基于BDA扰动法的台风路径集合预报试验研究

提出一种新的方法（BDA扰动方法）对台风路径进行集合预报。BDA扰动方法是基于BDA同化方案。通过扰动台风的中心位置和台风强度得到一系列模型台风，将之分别同化到同一环境场中得到一系列扰动初始场，从而对台风进行集合预报的方法。本文选取四个台风个例进行数值试验，将直接用BDA方案同化初始场的模拟结果与采用BDA扰动方法模拟的结果进行比较，发现：利用BDA扰动方法对台风路径进行集合预报能进一步提高路径预报精度；同时发现：对于BDA扰动方法，若与初始定位扰动相结合，5hPa的台风强度扰动幅度可能比10hPa的更适宜。     

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。      

FY-2E晴空风矢同化对台风分析和预报的影响研究

为了研究“二阶差分法”反演的晴空区风矢同化在台风分析和预报中的作用,以1509号台风“灿鸿”和1211号台风“海葵”为例,首先利用WRF-3DVAR系统对晴空风矢进行同化,探讨了晴空风矢的引入对模式初始场的影响。然后利用WRF模式对两个个例分别进行48 h的预报试验。通过对比控制试验和同化试验,结果表明,同化晴空风矢资料能够对初始风场和位势高度场进行合理的调整,在台风周围引导气流的作用下,台风路径与实况更靠近,从而提高了台风路径的预报效果。除此之外,同化晴空风矢对台风强度以及风场预报也有一定的改善作用,还可更准确地预报出降水的落区及雨强,提高降水预报质量。因此,晴空风矢的引入,有利于改善模式的初始场,从而提高WRF模式对台风的预报能力。      

应用卫星云导风进行台风路径预报试验

在国家气象中心台风数值预报业务系统中引入国家卫星气象中心提供的卫星云导风资料,进行三项预报试验．首先用卫星云导风资料厂正客观分析风场;其次将云导风资料加人到输对称的人造台风模型风场上,使之产生非对称风场、在前两项试验的基础上进行相应的质量场调整,使之形成较协调的客观分析场和非对称的人造台风模型。试验结果表明：卫星云导风资料订正客观分析风场对台风路径预报有明显改进;用云导风形成人造台风模型非对称风场对台风路径预报也有所改进;对订正后的客观分析场进行质量场调整可进一步提高台风路径预报的精度,而对非对称人造台风模型进行质量场调整,对减小台风路径预报误差作用不明显。     

BDA方案在台风路径预报中的应用

利用PSU／NCAR中尺度非静力有限区域MM5及其伴随模式，以T106分析资料为背景场，设计两种台风Bogus方案对台风的初始场进行优化，并进行了数值模拟试验。对9608号台风个例的数值模拟试验研究表明，经过优化的台风初始场较好地改进了由于海洋上资料缺乏所造成的台风中心位置不准、台风环流偏弱和台风内部结构不完整等问题，提高了台风路径预报的准确率。通过试验对比发现，BDA方案优化的初始场更合理，其台风路径预报效果优于GFDL方案。     

用业务有限区模式预报台风路径的初步试验

利用国家气象中心新的有限区业务分析预报系统（ＬＡＦＳ）￣［１］，根据实例台风资料的一些参数和客观分析场，形成包含理想台风模型的模式初值，并将一个和业务有限区预报模式基本相同的、水平分辨率更高的预报模式和有限区预报模式单向嵌套，进行台风路径预报的初步试验。      

一种北上台风路径预报方法

根据气象台实际业务需要，对历年北上台风路径进行分析总结，从天气学角度分析了台风未来路径与对流层上层温度场（或厚度场）的关系，目的是解决北上台风路径预报问题，并对2005年9号台风“麦莎”做了检验，提出台风的趋暖运动是对流层上层增暖现象，对流层上层增温极值曲线是台风未来的移动路径。     

9711号台风路径分析与预报

对９７１１号台风登陆后的路径进行了分析,检验了日本数值预报产品中２４、３６小时预报图对台风路径的预报效果,并从高空环流形势、５００ｈＰａθｓｅ场及地面３小时变压等方面对台风路径的可预报性进行了探讨。结论认为此类台风的路径可在数值预报结果的基础上进行有效的订正预报,并给出了预报着眼点。     

利用T106L19进行台风路径预报试验

为能提供较长时效的台风路径数值预报,利用国家气象中心中期数值预报业务谱模式T106L19在其第一猜测场或分析场中加入人造台风模型,进行了96小时的台风路径预报试验。结果表明：由于人造台风模型的加入,使T106L19对台风路径的预报能力有较大的提高,尤其是当T106L19的第一猜测场或分析场中台风涡旋相当弱的情况下效果更明显。另外我们采取三种不同的嵌入方式在T106L19,的资料场中加入人造台风。三种方式分别是：分析前加入人造台风模型(将人造台风模型加在第一猜测场上—T106L19的6小时预报场);分析后加入人造台风模型(将人造台风模型加在分析场上);分析前及分析后两次加入人造台风模型。个例试验结果表明：从平均情况来看分析前加入人造台风模型在台风路径预报前期有较好的表现,其24小时预报距离误差为184．5km,48小时为278．1km,72小时为515．6km。结果的分析还发现：T106L19的初值化使所加入的人造台风涡旋有较大的平滑,初值化后的中心气压值一般在995hPa左右。这对于台风路径的预报会有较大的影响。     

广东阳江沿海地区海陆风观测结果及其特征分析

利用TOVS资料分析了2000年几个热带气旋的结构，发现与经典概念模型所描述的结构有一定的差异，主要表现在：（1）在水平结构上，非对称结构呈多样性，高度场的低层低值中心（或高层高值中心）与温度场的高值中心并不一定重合；（2）在垂直结构上，高度场的低层低值距平与高层高值距平的配置也呈多样性，特别是存在了、下层距平中心倾斜，或高层只是处于高压区的边缘，不存在明显的高值距平中心与热带气旋相对应。还参照TOVS中的热带气旋结构，进行了修订热带旋数值预报模式系统中人造台风模型（台风BOGUS）结构的研究，发现修订后的台风BOGUS能够更好地与环境场协调，并且能对热带气旋的路径预报取得较好的效果。这一方面说明了台风BOGUS的结构对其路径预报有较大的影响，另一方面也说明利用TOVS资料中的热带气旋结构能改善热带气旋路径预报。这也为台风BOGUS的修订和发挥提供了依据。     

在台风业务系统中使用卫星云导风资料的试验

在国家气象中心台隐数值预报业务系统中引入国家卫星气象中心提供的卫星云导风资料,进行两项预报试验。第一项是把卫星云导风资料作为观测资料进行最优插值客观分析;第二项是将云导风资料加入到轴对称的人造台风模型风场上,使之产生非对称风场。试验结果表明：卫星云导风资料作为观测资料进入模式后对减小台风路径预报误差效果明显;用云导风形成人造台风模型非对称风场可进一步提高台风路径预报精度。     

THE EFFECTS OF BOGUS TYPHOON AND OBSERVED OCEANIC DATA ON THE ABILITY OF T_(213)L_(31) TO PREDICT TC TRACK

The abilities of typhoon (TC) track prediction by a medium-range forecast model T213L31 at National Meteorological Center are analyzed and its ability to improve its TC forecasts is discussed. The results show that about 57% of the TCs could be predicted by T213L31 but the initial position errors are large.The 43% area without the prediction of TC tracks is concentrated between 13°N and 20°N and east of 120°E and lack of conventional observation data is the main reason for the absence of TC prediction in this area.The adding of bogus TC could improve the ability of TC track prediction when there is no TC vortex in the analysis field, but could only have positive effects on the short-range TC track prediction when there is TC vortex in the T213L31 analysis field.     

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.     

A Bogus Typhoon Scheme and Its Application to a Movable Nested Mesh Model

ＡＢｏｇｕｓＴｙｐｈｏｏｎＳｃｈｅｍｅａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏａＭｏｖａｂｌｅＮｅｓｔｅｄＭｅｓｈＭｏｄｅｌＷａｎｇＧｕｏｍｉｎ（王国民）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＮａｍｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ...     

非对称台风bogus方案设计和初步试验

国家气象中心台风路径数值预报模式自1996年6月投入业务运行以来, 一直在背景场中采用经验平滑滤波技术消除浅台风和嵌入轴对称的台风bogus涡旋技术。但事实上, 在采用经验平滑技术消除背景场中弱的位置不准确的浅台风涡旋同时, 也滤除了台风中心周围一些宝贵的非对称气流结构, 同时, 由于实际的台风涡旋结构是非对称的, 因而对采用轴对称涡旋的模式初始场而言, 或多或少的贡献了一些模式预报结果的路径误差。为了调查这部分非对称结构对台风预报路径误差的影响, 从T213L31全球谱模式提供的背景场中抽取浅台风周围的非对称流场, 将之加入到轴对称的台风bogus涡旋中。初步的个例试验发现, 加入非对称流场后, 能有效地减少台风路径预报误差。     

台风数值模拟中bogus涡旋四维变分同化的研究

研究用MM5四维变分同化系统同化bogus涡旋变量对台风数值模拟的影响,对2002年13号台风Phanfone进行48h预报,结果表明：用四维变分方法同化bogus涡旋变量效果优于在背景场中直接植入模型涡旋的传统bogus技术。同时同化bogus涡旋的风、气压、温度和比湿效果不如只同化气压和其中任一变量。同化bogus涡旋的气压和比湿,能够调整模式初始场的其他变量,得到结构更清晰、与环境场更协调的初始涡旋,从而在一定程度上提高了台风Phanfone路径和强度预报的准确性。     

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。      

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.