CFOSAT散射計(jì)風(fēng)場資料同化在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

孫佳琪 ，杜建廷*，華 鋒，陳耀登

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島 266061；2.自然資源部 海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061；3.山東省海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237；5.汕頭大學(xué) 理學(xué)院,廣東 汕頭 515063；6.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044)

臺(tái)風(fēng)是一種生成于熱帶洋面上的中尺度天氣系統(tǒng),臺(tái)風(fēng)過境嚴(yán)重威脅著沿海地區(qū)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度對災(zāi)害防治具有重要意義。在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中,同化常規(guī)和非常規(guī)觀測資料可以通過改善初始條件[1],提高數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

近年來,隨著數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展、資料同化技術(shù)的進(jìn)步以及觀測資料的豐富,臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平得到穩(wěn)步提高。研究表明,MM5(Mesoscale Model 5)和WRF(Weather Research and Forecasting)等中尺度天氣預(yù)報(bào)模式的初始場對臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性具有顯著的影響[2-4]。采用三維變分技術(shù)(Three-Dimensional Variational data assimilation,3DVar)進(jìn)行資料同化,可以有效改善數(shù)值模式的初始場,從而提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性[5-8]。集合卡爾曼濾波方法(Ensemble Kalman Filter,ENKF)在理論上更為先進(jìn),但由于計(jì)算量大等原因,使得其在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的實(shí)際應(yīng)用中受到限制[6]。同化常規(guī)和非常規(guī)觀測資料可以有效改善臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)初始場[9-11],但由于臺(tái)風(fēng)發(fā)生于熱帶洋面,通常情況下該地區(qū)的常規(guī)觀測資料相對稀缺,因此擁有高空間覆蓋率的衛(wèi)星資料對于臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)具有重要意義。

衛(wèi)星觀測資料同化對提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性起著非常重要的作用[12-15]。近年來,QuikSCAT(Quick SCATterometer)、ASCAT(Advanced SCATterometer)等衛(wèi)星散射計(jì)提供的風(fēng)場資料被廣泛應(yīng)用于資料同化中。QuikSCAT 風(fēng)場資料在帶寬和近實(shí)時(shí)傳輸?shù)确矫婢哂袃?yōu)越性,可以有效改善海面風(fēng)場的資料同化效果[16-19]。Singh等[20]利用3DVar技術(shù),采用Oceansat-2衛(wèi)星散射計(jì)風(fēng)場進(jìn)行資料同化,很好地改善了地面風(fēng)的短期預(yù)報(bào)效果,同時(shí)也對大氣濕度、溫度等預(yù)報(bào)起到了積極的作用。劉曉燕等[21]通過同化海洋2號(HY-2A)衛(wèi)星散射計(jì)資料改善模式初始場,提高了臺(tái)風(fēng)“菲特”路徑的預(yù)報(bào)效果。2018年10月,中法海洋衛(wèi)星CFOSAT(China-France Oceanography SATellite)成功發(fā)射并進(jìn)入軌道,其上搭載了扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)SCAT(wind SCAT terometer)和海浪波譜儀SWIM(Surface Waves Investigation and Monitoring)。其中SCAT 的帶寬為1 000 km,提供12.5 km×12.5 km 水平分辨率的風(fēng)場資料。Xu等[22]利用CFOSAT 成功捕獲到臺(tái)風(fēng)“玲玲”期間的風(fēng)場和波浪場數(shù)據(jù),其最大風(fēng)速達(dá)到24 m/s以上,最大風(fēng)速半徑約為50 km,其散射計(jì)風(fēng)場的空間分布和平均風(fēng)速與CMEMS(Copernicus Marine Environment Monitoring Service)衛(wèi)星風(fēng)場接近,同時(shí),CFOSAT 觀測到的臺(tái)風(fēng)云系和臺(tái)風(fēng)中心與FY-4A(Fengyun-4A)提供的圖像相符。CFOSAT 可以為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的資料同化提供優(yōu)質(zhì)的觀測資料,其散射計(jì)風(fēng)場在臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)資料同化中的應(yīng)用,對提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)預(yù)警能力,做好防臺(tái)減災(zāi)工作有重要作用。目前本文作者尚未檢索到將CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場用于臺(tái)風(fēng)同化當(dāng)中的相關(guān)研究,因此擬通過數(shù)值試驗(yàn)分析CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料同化對模式初始場和臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)效果的影響,探討CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料同化在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用價(jià)值。

本文采用3DVar同化方法將CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料用于WRF大氣模式同化,并針對2019年11號臺(tái)風(fēng)“白鹿”進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn),分析了不進(jìn)行資料同化、僅同化探空儀、浮標(biāo)等常規(guī)觀測資料(包含氣壓、風(fēng)場等數(shù)據(jù))及加入CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料同化對臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的影響。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 大氣模式和同化方法

本文采用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF 3.9.0及其三維變分資料同化模塊WRF-3DVar。WRF 是融合了多種先進(jìn)物理模型和數(shù)值技術(shù)的中尺度大氣模式,被廣泛應(yīng)用到大氣科學(xué)研究和業(yè)務(wù)化天氣預(yù)報(bào)中。WRF-3DVar同化方法可以同化多種不同類型的觀測資料,從而改善WRF模式的初始場[23]。3DVar同化方法的基本目標(biāo)是在分析時(shí)刻生成對大氣真實(shí)狀態(tài)的最佳估計(jì),其核心是構(gòu)建一個(gè)表征分析場與觀測場和分析場與背景場偏差的二次泛函極小值,泛函J(x)定義如下:

式中:x為分析大氣狀態(tài)向量場,xb為背景向量場,y為觀測場,H為將模式變量映射到觀測空間的觀測算子,B為背景誤差協(xié)方差矩陣,R為觀測誤差協(xié)方差矩陣。觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制等處理都在WRF-3DVar系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行。x的解表示通過迭代最小化泛函式(1)來產(chǎn)生對真實(shí)大氣狀態(tài)的估計(jì)。

本文采用CV3背景誤差選項(xiàng),并利用常規(guī)觀測資料進(jìn)行了參數(shù)調(diào)優(yōu)試驗(yàn)。還采用WRFDA(WRF Data Assimilation system)中GEN-BE進(jìn)行了研究區(qū)域背景誤差協(xié)方差的構(gòu)建和初步測試(CV5),但關(guān)于構(gòu)建背景誤差協(xié)方差的探討并非本文研究的重點(diǎn),因此選擇了不依賴具體區(qū)域與時(shí)間段的默認(rèn)背景誤差協(xié)方差CV3。初始時(shí)刻選取2019-08-22T12:00(UTC,下同),此時(shí)臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速約23 m/s,中心最低海平面氣壓約990 hPa。CV3的放縮因子由5個(gè)控制變量來表示:流函數(shù)(as1)、不平衡速度勢(as2)、不平衡溫度(as3)、偽相對濕度(as4)和不平衡的表面壓力(as5)。這些變量均包含3個(gè)要素:方差比例因子、水平長度尺度因子和垂直長度比例因子。通過調(diào)整各要素的值進(jìn)行調(diào)優(yōu)試驗(yàn),設(shè)置4組試驗(yàn):第一組試驗(yàn)5個(gè)控制變量的3個(gè)要素值均依次為0.25、0.50和1.50；第二組為0.25、1.00和1.00；第三組為0.50、1.00和1.50；第四組為0.25、1.00和1.50。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示:除去第一組試驗(yàn)(圖1a),后3組均較好地反映出了臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場分布和臺(tái)風(fēng)中心附近的海平面氣壓分布；第二、三組結(jié)果(圖1b和圖1c)顯示,臺(tái)風(fēng)中心最低海平面氣壓達(dá)到1 001 hPa以下,最大風(fēng)速在14 m/s左右；第四組試驗(yàn)的結(jié)果(圖1d)更接近于實(shí)況,中心最低海平面氣壓低于999 h Pa,臺(tái)風(fēng)中心附近氣壓場分布規(guī)則,最大風(fēng)速超過14 m/s。因此,本文最終選取第四組參數(shù)。

圖1 背景誤差參數(shù)調(diào)優(yōu)試驗(yàn)海面10 m 風(fēng)場和臺(tái)風(fēng)中心附近海平面氣壓場(hPa)Fig.1 The 10 m wind speed and sea level pressure(h Pa)around the typhoon center from the background error parameter tuning tests

1.2 數(shù)據(jù)資料

本文采用美國國家環(huán)境預(yù)測中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)提供的CFSv2(Climate Forecast System Reanalysis)氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)再分析數(shù)據(jù)[24],其中海面數(shù)據(jù)水平分辨率為0.2°×0.2°,高空數(shù)據(jù)水平分辨率為0.5°×0.5°,時(shí)間間隔為6 h,為大氣模式提供初始場和邊界條件。

用于資料同化的數(shù)據(jù)包括NCEP提供的常規(guī)地面和高空觀測資料(NCEP ADP Global Upper Air and Surface Weather Observations)[25],以及來自中法海洋衛(wèi)星CFOSAT 的扇形波束旋轉(zhuǎn)掃描散射計(jì)SCAT 風(fēng)場資料(分辨率為12.5 km×12.5 km)[26]。SCAT 是國際上首次采用扇形波束掃描方式測量海洋風(fēng)場的微波散射計(jì),其工作頻率為13.256 GHz,風(fēng)速精度為±2 m/s,風(fēng)向精度為±20°。本文采用由日本氣象廳最佳路徑數(shù)據(jù)集(Japan Meteorological Agency Best Track Data,JMA)[27]和中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)數(shù)據(jù)集(China Meteorological Administration,CMA)[28]提供的2 組數(shù)據(jù)對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),其中包含臺(tái)風(fēng)最佳路徑、中心最低海平面氣壓及最大風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)。圖2為臺(tái)風(fēng)“白鹿”最佳路徑和CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料,從圖2 中可以看出,CFOSAT 提供的臺(tái)風(fēng)“白鹿”風(fēng)場資料,最大風(fēng)速20 m/s以上,與最佳路徑數(shù)據(jù)集提供的數(shù)據(jù)相比,最大風(fēng)速誤差約為2 m/s,臺(tái)風(fēng)中心與最佳路徑臺(tái)風(fēng)中心位置接近。

圖2 臺(tái)風(fēng)“白鹿”最佳路徑(黑色實(shí)線)及CFOSAT 衛(wèi)星散射計(jì)海面10 m 風(fēng)場局部填色圖Fig.2 The best track of typhoon“Bailu”(black solid line)and 10 m wind speed from CFOSAT scatterometer

同時(shí)本文采用由歐洲氣象衛(wèi)星(Meteorological Operational satellite programme,Met Op)搭載的散射計(jì)ASCAT 提供的海面風(fēng)場資料[29]以及來自美國地球觀測衛(wèi)星SMAP(Soil Moisture Active and Passive)的海面風(fēng)場資料[30],對3個(gè)試驗(yàn)風(fēng)場的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對比檢驗(yàn)。ASCAT 采用的C波段散射計(jì)受降雨的影響較小,并且在強(qiáng)風(fēng)條件下對風(fēng)場的反演效果較好,適用于強(qiáng)風(fēng)和降雨條件[31-32]。根據(jù)郭春迓等[33]的研究,在南海海域,當(dāng)海表面風(fēng)速較大時(shí),ASCAT 提供的風(fēng)場數(shù)據(jù)與測站觀測相比誤差較低。SMAP的L波段合成孔徑雷達(dá)可用于測量海表鹽度和海表風(fēng)速。周瑋辰等[34]將SMAP衛(wèi)星提供的雷達(dá)數(shù)據(jù)與美國國家環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)提供的再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),其后向散射系數(shù)與風(fēng)場的規(guī)律關(guān)系隨風(fēng)速變大而變得明顯,因此SMAP可以反演高風(fēng)速條件下的風(fēng)場,并且受降水影響小[35-36],適用于臺(tái)風(fēng)條件下的風(fēng)場數(shù)據(jù)反演。

2 臺(tái)風(fēng)“白鹿”及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 臺(tái)風(fēng)簡介

2019年太平洋第11號臺(tái)風(fēng)“白鹿”最強(qiáng)時(shí)達(dá)到強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級,CFOSAT 于2019-08-22T12:00以較好的覆蓋率觀測到這個(gè)臺(tái)風(fēng)(圖2)?！鞍茁埂庇?019-08-14T07:00在關(guān)島東南方向的西北太平洋面上生成,2019-08-21T07:00加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴,向西偏北方向移動(dòng),并逐漸加強(qiáng),2019-08-22T23:00升級為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴,并于2019-08-24T05:00時(shí)在臺(tái)灣省沿海登陸,登陸時(shí)最大風(fēng)速超過25 m/s,中心最低海平面氣壓985 hPa,隨后臺(tái)風(fēng)“白鹿”繼續(xù)向西偏北方向移動(dòng),進(jìn)入臺(tái)灣海峽,2019-08-24T23:00于福建省東山縣沿海二次登陸,隨后繼續(xù)向西北方向移動(dòng),于2019-08-25T06:00減弱為熱帶低壓。臺(tái)風(fēng)“白鹿”移動(dòng)速度快,降雨量大,對我國東南沿海地區(qū)帶來嚴(yán)重影響。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)預(yù)報(bào)時(shí)段為2019-08-22T12:00—2019-08-25T12:00。預(yù)報(bào)區(qū)域采用三層嵌套設(shè)置(圖3),最外層區(qū)域的分辨率為27 km(169×169個(gè)格點(diǎn)),d02區(qū)域分辨率為9 km(316×259個(gè)格點(diǎn)),d03區(qū)域分辨率為3 km(364×316個(gè)格點(diǎn)),垂向?qū)訑?shù)為44η層,模式物理過程方案選項(xiàng)見表1。本文設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)(表2):試驗(yàn)1,控制試驗(yàn)(Exp-CTRL),不同化任何觀測資料,在2019-08-22T12:00利用WRF模式進(jìn)行72 h預(yù)報(bào),初始場采用的是2019-08-22T06:00起利用WRF進(jìn)行6 h模擬的輸出結(jié)果；試驗(yàn)2,常規(guī)觀測資料同化試驗(yàn)(Exp-ADP),在試驗(yàn)1初始場的基礎(chǔ)上,采用3DVar方法利用2019-08-22T12:00的探空儀、船舶、浮標(biāo)等常規(guī)風(fēng)場觀測資料進(jìn)行同化,得到分析場,進(jìn)而通過WRF模式進(jìn)行72 h預(yù)報(bào)；試驗(yàn)3,CFOSAT 風(fēng)場資料同化試驗(yàn)(Exp-CFO),在試驗(yàn)2的基礎(chǔ)上,增加了CFOSAT 風(fēng)場資料同化,得到分析場之后利用WRF模式進(jìn)行72 h預(yù)報(bào)。

圖3 WRF模式區(qū)域設(shè)置Fig.3 Configuration of WRF domain

表1 WRF物理過程方案設(shè)置Table 1 Configuration of WRF physical process scheme

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 List of experiments

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 初始場分析

初始時(shí)刻選取2019-08-22T12:00,此時(shí)臺(tái)風(fēng)實(shí)況最大風(fēng)速約23 m/s,中心最低海平面氣壓約990 hPa。圖4為3個(gè)試驗(yàn)的初始海平面氣壓場和海面10 m 風(fēng)場的對比。從圖中可以看出,經(jīng)過同化之后,Exp-ADP試驗(yàn)和Exp-CFO 試驗(yàn)的中心最低海平面氣壓比不同化任何資料的Exp-CTRL試驗(yàn)誤差降低了約2 hPa。3個(gè)試驗(yàn)風(fēng)場形態(tài)較為接近,風(fēng)速大于10 m/s的區(qū)域基本分布在臺(tái)風(fēng)中心的東側(cè)和南側(cè),Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)最大風(fēng)速低于15 m/s,在同化CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料后,Exp-CFO 試驗(yàn)最大風(fēng)速區(qū)域的面積明顯增大,風(fēng)場分布情況與CFOSAT 提供的觀測數(shù)據(jù)更為接近,最大風(fēng)速數(shù)值上相較另外2個(gè)試驗(yàn)略有提升,達(dá)15 m/s以上。圖5為3個(gè)試驗(yàn)的500、750和850 h Pa位勢高度場,由圖可見,3個(gè)試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)均處于西太平洋高壓脊的西南方向,有利于臺(tái)風(fēng)向西北方向移動(dòng)。

圖4 2019-08-22T12:00臺(tái)風(fēng)“白鹿”中心附近海平面氣壓場(hPa)和海面10 m 風(fēng)場Fig.4 Sea level pressure(hPa)and 10 m wind speed around the typhoon“Bailu”center at 2019-08-22T12:00

圖5 2019-08-22T12:00臺(tái)風(fēng)“白鹿”中心附近位勢高度場(m)Fig.5 Geopotential height field(m)around the typhoon“Bailu”center at 2019-08-22T12:00

3.2 預(yù)報(bào)效果分析

3.2.1 臺(tái)風(fēng)路徑分析

圖6為臺(tái)風(fēng)最佳路徑和3個(gè)試驗(yàn)的72 h預(yù)報(bào)路徑及其誤差對比圖。由圖6可見:3個(gè)試驗(yàn)均預(yù)報(bào)出了臺(tái)風(fēng)“白鹿”的整體走向,Exp-ADP試驗(yàn)對路徑的預(yù)報(bào)與Exp-CTRL試驗(yàn)相比,預(yù)報(bào)結(jié)果較為接近且略有改善,而Exp-CFO 試驗(yàn)對路徑的預(yù)報(bào)與實(shí)況最為接近。與JMA(CMA)提供的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)相比,同化常規(guī)觀測資料的Exp-ADP試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)初始位置誤差相對于Exp-CTRL試驗(yàn)降低約10 km(6 km),而同化CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料的Exp-CFO 試驗(yàn)相對Exp-CTRL 試驗(yàn)誤差降低約43 km(34 km)。72 h 預(yù)報(bào)期間Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)路徑走向較為相似,并且臺(tái)風(fēng)第一次登陸之后2個(gè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)的路徑均從臺(tái)灣島中間穿過,整體來看Exp-ADP試驗(yàn)的路徑預(yù)報(bào)誤差相對于Exp-CTRL 試驗(yàn)偏低,Exp-CFO 試驗(yàn)的路徑誤差基本在3個(gè)試驗(yàn)中處于最低水平,尤其是在臺(tái)風(fēng)第一次登陸前后,Exp-CFO 試驗(yàn)對路徑的預(yù)報(bào)最為接近實(shí)況。表3是3個(gè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果的誤差統(tǒng)計(jì),可以看出,與JMA(CMA)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)相比,在進(jìn)行了資料同化后,臺(tái)風(fēng)路徑整體的預(yù)報(bào)效果都得到了改善,Exp-ADP試驗(yàn)加入常規(guī)觀測資料同化后,相對于Exp-CTRL試驗(yàn)路徑平均誤差降低了約21 km(24 km),均方根誤差降低約23 km(22 km),而在Exp-CFO 試驗(yàn)同化CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料后,相對于Exp-CTRL 試驗(yàn)路徑平均誤差降低約35 km(30 km),均方根誤差降低約37 km(26 km)。

圖6 72 h臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)路徑與最佳路徑及其相應(yīng)誤差時(shí)間序列Fig.6 The 72 h forecasted typhoon tracks of the three experiments in comparison with the best track data,and the time series of the track errors

3.2.2 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度分析

圖7為臺(tái)風(fēng)實(shí)況中心最低海平面氣壓和3個(gè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)的72 h中心最低海平面氣壓及其誤差對比圖。由圖7可見:3個(gè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)的中心最低海平面氣壓基本為先降低、再升高的變化趨勢,在預(yù)報(bào)中期Exp-CFO 試驗(yàn)的誤差明顯低于Exp-CTRL和Exp-ADP。與JMA(CMA)提供的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)相比,Exp-ADP試驗(yàn)相對Exp-CTRL試驗(yàn)中心最低海平面氣壓預(yù)報(bào)結(jié)果略有改善,如表3所示,中心最低海平面氣壓平均誤差降低約0.9 hPa(0.9 hPa),平均絕對誤差降低約0.3 hPa(0.4 hPa),占比3%(4%)；同化CFOSAT 衛(wèi)星散射計(jì)資料后,在預(yù)報(bào)的前48 h,Exp-CFO試驗(yàn)的誤差基本維持在3個(gè)試驗(yàn)的最低水平,中心最低海平面氣壓極小值與實(shí)況最為接近,低于986 hPa,Exp-CFO試驗(yàn)的中心最低海平面氣壓平均誤差(Mean Error,ME)相對Exp-CTRL試驗(yàn)降低約1.8 hPa(1.8 hPa),平均絕對誤差(Mean Absolute Error,MAE)降低約0.6 hPa(1.9 hPa),占比7%(17%),均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)降低約0.6 hPa(1.9 hPa),占比7%(16%)。

表3 3個(gè)試驗(yàn)平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)統(tǒng)計(jì)Table 3 The mean error(ME),mean absolute error(MAE)and the root-mean-square error(RMSE)of the three experiments

圖7 72 h中心最低海平面氣壓預(yù)報(bào)與最佳路徑數(shù)據(jù)對比及其相應(yīng)誤差時(shí)間序列Fig.7 The 72 h forecasted typhoon minimum central sea level pressure(CSLP)in comparison with best track data,and the times series of the CSLP errors

圖8為臺(tái)風(fēng)實(shí)況最大風(fēng)速和3個(gè)試驗(yàn)的72 h預(yù)報(bào)最大風(fēng)速及其誤差對比。由圖8可見:Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)對最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)結(jié)果較為相似,Exp-CFO試驗(yàn)對最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)與實(shí)況最為接近。臺(tái)風(fēng)“白鹿”實(shí)況最大風(fēng)速的變化呈現(xiàn)先增大、后維持、隨后降低的趨勢。在預(yù)報(bào)前期,Exp-CTRL和同化常規(guī)觀測資料的Exp-ADP試驗(yàn)的最大風(fēng)速都明顯低于實(shí)況最大風(fēng)速,預(yù)報(bào)中期Exp-ADP試驗(yàn)的預(yù)報(bào)效果相較于Exp-CTRL試驗(yàn)略有改善。如表3所示,與JMA(CMA)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)相比,Exp-ADP試驗(yàn)最大風(fēng)速平均誤差相對Exp-CTRL試驗(yàn)降低約0.5 m/s(0.7 m/s),而平均絕對誤差和均方根誤差分別增加(降低)了約0.4 m/s(0.6 m/s)和0.5 m/s(0.4 m/s)。同化CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料的Exp-CFO試驗(yàn)基本預(yù)報(bào)出了與實(shí)況最大風(fēng)速相近的變化趨勢,CFO試驗(yàn)最大風(fēng)速平均誤差相對Exp-CTRL試驗(yàn)降低約1.8 m/s(1.8 m/s),占比29%(23%),平均絕對誤差降低約2.7 m/s(1.8 m/s),占比36%(23%),均方根誤差降低約2.4 m/s(2.3 m/s),占比30%(26%)。此外,本文對比了臺(tái)風(fēng)登陸前不同試驗(yàn)對7級風(fēng)圈半徑的模擬情況,分別計(jì)算臺(tái)風(fēng)在東南、西南、東北和西北四個(gè)象限的最外圈閉合等壓線半徑,得到長軸和短軸半徑數(shù)據(jù)。圖9為7級風(fēng)圈半徑與日本氣象廳提供的30節(jié)風(fēng)圈半徑以及中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)提供的7級風(fēng)圈半徑的對比情況圖。由圖9可見:30節(jié)風(fēng)圈半徑數(shù)據(jù)與7級風(fēng)圈半徑數(shù)據(jù)相比明顯偏大,有必要分開討論；與30節(jié)風(fēng)圈半徑相比,3個(gè)試驗(yàn)的風(fēng)圈半徑整體偏低,尤其是短軸半徑明顯偏低；與CMA 提供的7級風(fēng)圈半徑相比,Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)在預(yù)報(bào)前期偏高,Exp-CFO的長軸和短軸半徑整體與實(shí)況最為接近。由表4的誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見:同化常規(guī)觀測資料之后,長軸半徑平均絕對誤差降低約9 km,均方根誤差降低13 km,短軸半徑平均絕對誤差降低約53 km,均方根誤差降低17 km；同化CFOSAT 資料之后,與不進(jìn)行同化相比,長軸半徑平均絕對誤差降低約29 km,均方根誤差降低40 km,短軸半徑平均絕對誤差降低約52 km,均方根誤差降低51 km。

表4 7級風(fēng)圈半徑平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)統(tǒng)計(jì)Table 4 The mean error(ME)and mean absolute error(MAE)of the force 7 wind circle radius

圖8 72 h最大風(fēng)速預(yù)報(bào)與最佳路徑數(shù)據(jù)對比及其相應(yīng)誤差時(shí)間序列Fig.8 The 72 h forecasted typhoon maximum wind speed(MWS)in comparison with best track data,and the times series of the MWSerrors

圖10為3個(gè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)的海平面氣壓和海面10 m 風(fēng)速在時(shí)間序列上的最小(大)值分布情況圖。從圖10a～圖10c可以看出,3個(gè)試驗(yàn)的時(shí)間序列最低海平面氣壓小于1 000 hPa的區(qū)域基本沿臺(tái)風(fēng)路徑分布,與Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)相比,Exp-CFO 試驗(yàn)預(yù)報(bào)的海平面氣壓的低值區(qū)域沿臺(tái)風(fēng)路徑分布更為緊湊,全場最低海平面氣壓在3個(gè)試驗(yàn)中值最小。Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)在臺(tái)灣海峽附近的海平面氣壓達(dá)到最低值,約為990 hPa；Exp-CFO 試驗(yàn)在臺(tái)灣島南側(cè)存在全場海平面氣壓最低值,約為985 hPa。

從圖10d～圖10f中可以看出,3個(gè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)的海面10 m 風(fēng)速大于20 m/s的區(qū)域基本沿臺(tái)風(fēng)路徑分布,相比于Exp-CTRL 和Exp-ADP 試驗(yàn),Exp-CFO 試驗(yàn)預(yù)報(bào)的大風(fēng)區(qū)域分布更廣。Exp-CTRL 和Exp-ADP試驗(yàn)在臺(tái)灣海峽附近的風(fēng)速較大,其中Exp-ADP試驗(yàn)預(yù)報(bào)的全場風(fēng)速最大值的區(qū)域比Exp-CTRL 試驗(yàn)分布更廣；與其他2個(gè)試驗(yàn)相比,Exp-CFO 試驗(yàn)預(yù)報(bào)的風(fēng)速大于20 m/s的區(qū)域沿臺(tái)風(fēng)路徑分布更為規(guī)則,在臺(tái)灣島東南側(cè)及臺(tái)灣海峽附近均存在大于25 m/s的大風(fēng)區(qū)域。

圖10 0～72h預(yù)報(bào)期間海平面氣壓最小值及海面10 m 風(fēng)速最大值分布圖Fig.10 The spatial distribution of the minimum sea level pressure and maximum 10 m wind speed during the 72 h of forecast

圖11為2019-08-24T12:00(48 h預(yù)報(bào))海平面氣壓場和850 hPa位勢高度場。由圖11可見:3個(gè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)中心均位于臺(tái)灣島附近,Exp-CTRL 和Exp-ADP 試驗(yàn)預(yù)報(bào)的海平面氣壓場和位勢高度場較為接近,臺(tái)風(fēng)中心不明顯,而Exp-CFO 試驗(yàn)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)中心附近等值線較為密集,臺(tái)風(fēng)中心位置清晰可見。Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)中心附近海平面氣壓場等值線較為稀疏且分布不規(guī)則,臺(tái)風(fēng)中心大體位于臺(tái)灣島的西側(cè),中心最低海平面氣壓低于995 hPa,其中Exp-ADP試驗(yàn)預(yù)報(bào)的中心最低海平面氣壓略微低于Exp-CTRL試驗(yàn),而Exp-CFO 試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)中心位于臺(tái)灣島的南側(cè)偏西,臺(tái)風(fēng)中心附近海平面氣壓場等值線密集且分布規(guī)則,中心最低海平面氣壓低于990 hPa。

圖11 2019-08-24T12:00臺(tái)風(fēng)中心附近海平面氣壓場和850hPa位勢高度場(m)Fig.11 Sea level pressure and geopotential height(m)at 850 hPa around the typhoon center at 2019-08-24T12:00

圖12為2019-08-23T00:00(36 h預(yù)報(bào))3個(gè)試驗(yàn)和ASCAT 衛(wèi)星海面10 m 風(fēng)場對比圖。由圖12可見:Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場較為相似,而Exp-CFO 試驗(yàn)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場更接近ASCAT 衛(wèi)星資料。Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)的最大風(fēng)速分布在臺(tái)風(fēng)中心的南側(cè),臺(tái)風(fēng)中心附近的大風(fēng)速區(qū)域內(nèi)圈半徑較大,Exp-ADP相比于Exp-CTRL試驗(yàn),臺(tái)風(fēng)中心東北側(cè)的風(fēng)速略有增加,而南側(cè)風(fēng)速略有減??；Exp-CFO 試驗(yàn)預(yù)報(bào)的風(fēng)場與前2個(gè)試驗(yàn)相比存在明顯不同,臺(tái)風(fēng)中心附近的大風(fēng)速區(qū)域內(nèi)圈半徑較小,大于16 m/s的高風(fēng)速區(qū)域面積較大,高風(fēng)速區(qū)域位置分布與ASCAT 一致。

圖12 2019-08-23T00:00臺(tái)風(fēng)中心附近海面10 m 風(fēng)場Fig.12 10 m wind speed around the typhoon center at 2019-08-23T00:00

圖13為2019-08-24T10:00(46 h預(yù)報(bào))3個(gè)試驗(yàn)和SMAP衛(wèi)星的海面風(fēng)場。由圖13可見:Exp-CTRL和Exp-ADP試驗(yàn)的風(fēng)場較為相似,臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)區(qū)圍繞在臺(tái)灣島周圍,沒有明顯的臺(tái)風(fēng)眼,最大風(fēng)速超過20 m/s；Exp-CFO 試驗(yàn)的風(fēng)場明顯區(qū)別于前2個(gè)試驗(yàn),臺(tái)風(fēng)中心的位置在臺(tái)灣島的西南側(cè),這與SMAP衛(wèi)星風(fēng)場相近,有明顯的臺(tái)風(fēng)眼,最大風(fēng)速達(dá)到25 m/s左右,臺(tái)風(fēng)中心東側(cè)風(fēng)場受地形阻擋明顯減弱。

圖13 2019-08-24T10:00臺(tái)風(fēng)中心附近海面10 m 風(fēng)場Fig.13 10 m wind speed around the typhoon center at 2019-08-24T10:00

4 結(jié)語

本文采用3DVar同化方法實(shí)現(xiàn)了CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料在WRF大氣模式中的同化,并對2019年太平洋第11號臺(tái)風(fēng)“白鹿”進(jìn)行了預(yù)報(bào)試驗(yàn)。本文共設(shè)計(jì)了3個(gè)對比試驗(yàn),利用WRF模式及其3DVar同化方法分析了不進(jìn)行資料同化(Exp-CTRL)、采用常規(guī)觀測資料同化(Exp-ADP)以及在Exp-ADP基礎(chǔ)上采用CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料同化(Exp-CFO)對臺(tái)風(fēng)初始場、路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的影響?；谠囼?yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析,可以得出以下主要結(jié)論:

①同化CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料改善了臺(tái)風(fēng)初始場的分析效果。在進(jìn)行了資料同化之后(Exp-ADP和Exp-CFO),WRF初始場臺(tái)風(fēng)中心最低海平面氣壓誤差均降低約2 h Pa。依據(jù)JMA(CMA)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù),同化常規(guī)觀測資料后,臺(tái)風(fēng)初始位置的誤差相對不同化降低約10 km(6 km)；同化CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料后臺(tái)風(fēng)初始位置進(jìn)一步得到改進(jìn),其誤差相對僅同化常規(guī)觀測資料降低約33 km(28 km)。

②同化CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料改善了臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)效果。依據(jù)JMA(CMA)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù),同化常規(guī)觀測資料使臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)平均絕對誤差比不同化降低約21 km(24 km),均方根誤差降低約23 km(22 km)；相對于不進(jìn)行資料同化,進(jìn)行CFOSAT 資料同化使臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)平均絕對誤差降低約35 km(20 km),均方根誤差降低約37 km(26 km),并且對臺(tái)風(fēng)第一次登陸前后的路徑預(yù)報(bào)結(jié)果更接近實(shí)際情況。

③同化CFOSAT 資料后臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和第一次登陸的預(yù)報(bào)效果都得到明顯改善。同化常規(guī)觀測資料后,依據(jù)JMA(CMA)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù),中心最低海平面氣壓比不同化平均絕對誤差降低約3%(4%),均方根誤差相差不大,同化CFOSAT 資料后,中心最低海平面氣壓平均絕對誤差比不進(jìn)行資料同化降低約7%(17%),均方根誤差降低約7%(16%),并且對臺(tái)風(fēng)第一次登陸前后的海平面氣壓場分布的預(yù)報(bào)更接近實(shí)況；同化常規(guī)觀測資料對臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)結(jié)果改善不明顯,同化CFOSAT 資料后,最大風(fēng)速變化趨勢更符合實(shí)況,中心最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)平均絕對誤差比不同化降低約36%(23%),均方根誤差降低約30%(26%),并且在臺(tái)風(fēng)第一次登陸前后對海表面風(fēng)場的預(yù)報(bào)更接近實(shí)況。

本文的同化及預(yù)報(bào)試驗(yàn)中采用的是WRFDA 系統(tǒng)自帶的不依賴具體模擬區(qū)域與時(shí)間段的背景場誤差協(xié)方差(CV3),結(jié)果表明采用CV3的3DVar方法同化CFOSAT 資料能夠進(jìn)一步改進(jìn)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)效果。由于構(gòu)建背景誤差協(xié)方差方法的探討并非本文研究的重點(diǎn),因此并未針對基于GEN-BE 方法的背景場誤差協(xié)方差(CV5)開展討論。同時(shí),本文僅選取了CFOSAT 散射計(jì)風(fēng)場資料在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)初始時(shí)刻覆蓋率較好的臺(tái)風(fēng)“白鹿”進(jìn)行同化試驗(yàn),尚未基于更多的臺(tái)風(fēng)過程開展大規(guī)模同化試驗(yàn),下一步計(jì)劃對更多的臺(tái)風(fēng)過程進(jìn)行批量同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)以分析CFOSAT 風(fēng)場資料同化對臺(tái)風(fēng)整體預(yù)報(bào)效果的影響。