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%。      

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。      

国家气象中心区域台风模式预报性能分析

为了更好发挥区域台风模式GRAPES_TYM在业务预报中的参考作用,利用2017年GRAPES_TYM升级版本对2014—2016年的回算结果同美国国家环境预报中心的全球模式（NCEP-GFS）以及欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的中期预报模式(EC-IFS)进行了对比分析。结果显示:两个全球模式的预报路径平均误差小于区域台风模式GRAPES_TYM的平均路径误差;GRAPES_TYM和NCEP-GFS的路径预报均存在明显的移向正偏差,EC-IFS移向偏差不明显;GRAPES_TYM对我国近海登陆的热带气旋120 h路径预报误差小于NCEP全球模式,同ECMWF差别不大;区域模式的强度（近地面最大风速）预报平均误差在72 h前小于两个全球模式,而三个模式在强度预报上存在明显负偏差,负偏差主要存在于25 °N以南（这一区域为强台风和超强台风主要区域）。      

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。      

一种基于分析增量更新技术的台风初始化方案

台风初始化方案最大的困难在于其只能根据有限的观测资料（台风中心位置、最低气压、最大风速和大风半径等）来构造一个与模式动力-物理过程协调的涡旋模型。首先根据实际观测资料对背景场中的涡旋扰动进行重定位和风速调整,然后将分析增量更新（Incremental Analysis Update,IAU）技术应用于台风初始化方案中,将调整后的涡旋当作一个强迫项逐渐加入到模式预报过程中,通过模式自身调整来得到一个协调性较好的台风初始结构,从而改善模式对台风的预报性能。对“山竹”台风的多次预报结果表明:（1）台风初始化对于台风路径误差影响较小,对于强度预报改进则比较明显。特别是在台风生成初期,台风初始化技术能够有效地增强全球模式分析场中的涡旋强度,并解决预报过程中强度较弱的问题。（2）根据预先给定的三维风场,IAU技术能通过模式自身预报过程对其他变量进行调整,从而得到一个热力和动力协调的初始涡旋结构。相对于仅对初始风场的调整,它对24 h之后的路径和强度预报误差会有更进一步的改善。（3）对IAU中的松弛时间进行参数敏感性试验,发现该变量取3—6 h效果较好。      

采用预报涡旋的初始化方案对2015年台风“莲花”、“灿鸿”的试验研究

提出了一种采用预报涡旋的初始化方案,用预报涡旋代替bogus模型参与构建模式初始场,采用权重形式合成预报涡旋和分析涡旋获取台风初始涡旋。针对2015年“莲花”和“灿鸿”台风,基于该初始化方案设计了一系列对比试验进行数值模拟,并对结果进行分析。结果表明:(1)该方案得到的台风初始涡旋结构比bogus模型合理;(2)预报涡旋权重不宜取太大;(3)从长时效预报效果看,采用24 h内预报涡旋比采用长时效预报涡旋台风的路径和强度误差减小;(4)采用同一权重方案对“莲花”、“灿鸿”预报的改进效果不同,其原因与预报涡旋和分析涡旋的协调程度有关。多台风情形下可在初步评估的基础上采用不同时效的预报涡旋和不同权重方案。      

台风涡旋循环初始化方法及其在GRAPES-TCM中的应用

由于观测资料的缺乏,全球数值模式中台风涡旋一般较弱.但在区域数值模式中由于能使用更高的分辨率,采用适合台风的物理过程计算方案,因此区域模式中的台风涡旋能得到更好的发展.通常情况下,由于区域模式每次预报都使用全球模式的预报结果作为背景场,因此在区域模式中得到发展的台风涡旋并不能出现在下一次预报的初始场中.本研究结合BDA和涡旋重定位方法,采用MC-3DVar技术将台风涡旋初始化与资料同化技术结合起来,提出了循环初始化技术.在该技术中,提取区域模式6 h预报的台风涡旋周围的廓线资料,并根据台风观测位置将这些廓线资料平移到正确位置进行同化,从而使得台风涡旋在区域模式中得到循环发展.个例试验的结果表明循环初始化方案能更准确地刻画初始台风的强度和结构,相比控制试验,其初始台风强度更接近实况,结构更为合理,而且与观测更为接近,相应的,台风路径和强度预报也有很大的改善.对超强台风"蔷薇"的22次预报的总体结果表明,相对控制试验,循环初始化方案使得试验的总体路径预报距离误差从24 h的113 km降低到89 km,从48 h的188 km降低到184 km.另一方面,循环初始化方案对强度预报也有很大改善,24 h中心气压均方根误差从控制试验的32 hPa降到22 hPa.2009年汛期开始,以循环初始化方案为基础的GRAPES-TCM投入准业务试验,在对2009年2、3、4和6号热带气旋的准业务运行的预报结果的分析表明,新的方案较之采用涡旋重定位的GRAPES-TCM业务系统在路径和强度预报能力方面均有较大改善.     

2011年“洛克”和“桑卡”双台风预报效果的初值试验研究

采用南海台风模式,对2011年业务预报误差较大的台风“洛克”（1115）和“桑卡”（1116）双台风的初值方案进行试验和研究,目的在于寻求改进预报的线索,从而提升台风模式性能。针对“洛克”和“桑卡”台风设计了几组初值方案对比试验,结果表明,仅对弱台风“桑卡”进行重定位和bogus的初值处理,与对双台风都进行初值处理相比较,两台风的路径预报误差减小。分析认为仅对弱台风作初值处理以改善其涡旋环流的影响是该双台风路径预报得以改进的原因。对2011—2012年所有弱台风进行批量预报试验,结果表明对弱台风采用重定位和bogus的初值处理,台风路径预报和强度预报的误差减小。对弱台风进行重定位和bogus初值处理,可改善模式对弱台风的预报效果。此外,目前南海台风模式中现有的bogus方法构造的涡旋相对于弱台风而言云顶偏高,可考虑发展针对弱台风的涡旋模型。      

GRAPES区域集合预报条件性台风涡旋重定位方法研究

为了在集合预报中更合理描述台风涡旋中心定位的不确定性,采用2009—2018年中国气象局和日本气象厅台风最佳路径数据,分析台风最佳路径涡旋中心定位的不确定性特征,在此基础上设计条件性台风涡旋重定位方法（Conditional Typhoon Vortex Relocation,CTVR）,构建集合成员台风涡旋中心重定位阈值条件、台风涡旋分离数学处理及涡旋重定位等数学处理过程,利用中国气象局数值预报中心区域集合预报系统（Global/Regional Assimilation and Prediciton System-Regional Ensemble System,GRAPES-REPS）对2018年西北太平洋上的3个台风（1808号“玛莉亚”、1824号“谭美”和1825号“康妮”）进行轴对称结构和轴对称+非对称结构条件性台风涡旋重定位两种方案的集合预报试验和检验评估。结果表明:（1）中国气象局和日本气象厅台风最佳路径误差平均值为13.72 km,可视为台风涡旋中心定位不确定性的合理估计值;（2）统计检验结果和典型个例分析表明,采用轴对称结构和轴对称+非对称结构条件性台风涡旋重定位方法的台风集合预报路径误差及集合预报一致性结果比较接近;（3）条件性台风涡旋重定位方法可以有效改进GRAPES-REPS区域集合预报台风路径概率预报效果,如台风路径集合预报平均误差有所减小,集合预报一致性（路径离散度与路径均方根误差比值）增大,特别是预报初期概率预报效果改进更为显著,而预报中后期改进有限;（4）通过对“玛莉亚”台风集合预报诊断分析发现,经过条件性台风涡旋重定位后,各集合成员的台风路径误差在预报初期明显减小且路径收敛,但随着预报时效的延长台风路径逐渐发散。应用条件性台风涡旋重定位方法后,台风涡旋环流与大尺度环境场仍然比较连续协调,且台风涡旋环流外的大尺度环境场具有一致性特点,最低气压误差、最大风速误差和降水预报技巧基本不变。可见,条件性台风涡旋重定位方法的应用可以提供更准确的台风路径预报不确定性信息,帮助预报员做出更准确的预报决策。      

T639全球模式的台风初始化方案升级试验

由于洋面上缺少有效的台风观测资料,台风初始化对全球数值预报业务模式而言,仍然是一个悬而未决的问题。国家气象中心自从2009年将T639全球数值预报系统投入业务运行以来,应用了一套完整可行的台风初始化方案,其技术路线是在台风刚发生时的预报时刻,在背景场嵌入人造bogus涡旋;而在后续的循环滚动预报时刻,采取涡旋重定位和涡旋调整技术方案;因此,第一个预报时刻的涡旋形成技术直接影响到后续时刻的台风涡旋质量乃至预报效果。但是,人造bogus涡旋主要依据统计的经验模型建立,其结构与全球数值模式的动力学、物理学属性并不匹配。基于国家气象中心T639全球资料分析同化-预报循环系统,一套升级版的台风初始化方案被发展了起来,与业务方案的主要区别在于升级方案利用资料同化技术来形成初始涡旋而不是直接嵌入人造bogus涡旋;这在很大程度上减少了人为主观因素对台风初始结构的影响,而更多地是依靠变分资料同化来协调约束产生三维空间的涡旋环流,这样产生的涡旋环流不但与周围环境场比较协调,而且与模式的动力学、物理学属性也比较匹配。应用新方案,本文对生成于西北太平洋2011-2012年27个台风进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风初始涡旋环流结构方面有着不错的表现,相比于业务使用的方案而言,新方案台风路径平均预报误差有了不错幅度的降低,2~5 d预报平均路径误差普遍降低了3%~15%。     

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。     

Tropical cyclone track and intensity prediction with a structure adjustable balanced vortex

A new Tropical Cyclone (TC) initialization method with the structure adjustable bogus vortex was applied to the forecasts of track, central pressure, and wind intensity for the 417 TCs observed in the Western North Pacific during the 3-year period of 2005–2007. In the simulations the Final Analyses (FNL) with 1° × 1° resolution of National Center for Environmental Prediction (NCEP) were incorporated as initial conditions. The present method was shown to produce improved forecasts over those without the TC initialization and those made by Regional Specialized Meteorological Center Tokyo. The average track (central pressure, wind intensity) errors were as small as 78.0 km (11.4 hPa, 4.9 m s^?1) and 139.9 km (12.4 hPa, 5.5 m s^?1) for 24-h and 48-h forecasts, respectively. It was found that the forecast errors are almost independent on the size and intensity of the observed TCs because the size and intensity of the bogus vortex can be adjusted to fit the best track data. The results of this study indicate that a bogus method is useful in predicting simultaneously the track, central pressure, and intensity with accuracy using a dynamical forecast model.     

全球数值模式中的台风初始化Ⅱ: 业务应用

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

Further experiments on cyclone track prediction with a quasi-Lagrangian limited area model

Summary Results of an earlier study of cyclone track prediction using a quasi-Lagrangian model (QLM) to generate track forecasts of up to 36 hours were reported by Prasad and Rama Rao (2003). Further experiments to produce track forecasts of up to 72 hours with an updated version of the same model have been carried out in the present study. In this case, the ability of the model to predict recent historical cyclones in the Bay of Bengal and Arabian Sea has been assessed. Analysis of some of the structural features of analyzed and predicted fields has been carried out. Such fields include wind distribution and vertical motion around the cyclone centre. In addition, the merging of an idealized vortex with the large scale initial fields provided by a global model, has been carried out for a particular case study of a May 1997 storm, which hit the Bangladesh coast. This current study has demonstrated that the model generates a realistic structure of a tropical cyclone with an idealized vortex. Performance evaluation has been carried out by computing the direct position errors (DPE). The results of which show that the mean error for a 24 h forecast is about 122 km, which increases to about 256 km for a 48 h forecast and 286 km for a 72 h forecast. These figures are comparable to similar errors in respect of tropical cyclone forecasts produced by an advanced NWP centre, viz., the UKMO global model during the corresponding period, 1997–2000 (obtained from UKMO web site). The average forecast errors of the UKMO model are 160 km for 24 h, 265 km for 48 h, 415 km for 72 h forecast ranges.     

多源资料循环同化在台风“潭美”预报中的应用

为了检验不同观测资料在台风预报中的作用,以美国NCEP (National Centers for Environmental prediction)业务同化系统GSI (Grid Statistical Interpolation)为平台,选取2013年路径较复杂且登陆后降水持续较强的“潭美”台风过程为例,分别加入常规地面和高空观测资料、极轨卫星NOAA18、NOAA19、METOP-A和METOP-B资料,以及多普勒雷达基数据资料,探讨不同观测资料同化对台风的预报效果。同时,对台风采用Bogus初始化方案以及循环资料同化对台风路径和强度预报效果进行了对比分析。结果表明:常规观测资料对台风路径预报改善效果最明显,卫星资料的融入对海上台风路径的修正较好,而雷达资料则对台风登陆后的路径预报有改善;并且多源资料的融入效果最好。同时,采用Bogus方案可有效调整初始台风的位置和强度,从而对后期台风路径和强度预报有正效应。采用间隔6 h资料循环同化方法,可有效利用各时段资料,对台风路径和强度预报有较好的改善。      

Sensitivity of physical parameterizations on prediction of tropical cyclone Nargis over the Bay of Bengal using WRF model

Comprehensive sensitivity analyses on physical parameterization schemes of Weather Research Forecast (WRF-ARW core) model have been carried out for the prediction of track and intensity of tropical cyclones by taking the example of cyclone Nargis, which formed over the Bay of Bengal and hit Myanmar on 02 May 2008, causing widespread damages in terms of human and economic losses. The model performances are also evaluated with different initial conditions of 12?h intervals starting from the cyclogenesis to the near landfall time. The initial and boundary conditions for all the model simulations are drawn from the global operational analysis and forecast products of National Center for Environmental Prediction (NCEP-GFS) available for the public at 1° lon/lat resolution. The results of the sensitivity analyses indicate that a combination of non-local parabolic type exchange coefficient PBL scheme of Yonsei University (YSU), deep and shallow convection scheme with mass flux approach for cumulus parameterization (Kain-Fritsch), and NCEP operational cloud microphysics scheme with diagnostic mixed phase processes (Ferrier), predicts better track and intensity as compared against the Joint Typhoon Warning Center (JTWC) estimates. Further, the final choice of the physical parameterization schemes selected from the above sensitivity experiments is used for model integration with different initial conditions. The results reveal that the cyclone track, intensity and time of landfall are well simulated by the model with an average intensity error of about 8?hPa, maximum wind error of 12?m?s^?1and track error of 77?km. The simulations also show that the landfall time error and intensity error are decreasing with delayed initial condition, suggesting that the model forecast is more dependable when the cyclone approaches the coast. The distribution and intensity of rainfall are also well simulated by the model and comparable with the TRMM estimates.