0915號臺風“巨爵”不同風場資料對比研究

王文娟，梁昌霞，李廣敏，俞勝賓，馮偉忠，吳迪生

（國家海洋局南海預報中心，廣東廣州 510310）

0915號臺風“巨爵”不同風場資料對比研究

王文娟，梁昌霞，李廣敏，俞勝賓，馮偉忠，吳迪生

（國家海洋局南海預報中心，廣東廣州 510310）

0915號臺風“巨爵（Koppu）”于2009年9月15日07時在廣東臺山登陸，給受災地區(qū)人民生命財產(chǎn)安全造成了巨大的損失。為研究臺風風場各計算方法的準確度，本文利用多種計算模型，以及海洋站的實測風速，對各方法得到的風場結(jié)構(gòu)、各站最大風速和風速過程曲線等進行了對比分析。結(jié)果表明：MM5預報風場在臺風中心計算強度偏小，但比NCEP資料結(jié)果更接近實況，而對于臺風外圍風場而言，MM5預報結(jié)果在臺風左側(cè)比NCEP結(jié)果要明顯小，在右側(cè)則普遍偏大。采用MM5和經(jīng)驗法進行再構(gòu)造后的風場結(jié)果表明，雖然對于整個風場結(jié)果的刻劃更加完整，但在量值上，相對于MM5預報風場而言并沒有明顯改進。結(jié)論：本次臺風期間MM5模式的預報風場較好，經(jīng)驗法再構(gòu)造風場對其改進效果不明顯。

0915號臺風；風場；數(shù)值預報；經(jīng)驗計算

1 引言

2009年第15號臺風“巨爵”于9月13日凌晨在菲律賓北部海面生成，14日10時加強為強熱帶風暴，17時加強為臺風，15日07時在廣東臺山登陸，10時減弱為強熱帶風暴，14時減弱為熱帶風暴，23時減弱為熱帶低壓，16日08時停止編號。

“巨爵”具有強度變化快、移動快、影響范圍廣、降雨強度大等特點，其引起的臺風風暴潮（含近岸浪）導致廣東省、廣西壯族自治區(qū)和海南省沿海受災，直接經(jīng)濟損失24.04億元，死亡（含失蹤）19人[1]。

0915號臺風期間，我單位利用MM5業(yè)務化海洋風場數(shù)值預報系統(tǒng)對臺風的移動路徑、強度變化及登陸地點等進行了預報。綜合各種臺風風場研究方法[2～4]，針對本次風場結(jié)構(gòu)和風速的預報結(jié)果，采用NCEP再分析資料、改進型Jelesnianski（杰氏）經(jīng)驗公式計算風場、MM5預報結(jié)果、MM5和改進杰式風場再構(gòu)造風場、海洋站實測資料，進行對比分析，研究這次預報的準確度，以及各種計算風場方法的利弊，以期找到一種切實可用的方法以便于提高預報精度，進而提高風暴潮和海浪等要素的預報精度，在下一步的工作中進行業(yè)務化應用。

2 0915臺風發(fā)展過程簡析

2.1 實況結(jié)果

2009年第15號臺風“巨爵”于9月13日凌晨在菲律賓北部海面生成，14日02時，其中心位于19.95°N、116.65°E，中心氣壓996.5 hPa，中心附近最大風力8級（20.7 m/s），臺風中心以15.9 km/h左右的速度向西北方向移動，強度逐漸加強。15日00時其中心位置抵達21.2°N，113.6°E，中心氣壓 965 hPa，近中心最大風速38 m/s，移向WNW，移速增至20 km/h，七級大風圈半徑260 km，十級大風圈半徑80 km。9月15日02時到達21.4°E，113.30°N，也就是珠江口西北方向約76.68 km附近的海面上，中心氣壓965 hPa，近中心最大風速38 m/s，相當于風力13級。9月15日07時，臺風中心在21.85°N、112.3°E處登陸，登陸時臺風中心氣壓967.5 hPa，近中心最大風速35 m/s，相當于風力12級，登陸后臺風繼續(xù)向西北方向移動，強度逐漸減弱，登陸后11小時，也就是9月15日18時，臺風中心移至22.8°N、110.05°E，中心氣壓升至990 hPa，近中心最大風速降為20 m/s，相當于風力8級，臺風強度已經(jīng)明顯減弱，對珠江口的影響也明顯減弱（見圖1）。

圖1 0915號臺風移動路徑及觀測站點位置示意圖

2.2 預報結(jié)果

2009年9月10日，位于菲律賓東面洋域有一熱帶云團，我中心MM5業(yè)務化海洋風場數(shù)值預報系統(tǒng)于9月12日上午開始預報，這一熱帶氣旋逐加強，并進入南海，將在廣東省登陸（見圖2）。9月13日上午再次預報，0915號熱帶風暴繼續(xù)加強，將在珠江口附近登陸（見圖2）。

9月14日上午繼續(xù)進行預報（見圖3），預報結(jié)果顯示0915號臺風將于15日07時在珠海至陽江附近登陸。

本次準確預報了0915號臺風進入南海的趨勢，且對其臺風強度變化、移動路徑及登陸地段的預報均較好。

3 各方法對風場結(jié)構(gòu)的刻劃

3.1 NCEP再分析風場

美國環(huán)境預報中心（NCEP）的FNL資料分辨率較高且融合了大量的觀測資料及衛(wèi)星反演資料，被廣泛用于數(shù)值模式及天氣、氣候的診斷分析研究中。

本文采用NCEP FNL資料進行0915號臺風期間的風場分析，資料分辨率為1°×1°，數(shù)據(jù)為每6小時一次。圖4是利用該資料得到的臺風登陸前（9月15日02時）和登陸后（9月15日08時）的風場結(jié)構(gòu)圖。需要說明的是，本文中的各種風場資料均采用Cressman插值方法插值到0.1°×0.1°的分辨率后再進行分析。

圖中長實線為實際臺風移動路徑，圓點為該時刻實測臺風中心位置（下同）。由圖可以看出，NCEP再分析資料能夠較準確地反映大范圍的風場結(jié)構(gòu)特征，但由于其空間分辨率較低，在臺風中心的風場準確度低，對于臺風中心的刻劃不夠清晰，中心風速值顯著小于實際風速（15日02時和08時實際最大風速分別為38 m/s和35 m/s，10級大風半徑均為80 km）。

3.2 改進型杰式經(jīng)驗風場

經(jīng)驗臺風場是利用臺風的一些主要參數(shù)，如最大風速半徑、中心氣壓、最大風速等，通過經(jīng)驗公式計算得到臺風風場。本文在Jelesnianski（杰氏）經(jīng)驗臺風計算公式[5]中加入相應的7級和10級大風半徑，以更好地反演臺風風場。

改進Jelesnianski（杰氏）經(jīng)驗臺風計算公式如下：

圖2 13日04時（a）和14日04時（b）數(shù)值預報結(jié)果圖

圖 3 15日04時（a）和07時（b）數(shù)值預報結(jié)果圖

圖4 0915號臺風NCEP再分析風場

式中，W為計算點風速，r為臺風中心到計算點的距離，u，v為臺風移動速度在x，y軸的分量，W10、W7分別是10級，7級風速；WMAX為臺風最大風速，R10、R7分別是10級、7級大風半徑，由臺風資料給出；θ為流入角，在本報告中θ=15o；(xc,yc)為臺風中心坐標；(x ,y)為計算點的坐標。

圖5 0915號臺風改進型杰式經(jīng)驗風場

圖6海面10 m高度風場MM5數(shù)值預報結(jié)果

圖7 0915號臺風MM5風場與改進型杰式經(jīng)驗風場再構(gòu)造后的風場結(jié)構(gòu)

利用該計算方法得出的風場結(jié)構(gòu)見圖5。由圖可見，改進型杰式經(jīng)驗方法可以比較好的模擬臺風中心附近的旋轉(zhuǎn)風，但是在離臺風中心比較遠的地方，由于氣旋風場的減小，背景風場的影響增大，在這些區(qū)域用經(jīng)驗公式計算的風場與NCEP再分析風場差異較大。

3.3MM5數(shù)值預報風場

本中心已實現(xiàn)美國中尺度天氣預報模式MM5的業(yè)務化運行，每天2次給出逐時風場預報結(jié)果，每次預報時效為72小時。利用0915臺風期間的數(shù)值預報結(jié)果，對MM5的預報效果進行分析，15日02時和08時的風場預報結(jié)果見圖6。

對比圖4和圖6可知，MM5風場對于臺風結(jié)構(gòu)的刻劃，較之NCEP再分析風場更為完整，其臺風中心和外圍刻劃都更為細膩。對于外圍風場而言，MM5預報風場與NCEP再分析風場有所差別，臺風左側(cè)風場，MM5結(jié)果比NCEP結(jié)果要明顯小，而臺風右側(cè)風場，MM5模擬結(jié)果要大于NCEP結(jié)果。MM5模型對于臺風路徑的預報準確度還不夠，以本次臺風為例，MM5預報的臺風路徑比實際位置要偏東北。15日08時，MM5預報的臺風中心位置位于22.66°N，113.17°E，實況顯示其中心位置為22°N，112.1°E，二者相差約133 km。

3.4 MM5預報風場與經(jīng)驗風場的再構(gòu)造

考慮業(yè)務化應用的需求，針對MM5預報結(jié)果和經(jīng)驗臺風計算結(jié)果中存在的不足，利用改進的Jelesnianski（杰氏）經(jīng)驗臺風公式計算的臺風和MM5預報風場，進行新臺風風場構(gòu)造，構(gòu)造公式

如下：

對比圖5、圖6和圖7可知，構(gòu)造后的風場與構(gòu)造前各風場相比，對于臺風結(jié)構(gòu)的刻劃有所改進。由于采用經(jīng)驗方法進行了修正，MM5風場和經(jīng)驗風場構(gòu)造后的臺風移動路徑與實際臺風路徑一致。在臺風中心，構(gòu)造后風場與經(jīng)驗風場幾乎完全吻合，說明臺風中心處的風場結(jié)構(gòu)仍由經(jīng)驗風場決定，側(cè)面反映出MM5風場結(jié)果對臺風中心的反映力度不夠。

4 各風場與實測資料對比分析

4.1 各方法所得最大風速比較分析

0915號臺風在廣東臺山登陸，選取5個海洋站（沿廣東沿岸自東向西依次為遮浪、珠海、臺山、閘坡、硇洲，見圖1），對各站實測臺風過程進行分析。

表1 0915號臺風各方法所得各站最大風速及誤差分析

圖8 0915號臺風期間各海洋站實測風速曲線

上述5個海洋站的實測風速曲線見圖8。由圖可知，各海洋站風速達到最大的時間，最早的為遮浪站，然后依次為珠海、臺山、閘坡站，最晚的為硇洲站。該順序正好與各海洋站從北向南的地理分布一致，這與臺風移動路徑及各海洋站相對于臺風的位置有關(guān)。

各海洋站采用不同方法獲得的最大風速見表1，其誤差項均是與海洋站實測資料對比所得。由表1可知，由NCEP再分析資料提取的各站最大風速均明顯小于實測最大風速，誤差為-2.8～-10.6 m/s。改進型杰式經(jīng)驗公式計算得到的最大風速，在臺風登陸附近的臺山站的計算結(jié)果較好，誤差僅為-0.2 m/s，而在珠海、閘坡和硇洲站，較之實測值明顯偏大。對MM5預報風場而言，臺風登陸附近的臺山站及其鄰近的閘坡站的預報最大風速明顯小于實測值，誤差分別為-15.8 m/s和-7.7 m/s，對其他3個站點而言預報結(jié)果較好，誤差在-1.4～0.6 m/s范圍內(nèi)。對由MM5和改進型杰式經(jīng)驗公式構(gòu)造后的風場而言，在臺山站最大風速的計算結(jié)果比MM5預報結(jié)果好得多，而構(gòu)造風場對于其他站點的預報較之經(jīng)驗風場也普遍更接近于實測。綜合各方法計算所得最大風速結(jié)果，就與實測值相比的平均誤差而言，平均誤差最大為NCEP再分析風場，為-8.8 m/s，構(gòu)造風場的平均誤差最小，為3.3 m/s，經(jīng)驗法和MM5所得風場的平均誤差分別為4.4 m/s和-4.6 m/s；就與實測值相比的平均相對誤差而言，NCEP再分析資料的值仍最大，為41.5%，改進型杰式經(jīng)驗風場次之，為33.7%，MM5預報風場和構(gòu)造風場的平均相對誤差近似，分別為22.1%和22.0%。

4.2 各站臺風風速過程曲線比較分析

對各海洋站而言，采用不同方法獲得的風速過程曲線見圖9。根據(jù)各過程曲線可知，在風速達到最大風速之前（即臺風成長過程中），MM5預報風速和NCEP再分析結(jié)果普遍比其他方法得到的結(jié)果更接近于實測值，但是當風速達到最大風速之后，MM5預報風速普遍比實測值偏大。且MM5預報的最大風速出現(xiàn)時間也與實況有所差別，臺山、珠海和硇洲站，預報達到最大風速時刻比實況提前，而閘坡和遮浪站則推遲。

經(jīng)驗風場的逐時計算結(jié)果盡管趨勢較好，但是量值上來講，在臺風成長過程中并不如MM5預報結(jié)果好，其風速與實況相比普遍偏大，這主要是由于其風速衰減速率太小的緣故[7]。而經(jīng)過再構(gòu)造后的風場，其結(jié)果僅對硇洲站而言與經(jīng)驗風場相比有所改進，其余站點上，與經(jīng)驗風場基本一致。說明對本次臺風過程，采用上述改進型杰式風場和MM5預報風場再構(gòu)造的方法，其風場計算改進效果不明顯。

5 結(jié)論

對于0915號臺風而言：

圖9 各海洋站臺風期間風速曲線對比圖（NCEP資料為6 h一次）

（1）NCEP再分析風場對于對于臺風外圍風場反映較好，但是臺風中心風場反映強度不夠；經(jīng)驗風場對于臺風中心風場反映較好，但是在臺風外圍風場計算結(jié)果明顯偏大；

（2）MM5預報風場在臺風中心計算強度也偏小，但是總體比NCEP資料結(jié)果更接近實況；對臺風外圍風場而言，MM5預報結(jié)果在臺風左側(cè)比NCEP結(jié)果普遍偏小，在右側(cè)則普遍偏大。考慮到本次MM5風場為業(yè)務化預報結(jié)果，總體來說預報結(jié)果還是比較好的；

（3）采用MM5和經(jīng)驗法進行再構(gòu)造后的風場結(jié)果，雖然對于整個風場結(jié)構(gòu)的刻劃更加完整，但在量值上，相對于MM5預報風場而言改進效果不明顯。

[1]國家海洋局.中國海洋災害公報(2009年)[R].2010.

[2]楊支中,沙文鈺,朱首賢等.一種新型的非對稱臺風海面氣壓場和風場模型[J].海洋通報,2005,24(1):62-68.

[3]黃小剛,費建芳,張根生等.一種臺風海面非對稱風場的構(gòu)造方法[J].熱帶氣象學報,2004,20(2):129-136.

[4]陳潔,湯立群,申錦瑜等.臺風氣壓場與風場研究進展[J].海洋工程,2009,27(3):136-142.

[5]Jelesnianski C P.Numerical computation of storm surges without bottom stress[J].Mon Wea Rev,1966,94(6):374-379.

[6]張志旭,齊義泉,施平等.最優(yōu)化插值同化方法在預報南海臺風浪中的應用[J].熱帶海洋學報,2003,22(4):34-41.

[7]陳孔沫.一種計算臺風風場的方法[J].熱帶海洋,1994,13(2):41-48.

Studies on sea surface wind fields of TY0915(Koppu)derived from various methods

WANG Wenjuan,LIANG Changxia,LI Guangmin,YU Shengbin,FENG Weizhong,WU Disheng
(South China Sea Marine Prediction Center of SOA,Guangzhou 510300 China)

TY0915(Koppu)landed at around 7:00 a.m.at Taishan City,Guangdong Province,causing great loss of lives and properties in the affected areas.Various wind filed calculation methods and marine stations’in-situ wind observations were used to study the calculation velocity.Comparison and analysis for wind filed structure,maximum value and time series of wind speed for marine stations were made.It was shown that in typhoon central area the wind intensity forecasted by MM5 was weaker than that observed,while it was still closer to the observation than NCEP data.In left part of the periphery of typhoon,MM5 forecast wind speed was mostly smaller than NCEP data,while in right part MM5 result was generally larger.Studies on the wind filed regenerated from MM5 model and Jelesnianski’s method showed a finer description of the whole wind field structure,while the regenerated result had little improvement compared with MM5 result in view of quality.The conclusion was:the wind filed obtained from MM5 forecasting was preferable for TY0915,and the regenerated wind field showed unobvious improvement compared with MM5 result.

TY0915;wind filed;numerical forecast;empirical simulation

P444

A

1003-0239（2011）02-0009-09

2010-05-12

2008年度國家海洋局南海分局海洋科學技術(shù)局長基金（0881）。

王文娟（1983-），女，助理工程師，主要從事海洋環(huán)境數(shù)值預報研究工作。E-mail:wenjuanw06@hotmail.com