T213与T639模式热带气旋预报误差对比

应用国家气象中心全球谱模式T213L31(简称T213) 及其升级版本T639L60(简称T639) 对2009—2010年西北太平洋热带气旋数值预报的结果进行对比。结果表明:T213与T639模式24～120 h预报平均距离误差基本相近,但由于T639模式分辨率较高,T639模式的热带气旋强度预报明显好于T213模式。从分类误差来看,T639模式对于西北行登陆及转向热带气旋的路径预报好于T213模式,但对西行及北上热带气旋预报误差偏大。对于异常路径热带气旋预报,T639模式能较好预报环流形势的突然调整,对路径突变的热带气旋预报比T213模式有明显优势;从登陆类热带气旋预报的移向误差来看,T213模式存在东北偏北向系统性偏差,T639模式存在东北偏东向系统性偏差。     

多源资料循环同化在台风“潭美”预报中的应用

为了检验不同观测资料在台风预报中的作用,以美国NCEP (National Centers for Environmental prediction)业务同化系统GSI (Grid Statistical Interpolation)为平台,选取2013年路径较复杂且登陆后降水持续较强的“潭美”台风过程为例,分别加入常规地面和高空观测资料、极轨卫星NOAA18、NOAA19、METOP-A和METOP-B资料,以及多普勒雷达基数据资料,探讨不同观测资料同化对台风的预报效果。同时,对台风采用Bogus初始化方案以及循环资料同化对台风路径和强度预报效果进行了对比分析。结果表明:常规观测资料对台风路径预报改善效果最明显,卫星资料的融入对海上台风路径的修正较好,而雷达资料则对台风登陆后的路径预报有改善;并且多源资料的融入效果最好。同时,采用Bogus方案可有效调整初始台风的位置和强度,从而对后期台风路径和强度预报有正效应。采用间隔6 h资料循环同化方法,可有效利用各时段资料,对台风路径和强度预报有较好的改善。      

2016年GRAPES_TYM改进及对台风预报影响

为了进一步提高国家气象中心区域模式台风数值预报系统（GRAPES_TYM）的预报能力,2016年对模式参考大气廓线以及涡旋初始化方案进行了改进:由模式初始场水平方向平均的一维参考大气代替原来的等温大气,涡旋初始化方案取消了原涡旋重定位并将涡旋强度调整半径由原来的12°减小到4°。对2014—2016年的生命史超过3 d的所有台风进行了回算,路径及近地面最大风速统计误差分析表明:参考大气的改进可以减小模式对台风预报路径预报的系统北偏和平均路径误差,尤其是140°E以东的转向台风。涡旋初始化方案中强度调整半径的减小会进一步减小模式预报路径的北偏趋势,从而进一步减小平均误差。同业务系统预报结果相比,改进后的GRAPES_TYM（包括参考大气和涡旋初始化）可以使平均路径误差分别减小10%（24 h）,12%（48 h）,16%（72 h）,14%（96 h）以及15%（120 h）。同美国NCEP全球模式路径预报相比,GRAPES_TYM在西行、西北行登陆我国的台风路径预报有一定优势。     

TYPHOON TRACK PREDICTION EXPERIMENTS USING T106L19

1 INTRODUCTION The tropical cyclone is one of destructive weather systems that affect China most seriously. The destruction includes strong winds, heavy rain and storm surges. The key to mitigate them is whether we could predict the track accurately and on a timely basis. A number of coastal countries have adopted numerical forecast operation models that have long valid duration. For instance, in the limited-area spectral models and global spectral models currently running in the Meteo…     

GRAPES_TYM改进及其在2013年西北太平洋和南海台风预报的表现

2013年国家气象中心对GRAPES_TYM进行了改进,包括集成GRAPES-Meso模式相关改进（即基础模式升级）、对流参数化过程由Simplified Arakawa-Schubert（简称SAS）升级为Meso-SAS,并对涡旋初始化方案进行优化。7个典型个例试验统计分析表明,基础模式升级可使72 h平均路径误差减小10%,在基础模式升级的基础上对流参数化方案的升级可使72 h平均路径误差减小20%,涡旋初始化方案的优化可使72 h平均路径误差进一步减小10%。基础模式的升级和对流参数化方案的升级对GRAPES_TYM的预报路径系统右偏有明显改进;基础模式升级对强度预报的影响不明显,Meso-SAS的应用对12~48 h强度预报的改善效果较显著,而台风初始化方案的优化可以减小6~24 h预报时段内的强度预报误差。2013年全年台风回算结果表明,升级后的GRAPES_TYM其48~72 h后的路径预报误差较准业务系统减小15%~20%,最大风速预报误差减小4%~16%。      

全球数值模式中的台风初始化Ⅱ: 业务应用

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

THE INTENSITY VARIATION OF THE SUMMER INTERTROPICAL CONVERGENCE ZONE IN WESTERN NORTH PACIFIC AND ITS IMPACT ON TROPICAL CYCLONES

Based on the satellite data from the National Oceanic and Atmospheric Administration and the NCEP/NCAR reanalysis data, the variation of the intensity of convection over the Intertropical Convergence Zone(ITCZ) in summer and its impacts on tropical cyclones are studied. In this paper, an intensity index of the ITCZ is proposed according to Outgoing Longwave Radiation(OLR) in the region of(5°–20°N, 120°–150°E) in the western North Pacific(WNP). Then strong and weak ITCZ years are classified and different variables during the strong/weak ITCZ years are analyzed. The composite results show that the ITCZ anomaly is connected to the general atmospheric circulation and SST distribution. In the strong ITCZ years, the subtropical anticyclone weakens and shifts northward. Besides, there is salient cyclonic anomaly at the low level and anticyclonic anomaly at the high level. SST patterns in the preceding winter resemble to those of La Nina. It could persist into the succeeding summer. However, it is opposite in the weak ITCZ years. The impact of the ITCZ anomaly on the tropical cyclone(TC) formation and track is also discussed. There are more TCs over the WNP(5°–20°N, 120°–150°E) in the strong ITCZ years and there is a significant increase in the northward recurving TCs. In the weak ITCZ years, fewer TCs occur and the frequency of the northwestward track is higher.     

热带气旋路径偏折内在原因的动力分析

视热带气旋（以下简称ＴＣ）为半径等于Ｒ的圆形涡旋,对其水平运动方程作整个ＴＣ区域的平均,进而得到ＴＣ的移动方程。同时,视ＴＣ的移动轨迹为一特征弧线,导出了ＴＣ移动路径的曲率方程,并对ＴＣ的结构及其变化所引起的ＴＣ路径偏折规律进行了讨论。结果表明,ＴＣ的尺度大小、最大风速及春半径等的变化均能导致路径的偏折,此外,ＴＣ的非对称结构也是路径偏折的重要原因。     

数值预报产品检验和评估

通过国家级数值预报T213模式、EC模式下发产品对影响海南的热带气旋主观性检验结果表明,T213模式不管是对稳定路径还是转折路径的热带气旋在生成、移动路径以及登陆点都与实况相差很大;而EC模式对不管是转折还是稳定路径的热带气旋,都能够对移动路径、登陆点以及转折点都能够做出准确的预报;而在客观性检验的结果中也可看出T213模式和EC模式的预报能力的优劣性。因此,总体来说,在热带气旋的数值预报产品中,EC模式的预报能力明显比T213模式强,具有很高的参考意义。另外在温度场的预报中,T213模式相对于MM5模式,其预报能力具有一定的可信度,在日常预报中具有参考价值。     

A CLIMATOLOGY OF EXTRATROPICAL TRANSITION OF TROPICAL CYCLONES IN THE WESTERN NORTH PACIFIC

Based on best-track data and JRA-25 reanalysis, a climatology of western North Pacific extratropical transition (ET) of tropical cyclone (TC) is presented in this paper. It was found that 35% (318 out of 912) of all TCs underwent ET during 1979–2008. The warm-season (June through September) ETs account for 64% of all ET events with the most occurrence in September. The area 120°E–150°E and 20°N–40°N is the most favorable region for ET onsets in western North Pacific. The TCs experience ET at latitudes 30°N–40°N and have the greatest intensity in contrast to other latitude bands. The distribution of ET onset locations shows obviously meridional migration in different seasons. A cyclone phase space (CPS) method was used to analyze the TC evolution during ET. Except for some cases of abnormal ET at relatively high latitudes, typical phase evolution paths—along which TC firstly showed thermal asymmetry and an upper-level cold core and then lost its low-level warm core—can be used to describe the main features of ET processes in western North Pacific. Some seasonal variations of ET evolution paths in CPS were also found at low latitudes south of 15°N, which suggests different ET onset mechanisms there. Further composite analysis concluded that warm-season ETs have generally two types of evolutions, but only one type in cold season (October through next May). The first type of warm-season ETs has less baroclinicity due to long distance between the TC and upper-level mid-latitude system. However, significant interactions between a mid-latitude upper -level trough and TC, of either approaching or being absorbed into the trough, and TC’s relations with downstream and upstream upper-level jets, are the fingerprints for both a second type of warm-season ETs and almost all the cold-season ETs. For each type of ETs, detailed structural characteristics as well as precipitation distribution are illustrated by latitude.     

全球数值模式中的台风初始化Ⅰ:方案设计

由于缺少大量有效的观测资料,台风初始化对数值天气预报业务模式而言,仍然是一个悬而末决的难题.中国国家气象中心自从1996年将台风数值预报系统投入业务运行以来,一直使用经验的人造bogus涡旋台风初始化技术.实际上,不同时期的台风有着不同的环流结构,即使同一个台风在不同的生命期也具有不同的结构特征,而这些结构特征的差异并不能依靠现有的bogus涡旋技术体现出来,这种主观方法的统一性与台风在时空上的差异性形成了强烈的反差.最近,基于国家气象中心全球资料分析同化-预报循环系统,设计和发展了一套新的台风初始化业务方案,它主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分过程组成.相比于业务中使用的人造bogus涡旋台风初始化方案,新方案在很大程度上减少了人为因素对台风涡旋结构的影响,而更多地是依靠数值模式自身的动力和物理过程来协调约束产生三维空间的涡旋结构.应用新方案,文中对生成于西北太平洋的2006年0605号台风格美(Kaemi)进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风涡旋环流结构的初始化方面效果较好,同时,对台风格美多个时次的预报结果也显示,相比于业务使用的bogus方案而言,新方案对台风路径平均预报误差有了大幅度的降低.     

TOVS中热带气旋结构及其在数值预报中的应用

利用TOVS资料分析了2000年几个热带气旋的结构,发现与经典概念模型所描述的结构有一定的差异,主要表现在:(1)在水平结构上,非对称结构呈多样性,高度场的低层低值中心(或高层高值中心)与温度场的高值中心并不一定重合;(2)在垂直结构上,高度场的低层低值距平与高层高值距平的配置也呈多样性,特别是存在上、下层距平中心倾斜,或高层只是处于高压区的边缘,不存在明显的高值距平中心与热带气旋相对应.还参照TOVS中的热带气旋结构,进行了修订热带气旋数值预报模式系统中人造台风模型(台风BOGUS)结构的研究,发现修订后的台风BOGUS 能够更好地与环境场协调,并且能对热带气旋的路径预报取得较好的效果.这一方面说明了台风BOGUS的结构对其路径预报有较大的影响,另一方面也说明利用TOVS资料中的热带气旋结构能改善热带气旋路径预报.这也为台风BOGUS的修订和发展提供了依据.     

非对称台风bogus方案设计和初步试验

国家气象中心台风路径数值预报模式自1996年6月投入业务运行以来, 一直在背景场中采用经验平滑滤波技术消除浅台风和嵌入轴对称的台风bogus涡旋技术。但事实上, 在采用经验平滑技术消除背景场中弱的位置不准确的浅台风涡旋同时, 也滤除了台风中心周围一些宝贵的非对称气流结构, 同时, 由于实际的台风涡旋结构是非对称的, 因而对采用轴对称涡旋的模式初始场而言, 或多或少的贡献了一些模式预报结果的路径误差。为了调查这部分非对称结构对台风预报路径误差的影响, 从T213L31全球谱模式提供的背景场中抽取浅台风周围的非对称流场, 将之加入到轴对称的台风bogus涡旋中。初步的个例试验发现, 加入非对称流场后, 能有效地减少台风路径预报误差。     

人造热带气旋垂直结构问题初探

在人造热带气旋中引入了倾斜垂直结构，并将其用于西折后9806号热带气旋登陆路径的数值模拟。结果表明：应用该方案所得到的模拟结果优于应用正压结构的人造热带气旋方案的模拟结果要准确。因此，此类热带气旋的预报中，其初始涡旋可采用倾斜垂直结构，从而提出改进热带气旋初始涡旋的一种新思路。若对其作进一步研究、推广，则具有广阔的业务应用前景。     

登陆台风强度变化过程预报的影响试验研究

探索了基于WRF模式的集合卡尔曼滤波同化方法（WRF-EnKF,简称EnKF）在近海有可能达到更强台风连续循环同化中国大陆高时空分辨率多普勒天气雷达径向风观测资料的效果,同时检验台风Vicente（2012）的三维结构演变及其动力学特征。通过短期集合预报得到跟随当前流场变化着的背景误差协方差的台风涡旋和动力学结构。研究发现,EnKF同化预报系统能有效地同化高时空分辨率雷达径向速度观测资料,显著改善初始场中台风Vicente的中小尺度内核结构,同时提高对台风Vicente的路径和强度及其相伴随的短期强降水预报。在台风最强时刻同化雷达径向风观测能快速（1~2 h）得到真实的暖核台风结构,同时进一步提高台风路径和强度的预报。另外,EnKF同化雷达径向风观测资料还能有效提高短期降水预报,1 h和3 h累积降水的分布、降水中心以及降水随时间演变都能得到显著改善,这与改善台风路径、结构和强度有密切关系。因此,对中国东南沿海有可能达到较强的台风进行同化雷达径向风观测资料可改善登陆台风的预报水平,这为利用我国地基多普勒天气雷达观测资料改善模式的初始场从而提高台风预报提供一定的指示作用。      

登陆热带气旋路径和强度预报的效益评估初步研究

近年来有关热带气旋(TC)灾情的评估指标和方法的研究取得明显进展,但较少涉及TC预报对减少灾害损失的贡献(即效益)分析。基于中央气象台的TC实时路径和强度预报,针对登陆中国大陆的TC,初步分析了TC的路径和强度预报误差与其造成的直接经济损失之间的可能关系,并在此基础上建立了包含TC路径和强度预报误差的TC直接经济损失的预估模型。TC登陆前后24 h的路径和强度预报误差与TC所致直接经济损失均呈正相关关系;对于单个登陆TC而言,若24 h TC路径预报误差每减小1 km可减少因灾直接经济损失约0.97亿元,若强度预报每减小1 m/s可减少因灾直接经济损失约3.8亿元(以2014年为基准年)。可见,提高TC路径和强度预报精度对于减灾的效益巨大,且当前尤以提高强度预报能力的效益为佳。      

A STATISTICAL ANALYSIS ON INTENSITY CHANGE OF TROPICAL CYCLONES OVER THE WESTERN NORTH PACIFIC

55-year (1949 - 2003) data sets are used to study the statistical characteristics in intensity change of the tropical cyclones (TC) over the western North Pacific. According to the mathematical meaning of average value and standard deviation, the abruptly intensifying, gradually intensifying, stable intensity, gradually weakening and abruptly weakening of TC intensity are defined and the statistical characteristics, such as inter-decadal variation, inter-annual variation, inter-monthly variation, and regional distribution, etc. are analyzed. Main results are as follows: (1) From 1949 to 2003, there were 1886 TCs, averaging at 34.29 TCs per year. After 1995, the number of TCs dropped dramatically with less than 30 per year. 3.56% of the total were abruptly intensifying samples, and 3.31% were weakening samples. (2) For the annual mean, all but the stable group tend to decrease with the shift of decades as far as the overall change of the 6-h isallobaric process is concerned. (3) The abruptly intensifying TC seldom occurs over mid- and high-latitude area (north of 30°N) and low-latitude area and sometimes occurs around the islands and continent. Basically there is no gradually intensifying of TC over mid- and high- latitude area (north of 30°N and west of 125°E), in offshore Chinese waters. The gradually weakening and abruptly weakening TCs usually occur offshore China, west of 125 °E, but seldom over low-latitude area (0 - 5°N).     

A Relocation-based Initialization Scheme to Improve Track-forecasting of Tropical Cyclones简

A relocation procedure to initialize tropical cyclones was developed to improve the representation of the initial conditions and the track forecast for Panasonic Weather Solutions Tropical Operational Forecasts. This scheme separates the vortex perturbation and environment field from the first guess, then relocates the initial vortex perturbations to Lhe observed position by merging them with the environment field. The relationships of wind vector components with stream function and velocity potential are used for separating the vortex disturbance from first guess. For the separation of scalars, a low-pass Barnes filter is employed. The irregular-shaped relocation area corresponding to the specific initial conditions is determined by mapping the edge of the vortex radius in 36 directions.Then, the non-vortex perturbations in the relocation area are removed by a two-pass Barnes filter to retain the vortex perturbations, while the variable fields outside the perimeter of the modified vortex are kept ide.ntical to the original first guess. The potential impacts of this scheme on track forecasts were examined for three hurricane cases in the 2011-12 hurricane season. The experimental results demonstrate that the initialization scheme is able to effectively separate the vortex field from the environment field and maintain a relatively balanced and accurate relocated first guess. As the initial track error is reduced, the following track forecasts are considerably improved. The 72-h average track forecast error was redu,~ed by 32.6% for the cold-start cases, and by 38.4% when using the full-cycling data assimilation because of the accumulatedL improvements from the initialization scheme.     

不同初始场及侧边界对台风路径数值预报的影响

利用T213L31及T106L19所提供的初始场及侧边界就不同初始场及侧边界对台风路径数值预报的影响进行了敏感性试验。试验结果表明，从总体平均距离误差来看，初始场及侧边界的改进可以明显提高台风路径数值预报能力。通过不同的初始场及侧边界的相互组合(T106L19的初始场及侧边界；T106L19的初始场、T213L31的侧边界；T213L31的初始场、T106L19的侧边界；T213L31的初始场及侧边界)，对不同类型的台风路径预报、对初始场及侧边界的敏感性进行了初步试验。结果表明：非转向阶段的台风对初始场较为敏感，而转向阶段的台风对侧边界及初始场都很敏感。     

台风路径数值预报模式的并行化及路径预报误差分析

国家气象中心台风路径数值预报模式经过串行优化及程序并行, 成功地实现了在国产超级计算机神威上的并行运算, 并可满足业务时效要求。基于并行程序及神威机计算平台的台风路径数值预报业务系统于2002年6月30日投入实时运行, 其初估场与侧边界条件从T106L19模式产品升级为T213L31模式产品 (称为基于T213台风预报系统, 原串行系统称为基于T106台风预报系统)。通过对2002年夏秋季台风路径的检验, 总体来看, 基于T213台风预报系统48 h内的平均路径预报误差小于基于T106台风预报系统的路径预报误差。对西行及西北行登陆的台风, 基于T106台风预报系统的48 h预报好于基于T213台风预报系统的预报。对于转向台风而言, 转向后的预报, 基于T213台风预报系统的预报要好于基于T106台风预报系统的预报, 有效地减小了基于T106台风预报系统对转向台风路径预报的系统性误差:即台风转向后预报路径较实况路径偏西。