臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究進(jìn)展

馬鵬輝，楊燕軍，劉鐵軍（．海軍海洋水文氣象中心，北京 006；．解放軍977部隊(duì)，山西 長治 0460）

臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究進(jìn)展

馬鵬輝1，楊燕軍2，劉鐵軍1
（1．海軍海洋水文氣象中心，北京 100161；2．解放軍92727部隊(duì)，山西 長治 046011）

摘要：介紹了近年來臺風(fēng)渦旋初始化技術(shù)、臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式技術(shù)，以及臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)中的關(guān)鍵物理過程等數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的研究進(jìn)展情況。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)；數(shù)值預(yù)報(bào)；進(jìn)展

引言

近年來，隨著數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算能力的大幅提升，臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)取得了可喜的成績。主要體現(xiàn)在臺風(fēng)渦旋初始化技術(shù)不斷改進(jìn)，臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式的分辨率得到不斷提高，物理過程描述進(jìn)一步完善，這些新技術(shù)在臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)的研究和業(yè)務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用。文章從臺風(fēng)渦旋初始化、臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式和關(guān)鍵的物理過程等方面，對近年來臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀作簡單的回顧和評述。

1 臺風(fēng)渦旋初始化技術(shù)

初始場的質(zhì)量對預(yù)報(bào)效果有明顯作用。但對臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)而言，由于海上觀測資料的匱乏，臺風(fēng)的真實(shí)結(jié)構(gòu)很難用常規(guī)觀測資料刻畫和描述；另一方面，客觀分析后往往臺風(fēng)流場很弱且臺風(fēng)位置不準(zhǔn)確，如以此作為臺風(fēng)的初始場，很難做出好的熱帶氣旋強(qiáng)度與路徑預(yù)報(bào)。為了能夠得到更為合理的初始場，學(xué)者們經(jīng)過深入研究，逐漸發(fā)展了一些臺風(fēng)渦旋初始化方法（如Bogus技術(shù)、BDA技術(shù)、渦旋重定位技術(shù)等），這些方法在一定程度上可以改善臺風(fēng)的初始結(jié)構(gòu)，使臺風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)水平有較大的改進(jìn)[1-2]。

1.1 Bogus技術(shù)

Bogus技術(shù)是在缺乏觀測資料的情況下，人為在初始場中加入一個能夠基本反映臺風(fēng)結(jié)構(gòu)的人造臺風(fēng)渦旋即Bogus渦旋，是重塑臺風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最有效方法。這種方法能夠在一定程度上改善臺風(fēng)內(nèi)部資料缺乏的狀況。對于臺風(fēng)渦旋的構(gòu)造問題，國內(nèi)外都做了很多的工作，20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中普遍采用Bogus方案來進(jìn)行臺風(fēng)的模擬研究和預(yù)報(bào)，使臺風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)水平有了較大改進(jìn)。但這種方法也存在一定的局限性，Bogus模型構(gòu)造的臺風(fēng)渦旋只能代表臺風(fēng)所共有的環(huán)流與結(jié)構(gòu)的基本特征，并不能很好地反映出各個臺風(fēng)的具體特點(diǎn)，且它是一種軸對稱模型，無法刻畫臺風(fēng)的非對稱結(jié)構(gòu)。

臺風(fēng)內(nèi)核具有非對稱結(jié)構(gòu)，且這種非對稱結(jié)構(gòu)很明顯地影響著臺風(fēng)的移動。不僅如此，臺風(fēng)熱力方面的非對稱結(jié)構(gòu)也影響著臺風(fēng)的移動。臺風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)對臺風(fēng)移動的影響在引導(dǎo)氣流比較弱的時候，能起到更重要的作用。因而在構(gòu)造臺風(fēng)Bogus結(jié)構(gòu)時，必須考慮到臺風(fēng)的非對稱特征。在臺風(fēng)Bogus中如何引入非對稱結(jié)構(gòu)，國內(nèi)氣象工作者作了大量的工作。王國民等[1]將模式積分36h達(dá)到準(zhǔn)平衡態(tài)的非對稱風(fēng)作為實(shí)際臺風(fēng)的非對稱風(fēng)；黃小剛等[2]在MM5模式中自帶的臺風(fēng)Bogus技術(shù)基礎(chǔ)上，從確定最大風(fēng)速半徑出發(fā)，考慮臺風(fēng)移向、移速及摩擦阻力等客觀因子，根據(jù)熱帶氣旋的動力學(xué)關(guān)系，構(gòu)造出非對稱風(fēng)場模型。瞿安詳[3]等通過從T213L31全球譜模式提供的背景場中提取淺臺風(fēng)非對稱結(jié)構(gòu)信息，加入到已有的軸對稱Bogus數(shù)據(jù)場中，構(gòu)成非對稱Bogus臺風(fēng)場。在實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用中，美國的颶風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)通過對理想模式進(jìn)行積分得到非對稱結(jié)構(gòu)；澳大利亞BMRC的TC－LAPS模式通過分析臺風(fēng)移動來建立臺風(fēng)的非對稱結(jié)構(gòu)；日本氣象廳在臺風(fēng)業(yè)務(wù)模式中采用的技術(shù)方案，是從背景分析場中抽取非對稱渦旋場，然后加入到對稱的Bogus臺風(fēng)場中，構(gòu)成最終的三維非對稱臺風(fēng)Bogus渦旋場。

盡管加入人造臺風(fēng)模式的方法在一定程度上可以改善臺風(fēng)的初始結(jié)構(gòu)，但考慮到人造臺風(fēng)結(jié)構(gòu)與背景場之間的各物理量并不完全協(xié)調(diào)，單獨(dú)采用人造臺風(fēng)模型會忽略背景場原有的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)信息，臺風(fēng)是一個非對稱性質(zhì)比較明顯的渦旋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，因而如何在構(gòu)造臺風(fēng)Bogus結(jié)構(gòu)時考慮臺風(fēng)的非對稱特征，使構(gòu)造的渦旋與模式達(dá)到物理協(xié)調(diào)，尚有很多工作需要開展。

1.2 BDA技術(shù)

為了使人造的臺風(fēng)渦旋與背景場的各物理量相協(xié)調(diào)，且不忽略背景場原有的臺風(fēng)結(jié)構(gòu)信息，鄒曉蕾等[4]提出了一種新的運(yùn)用四維變分同化技術(shù)對粗糙的熱帶氣旋初始場進(jìn)行優(yōu)化的方法，稱之為BDA（Bogus Data Assimilation）方法。其將Bogus模型中的物理量場作為觀測數(shù)據(jù)，對此渦旋場進(jìn)行變分同化，產(chǎn)生優(yōu)化的初始場。該方案結(jié)合了人造臺風(fēng)渦旋和變分同化兩種方法的優(yōu)勢。隨著學(xué)者們研究的不斷深入，在原始的BDA方案基礎(chǔ)上，又涌現(xiàn)出很多改進(jìn)的新方案。黃小剛等[2]針對BDA方法采用的軸對稱Bogus渦旋不能反映個別臺風(fēng)具體特征等問題，采用更精細(xì)的非對稱臺風(fēng)Bogus模型對BDA方案做出改進(jìn)，提出一種充分融合分析場信息和實(shí)際觀測信息并考慮副高影響的非對稱臺風(fēng)Bogus方法；林芳妮等[5]基于GRAPES三維變分同化系統(tǒng)，用臺風(fēng)定位和定強(qiáng)信息對臺風(fēng)進(jìn)行多次BDA同化，在多次BDA中只同化近似程度高的渦旋風(fēng)分量，而近似程度較差的輻散風(fēng)分量則通過多次調(diào)整和協(xié)調(diào)逐步向渦旋風(fēng)適應(yīng)，使臺風(fēng)周圍流場更趨合理。

以上研究表明，BDA方案是一種有效的臺風(fēng)初始化方法，它能有效地構(gòu)造出與大尺度環(huán)流背景場相協(xié)調(diào)的初始渦旋場，并且能夠體現(xiàn)臺風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)所具有的主要特征，如臺風(fēng)的暖濕中心、非對稱的風(fēng)場等，以此得到的初始場更能接近實(shí)際的初始場，做出更為準(zhǔn)確的臺風(fēng)預(yù)報(bào)。

1.3 渦旋重定位技術(shù)

渦旋初始位置對臺風(fēng)的數(shù)值預(yù)報(bào)有著極為重要的作用，熱帶氣旋24 h路徑預(yù)報(bào)誤差中，由于熱帶氣旋初始位置和初始移動速度測定不正確而導(dǎo)致的誤差可能占總預(yù)報(bào)誤差的41%[6]。周霞瓊等[7]用正壓模式研究并得到初步結(jié)論，認(rèn)為臺風(fēng)初始定位的不正確可以影響預(yù)報(bào)路徑。但由于臺風(fēng)主要在海上活動，可得到的觀測資料十分有限，再加上同化過程所使用的模式分辨率通常較低（如AVN為1°×1°），使得分析資料中的渦旋位置存有明顯誤差，可達(dá)100 km甚至更多。通常熱帶氣旋模式在初始化過程中都會把分析資料中的渦旋移到觀測位置，以減小初始渦旋位置誤差對路徑預(yù)報(bào)的影響，這種方法稱為渦旋重定位技術(shù)。Liu等[8]在全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）中改進(jìn)原有渦旋重定位方案的精度后，使全球模式MRF和AVN的路徑預(yù)報(bào)獲得了很大改進(jìn)（31%），也使以AVN預(yù)報(bào)場作為初始場的區(qū)域模式GFDL的路徑誤差明顯減?。?5%）；袁金南等[9]采用平滑濾波和柱形濾波技術(shù)，從背景場中分離出初始渦旋環(huán)流和大尺度背景場，然后將其平移到觀測位置的渦旋重定位，對比模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，對背景場進(jìn)行渦旋重定位后加入Bogus模型的模擬結(jié)果誤差相對較?。稽S偉等[10]在重定位的基礎(chǔ)上結(jié)合BDA和資料同化技術(shù)提出了循環(huán)初始化技術(shù)，結(jié)果表明，構(gòu)造的初始臺風(fēng)更接近實(shí)況。以上研究結(jié)果說明了渦旋重定位技術(shù)對臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的有效性。

2 臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式技術(shù)

臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式是目前國內(nèi)臺風(fēng)預(yù)報(bào)的一種重要手段。20世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，美、歐、日等國家和地區(qū)熱帶氣旋數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展很快，各自建立和發(fā)展了一些臺風(fēng)預(yù)報(bào)模式和系統(tǒng)，開展了全球或區(qū)域的臺風(fēng)預(yù)警預(yù)報(bào)和研究工作[11]。目前，發(fā)達(dá)國家的全球模式分辨率普遍提高到10～25 km，達(dá)到了全球中尺度模式的水平（表1），尤其是ECMWF的確定性預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式已于2013年升級為T1279L137，水平分辨率約16 km，垂直分層達(dá)137層，全球中期集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式相應(yīng)升級為T639L91，水平分辨率約30 km，大幅提高了臺風(fēng)預(yù)報(bào)的精度。法國、韓國等建立了三維變分同化系統(tǒng)，歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心、英國氣象局、日本氣象廳和澳大利亞氣象局等發(fā)達(dá)國家都已建立了氣象資料四維變分同化系統(tǒng)。

表1　國內(nèi)外熱帶氣旋數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式簡要描述

中國自1991年以來，在自主研發(fā)兼引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)模式進(jìn)行了持續(xù)改裝升級，發(fā)展了一些頗具代表性的臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式。國家氣象中心的臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)模式（MTTP）是在有限區(qū)域預(yù)報(bào)模式（LAFS）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一個單向的雙重嵌套模式。其粗細(xì)網(wǎng)格的范圍為0°N～49.69°N和84.38°E～159.38°E（10.31°N～40.31°N和105°E～150°E），格距為1.875°（0.9375°），垂直方向包括15層。全球區(qū)域同化臺風(fēng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（GRAPES_TCM）是在GRAPES模式基礎(chǔ)上加入臺風(fēng)初始化模塊構(gòu)建而成的，內(nèi)核為GRAPES，目前在國家氣象中心業(yè)務(wù)運(yùn)行，模式水平分辨率達(dá)到15 km。業(yè)務(wù)試驗(yàn)表明，該模式臺風(fēng)路徑24 h預(yù)報(bào)誤差在125 km以內(nèi)，48 h預(yù)報(bào)誤差在220 km以內(nèi)，72 h預(yù)報(bào)誤差在330 km以內(nèi)。在省級市、很多沿海?。▍^(qū)、市）也都建立區(qū)域臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。上海區(qū)域氣象中心建立的臺風(fēng)預(yù)報(bào)模式（ETCM）[12]是在MM4基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其水平方向?yàn)閱蜗蛞苿犹拙W(wǎng)格，粗細(xì)網(wǎng)格水平分辨率分別為150 km和50 km，垂直方向?yàn)?0層。目前，國內(nèi)的臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)模式取得了長足的進(jìn)步，但預(yù)報(bào)水平同發(fā)達(dá)國家相比還存在一定差距（表2[13]）。

表2　2012年熱帶氣旋數(shù)值預(yù)報(bào)平均路徑誤差

集合預(yù)報(bào)是減小各種不確定性影響數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果的有效方法，將其應(yīng)用于臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)的研究始于1990年代中期，初期主要用于臺風(fēng)路徑的研究，也有涉及臺風(fēng)強(qiáng)度、降水等方面。隨著集合預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，后來逐漸拓展到臺風(fēng)生成與發(fā)展的研究。國外在臺風(fēng)集合預(yù)報(bào)研究方面取得了令人鼓舞的成果[14]，已由單一模式的集合預(yù)報(bào)發(fā)展為多模式超級集合預(yù)報(bào)。隨著各大預(yù)報(bào)中心相繼建立集合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)并不斷提高分辨率，基于全球中期集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)開展臺風(fēng)集合預(yù)報(bào)，成為臺風(fēng)集合預(yù)報(bào)發(fā)展的新趨勢[15]。近年來，國內(nèi)在臺風(fēng)集合預(yù)報(bào)研究方面取得了一些進(jìn)展[16-23]，但大部分是基于單一模式通過構(gòu)造擾動成員進(jìn)行集合預(yù)報(bào)，且預(yù)報(bào)對象僅限于臺風(fēng)的路徑和強(qiáng)度，整體上與先進(jìn)國家相比還有較大差距。

3 臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)的關(guān)鍵物理過程

隨著人們對臺風(fēng)形成原因、演變過程和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等認(rèn)識的不斷加深，臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)中對物理過程的描述也得到了不斷完善。

3.1 積云參數(shù)化

積云對流是最重要的非絕熱加熱物理過程，積云參數(shù)化方案也是臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)中關(guān)鍵的物理方案之一。許多數(shù)值模擬試驗(yàn)表明，積云參數(shù)化方案對臺風(fēng)路徑有重要影響。吳林等[24]使用WRF的ARW動力核心模擬臺風(fēng)“珊瑚”，研究各種參數(shù)化方案對臺風(fēng)路徑、強(qiáng)度和降水分布的影響。研究表明，環(huán)境場對積云參數(shù)化的選取不敏感，積云參數(shù)化對臺風(fēng)的強(qiáng)度和路徑模擬有明顯影響，KF方案模擬的臺風(fēng)強(qiáng)度比較強(qiáng)，增強(qiáng)過程明顯，后期移速偏快。KF和BMJ對降水的模擬較好，GD方案不夠理想。河惠卿等[25]利用WRF模式，研究了不同積云對流參數(shù)化方案和微物理過程方案對0514號臺風(fēng)“彩蝶”路徑的影響。結(jié)果表明，積云對流參數(shù)化方案對臺風(fēng)路徑影響較大，KF方案比BMJ方案能更好地模擬出臺風(fēng)路徑；使用KF方案時，選擇微物理方案比不選微物理方案對臺風(fēng)路徑有更好的模擬效果，其中Ferrier、WSM6和Lin非常接近于實(shí)況；KF方案較好地模擬出副高西伸和東退的變化以及臺風(fēng)環(huán)流的風(fēng)場分布和強(qiáng)度。這些研究表明，選取合適的參數(shù)化方案對于成功利用臺風(fēng)數(shù)值模式預(yù)報(bào)臺風(fēng)路徑和臺風(fēng)強(qiáng)降水有重要的作用。

3.2 海氣相互作用

在臺風(fēng)過程中，海氣之間的動力和熱力相互作用對臺風(fēng)的發(fā)展演變以及海浪有顯著的影響。從動力作用過程看，臺風(fēng)產(chǎn)生的強(qiáng)海面風(fēng)應(yīng)力會助生海浪，增加海表摩擦，耗散臺風(fēng)的動能；而熱力作用過程是臺風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展和維持所必需的物理過程，其直接影響著臺風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展強(qiáng)度。因此，在對臺風(fēng)的數(shù)值預(yù)報(bào)中，充分考慮大氣和海浪的動力、熱力相互作用過程是必要的。一個中尺度天氣系統(tǒng)中的海浪、風(fēng)、海表溫度等很多要素都在不斷地相互作用、相互影響，單一模式處理方法割裂了大氣海洋間的相互作用。海氣耦合模式可以實(shí)現(xiàn)海上臺風(fēng)真實(shí)的物理過程，進(jìn)而揭示其成因、發(fā)展機(jī)制和結(jié)構(gòu)等。

上世紀(jì)90年代以來，隨著人們對海面狀態(tài)、海氣界面通量影響認(rèn)識的加深以及高性能計(jì)算條件的改善，大氣－海浪耦合模式的研究也取得了較大發(fā)展，使應(yīng)用海氣耦合模式開展臺風(fēng)研究成為可能。Lionello等[26]耦合了海浪模式WAM和大氣有限區(qū)域環(huán)流模式BOLAM（Bologna Limited AreaModel），并用其來模擬理想的中緯度氣旋，研究了大氣和海浪之間的相互作用。結(jié)果表明，對于強(qiáng)氣旋來說，風(fēng)產(chǎn)生浪導(dǎo)致海面粗糙度增大，因而大氣和海洋之間的動量交換加大；同時對于海氣之間的熱量通量來說，由于海面粗糙度增大，加大了熱量交換系數(shù)，從而加大了海氣之間的熱通量。但是對于緩慢演變的弱氣旋來說，海浪的作用會導(dǎo)致氣旋中心氣壓降低。Desjardins等[27]利用耦合的中尺度氣象模式MC2 （Mesoscale Compressible Community），以及海浪WAM cycle4模式來研究耦合模式對大氣和海浪的影響發(fā)現(xiàn)，至少對于短期預(yù)報(bào)，依賴波浪狀態(tài)的海面粗糙度對海面的變量如海面風(fēng)和有效波高等有一定的影響。國內(nèi)也有學(xué)者開展了相關(guān)研究工作，蔣小平等[28]采用中尺度大氣模式MM5和區(qū)域海洋模式POM構(gòu)造了中尺度海氣耦合模式，模擬了0312號臺風(fēng)Krovanh發(fā)展過程中臺風(fēng)－海洋相互作用，分析了臺風(fēng)引起的海面降溫影響臺風(fēng)強(qiáng)度的機(jī)制以及海洋對臺風(fēng)影響的特征，結(jié)果表明，臺風(fēng)引起的海面降溫使臺風(fēng)強(qiáng)度模擬有了較大改進(jìn)，模擬的臺風(fēng)中心氣壓和近中心最大風(fēng)速均與實(shí)況較為符合。

4 結(jié)語與展望

文章從三個方面對臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了回顧和總結(jié)。近年來，國內(nèi)外在臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究方面取得的進(jìn)展是顯著的，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也有了較大提高。但由于臺風(fēng)觀測資料的稀缺和臺風(fēng)內(nèi)部機(jī)理的復(fù)雜性，臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)的發(fā)展還面臨諸多困難，人們對臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的探索還有很多的路要走。未來臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展方向主要包括三個方面：一是數(shù)值模式本身的完善和發(fā)展，包括提高分辨率、改進(jìn)模式動力框架、物理過程和資料同化等；二是臺風(fēng)渦旋初始場的改進(jìn)和提高，包括減小臺風(fēng)初始定位誤差、強(qiáng)度誤差和改善臺風(fēng)非對稱結(jié)構(gòu)的描述；三是發(fā)展臺風(fēng)路徑集合預(yù)報(bào)技術(shù)，提高臺風(fēng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

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作者簡介：馬鵬輝（1978─），男，山西運(yùn)城人，碩士，工程師，主要從事海洋氣象研究工作。

收稿日期：2014-02-01

中圖分類號：P458.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1005–0582（2015）01–0012–06