數(shù)值資料在北太平洋魷釣區(qū)洛克臺(tái)風(fēng)大風(fēng)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用與分析

丁 駿 王 晶 王 勤

(1.浙江大學(xué)，浙江杭州310012;2.浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，浙江杭州310012)

0 引言

浙江省漁船北太平洋魷釣作業(yè)海區(qū)主要位于37°N ～48°N，150°E ～ 180°E，該區(qū)域可劃分為 A1，A2，B1，B2，C1，C2 6 個(gè)預(yù)報(bào)海區(qū)(圖1)。據(jù)浙江省海洋與漁業(yè)局文件顯示，浙江省2008年在北太平洋魷釣海區(qū)捕撈魷魚的遠(yuǎn)洋漁船178艘，每艘漁船大多為30人以上，魷釣?zāi)昶骄a(chǎn)量穩(wěn)定在10萬t以上，占全省遠(yuǎn)洋漁業(yè)產(chǎn)量40%強(qiáng)。

圖1 臺(tái)風(fēng)路徑、北太作業(yè)海區(qū)和志愿觀測(cè)船分布圖

該魷釣作業(yè)海區(qū)冬季是溫帶氣旋爆發(fā)性發(fā)展最頻繁的海域，而夏季則經(jīng)常受北上臺(tái)風(fēng)影響，所以常年出現(xiàn)較大風(fēng)浪的概率高。根據(jù)上海臺(tái)風(fēng)研究所CMA-STI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集的普查分析發(fā)現(xiàn)，影響北太平洋魷釣作業(yè)海區(qū)的臺(tái)風(fēng)(本文指經(jīng)過作業(yè)海區(qū)的臺(tái)風(fēng))主要集中在7—10月。在1949—2010年的7—10月共有99個(gè)影響北太平洋魷釣作業(yè)海區(qū)的臺(tái)風(fēng)(表1)，平均每年1.6個(gè)。其中7月9個(gè)，8月23個(gè)，9月42個(gè)，10月25個(gè)。

在這99個(gè)影響北太平洋魷釣作業(yè)海區(qū)臺(tái)風(fēng)中，有27個(gè)臺(tái)風(fēng)在北上的過程中，強(qiáng)度最強(qiáng)出現(xiàn)在30°N以北，占所有臺(tái)風(fēng)的27.3%。其中有一個(gè)7214號(hào)臺(tái)風(fēng)在北緯30°N以北達(dá)到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的級(jí)別;臺(tái)風(fēng)在這一區(qū)域的影響時(shí)間長(zhǎng)，范圍廣，所以做好臺(tái)風(fēng)影響期間的風(fēng)浪預(yù)報(bào)服務(wù)尤為重要。

為了更好地做好該海區(qū)的風(fēng)浪觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)工作，浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心從2011年起在3艘遠(yuǎn)洋漁船上安裝了氣象觀測(cè)設(shè)施，主要觀測(cè)要素為氣溫、氣壓、水溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向和風(fēng)速。本文將該資料結(jié)合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中常用的數(shù)值預(yù)報(bào)和分析資料，討論如何在預(yù)報(bào)中加以應(yīng)用，取得較好的預(yù)報(bào)效果。

表1 1949—2010年7—10月影響北太魷釣區(qū)臺(tái)風(fēng)

1 資料和方法

本文以2011年的15號(hào)臺(tái)風(fēng)“洛克”為例，對(duì)比分析了多種數(shù)值資料和實(shí)況資料，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整模式預(yù)報(bào)方案，以期獲得較好的預(yù)報(bào)效果。本文使用的資料有金海827、浙遠(yuǎn)東616和舟遠(yuǎn)615 3艘遠(yuǎn)洋志愿船在2011年9月22—25日期間的逐時(shí)觀測(cè)資料;NCEP1°×1°的FNL和GFS再分析資料;基于初始場(chǎng)和側(cè)邊界的WRF模式的模擬結(jié)果;日本氣象廳的石廊琦觀測(cè)站和21595，21599兩個(gè)浮標(biāo)站的實(shí)況海浪資料。

采用的方法是將 NCEP的 FNL分析場(chǎng)、WRF模式不同方案的模擬結(jié)果插值到船測(cè)資料的位置上，然后與船測(cè)資料進(jìn)行比較，從而為數(shù)值模式資料在北太平洋魷釣區(qū)風(fēng)浪預(yù)報(bào)中的使用提供有效手段和合理依據(jù)。

2 “洛克”臺(tái)風(fēng)影響期間實(shí)況分析

1115號(hào)“洛克”臺(tái)風(fēng)于2011年9月13日20時(shí)(文中時(shí)間都為北京時(shí)間)在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成?！奥蹇恕鄙珊?，先向東北方向移動(dòng)，然后轉(zhuǎn)向偏西方向。14日14時(shí)，“洛克”在日本沖繩東南海域發(fā)展成強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。19日02時(shí)，“洛克”折向偏北方向移動(dòng)，并于23時(shí)發(fā)展成臺(tái)風(fēng)。隨后，“洛克”開始向東北方向移動(dòng)，速度逐漸加快。

“洛克”臺(tái)風(fēng)在日本靜岡縣濱松市附近登陸后繼續(xù)朝東北方向移動(dòng)，并于21日開始影響北太平洋魷釣作業(yè)海區(qū)，期間浙江省有200艘魷釣船(舟山、寧波)集中在北太魷釣漁場(chǎng)A2海區(qū)即41°N ～44°N，150°E ～160°E 海域作業(yè)。

日本石廊琦在21日15時(shí)觀測(cè)到10 m以上狂濤;21599浮標(biāo)站21日18時(shí)觀測(cè)到8 m以上狂浪;21日傍晚北太作業(yè)A海區(qū)自南向北開始出現(xiàn)4 m以上巨浪。浙江省3艘魷釣志愿船分別觀測(cè)到了14.1，13.4 和13.1 m/s的最大平均風(fēng)速。

22日白天到夜間，隨著“洛克”臺(tái)風(fēng)的移近，北太作業(yè)海區(qū)風(fēng)浪也進(jìn)一步增大。雖然“洛克”于22日08時(shí)減弱為溫帶氣旋，但是其影響作業(yè)海區(qū)時(shí)中心氣壓仍有975 hPa，作業(yè)A海區(qū)出現(xiàn)6 m以上狂浪。21595浮標(biāo)站22日00時(shí)觀測(cè)到7 m以上狂浪。此時(shí)臺(tái)風(fēng)的7級(jí)風(fēng)圈半徑只有300 km，浙江省3艘魷釣志愿船都已經(jīng)撤離到距離臺(tái)風(fēng)中心500 km以外的作業(yè)海區(qū)，但還是分別觀測(cè)到了 17.5，15.1 和14.0 m/s的最大平均風(fēng)速，997.1，1000.9 和 1007.8 hPa 的最低氣壓(圖2a、圖2b所示)，“洛克”給作業(yè)的魷釣漁船帶來了較大安全威脅。

3 數(shù)值預(yù)報(bào)資料分析

由于海上實(shí)況資料稀缺，而 FNL，GFS等再分析資料的時(shí)間、空間精度不高，因此在業(yè)務(wù)中往往需要借助區(qū)域模式輸出的高分辨率資料。在使用模式結(jié)果之前，需要對(duì)其準(zhǔn)確率進(jìn)行分析。首先利用志愿船資料與FNL再分析資料進(jìn)行檢驗(yàn)分析，通過把NCEP的FNL分析場(chǎng)插值到船測(cè)資料的位置上，共獲得了從21日08時(shí)—25日08時(shí)的45個(gè)觀測(cè)資料。

3.1 風(fēng)速預(yù)報(bào)對(duì)比分析

從比較結(jié)果來看，雖然FNL資料的風(fēng)速要略大于實(shí)況監(jiān)測(cè)，但是3條船的觀測(cè)資料和FNL分析資料的相關(guān)系數(shù)均超過0.8，而且風(fēng)速隨時(shí)間的變化趨勢(shì)、大風(fēng)出現(xiàn)時(shí)段均吻合較好，因此，F(xiàn)NL資料與實(shí)況資料具有較好的吻合性。

然后，可以將FNL再分析資料作為實(shí)況資料，對(duì)模式的輸出結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。在本個(gè)例中采用了NCAR，NCEP和FSL/NOAA等聯(lián)合開發(fā)研制的細(xì)網(wǎng)格中尺度WRF數(shù)值模式。模式采用全可壓、非靜力學(xué)方程，分為歐拉高度坐標(biāo)和歐拉質(zhì)量坐標(biāo)兩種坐標(biāo)體系，水平格點(diǎn)采用Arakawa-C類格點(diǎn)。模式采用兩重嵌套，第一重的水平網(wǎng)格距別為30 km，第二重為10 km，垂直方向分為35層，最外層積分步長(zhǎng)為120 s，每1 h輸出一次模擬結(jié)果，積分時(shí)長(zhǎng)為121 h。試驗(yàn)的物理參數(shù)采用了如下的方案:WSM5類微物理方案，RRTM長(zhǎng)波輻射方案，Dudhia短波輻射方案，MYJ邊界層方案和Grell 3D積云參數(shù)化方案。一共采用了兩種方案進(jìn)行模擬，方案一是以GFS資料做為初始場(chǎng)和側(cè)邊界，側(cè)邊界每3 h更新一次;方案二是將初始場(chǎng)資料替換為fnl資料，其它不變。

在所有氣象要素中，風(fēng)速是對(duì)北太平洋魷釣漁船作業(yè)影響最為嚴(yán)重的氣象要素，風(fēng)速大小的預(yù)報(bào)對(duì)漁船選擇作業(yè)區(qū)域和作業(yè)時(shí)間有著極為重要的意義。本文用3艘志愿船的觀測(cè)數(shù)據(jù)、FNL分析資料和WRF模式的風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果來討論資料的應(yīng)用。

WRF兩種不同方案的模擬結(jié)果無論在臺(tái)風(fēng)路徑、臺(tái)風(fēng)中心強(qiáng)度以及在船測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速風(fēng)向都很接近(圖略)，所以在下面的分析中使用方案1的結(jié)果。船測(cè)資料、FNL資料和WRF模擬的結(jié)果見圖3、圖4和圖5。

模式輸出資料與船測(cè)資料的風(fēng)場(chǎng)對(duì)比來看，模擬值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)在0.55～0.77之間(表2)，全部通過了99.9%的置信度水平;24 h模擬的平均相對(duì)誤差為21.2%，48 h模擬的平均相對(duì)誤差為20.1%，72 h模擬的平均相對(duì)誤差為19.6%，96 h模擬的平均相對(duì)誤差為20.1%，24～96 h的平均相對(duì)誤差變化不大，均保持在20%左右。

表2 WRF模擬成果的風(fēng)速檢驗(yàn) m/s

模式輸出與FNL資料風(fēng)場(chǎng)的對(duì)比來看，模擬值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)在0.80～0.91之間，全部通過了99.9%的置信度水平;24 h模擬的平均相對(duì)誤差為21.6%，48 h模擬的平均相對(duì)誤差為16.0%，72 h模擬的平均相對(duì)誤差為27.9%，96 h模擬的平均相對(duì)誤差在46.9%，24～72 h的平均相對(duì)誤差變化不大，均保持在30%以內(nèi)，96 h的平均相對(duì)誤差比較大。

通過WRF模式對(duì)“洛克”臺(tái)風(fēng)的模擬和模擬輸出在3艘漁船位置上的風(fēng)場(chǎng)來看，模式能比較準(zhǔn)確地模擬出最大風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間，對(duì)船測(cè)資料24～96 h的模擬相對(duì)誤差均保持在20%左右，對(duì)FNL資料24～72 h的模擬相對(duì)誤差均保持在30%以內(nèi)，說明WRF模式在風(fēng)場(chǎng)的模擬上具有較好的性能，用其來開展北太平洋魷釣作業(yè)海區(qū)的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)是可行的。

從WRF模擬結(jié)果和兩種實(shí)況比對(duì)看，大風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間模擬的很好，基本一致，最大時(shí)間誤差不超過3 h，風(fēng)速上看，主要誤差出現(xiàn)在大風(fēng)維持階段，模式的預(yù)報(bào)結(jié)果系統(tǒng)性偏大。

3.2 風(fēng)向預(yù)報(bào)對(duì)比分析

風(fēng)向預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確與否，直接影響到天氣系統(tǒng)的分布和預(yù)報(bào)員據(jù)此做出的判斷。本文把風(fēng)向分成 N，NE，E，SE，S，SW，W，WN 8 個(gè)方位并分別用數(shù)值1～8來表示，對(duì)實(shí)測(cè)和模擬的風(fēng)向進(jìn)行分析。從模式輸出和志愿船實(shí)測(cè)風(fēng)向比較結(jié)果來看，對(duì)于實(shí)測(cè)點(diǎn)的模擬風(fēng)向平均誤差在0.89～1.06之間，即誤差在一個(gè)方位左右。從本次過程大風(fēng)階段(22日08時(shí)—23日08時(shí))的模擬來看，風(fēng)向的平均誤差在0.12～0.64之間，此階段3艘監(jiān)測(cè)船共75個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果53個(gè)風(fēng)向一致，16個(gè)差1個(gè)方位，基本準(zhǔn)確率達(dá)到了92%，由此可見模式在大風(fēng)階段風(fēng)向的模擬較為準(zhǔn)確，有很高的參考價(jià)值。

表3 WRF模擬成果的風(fēng)向檢驗(yàn) m/s

3.3 環(huán)流預(yù)報(bào)對(duì)比分析

從上面的分析可知，最大風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)刻是2011年9月22日08時(shí)，圖6是該時(shí)刻FNL和模式的海平面氣壓場(chǎng)，從圖中可以看到，實(shí)況FNL的臺(tái)風(fēng)中心強(qiáng)度在985 hPa(圖6a)，而模擬的臺(tái)風(fēng)中心強(qiáng)度為975 hPa(圖6b)，模擬臺(tái)風(fēng)要稍強(qiáng)于實(shí)況;相比臺(tái)風(fēng)中心位置，模擬的臺(tái)風(fēng)中心較實(shí)況略偏東北。從模擬與實(shí)況對(duì)比吻合度而言，該模擬已經(jīng)具備了較好的效果，能夠比較準(zhǔn)確地反映實(shí)況臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度和臺(tái)風(fēng)中心位置。但也正是由于模擬臺(tái)風(fēng)中心的強(qiáng)度稍強(qiáng)于實(shí)況，因此造成了模擬大風(fēng)的系統(tǒng)性偏大。

圖6 2011年9月22日08時(shí)的海平面氣壓場(chǎng)(單位:hPa)

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)2011年“洛克”臺(tái)風(fēng)影響北太魷釣區(qū)期間的多種資料的分析探討今后此類資料在魷釣區(qū)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。

4.1 根據(jù)對(duì)北太魷釣區(qū)的影響臺(tái)風(fēng)檢索分析，平均每年有1.6個(gè)臺(tái)風(fēng)影響該區(qū)域，而且海上臺(tái)風(fēng)的影響時(shí)間長(zhǎng)，范圍廣，所以熱帶氣旋是該區(qū)域夏季主要的災(zāi)害性天氣。

4.2 FNL風(fēng)場(chǎng)資料和船測(cè)風(fēng)場(chǎng)資料具有高相關(guān)性，F(xiàn)NL資料能夠較好的反映海上的實(shí)際風(fēng)場(chǎng)分布。

4.3 在本個(gè)例中WRF模式采用FNL和GFS

兩種不同的初始場(chǎng)資料，預(yù)報(bào)的結(jié)果無明顯的正改進(jìn)。

4.4 在本個(gè)例中將WRF輸出風(fēng)場(chǎng)與FNL風(fēng)場(chǎng)、船測(cè)進(jìn)行比較分析，WRF的結(jié)果和兩種實(shí)況資料相關(guān)性高，能夠很好的預(yù)報(bào)大風(fēng)的出現(xiàn)時(shí)段，風(fēng)速風(fēng)向誤差也控制在較低的范圍內(nèi)，風(fēng)場(chǎng)的空間分布和FNL基本一致，在今后的預(yù)報(bào)中可以做為重要的參考資料。

4.5 在本個(gè)例中WRF模式輸出風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)向在大風(fēng)階段模擬的較為準(zhǔn)確，可以在今后大風(fēng)風(fēng)向的預(yù)報(bào)中作為重要的參考資料。

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