目前热带气旋数值预报中TC初值的形成方案可简单分为纯“bogus”和非“bogus”两种类型。如德国、英国等不采用bogus，而日本、中国等采用bogus。TC的初值处理技术会很大程度地影响TC的数值预报，因此，TC初值技术已成为近年国际上极为关注的一个重大问题。近些年的研究和实践表明，在当时洋面资料奇缺，探测手段和四维同化手段严重不足的情况下，bogus技术的引入能明显地改善TC路径^[1~2]乃至强度的预报^[3]，如同多年前对流参数化的引入能改善降水预报一样。但随着近年探测和模式及四维同化技术的不断提高，纯bogus方案的一些不足逐渐显露，(1) 研究和集合预报试验表明^[4~5]，TC路径预报对TC结构 (水平和垂直) 敏感，但bogus技术无法充分刻画真实TC及其环境结构；(2) TC产生的天气 (强风、暴雨、风暴潮等) 直接决定于TC的具体结构和强度的演化情况，单一的路径预报已不能满足业务需求，需要对强度、风雨分布等作出精细的预报，而理想化的bogus方案对此缺乏能力；(3) 区域高分辨模式范围小，难以实施bogus方案；(4) 随着分辨率的提高和模式物理的精细化，模式对理想bogus所带来的一些虚假效应变得更为敏感，容易造成预报偏差。

另一方面，随着近年探测系统和模式及同化技术的发展^[6]，海上天气系统的四维同化 (包括常规同化及动力初值化、物理初值化等) 结果越来越准确。由于四维同化过程的信息递推特性及大气模式反映了支配大气运动的动力、热力过程，同化场中往往可以更好更细地反映TC的实际结构和环境，要素场更为协调，因而有可能对TC的风雨结构、强度等作出更为精细和准确的预报。近年国际上已注意到纯bogus方案的缺陷，开始用“同化”手段来解决TC初值问题^[7~9]。这些研究通过不同的同化手段引入一些资料的应用，从而改进TC的综合预报。即使是一些使用了bogus信息的方案，也结合同化处理使变量协调，即淡化了人造的成分，而强化了大气内部动热力过程的成分^[10~13]，从而避免纯bogus方案的缺陷。所有这些都说明，在强调TC要素精细预报的今天，传统的纯bogus方案的缺陷越来越显现，而“非bogus初值”方案的优点逐渐显露。对bogus方案各方面性能，过去已有大量的分析论述，而对目前已开始尝试的“非bogus初值”方案的性能和存在问题，除了针对个别例子或因子进行过一些分析外，目前还缺乏系统性的分析和论述。基于这些考虑，本文尝试用”非bogus初值”方案对2001~2002年所有影响华南的TC过程进行预报试验，并从路径、强度、结构、要素、生成等方面对其性能进行系统性的分析，以阐明该方案的性能特点及存在问题。值得一提的是，本文只用一种较高性能的非bogus初值方案为例进行分析，旨在从大的方面论述这类方案的性能特性。而实际上“非bogus初值”方案是一种类型，而不仅限于某个具体的方案，而且如一些研究所预示^{[9, 11]}，随着探测信息的丰富和同化技术的提高，本类方案对TC预报的性能将会不断提高。

试验所用的数值预报模式为广州高分辨模式 (GZHM)，其基本动力框架从德国天气局引进，并结合华南特点进行了改进^[14]，模式主要特点为:水平分辨0.125°(≈14 km)；垂直混合坐标分31层；物理过程完整，包括:4阶线性水平扩散方案，并对总热量的扩散进行地形订正；考虑参数化云微物理效应的网格尺度降水；根据Tiedtke (1989) 的质量通量对流参数化方案；近地层垂直扩散用Louis (1979) 方案，以上用Mellor和Yamada (1974) 的二阶矩行星边界层方案；Ritter Geleyn (1992) 的长短波通量二流辐射方案，包含完整的云-辐射反馈；Jacobsen和Heise (1982) 的三层土壤模式，复杂植被效应。

试验初值采用“非bogus初值”，即德国天气局全球业务模式GME (水平分辨约为55km) 的四维同化场，该模式物理过程先进 (基本与ECMWF一致)，采用6 h周期的间歇同化方案，自1985年冷启动以来，一直循环四维同化至今，同化技术先进，同化场具有良好的质量。有人专门针对我国及北美地区的降水预报对国际上ECMWF、NCEP、JMA、GME等几大模式的预报进行过比较分析，结果表明GME模式对两地的预报准确率都名列第一^[15]，从一个侧面反映了该模式同化场的良好质量。

本方案中高分辨模式往往区域很小，在TC预报中必然涉及边界问题。一个关键问题是必须具备优良的侧边界嵌套方案，保证天气信息通畅无阻地移入或移出边界，无明显的阻尼和变形，才能满足区域模式TC预报的需要。为此，本文采用了如下的物理量型松弛方案，即Davies (1976) 型方案

其中ψ为预报要素，RHS为预报方程的右端项 (未考虑边界松弛)，μ_R为边界嵌套松弛系数，ψ_R表示驱动模式确定的边界值。通过对松弛项的隐式处理可避免边界嵌套不稳定的出现，即

其中，不考虑边界松弛的预报，

上式表明边界松弛效应是区域模式预报与驱动模式预报的组合。其中权重系数α的值由区域模式边界处为1递减至内区为0，α的值由下式确定:

d_i为点i到边界的距离，Δ为格距。边界缓冲区取8圈。

为有效刻画TC环流在边界区的出入，不产生变形，本文取驱动模式 (GME) 每3 h更新一次边界值ψ_R，对其间的每一时间步，通过线性插值得到ψ_R。分析表明本方案能很好地保证TC在边界区的过渡问题。

试验样本选取了2001年影响华南地区的全部TC过程，共9个过程，总预报次数为59次。每次预报时效为0~72 h，分析每12 h的预报性能。另外，对强不对称性等问题，还增加了2002年的3个TC过程样本。

分析内容也与一般路径预报不同，还包括了降水、强度、风雨云结构等的分析。

路径预报会直接影响高分辨模式的要素预报，因此中尺度模式路径预报同样重要。本文定义模式预报的热带气旋中心为850 hPa位势高度场的低值中心，在低涡附近采用双抛物线插值得到。定位为全自动程序计算，在每步初估低涡附近一定范围内扫描并插值计算。表 1给出2001年TC路径预报误差的详细列表，其中上标“ *”表示此时预报或实况已经登陆，上标“ #”表示此时TC位置在距模式边界200 km的区域以内。由表可见，总体而言，72 h以内的预报误差都不太大，平均误差在108~288 km之间。若排除可能过于敏感的已登陆或近模式边界的部分 (表中带“ *”或“ #”的)，则平均误差在114~189 km之间。明显低于一般bogus方案的误差 (见图 1对比)。

表 1

表 1 2001年广州中尺度模式TC路径预报误差统计

表 1 2001年广州中尺度模式TC路径预报误差统计

图 1

图 1. 2001年广州中尺度模式 (GZHM) 与台风模式 (GZTM) 热带气旋 路径预报误差比较 (*表示剔除了近边界和已登陆的样本)

仔细分析本方案路径误差情况，有如下特点:(1) 初值误差过大，达22~285 km，平均为108 km，这是目前条件下“非bogus初值”方案的最大缺陷。尤其当气旋过弱、远离大陆或形状很不规则时，如8月10日00 :00 UTC天兔 (USAGI) 初生很弱，初值误差达209 km。(2) 预报误差随预报时效增长缓慢，甚至有时误差减小。这也是本方案可行的一个重要根据，即对较长时效而言，其路径误差并不大。例如7月3日12 :00 UTC尤特 (UTOR) 的预报和9月25日12 :00 UTC利奇马 (LEKIMA) 的预报，其72 h预报误差分别仅为33 km和115 km。这是由于虽然初始误差偏大，但动、热力结构、环境场配置、要素协调性等比较真实，模式“旋转增长”(spin-up) 的结果有利于TC位置向实况方向靠拢。另外，驱动模式较为准确的大形势场演变过程，通过本文所叙述的有效的边界嵌套驱动高分辨模式的环境场演变，再与协调的TC环流相作用，有利于TC路径向真实的方向发展。此外，也可以用非线性“吸引子”理论来解释。(3) 对不同类型TC的预报误差差异显著，一般而言，对较规则和较强TC误差较小，如UTOR等；而对不规则结构或较弱的TC误差较大，如YU TU等。(4) 对登陆后或近模式边界的TC误差较大，如榴莲 (DU RIAN) 登陆后的预报。

为进一步说明问题，图 1给出本方案路径预报与广州区域气象中心台风业务数值预报模式 (GZTM，采用bogus初值方案，水平分辨为55 km) 同期预报的比较。GZTM是我国指定对外业务发布TC路径预报的三个台风模式 (都采用bogus方案) 之一，官方评估表明，近年其预报水平一直名列前茅。例如，对2001~2002年度的预报评估认为其对南海台风的预报质量排名第一，其它年份也类似。说明GZTM基本反映了目前我国TC路径数值预报的大致水平。因此，用它来代表我国一般bogus方案的预报与本方案相比较是有意义的。由图可见，平均而言，本方案 (GZHM) 的误差始终比GZTM小，尤其是长时效 (48，72 h) 的预报，误差较GZTM减小更为显著。特别是当本方案中剔除了登陆和近边界的敏感成分后，72 h的误差可以同24、48 h相当。

从具体情况看，本方案尤其对疑难路径有良好的指示能力，例如较准确地预报了0116(NARI) 后期的突然西折登陆路径、0119(LEKIMA) 的前期徘徊转北行路径和0212(KAMMURI) 的西行东折路径等。

TC生成 (包括从侧边界移入) 预报也是衡量方案性能的一个重要方面。为此统计了2001年全年及2002年9月15日以前影响华南TC的生成预报情况 (表 2)。表中，“生成”定义为在预报过程中从初始时无典型TC环流逐渐加强发展形成典型TC环流和强度，提前时间表示预报提前小时数；“移入”定义为在模式外围一个正在形成或已经形成的TC通过侧边界逐渐进入中尺度模式。由表可见，共成功预报了7个TC过程的生成和移入过程，提前时间达24~72 h，其中对许多过程是多次预报了其产生情况。提前预报TC过程生成的准确率达7/10(不包括NARI消减后重新加强)。如在初始场毫无扰动信息的情况下，模式提前72 h就报出FITOW形成并登陆海南。尤其是南海TC，其特点是形成快，登陆快，若等编报后再用bogus方案对TC进行预报，为时已晚。本方案能对大部分南海TC的生成提前进行有效预报，如DURIAN、USAGI、FI TOW、KAMMU RI、HAGUPIT等，对实际预报具有重要意义。

表 2

表 2 GZHM模式对TC生成的预报情况统计

表 2 GZHM模式对TC生成的预报情况统计

由于强度预报的影响因子较为复杂，目前为止国际上对这一问题的研究还处于较低水平。相对于近年路径预报的显著进步，强度预报的进展并不明显^[16]。强度预报问题已成为当前TC研究的一个主要问题。

“非bogus初值”方案能较好地反映TC的结构特征 (下节讨论) 和环境场，再加上模式分辨率足够高 (14 km)，因此有可能对强度趋势作出较好的预报。如前所述，本方案中TC初始位置和强度有时误差会较大，对各试验结果的分析也发现，直接的强度预报很大程度上会受到初始误差的影响，结果稳定性较差，但在预报过程中的强度变化趋势却有很好的指示意义，准确率较高，稳定性较强，可以用作TC强度变化的指标量。因此，定义模式预报的TC强度变化趋势:

其中ΔH₈₅₀为模式预报的850 hPa环境场位势高度与TC中心位势高度之差，反映了850hPa TC环流的强度；Hc₈₅₀为850 hPa TC中心的位势高度 (由双抛物线插值得到)，反映TC低压中心的强度；T=t +n为预报时效，n为时间间隔。可见，本定义描述的是TC预报强度的变化趋势，而不是强度本身，这是根据模式的特性确定的。分析表明两种定义所得出的结果基本一致。根据以上定义，对TC初始强度偏差进行订正后，也可以得到具体的强度预报。

表 3给出了强度趋势预报的准确率情况，其中强度趋势分为加强、维持、减弱3级，实况以中心海平面气压值变化为准，预报以850 hPa TC中心的位势高度变化为准 (以5 hPa为临界值)。预报与实况相符得1分，差1级得0.5分，相反得0分。即评分大于0.5，则有预报技巧和参考价值，小于0.5则无参考价值。由表可见，12~48 h的评分都大于0.6，准确率较高，参考价值较大，其中36 h预报准确率最高。72 h预报评分小于0.5，故无参考价值。

表 3

表 3 2001年广州中尺度模式台风强度 (12~72 h) 预报评分

表 3 2001年广州中尺度模式台风强度 (12~72 h) 预报评分

图 2给出0103号强热带风暴DURIAN强度预报的结果，其中预报为850 hPa中心位势高度，实况为海表中心气压，均为标准化后的值。可见，模式较好地预报了TC强度前期加强、后期减弱的趋势。

图 2

图 2. GZHM台风强度预报 (TC0103, 2001-06-30-12 :00UTC)

表 4给出本方案对2001~2002年影响华南的热带气旋强度趋势的预报简况描述，表明该方案的预报能较好地反映强度变化的一些重要特征，如气压变化、风速变化、变化快慢等，尤其是能给出阵风极值的量值，因此有较大的参考应用价值。

表 4

表 4 2001~2002年广州中尺度模式对各TC强度趋势预报简况

表 4 2001~2002年广州中尺度模式对各TC强度趋势预报简况

本文讨论TC区域风、雨、云等天气要素的分布情况和结构特征，对TC内部的三维动、热力结构问题 (该问题将另文讨论) 不作讨论，但此处的结果必然与其三维结构密切相关。为讨论方便，此处将“要素分布”粗分为有关要素的非对称性、螺旋结构、眼等几方面。列表进行简要说明，仅列出结构特征明显的过程 (表 5)。可见，在大部分情况下，本方案可较细致地反映TC的要素分布特征，包括风、雨、云等要素的非对称性和螺旋结构等分布及其演变特征。对有的TC过程，本方案的0~48 h预报的逐时螺旋云带演变过程可以同逐时卫星云图上的螺旋结构演变基本一致 (包括位相)，例如对UTOR的预报 (图略，将在另文分析)。这是“非bogus初值”方案较一般纯“bogus”方案的一大重要优势所在。原因是非bogus初值有更好的要素协调性和环境结构真实性，不易出现虚假的要素分布。

表 5

表 5 广州中尺度模式对TC结构预报简况

表 5 广州中尺度模式对TC结构预报简况

(1) “非bogus初值”方案通过受大气内部动、热力学过程制约的高性能四维同化获取TC信息，而没有对TC进行人为的理想化模型初值处理，有效避免了纯bogus方案可能带来的虚假结构，也避免了虚假结构所造成的预报偏差。分析表明，在当今探测技术和同化技术获得了飞速发展的前提下，“非bogus初值”方案有可能对TC的产生、路径、强度、要素分布、天气等做出比bogus方案更好的预报。方案尤其对较长时效的预报有优越性。

(2) 本文提出了一种“非bogus初值”方案下TC强度趋势预报的有效方法，具有较好应用价值。

(3) 两年的TC实例试验已表明本方案的TC预报具有较高的准确率，预报功能较一般纯“bogus”方案丰富，包括路径、强度、风雨结构等内容。因此，在初始同化场已能较好反映TC环流的情况下，业务预报中可采用本方案。

本文“非bogus初值”方案的优越性可以归结为四维同化初值的合理、高分辨模式的高精度 (包括物理过程) 和嵌套方案的有效。由此可以对未来TC的数值预报技术的发展提出一种方向，即有可能通过发展高精度的资料四维同化技术而非bogus技术来提高TC的综合数值预报水平。另外，值得注意的是，“非bogus初值”方案是一种类型，而不仅限于本文的具体方案，随着探测信息的丰富和同化技术的提高，本类方案对TC预报的性能将会不断提高。目前本类方案的初始误差还较大，需进一步研究改进。因此，近年有人采取了bogus与同化技术相结合的方案，如文献[10, 11, 13]，以一定程度弥补纯bogus方案的缺陷，取得了一些进步。但更深入的研究^[7~9]及本文的分析说明，随着探测技术和同化技术的迅速发展，非bogus初值方案的优越性将日渐显著，将是未来TC初值技术发展的一个主流方向。