集合海浪預(yù)報(bào)的發(fā)展與應(yīng)用回顧

李本霞，王德帥

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081；2.國家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

1 引言

目前國內(nèi)外的業(yè)務(wù)化海浪數(shù)值預(yù)報(bào)主要基于第3代海浪模式，基于確定性的海浪初始條件，以確定性的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)風(fēng)場做驅(qū)動，開展有效波高、周期、波向、波陡等海浪要素的預(yù)報(bào)。由于驅(qū)動風(fēng)場的不確定性，基于單一模式和驅(qū)動風(fēng)場的確定性海浪預(yù)報(bào)不能包含海浪未來可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)，從而影響預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。集合海浪預(yù)報(bào)方法則可將傳統(tǒng)意義上的單一的確定性預(yù)報(bào)變成不確定性預(yù)報(bào)，盡可能使得到的海浪預(yù)報(bào)包含未來海浪變化可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)，從而達(dá)到提高海浪預(yù)報(bào)技巧的目的。同時，集合海浪預(yù)報(bào)能夠?qū)鹘y(tǒng)的確定性預(yù)報(bào)擴(kuò)展至概率預(yù)報(bào)領(lǐng)域，可提供單純確定性預(yù)報(bào)所不能提供的額外信息。另一方面，集合海浪預(yù)報(bào)也是考慮海浪數(shù)值模式中物理過程不確定性的一個重要手段。為了拓展海浪的預(yù)報(bào)時效，提高長時間尺度的海浪預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)精度，海浪集合預(yù)報(bào)技術(shù)和方法研究已成為全球和區(qū)域海浪預(yù)報(bào)的研究熱點(diǎn)和前沿，開展業(yè)務(wù)化海浪集合預(yù)報(bào)將是國內(nèi)外海浪預(yù)報(bào)尤其是中長期海浪預(yù)報(bào)的發(fā)展趨勢之一。筆者2013年11月初在美國NOAA現(xiàn)場調(diào)研時了解到，美國NOAA/NCEP 正著力發(fā)展全球海浪集合預(yù)報(bào)技術(shù)，并擬在2015年將中長期海浪預(yù)報(bào)時效延長至30天。

2 國內(nèi)外集合海浪預(yù)報(bào)發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲氣象中心（ECMWF）從1998年就開始了海浪集合數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)并每天提供業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品。它采用集合天氣預(yù)報(bào)模式和海浪模式進(jìn)行雙向耦合，由集合天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供驅(qū)動風(fēng)場，初始場采用未擾動的海浪分析場，包括一個控制預(yù)報(bào)和50個集合預(yù)報(bào)。經(jīng)過多年的發(fā)展，其集合海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)的模式分辨率2010年已提高到0.5°，預(yù)報(bào)時效已擴(kuò)展到15天。

美國NOAA/NCEP 的全球海浪集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GEOWaFS）[1]從2006年開始業(yè)務(wù)化運(yùn)行。它基于WaveWatchIII模式，采用一個確定性海浪初始場，以11個全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)Global Forecast System（GFS）的風(fēng)場來驅(qū)動，可提供長達(dá)240 h的海浪預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)產(chǎn)品包括有效波高、譜峰周期等海浪要素的集合平均預(yù)報(bào)及離散度（mean and spread）、面條圖（spaghetti）、概率預(yù)報(bào)（probability）等產(chǎn)品。

此外，加拿大、日本[2]、挪威[3]等國家也相繼開展了海浪集合預(yù)報(bào)的方法研究并計(jì)劃推向業(yè)務(wù)化。

上述組織或國家均采用大量實(shí)測海浪資料對所建立的業(yè)務(wù)化集合海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)證和評估，結(jié)果表明，集合海浪預(yù)報(bào)產(chǎn)品在業(yè)務(wù)上的應(yīng)用成果令人鼓舞[4-6]，其預(yù)報(bào)精度高于單一的確定性預(yù)報(bào)。

我國目前尚未開展集合海浪預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)，海浪集合預(yù)報(bào)理論和方法的研究也較少。孫明華[7]采用集合天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)的風(fēng)場驅(qū)動海浪模式WaveWatchⅢ，開展了全球集合海浪預(yù)報(bào)試驗(yàn)并開展了初步檢驗(yàn)。其研究表明，集合平均的預(yù)報(bào)水平要優(yōu)于單一的確定性預(yù)報(bào)。

3 集合海浪預(yù)報(bào)方法

歸納起來，目前國內(nèi)外采用的集合海浪預(yù)報(bào)方法主要有兩種。一種是采用給海浪初始場加入初始擾動的方法生成多個海浪初始場，從而通過海浪模式計(jì)算出多個海浪預(yù)報(bào)場，這種方法同集合天氣預(yù)報(bào)方法比較相似；另一種方法是直接使用集合天氣預(yù)報(bào)生成的多個海面風(fēng)預(yù)報(bào)場來驅(qū)動海浪模式，從而計(jì)算出多個海浪預(yù)報(bào)場，這種方法直接依賴于集合天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)。已有研究表明[7-9]，第一種方法對初始海浪場進(jìn)行擾動能夠估計(jì)初始海浪場誤差的增長，但初始場的擾動對海浪預(yù)報(bào)結(jié)果的影響時效僅為24—48 h，更長時間的海浪預(yù)報(bào)主要受驅(qū)動風(fēng)場的影響?？梢哉f，驅(qū)動風(fēng)場的不確定性是引起海浪預(yù)報(bào)不確定性的最主要因子，并限制了海浪模式的可預(yù)報(bào)性。因此，目前國際上開展的集合海浪數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)普遍采用第2 種集合海浪預(yù)報(bào)方法。此外，Lenartz等[10]開展了海浪超級集合預(yù)報(bào)技術(shù)研究，即基于不同的海浪模式，采用不同的驅(qū)動風(fēng)場驅(qū)動，計(jì)算得到多個海浪預(yù)報(bào)場，此方法又稱多模式集合預(yù)報(bào)技術(shù)。該技術(shù)可綜合考慮不同模式的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，通過與實(shí)測資料的對比采用不同的權(quán)重對集合預(yù)報(bào)成員的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行集合，在觀測資料較多的情況下，該方法推算的區(qū)域海浪預(yù)報(bào)結(jié)果具有更高的準(zhǔn)確度。

4 集合海浪預(yù)報(bào)產(chǎn)品

與集合天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品類似，目前國際上業(yè)務(wù)化集合海浪預(yù)報(bào)推出的預(yù)報(bào)產(chǎn)品主要有集合平均、“面條”圖、“郵票”圖、概率預(yù)報(bào)等。

（1）集合平均和集合預(yù)報(bào)離散度

集合平均為集合預(yù)報(bào)各成員的數(shù)學(xué)平均，可給出集合預(yù)報(bào)的總體趨勢。集合預(yù)報(bào)平均值的預(yù)報(bào)技巧一般會高于控制預(yù)報(bào)和其他集合預(yù)報(bào)成員的預(yù)報(bào)技巧，有時1 周以后集合均值的預(yù)報(bào)技巧甚至超過確定性的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式的技巧。但由于集合平均預(yù)報(bào)僅給出了未來海浪狀態(tài)的一種可能性，而沒有包括“所有”的可能性，所以實(shí)質(zhì)上并未跳出確定性預(yù)報(bào)的范疇。

集合離散度為預(yù)報(bào)成員對集合平均值的標(biāo)準(zhǔn)差，反映了集合成員之間的差別。集合離散度越大，表示集合預(yù)報(bào)成員預(yù)報(bào)結(jié)果的集中度越弱，預(yù)報(bào)可信度越低；反之，預(yù)報(bào)可信度越高。圖1 為NOAA/NCEP給出的2013年6月9日00時（世界時）有效波高集合平均預(yù)報(bào)結(jié)果和離散度分布圖。由此圖可以看出，在南緯30°—60°S 之間將有4—7 m的巨浪到狂浪，但有效波高的離散度較大，最大可達(dá)2.4 m以上，說明在這部分海況較差的洋面，集合預(yù)報(bào)成員給出的預(yù)報(bào)結(jié)果的差異較大。

（2）“面條”圖

“面條”圖（spaghetti diagram）可以用來表示某一預(yù)報(bào)要素在集合預(yù)報(bào)中的發(fā)散程度，即選取1 條等值線，將所有成員對該等值線的預(yù)報(bào)都綜合繪制在1張圖上。線條越集中，則預(yù)報(bào)的可信度越大，反之，預(yù)報(bào)的不確定性可能越大。實(shí)際應(yīng)用中，可針對各海浪預(yù)報(bào)要素的變化情況，選取不同的波高等值線參考值，如選取有效波高等值線為1 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，分別繪制其“面條”圖。圖2為NCEP發(fā)布的有效波高為2 m 的集合預(yù)報(bào)“面條”圖[1]?？梢钥闯觯趫D中黑色粗虛線標(biāo)注的洋面或海域，2 m集合預(yù)報(bào)的線條比較發(fā)散，說明這些區(qū)域預(yù)報(bào)結(jié)果存在較大的不確定性。

（3）“郵票”圖

“郵票”圖（stamp charts）是展示集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品最直接、最基本的一種方法。它將所有集合成員和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的結(jié)果放在同一張大圖上，從而向人們展示所有可能的預(yù)報(bào)結(jié)果，集合預(yù)報(bào)“郵票”圖在極端天氣預(yù)報(bào)方面有較大的優(yōu)勢。如在1999年11月24日圣誕節(jié)期間歐洲出現(xiàn)了一次強(qiáng)暴風(fēng)雪過程，造成極大影響。對這次過程，確定性的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)沒有什么反映（見圖3 左上角），而分析集合預(yù)報(bào)的“郵票”圖則可以看到，有部分成員（如成員7、9、13、19、24、39、45、48、49 等）成功地預(yù)報(bào)出了造成風(fēng)暴天氣的低壓系統(tǒng)，雖然成員數(shù)并不多，但是相對于氣候概率已經(jīng)是很高的了，體現(xiàn)了集合預(yù)報(bào)對極端天氣的預(yù)報(bào)能力。圖4給出了集合海浪預(yù)報(bào)的“郵票”圖示例。

（4）概率預(yù)報(bào)圖

對于某個特定預(yù)報(bào)對象，可以從所有的集合成員預(yù)報(bào)中算出其發(fā)生的相對頻率。概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品包含了該集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)所能提供的所有信息，最大程度地包含了實(shí)際海浪可能發(fā)生的種種情況，所以概率預(yù)報(bào)被認(rèn)為是表達(dá)集合預(yù)報(bào)的最全面的方法之一。

海浪集合概率預(yù)報(bào)的產(chǎn)品包括預(yù)報(bào)區(qū)域的概率預(yù)報(bào)分布圖及單點(diǎn)的概率預(yù)報(bào)。圖5 為NOAA/NCEP于世界時2013年6月1日18時發(fā)布的全球有效波高為4.0 m以上的90 h概率預(yù)報(bào)圖。從圖中可以看出30°—60°S 區(qū)域4.0 m 以上的海浪出現(xiàn)概率較大，最大概率達(dá)到了90%以上。圖6 給出了2009120112起報(bào)的12月7日有效波高為8 m以上的概率分布，也可以看出，在紅色填充的海域，有效波高為8 m以上的出現(xiàn)概率可達(dá)到80%以上。

一般來說，對海浪預(yù)報(bào)依賴性非常大的用戶，如海上作業(yè)、海上休閑旅游、海上航行等，如果大浪的出現(xiàn)概率達(dá)30%以上，可能就需要采取相應(yīng)的防范措施。相反，對海浪依賴性較弱的用戶，可能只有遇到預(yù)報(bào)概率較高（如出現(xiàn)概率在80%以上）的高海況時才會采取相應(yīng)的措施。

另外，除了概率預(yù)報(bào)圖外，還可以給出某一定點(diǎn)的概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品。單點(diǎn)概率預(yù)報(bào)指某一點(diǎn)有效波高超過某一閾值如4 m、6 m、8 m 等的出現(xiàn)概率。預(yù)報(bào)結(jié)果為一個數(shù)值，其集合成員的預(yù)報(bào)結(jié)果基本采用相同的權(quán)重。預(yù)報(bào)產(chǎn)品的形式見表1。

表1 歐洲預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的單點(diǎn)概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品

5 結(jié)語

由上分析可以看出，與單一的確定性預(yù)報(bào)相比，集合海浪預(yù)報(bào)能夠囊括未來更多可能出現(xiàn)的海浪狀態(tài)，既能給出最有可能出現(xiàn)的預(yù)報(bào)值（集合平均預(yù)報(bào)），又能給出預(yù)報(bào)的可信度（集合離散度），這些信息是單一的確定性預(yù)報(bào)所不能提供的。另外，其給出的概率預(yù)報(bào)產(chǎn)品相對于單一的確定性預(yù)報(bào)，其實(shí)用性更大，尤其是對于1 周以上的中長期預(yù)報(bào)。目前國際上主流的業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)已把中長期集合海浪預(yù)報(bào)作為主要的研究發(fā)展方向之一，而我國目前海浪集合預(yù)報(bào)尚處于試驗(yàn)及研究階段。隨著計(jì)算能力的不斷進(jìn)步以及集合天氣預(yù)報(bào)的快速發(fā)展，發(fā)展業(yè)務(wù)化集合海浪預(yù)報(bào)技術(shù)，開展海浪概率預(yù)報(bào)將是我國海浪預(yù)報(bào)的主要發(fā)展趨勢之一。

[1]Chen H S. Ensemble prediction of ocean waves at NCEP[C]//Proceedings of the 28th Ocean Engineering Conference in Taiwan.National Sun Yat-Sen University,2006.

[2]Mori N,Hiromaru H.Developing Ensemble Wave PredictionSystem[K]. Workshop on Wave, Tide Observations and Modelingin the Asia Pacific Region,2004.

[3]Carrasco A,S?tral ?.Global vs Limited Area Ensemble Prediction System[R].Report no.11/2011,Oceanography.

[4]Cao D G, Chen H S, Tolman H. Verification of Ocean Wave Ensemble Forecast at NCEP[C]. 10th International Workshop onWave Hindcasting and Forecasting & Coastal Hazards Symposium,Turtle Bay,Oahu,Paper G 1,2007.

[5]Mori N, Hirakuchi H. Verification of Ensemble Ocean Wave Prediction using Ensemble Weather Prediction System[R]. Abiko Research Lab Rep,No.U03017,2003.

[6]Roulston M S, Ellepola J, von Hardenberg J, et al. Forecasting wave height probabilities with numerical weather prediction models[J].Ocean Engineering,2005,32(14-15):1841-1863.

[7]孫明華. 一個集合海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其初步試驗(yàn)[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2011,22(6):673-680.

[8]Chen H S, Behringer D, Burroughs L D, et al.A Variational Wave Height Data Assimilation System for NCEP Operational Wave Models[Z]. NOAA/NWS/NCEP, TPB series no. MMAB/2004-04.2004:1-16.

[9]Farina L. On ensemble prediction of ocean waves[J]. Tellus A,2002,54(2):148-158.

[10]Lenartz F, Beckers J M, Chiggiato J, et al. Super- ensemble techniques applied to wave forecast: performance and limitations[J].Ocean Science,2010,6:595-604.