渦旋初始化對T639模式熱帶氣旋路徑預(yù)報影響的數(shù)值試驗

吳 俞, 麻素紅, 瞿安祥, 張永莉

(1.海南省氣象臺,海南?？?70203;2.中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報中心,北京 100081;3.成都信息工程學(xué)院,四川成都610225)

0 引言

隨著觀測技術(shù)的發(fā)展,氣象觀測資料越來越豐富,但對臺風(fēng)的觀測資料依然存在明顯的不足,譬如海洋上沒有探空資料,QuikSCAT衛(wèi)星表層風(fēng)的觀測資料受降水污染,衛(wèi)星紅外輻射資料受云污染,大尺度分析場中的初始渦旋通常偏弱或有位置偏差等,臺風(fēng)模式初始條件的不足嚴(yán)重影響了臺風(fēng)預(yù)報的準(zhǔn)確性。因而在業(yè)務(wù)上針對臺風(fēng)強度弱且位置不準(zhǔn)確,國內(nèi)外的解決辦法基本上是消除弱且不準(zhǔn)確的擾動渦旋場,然后根據(jù)觀測信息和經(jīng)驗公式構(gòu)造出一個三維渦旋環(huán)流場并嵌入模式初始分析場,其Bogus方法宗旨是設(shè)計一個軸對稱臺風(fēng)渦旋并加入某種能表征臺風(fēng)及其環(huán)流氣流運動的非對稱分量。這種臺風(fēng)模型初始化方案使臺風(fēng)路徑的預(yù)報水平有了較大的提高[1-7]。

國家氣象中心的TC(熱帶氣旋的簡稱)初始化方案也做了較大的改進[8-9],設(shè)計和發(fā)展了一套新的TC初始化業(yè)務(wù)方案,主要由初始渦旋形成、渦旋重定位和渦旋調(diào)整3部分組成,它有效地解決了目前業(yè)務(wù)中由于TC觀測資料缺失而造成的初始TC渦旋形成問題。業(yè)務(wù)中T213和T639模式的渦旋初始化過程基本相似,但略有差異,即實際業(yè)務(wù)運行中在渦旋初始化的初始渦旋形成環(huán)節(jié)T639模式并不像T213模式一樣將構(gòu)造好的Bogus渦旋先利用模式進行36h數(shù)值積分預(yù)報,再從各個時次的預(yù)報場中挑選出一個與觀測分析的TC特征數(shù)據(jù)最接近的渦旋環(huán)流系統(tǒng),最后從中分離出來嵌入到最初的背景場中形成初始的TC渦旋環(huán)流,而是采用傳統(tǒng)的人造Bogus方案[10-12]形成初始渦旋環(huán)流。盡管在模式預(yù)報中加入渦旋初始化能改進TC路徑預(yù)報,但在構(gòu)造Bogus渦旋時,難免不代入人為給定的TC常數(shù),比如七級風(fēng)半徑、渦旋最外圍閉合半徑及環(huán)境氣壓等等,同時還由于風(fēng)速半徑的觀測和計算都有誤差,這些人為的主觀因素和儀器的客觀因素使模式對有些個例的預(yù)報偏差明顯偏大,因此還需要深入研究渦旋初始化問題。

文中以T639模式的渦旋初始化為重點,采用和T213模式同樣的初始渦旋形成技術(shù),試驗是否對TC路徑預(yù)報有所改進。最后從構(gòu)造Bogus的特定參數(shù)出發(fā),先對比其初始場與ECMWF初始場的差異,確定最可能影響TC路徑預(yù)報的因子,再通過數(shù)值試驗探討這些因子對TC路徑預(yù)報的影響程度。

1 T639模式TC路徑預(yù)報業(yè)務(wù)流程簡介

重點介紹實時業(yè)務(wù)中T639模式TC路徑預(yù)報流程,如圖1所示,以00時(世界時,下同)預(yù)報為例,由于實時業(yè)務(wù)中各種觀測資料的獲得都比實際業(yè)務(wù)預(yù)報時間延后,假設(shè)到04時才能獲取70%的觀測資料,為了提供較為及時的預(yù)報,模式以04時的觀測資料進入同化系統(tǒng)作為00時刻的TC路徑預(yù)報。但同化70%的觀測資料不能更好地為下一預(yù)報時次(06時)提供最優(yōu)的模式背景場(00時的6小時預(yù)報場),假設(shè)到07時能獲得所有觀測到的資料,則業(yè)務(wù)中將在獲取所有觀測資料的時刻重新作00時的模式預(yù)報,但該過程不進行TC路徑預(yù)報,僅僅為下一時次(12時)預(yù)報提供6小時預(yù)報背景場。綜上介紹,簡單講T639包括兩個循環(huán)過程:(1)預(yù)報循環(huán)過程;(2)同化循環(huán)過程。在預(yù)報循環(huán)過程中,所用的6小時預(yù)報背景場進行了渦旋初始化,所用的觀測資料僅為總資料的70%,分別在00時和12時進行兩次TC路徑預(yù)報。而同化循環(huán)過程所用的6小時預(yù)報背景場也進行了渦旋初始化,所用觀測資料為100%,分別在06時和18時為00時和12時提供預(yù)報背景場。

圖1 T639模式熱帶氣旋路徑數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)流程

2 渦旋初始化對T639模式TC路徑預(yù)報影響的數(shù)值試驗

2.1 新渦旋初始化方案的數(shù)值試驗

引言中提到T639模式的初始渦旋形成與T213模式的有所差異,文中在T639模式中采用與T213一樣的初始渦旋形成技術(shù)進行數(shù)值試驗,進一步探討使用新的初始渦旋形成方案對TC路徑預(yù)報是否有所改進?

首先新的初始渦旋形成方案是先將構(gòu)造好的Bogus嵌入到背景場中作為初始場,然后利用模式對這個含有構(gòu)造渦旋的初始場進行48小時積分預(yù)報,這樣在輸出的各個間隔時次的預(yù)報場中就會產(chǎn)生一個個演變的TC渦旋環(huán)流系統(tǒng),接下來從各時次的預(yù)報場中挑選出一個與觀測分析的TC特征數(shù)據(jù)最接近的渦旋環(huán)流系統(tǒng),并從預(yù)報場中分離出來,將其嵌入到最初的背景場中形成初始的TC渦旋環(huán)流系統(tǒng),最后再進行模式積分預(yù)報。新的初始渦旋形成方案在間接依靠Bogus技術(shù)的同時,更多是利用了模式來約束積分產(chǎn)生一個渦旋環(huán)流系統(tǒng),相比原來直接嵌入Bogus渦旋而言,新的渦旋環(huán)流系統(tǒng)動力屬性與模式本身比較協(xié)調(diào),大大減少預(yù)報初始積分過程中產(chǎn)生的振蕩問題,同時還能在一定程度上減少人為因素對TC渦旋結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 不同方案的路徑預(yù)報對比

選取2010年02號臺風(fēng)康森對原先的與新的初始渦旋形成技術(shù)(包括渦旋重定位、渦旋強度調(diào)整的初始化方案)進行對比試驗,結(jié)果如圖2所示,可以看出隨著時間的增加,新方案預(yù)報的路徑較控制試驗(原方案)有向南調(diào)整的趨勢。模式對1002號臺風(fēng)康森的起報時間是2010年7月12日00時,圖3(a)、3(b)分別是原方案和新方案的500hPa高度場,可以看出原方案已經(jīng)形成了小范圍的閉合等高線,而新方案有氣旋性趨勢但未有閉合等高線,說明新方案對人造Bogus有所調(diào)整;圖3(d)的新方案海平面氣壓場中TC渦旋外圍尺度半徑比原方案(圖3c)的也略有擴大;圖3(f)的新方案垂直風(fēng)場剖面分布(負(fù)值對應(yīng)上升氣流,正值對應(yīng)下沉氣流)與圖3(e)的原方案相比,可以看出兩者在TC中心附近的垂直上升氣流分布較為相似,但新方案中的下沉氣流范圍及速度較原方案有所擴大與加強。以上的幾點差異會隨著模式的時間積分逐漸擴大,這也是新方案的路徑預(yù)報往南調(diào)整的原因。最后圖4對比了新方案與原方案在不同預(yù)報時效的平均距離誤差,整體而言新方案比原方案要有所改進,說明新方案在一定程度上減少了主觀因素對TC三維結(jié)構(gòu)的影響,更多地依靠模式動力與物理過程在模式預(yù)報中產(chǎn)生渦旋環(huán)流,這樣產(chǎn)生的渦旋結(jié)構(gòu)不但與周圍環(huán)流形勢比較協(xié)調(diào),而且渦旋自身的各種物理量在動力屬性上也比較平衡,在某種程度上降低了模式積分過程中對周圍形勢場的負(fù)面影響。

圖3 原方案和新方案分別在500hPa高度場、海平面氣壓場和垂直風(fēng)場的對比

2.2 渦旋初始化中影響TC路徑預(yù)報的因子及其敏感性試驗

上述的渦旋初始化試驗可以看出,如果對初始化方案中的某個部分進行改變會對TC路徑預(yù)報有所影響。因此只有深入研究初始化方案中可能造成TC路徑預(yù)報誤差的因素,才能更好改進初始化方案,提高TC路徑預(yù)報水平。因此文中依然從渦旋初始化的每個方案出發(fā),通過敏感性試驗分析影響TC路徑預(yù)報的因子。試驗仍以1002號臺風(fēng)康森為個例。

要找到影響TC路徑預(yù)報的因子,首先要從T639模式中加入渦旋初始化后的分析場入手,對比其與ECMWF分析場的異同。圖5(a)是T639模式2010年7月14日00時的分析場,對比同一時次ECMWF的分析場(圖5b)可以看出兩個模式分析場差異較大的天氣系統(tǒng)是TC渦旋。首先從渦旋大小來看,無論高低層渦旋大小(以最外圍閉合等值線的半徑大小衡量),T639模式初始場中TC渦旋都比ECMWF的偏小。另外從高低層高度場配置看,ECMWF分析場中TC渦旋高度場上下配置呈斜壓不對稱分布,而T639中TC渦旋基本呈正壓分布。最后對比兩個模式分析場TC強度的差異,圖6(a)、6(b)分別是T639模式和ECMWF 500hPa及海平面氣壓經(jīng)過TC中心的高度場剖面圖,從圖中可以看出T639的TC強度比ECMWF中的強,和前面分析一樣TC高低層強度中心的配置ECMWF的要比T639的明顯傾斜。根據(jù)兩個分析場的差異,不難發(fā)現(xiàn)TC的結(jié)構(gòu)特征和強度偏差很可能與初始化方案有關(guān)。由于在初始化中的初始渦旋形成方案在構(gòu)造Bogus渦旋時是人為給定的TC特征常數(shù),盡管能大體上表征每個TC的基本態(tài),但每一個實際發(fā)生的TC差異很大且復(fù)雜,人為設(shè)置的經(jīng)驗參數(shù)仍不夠客觀。同樣是否必須在TC初始化中進行強度調(diào)整也有待探討。

因此主要從初始渦旋形成方案中初步通過改變七級風(fēng)半徑、渦旋外圍半徑大小參數(shù)和有無進行渦旋強度調(diào)整方案兩個方面入手進行敏感性試驗,探討不同尺度、不同強度的渦旋對路徑預(yù)報的影響程度。

圖4 控制試驗與新方案在不同預(yù)報時效的平均距離誤差對比

圖5 T639模式與ECMWF模式500hPa高度和海平面氣壓分析場對比(實線為500hPa高度場,陰影部分為海平面氣壓場)

圖6 2010年7月14日00時經(jīng)過TC中心的T639和ECMWF模式500hPa高度與海平面氣壓值的分布

根據(jù)T639模式渦旋初始化方案一共設(shè)計9組試驗,如表1所示,9組試驗分別與控制試驗(包含渦旋初始化的3個部分)做對比。其中試驗 1、試驗3、試驗5、試驗 7、試驗9中都關(guān)閉了強度調(diào)整方案,從圖7(a)、7(c)、7(e)、7(g)、7(i)可以看出這5組試驗的整體預(yù)報路徑都比控制試驗的預(yù)報偏“北”(雙引號表示存在移向和移速的共同影響),后期預(yù)報的移速也稍微偏快,說明TC的強度的改變會對其路徑造成一定影響,另外試驗5北偏最明顯,反映出對渦旋外圍半徑減小,“北”偏越明顯。而試驗2、試驗4、試驗6、試驗8(圖7b、7d、7f、7h)中都進行了強度調(diào)整,預(yù)報的路徑整體上比控制試驗的偏“南”或相當(dāng),另外在這幾組試驗中試驗2偏“南”最明顯,說明當(dāng)七級風(fēng)半徑保持不變,適當(dāng)增大渦旋最外圍半徑,路徑預(yù)報將向“南”調(diào)整,且向“南”偏的程度比既增大七級風(fēng)半徑和增大渦旋外圍半徑(試驗6)要大,這也說明TC路徑對渦旋外圍半徑的大小較為敏感。

表1 試驗設(shè)計方案

圖7 不同初始化方案與控制試驗的對比

綜合而言,人為給定的反映TC特征的經(jīng)驗參數(shù)往往會因TC個例的不同而導(dǎo)致不同程度大小的誤差[5-6],通過敏感性試驗發(fā)現(xiàn)TC路徑對TC強度和渦旋外圍半徑的大小較敏感。但是也可以看出無論是控制試驗還是敏感性試驗,模式預(yù)報TC的路徑與實況相比都是北偏。因此今后在渦旋初始化方案中應(yīng)尋求避免人為給定臺風(fēng)常數(shù)的方法,盡可能多地引入實際觀測資料,實現(xiàn)既能較好反映TC本身特征,又能與模式本身相協(xié)調(diào),達(dá)到進一步改善TC路徑預(yù)報的目的。

3 結(jié)論

通過數(shù)值試驗研究渦旋初始化對TC路徑預(yù)報的影響得到以下結(jié)論:

(1)在渦旋初始化方案中采用新的初始渦旋形成技術(shù)對1002號臺風(fēng)康森進行數(shù)值試驗,并對比與原方案的預(yù)報差異,得到新方案能在一定程度上減少主觀因素對TC三維結(jié)構(gòu)的影響,更多地依靠模式動力與物理過程在模式預(yù)報中產(chǎn)生渦旋環(huán)流,降低了模式積分過程中渦旋環(huán)流對周圍形勢場的負(fù)面影響,從而改進模式預(yù)報。

(2)以1002號臺風(fēng)康森為個例對比T639模式與ECMWF的分析場差異,初步從初始渦旋形成方案中通過改變七級風(fēng)半徑、渦旋外圍尺度半徑大小參數(shù)和有無進行渦旋強度調(diào)整方案兩個方面入手進行敏感性試驗,得到TC路徑的預(yù)報對TC渦旋外圍半徑和TC強度較敏感,會因渦旋外圍半徑大小和其強度的不同而有所差異。

綜上可以看出好的渦旋初始化方案是提高模式TC路徑預(yù)報的有效方法,因此今后的研究仍然是側(cè)重如何構(gòu)造更加客觀的Bogus渦旋,其不僅要與模式本身相協(xié)調(diào),還要充分吸收更多的TC觀測資料,達(dá)到既能夠反映TC內(nèi)部的實際結(jié)構(gòu)特征,又能改善TC周圍環(huán)流形勢場的預(yù)報,最終改善TC的路徑預(yù)報。

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