北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)：II-檢驗(yàn)分析

張志遠(yuǎn)，樓偉，蔡夕方，李斌，尹朝暉，王毅，高姍

（1.海軍海洋水文氣象中心，北京100161；2.清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京100084；3.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081）

北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)：II-檢驗(yàn)分析

張志遠(yuǎn)1,2，樓偉1，蔡夕方1，李斌1，尹朝暉3，王毅3，高姍3

（1.海軍海洋水文氣象中心，北京100161；2.清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，北京100084；3.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京100081）

摘要：基于系統(tǒng)構(gòu)建工作[1]，開(kāi)展北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)后報(bào)和準(zhǔn)業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)，并利用2013年9月—2014年3月共6個(gè)月的資料對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。結(jié)果顯示北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大氣模式（WRF）72 h預(yù)報(bào)的500 hPa位勢(shì)高度距平相關(guān)系數(shù)達(dá)到89%，海浪模式（SWAN）的72 h有效波高預(yù)報(bào)的相對(duì)誤差低于20%，海流模式（ROMS）的72 h海表溫度預(yù)報(bào)的均方根誤差在0.5℃左右；同時(shí)對(duì)2013年10月期間孟加拉灣的超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了分析。該風(fēng)、浪、流預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠較好地預(yù)報(bào)“PHAILIN”的移動(dòng)路徑、最低氣壓及相應(yīng)的海浪和海流過(guò)程。該系統(tǒng)的試運(yùn)行和檢驗(yàn)分析結(jié)果，對(duì)建立新一代海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：北印度洋；數(shù)值預(yù)報(bào)；模式檢驗(yàn)；誤差分析

1　引言

目前，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品已經(jīng)成為各級(jí)水文氣象部門發(fā)布天氣和海洋預(yù)報(bào)的主要依據(jù)。盡管數(shù)值預(yù)報(bào)模式日益完善，計(jì)算精度不斷提高，但現(xiàn)在數(shù)值預(yù)報(bào)模式還不能完全達(dá)到模擬真實(shí)海洋環(huán)境變化程度。而準(zhǔn)確的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)、高質(zhì)量的服務(wù)都必須建立在盡可能準(zhǔn)確的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上的，為此，要進(jìn)一步用好北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，必須對(duì)模式誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，掌握預(yù)報(bào)規(guī)律，同時(shí)利用該系統(tǒng)對(duì)影響該地區(qū)的主要天氣系統(tǒng)活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)的預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行研究。很多學(xué)者對(duì)北印度洋區(qū)域的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的檢驗(yàn)做了大量研究[2-3]。

一個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)從研制建立到正式運(yùn)行階段中間，必須要有業(yè)務(wù)化試運(yùn)行階段。在試運(yùn)行階段，要從數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)完整性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、時(shí)效性、自動(dòng)化和可視化程度等方面考核模式的成熟度，以便通過(guò)驗(yàn)收進(jìn)入正式業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段。預(yù)報(bào)系統(tǒng)的主要預(yù)報(bào)要素的準(zhǔn)確性是否滿足業(yè)務(wù)化需求，主要根據(jù)后報(bào)檢驗(yàn)報(bào)告和業(yè)務(wù)化試運(yùn)行評(píng)估報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此業(yè)務(wù)運(yùn)行單位必須開(kāi)展預(yù)報(bào)結(jié)果精度檢驗(yàn)評(píng)估工作。

本文從評(píng)估北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)模式性能出發(fā)，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析，為用戶提供預(yù)報(bào)產(chǎn)品準(zhǔn)確度范圍和可信度，供其在使用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品時(shí)作為參考依據(jù)。本文一方面利用歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多月份的預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，另一方面選取重要天氣系統(tǒng)開(kāi)展典型個(gè)例檢驗(yàn)。

2　準(zhǔn)業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

2013年7月2日投人準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行以來(lái)，北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)已穩(wěn)定運(yùn)行約1年時(shí)間，運(yùn)行故障率低，出圖率達(dá)到100%。該系統(tǒng)一直不間斷地提供每日2次北印度洋區(qū)域大氣、海浪、海流要素場(chǎng)和形勢(shì)場(chǎng)預(yù)報(bào)，同時(shí)根據(jù)水文氣象保障部門的需要，提供有針對(duì)性的二次開(kāi)發(fā)定制產(chǎn)品。系統(tǒng)可輸出0—72 h的各種預(yù)報(bào)產(chǎn)品，對(duì)特殊保障任務(wù)，還可以提供有較好參考價(jià)值的72 h以上預(yù)報(bào)產(chǎn)品。由于本系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確、客觀定量的預(yù)報(bào)和高度的自動(dòng)化運(yùn)行服務(wù)，使預(yù)報(bào)保障人員能夠得到更多、更詳細(xì)的預(yù)報(bào)信息，對(duì)日常水文氣象保障工作起到了較好的指導(dǎo)作用。

該系統(tǒng)由大氣模式WRF、海浪模式SWAN和海流模式ROMS構(gòu)成，具體模式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、分辨率、嵌套關(guān)系、驅(qū)動(dòng)場(chǎng)、強(qiáng)迫場(chǎng)設(shè)置等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容，請(qǐng)參見(jiàn)《北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)：I-設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》[1]。

2.1統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法

數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品檢驗(yàn)一直是本領(lǐng)域研究人員非常觀測(cè)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題，本文給出較為常用的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。

2.1.1大氣模式檢驗(yàn)方法

本文主要選擇形勢(shì)場(chǎng)檢驗(yàn)來(lái)評(píng)估WRF模式在指定統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)的系統(tǒng)性誤差、預(yù)報(bào)穩(wěn)定性和可用預(yù)報(bào)時(shí)效等。這里采用的是世界氣象組織WMO （World Meteorological Organization）基本系統(tǒng)委員會(huì)推薦的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)方法即該區(qū)域500 hPa位勢(shì)高度預(yù)報(bào)距平相關(guān)系數(shù)（ACC）[4]，如式（1）：

該檢驗(yàn)利用NCEP FNL(Final Global Analysis)全球大氣分析資料作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.1.2海洋模式檢驗(yàn)方法

海洋模式的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)包括時(shí)空配準(zhǔn)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算兩部分。

首先，進(jìn)行預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)（比如高度計(jì)資料有效波高數(shù)據(jù)、XBT、ADCP數(shù)據(jù)等）的時(shí)間空間配準(zhǔn)。（1）時(shí)間配準(zhǔn)：因?yàn)橛^測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)時(shí)間分布不規(guī)則，無(wú)法與整點(diǎn)時(shí)刻產(chǎn)生一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而海洋是慢變過(guò)程，在1個(gè)小時(shí)內(nèi)，觀測(cè)數(shù)據(jù)所含物理要素的變化幅度不大。因此，本文將任意整點(diǎn)時(shí)刻前后0.5 h內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為該整點(diǎn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)。這樣，在時(shí)間維上，將觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間整點(diǎn)化。而預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)是每小時(shí)整點(diǎn)時(shí)刻輸出的，這樣就實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間配準(zhǔn)；（2）空間配準(zhǔn)：本文不再討論其本身的誤差。因此本文的空間配準(zhǔn)方式是將格點(diǎn)化的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)插值到觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上。讀取0—24 h預(yù)報(bào)時(shí)段內(nèi)整點(diǎn)時(shí)刻的預(yù)報(bào)場(chǎng)，按照觀測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，將預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)利用雙線性插值方法插到該點(diǎn)上，作為1對(duì)（觀測(cè)和預(yù)報(bào)）檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。所有1個(gè)月內(nèi)的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)作為一個(gè)基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)集。

其次，按照上述步驟形成的0—24 h、24—48 h、48—72 h預(yù)報(bào)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集。對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)集，按照張志遠(yuǎn)等[5]給出的相對(duì)誤差RE（Relative Error）和均方根誤差（RMS）定義予以統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

2.2大氣預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

圖1是針對(duì)2013年9月—2014年3月做的500 hPa位勢(shì)高度距平相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)。從結(jié)果上看，72 h內(nèi)的距平相關(guān)系數(shù)均在89%以上，該相關(guān)系數(shù)較高表明預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高。尤其是在冬季的預(yù)報(bào)效果更好，這與北印度洋的天氣變化規(guī)律基本相符。北印度洋冬季盛行東北季風(fēng)，這段時(shí)期印度洋的風(fēng)向以東北向?yàn)橹?，風(fēng)力、風(fēng)向穩(wěn)定，相應(yīng)距平相關(guān)系數(shù)值較高，9—10月份和3—4月份為夏季風(fēng)向冬季風(fēng)或冬季風(fēng)向夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換的季節(jié)，風(fēng)力較小，風(fēng)向多變不穩(wěn)定，相應(yīng)距平相關(guān)系數(shù)稍低。

從表1看出，除2014年9月份72 h的500 hPa位勢(shì)高度距平相關(guān)系數(shù)外，其他數(shù)據(jù)均在90%以上，這個(gè)數(shù)據(jù)可以證明大氣模式對(duì)該區(qū)域短期大氣環(huán)流的預(yù)報(bào)結(jié)果可信。

圖1　500 hPa位勢(shì)高度距平相關(guān)系數(shù)

表1　大氣模式WRF統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果

表2　有效波高檢驗(yàn)結(jié)果（檢驗(yàn)數(shù)據(jù)源：Jason-2衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)）

從表1看，本文還完成了對(duì)該區(qū)域大氣模式500 hPa風(fēng)速、溫度的距平相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)。對(duì)于海洋環(huán)境保障來(lái)講，不僅要關(guān)注中尺度天氣的溫壓風(fēng)濕等要素情況，更重要是關(guān)注海面風(fēng)場(chǎng)和潛熱、感熱等通量對(duì)海浪、海流模式的影響。因此，在后續(xù)的工作中，我們還將進(jìn)行海面風(fēng)場(chǎng)等指標(biāo)的檢驗(yàn)。

2.3海浪預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

該系統(tǒng)將HY-2A高度計(jì)資料中的有效波高數(shù)據(jù)同化到海浪模式中，這里主要利用Jason-2有效波高觀測(cè)值作為檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。秋冬季的印度洋24 h海浪有效波高的各月平均相對(duì)誤差為13.3%，各月平均均方根誤差均在0.40 m；48 h海浪有效波高的各月平均相對(duì)誤差為14.1%，各月平均均方根誤差均在0.41 m；72 h海浪有效波高的各月平均相對(duì)誤差為15.1%，各月平均均方根誤差均在0.44 m。

圖2給出了4條Jason-2高度計(jì)觀測(cè)軌跡上北印度洋有效波高的分布以及對(duì)應(yīng)時(shí)刻沿衛(wèi)星軌道模式值和觀測(cè)值的比較，圖中（a, c, e, g）分布是對(duì)應(yīng)時(shí)刻Jason-2高度計(jì)觀測(cè)軌跡，圖中（b, d, f, h）是對(duì)應(yīng)軌跡附近模式預(yù)報(bào)結(jié)果與觀測(cè)值分布示意圖。從圖中看出，模式較好地預(yù)報(bào)了北印度洋海區(qū)海浪的變化狀況。

2.4海流預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)

本文選取2013年11月—2014年2月期間，在北印度洋海區(qū)獲得的XBT和ADCP資料對(duì)海流模式進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)要素主要包括印度洋海區(qū)的海溫剖面和0 m、50 m、75 m、100 m、150 m、200 m和500 m標(biāo)準(zhǔn)層的海流流速、流向。海溫剖面檢驗(yàn)結(jié)果顯示，海表溫度的均方根誤差在0.5℃左右，絕對(duì)平均誤差在0.3℃。

如圖3所示，隨著水深增加，在通常的50—200 m左右的溫度躍層附近，均方根誤差和絕對(duì)平均誤差都有明顯的增大。在溫躍層以深水體中，海溫的均方根誤差或絕對(duì)平均誤差變化也較小。這顯示出在波動(dòng)較大的溫躍層附近，預(yù)報(bào)誤差較大，海流模式在躍層附近的模擬精度和技巧還需要進(jìn)一步提高。

圖2　不同時(shí)刻模式預(yù)報(bào)值與高度計(jì)觀測(cè)值的比較

圖3　利用XBT數(shù)據(jù)檢驗(yàn)海流模式海溫誤差垂向分布圖

同時(shí)，從表3海流流速流向的檢驗(yàn)結(jié)果看，海流流速的平均誤差呈現(xiàn)較穩(wěn)定的負(fù)偏差，而較大值也出現(xiàn)在50—200 m的躍層范圍內(nèi)；海流流向的平均誤差均在15°以下，可以看出在100 m以淺的水深范圍內(nèi)，海水的流動(dòng)方向不穩(wěn)定，有各種上混合層和躍層物理過(guò)程相互影響流向平均誤差均在10°以上，而100 m以深的水深范圍內(nèi)，海流的流動(dòng)方向主要受大洋洋流趨勢(shì)影響，相對(duì)穩(wěn)定，因此誤差有明顯的降低。

3　重要天氣過(guò)程的數(shù)值預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

除了完成統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)外，對(duì)于數(shù)值預(yù)報(bào)效果的評(píng)估，更為直觀和有比對(duì)效果的是選取具有典型海區(qū)特點(diǎn)的重要天氣過(guò)程，比如臺(tái)風(fēng)、熱帶氣旋等進(jìn)行短期預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)。本文選取北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行過(guò)程中2013年10月的超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”（02B）進(jìn)行分析，檢驗(yàn)大氣、海浪和海流模式對(duì)超級(jí)氣旋風(fēng)暴的預(yù)報(bào)效果。

表3　海流流速流向檢驗(yàn)結(jié)果（檢驗(yàn)數(shù)據(jù)源：ADCP數(shù)據(jù)）

3.1超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”

2013年10月出現(xiàn)的超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”是北印度洋海區(qū)有完整記載以來(lái)出現(xiàn)的最強(qiáng)熱帶氣旋。10月5日，在泰國(guó)灣海面上因強(qiáng)擾動(dòng)生成熱帶低壓，并于7日進(jìn)入安達(dá)曼海。9日聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心JTWC（Joint Typhoon Warning Center）將其升格為熱帶風(fēng)暴。在進(jìn)入孟加拉灣后，“PHAILIN”沿著副熱帶高壓的南部邊緣向西北方向移動(dòng)，并逐漸加強(qiáng)發(fā)展。并于9日下午并形成穩(wěn)定的風(fēng)眼。10日下午2時(shí)升格其為三級(jí)熱帶氣旋，6 h后升格為四級(jí)熱帶氣旋。在11日中午12時(shí)達(dá)到最大強(qiáng)度，中心最低氣壓為940 hPa，風(fēng)速達(dá)59 m/s，升格為五級(jí)熱帶氣旋。在12日17時(shí)“PHAILIN”以超級(jí)氣旋風(fēng)暴的強(qiáng)度在印度奧里薩邦戈巴爾布爾附近登陸。登陸時(shí)中心最低氣壓為942 hPa，最大風(fēng)速56m/s。由于孟加拉灣水汽充沛，導(dǎo)致“PHAILIN”引起的暴雨規(guī)模很大。13日減弱為熱帶風(fēng)暴。

3.2“PHAILIN”的路徑預(yù)報(bào)

圖4給出大氣模式WRF模擬的超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”路徑和印度氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心的客觀定位路徑[6]，模式超級(jí)氣旋風(fēng)暴中心位置由整層平均的流場(chǎng)氣旋中心確定，從預(yù)報(bào)結(jié)果與客觀定位比較看，WRF模式預(yù)報(bào)的登陸地點(diǎn)比實(shí)際稍偏北，但與客觀定位非常接近。

圖4　超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”的路徑與印度氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心客觀定位路徑

本系統(tǒng)做出的24 h預(yù)報(bào)登陸點(diǎn)與印度氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心的客觀定位登陸點(diǎn)之間只差14.11 km，48 h預(yù)報(bào)登陸點(diǎn)差44.91 km，72 h預(yù)報(bào)登陸點(diǎn)與客觀定位登陸點(diǎn)差98.17 km。從結(jié)果看，24 h、48 h的登陸路徑預(yù)報(bào)效果較好，72 h稍差，整體看本系統(tǒng)WRF模式對(duì)超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”路徑模擬是成功的。

3.3“PHAILIN”的氣壓強(qiáng)度預(yù)報(bào)

氣旋風(fēng)暴強(qiáng)度包括氣旋中心氣壓強(qiáng)度和氣旋風(fēng)力預(yù)報(bào)。圖5是WRF模式模擬的氣旋中心氣壓強(qiáng)度變化與印度氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心發(fā)布的實(shí)況結(jié)果比較示意圖。結(jié)果表明，登陸前的強(qiáng)度變化比較小，登陸后中心氣壓強(qiáng)度迅速減弱，這與實(shí)況較為一致。24 h預(yù)報(bào)的絕對(duì)誤差為8.11 hPa，48 h預(yù)報(bào)的絕對(duì)誤差為8.45 hPa，72 h預(yù)報(bào)的絕對(duì)誤差為10.72 hPa。但WRF對(duì)氣旋登陸前后的模擬均偏弱，這與本文試驗(yàn)中沒(méi)有人工干預(yù)采用Bogus技術(shù)[7]有關(guān)系。但WRF模擬的氣旋強(qiáng)度強(qiáng)弱的變化過(guò)程還是比較成功的。

從模擬臺(tái)風(fēng)登陸前海平面氣壓和風(fēng)矢量場(chǎng)，如圖6可見(jiàn)，風(fēng)速在臺(tái)風(fēng)中心的西北象限最大，呈NW-SE向非對(duì)稱分布。

加密觀測(cè)資料數(shù)值試驗(yàn)研究[8]表明，呈NW-SE向非對(duì)稱分布的氣旋風(fēng)暴往往使氣旋呈現(xiàn)偏北方向運(yùn)動(dòng)。而印度氣象局臺(tái)風(fēng)預(yù)警中心發(fā)布的后期客觀定位路徑，如圖4所示，也證明了這一點(diǎn)。

圖5　模擬的超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”中心氣壓強(qiáng)度變化與實(shí)況比較示意圖

3.4海浪數(shù)值預(yù)報(bào)

氣旋能產(chǎn)生很強(qiáng)的海面風(fēng)應(yīng)力，從而引發(fā)海上巨大的海浪，直接威脅海上作業(yè)和航行安全。圖7是模擬超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”過(guò)境時(shí)海浪響應(yīng)過(guò)程，預(yù)報(bào)結(jié)果顯示海浪浪高、浪向和浪高最大值的區(qū)域和變化趨勢(shì)與氣旋軌跡、中心強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)特征相符。海浪的分布和演變受氣旋強(qiáng)度和移動(dòng)的影響，浪高大值區(qū)與氣旋的風(fēng)場(chǎng)大值區(qū)相對(duì)應(yīng)，浪高的大小隨氣旋的增強(qiáng)而增大，氣旋減弱登陸后，海浪也相應(yīng)減小。氣旋風(fēng)暴中心附近處，最大浪高超過(guò)14 m以上。而且可以較為明顯地看出海浪浪高大值區(qū)主要分布于氣旋行進(jìn)方向的右側(cè)。

氣旋風(fēng)暴的風(fēng)場(chǎng)分布極大地影響了浪向的分布，在氣旋風(fēng)暴中心的右側(cè)，波浪一直處于強(qiáng)風(fēng)速的持續(xù)作用下，風(fēng)浪很大，波浪沿著氣旋風(fēng)暴路徑的方向傳播，波向與風(fēng)向基本一致；而在氣旋風(fēng)暴中心的左側(cè)，由于風(fēng)速較右側(cè)小，涌浪占很大成分，波向由風(fēng)浪和涌浪的方向共同決定，波浪的傳播方向與風(fēng)向不一致。

圖6　2013101112時(shí)刻海平面氣壓和海面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)

3.5海流數(shù)值預(yù)報(bào)

氣旋風(fēng)暴所帶來(lái)的強(qiáng)大風(fēng)應(yīng)力，還給海洋上混合層和躍層的海水流動(dòng)施加動(dòng)量從而激起很強(qiáng)的海流運(yùn)動(dòng)，形成較強(qiáng)的風(fēng)海流。圖7是模擬超級(jí)氣旋風(fēng)暴“PHAILIN”過(guò)境過(guò)程中海表流場(chǎng)的響應(yīng)過(guò)程，預(yù)報(bào)結(jié)果顯示海流流速和流向，以及流速大值區(qū)域和變化趨勢(shì)與氣旋風(fēng)暴軌跡、中心強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)特征相符。隨著氣旋風(fēng)暴的移動(dòng)過(guò)程，我們發(fā)現(xiàn)氣旋風(fēng)暴中心附近處出現(xiàn)了一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻妮^強(qiáng)的環(huán)流區(qū)，逆時(shí)針?lè)较虻沫h(huán)流區(qū)隨著氣旋風(fēng)暴中心的移動(dòng)而移動(dòng)，流速?gòu)?qiáng)度和范圍都隨臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度逐漸增大。氣旋風(fēng)暴移動(dòng)路徑的右側(cè)海表流速大于左側(cè)，這與3.4節(jié)中有效波高的分布原因一致。

圖7　臺(tái)風(fēng)“PHAILIN”過(guò)境時(shí)海浪浪高、浪向預(yù)報(bào)

圖8　2013年10月9日海表流速和流向預(yù)報(bào)

4　小結(jié)

北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)自建立以來(lái)，保持準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，通過(guò)檢驗(yàn)分析，本文得出如下結(jié)論：

（1）大氣模式WRF在北印度洋區(qū)域的模擬檢驗(yàn)結(jié)果較好，臺(tái)站和浮標(biāo)風(fēng)的響應(yīng)分析反映出該模式在精細(xì)化預(yù)報(bào)方面具有較強(qiáng)的潛力。WRF在風(fēng)場(chǎng)的模擬上具有較好的性能。所有檢驗(yàn)月份的500 hPa的72 h內(nèi)的風(fēng)速距平相關(guān)系數(shù)均大于0.89，滿足目前艦船航行對(duì)風(fēng)速預(yù)測(cè)的精度要求。針對(duì)臺(tái)風(fēng)等重要天氣過(guò)程，WRF模式能較好地預(yù)報(bào)出臺(tái)風(fēng)的路徑、氣旋風(fēng)暴中心最低氣壓和風(fēng)力等情況，但數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)實(shí)況整體偏弱，未來(lái)的業(yè)務(wù)化工作中，我們將在系統(tǒng)中加入人工Bogus方案[7]，以便更好的完成“臺(tái)風(fēng)”等重要天氣過(guò)程的模擬工作；

（2）海浪模式SWAN的模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)均基本吻合，均方根誤差時(shí)效及季節(jié)分布與絕對(duì)誤差分布基本一致，但同時(shí)次的值較絕對(duì)誤差略大，說(shuō)明預(yù)報(bào)質(zhì)量隨預(yù)報(bào)時(shí)效增大而減弱。另外，風(fēng)場(chǎng)精度的提高對(duì)海浪模式結(jié)果有重要影響。針對(duì)重要天氣系統(tǒng)，可以較好地模擬臺(tái)風(fēng)過(guò)程中的海浪變化情況，SWAN模擬臺(tái)風(fēng)過(guò)程海浪的分布與臺(tái)風(fēng)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能較好地再現(xiàn)海浪的發(fā)展過(guò)程和合理地反映臺(tái)風(fēng)浪的分布；

（3）海流模式ROMS的模擬結(jié)果與XBT和ADCP等觀測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，較大誤差主要出現(xiàn)在上混合層和躍層附近，海溫剖面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與美國(guó)

海軍的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，說(shuō)明我們的海流模式模擬效果較好。針對(duì)重要天氣系統(tǒng)，風(fēng)海流的響應(yīng)過(guò)程和程度都與氣旋風(fēng)暴的發(fā)展吻合。因此，在未來(lái)工作中我們將結(jié)合收集到的各類觀測(cè)資料，對(duì)氣旋風(fēng)暴引起的增水、海表溫度異常下降、垂直方向上各物理量的變化等情況進(jìn)行分析檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡夕方,張志遠(yuǎn),樓偉,等.北印度洋風(fēng)浪流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng): I-設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].海洋預(yù)報(bào), 2014: 32(2): 7-13.

[2]齊鵬,范秀梅.高度計(jì)波高數(shù)據(jù)同化對(duì)印度洋海域海浪模式預(yù)報(bào)影響研究[J].海洋預(yù)報(bào), 2013, 30(4): 70-78.

[3]楊永增,孫玉娟,王關(guān)鎖,等.基于MASNUM海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)的北印度洋波浪特征模擬與預(yù)報(bào)分析[J].海洋科學(xué)進(jìn)展, 2011, 29(1): 1-9.

[4] Yang F L, Pan H L, Krueger S K, et al. Evaluation of the NCEP Global Forecast System at the ARM SGP Site[J]. Monthly Weather Review, 2006, 134(12): 3668-3690.

[5]張志遠(yuǎn),宋順強(qiáng),劉利,等.浪流耦合模式數(shù)值模擬及檢驗(yàn)分析[J].海洋技術(shù), 2011, 30(4): 87-92.

[6] Very Severe Cyclonic Storm, PHAILIN over the Bay of Bengal (08-14 October 2013): A Report[R]. New Delhi: Cyclone Warning Division, India Meteorological Department, 2013.

[7] Kurihara Y, Bender M A, Ross R J. An Initialization Scheme of Hurricane Models by Vortex Specification[J]. Monthly Weather Review, 1993, 121(7): 2030-2045.

[8]陳聯(lián)壽,羅哲賢.臺(tái)風(fēng)科學(xué)、業(yè)務(wù)試驗(yàn)和天氣動(dòng)力學(xué)理論的研究(二)[M].北京:氣象出版社, 1996: 371-374.

North Indian Ocean wind-wave-circulation numerical forecast system: II-validation and analysis

ZHANG Zhi-yuan1,2，LOU Wei1，CAI Xi-fang1，LI Bin1，YIN Zhao-hui3，WANG Yi3，GAO Shan3
(1.Hydro-Meteorological Center of Navy, Beijing 100161 China; 2. Department of Computer Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084 China; 3. National Marine Environmental Forecasting Center, Beijing 100081 China)

Abstract：Hindcasting and quasi-operating forecasting of the North Indian Ocean wind-wave-circulation numerical forecast system were implemented for system construction and some statistical tests and verification had been done using the 6 months（from September 2013 to March 2014）data in this paper. The results showed that the predictability and reliability of the system was perfect. The statistical results showed that the WRF simulated time series and trend analysis in 72hours of geopotential height anomaly correlation coefficient at 500 hPa was reached above 89%. The SWAN simulated result’s relative error of 72 hours of significant wave height (SWH) was less than 20%. The root mean square error (RMSE) of the sea surface temperature of 72 hour forecast results in ROMS was about 0.5℃. The verification of the case (the Very Severe Cyclonic Storm, PHAILIN) showed that the prediction of the track and the lowest central pressure of this storm, and the corresponding process of the wave and circulation were accurate. The validation and analysis of the wind-wave-circulation forecast system is expected to be a certain reference for the new generation of marine numerical prediction system.

Key words：NorthIndian Ocean；numerical forecast；model validation；error analysis

作者簡(jiǎn)介：張志遠(yuǎn)（1978-），男，工程師，博士，主要從事海洋環(huán)境信息化和數(shù)值預(yù)報(bào)研究。E-mail：generalzzy@139.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41275098）；國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201005033）

收稿日期：2014-10-10

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.03.007

中圖分類號(hào)：P731

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）03-0051-08