2009—2015年ECMWF热带气旋集合预报的检验及分析

本文从四个方面检验分析了ECMWF 2009—2015年西北太平洋热带气旋集合平均预报性能。结果表明：集合预报对路径的预测能力逐年提高,对强度预报整体偏弱。随着热带气旋强度增强,集合预报对移速和移向的预测能力提高,而移向预报偏左、移速预报偏慢、强度预测偏弱的现象较明显。将影响热带气旋的引导气流分为偏强、中等、偏弱三类,引导气流偏弱时热带气旋移动偏慢,因此移向预报的不确定性大;而引导气流偏强时热带气旋移向明确,只是移速预报不稳定。进入南海的三类路径热带气旋,集合预报对西行、西北行两类的移速、移向预报效果较好,而西行后北折的预报较差,在热带气旋北折前,移向预报发散度很大,向北转折后移向趋于稳定,移速预报的误差相对较大。这几种情形的检验结果,在热带气旋集合预报的业务应用中值得注意。     

GRAPES_TCM模式对2013—2014年浙江影响台风预报的检验分析

基于多种台风定位定强客观方法,检验了高分辨区域台风模式(GRAPES_TCM)对2013—2014年浙江影响台风的路径、强度、移向和移速等的预报效果,并与多家业务模式产品(欧洲中心数值模式(ECMWF)、日本数值模式(JMA)、美国数值模式(NCEP)和中国数值模式(T639))进行对比分析,结果表明,在用最大风速中心定位、用10 m层中心最大风速定强以及用海平面中心最低气压定强时,GRAPES_TCM的预报精度都较高;GRAPES_TCM对台风移速和移向预报都有较好效果。     

不同集合预报产品对1907号台风“韦帕”的检验

采用3种集合预报模式产品(TRAMS-EPS、EC-EPS、NCEP-EPS),对比分析2019年7月31日12:00(世界时)起报的1907号台风"韦帕"的预报效果,结果表明:(1)在台风路径预报方面,TRAMS-EPS较EC-EPS和NCEP-EPS具有一定的优势,但在较长预报时效(66～72 h)以及台风生命史的预报上,EC-EPS相对更好,而NCEP-EPS在3种模式中表现总体较差;(2)在强度预报方面,3种集合预报产品普遍存在强度偏弱的情况;总体来看EC-EPS的误差在大部分预报时效都较小,TRAMS-EPS在12～30 h时效上误差最小;(3)在结构预报方面,TRAMS-EPS的成员预报离散度最大,并且预报的半径(最大风速半径、8、7、6级)相对偏大,EC-EPS最大风速半径的集合离散度最小,同时8和7级风圈半径同实况最为接近;NCEP-EPS对台风强度的预报明显较其他两家偏弱;3种模式对6级风圈半径都有一定程度的高估。     

2010—2019年ECWMF和NCEP集合模式对热带气旋路径预报的性能评估

中国气象局是全球大集合预报系统数据交换中心之一,自2010年以来,欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和美国国家环境预报中心(NCEP)等国外全球集合预报(GEFS)先后进入国家气象中心(NMC)实时业务,多模式的应用促进了我国热带气旋预报业务的进步。利用2010—2019年ECMWF和NCEP两家主要的国外集合模式资料,从分强度、分移速、分月份、分海域、是否登陆、是否转向等方面开展了两家模式在热带气旋路径预报中的性能评估和系统性偏差分析。结果表明,两家模式集合平均的预报误差总体都呈下降趋势,并都存在一定的系统性偏差,但偏差方向几乎相反,ECMWF集合预报易偏向实况西南向,NCEP集合预报易偏向东北向,且后者数值更大。目前ECMWF集合预报性能要优于NCEP集合预报,特别是对于弱热带气旋和登陆热带气旋等情形优势更大。预报中当两家模式分歧较大的时候,性能评估和偏差分析结果也可为主观订正提供参考依据。     

一种公平技术评分方法在台风业务预报评估中的应用

将离散变量分级预报的公平技术评分方法引入台风路径业务的预报评估中，对１９８９－１９９１年的台风业务预报作评估试验，结果表明，该方法量客观，不但可用于台风分类预报评估，也可对台风移向移速预报进行客观评估。     

台风路径集合预报的实时订正技术研究

在台风业务预报中,由于模式运行、后处理及资料传输等原因,数值模式指导产品包括集合预报都存在一定时间的滞后,若直接使用会造成数值模式或集合预报平均的预报效果降低。利用ECMWF集合预报台风路径和中央气象台(简称中央台)实时业务定位,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路径实时订正技术。结果表明,该方法明显优于单模式集合预报平均和确定性预报,在对2012年的预报试验中,24、48、72、96 h的时效路径预报误差分别比集合平均提高了15%、6%、10%、8%。同时其路径误差优于目前我国业务路径预报,2012年平均24、48、72、96 h的路径误差分别减小7、7、11、10 km。     

基于BGM与ETKF的台风"苏拉"(1209)集合预报的对比试验Ⅰ:路径预报

采用FNL再分析资料和美国联合台风警报中心(Joint Typhoon Warning Center,JTWC)资料,运用中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式,分别使用增长模繁殖法(Breeding of Growing Mode,BGM)和集合卡尔曼变换方法(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF),对1209号台风"苏拉"进行了台风路径的集合预报试验,并对预报效果进行对比分析。结果表明:采用BGM或ETKF初始扰动的集合预报系统,集合平均预报对风场、温度场、位势高度场的预报效果均优于控制预报;ETKF方法的预报改进程度较BGM方法更大,且对风场和温度场预报技巧的优势尤为明显。BGM方法所得到的集合成员离散度小于ETKF方法,对大气真实状态的表征能力不及后者;两种扰动方法的集合平均都明显改善了台风"苏拉"的路径预报结果,尤其是控制预报在福建沿海第二次登陆后移速过快的问题,但对台风登陆位置预报的改进不明显;此外,采用ETKF方法的集合平均对台风"苏拉"路径预报的改进效果远优于采用BGM方法的集合平均预报。     

台风路径集合预报试验

基于T63L9模式,利用BGM法进行了台风路径的集合预报试验,并对集合预报中的一个关键技术—繁殖长度进行了研究。结果表明:相对于控制预报,利用增长模繁殖法制作的集合预报对台风路径预报的技巧水平有了很大提高。集合预报中采用不同的繁殖长度对台风路径预报效果有一定影响。繁殖长度取2 d和3 d集合预报效果相对于控制预报都有很大提高。繁殖长度取为2 d时,集合离散度较小,取为3 d时较合理,取为4 d时,离散度较大。对台风路径的预报采用集合选择平均后,繁殖2 d和繁殖3 d的集合预报系统的预报效果都优于控制预报。从综合集合预报效果分析,繁殖长度取为3 d更合适。当集合预报中繁殖长度取为3 d时,在预报的前3天,台风路径集合预报误差基本维持在100 km,第4天误差也只接近300 km。相对于控制预报,集合预报的改进率在预报的2～4 d基本超过了60%,甚至可达到70%。     

GRAPES-TCM业务试验结果分析

应用数值模式GRAPES-TCM2.1（GT2.1）的升级版GRAPES-TCM2.6（GT2.6）对2005年西北太平洋及南海热带气旋路径进行了后报试验和性能检验。在检验预报路径时考察了平均距离误差、系统偏差、距离误差的地理分布和平均移速误差,并在总体检验的基础上,根据与热带气旋路径相关的重要因素（路径类型、强度、有无登陆过程以及有无移向或移速突变）进行了分类检验。结果表明,GT2.6表现出良好的预报性能,其对所有样本的24、48和72小时平均距离误差分别为135.8、230.7和336.0km,但前12小时距离误差较大（近100km）。用系统偏差订正GT2.6对转向类样本的预报路径可获得明显的改进。GT2.6对130°E以西区域特别是靠近我国东南沿海的热带气旋路径预报表现较好。GT2.6的总体平均预报移速在48小时内都比最佳路径移速偏快,初始的12小时内偏快最多（近1m·s^-1）,在48小时后转为偏慢。GT2.6和GT2.1的前48小时路径预报性能的稳定性相当,总体误差特征相似,GT2.6对所有样本的48小时预报有显著改进,平均距离误差减小17km。初步分析表明,对GT2.6的改进应主要集中在数值预报初始场的改进方面,比如在初始化过程中采用较准确的涡旋分离方案、加入引导向量改进初始移动以及适当考虑加入非对称Bogus涡旋;扩大预报区域,并适当选取预报区域起始位置等。     

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。     

AREM模式两种初值扰动方案的集合降水预报试验及检验

基于我国科学家自主开发的AREM区域中尺度模式,考虑模式初值的不确定性,初步建立起11个成员37 km分辨率覆盖全国大部地区的短期集合预报系统。采用两套初值扰动试验方案(降尺度方案和BGM方案)分别进行了批量试验,试验结果表明:(1)通过对集合预报离散度和概率预报的检验,表明采用区域模式自身孵化循环产生的初始扰动明显优于直接使用全球集合预报提供的初始扰动。(2)无论采用哪种初值扰动方案,基于集合预报方法的集合平均预报、概率预报等均优于单一的确定性预报和业务预报。(3)离散度与集合平均预报误差的面平均有较好的对应关系;离散度与预报误差的空间相关系数平均为40%～45%。(4)目前集合预报系统离散度与预报误差相比偏小,其部分原因在于没有考虑模式物理过程的不确定性,这将在下一步的工作中逐步改进。     

B08RDP区域集合预报温度场质量评估与综合偏差订正

针对B08RDP(The Beijing 2008 Olympics Research and Development Project)5套区域集合预报资料,系统分析了各套集合预报温度场的预报质量。在此基础上运用集合预报的综合偏差订正方法对温度场进行偏差订正,并对其效果进行了分析讨论。结果显示:5套B08RDP区域集合预报中,美国国家环境预报中心(NCEP)区域集合预报温度场的整体预报质量最高,平均预报误差最小,离散度也最为合理,预报可信度和可辨识度均较优;而中国气象科学研究院(CAMS)的温度预报误差过大,预报质量最差。整体上看,除NCEP之外的4套集合预报的温度场均存在集合离散度偏小的问题;综合偏差订正能有效减小各集合预报温度场的集合平均均方根误差,改善集合离散度的质量,显示出综合偏差订正方案对集合预报温度场偏差订正的良好能力。     

双台风相互作用及其影响

采用三维变分混合同化方法对双台风菲特（1323）和丹娜丝（1324）、天鹅（0907）和莫拉克（0908）进行数值模拟,并在此基础上,采用移除双台风中任一台风和增强或减弱任一台风的方法,对双台风的相互作用进行了敏感性试验。结果表明:台风丹娜丝的作用导致台风菲特路径偏南,移速偏慢;台风菲特的作用导致台风丹娜丝路径偏北,移速变化不大。双台风相互作用使台风菲特和丹娜丝强度发生变化。在台风菲特强盛阶段强度更强,减弱消亡阶段强度更弱。2013年10月6-9日我国华东地区出现的强降水主要受台风菲特影响,台风丹娜丝使降水强度增强、强降水中心位置偏南。双台风相互作用使台风天鹅移向偏南,移速偏快,但台风天鹅对台风莫拉克的移向、移速影响不大;台风天鹅路径盘旋曲折,每次移向的变化都与台风莫拉克有关;台风天鹅打转程度与台风莫拉克的强度呈正相关,双台风间存在涡度、水汽通量等的相互影响及输送机制。     

热带气旋奇异向量在GRAPES全球集合预报中的初步应用

基于副热带奇异向量的初值扰动方法已应用于GRAPES （Global and Regional Assimilation PrEdiction System）全球集合预报系统,但存在热带气旋预报路径离散度不足的问题。通过分析发现,热带气旋附近区域初值扰动结构不合理导致预报集合不能较好地估计热带气旋预报的不确定性,是路径集合离散度不足的可能原因之一。通过建立热带气旋奇异向量求解方案,将热带气旋奇异向量和副热带奇异向量共同线性组合生成初值扰动,以弥补热带气旋区域初值扰动结构不合理这一缺陷,进而改进热带气旋集合预报效果。利用GRAPES全球奇异向量计算方案,以台风中心10个经纬度区域为目标区构建热带气旋奇异向量求解方案,针对台风“榕树”个例进行集合预报试验,并开展批量试验,利用中国中央气象台最优台风路径和中国国家气象信息中心的降水观测资料进行检验,对比分析热带气旋奇异向量结构特征和初值扰动特征,评估热带气旋奇异向量对热带气旋路径集合预报和中国区域24 h累计降水概率预报技巧的影响。结果表明,热带气旋奇异向量具有局地化特征,使用热带气旋奇异向量之后,热带气旋路径离散度增加,路径集合平均预报误差和离散度的关系得到改善,路径集合平均预报误差有所减小,集合成员更好地描述了热带气旋路径的预报不确定性;中国台风降水的小雨、中雨、大雨、暴雨各量级24 h累计降水概率预报技巧均有一定提高。总之,当在初值扰动的生成中考虑热带气旋奇异向量后,可改进热带气旋初值扰动结果,并有助于改善热带气旋路径集合预报效果。      

一次登陆台风的集合预报试验

选取0713号台风"韦帕"临近登陆过程为试验个例,在GRAPES_TCM模式基础上,采用增长模繁殖法(BGM)分别对台风涡旋场和环境场进行扰动来构造集合成员,进行集合预报,作为对台风数值预报方法的一种新的尝试。试验结果表明:通过BGM的动力调整后,成员间体现出不同的扰动形态,使得在后期的预报中产生合适的集合离散度。在台风登陆前后,大尺度平均位势高度场和风场以及集合系统的离散度均发生了明显的变化,可以看到大尺度环境场引导作用的差异使得成员间对台风路径的预报各不相同,体现了预报的不确定性。对路径预报而言,简单的算术平均并没有优于控制预报的表现,但通过聚类分析后,可以提高集合产品的使用效率。从中可以得到一点启发:怎样利用集合系统提供的大量信息值得进一步思考,聚类分析不失为一种改善集合预报产品利用效率的有效方法。     

深圳对流尺度集合预报系统对台风降水预报的检验评估

目前数值模式对台风降水预报的准确率仍有待提高。为了评估深圳对流尺度集合预报系统对台风降水预报能力,选取了2015—2018年共14个影响广东台风个例,利用广东省2 300多个自动气象观测站的24小时累计降水观测资料,检验该系统的集合预报方法(含集合平均方法和概率匹配平均方法)和控制预报方法的24小时降水预报结果。(1)系统对台风24小时降水预报具有较好参考价值,三种方法的暴雨等级预报TS评分均达到0.39以上。(2)集合预报方法总体上优于控制预报方法,可改善珠江口两侧暴雨中心降水预报。其中集合平均方法总体预报效果最好,其降水预报均方根误差为38.1 mm,比控制预报方法减少18.8%,对暴雨等级预报TS评分为0.469比控制,预报方法提升20.1%,但是对特大暴雨等级预报能力不足;而概率匹配平均方法改善了小雨和特大暴雨的预报能力。(3)系统对较强台风的降水预报能力优于弱台风。在较强台风情形下,系统对粤东暴雨中心降水预报明显偏小且控制预报方法偏差最大,其他地方降水预报偏大为主;在弱台风情形下,系统对降水预报存在明显系统性偏大,但对粤西暴雨中心降水预报明显偏小且控制预报偏差最大。      

对流尺度集合预报中模式地形扰动对其预报技巧的影响研究

基于在重庆市气象局业务运行的对流可分辨尺度(3 km)集合预报系统,在已有初值扰动、模式物理过程扰动和侧边界扰动的基础上,对不同集合成员采用不同地形插值方案和地形平滑方案实现对模式静态地形高度的扰动,体现数值模式中地形转换过程的不确定性,开展集合预报批量平行试验。结果表明:(1)实现对模式静态地形高度的扰动后,各集合成员地形高度的离散度与实际地形的起伏程度对应关系较好,两者空间分布特征非常相似,地形较平坦的平原地区离散度较小,而地形较复杂的高原地区或山区离散度较大;(2)加入模式地形扰动方案后,集合扰动能量总体上有所增大,且低层比中、高层更明显,能量增幅在较短预报时效(12 h)内最显著,随着预报时效延长呈逐渐减小趋势,且能量增幅大值中心主要出现在地形较复杂、集合成员地形高度离散度较大地区;(3)模式地形扰动方案一定程度上能提高降水概率预报技巧及改进集合平均降水预报,在对高空要素和2 m温度、10 m风场等近地面要素的集合平均均方根误差和集合离散度无负面影响的前提下,能一定程度上优化集合分布。     

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。     

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。     

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。