数值模式的热带气旋强度预报订正及其集成应用

提供热带气旋强度预报产品的业务数值天气预报模式有很多,并已表现出一定的预报技巧,为提高对模式热带气旋强度预报产品的定量应用能力,分析2010—2012年7个业务数值模式的西北太平洋热带气旋强度预报,发现预报误差不仅受到模式热带气旋初始强度误差的显著影响,还与热带气旋及其所处环境的初始状况有密切关系,包括热带气旋初始强度、尺度、移速、环境气压、环境风切变、热带气旋发展潜势等。根据这些因子与各模式热带气旋强度预报误差之间的相关性,采用逐步回归方法建立热带气旋强度预报误差的统计预估模型,并通过逐个热带气旋滚动式建模来进行独立样本检验。检验结果表明,基于误差预估的模式订正预报比模式直接输出的热带气旋强度预报有显著改进,在此基础上建立的热带气旋强度多模式集成预报方案相对气候持续性预报方法在12 h有28%的正技巧,在24—72 h则稳定在15%—20%,具有业务参考价值。     

2011年西北太平洋热带气旋预报精度评定

本文对2011年西北太平洋热带气旋(TC)业务定位和预报精度进行评定,内容包括TC定位、确定性路径和强度预报以及路径集合预报。结果表明:业务定位总平均误差为24.9 km;国内各综合预报方法24、48和72 h的总体平均距离误差分别为112.6、209.7和333.6 km;国内各业务数值模式24、48和72 h预报的总体平均距离误差分别为121.4、220.1和380.5 km,均比2010年有所减小,但各模式的强度预报能力仍不如客观预报方法。对7个集合预报系统的TC路径预报能力进行评估,发现ECMWF集合预报系统的整体表现最好,其次是NCEP集合预报系统,这两个系统在某些时效的集合平均预报接近或超过综合预报水平。国家气象中心集合预报系统处中游水平。     

2009年西北太平洋热带气旋定位和业务预报精度评定

依据《台风业务和服务规定》分析2009年热带气旋(TC)业务定位和业务预报精度,主要包括:6个方法的定位精度,12个综合预报方法、3个客观预报方法和6个数值预报方法的路径预报精度,以及4个方法的强度(近中心最大风速,下同)预报精度评定。结果表明:各方法的平均定位误差均小于21 km,平均17.1 km,较2008年有所改进。国内综合预报方法的24小时、48小时和72小时路径预报的平均距离误差分别为115.8 km、217.5 km和357.1 km,与2008年相比有所偏大;客观预报方法略优于综合预报方法,24小时和48小时预报的平均距离误差分别为113.0 km和211.4 km;4个官方综合预报方法比较发现,中央气象台对我国近海海域的TC路径预报具有明显优势。强度预报仍然以统计方法为主,2009年24小时和48小时近中心最大风速预报的平均误差分别为4.90 m·s~(-1)和7.43 m·s~(-1),相比近10年的平均水平,预报性能没有明显提高。     

改进的热带气旋路径模糊概率预报方法试验总结

用改进的热带气旋路径模糊概率预报方法对1998－2000年进入预报区并达到起报条件的13个热带气旋作了47次预报试验，24h平均误差为116．8km，48h平均误差为281．0km。其中模糊概率大于70％的共有8次，24h平均误差为87．9km，48h平均误差为207．6km，均明显小于总平均误差，达到概率越大误差越小的理想效果。同时试验表明方法对路径发生明显转折的热带气旋有较好的预报能力。     

2007年国内台风模式路径预报效果评估

使用中央气象台提供的台风中心定位报文资料、国内台风业务预报部门提供的台风模式路径预报报文资料和台风所气候持续性方法路径预报报文资料等,对2007年中央气象台编号的热带气旋对国内5种台风业务数值预报模式的路径预报效果进行了检验评估,检验内容主要包括距离误差、技巧评分和稳定度指标等.结果表明:(1)国内各模式24h/48h预报平均距离误差最小值为122.8km/246.3km,最大值为180.7km/304.4km.各模式24h/48h预报最大误差为1429.7km/1003.7km, 最小误差为11.2km/10.1km.24h/48h预报平均距离误差为147km/267km.平均而言,导致路径预报误差最大的是0707号热带气旋帕布,误差在其登陆后尤为明显.(2)相对于上海台风研究所路径预报气候持续法做了各种数值预报方法的技巧评分:各模式24h/48h预报平均技巧评分为32%/43%,最高的技巧评分为48%/54%, 最低的技巧评分为3.17%/33.53%.其中4个模式的24h/48h技巧评分高于36%/33%.(3)检验了距离稳定度、方向稳定度、有效稳定度等指标,以全面评估各模式的路径预报性能.该评估结果在一定程度上反映了当前国内台风路径数值预报相对于常用气候统计方法的优越性,同时也表明,尽管国内台风数值预报模式对于热带气旋在海上时的路径预报有一定的稳定性,但对热带气旋登陆后转向过程的预报表现出了较大误差.因此,在模式开发的下一步工作中,除台风初始化之外,还应结合登陆台风的特点,对边界层和陆面过程参数化等作针对性的研究.     

热带气旋路径数值模式业务试验性能分析

在中国气象局数值预报创新基地开发的GRAPES基础上,建立了热带气旋路径预报系统(GRAPES-TCM)。并对2002、2003年热带气旋进行了一系列时间为48 h的路径后报试验,对2004年的热带气旋路径进行准业务预报。针对热带气旋路径预报的分析表明,GRAPES-TCM对热带气旋路径具有良好的预报能力。比较了2004年GRAPES-TCM准业务预报同北京数值预报和日本数值预报的结果,GRAPES-TCM的预报结果比北京的好,与日本数值预报相比仍有较大的差距。GRAPES-TCM计算的总的热带气旋24、48 h平均距离误差大约为150、250 km。GRAPES-TCM计算的热带气旋路径的平均距离误差随着其初始强度的增强而减小,台风级的热带气旋路径的24 h平均距离误差仅为111 km,48 h平均距离误差也在210 km左右,与此同时,预报的强热带风暴的24和48 h平均距离误差则为166.6和242.6 km。GRAPES-TCM后报的"突然转向"和"突然变速"热带气旋的平均距离误差24 h达到280 km,48 h则在300 km左右,超过其总的平均距离误差。对于"回旋"路径的热带气旋也有一定的预报能力。对不同分辨率的对比试验结果表明,提高GRAPES-TCM的分辨率可为稍长时间的热带气旋路径预报提供更为可靠的结果,2004年的热带气旋路径预报的48 h平均距离误差不到200 km。     

基于ECMWF海平面气压场的热带气旋路径预报效果检验

将三次样条插值方法应用到欧洲中心(ECMWF)海平面气压场(24～120 h)进行热带气旋(TC)中心定位定强和误差计算,并与同期美国联合台风警报中心(JTWC)、日本气象厅(JMA)和中国中央气象台(CMO)综合预报进行路径误差对比分析。结果表明:72 h以内预报以JTWC表现最好,其次是JMA的综合预报,ECMWF客观预报最差,但ECMWF对于96 h和120 h的热带气旋(TC)中期路径趋势比JTWC综合预报有更好的参考价值。ECMWF对24～120 h TC中心定强偏高15～20 hPa。分别统计08时和20时TC路径预报误差发现,24 h和48 h二者没有差异,而72～120 h 20时预报水平好于08时。     

多种扰动组合的热带气旋路径集合预报技术研究北大核心CSCD

基于GRAPES-TCM开展多种扰动组合的热带气旋路径集合预报技术研究,将LAF和BGM方法结合起来构建集合初始小扰动,即采用LAF引入最初的小扰动,并考虑不同物理过程的组合,同时利用BGM法分别对热带气旋涡旋场和环境场进行扰动,构造集合成员,对热带气旋进行72 h预报。对2008年西北太平洋16个热带气旋进行预报试验,结果表明,24,48和72 h的集合平均预报误差分别为231.48,386.40和632.03 km。随着预报时效的延长,预报误差和集合离散度均有所增加,散点分布也随之扩展,离散度与平均误差的比值>1的样本所占比例由24 h的53.8%逐渐下降至72 h的41.8%。多数样本的预报误差与离散度之间存在较好的相关关系,但也有少量样本出现小预报误差大离散度或大预报误差小离散度的情况。此外,针对不同的热带气旋或热带气旋不同的预报时段,集合预报和确定性预报各有优劣。整体来看,集合预报的预报性能相当于或优于确定性预报的比率约为66.2%。集合预报的样本数在预报中后期较确定性预报明显增多,反映出随着积分时间的延长,集合预报的适用性和优势性得到显现。集合预报中出现的小概率事件不容忽视,应当意识到这种预报的不确定性和小概率事件出现的可能性及相应的结果。     

2013年欧洲中心台风集合预报的检验

广州中心气象台利用中国气象局下发的欧洲中心台风集合预报数据,制作了台风集合预报产品,供业务参考应用。利用欧洲中心台风集合预报数据,对2013年1307—1331号热带气旋的集合预报路径和强度进行检验,通过对比集合平均、模式高分辨率确定性预报和预报员主观预报,发现路径集合平均在24~120 h预报误差最小;在有限的预报样本数中,从热带风暴到台风级别的热带气旋,各预报时效路径集合平均的误差随强度增强而减小;强引导气流背景下的热带气旋预报误差小于弱引导气流的误差。对比强度集合平均和模式高分辨率确定性预报,发现各时效集合平均的误差比确定性预报大,随着预报时效的延长误差没有明显增大或减小的趋势,而且强度集合平均预报,在中心最低气压、中心最大风速、热带气旋等级都表现出明显的系统性偏弱特征;对不同级别的热带气旋强度预报,集合平均的误差随强度增强而增大,即强度集合预报对强度较弱的热带气旋有更高的准确率;对比受强、弱引导气流影响的两类热带气旋,集合平均对受弱引导气流影响的一类预报误差更小。     

多种扰动组合的热带气旋路径集合预报技术研究

基于GRAPES-TCM开展多种扰动组合的热带气旋路径集合预报技术研究,将LAF和BGM方法结合起来构建集合初始小扰动,即采用LAF引入最初的小扰动,并考虑不同物理过程的组合,同时利用BGM法分别对热带气旋涡旋场和环境场进行扰动,构造集合成员,对热带气旋进行72 h预报。对2008年西北太平洋16个热带气旋进行预报试验,结果表明,24,48和72 h的集合平均预报误差分别为231.48,386.40和632.03 km。随着预报时效的延长,预报误差和集合离散度均有所增加,散点分布也随之扩展,离散度与平均误差的比值1的样本所占比例由24 h的53.8%逐渐下降至72 h的41.8%。多数样本的预报误差与离散度之间存在较好的相关关系,但也有少量样本出现小预报误差大离散度或大预报误差小离散度的情况。此外,针对不同的热带气旋或热带气旋不同的预报时段,集合预报和确定性预报各有优劣。整体来看,集合预报的预报性能相当于或优于确定性预报的比率约为66.2%。集合预报的样本数在预报中后期较确定性预报明显增多,反映出随着积分时间的延长,集合预报的适用性和优势性得到显现。集合预报中出现的小概率事件不容忽视,应当意识到这种预报的不确定性和小概率事件出现的可能性及相应的结果。     

OPERATIONAL ENSEMBLE FORECASTING AND ANALYSIS OF TROPICAL CYCLONES OVER THE WESTERN NORTH PACIFIC (INCLUDING THE SOUTH CHINA SEA)

Based on the tropical cyclone data from the Central Meteorological Observatory of China, Japan Meteorological Agency, Joint Typhoon Warning Center and European Centre for Medium-Range Weather Forecasts （ECMWF） during the period of 2004 to 2009, three consensus methods are used in tropical cyclone （TC） track forecasts. Operational consensus results show that the objective forecasts of ECMWF help to improve consensus skill by 2%, 3%-5% and 3%-5%, decrease track bias by 2.5 kin, 6-9 km and 10-12 km for the 24 h, 48 h and 72 h forecasts respectively over the years of 2007 to 2009. Analysis also indicates that consensus forecasts hold positive skills relative to each member. The multivariate regression composite is a method that shows relatively low skill, while the methods of arithmetic averaging and composite （in which the weighting coefficient is the reciprocal square of mean error of members） have almost comparable skills among members. Consensus forecast for a lead time of 96 h has negative skill relative to the ECMWF objective forecast.     

台风路径数值预报实时订正技术及其集成应用

以台风路径数值预报的短时效预报偏差和目标时效（指所需订正的时效）的纬度预报为预报因子,采用多元线性回归方法建立了台风路径预报的偏差预估方程,继而对台风路径预报进行实时订正。本文以12 h为短时效,通过对欧洲中期天气预报中心确定性预报模式（ECMWF-IFS）和集合预报模式（ECMWF-EPS）的台风路径预报的应用,得到以下结论:2018年试报结果表明,24 h、36 h、48 h、60 h、72 h、84 h订正后的ECMWF-IFS台风路径预报的平均距离误差分别比订正前减小了7.3 km、9.3 km、8.9 km、6.5 km、6.9 km、2.6 km,总体来说较强台风（指12 h的台风强度实况≥32.7 m s?1）路径预报的订正效果更好。尝试了先对ECMWF-EPS各成员的台风路径预报进行订正,再进行集成预报,并对比了以下5种方式得到的台风路径预报:“订正后的确定性预报”、“所有集合预报成员集合平均”、“优选集合预报成员集合平均”、“所有集合预报成员先订正再集合平均”和“优选集合预报成员先订正再集合平均”,2018年试报结果表明,对于平均距离误差,24 h和36 h“优选集合预报成员先订正再集合平均”最小,48 h和60 h“所有集合预报成员先订正再集合平均”最小,72 h和84 h“优选集合预报成员集合平均”最小,如果在业务中有针对性地进行应用,有望获得一个在各预报时效表现都较优异的台风路径客观综合预报结果。24 h、36 h、48 h、60 h“优选集合预报成员先订正再集合平均”的平均距离误差分别比“所有集合预报成员集合平均”减小了13.3 km、11.7 km、10.0 km、7.6 km,比中央气象台官方预报（对应的时效为12 h、24 h、36 h、48 h）减小了0.7 km、2.0 km、3.9 km、2.4 km。     

2010年西北太平洋台风预报精度评定及分析

按照《台风业务和服务规定》的相关要求,本文对2010年中央气象台编号的14个台风（即1001～1014号西北太平洋热带气旋,以下统称为台风）的业务定位和业务预报精度进行了评定。评定结果表明：国内各家综合预报24h,48h和72h平均距离误差分别为110.0 km（1392次）、210.6 km（945次）和322.4 km（364次）,比2009年相应预报时效有一定减小。国内外各家数值模式同样本比较显示：欧洲中心数值模式（ECMWF）在不同时效路径预报中均表现最好,日本数值模式（JAPN）表现其次。相对于国内各家数值模式,上述两家国外模式的路径预报表现出一定优势。进一步分析发现我国各数值模式与ECMWF模式更大的路径预报水平差距是由于台风移动方向预报差距,而台风移动速度预报相对较好;而日本数值与ECMWF模式的差距更主要的体现在移动速度方面。我国各家模式与ECMWF数值模式初始时效（12 h和24 h）的预报差距比后续预报时效（36 h和48 h）大。随着预报时效延长,国内数值模式与ECMWF模式的预报差距逐步减小。     

T213与T639模式热带气旋预报误差对比

应用国家气象中心全球谱模式T213L31(简称T213) 及其升级版本T639L60(简称T639) 对2009—2010年西北太平洋热带气旋数值预报的结果进行对比。结果表明:T213与T639模式24～120 h预报平均距离误差基本相近,但由于T639模式分辨率较高,T639模式的热带气旋强度预报明显好于T213模式。从分类误差来看,T639模式对于西北行登陆及转向热带气旋的路径预报好于T213模式,但对西行及北上热带气旋预报误差偏大。对于异常路径热带气旋预报,T639模式能较好预报环流形势的突然调整,对路径突变的热带气旋预报比T213模式有明显优势;从登陆类热带气旋预报的移向误差来看,T213模式存在东北偏北向系统性偏差,T639模式存在东北偏东向系统性偏差。     

两个集合预报系统对秦岭及周边降水预报性能对比

利用欧洲中期天气预报中心 (ECMWF)、美国大气环境预报中心 (NCEP) 集合预报系统 (EPS) 降水量预报资料,CMORPH (NOAA Climate Prediction Center Morphing Method) 卫星与全国3万个自动气象站降水量融合资料,基于技巧评分、ROC (relative operating characteristic) 分析等方法,对比两个集合预报系统对秦岭及周边地区的降水预报性能。结果表明:两个系统均能较好表现降水量的空间形态,对于不同量级降水,ECMWF集合预报系统0~240 h控制及扰动预报优于NCEP集合预报系统,但NCEP集合预报系统264~360 h预报时效整体表现更好; ECMWF集合预报系统0~120 h大雨集合平均优于NCEP集合预报系统,两个系统集合平均的预报技巧整体低于其控制及扰动成员预报,这种现象ECMWF集合预报系统表现更为显著; ECMWF集合预报系统降水预报概率优于NCEP集合预报系统。ROC分析显示,随着预报概率的增大,ECMWF集合预报系统在命中率略微下降的情况下,显著减小了空报率,NCEP集合预报系统则表现出高空报、高命中率。     

垂直分层加密和预报区域扩大对GRAPES_TYM台风预报的影响

为提升GRAPES_TYM对西北太平洋和中国南海热带气旋路径及强度的预报能力、增加对北印度洋热带气旋的预报,2019年8月GRAPES_TYM 3.0版投入业务运行。GRAPES_TYM 3.0版的模式垂直分层由GRAPES_TYM 2.2版的50层增加到68层;预报区域由覆盖西北太平洋、中国南海扩展到覆盖北印度洋。试验结果显示:模式垂直分层增加可以改进模式对强台风及超强台风的预报能力,减小平均路径预报误差、显著减小平均强度预报误差以及强度预报负偏差;模式预报区域扩大到覆盖北印度洋对平均路径误差和平均强度误差影响不显著,但长时效预报比较敏感,如20°N以北热带气旋120 h预报路径。2016—2018年的回算结果与NCEP-GFS和ECMWF的预报结果对比分析表明:GRAPES_TYM 3.0版的平均路径误差与NCEP-GFS接近,同ECMWF相比误差较大;但24—96 h强度预报误差明显小于NCEP-GFS和ECMWF,NCEP-GFS和ECMWF对热带气旋强度预报存在明显的负偏差。综上所述,模式垂直分层由50层增加到68层对热带气旋强度预报至关重要,而长时效路径预报对模式预报区域扩大到覆盖北印度洋更为敏感。      

2009年夏季西太平洋台风路径和强度的多模式集成预报

基于TIGGE资料中的中国气象局、欧洲中期天气预报中心、日本气象厅和英国气象局等四个中心的2009年5月1日-8月31日台风预报资料,利用多模式集合平均、消除偏差集合平均和加权消除偏差集合平均等方法,对2009年8月1-31日预报期的西太平洋的台风路径和强度(中心气压)进行24～ 72 h预报时效的多模式集成预报,并对0907号台风“天鹅”和0908号台风“莫拉克”进行个例分析.结果表明:各中心对于不同时效的预报,预报技巧有明显差异.消除偏差集合平均与加权消除偏差集合平均显著地减小了预报误差,预报效果优于最好的单个中心预报和多模式集合平均.对于24 ～ 72 h预报,加权消除偏差集合平均方法始终表现出最好的预报性能.     

Evaluation of a Regional Ensemble Data Assimilation System for Typhoon Prediction

An ensemble Kalman filter (EnKF) combined with the Advanced Research Weather Research and Forecasting model (WRF) is cycled and evaluated for western North Pacific (WNP) typhoons of year 2016. Conventional in situ data, radiance observations, and tropical cyclone (TC) minimum sea level pressure (SLP) are assimilated every 6 h using an 80-member ensemble. For all TC categories, the 6-h ensemble priors from the WRF/EnKF system have an appropriate amount of variance for TC tracks but have insufficient variance for TC intensity. The 6-h ensemble priors from the WRF/EnKF system tend to overestimate the intensity for weak storms but underestimate the intensity for strong storms. The 5-d deterministic forecasts launched from the ensemble mean analyses of WRF/EnKF are compared to the NCEP and ECMWF operational control forecasts. Results show that the WRF/EnKF forecasts generally have larger track errors than the NCEP and ECMWF forecasts for all TC categories because the regional simulation cannot represent the large-scale environment better than the global simulation. The WRF/EnKF forecasts produce smaller intensity errors and biases than the NCEP and ECMWF forecasts for typhoons, but the opposite is true for tropical storms and severe tropical storms. The 5-d ensemble forecasts from the WRF/EnKF system for seven typhoon cases show appropriate variance for TC track and intensity with short forecast lead times but have insufficient spread with long forecast lead times. The WRF/EnKF system provides better ensemble forecasts and higher predictability for TC intensity than the NCEP and ECMWF ensemble forecasts.     

面向台风暴雨的集合预报成员优选订正技术研究及应用试验

本文以2013—2015年主要登陆台风暴雨过程为研究对象,利用ECMWF降水和台风路径集合预报以及中央气象台实时业务台风中心定位资料,在统计分析的基础上,提出一种业务上可用的针对单模式集合预报的台风降水实时订正技术(简称集合成员优选技术)。结果表明,在登陆台风暴雨过程预报中,集合成员优选技术对改进集合统计量降水产品有明显的帮助,并较ECMWF确定性预报产品有一定优势;该方法对改进短期时效预报产品的效果优于中期时效预报,对大暴雨评分的改进高于暴雨和大雨评分。另外,本文基于概率匹配平均(Probability Matching average,PM)和融合(FUSE)产品的计算原理,提出融合匹配平均(Fuse Matching average,FM)产品,结果表明,对36 h时效预报,优选10~15个成员的PM产品TS(Threat Scores)评分可达最优,大暴雨评分较确定性预报提高近10%;对60和84 h时效预报,FM产品大暴雨评分较确定性预报提高超过20%。     

上海区域数值预报模式集合预报系统的建立与试验

以目前运行的上海区域业务数值预报模式为基础,从预报模式的不确定性出发构造8个预报成员,建立了上海区域数值预报模式集合预报系统的初步模型,并对2004年夏季进行了逐日48 h预报试验。结果表明:集合平均对华东地区城市降水、温度、海平面气压等气象要素的总体预报能力与分辨率高3倍的业务模式相当,其中对雨量较大降水、最低温度、海平面气压(0~24 h)的预报效果好于业务模式;集合预报还能提供客观化、定量化的降水概率预报,对降水的发生、尤其是特大降水的发生有着很好的提示作用。