WMO登陸臺風(fēng)預(yù)報示范項目研究進展

雷小途 余暉（中國氣象局上海臺風(fēng)研究所，上海 200030）

WMO登陸臺風(fēng)預(yù)報示范項目研究進展

雷小途 余暉
（中國氣象局上海臺風(fēng)研究所，上海 200030）

WMO登陸臺風(fēng)預(yù)報示范項目（2010—2015年）自2010年立項至今，已建成一個集當今世界主流臺風(fēng)主、客觀預(yù)報產(chǎn)品及其性能評估的業(yè)務(wù)平臺。項目通過開展臺風(fēng)預(yù)報評估，分析了當前世界上多類先進預(yù)報技術(shù)的臺風(fēng)路徑、強度和降水預(yù)報能力，加深了對臺風(fēng)預(yù)報可信度的認識，并在臺風(fēng)預(yù)報檢驗新技術(shù)和臺風(fēng)集成預(yù)報新技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用等方面取得了突破性進展，初步建立了涵蓋確定性和集合預(yù)報的臺風(fēng)路徑、強度和風(fēng)雨預(yù)報性能評估技術(shù)體系，有效地推進了先進臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)在臺風(fēng)預(yù)報業(yè)務(wù)中的展示和應(yīng)用。

臺風(fēng)，預(yù)報，評估，示范

0　項目簡介

2010年5—10月，上海世博會成功舉辦。為了向此次活動提供世界上先進的登陸臺風(fēng)預(yù)報和預(yù)警服務(wù)，提升預(yù)報員和決策者有效使用先進臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)和產(chǎn)品的能力，中國氣象局華東區(qū)域氣象中心于2009年10月向世界氣象組織（WMO）提議設(shè)立“WMO登陸臺風(fēng)預(yù)報示范項目（WMO-TLFDP）”。該項建議于2009年11月得到正式采納。

WMO-TLFDP由WMO世界天氣研究計劃（WWRP）、熱帶氣旋計劃（TCP）和公共天氣服務(wù)計劃（PWS）聯(lián)合支持和指導(dǎo)，是WMO“上海多災(zāi)種早期預(yù)警項目”的一個組成部分，牽頭機構(gòu)是中國氣象局上海臺風(fēng)研究所、華東區(qū)域氣象中心和WMO東京區(qū)域臺風(fēng)中心，參加機構(gòu)有十個，包括中國氣象局國家氣象中心、廣州熱帶海洋氣象研究所、香港天文臺、韓國氣象廳等。

WMO-TLFDP旨在增強分析和認識登陸臺風(fēng)預(yù)報可信度的能力，評估先進的登陸臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)對提高預(yù)報和服務(wù)能力的貢獻及其社會和經(jīng)濟效益，增強上海多災(zāi)種早期預(yù)警系統(tǒng)的登陸臺風(fēng)預(yù)報能力，展示世界上先進的登陸臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)，推進先進的登陸臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)在WMO成員的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。自立項起，WMO-TLFDP就與THORPEX建立了密切的聯(lián)系，并開展了臺風(fēng)路徑和強度集合預(yù)報的評估和應(yīng)用技術(shù)研究。

WMO-TLFDP的主要任務(wù)包括：（1）建立多機構(gòu)登陸臺風(fēng)預(yù)報結(jié)果的實時收集和顯示系統(tǒng)，包括臺風(fēng)路徑、強度、風(fēng)雨分布等；（2）研制和集成臺風(fēng)登陸地點和時間、風(fēng)雨分布的預(yù)報評估技術(shù)，并開展預(yù)報性能的評估；（3）對登陸臺風(fēng)預(yù)報進行綜合分析，評估預(yù)報的可信度；（4）評估登陸臺風(fēng)預(yù)報的社會和經(jīng)濟效益。

WMO-TLFDP立項之初確定的研究周期是3年（2010—2012），WMO在評估其效果后于2012年決定再延續(xù)3年（2013—2015）。以下逐一介紹項目在培訓(xùn)研討、資料收集與存儲、臺風(fēng)預(yù)報評估、臺風(fēng)集成預(yù)報新技術(shù)、項目網(wǎng)站和效益評估等方面取得的進展。

1　培訓(xùn)研討

WMO-TLFDP項目分別于2010和2012年各舉辦了一次臺風(fēng)預(yù)報培訓(xùn)研討會，會議地點均在上海。第一次培訓(xùn)研討會于2010年5月24—28日舉行，旨在幫助華東區(qū)域的預(yù)報員熟悉計劃在上海世博會期間引進的臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)和產(chǎn)品。來自中國氣象局、歐洲中期天氣預(yù)報中心、香港天文臺、日本氣象廳、美國國家颶風(fēng)中心等8個機構(gòu)的11位專家給20多位培訓(xùn)學(xué)員進行了授課。第二次培訓(xùn)研討會于2012年6月12—14日舉行，來自WMO、日本氣象廳、美國國家大氣研究中心、中國香港天文臺、國家氣象中心、上海中心氣象臺和上海臺風(fēng)研究所等境內(nèi)外機構(gòu)的知名專家和各省局氣象預(yù)報員共計70余名專家學(xué)者出席了會議。與會專家就WMO-TLFDP的應(yīng)用與實踐、上海臺風(fēng)早期預(yù)警系統(tǒng)及臺風(fēng)路徑、強度、降水預(yù)報檢驗分析應(yīng)用和效益評估等進行了介紹交流，探討了針對路徑突變集合預(yù)報產(chǎn)品的檢驗和診斷應(yīng)用、集合離散度及概率預(yù)報等不確定性預(yù)報技術(shù)分析應(yīng)用和如何為決策者提供基于集合預(yù)報信息的“解決方案”組合等關(guān)鍵科學(xué)問題。

2　資料收集與存儲

項目收集的預(yù)報產(chǎn)品有：確定性的臺風(fēng)路徑、強度和大風(fēng)半徑預(yù)報，路徑和強度的集合預(yù)報，大風(fēng)概率預(yù)報，風(fēng)雨格點預(yù)報和模式預(yù)報的三維格點場。所涉及的預(yù)報方法既有綜合預(yù)報，也有數(shù)值模式和統(tǒng)計預(yù)報，詳細內(nèi)容參見文獻[1]。來自13家機構(gòu)，包括歐洲中期天氣預(yù)報中心、香港天文臺、日本氣象廳、美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心、韓國氣象廳、加拿大氣象局、美國國家環(huán)境預(yù)報中心、美國國家颶風(fēng)中心、WMO東京臺風(fēng)中心以及中國氣象局國家氣象中心、華東區(qū)域氣象中心、廣州熱帶海洋氣象研究所和上海臺風(fēng)研究所。自2010年5月至今，西北太平洋所有臺風(fēng)的預(yù)報產(chǎn)品均存儲在華東區(qū)域氣象中心。

3　臺風(fēng)預(yù)報評估

2012年，項目開展了一次關(guān)于亞太區(qū)域臺風(fēng)預(yù)報評估業(yè)務(wù)現(xiàn)狀的電子郵件調(diào)查[2]，調(diào)查對象是亞太臺風(fēng)委員會各成員、WMO東京區(qū)域臺風(fēng)中心和美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心。調(diào)查結(jié)果表明，該區(qū)域各業(yè)務(wù)預(yù)報中心開展了大量臺風(fēng)預(yù)報評估工作，有些是獨立實施，有些是通過國際合作開展，關(guān)注的重點是路徑和強度的確定性預(yù)報。預(yù)報評估產(chǎn)品以多種形式提供給預(yù)報員參考，既有實時的也有季后的。概率預(yù)報的評估產(chǎn)品不多，臺風(fēng)風(fēng)雨預(yù)報的評估也尚未受到足夠的重視。

項目開展的臺風(fēng)預(yù)報評估工作包括實時和季后兩大部分。實時評估的對象是確定性的臺風(fēng)路徑和強度預(yù)報以及上海臺風(fēng)研究所區(qū)域模式WRF ADAS Realtime Modeling System （SMB-WARMS）的格點預(yù)報。路徑預(yù)報的評估指標是距離誤差、移向誤差和移速誤差，強度預(yù)報的評估指標是絕對誤差和相對誤差。項目引進了美國國家大氣研究中心研發(fā)的模式評估系統(tǒng)MET對SMB-WARMS進行實時評估，評估內(nèi)容包括降水、溫度、風(fēng)、位勢高度、相對濕度等，評估指標除傳統(tǒng)的命中率、誤報率、均方根誤差、相關(guān)系數(shù)、TS評分等之外，還應(yīng)用了面向?qū)ο蟮脑\斷評估方法MODE。

季后的臺風(fēng)預(yù)報評估工作在路徑、強度、登陸點和降水預(yù)報四個方面均取得了顯著進展。

3.1臺風(fēng)路徑預(yù)報評估

對所有參加項目的綜合預(yù)報、全球模式、區(qū)域模式、集成預(yù)報方法和集合預(yù)報系統(tǒng)的臺風(fēng)路徑預(yù)報進行了評估，分析了距離誤差的概率分布、區(qū)域分布、與臺風(fēng)初始狀態(tài)和環(huán)境流等的關(guān)系等，并提出了相對誤差比指標來分析不同方法臺風(fēng)移速和移向預(yù)報的相對能力[3-5]。圖1是兩個全球模式ECMWF-IFS和NCEPGFS在2010—2012年的預(yù)報距離誤差分布[6]，清楚地體現(xiàn)了NCEP-GFS在近幾年的顯著進步。系統(tǒng)性誤差的分析表明，不少模式的預(yù)報位置較實況明顯偏西。分析距離誤差的區(qū)域分布特征，發(fā)現(xiàn)我國南海、臺風(fēng)生成區(qū)域以及臺風(fēng)轉(zhuǎn)向后進入的高緯度區(qū)域的預(yù)報難度較大。項目引進了在我國臺風(fēng)預(yù)報評估業(yè)務(wù)中使用多年的綜合評定指標AI[7]，并在此基礎(chǔ)上提出了一個新的臺風(fēng)路徑預(yù)報評估指標—路徑預(yù)報整體偏差TFID[8]。試驗表明，將TFID與常用的距離誤差結(jié)合使用可以更加準確地識別好與不好的預(yù)報路徑。

3.2臺風(fēng)強度預(yù)報評估

研究[9-12]提出了等級評分等新的臺風(fēng)強度預(yù)報評估指標，并從相對誤差分布、預(yù)報技巧、等級評分、趨勢一致率、排序分析等多個方面評估了業(yè)務(wù)常用方法的強度預(yù)報能力。結(jié)果表明，大多數(shù)方法存在低估臺風(fēng)強度的問題，所有方法對臺風(fēng)快速增強都沒有預(yù)報能力，部分方法能夠?qū)焖贉p弱做出準確的預(yù)報；中國氣象局、日本氣象廳、歐洲中期天氣預(yù)報中心等的業(yè)務(wù)模式已具備一定的臺風(fēng)強度預(yù)報能力，特別是對變化趨勢和強度等級的預(yù)報在24h或36h以上時效要優(yōu)于氣候持續(xù)性方法；對不同初始強度的臺風(fēng)，各模式在不同時效的誤差特性有所不同，且模式預(yù)報誤差與初始強度誤差呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖2）。對8個集合預(yù)報系統(tǒng)（NMC/CMA、STI/CMA、KMA、ECMWF、CMC、NCEP、JMA_ TEPS、JMA_WEPS）的臺風(fēng)強度預(yù)報能力也進行了評估[13]，發(fā)現(xiàn)盡管存在分辨率普遍較低的問題，大部分系統(tǒng)對強度變化都有一定的預(yù)報能力，依據(jù)初始強度誤差對預(yù)報結(jié)果進行簡單的線性平移訂正可明顯改進集合預(yù)報在短時效的預(yù)報技巧（圖3）。

3.3登陸點預(yù)報評估

對臺風(fēng)登陸點預(yù)報的評估表明，2012年大部分綜合預(yù)報方法的24h登陸點預(yù)報命中率達100%，且有20h以上的預(yù)報時效[5]，較2010和2011年有顯著進步[3-4]。對登陸位置的24h預(yù)報，不同臺風(fēng)間差異很大，最小僅幾千米，最大可達幾百千米。

3.4臺風(fēng)降水預(yù)報評估

對2010—2012年中國氣象局、日本氣象廳、歐洲中期天氣預(yù)報中心等的多個業(yè)務(wù)數(shù)值模式的臺風(fēng)降水預(yù)報進行了評估，評估指標包括均方根誤差、平均誤差、平均絕對誤差、常用評分指標TS、ETS、POD、FAR和面向?qū)ο蟮脑\斷評估方法MODE[14]等，分析對象是影響華東的臺風(fēng)。根據(jù)影響臺風(fēng)降水的環(huán)境系統(tǒng)差異進行了分類統(tǒng)計，包括西風(fēng)槽型、季風(fēng)環(huán)流型、復(fù)雜地形型等，并對2010年“圓規(guī)”、2012年“海葵”和2013年“菲特”3個臺風(fēng)進行了個例分析。結(jié)果表明，業(yè)務(wù)全球模式可較好地把握天氣尺度的降水過程，盡管對降水的確切位置和量值的預(yù)報仍不十分準確，例如“圓規(guī)”與其西側(cè)冷空氣之間的輻合所致降水[15]。對于小尺度的極端降水過程，全球模式目前幾乎沒有預(yù)報能力，高分辨率區(qū)域模式的預(yù)報結(jié)果則具有一定的參考價值，例如“圓規(guī)”與“獅子山”倒槽相互作用、“菲特”殘余環(huán)流在上海引發(fā)的特大暴雨過程。圖4是區(qū)域模式SMB-WARMS在2010年8月31日08時（北京時）起報的24h降水預(yù)報的MODE評估結(jié)果[16]，此次降水過程是“圓規(guī)”臺風(fēng)與其西側(cè)冷空氣、南側(cè)“獅子山”臺風(fēng)倒槽相互作用所致，可見預(yù)報降水的范圍較觀測明顯偏大，但預(yù)報降水區(qū)的走向與觀測很一致。

通過以上調(diào)查分析和預(yù)報評估研究，增進了我們對臺風(fēng)預(yù)報評估業(yè)務(wù)及研究現(xiàn)狀的認識，較為全面地展示了當今世界主流預(yù)報技術(shù)的臺風(fēng)預(yù)報能力和薄弱環(huán)節(jié)。項目以此為基礎(chǔ)，初步建立了涵蓋確定性和集合預(yù)報的臺風(fēng)路徑、強度和風(fēng)雨預(yù)報性能評估技術(shù)體系，并自2012年起據(jù)此進行亞太地區(qū)臺風(fēng)預(yù)報性能評估，有關(guān)分析報告已成為ESCAP/WMO臺風(fēng)委員會確定年度工作計劃的重要技術(shù)參考材料。

4　臺風(fēng)集成預(yù)報新技術(shù)

眾所周知，集成預(yù)報是提高天氣預(yù)報準確率的一個有效手段，在全球各臺風(fēng)業(yè)務(wù)中心的路徑預(yù)報中已得到廣泛應(yīng)用[2]。項目在這方面也做了一些有益的嘗試，創(chuàng)新性地提出了基于集合預(yù)報短時效誤差的臺風(fēng)路徑選擇集成預(yù)報技術(shù)和基于誤差預(yù)估的臺風(fēng)強度多模式集成預(yù)報技術(shù)，切實推動了集合預(yù)報產(chǎn)品在我國臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報中的定量應(yīng)用。

4.1基于集合預(yù)報的臺風(fēng)路徑選擇集成預(yù)報技術(shù)

通過對集合預(yù)報成員的短時效預(yù)報誤差進行評估，從中挑選出表現(xiàn)較好的成員進行長時效的預(yù)報集成（圖5），提出了基于集合預(yù)報的臺風(fēng)路徑選擇集成預(yù)報方法[17]。對4個全球集合預(yù)報系統(tǒng)進行應(yīng)用試驗的結(jié)果表明，如將該方法應(yīng)用于ECMWF集合預(yù)報系統(tǒng)產(chǎn)品，所得臺風(fēng)路徑預(yù)報的性能明顯提高（72h誤差從原來集合平均的 230km縮小為207km），表現(xiàn)出很好的應(yīng)用價值。該方法所提出的集合預(yù)報應(yīng)用思路已自2012年起在中央氣象臺投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，為我國近兩年臺風(fēng)路徑預(yù)報準確率的提高做出了重要貢獻。需要注意的是，當模式預(yù)報的短時效誤差趨勢與長時效誤差趨勢不一致時，該項技術(shù)無法表現(xiàn)出對模式集合平均的優(yōu)勢。影響這種趨勢一致性的因素主要包括：臺風(fēng)陸地相互作用、臺風(fēng)變性、臺風(fēng)路徑突變、臺風(fēng)移速緩慢、臺風(fēng)初始強度弱且結(jié)構(gòu)松散等。因此，集合預(yù)報產(chǎn)品在提升臺風(fēng)路徑預(yù)報能力方面的作用仍有待進一步挖掘。

4.2基于誤差預(yù)估的臺風(fēng)強度多模式集成預(yù)報技術(shù)

常用的臺風(fēng)強度客觀預(yù)報方法包括外推、統(tǒng)計和統(tǒng)計動力預(yù)報方法，或是以這些方法為基礎(chǔ)的集成預(yù)報[18]。項目對中國氣象局、日本氣象廳、歐洲中期天氣預(yù)報中心等的多個業(yè)務(wù)數(shù)值模式的臺風(fēng)強度預(yù)報進行了分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)報誤差與臺風(fēng)及其所處環(huán)境的初始狀況有密切關(guān)系，包括臺風(fēng)初始強度、尺度、移速、環(huán)境氣壓、環(huán)境風(fēng)切變、洋面溫度等?？傮w而言，模式對較弱的臺風(fēng)、尺度較大臺風(fēng)的預(yù)報性能相對強臺風(fēng)、小臺風(fēng)要好，環(huán)境氣壓強、洋面溫度高時預(yù)報性能相對較差。利用這些因子建立了各模式強度預(yù)報誤差的預(yù)估模型，并在此基礎(chǔ)上建立了多模式集成預(yù)報方案[12,19]。獨立樣本檢驗表明，該方案具有相對氣候持續(xù)性預(yù)報方法以及我國中央氣象臺綜合預(yù)報的正技巧（圖6）。這提出了一個模式臺風(fēng)強度預(yù)報的業(yè)務(wù)應(yīng)用新思路，有望為提升臺風(fēng)強度預(yù)報能力提供有價值的參考依據(jù)。

5　項目網(wǎng)站和效益評估

WMO-TLFDP項目收集的臺風(fēng)預(yù)報資料和產(chǎn)品在2010年上海世博會期間通過華東區(qū)域氣象中心的業(yè)務(wù)網(wǎng)站提供給預(yù)報員使用，英文版的項目網(wǎng)站則于2011年7月正式開通，網(wǎng)址是http://tlfdp.typhoon.gov.cn。該網(wǎng)站向公眾提供項目基本信息，并向注冊用戶提供項目收集或制作的臺風(fēng)預(yù)報資料和產(chǎn)品，包括實時監(jiān)測信息、路徑、強度和風(fēng)雨預(yù)報信息、模式格點預(yù)報場、路徑和強度實時評估結(jié)果等。

WMO-TLFDP項目的實施為2010年上海世博會期間氣象服務(wù)的順利開展提供了強有力的支撐。為定量評估項目效益，更好地了解用戶需求，在2012年4—6月期間對公眾、專業(yè)用戶和預(yù)報員開展了書面問卷調(diào)查。對調(diào)查問卷的統(tǒng)計表明[20]，臺風(fēng)預(yù)警信息的公眾關(guān)注度相當高，有超過80%的公眾認為天氣預(yù)報和臺風(fēng)預(yù)警是準確并且在進步的，大多數(shù)用戶（70%）希望得到確定性預(yù)報而非概率預(yù)報。調(diào)查還表明用戶對影響預(yù)報的需求很高。這些調(diào)查結(jié)果在一定程度上為臺風(fēng)預(yù)報和服務(wù)指出了未來可能的發(fā)展方向。

6　結(jié)語

WMO-TLFDP項目（2010—2015年）自2010年實施至今，已建立了集當今世界主流臺風(fēng)客觀預(yù)報產(chǎn)品及其預(yù)報性能的業(yè)務(wù)平臺。項目通過開展臺風(fēng)預(yù)報評估，分析了當前世界上多類先進預(yù)報技術(shù)的臺風(fēng)路徑、強度和降水預(yù)報能力，加深了對臺風(fēng)預(yù)報可信度的認識，并在臺風(fēng)預(yù)報檢驗新技術(shù)和臺風(fēng)集成預(yù)報新技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用等方面取得了突破性進展，項目所取得的成果已開始在我國的日常業(yè)務(wù)預(yù)報和服務(wù)工作中發(fā)揮重要作用，有效地推進了先進臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)在臺風(fēng)預(yù)報業(yè)務(wù)中的展示和應(yīng)用。

項目初步建立的涵蓋確定性和集合預(yù)報的臺風(fēng)預(yù)報性能評估技術(shù)體系，及據(jù)此進行的亞太地區(qū)臺風(fēng)預(yù)報性能分析評估和撰寫的分析報告，自2012年起成為ESCAP/WMO臺風(fēng)委員會確定年度工作計劃的重要技術(shù)參考材料，推動該區(qū)域的臺風(fēng)預(yù)報性能評估業(yè)務(wù)踏上了一個新臺階。項目將繼續(xù)與WMO相關(guān)的技術(shù)專家組和示范項目合作，進一步完善臺風(fēng)路徑、強度和風(fēng)雨分布預(yù)報性能評估技術(shù)體系，研發(fā)臺風(fēng)生成、變性和臺風(fēng)大風(fēng)半徑等結(jié)構(gòu)特征量預(yù)報的性能評估技術(shù)，以期更有效地推進亞太地區(qū)臺風(fēng)客觀預(yù)報技術(shù)的改進和成果的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化。

鑒于目前實時預(yù)報中的海量預(yù)報信息及其性能相對優(yōu)劣的不確定性，項目還將在性能評估的基礎(chǔ)上，研發(fā)基于可預(yù)報性和不確定性分析的預(yù)報可信度預(yù)估技術(shù)，以期為預(yù)報員和決策者提供“最佳選擇”依據(jù)。

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The Progress of WMO Typhoon Landfall Forecast Demonstration Project

Lei Xiaotu, Yu Hui
(Shanghai Typhoon Institute, China Meteorological Administration, Shanghai 200030)

The “WMO Typhoon Landfall Forecast Demonstration Project (WMO-TLFDP)” was started in May 2010, with an aim to improve the typhoon landfall forecast service for World Expo 2010 and enhance the ability of forecasters and decision-makers to effectively use products of the most advanced typhoon forecasting techniques in the world. The project continued after the World Expo 2010 and will end in 2015. Up to now, the project has set up a platform integrating the most advanced typhoon forecasting guidance in the world. The forecast guidance for typhoon track, intensity, and precipitation has been evaluated in both real-time and post-season manners, which helps in understanding the reliability of typhoon forecasts. Breakthroughs have been made in terms of new verification techniques for typhoon forecast and new consensus forecast techniques based on available guidance. An evaluation index system has been proposed covering the indices for both the deterministic and probabilistic typhoon forecasts. These efforts have effectively demonstrated and promoted the application of advanced typhoon forecasting techniques in operation.

Typhoon, Forecast Demonstration, Forecast Evaluation, World EXPO 2010

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.02.003

2014年1月29日；

2014年9月15日

雷小途（1968—），Email: leixt@mail.typhoon.gov.cn

資助信息：公益性行業(yè)（氣象）科研專項（GYHY201006008，GYHY201406010）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2015CB452806）