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。      

2013年西北太平洋热带气旋预报精度评定

本文以中国气象局上海台风研究所整编的最佳路径集为依据,对2013年西北太平洋热带气旋（TC）定位、路径和强度预报精度进行了评定,并对部分全球和区域模式在路径和强度预报中存在的系统性偏差进行了分析,结果表明：2013年定位总平均误差为21.7 km,比往年略偏小。国内各省(自治区)主观预报方法路径预报平均误差为80.2 km（24 h）、143.3 km（48 h）和221.7 km（72 h）,与2012年同比分别降低了13.9%、13.4%和20.9%,中央气象台24 h路径预报误差首次低于90 km。全球和区域模式的路径预报性能稳步提升,并表现出一定的系统性偏差。统计预报方法的强度预报整体性能仍然领先于数值模式,而在数值模式中,区域模式的强度预报性能则略优于全球模式。部分全球和区域模式在强度预报中也存在着系统性偏差。各主观方法对台风温比亚(1306)、台风尤特(1311)、台风潭美(1312)和台风菲特(1323)的24 h登陆点预报效果较好,而对台风西马仑(1308)的24 h登陆点预报不是十分理想。     

2016年GRAPES_TYM改进及对台风预报影响

为了进一步提高国家气象中心区域模式台风数值预报系统（GRAPES_TYM）的预报能力,2016年对模式参考大气廓线以及涡旋初始化方案进行了改进:由模式初始场水平方向平均的一维参考大气代替原来的等温大气,涡旋初始化方案取消了原涡旋重定位并将涡旋强度调整半径由原来的12°减小到4°。对2014—2016年的生命史超过3 d的所有台风进行了回算,路径及近地面最大风速统计误差分析表明:参考大气的改进可以减小模式对台风预报路径预报的系统北偏和平均路径误差,尤其是140°E以东的转向台风。涡旋初始化方案中强度调整半径的减小会进一步减小模式预报路径的北偏趋势,从而进一步减小平均误差。同业务系统预报结果相比,改进后的GRAPES_TYM（包括参考大气和涡旋初始化）可以使平均路径误差分别减小10%（24 h）,12%（48 h）,16%（72 h）,14%（96 h）以及15%（120 h）。同美国NCEP全球模式路径预报相比,GRAPES_TYM在西行、西北行登陆我国的台风路径预报有一定优势。     

GRAPES_TYM模式对TC路径及环境引导气流预报检验分析

对2012—2013年GRAPES_TYM模式热带气旋路径预报结果进行检验,结果表明:模式对所有类型路径预报在24h、48h和72h预报时效的平均距离误差分别为94.3km,143.7km和260.8km,并且存在偏北的系统性偏差;对于南海TC,模式对TC移向预报较实况偏右,移速误差较小,移向偏差是路径偏差的主要原因;另外统计得到模式对TC移向的预报偏差与对其环境引导气流预报偏差有密切的关系,以1213号台风"启德"为例进一步通过移向误差诊断方程探讨了环境引导气流预报偏差(包括环境风场预报偏差、环境引导气流半径偏差及环境引导气流厚度偏差)对TC移向偏差的影响,而环境引导气流预报误差来源与模式对大尺度天气系统、TC大小及强度的预报偏差有关。     

2016年西北太平洋和南海热带气旋预报精度评定

以中国气象局上海台风研究所整编的最佳路径数据集为依据,对2016年西北太平洋和南海热带气旋（TC）定位精度及路径、强度和登陆点预报精度进行了评定,结果表明：2016年定位总平均误差24.9 km,比2015年略偏大。主观和客观路径预报误差没有延续之前持续减小的趋势,整体预报能力比前两年略有降低。ECMWF EPS、NCEP GEFS和UKMO EPS三个集合预报系统的台风路径预报整体性能要好于其他集合预报系统。各主客观预报方法的台风强度预报性能与往年相比没有大的改进。主观方法对超强台风莎莉嘉在海南万宁的24 h登陆点预报误差均非常小,误差在15 km以下。全球模式的登陆点预报性能表现要优于区域模式。     

2012年西北太平洋热带气旋预报精度评定

本文对2012年西北太平洋热带气旋定位、路径和强度预报精度进行了评定,结果表明：2012年定位总平均误差23.4 km,与往年相当。国内各综合方法的路径预报平均误差分别为94.3 km（24 h）、168.2 km（48 h）和284.2 km（72 h）,中央气象台24 h路径预报准确率相对于2011年有了较大幅度的提高。全球模式的平均距离误差分别为96.8 km（24 h）、177.2 km（48 h）、283.6 km（72 h）、382.3 km（96 h）和583.6 km（120 h）,其中部分数值模式预报水平接近主观方法的平均预报水平,但是最优的主观预报具有相对所有数值预报的正技巧,表现出较强的数值预报应用能力。通过对比国际先进数值预报模式的误差表明,国内区域模式的路径预报能力与国外先进模式相比仍有较大差距。4个台风业务中心强度预报的平均绝对误差分别为4.11~4.63 m·s-1（24 h）、6.10~6.90 m·s-1（48 h）和6.84~8.71 m·s-1（72 h）。部分客观强度预报方法表现出一定的系统性偏差。各方法对“海葵”在象山县鹤浦镇的24 h登陆点预报较为成功,而对“苏拉”在台湾花莲的24 h登陆点预报较为失败。     

2014年西北太平洋热带气旋预报精度评定

本文以中国气象局上海台风研究所整编的最佳路径集为依据,对2014年西北太平洋热带气旋（TC）定位、路径、登陆点和强度预报精度进行了评定,结果表明：2014年定位总平均误差25.3 km,比2013年略偏大。CMA主观预报24、48、72、96和120 h路径预报误差分别为84.3、145.6、205.4、280.2和415.3 km,与2013年相比,长时效路径预报误差有显著减小。而全球模式在相应预报时效的总平均路径误差分别为88.1、159.6、253.9、393.6和572.1 km。区域模式24、48和72 h的总平均路径误差分别为97.4、188.2和302.7 km。统计预报方法的强度预报整体性能仍然领先于数值模式,而在数值模式中,区域模式的强度预报性能则略优于全球模式。     

GRAPES_TYM改进及其在2013年西北太平洋和南海台风预报的表现

2013年国家气象中心对GRAPES_TYM进行了改进,包括集成GRAPES-Meso模式相关改进（即基础模式升级）、对流参数化过程由Simplified Arakawa-Schubert（简称SAS）升级为Meso-SAS,并对涡旋初始化方案进行优化。7个典型个例试验统计分析表明,基础模式升级可使72 h平均路径误差减小10%,在基础模式升级的基础上对流参数化方案的升级可使72 h平均路径误差减小20%,涡旋初始化方案的优化可使72 h平均路径误差进一步减小10%。基础模式的升级和对流参数化方案的升级对GRAPES_TYM的预报路径系统右偏有明显改进;基础模式升级对强度预报的影响不明显,Meso-SAS的应用对12~48 h强度预报的改善效果较显著,而台风初始化方案的优化可以减小6~24 h预报时段内的强度预报误差。2013年全年台风回算结果表明,升级后的GRAPES_TYM其48~72 h后的路径预报误差较准业务系统减小15%~20%,最大风速预报误差减小4%~16%。      

2016-2020年广东省登陆台风24 h路径预报误差特征

通过对2016—2020年期间登陆广东的台风24 h路径距离、移向和移速检验数据进行统计对比,结果表明:所有路径误差评定时次中,超过50%时次的台风路径预报质量较好(小于过去5年的平均距离误差70 km),其中在台风首次登陆广东前24 h内,台风路径预报误差较小的时次比例更大,但南海台风的路径预报误差偏大,对南海台风的路径预报能力相对较弱;起报时刻台风强度越强,其路径距离、移向、移速预报误差越小;当一个台风70%或以上时间的单次预报误差较小(较大)时,其生命期平均路径预报质量极好(极差);当一个台风有70%时次移向误差偏左(或偏右)或有70%时次移速误差较快(或较慢)时,该台风的路径预报误差明显偏大,则路径预报不确定性较大。     

涡旋强度调整半径对2016年第18号热带气旋路径预报的影响

2016年中国国家气象中心区域台风模式（GRAPES_TYM）对第18号热带气旋（记为TC 1618）的路径预报出现了较大的误差:其平均路径误差显著大于全年的平均误差。分析了涡旋初始化方案（包括涡旋重定位以及涡旋强度调整）对其路径预报的影响。结果显示,涡旋强度调整是造成TC1618预报路径平均误差偏大的主要原因。不同的强度调整半径（r₀=12°,9°,6°,3°）对TC1618路径影响的敏感性试验结果显示,强度调整半径越大,其平均路径预报误差越大。500 hPa副热带高压以及平均海平面涡旋尺度分析发现:较大的强度调整半径（r₀=12°,9°）其初始时刻的涡旋尺度较大,涡旋北侧邻近区域副热带高压等值线相对偏北,副热带高压相对偏弱。尺度大的涡旋其北移速度较大,并且在积分过程中其环流邻近区域副热带高压进一步减弱,导致涡旋环流会更早与其西北侧东移的西风槽结合,移速偏快。      

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。     

Effect of Initial Vortex Intensity Correction on Tropical Cyclone Intensity Prediction:A Study Based on GRAPES_TYM

Predicting the intensity of tropical cyclones(TCs)is challenging in operational weather prediction systems,partly due to the difficulty in defining the initial vortex.In an attempt to solve this problem,this study investigated the effect of initial vortex intensity correction on the prediction of the intensity of TCs by the operational numerical prediction system GRAPES_TYM(Global and Regional Assimilation and Prediction System_Typhoon Model)of the National Meteorological Center of the China Meteorological Administration.The statistical results based on experiments using data for major TCs in 2018 show that initial vortex intensity correction can reduce the errors in mean intensity for up to 120-h integration,with a noticeable decrease in the negative bias of intensity and a slight increase in the mean track error.The correction leads to an increase in the correlation coefficient of Vmax(maximum wind speed at 10-m height)for the severe typhoon and super typhoon stages.Analyses of the errors in intensity at different stages of intensity(including tropical storms,severe tropical storms,typhoons,severe typhoons,and super typhoons)show that vortex intensity correction has a remarkable positive influence on the prediction of super typhoons from 0 to 120h.Analyses of the errors in intensity for TCs with different initial intensities indicate that initial vortex correction can significantly improve the prediction of intensity from 24 to 96 h for weak TCs(including tropical storms and severe tropical storms at the initial time)and up to 24 h for strong TCs(including severe typhoons and super typhoons at the initial time).The effect of the initial vortex intensity correction is more important for developing TCs than for weakening TCs.     

登陆热带气旋路径和强度预报的效益评估初步研究

近年来有关热带气旋(TC)灾情的评估指标和方法的研究取得明显进展,但较少涉及TC预报对减少灾害损失的贡献(即效益)分析。基于中央气象台的TC实时路径和强度预报,针对登陆中国大陆的TC,初步分析了TC的路径和强度预报误差与其造成的直接经济损失之间的可能关系,并在此基础上建立了包含TC路径和强度预报误差的TC直接经济损失的预估模型。TC登陆前后24 h的路径和强度预报误差与TC所致直接经济损失均呈正相关关系;对于单个登陆TC而言,若24 h TC路径预报误差每减小1 km可减少因灾直接经济损失约0.97亿元,若强度预报每减小1 m/s可减少因灾直接经济损失约3.8亿元(以2014年为基准年)。可见,提高TC路径和强度预报精度对于减灾的效益巨大,且当前尤以提高强度预报能力的效益为佳。      

GRAPES区域集合预报系统对登陆台风预报的检验评估

针对2015年7—9月登陆中国大陆沿海的台风,利用GRAPES-REPS区域集合预报资料和集合统计诊断分析方法,对登陆台风的移动路径、时间、地点、强度和降水等进行检验评估,以期为预报员应用GRAPES登陆台风概率预报提供依据。检验结果表明,(1)集合平均移动路径要优于控制预报,集合预报各成员登陆地点存在20~340 km差异,但实况登陆地点均能落在集合成员登陆地点中。(2)对24 h和48 h登陆地点误差而言,集合平均较控制预报更接近实况。(3)随着预报时间的趋近,集合平均、控制预报和集合成员登陆地点距离误差逐渐缩小,登陆地点空间位置预报也没有明显的系统性误差。(4)集合成员对台风登陆时间预报偏早,平均提前2.3 h。(5)在强度预报中,尽管最低气压和近中心最大风速存在登陆前偏弱而登陆后偏强的趋势,但登陆点预报值区间包含了实况观测值,表明GRAPES-REPS集合预报能够较好展示多种可能信息。(6)不同量级降水AROC评分为0.56~0.76,具有预报参考价值;另外AROC评分的高低及台风暴雨落区的准确性与台风登陆点和登陆时间误差密切相关。可见,GRAPES-REPS区域集合预报可以在台风登陆地点、时间、强度和降水预报等方面提供更多的预报不确定性信息,有助于做出正确的预报决策。      

我国台风路径业务预报误差及成因分析

利用2005 2009年中国气象局(CMA)提供的西北太平洋(包括南海)台风路径业务预报资料,比较了各类型台风路径、台风登陆位置及登陆时间的预报误差,登陆台风不同阶段以及华东登陆和华南登陆台风的路径预报误差。结果表明:CMA在2005 2009年的路径预报水平与1999 2003年的相比有了显著提高。平均南海台风预报误差大于西北太平洋。异常路径台风主要出现于南海,三个预报时效(24、48和72 h)异常路径的预报误差平均都小于正常路径。将登陆台风分为远海、登陆期间和登陆后三个阶段,显示登陆期间台风预报误差最大,同一阶段华南登陆台风的预报误差大于华东登陆台风。台风登陆位置在24、48和72 h预报时效的平均预报误差分别为71.1、122.6和210.6 km,48和72 h台风实际登陆时间有70%早于预报时间,平均分别提早8和12 h。比较大尺度引导气流与台风移动的偏差及24 h路径预报误差,得到南海三种典型登陆台风路径的大尺度引导气流与台风移动的偏差及其与路径预报误差的关系不一样,即误差成因不同。南海倒抛物线型的大尺度引导气流与台风移动的偏差最大,其预报误差最小;西一西北型的大尺度引导气流与台风移动的偏差最小,其预报误差最大,可能与大尺度环流预报准确性差有关。登陆华东的预报误差小于登陆华南台风的预报误差,这与台风登陆华南时其大尺度引导气流和台风移动的偏差大于登陆华东的台风有关。     

T639台风预报误差与环境场变量的相关分析和回归分析

利用国家气象中心全球谱模式T639L60(简称T639)数值预报结果和上海台风研究所整编的台风最佳路径数据,基于2009—2010年的样本,分析了西北太平洋和南海台风的环境场预报变量与路径预报误差的相关性,利用线性回归分析,建立了T639台风中心预报误差与环境风整层垂直切变、400 hPa台风环流强度的24~120 h各预报时效线性预估模型(建模样本数分别为299、232、170、117和84个),并利用2011年的样本对模型进行了检验(检验样本数分别为182、146、117、85和61个)。初步结果表明,环境风垂直切变与路径误差呈正相关,台风各层环流强度与路径误差大致呈负相关,其中400 hPa上的负相关性最明显;由环境风垂直切变与400 hPa台风环流强度建立的线性预估模型能对路径预报误差作出定性估计,其中24h预报时效的预估模型有较好的预估效果。     

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。