应用气象学报  2007, 18 (3): 380-387   PDF    
引用本文
瞿安祥, 麻素红. 非对称台风bogus方案设计和初步试验[J]. 应用气象学报, 2007, 18(3): 380-387.
Qu Anxiang, Ma Suhong. The Design of Asymmetric Bogus Vortex Scheme and Preliminary Experiment[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2007, 18(3): 380-387  
非对称台风bogus方案设计和初步试验
瞿安祥, 麻素红     
国家气象中心, 北京 100081
2006-03-03 收到, 2006-11-07 收到修改稿.
摘要: 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。
关键词: 台风bogus涡旋    轴对称结构    非对称结构    
The Design of Asymmetric Bogus Vortex Scheme and Preliminary Experiment
Qu Anxiang, Ma Suhong     
National Meteorological Center, Beijing 100081
Abstract: The Model for Typhoon Track Prediction (MTTP) at National Meteorological Center (NMC), which has provided operational guidance for forecasters since June 1996, has always been imposed a scale-selective sophisticated filtering to remove the incorrect shallow vortex from the first guess fields and has implemented axisymmetric bogus vortex into the initial condition. However, with the upgrade of global spectral model system at NMC (from T106 to T213), the global forecast model now has a horizontal resolution that allows the representation of the tropical cyclone (TC) circulation, although the resolution is not adequate for resolving the inner core structure. Correspondingly, some valuable information about TC physical characteristics can be provided by the first guess fields from global gridded analyses. When damping out the entire shallow vortex of first guess fields, the background circulation around TC center has already been smoothed away by sophisticated filtering scheme, especially the asymmetric wind components, and it has adverse effect on the modified background field. Nowadays, the operational TC initialization scheme is constructed from a bogus vortex based on a few parameters analyzed by forecasters (such as TC central pressure, central position and radius of 15 m/s wind) and has an axisymmetric property. Because TC vortex has an obvious character of asymmetric structure, the implementation of axisymmetric property can contribute to partial track forecast biases more or less. In order to investigate the impact of background asymmetric circulation on the TC track forecast, an experimental scheme to introduce asymmetry into TC bogus vortex is carried out as follows:Extract asymmetric component of geopotential height from first guess fields by taking the difference between the total geopotential height and its azimuthal average about TC center; derive gradient wind from an azimuthal average of the total geopotential height; extract asymmetric component of wind by taking the difference between gradient wind and total wind of first guess fields; merge asymmetric components into axisymmetric bogus vortex and produce TC initial condition of MTTP model. It is expected that the scheme can provide a significant enhancement of initial TC asymmetric circulation and structure. Using the new scheme, a total of 12 forecast experiments for typhoon Sinlaku in 2002 are performed and the track forecast skills are evaluated in comparison with the operational ones. From the study it is found that much more accurate TC bogus data are produced by the new scheme compared with operational one. The verification of the experiments also shows that mean track forecast biases can be reduced effectively by introducing asymmetric components into axisymmetric bogus vortex.
Key words: TC bogus vortex     axisymmetric structure     asymmetric structure    
引言

台风移动路径的精确预报对数值预报而言仍然是个巨大的挑战。有诸多因素限制了台风路径预报的准确度。一个最主要的原因是缺少大量的洋面观测数据, 不能详尽描述热带气旋内部动力和热力结构及大尺度环流场, 资料的严重缺少导致数值预报模式的初始场不能真实代表实际大气状况。另外, 模式的物理过程特别是对海气相互作用和对流全面描述的缺乏也部分降低了数值模式的预报能力。

由于缺少大量的观测数据, 台风移动路径的数值预报面临的一个最主要的困难是模式的初始化。业务上提供的大尺度背景场中往往含有一个强度比较弱的、有时位置不准确的浅台风涡旋场。因而有必要在模式的初始场中引入一个更能反映实际场的台风涡旋结构。现在世界上各大气象业务中心的普遍做法是[1-3]:首先定位大尺度环流背景场中浅台风的中心位置, 消除弱的不正确的扰动涡旋场, 然后以预报员分析提供的实际台风中心位置、中心气压、最大风速和大风半径等参数, 构造一个三维台风环流结构场, 即台风bogus涡旋, 嵌入模式初始分析场。尽管用这种方法描述的三维台风涡旋场并不能真实反映每一个实际台风环流, 但用这种方法形成的模式初始场却能成功地模拟台风结构和移动路径[4-5]。

台风是一个非对称性质比较明显的涡旋结构系统, 因而在构造台风bogus结构时, 必须考虑到台风的非对称特征。关于如何在bogus数据中引入非对称结构的方法问题, 在实际业务应用中, 主要有如下3种做法:①通过对理想的模式进行积分得到非对称结构, 美国GFDL实验室率先在其飓风模式的初始化程序中开发了这种方法[6], 后来美国的飓风数值预报业务在采用该模式的同时, 也吸收了其方案; ②澳大利亚的BMRC的TC-LAPS模式中采用的非对称技术方案[1], 是通过分析台风的移动来建立台风的非对称结构; ③日本JMA在其台风业务模式中采用的技术方案, 是从背景分析场中抽取非对称涡旋场, 然后加入到对称的bogus数据中, 构成最终的三维非对称台风bogus涡旋场。

国家气象中心区域台风路径数值预报模式从投入业务运行以来, 一直采用的是在背景场中嵌入轴对称的人造台风bogus涡旋技术。实际上, 由于现有的bogus涡旋对台风结构环流描述的不准确性, 预报的台风路径和实际的位置还是存在较大差距。为了提高预报精度, 本文在JMA台风业务方案的基础之上, 尝试从T213L31全球谱模式提供的背景场中抽取浅台风的非对称结构, 加入到已有的轴对称bogus数据场中, 构成非对称bogus台风场。通过个例试验发现, 此技术能有效减少台风的预报路径误差。

1 非对称bogus涡旋方案

国家气象中心区域台风路径数值预报模式自1996年6月投入业务运行以来, 一直采用的是在背景场中消除浅台风和嵌入轴对称的bogus涡旋技术。消除浅台风采用的是文献[5]中描述的方法:对背景场应用局地三点平滑公式作经、纬向滤波分离出扰动场, 再对扰动场作柱形滤波即可分离出浅台风。而人造台风方案是利用预报员分析的实时台风报文数据 (如台风中心定位、中心最低气压、大风半径和最大风速等), 构造一个经验结构的台风bogus涡旋, 并将其叠加到大尺度环境场上形成最终的台风初始场 (详见文献[7-8])。

区域台风路径预报业务模式所需的背景场是来自全球谱模式的实时客观分析资料场[9]。近年来, 随着国家气象中心的全球谱模式的升级 (从T106升级到T213) 和改进 (采用了更先进的物理过程和参数化方案), 它的预报水平和预报能力一直在稳步提高, 提供的资料分析场的质量也越来越好。相对于过去而言, 新一代全球谱模式T213L31对于台风的反映能力越来越强, 在台风发生的时候, 往往会在洋面上形成较好的浅台风涡旋, 有时可以准确预报出台风移动路径。尽管这种浅台风涡旋与实际台风涡旋相比还有较大的差距, 主要表现在强度较弱、范围偏小和位置有偏差等, 但是另一方面, 浅台风涡旋从某种程度上来说, 也部分代表了实际台风的一些环流性结构特征。

在现行的业务方案中, 为了消除浅台风涡旋, 对背景场采用了平滑滤波方案。实际上, 由于平滑滤波方案是一种经验统计的方法, 采用滤波技术消除浅台风的同时, 环流形势场中一些反映浅台风非对称特征的结构信息也被滤除, 而这种非对称的信息或多或少地表达了实际台风的一些环流特征。实际上, NCEP[10]在其业务试验中发现, 如果将背景场中的浅台风涡旋重新定位到实际台风的位置, 而不是将其滤除掉, 就会大大提高台风路径的预报水平。这就表明, 背景场中还含有一些反映台风环流特征的信息。基于这种考虑, 参照Ueno的技术方案[11], 从背景场中抽取浅台风的非对称结构, 将它加入到轴对称的bogus涡旋中去, 形成最终的非对称的台风bogus涡旋。具体的做法如下:①从全球谱模式T213提供的背景场中搜索浅台风的涡旋中心, 以预报员实时分析的台风中心位置为原点, 定一个半径为R=500 km的圆形区域, 在近地面层中, 计算散落在圆形区域内的各点的垂直涡度, 搜寻最大值所在的格点定为浅台风的中心位置; ②以浅台风中心位置为原点, 确定一个和轴对称bogus涡旋半径r0同样大小的圆柱-气压坐标 (r, θ, p) 的三维区域; ③抽取位势高度场φB的非对称部分φasy。应用在每个垂直层面上, 对位势高度场φ作以浅台风为中心的θ方向平均, 得到平均位势高度场φave。应用公式φasy=φB-φave求得位势高度场非对称结构φasy; ④应用梯度风公式计算平均位势高度场φave对应的平衡流场Vave。将Vave从背景场VB中抽取出去, 得到风场的非对称部分Vasy, 即Vasy=VB-Vave; ⑤将抽取出的位势高度场和风场的非对称部分φasy, Vasy与轴对称bogus涡旋部分的位势高度场φsy, Vsy合并, 得到最终的非对称bogus涡旋环流场。最后, 将得到的非对称bogus涡旋场通过权重技术嵌入到大尺度环境场中去。采取上述做法得到的台风涡旋既弥补了消除浅台风平滑滤波时造成的背景场信息丢失, 又将背景场中的非对称环流形势得以保留。

2 试验方案设计

国家气象中心的台风路径数值预报模式是一个包含粗、细网格的单向嵌套的有限区域模式:粗网格模式的计算范围为:0°~50.625°N, 84.375°~161.25°E, 格距为0.9375°; 细网格预报区域为:6.5625°~43.125°N, 101.25°~150.9375°E, 格距为0.46875° (大约50 km)。垂直方向取σ坐标, 层次为不等距15层, 模式的水平网格采用Arakawa C格式, 变量在水平方向上交错分布 (详见文献[12-14])。

在国家气象中心的区域台风路径预报模式的基础上, 选取2002年16号登陆台风森拉克[15], 应用新设计的非对称bogus结构方案进行个例试验。将预报的路径结果和原业务上轴对称bogus结构的预报路径作对比分析, 来验证所建立的非对称结构方案的可行性。

2.1 森拉克台风的概况

2002年16号台风森拉克于8月29日下午在北马里亚纳群岛以东大约1000 km的洋面上生成后, 开始向西北方向移动, 31日上午加强为台风, 并向偏西方向移动, 移速逐渐加快。9月5日凌晨进入东海南部后, 其移速突然减慢为10 km/h, 并折向西南而后再转向西北方向移动, 缓慢向浙闽一带沿海靠近; 7日当移至离浙江南部沿海约300 km时, 其移速又突然加快为20~25 km/h, 于9月7日傍晚在我国浙江苍南一带沿海登陆, 登陆时中心附近最大风速达到40 m/s。之后台风中心继续西行转入闽北, 强度逐渐减弱, 8日上午在江西境内减弱为热带低压, 又移进湖南省内消失 (图 1)。

图 1. 2002年16号台风森拉克的移动路径 (2002-08-29—2002-09-07, 间隔6 h) Fig 1. Observed track of typhoon during the period from August 29 to September 7, 2002 (the positions of typhoon centers are given every 6 h)

台风森拉克在其生命期内, 特别是移近近海时, 移向移速多变, 预报难度较大, 而且登陆时范围较广, 强度大, 又值天文大潮, 灾害严重。因此选择它作为试验个例, 在实际的台风业务预报中具有普遍的应用意义。根据区域台风数值模式所覆盖的区域, 选取9月1日12:00(世界时, 下同) 到7日12:00作为连续试验的时间段, 即模式每天运行两次 (00:00和12:00), 进行48 h的预报, 来检验非对称bogus方案对台风路径的预报能力。

2.2 初始条件场的分析

模式运行所需的初始背景场来自国家气象中心新一代全球谱模式T213L31的实时客观资料分析场, 分辨率为0.5625°。相比较过去而言, 国家气象中心新一代全球谱模式T213L31无论是在资料分析还是在预报效果上都有所提高。这一点也在它对洋面上台风涡旋发生的预报能力上有所体现。从T213L31全球预报系统提供给台风模式的背景场中, 常常可以分析出洋面上环流形势比较明显的气旋性涡旋。

选取2002年9月3日12:00的海平面气压场 (图 2) 可以看出, 在台湾以东洋面有一个明显的气旋性涡旋存在, 这一点也可以从850 hPa的位势高度场中得到体现 (图 3)。尽管这种浅台风涡旋的中心位置和强度远远没有达到实际台风的水平 (根据预报员的分析, 2002年9月3日12:00的台风中心最低气压达到了950 hPa, 而背景场中的浅台风中心气压只有997 hPa, 而且实际台风中心的位置也偏离了1~2经度或纬度), 但是它的环流形势结构还是比较显著的。

图 2. 2002年9月3日12:00的海平面气压场 (来自T213L31的资料分析场, 单位:hPa) Fig 2. The sea level pressure from T213L31 analysis at 12:00 on September 3, 2002 (unit:hPa)

图 3. 2002年9月3日12:00的850 hPa位势高度场 (来自T213L31的资料分析场, 单位:gpm) Fig 3. The 850 hPa geopotential height from T213L31 analysis at 12:00 on September 3, 2002 (unit:gpm)

从全球谱模式T213L31资料分析场中体现出来的气旋性涡旋与实际台风相比较, 无论是在强度还是在范围上都有较明显的差距。但是从某种意义上来说, 这种气旋性涡旋或多或少的也代表了一些实际形势场的非对称结构和环流特征, 如果将这些特征全部从背景场中平滑掉, 就从根本上剔除了反映在背景场中实际台风的一些宝贵信息。这也是本文所设计的非对称bogus台风涡旋方案的基本意义所在。

2.3 非对称台风bogus涡旋的建立

针对T213L31全球谱模式提供的背景场含有环流较明显的浅台风涡旋, 应用前面所述的非对称bogus涡旋的方案, 从初始背景场中抽取台风的非对称结构, 将它合成到现有的轴对称的bogus涡旋中, 形成最终的非对称台风bogus涡旋场。选取2002年9月3日12:00的预报试验作对比分析, 应用前面所述方案, 分别形成轴对称和非对称的bogus涡旋场。

从850 hPa位势高度场 (图 4) 可以看出, 轴对称方案形成的位势高度场基本上是对称的, 但是加入非对称部分之后, 高度场在形势上就发生了改变, 越远离台风中心区域, 台风非对称结构就越明显, 特别在南北方向上, 显示了迥然不同的环流形势。从850 hPa风场图 (图 5和图 6) 也可以看出, 无论是在经向上还是纬向上, 轴对称方案形成的bogus风场基本上是对称的, 但是加入非对称部分之后, 对称的风场就起了变化, 特别是在纬向分量上, 北部大风中心风速明显增大, 而南部大风中心风速明显减小; 经向分量上, 在离台风中心两个格距 (格距为0.9375°) 之外的区域, 台风风场的分布廓线在东西方向上就显得越来越不对称了。类似的也可以从700 hPa的位势高度场和风场中得出相似的结论 (图略)。

图 4. bogus方案形成的850 hPa位势高度场 (单位:gpm) (a) 轴对称方案, (b) 非对称方案 (格距为0.9375°) Fig 4. The 850 hPa geopotential height distribution constructed by axisymmetric bogus scheme (a) and asymmetric bogus scheme (b)(unit:gpm, grid distance is 0.9375°)

图 5. bogus方案形成的850 hPa风场的纬向分量 (单位:m/s) (a) 轴对称方案, (b) 非对称方案 Fig 5. Same as in Fig. 4, except for the 850 hPa zonal wind distribution (unit:m/s)

图 6. bogus方案形成的850 hPa风场的经向分量 (单位:m/s) (a) 轴对称方案, (b) 非对称方案 Fig 6. Same as in Fig. 4, except for the 850 hPa meridional wind distribution (unit:m/s)

从上面分析可以看出, 位势高度场和风场加入非对称分量后, 原本对称的涡旋变得很不对称。在连续的预报试验中也发现, 加入从背景场中抽取的非对称位势高度场分量和风场分量后, 台风形势场和环流场就具有了明显的非对称特征。大量的理论和试验证明[16-19], 应用台风的非对称结构更能代表实际台风的涡旋结构特征, 事实上也更趋合理。

3 试验结果分析

针对区域台风路径数值模式所覆盖的区域, 选取2002年9月1日12:00到9月7日12:00作为连续的时间段进行路径预报试验, 模式起报时间为每日的00:00和12:00, 预报时效为48 h, 共进行了12个时次的预报试验 (由于资料的原因, 缺少9月2日12:00的试验)。试验分为两种方案同时进行, 一种是控制试验, 即应用业务上的轴对称bogus方案进行路径预报; 一种为新方案, 应用前面所述的非对称方案进行路径预报, 最后将它们预报的台风移动路径结果进行对比, 来检验非对称方案在实际应用中的可行性。

图 7为应用轴对称bogus方案和非对称方案后, 区域台风模式分别在各个试验时次上预报的24, 36 h和48 h的台风路径误差对比分析。

图 7. 轴对称和非对称方案在2002年9月各个试验时次上的24, 36 h和48 h预报路径误差比较 Fig 7. Comparison of 24 h, 36 h, 48 h forecast track errors between symmetric bogus scheme and asymmetric bogus scheme in September, 2002

从图 7可以看出, 在大部分试验时次24 h的预报路径误差对比分析中, 非对称方案相比于轴对称方案而言, 预报路径误差有几十到上百公里的下降; 而从36 h的误差对比分析中也可以看出, 除了2日00:00和4日12:00的预报路径误差比较接近外, 其余时次非对称方案的预报路径误差要明显小于轴对称方案的路径误差, 特别在3日12:00, 4日00:00和5日00:00的预报误差有了很大幅度的降低。类似地, 从48 h的预报路径误差对比分析中也可以看出, 非对称方案的预报误差要明显小于轴对称方案。

实际上, 最后统计的各个试验时次的平均路径预报误差检验结果表明, 基于非对称bogus涡旋方案的台风数值模式的路径预报效果要明显优于业务上的轴对称方案。详细试验对比数据如表 1所示。

表 1 基于轴对称和非对称bogus涡旋方案的台风系统的平均路径预报误差分析 Table 1 Analysis of mean forecast track errors between symmetric bogus scheme and asymmetric bogus scheme

从表 1可以看出, 应用非对称bogus涡旋技术后, 台风平均路径预报误差明显降低, 特别是在24 h到48 h的预报中, 平均路径预报效果有较大提高; 试验数据显示, 24 h的平均误差减少了58.2 km, 降幅达到了32.8%; 48 h的平均误差减少了65 km, 降幅达到了31.9%。

4 结论和讨论

本文在国家气象中心台风路径数值预报业务模式现行的轴对称bogus涡旋方案基础上, 设计了非对称bogus涡旋方案。具体方案是从初始背景场中抽取非对称分量并加入到对称的bogus数据当中, 形成非对称的台风涡旋场。初步的个例试验结果表明, 应用新方案所做的台风路径预报水平有较大幅度的提高。这就证明了新的非对称bogus涡旋方案在技术理论和实际应用中都是可行的。

实际上, 本文采取的非对称bogus涡旋方案在实际业务中具有普遍的应用意义。现行的方法是从初始背景场中抽取非对称分量, 而初始背景场中的浅台风涡旋结构往往过度依靠全球谱模式对台风的预报能力和台风观测资料的密集程度。如果抛弃现有的区域台风路径数值模式而直接应用全球谱模式做台风路径的业务预报, 初始背景场中的涡旋系统不但会包含上一个时刻模式对台风的模拟演变特征 (因为在全球谱模式的业务滚动运行中, 当前时刻的第一猜值场是来自上一个时刻的预报场), 而且还会在资料分析阶段融合了较多的观测资料, 因而就会含有更多的实际台风环流结构特征。相信在这种情况下, 背景场中的涡旋系统就会具有更多有价值的信息, 而本文所采取的非对称bogus涡旋方案对提高台风路径的业务预报水平十分有利。

参考文献
[1] Davidson N E, Weber H C, The BMRC high-resolution tropical cyclone prediction system:TC-LAPS. Mon Wea Rev, 2000, 128: 1245–1265. DOI:10.1175/1520-0493(2000)128<1245:TBHRTC>2.0.CO;2
[2] Kurihara Y, Tuleya R E, Bender M A, The GFDL hurricane prediction system and its performance in the 1995 hurricane season. Mon Wea Rev, 1998, 126: 1306–1322. DOI:10.1175/1520-0493(1998)126<1306:TGHPSA>2.0.CO;2
[3] Mino H, Nagata M. Outline of the New Typhoon Prediction Models at JMA.RSMC Tokyo-Typhoon Center Technical Review, No.4, 2001:1-13.
[4] Iwasaki T, Nakano H, Sugi M, The performance of typhoon track prediction model with cumulus parameterization. J Meteor Soc Japan, 1987, 65: 555–570.
[5] Kurihara Y, Bender M A, Ross R J, An initialization scheme of hurricane model by vortex specification. Mon Wea Rev, 1993, 121: 2030–2045. DOI:10.1175/1520-0493(1993)121<2030:AISOHM>2.0.CO;2
[6] Kurihara Y, Bender M A, Tuleya R E, et al. Improvements in the GFDL hurricane prediction system. Mon Wea Rev, 1995, 123: 2791–2801. DOI:10.1175/1520-0493(1995)123<2791:IITGHP>2.0.CO;2
[7] 王诗文, 李建军. 台风路径实时预报的初步试验. 应用气象学报, 1994, 5, (4): 462–469.
[8] 王国民, 王诗文, 李建军. 一个人造台风方案及其在移动套网格模式中的应用. 热带气象学报, 1996, 12, (1): 9–17.
[9] 麻素红, 瞿安祥, 张眙. 台风路径数值预报模式的并行化及路径预报误差分析. 应用气象学报, 2004, 15, (3): 322–328.
[10] Liu Qingfu, Tim Marchok, Pan Hualu, et al. Improvements in Hurricane Initialization and Forecasting at NCEP with Global and Regional (GFDL) Model.Technical Procedures Bulletin, NOAA, SN:472, 2000.
[11] Ueno M, A study on the impact of Asymmetric components around tropical cyclone center on the accuracy of Bogus data and the track forecast. Meteorology and Atmospheric Physics, 1995, 56: 125–134. DOI:10.1007/BF01022525
[12] 王诗文. 国家气象中心台风数值模式的改进及其应用试验. 应用气象学报, 1999, 10, (3): 347–353.
[13] 刘还珠, 陈德辉, 腾俏彬. 不同物理过程参数化对模式台风的影响及其动力结构的研究. 应用气象学报, 1998, 9, (2): 141–150.
[14] 陈德辉, 王诗文, 汪厚君. 改进的物理过程参数化对台风路径数值预报的影响. 应用气象学报, 1996, 7, (1): 1–8.
[15] 许映龙, 刘震坤, 张建忠, 等. 0216号台风森拉克 (SINLAKU) 近海路径和风雨分布特征及成因分析. 天气与气候, 2003, 2, (4): 394–402.
[16] 陈联寿, 罗哲贤. 非对称结构与台风移动的若干联系. 北京: 气象出版社, 1995: 371-375.
[17] 陈联寿, 徐祥德. 台风异常运动及其外区热力不稳定非对称结构的影响效应. 大气科学, 1997, 21, (1): 83–90.
[18] Wang Yuqing, On the bogusing of tropical cyclones in numerical models:The influence of vertical structure. Meteorology and Atmospheric Physics, 1998, 65: 153–170. DOI:10.1007/BF01030785
[19] Davidson N E, Puri K, Tropical prediction using dynamic underlying, satellite-defined convective heat sources, and a cyclone bogus. Mon Wea Rev, 1992, 120: 2501–2511. DOI:10.1175/1520-0493(1992)120<2501:TPUDNS>2.0.CO;2