兩輪省部合作期間廣東省臺風(fēng)路徑預(yù)報能力評估

王鳳，瓦力江·瓦黑提，胡亮，黃曉瑩

（廣東省氣象臺，廣東廣州 510640）

自2012年以來，中國氣象局與廣東省政府先后簽署落實了兩輪氣象現(xiàn)代化建設(shè)合作備忘錄，分別為2012—2015和2016—2019年，期間廣東省氣象部門在氣象現(xiàn)代化、深化氣象改革、完善氣象事業(yè)發(fā)展保障機(jī)制等方面獲得豐碩成果，廣東氣象科技創(chuàng)新和綜合氣象監(jiān)測能力、區(qū)域數(shù) 值 天 氣 預(yù) 報 模 式 水 平 大 幅 提 高［1－3］。2012—2019年廣東每年氣象災(zāi)害損失占GDP的比重由0.65%下降為0.23%，每年因氣象災(zāi)害死亡人數(shù)從3位數(shù)降至2位數(shù)［4］。

臺風(fēng)是影響廣東最嚴(yán)重的強(qiáng)烈災(zāi)害性天氣之一，臺風(fēng)路徑預(yù)報準(zhǔn)確與否對做好防災(zāi)減災(zāi)、保障人民生命財產(chǎn)安全息息相關(guān)。臺風(fēng)路徑預(yù)報精確度是兩輪省部合作的重要內(nèi)容之一。省部合作以來，廣東氣象部門在臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)和研究方面取得了長足進(jìn)展［5－7］。本研究通過計算兩輪省部合作期間（2012—2019年）廣東省氣象臺的臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差（簡稱“誤差”），首先分析其變化趨勢；其次對比第1輪和第2輪省部合以來臺風(fēng)路徑預(yù)報能力的變化；最后評估當(dāng)前臺風(fēng)路徑預(yù)報能力。對當(dāng)前臺風(fēng)路徑預(yù)報能力的了解有助于在制作風(fēng)雨預(yù)報時充分考慮路徑預(yù)報誤差對大風(fēng)和降雨預(yù)報的影響，同時也為決策者在防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)部署中充分考慮預(yù)報不確定性帶來的影響提供科學(xué)依據(jù)，對于預(yù)報業(yè)務(wù)和決策氣象服務(wù)都具有參考意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

本研究評定的臺風(fēng)為2012—2109年期間廣東省氣象臺發(fā)布預(yù)報且在預(yù)報責(zé)任區(qū)（130°E以西，25°N以南）活動過的命名臺風(fēng)。檢驗數(shù)據(jù)為廣東省氣象臺于02：00（北京時，下同）、08：00、14：00和20：00發(fā)布的主觀預(yù)報和中央氣象臺發(fā)布的臺風(fēng)實況。檢驗的預(yù)報時效為6、12、24、36、48、60、72、96和120 h，由于各臺風(fēng)生命史長短不一，各預(yù)報時效參與檢驗的臺風(fēng)數(shù)量不同（表1），當(dāng)某個臺風(fēng)所有起報時次發(fā)布的預(yù)報中至少一次出現(xiàn)上述各預(yù)報時效的預(yù)報時，該臺風(fēng)就被計作相應(yīng)預(yù)報時效的有效樣本，其中6和60 h的預(yù)報從2015年底開始納入臺風(fēng)預(yù)報業(yè)務(wù)，因此本研究部分分析不包含6和60 h的預(yù)報誤差。

根據(jù)臺風(fēng)實況位置，計算每個位置上的球面距離，采用平均絕對誤差進(jìn)行計算，計算公式為｜，其中MAE為平均絕對誤差，F(xiàn)為預(yù)報值，O為實況值，i為第i個樣本，N為樣本數(shù)。單個臺風(fēng)平均誤差為生命過程誤差中所有預(yù)報時次的平均值，年度誤差則為該年度所有符合條件臺風(fēng)過程誤差的平均值。另外，臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差包括距離誤差和移向誤差，本研究僅針對距離誤差進(jìn)行分析，簡稱的誤差、路徑誤差、預(yù)報誤差等均指距離誤差，登陸臺風(fēng)均指登陸廣東省的臺風(fēng)。

表1 檢驗臺風(fēng)樣本數(shù)量

2 兩輪省部合作期間臺風(fēng)路徑預(yù)報能力評估

2.1 24 h路徑預(yù)報質(zhì)量對比

兩輪省部合作中，對臺風(fēng)路徑精確度進(jìn)行評價的指標(biāo)為24 h路徑預(yù)報偏差，首先通過對比該指標(biāo)評估兩輪現(xiàn)代化建設(shè)以來廣東臺風(fēng)路徑預(yù)報能力的變化。分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過第1輪氣象現(xiàn)代化的建設(shè)，在第2輪氣象現(xiàn)代化建設(shè)期間臺風(fēng)路徑預(yù)報精確度有所提升，命名臺風(fēng)的24 h路徑預(yù)報誤差從第1輪的98 km（2012—2015年平均）減小到81 km（2016—2019年平均）；在登陸廣東的臺風(fēng)中體現(xiàn)更為明顯，登陸臺風(fēng)24 h路徑預(yù)報誤差從100 km下降到66 km（圖1），準(zhǔn)確率提升了30%以上；對登陸廣東的12級以上強(qiáng)度臺風(fēng)的預(yù)報能力也明顯提升，將預(yù)報誤差從97 km縮減到了55 km，準(zhǔn)確度提升了40%以上。

兩輪合作中，登陸臺風(fēng)的平均預(yù)誤差略小于全部命名臺風(fēng)的平均誤差，由圖1可見誤差最小的為1707號臺風(fēng)“洛克”24 km，最大的為1208號臺風(fēng)“韋森特”179 km。平均誤差為82 km，80%的臺風(fēng)誤差在100 km以下，超50%的臺風(fēng)誤差在80 km以下，而這些誤差在80 km以下的臺風(fēng)絕大多數(shù)是2016年以后的登陸臺風(fēng)，也就是第2輪省部合作期間。

圖1 2012—2019年登陸廣東的命名臺風(fēng)24 h路徑預(yù)報誤差

2.2 命名臺風(fēng)各時效路徑預(yù)報誤差分析

雖然防災(zāi)減災(zāi)最關(guān)心的是24 h的臺風(fēng)路徑誤差，但對各預(yù)報時效的預(yù)報能力進(jìn)行了解，有助于預(yù)報員在制作風(fēng)雨預(yù)報時充分考慮路徑預(yù)報誤差對大風(fēng)和降雨預(yù)報的影響，同時也能夠讓決策者在防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的部署中充分考慮到不同時效預(yù)報不確定性帶來的影響［8－9］。

近8年廣東省氣象臺的臺風(fēng)路徑平均誤差：24 h為89 km、48 h為158 km、72 h為231 km、96 h為345 km、120 h誤差已增大到468 km，臺風(fēng)路徑距離誤差隨著預(yù)報時效的延長迅速加大，72 h及以內(nèi)的誤差增幅平均每24 h增長38%，從96 h開始預(yù)報時效每24 h預(yù)報誤差增加49%。

分析年度平均路徑誤差（圖2）發(fā)現(xiàn)，近8年臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差在12至72 h內(nèi)總體呈下降趨勢，廣東省氣象臺的臺風(fēng)路徑預(yù)報能力從2014年以來有了明顯提升，隨后逐年小幅波動。2014年第1次24 h路徑預(yù)報誤差小于100 km，并維持至今，最好的年份是2016年的64 km。48 h誤差從200 km以上降到了最低116 km（2016年），72 h誤差則從281 km降到了200 km以下，其中最好的年份為2014年187 km。而96和120 h的誤差從2010年到2014年逐年下降，2015年之后則呈現(xiàn)劇烈波動，年度差異相對較大。

2.3 登陸臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差及變化趨勢

過去8年與全體臺風(fēng)預(yù)報相比，廣東省氣象臺對登陸本省的臺風(fēng)預(yù)報質(zhì)量更高，所有預(yù)報時效的登陸臺風(fēng)平均路徑誤差均低于命名臺風(fēng)，其中72 h及以內(nèi)的誤差不超過10 km，從96 h差距增大到30 km以上，120 h差距近100 km，具體數(shù)據(jù)見表2。對比南海源地和西北太平源地的登陸臺風(fēng)，在24至96 h時段的南海源地的預(yù)報誤差相對更低，但120 h時效的南海源地登陸臺風(fēng)誤差較大（478 km）。

圖2 2012—2019年廣東省氣象臺命名臺風(fēng)的逐年路徑預(yù)報誤差

表2 2012—2019年各預(yù)報時效平均路徑預(yù)報誤差 km

南海臺風(fēng)路徑常常發(fā)生曲折和打轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其路徑預(yù)報是熱帶氣旋預(yù)報的一大難點(diǎn)［10］；長時效的南海臺風(fēng)預(yù)報難度更大，南海臺風(fēng)的生命史平均為3～4 d，預(yù)報時效能夠達(dá)120 h的南海臺風(fēng)樣本數(shù)極少，且生命史超過5 d的南海登陸臺風(fēng)多為疑難路徑，例如檢驗樣本中的1622“海馬”為曲折路徑、1804“艾云尼”為打轉(zhuǎn)路徑、1816“貝碧嘉”為多次打轉(zhuǎn)路徑，此類臺風(fēng)的路徑預(yù)報向來是業(yè)界難點(diǎn)［11－12］；在此120 h時效的南海臺風(fēng)路徑誤差不具有普遍代表性。

總體而言廣東氣象臺對登陸本省的南海臺風(fēng)有更好的預(yù)報能力，各時次平均差距比西太平洋的登陸臺風(fēng)低10 km左右。過去8年，廣東氣象部門在南海近海建立了海洋綜合觀測體系，包括沿海的8個海洋綜合觀測基地、6部S波段雷達(dá)、210個自動觀測站和近海15個石油平臺自動站、4個大型浮標(biāo)站，對臺風(fēng)實況的監(jiān)測范圍由50 km延伸到近300 km，南海臺風(fēng)在靠近廣東的過程中可用的觀測資料越來越多，對臺風(fēng)預(yù)報能夠提供更多參考信息，如臺風(fēng)的強(qiáng)度、位置、風(fēng)圈等。

分析登陸臺風(fēng)的平均誤差（圖略）發(fā)現(xiàn)，2012—2019年登陸廣東臺風(fēng)的路徑預(yù)報誤差總體呈下降趨勢，其趨勢與命名臺風(fēng)相似，同樣也是2014年之后預(yù)報質(zhì)量明顯提升，自2014年12～72 h誤差明顯下降逐漸小幅波動，96和120 h登陸臺風(fēng)的樣本相對較少，有的年份采集不到樣本，因此未做分析。登陸臺風(fēng)年度預(yù)報質(zhì)量最優(yōu)詳細(xì)見表2。

2.4 當(dāng)前廣東臺風(fēng)路徑預(yù)報能力評估

用近4年（第2輪省部合作期間）的平均預(yù)報誤差代表廣東省氣象臺當(dāng)前對臺風(fēng)路徑的預(yù)報能力，命名臺風(fēng)的平均誤差：6 h為41 km、12 h為58 km、24 h為81 km、48 h為153 km、72 h為214 km（詳見表3），48 h及以內(nèi)時效和120 h優(yōu)于過去8年平均，72與96 h較8年平均略偏大，由此可見3 d以上時效的臺風(fēng)路徑預(yù)報仍是業(yè)務(wù)及研究中的難題，在過去8年間進(jìn)展緩慢。

近4年登陸臺風(fēng)的平均路徑預(yù)報誤差為6 h小于40 km、24 h小于70 km、48 h略高于100 km、72 h小于200 km，廣東省氣象臺對于登陸本省的臺風(fēng)預(yù)報能力在全國是最強(qiáng)的也是8年期間提升最快的，各時次平均比過去8年誤差減少了近20 km。

3 結(jié)論

1）從第1輪到第2輪省部合作，廣東省臺風(fēng)預(yù)報精準(zhǔn)度有明顯提升，尤其是登陸廣東省的臺風(fēng)；命名臺風(fēng)的24 h路徑誤差從98 km減小到81 km，登陸臺風(fēng)24 h路徑預(yù)報誤差從100 km下降至66 km。氣象現(xiàn)代化對臺風(fēng)路徑預(yù)報的精確度提升切實起到了推動作用。

2）廣東省氣象臺當(dāng)前的臺風(fēng)路徑預(yù)報能力為6 h小于40 km、24 h小于70 km、48 h略高于100 km；對于登陸廣東省臺風(fēng)的預(yù)報能力優(yōu)于其他臺風(fēng)，而登陸臺風(fēng)之中對于南海臺風(fēng)的預(yù)報能力最優(yōu)。

3）臺風(fēng)誤差隨著預(yù)報時效迅速增加，且當(dāng)預(yù)報時效超過72 h之后，臺風(fēng)路徑誤差的不穩(wěn)定性增大，預(yù)報的個體差異將更明顯，相對而言，統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可參考性有所降低。短時效（24 h以內(nèi)）的臺風(fēng)路徑預(yù)報穩(wěn)定性較高，在預(yù)報和服務(wù)中有極強(qiáng)的參考性；中等時效（24～72 h）的臺風(fēng)路徑預(yù)報有一定的波動性，但預(yù)報能力階段性穩(wěn)中有升，在預(yù)報和服務(wù)時需及時跟進(jìn)最新預(yù)報；長時效（超過72 h）的路徑預(yù)報個體性差異較大，預(yù)報誤差的不穩(wěn)定性也較大，在預(yù)報和服務(wù)中需具體情況參考使用。

本研究從統(tǒng)計角度僅針對路徑預(yù)報的距離誤差進(jìn)行了分析，未涉移向誤差分析，今后將綜合分析距離誤差和移向誤差，以加深對臺風(fēng)預(yù)報誤差的認(rèn)識；另外將從個例臺風(fēng)誤差分析入手，研究路徑誤差的穩(wěn)定性，以期增加臺風(fēng)檢驗結(jié)果在決策氣象服務(wù)中的可用性。