1307號臺風“蘇力”期間T639風場預報產品的有效性檢驗及應用*

宋 帥,周 林,鄭崇偉,蘇 勤

(1.總參氣象水文局 北京 100081;2.解放軍理工大學氣象海洋學院 南京 211101;3.海洋出版社 北京 100081)

1307號臺風“蘇力”期間T639風場預報產品的有效性檢驗及應用*

宋 帥1,周 林2,鄭崇偉2,蘇 勤3

(1.總參氣象水文局 北京 100081;2.解放軍理工大學氣象海洋學院 南京 211101;3.海洋出版社 北京 100081)

文章利用T639風場預報產品,對發(fā)生在2013年7月中旬的201307號臺風 “蘇力”的海表風場進行預報,分析臺風的結構特征,并探索性地利用來自我國臺灣、韓國的觀測資料,檢驗T639風場預報產品在臺風期間的精度,以期可為臺風風場預報、防災減災等提供科學依據(jù)。結果表明:(1)從定性的角度來看,預報風速與觀測風速在曲線走勢上保持了很好的一致性,預報風速具有較高可信度;綜合考慮相關系數(shù)、偏差、均方根誤差、平均絕對誤差,定量地分析發(fā)現(xiàn),預報風速具有較高精度,預報值在數(shù)值上稍大于觀測值。(2)T639風場預報產品在中國海范圍整體上具有較高精度,但在部分小區(qū)域沒有充分考慮到地形效應。(3)T639風場預報產品很好地刻畫了臺風 “蘇力”的結構特征,對臺風眼、臺風尾跡、大風區(qū)等臺風的顯著特征刻畫的較為形象,預報的臺風走向與觀測路徑也大體上保持一致。

T639風場;中國海;臺風;預報能力

1 前言

臺風的巨大破壞性已被人類所共識,其形成的狂風巨浪輕則造成重大的經濟損失,重則帶來嚴重的災難[1-2]。前人對臺風做過較多的工作,張建海等[3]利用MM5模式,對2004年第14號臺風Rananim進行數(shù)值模擬,分析了臺風登陸前后環(huán)流特征、熱力、動力結構特征的演變過程,發(fā)現(xiàn)MM5模式對臺風路徑、移速、降水量等具有較強的模擬能力。黃嘉宏等[4]曾利用四維同化技術和MM5模式,對南海臺風Vongfong進行模擬,結果表明同化QuikScat資料主要能使模擬的臺風移動路徑與實況更為接近,臺風的強度變化、降水量與對流參數(shù)化方案有密切的關系,其中Betts-Miller濕對流調整型方案最為合適。張志旭等[5]利用Holland臺風模型和美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析風場資料,構造出南海臺風風場,發(fā)現(xiàn)結果較好地符合了TOPEX/Poseidon衛(wèi)星高度計觀測的風速分布。王艷萍等[6]對2006年西北太平洋熱帶氣旋的活動特征進行了分析,并利用500 h Pa月或候平均環(huán)流形勢解釋了2006年的臺風登陸早、登陸時間集中的原因,發(fā)現(xiàn)500 hPa月或候平均環(huán)流形勢對臺風登陸預報有一定意義。

前人對臺風的機理分析做了很大貢獻,但多是采用后報的分析方法,本研究利用T639風場預報產品,對發(fā)生在2013年7月中旬的201307號臺風“蘇力”的海表風場進行預報,分析臺風的結構特征,并充分利用來自臺灣周邊的觀測資料,檢驗T639風場預報產品在臺風期間的精度,以期可為臺風風場預報、防災減災等提供科學依據(jù)。

2 臺風概況、資料簡介、數(shù)據(jù)處理方法

2.1 臺風概況

發(fā)生在2013年7月中旬的201307號臺風“蘇力”,生成于馬里亞納群島北部洋面,而后迅速加強,曾一度發(fā)展為超強臺風,7月13日凌晨3點(全文均為北京時間)襲擊臺灣島,7月13日傍晚正面襲擊福建沿海,16點在福建連江縣登陸,給臺灣島、大陸沿海的水產養(yǎng)殖、電力、交通、居民生命財產安全造成了嚴重影響,是近6年來強度最大的臺風,具體臺風路徑請見圖1。

圖1 201307號臺風“蘇力”路徑圖

2.2 資料簡介

本研究利用T639風場預報產品,對臺風“蘇力”的海表風場進行預報,并利用臺灣周邊的觀測資料檢驗了T639風場預報產品在臺風期間的有效性。T639是T639L60全球中期數(shù)值預報系統(tǒng)的簡稱,與T213產品相比,T639產品具有要素豐富、時空分辨率高等優(yōu)點[7-11]。T639模式將譜分辨率從213波提高至639波,垂向分層從31層增至60層,時間分辨率為3 h,空間分辨率為0.3°×0.3°,空間范圍覆蓋北半球。國家氣象中心在2007年實現(xiàn)T213到T639模式的升級,并在2008年投入業(yè)務化運行,可為預報員提供依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

T639系統(tǒng)輸出產品的原始文件名規(guī)則:

系統(tǒng)名:gmf(Global Model Forecast system)

模式名稱:639(TL639L60)

起報時間:年月日時次(4位年,2位月和2位日,2位預報時次。均為國際時)

預報時效:FFF(3位數(shù)字)

編碼格式:grb1(grib 1版本編碼)

利用Grads軟件提取所需區(qū)域的數(shù)據(jù),編寫吻合的ctl文件,最后進行可視化制作,具體如下:

Step1:grib2ctl.pl gmf.639.2008042812000. grb1＞gmf.639.2008042812000.ctl;

Step2:gribmap-i gmf.639.2008042812000. ctl;

Step3:編寫gs程序,利用grads軟件截取所需的區(qū)域;

Step4:編寫配套的ctl文件,如下:

DSET E:wind.dat

TITLE WAVEWATCH III gridded data Undef 9.999E+20

XDEF 149 LINEAR 100.00000 0.30000

YDEF 141 LINEAR 0.00000 0.30000

ZDEF 1 LINEAR 1000.00000 1.00000

TDEF 41 LINEAR 00:00Z11Jul2013 3 HR

VARS 2

WU 0 99 Wind U(m/s)

WV 0 99 Wind V(m/s)

ENDVARS

Step5:利用grads軟件進行可視化制作,效果圖請見圖2。

3 資料驗證

目前海洋觀測資料在全球各個國家均較為稀缺,這種困境在我國也較為突出。衛(wèi)星資料反演海表風速雖然精度得到了廣泛認可,但衛(wèi)星軌道在中國海較少,重復周期也很長 (如T/ P高度計周期為10d),這就導致衛(wèi)星資料反演的海洋數(shù)據(jù)在中國海范圍的空間分辨率、時間同步性等方面都有很大缺陷。本研究充分收集來自我國臺灣、韓國周邊海域的實測風速,用于驗證T639風場預報產品在中國海的有效性。

3.1 定性比較數(shù)據(jù)精度

對比預報風速、觀測風速的曲線走勢圖,可以直觀地看出模擬數(shù)據(jù)的精度 (圖3和圖4)。從曲線走勢來看,預報風速與觀測風速保持了很好的一致性,我國臺灣周邊的4個觀測站、韓國的1個觀測站均是如此。

圖2 臺風“蘇力”期間的T639預報風場,風速單位:m/s

圖3 臺灣島周邊海域觀測風速與預報風速

圖4 韓國22102浮標站的觀測風速與預報風速

由圖2可見,基隆氣象站、淡水氣象站的波峰出現(xiàn)在13日02時前后,基隆站的最大風速在24 m/s左右,淡水站的最大風速在13 m/s左右;石梯氣象站、梧棲氣象站的最大風速出現(xiàn)在13日08時左右,比基隆氣象站、淡水氣象站的波峰晚了約5個小時,這應該是由于臺風先期到達基隆氣象站、淡水氣象站所致。整體來看,T639預報風速在臺灣周邊具有較高精度,能很好地刻畫出風速的整體變化趨勢,僅在石梯附近的預報值明顯偏大,這應該是由于模式沒能充分考慮到此處的地形效應,這也是該模式以后可以改進之處。

韓國22102浮標站:該站屬于臺風的外圍區(qū)域,受臺風影響并不強烈,風速在整個臺風期間變化不是特別大,11日08時-15日20時,風速基本在6 m/s上下波動,15日20時-16日08時,風速增加,這是由于有一弱的低壓系統(tǒng)過境所致。預報風速與觀測風速的走勢非常一致,僅在數(shù)值上略大于觀測風速。

3.2 定量精確比較數(shù)據(jù)精度

圖3和圖4可以定性地展現(xiàn)預報風速的變化趨勢是否與觀測風速一致,為了定量地分析T639預報風速的精度,本研究還計算了相關系數(shù)(CC)、偏差(Bias)、均方根誤差(RMSE)以及平均絕對誤差(MAE),見表1。從相關系數(shù)來看,5個觀測站處預報風速與實測風速的相關性都非常好,均通過了99%的信度檢驗;從偏差來看,5個觀測站均為負值,表明預報值稍大于觀測值,但Bias數(shù)值都很小,表明誤差很小。從RMSE、MAE來看,誤差也都在可控范圍之內,可見,此次臺風期間,T639預報風速在中國海范圍整體上具有較高精度。

表1 T639預報風速在臺灣周邊的精度

續(xù)表

4 臺風風場的分布特征

利用T639風場預報產品,對臺風 “蘇力”的海表10 m風場進行預報(圖3)。整體來看, T639預報風場很好地刻畫了臺風 “蘇力”的結構特征,對臺風眼、臺風尾跡、大風區(qū)等臺風的顯著特征刻畫的較為形象,預報的臺風走向與觀測路徑也大體上保持一致。

11日08時:臺風位于臺灣以東的廣闊洋面,所處的廣闊暖洋面環(huán)境有利于臺風的維持與發(fā)展,此時其強度為超強臺風,以22 km/h的速度向西移動。臺風中心存在一風速是相對低值中心,即臺風眼,風速在20 m/s以內,從臺風眼往外,風力迅速增加,7級風半徑約400 km,10級風半徑約150 km;臺風尾跡可從臺風后部延伸至菲律賓南部,臺風尾跡的風速在5～10 m/s。

11日20時:臺風緩慢向西北偏西的方向以東,臺風結構保持較好,臺風眼、臺風尾跡都展現(xiàn)的較為清晰,強度略減為強臺風,7級和10級風半徑與11日08時無大的變化,臺風外圍風場已經能夠影響到第一島鏈 (日本—琉球群島—我國臺灣—菲律賓),但由于風速不是很大,此時對第一島鏈的影響并不強烈。

12日08時:繼續(xù)緩慢向西北方向移動,7級風半徑剛能影響到臺灣東部的花蓮近海。12日20時,臺風逼近臺灣島,10級風半徑已經影響到臺灣東北部近海。

13日02時:此時臺風已經逼近臺灣東北部近海,并在1小時候在新北市與宜蘭縣交界處登陸,雖然臺灣島對臺風起了很大的阻擋作用,但由于臺風登陸地點在臺灣島東北部,離海洋很近,因此臺灣島的阻擋作用并沒有破壞臺風的結構特征,強度依然為強臺風,7級和10級風半徑比臺風在大洋上時只是略有縮小。

13日05時:臺風中心位于臺灣島東北部的臺北市,整個臺灣島及周邊海域都處于10級大風半徑以內,尤其是花蓮近海,風速在30 m/s (11級)以上。

13日08時:臺風進入臺灣海峽,強度依然為強臺風,在臺風巨大風力和狹管效應的雙重作用下,給整個臺灣海峽帶來了強勁的東北風,基本在21 m/s(9級)以上,臺灣東部的花蓮近海風速仍然在30 m/s(11級)以上。

13日14時:臺風逼近福建沿海,在臺灣島和大陸地形的共同影響下,強度減弱為臺風,并與兩小時后在附件連江縣黃岐半島沿海登陸。臺灣海峽、臺灣島、福建沿海在臺風的影響下,風速基本都在15 m/s(7級)以上,大值中心在2 121 m/s(9級)以上。

5 結論與討論

本研究利用T639風場預報產品,對發(fā)生在2013年7月中旬的201307號臺風“蘇力”的海表風場進行預報,分析臺風的結構特征,并探索性地利用來自我國臺灣、韓國的觀測資料,檢驗T639風場預報產品在臺風期間的精度,以期可為臺風風場預報、防災減災等提供科學依據(jù)。本文主要得到如下結論。

(1)從定性的角度來看,預報風速與觀測風速在曲線走勢上保持了很好的一致性,預報風速具有較高可信度;綜合考慮相關系數(shù)(CC)、偏差(Bias)、均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE),定量地分析發(fā)現(xiàn),預報風速具有較高精度,預報值在數(shù)值上稍大于觀測值。

(2)T639風場預報產品在中國海范圍整體上具有較高精度,僅在部分小區(qū)域偏差稍大,如臺灣的石梯氣象站,這是由于沒有充分考慮到地形效應所致,這也是該模式在以后的研究中可以改進之處。

(3)T639風場預報產品很好地刻畫了臺風“蘇力”的結構特征,對臺風眼、臺風尾跡、大風區(qū)等臺風的顯著特征刻畫的較為形象,預報的臺風走向與觀測路徑也大體上保持一致。

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國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目(2012CB957803).