基于ECMWF細網格風場的臺風“煙花”與颶風“艾達”風暴潮數值預報檢驗與分析

熊杰，傅賜福，于福江,2，董劍希,2

（1.國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081；2.自然資源部海洋災害預報技術研究重點實驗室，北京 100081）

1 引言

風暴潮是一種來自海上的自然災害現象，指由于強烈的大氣擾動，如熱帶氣旋（臺風或颶風）、溫帶氣旋、冷鋒的強風作用和氣壓驟變等強烈的天氣系統(tǒng)，引起的海面異常升高的現象[1-4]。風暴潮災害對于人口稠密和地勢低洼的沿海地區(qū)的社會經濟有很大的影響[2]。據統(tǒng)計，2019 年我國海洋災害造成的直接經濟損失為117 億元，其中風暴潮災害造成的直接經濟損失高達116億元[3]。因此，準確預報風暴潮對于沿海地區(qū)人民的生命財產安全具有重要意義。

風暴潮預報的準確性與驅動風場高度相關，高分辨率風場可以極大提高風暴潮的模擬預報準確性[4]。Dullaart 等[5]利用不同分辨率的風場進行了風暴潮模擬，表明高分辨率的風場可以提高風暴潮模擬的準確性，減小預報誤差。近年來，隨著數值預報技術的發(fā)展和計算機性能的不斷提高，全球尺度的高分辨率數值預報產品取得了一定的成果。歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的大氣模式高分辨率10 d預報產品（簡稱ECMWF細網格）是目前時空分辨率最高的全球氣象數值預報資料之一，它提供全球0.1°×0.1°空間分辨率和1 h 時間分辨率的氣象場。目前，已有學者對ECMWF 細網格數值預報資料中的降水和海面風等氣象要素進行了評估和分析。例如，連喜虎等[6-7]對中國海域10 m風場的預報能力進行了檢驗與分析，結果表明ECMWF 細網格對大于5 級風的預報結果偏小，但整體的預報偏差離散度小，預報效果較好。季曉東等[8-9]對ECMWF 細網格模式的降雨預報進行了檢驗，評估分析了ECMWF 細網格模式在長三角地區(qū)的暴雨預報性能。然而，針對ECMWF 細網格風場進行風暴潮預報能力的檢驗和評估工作尚不多見。

本文利用已調試驗證后的全球風暴潮數值模型，選取了2021年第6號臺風“煙花”和2021年大西洋第9 號颶風“艾達”為研究個例，將ECMWF 細網格風場用于風暴潮48 h 和24 h 數值預報檢驗，評估分析ECMWF細網格風場在風暴潮數值預報中的適用性，為今后進一步開展全球風暴潮預報服務提供有價值的參考。

2 全球風暴潮數值預報模型的建立

2.1 模型控制方程及參數設置

為了滿足風暴潮模擬的精度和計算速度，本文選取了基于非結構三角形網格的ADCIRC（The ADvanced CIRCulation model）作為數值模型進行風暴潮模擬。ADCIRC 模型是由Luettich 和Westerink教授基于有限元方法研制的水動力模型，廣泛應用于海洋、海岸和河口等復雜地形的海流、潮汐和風暴潮模擬[10]。ADCIRC 模型采用廣義波動連續(xù)方程與動量方程結合，利用Galerkin 有限元方法求解方程，提高了運行求解的穩(wěn)定性和計算速度。在球坐標系下的連續(xù)方程和運動方程可表示為：

式中，λ和?分別代表經度和緯度；H表示海水水柱的總深度，H=ζ+h，ζ表示從平均海平面算起自由表面高度，h表示平均海平面高度；R為地球半徑；?為科氏力參數，取f= 2Ωsin(?)；ρ0表示海水密度，取1025 kg/m3；g為重力加速度；PS為自由海表面大氣壓；η表示牛頓引潮勢；τsλ和τs?分別為海表面應力在經向和緯向上的分量，τbλ和τb?分別為海底摩擦力在經向和緯向的分量；Dλ和D?為動量方程的水平擴散項。初始條件為ζ=u=v= 0，對于大陸和島嶼邊界條件采用法向速度為0，東、西邊界采用周期邊界?？臻g差分方法采用有限元離散法，時間離散采用隱式有限差分法，時間步長選擇10 s。底摩擦項采用二次率方案，即底摩擦與深度平均流呈二次平方關系，C?min取值0.0016；最小水深設置為H0=5 m；采用二維模型，不考慮潮汐，時間權重參數設置為0.35，0.30，0.35。模式采用冷啟動方式，但考慮到風暴潮的初期振蕩，將預報前24 h 的風場也拼接進行計算。

2.2 計算區(qū)域網格及數據來源

為評估ECMWF 細網格預報風場在西北太平洋、墨西哥灣以及其他沿岸的風暴潮模擬情況，本文設計的網格計算區(qū)域為90°N～78°S，180°W～180°E。該套非結構三角網格共計430140 個三角形網格，242095 個網格點（見圖1），對于海岸線和地形較為復雜的地區(qū)網格加密處理，沿岸最小分辨率約為5 km，大洋中心約為50 km。該套網格所用岸線數據為全球高分辨率海岸線數據集（a Global Selfconsistent，Hierarchical，High-resolution Geography database，GSHHG），所用水深數據為世界大洋深度圖（GEneral Bathymetric Chart of the Oceans，GEBCO）2020 最新全球水深地形數據，最小分辨率為30″（約1 km），降尺度后插值到網格。

圖1 風暴潮模式計算區(qū)域網格劃分Fig.1 Computational mesh of storm surge domain

本文所使用的中國近海臺風強度及路徑數據來自中國臺風網，美國近海臺風強度及路徑數據來源于美國颶風中心（National Hurricane Center，NHC）和美國中太平洋颶風中心（Central Pacific Hurricane Center，CPHC），ECMWF 細網格預報風場以及中國近岸潮位數據來自國家海洋環(huán)境預報中心，本實驗所采用風場資料的空間分辨率為0.1°×0.1°，時間分辨率為3 h，美國近岸潮位數據來源于美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）。

3 風暴潮的數值預報檢驗與分析

3.1 臺風“煙花”的風暴潮數值預報檢驗

2021 年第6 號臺風“煙花”（強臺風級）于2021年7 月17 日（世界時，下同）在太平洋西北洋面生成，此后向西移動并不斷加強，21 日升級為強臺風，22 日轉為北偏西移動，強度緩慢減弱，25 日在浙江省舟山普陀區(qū)沿海登陸，登陸時中心最低氣壓965 hPa，中心附近最大風速38 m/s，26 日在浙江省嘉興沿海再次登陸，登陸強度為強熱帶風暴。臺風“煙花”風圈龐大、強度強且移動緩慢，受其影響，浙江中北部—長江口沿海出現了1.1～2.7 m 的最大風暴增水。浙江、上海和江蘇南部多個潮位站超過警戒潮位，其中，杭州灣和長江口為影響嚴重岸段，鎮(zhèn)海、定海、蘆潮港和金山嘴潮位站均觀測到超過當地紅色警戒的潮位，鎮(zhèn)海潮位站更是觀測到破歷史記錄的潮位，部分岸段出現海水倒灌。

本文選取了受臺風“煙花”影響顯著的黃埔公園、澉浦、北侖、石浦、鎮(zhèn)海和蘆潮港6個潮位站開展預報檢驗，將登陸前48 h 和24 h 風暴潮預報結果與實測值進行對比（見圖2 和表1）。臺風“煙花”于7月25 日中午前后登陸，考慮到ECMWF 細網格數據傳輸的延時和預報頻次，48 h 預報選取7 月23 日12 時—26日12時，24 h預報選取7月24日12時—27日12 時。為保證臨近預報的準確性，對48 h 和24 h預報均拼接了前一日氣壓場和風場，以充分模擬前期的振蕩增水。

從圖2 和表1 可以看出，各潮位站48 h 和24 h預報平均絕對誤差分別為0.49 m 和0.22 m，平均相對誤差分別為30.17%和12.56%；單站預報的最大絕對誤差0.83 m、最小絕對誤差為0.06 m，分別為48 h 鎮(zhèn)海站和24 h 石浦站。從時間序列來看，各潮位站48 h 和24 h 預報的風暴增水趨勢均與實測基本一致，預報峰值時間與觀測峰值時間吻合較好；從最大增水預報誤差來看，24 h 預報相對48 h 預報更好，48 h預報相比實測整體偏大，24 h預報與實測更為接近。結果表明，ECMWF 細網格風場對臺風“煙花”過程的最大增水時間和最大增水高度預報均較好。

表1 2106號臺風“煙花”期間各站最大增水預報誤差統(tǒng)計Tab.1 Prediction error statistics of maximum surge height at each tidal station during typhoon "In-Fa"（2106）

圖2 2106號臺風“煙花”期間各潮位站風暴潮預報值與實測值對比Fig.2 Comparisons of storm surge heights between the simulations and observed data at each tidal station during typhoon"In-Fa"（2106）

3.2 颶風“艾達”的風暴潮數值預報檢驗

大西洋第9 號颶風“艾達”是2021 年登陸美國的第四個颶風，8 月24 日生成于大西洋洋面，27 日加強為颶風，登陸前在近海快速加強，29 日，颶風“艾達”登陸美國南部墨西哥灣沿岸的路易斯安那州，最大風速達到了66.9 m/s，最低氣壓為929 hPa。此次颶風強度強、風速大且發(fā)展迅速。颶風“艾達”的強風引發(fā)風暴潮災害，造成大面積淹水，密西西比河河口附近的風暴潮超過2 m。9 月2 日颶風“艾達”的影響逐漸結束，但據美國廣播公司報道，颶風“艾達”導致63 人死亡[11]。颶風登陸沿岸大面積土地被淹，地鐵和電網等城市基礎建設被破壞，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。

選取颶風“艾達”登陸附近的4個潮位站開展預報檢驗，同臺風“煙花”預報檢驗方法一致，將登陸前48 h 和24 h 風暴潮預報結果與實測值進行對比。颶風“艾達”于8 月29 日登陸，48 h 預報選取8 月27日12時—30日12時，24 h預報選取8月28日12時—31日12時。同樣，為保證臨近預報的準確性和充分模擬前期的震蕩增水，均采取拼接前一日氣壓場和風場方式。

從圖3 和表2 可以看出，各潮位站48 h 和24 h預報平均絕對誤差分別為1.14 m 和0.49 m，平均相對誤差分別為61.29 和25.17；從增水趨勢來看，風暴潮峰值出現時間與觀測較為一致，但從最大增水來看，除24 h預報的Grand Isle站最大增水與觀測值較為接近外，其余站預報值均與觀測值差異較大，48 h 預報和24 h 預報均顯著低于實測，尤其是48 h預報。整體分析表明，ECMWF 細網格對此次過程的風暴潮峰值出現時間預報比較準確，但最大增水預報明顯偏低，尤其是48 h預報。

圖3 Al2109號颶風“艾達”期間各潮位站風暴潮預報值與實測值對比Fig.3 Comparisons of storm surge heights between the simulations and observed data at each tidal station during hurricane"Ida"（Al2109）

表2 Al2109號颶風“艾達”期間各站最大增水預報誤差統(tǒng)計Tab.2 Prediction error statistics of maximum surge height at each tidal station during hurricane"Ida"（Al2109）

3.3 兩次風暴潮過程的數值預報分析

為了分析兩次風暴潮過程中的數值預報誤差，提取了兩次臺風過程的實測中心氣壓和臺風路徑，將其分別與ECMWF細網格48 h和24 h的預報氣壓和預報路徑進行對比。

首先對比兩個臺風的中心最低氣壓（見圖4）。風圈龐大的臺風“煙花”于7月18日開始不斷加強，21—24日維持強臺風級別，中心最低氣壓為955 hPa，之后緩慢減弱直至登陸。從圖4a可以看出，ECMWF細網格48 h 和24 h 預報氣壓與實測十分接近，48 h 預報和實測的吻合度更高，說明ECMWF 細網格對臺風“煙花”強度的預報準確度很高。而對于爆發(fā)型颶風“艾達”而言，從8月27日開始，2 d內強度迅速加強，中心氣壓驟降近60 hPa，達到929 hPa，隨著颶風“艾達”登陸，強度快速減弱，整個過程在2～3 d 的時間內強度變化非常迅速。從圖4b 可以看出，登陸前，ECMWF 細網格48 h 和24 h 預報的中心氣壓都高于實測，48 h 預報值則比24 h 預報更接近實測，說明ECMWF細網格對颶風“艾達”強度的預報顯著偏弱。

圖4 兩次臺風過程中實況氣壓與預報氣壓對比Fig.4 Comparison of real pressure and forecast pressure during two typhoons

再對比兩個臺風的路徑（見圖5）和過程最大增水（見圖6）。圖5 可以看出，ECMWF 細網格對臺風“煙花”48 h 和24 h 的預報路徑與實況路徑非常接近，24 h 的預報路徑更為準確，幾乎和實測重疊，48 h 的預報路徑偏南，更有利于杭州灣沿岸的風暴增水。從圖6a 和6b 的過程最大增水分布和位于杭州灣岸段的蘆潮港、澉浦、鎮(zhèn)海和北侖站的預報誤差也可以看出，48 h 的風暴潮數值預報最大增水明顯大于24 h的風暴潮數值預報。ECMWF細網格對颶風“艾達”48 h 預報路徑誤差較大，預報路徑偏西，24 h預報路徑更接近實測路徑，從圖6c和6d的過程最大增水分布和位于颶風“艾達”登陸點右側潮位站的預報誤差也可以看出48 h 預報的最大增水分布產生明顯偏差，位于Grand Isle站以西沿岸各代表站的風暴增水預報較實測顯著偏低；24 h 預報路徑與實況路徑更接近，24 h 預報的最大增水分布位于Grand Isle站以東的新奧爾良沿岸，相應的各代表站的風暴增水預報誤差有所減小。雖然24 h 預報路徑與實測更接近，但強度預報較實況偏低，24 h預報的風暴增水仍普遍小于實測。此外，風暴潮預報對風場分辨率也較為敏感[12]，針對最大風圈半徑小于25 km的颶風“艾達”，ECMWF細網格仍不能刻畫此類超強颶風的氣壓梯度和風場變化，這也是導致風暴潮預報被低估的重要原因之一。

圖5 兩次臺風過程中實況路徑與48 h和24 h預報路徑對比Fig.5 Comparison between the real trajectory and the 48 h and 24 h forecast trajectories during two typhoons

圖6 兩次臺風過程中預報最大增水場分布與對比Fig.6 The distribution and comparison of the predicted maximum surge heights during two typhoons

綜合上述可以看出，ECMWF 細網格風場對風圈龐大和強度變化較慢的大型臺風“煙花”的預報準確度高；對于移動發(fā)展較快的不穩(wěn)定氣旋，ECMWF 預報效果通常較差[13]，因此對短時間強度爆發(fā)型颶風“艾達”的預報準確度稍顯不足[14]。這個結論反映到風暴潮數值預報中會導致明顯的誤差區(qū)別，文中臺風“煙花”風暴潮預報的誤差明顯小于颶風“艾達”，充分證明了這個觀點。

4 結論

本文基于ADCIRC 建立了一個適用于全球風暴潮數值預報模型，以2021 年臺風“煙花”和颶風“艾達”為研究個例，采用ECMWF 細網格風場進行了風暴潮的數值預報檢驗與分析。結論如下：

（1）ECMWF 細網格風場對于不同類型的臺風預報存在較大差異從而導致了風暴潮數值預報的差異。ECMWF細網格風場對風圈龐大且強度變化較慢的大型臺風“煙花”的預報準確度高，而對短時間強度爆發(fā)型颶風“艾達”的預報準確度稍顯不足，這也導致臺風“煙花”風暴潮預報的誤差明顯小于颶風“艾達”。 颶風“艾達”在登陸前強度突然急劇加強，ECMWF 細網格預報偏弱是導致颶風“艾達”風暴潮預報出現誤差的重要原因。

（2）ECMWF 細網格風場可以成為驅動風暴潮數值預報的有益補充，從臺風“煙花”的數值預報誤差來看，各潮位站48 h 和24 h 預報平均絕對誤差分別為0.49 m 和0.22 m，平均相對誤差分別為30.17和12.56；從臺風“艾達”的數值預報誤差來看，各潮位站48 h 和24 h 預報平均絕對誤差分別為1.14 m和0.49 m，平均相對誤差分別為61.29 和25.17 ，相對而言24 h風暴潮預報準確性更高。

（3）在ECMWF 細網格風場的基礎上發(fā)展融合風場可以進一步提高風暴潮數值預報準確性。對于強度快速爆發(fā)型臺風而言，Holland等模型風場擁有刻畫臺風中心及附近風力的優(yōu)勢，開展模型風場與ECMWF細網格風場的融合風場將會進一步提升風暴潮預報精度，筆者也會在下一步的工作中開展此類研究，考察融合風場對風暴潮的改進程度。