物理初值化在台风数值天气预报中的应用试验

根据P.R.Julian(1984)的物理初值化方法，利用有限区数值预报模式，针对台风系统的预报做了物理初值化试验。结果表明，物理初值化不但可以改善台风、低压和副高区域的初始流场形势以及初始降水率，而且可以改善台风强度的发展变化过程和路径的预报，是一种有效可行的方法。     

基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋路径集合预报研究

构建了一个基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋集合预报系统，通过积云参数化方案和边界层参数化方案的9个不同组合，采用MM5模式进行了不同时间的短时预报。对预报结果使用“镜像法”得到18个初始成员，为同化提供初始背景集合。将人造台风作为观测场，同化后的结果作为集合预报的初值，通过不同参数组合的MM5模式进行集合预报。对2003～2004年16个台风个例的分析表明，初始成员产生方法能够对热带气旋的要素场、中心强度和位置进行合理扰动。同化结果使台风强度得到加强，结构更接近实际。基于同化的集合路径预报结果要优于未同化的集合预报。使用“镜像法”增加集合成员提高了预报准确度，路径预报误差在48小时和72小时分别低于200 km和250 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。     

热带气旋路径动力释用预报的集合预报方案

考虑到热带气旋中心定位的不确定以及热带气旋（以下简称ＴＣ）路径动力释用预报对ＴＣ中心位置初值的敏感性,本文以ＴＣ路径动力释用预报方案为基础,应用集合预报原理构造了具有５０个成员的集合预报试验方案,经１９９７和１９９８年１５个ＴＣ的１１８次试验对比,结果表明,５０个成员的集合预报方案２的改进效果较好,其平均距离误差较业务预报的平均距离误差有较显著的减小。集合预报原理应用于ＴＣ路径动力释用预报的可行性     

基于物理约束扰动的EnSRF雷达资料同化

在完善WRF集合均方根滤波同化系统的双向嵌套预报方案、雷达资料质量控制方案和多微物理过程积分方案的基础上,引入了一种扰动势函数、流函数的尺度较小、物理意义更明显的集合初始扰动新方案.通过台风“桑美”登陆过程中的多普勒雷达资料直接同化试验,对比新扰动方案与目前应用较多的背景误差协方差随机扰动和全场随机扰动方案,对集合滤波同化效果的影响.试验结果表明,3种初始扰动方案都有效改善了台风内部结构,但新方案由于尺度更小、结构更为合理,其同化效果也更为显著,提高了对台风路径、中心最低气压、最大风速及降水的预报质量.     

国家气象中心台风数值模式的改进及其应用试验

在国家气象中心台风数值模式中进行了扩大预报区域,两次嵌入人造台风模型和模式网格初始移动3个方案试验。试验结果表明:3个方案对台风路径预报效果都有所改进。该文还介绍了应用国家气象中心台风数值模式进行台风中心强度预报的进展。     

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。      

Ensemble Forecast for Tropical Cyclone Based on CNOP-P Method: A Case Study of WRF Model and Two Typhoons

In this paper, we set out to study the ensemble forecast for tropical cyclones. The case study is based on the Conditional Nonlinear Optimal Perturbation related to Parameter (CNOP-P) method and the WRF model to improve the prediction accuracy for track and intensity, and two different typhoons are selected as cases for analysis. We first select perturbed parameters in the YSU and WSM6 schemes, and then solve CNOP-Ps with simulated annealing algorithm for single parameters as well as the combination of multiple parameters. Finally, perturbations are imposed on default parameter values to generate the ensemble members. The whole proposed procedures are referred to as the Perturbed Parameter Ensemble (PPE). We also conduct two experiments, which are control forecast and ensemble forecast, termed Ctrl and perturbed-physics ensemble (PPhyE) respectively, to demonstrate the performance for contrast. In the article, we compare the effects of three experiments on tropical cyclones in aspects of track and intensity, respectively. For track, the prediction errors of PPE are smaller. The ensemble mean of PPE filters the unpredictable situation and retains the reasonably predictable components of the ensemble members. As for intensity, ensemble mean values of the central minimum sea-level pressure and the central maximum wind speed are closer to CMA data during most of the simulation time. The predicted values of the PPE ensemble members included the intensity of CMA data when the typhoon made landfall. The PPE also shows uncertainty in the forecast. Moreover, we also analyze the track and intensity from physical variable fields of PPE. Experiment results show PPE outperforms the other two benchmarks in track and intensity prediction.     

国家气象中心数值预报业务的进展

在最近的１５年中，国家气象中心的数值预报业务高速度发展，预报模式从北半球模式发展为全球谱模式，并配套建立了资料同化系统和用于降水预报的有限区预报模式，暴雨和台风预报模式正在研制中。目前数值预报时效已延至７天，Ｔ６３９３丙上时的预报水平已优于的数值预报产品的应用技术在不断改进，最高（低）气温下两天ＭＯＳ预报精度已接近预报员制作的综合预报结果。     

ENSEMBLE PREDICTION EXPERIMENTS OF TRACKS OF TROPICAL CYCLONES BY USING MULTIPLE CUMULUS PARAMETERIZATION SCHEMES

Ensemble prediction experiments of the tracks of eight tropical cyclones occurring between 2004 -2006 over the western Pacific have been performed by using MM5 with five cumulus parameterizations chemes. The results show that the predictions of the tracks of the tropical cyclones are sensitive to the selection of cumulus parameterization schemes. Each scheme has its own advantage and disadvantage, and the predications without cumulus parameterization schemes are not the worst, sometimes even better than the others. And all of the three ensemble methods improve the predictions of the tracks significantly, among which the ensemble method without parameterization schemes, the Grell, Betts-Miller and Kain-Fritsch schemes are the best.     

SAMPLE OPTIMIZATION OF ENSEMBLE FORECAST TO SIMULATE TROPICAL STORMS (MERBOK, MAWAR, AND GUCHOL) USING THE OBSERVED TRACK

Nowadays, ensemble forecasting is popular in numerical weather prediction (NWP). However, an ensemble may not produce a perfect Gaussian probability distribution owing to limited members and the fact that some members significantly deviate from the true atmospheric state. Therefore, event samples with small probabilities may downgrade the accuracy of an ensemble forecast. In this study, the evolution of tropical storms (weak typhoon) was investigated and an observed tropical storm track was used to limit the probability distribution of samples. The ensemble forecast method used pure observation data instead of assimilated data. In addition, the prediction results for three tropical storm systems, Merbok, Mawar, and Guchol, showed that track and intensity errors could be reduced through sample optimization. In the research, the vertical structures of these tropical storms were compared, and the existence of different thermal structures was discovered. One possible reason for structural differences is sample optimization, and it may affect storm intensity and track.     

东海热带气旋路径预报模式业务运行结果及改进模式

统计分析了东海热带气旋路径预报模式在１９９６年、１９９７年和１９９８年三年业务运行的结果;系统地与主观预报和日本数值预报结果进行了同个例同时次的比较：对模式边界层物理过程中摩擦拖曳系数以及二次台风Ｂｏｇｕｓ技术、三维最优插值客观分析方法和资料同化等影响热带气旋移动的作用进行了试验研究;实现了间歇资料同化处理的业务化运行。     

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。     

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。     

Comparison of extended medium-range forecast skill between KMA ensemble,ocean coupled ensemble,and GloSea5

This article describes a three way inter-comparison of forecast skill on an extended medium-range time scale using the Korea Meteorological Administration (KMA) operational ensemble numerical weather prediction (NWP) systems (i.e., atmosphere-only global ensemble prediction system (EPSG) and ocean-atmosphere coupledEPSG) and KMA operational seasonal prediction system, the Global Seasonal forecast system version 5 (GloSea5). The main motivation is to investigate whether the ensemble NWP system can provide advantage over the existing seasonal prediction system for the extended medium-range forecast (30 days) even with putting extra resources in extended integration or coupling with ocean with NWP system. Two types of evaluation statistics are examined: the basic verification statistics - the anomaly correlation and RMSE of 500-hPa geopotential height and 1.5-meter surface temperature for the global and East Asia area, and the other is the Real-time Multivariate Madden and Julian Oscillation (MJO) indices (RMM1 and RMM2) - which is used to examine the MJO prediction skill. The MJO is regarded as a main source of forecast skill in the tropics linked to the mid-latitude weather on monthly time scale. Under limited number of experiment cases, the coupled NWP extends the forecast skill of the NWP by a few more days, and thereafter such forecast skill is overtaken by that of the seasonal prediction system. At present stage, it seems there is little gain from the coupled NWP even though more resources are put into it. Considering this, the best combination of numerical product guidance for operational forecasters for an extended medium-range is extension of the forecast lead time of the current ensemble NWP (EPSG) up to 20 days and use of the seasonal prediction system (GloSea5) forecast thereafter, though there exists a matter of consistency between the two systems.     

2002年西北太平洋和南海热带气旋路径主客观预报评价

利用目前中央气象台热带气旋路径实时业务预报中使用的各种主客观预报产品资料,对2002年西北太平洋和南海热带气旋路径实时业务预报中的主客观预报进行对比分析检验。结果显示：虽然在整体上主观预报要优于客观模式的结果,但客观模式的预报能力已接近主观预报,有时甚至还好于主观预报,特别是48小时以上时效的客观模式较主观预报具有一定的优势;而在客观模式中,全球模式优于台风模式;热带气旋路径数值模式产品的使用对提高热带气旋路径业务预报水平具有十分重要的作用。     

基于CNOP方法的台风目标观测中三种敏感区 确定方案的比较研究

在目标观测中,敏感区的确定是个关键性的问题。本文详细研究了如何用条件非线性最优扰动（CNOP）方法确定敏感区。提出了三种确定敏感区的方案:水平投影方案、单点能量投影方案以及垂直积分能量方案。比较了三种方案确定的敏感区的差异,分析了它们所阐释的物理意义,讨论了它们的优缺点,并通过理想回报试验考查了不同方案确定的敏感区的有效性。对六个台风个例的应用结果显示,单点能量投影方案与垂直积分能量方案下识别的敏感区较为相似,二者与水平投影方案确定的敏感区则有较大的区别。两种能量方案确定的敏感区更多地反映了环境场对台风的影响,而水平投影方案则反映了台风自身对流不对称性结构对台风发展变化的影响。理想回报试验结果表明,由两种能量方案确定的敏感区对预报误差能量的减小程度以及路径预报的改善程度都要大于水平投影方案确定的敏感区的效果,且垂直积分能量方案确定的敏感区的有效性最高。而在强度预报方面,三种方案对预报效果的改善程度相当。因此,总的说在台风目标观测研究中,利用CNOP方法确定敏感区时,垂直积分能量方案是较佳的方案。     

台风路径相似预报模式的改进与实践

本文对HURRAN模式做了业务性改进。①按具体情况设定不同长度的持续性作用时间;②根据背景形势的情况和预报经验决定相应的权重得分,最后按照权重得分综合出相应的预报路径及相应的概率椭圆, 实践表明,改进后的效果是明显的。路径预报方向误差显著减小,但在台风转向前后移速的预报误差仍较大。     

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。     

边界层参数化方案对“莫兰蒂”台风（1614）登陆阶段影响的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率（1.33 km）数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风“莫兰蒂”（1614）登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响,结果表明:（1）“莫兰蒂”台风登陆减弱阶段,不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著,24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 m s?1及241 mm;（2）Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近,GBM、YSU和MYJ方案分别次之,ACM2和UW方案再次之,而QNSE方案最差;UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近;不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征,这与实况一致,但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况,而台风登陆后却又不及实况;（3）Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优,MYJ方案次之;而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快,各量级降水TS评分均较差;（4）综合台风路径、强度和降水模拟,Boulac和MYJ方案相对最优,其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优,而MYJ方案在台风强度模拟上更优;YSU和GBM方案次之,而QNSE、UW和ACM2方案相对较差;（5）不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同,进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言,QNSE方案潜热通量相对异常偏高,MYJ和Boulac方案量值适中,其余方案相对偏低;QNSE方案感热通量相对略偏高,MYJ方案适中,其他方案则相对显著偏低;（6）不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同,其中Boulac方案具有较明显优势,尤其是对日间边界层结构的模拟。