)果兼顧了ECMWF模式的路徑預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)和GFS模式的強(qiáng)度預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)，有效改進(jìn)了臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能。相較于GFS模式驅(qū)動(dòng)的中尺度模式預(yù)報(bào)結(jié)果，新方法的模式路徑預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差減少21 km，標(biāo)準(zhǔn)差降低26.6 km。相較于ECMWF模式驅(qū)動(dòng)的中尺度模式預(yù)報(bào)結(jié)果，新方法的模式強(qiáng)度預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差減少1.7 m·s-1，標(biāo)準(zhǔn)差降低2.3 m·s-1。對(duì)典型個(gè)例超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)利奇馬進(jìn)一步分析表明初始場(chǎng)重建技術(shù)對(duì)大氣環(huán)流特征和臺(tái)風(fēng)暖心結(jié)構(gòu)模擬均有較好的修正能力。

經(jīng)過(guò)對(duì)14個(gè)影響浙江的臺(tái)風(fēng)個(gè)例的業(yè)務(wù)試驗(yàn)表明，本方法在實(shí)際業(yè)務(wù)中具有較強(qiáng)的實(shí)踐可行性，對(duì)提高臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)有較好作用。誠(chéng)然，本方案還存在一定的不足，首先，初始化方案依賴(lài)于ECMWF模式路徑預(yù)報(bào)優(yōu)于GFS模式，GFS模式強(qiáng)度預(yù)報(bào)優(yōu)于ECMWF模式這一檢驗(yàn)結(jié)論，因此對(duì)于不支持該結(jié)論的臺(tái)風(fēng)個(gè)例預(yù)報(bào)，進(jìn)行初始場(chǎng)重建后預(yù)報(bào)效果可能會(huì)更差，今后在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中可以考慮在初始場(chǎng)重建之前對(duì)模式資料進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，且模式資料不局限于ECMWF和GFS全球模式資料，也可以利用如區(qū)域模式自身的預(yù)報(bào)資料，動(dòng)態(tài)選擇適合該臺(tái)風(fēng)個(gè)例的模式資料進(jìn)行融合。其次，本方案僅對(duì)渦旋場(chǎng)的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，并未考慮調(diào)整后對(duì)其他要素場(chǎng)的影響，重建的初始場(chǎng)可能會(huì)造成動(dòng)力-物理過(guò)程相互不協(xié)調(diào)。下一步，我們將進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的改進(jìn)研究，借鑒考慮模式動(dòng)力和熱力平衡、多種地形條件影響等臺(tái)風(fēng)動(dòng)力初始化方案(許曉林等，2019；Cha and Wang,2013;Liu et al,2018)，改進(jìn)臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。