应用气象学报  2012, 23 (2): 167-173   PDF    
引用本文
麻素红, 吴俞, 瞿安祥, 肖天贵, 李勋. T213与T639模式热带气旋预报误差对比[J]. 应用气象学报, 2012, 23(2): 167-173.
Ma Suhong, Wu Yu, Qu Anxiang, Xiao Tiangui, Li Xun. Comparative Analysis on Tropical Cyclone Numerical Forecast Errors of T213 and T639 Models[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2012, 23(2): 167-173  
T213与T639模式热带气旋预报误差对比
麻素红1, 吴俞2, 瞿安祥1, 肖天贵3, 李勋4     
1. 中国气象局数值预报中心，北京 100081;
2. 海南省琼海市气象局，琼海 571400;
3. 成都信息工程学院大气科学学院，成都 610225;
4. 海南省气象局，海口 570203
2011-07-17 收到, 2012-01-29 收到修改稿.
资助项目: 国家973项目 (2009CB421500)    
通讯作者: 麻素红, E-mail: suhong0228@hotmail.com.
摘要: 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。
关键词: T213L31模式    T639L60模式    路径预报对比    强度预报对比    
Comparative Analysis on Tropical Cyclone Numerical Forecast Errors of T213 and T639 Models
Ma Suhong1, Wu Yu2, Qu Anxiang1, Xiao Tiangui3, Li Xun4     
1. Center for Numerical Weather Prediction, CMA, Beijing 100081;
2. Qionghai Meteorological Bureau of Hainan Province, Hainan 571400;
3. College of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225;
4. Hainan Provincial Meteorological Bureau, Haikou 570203
Abstract: The vortex initialization scheme used in the operational global model T213L31 for tropical cyclone (TC) track prediction is implemented in higher resolution global spectral model T639L60 in 2009, which is the new generation model for medium range forecast in National Meteorological Center. The vortex initialization scheme used in T213L31 typhoon model includes three parts. One part processes the initial vortex formation using bogus vortex technique when TC being first named in the northwest Pacific Ocean, another part relocates the vortex in the following backgrounds according to the correct position analyzed by the forecasters, and the third part modifies the intensity according to the maximum wind or the minimum sea level pressure analyzed by the forecasters. The comparative analysis of the performance of TC track forecasts for T639L60 and T213L31 typhoon models is carried out using the TC track data from 2009 to 2010 in order to evaluate the ability of TC track prediction of T639L60. The results show that the mean distance errors of T213L31 and T639L61 are close within 72 h forecast, but for 96 h and 120 h forecasts, T639L61 brings a little bit larger errors. The errors of T213L31 and T639L61 for No.0907—No.0922 and No.1001—No.1014 TCs are 120.2 km and 124.8 km (24 h), 211 km and 203.8 km (48 h), 314.7 km and 320.7 km (72 h), 416.3 km and 436.6 km (96 h), 556.3 km and 602.1 km (120 h). The intensity errors of T639L60 are much smaller than those of T213L31 because of the higher resolution of T639L60. The track errors are also analyzed by group all the TCs into five different types of tracks: North-westward moving, northward moving, westward moving, recurvature and unusual track TCs. The results show that T639L60 has better performance for the north-westward moving and recurvature TCs than T213L31, but the track errors are much larger for the northward moving TCs and west moving TCs especially the west moving TCs in the South China Sea. For abnormal track TC forecasts, T639L60 can well forecast the adjustment of the environmental flow and has much smaller mean track errors than T213L31. For the systematic direction errors of landing TC forecasts, T213L31 has the systematic bias of northeast-north and T639L60 has the systematic bias of northeast-east.
Key words: T213L31     T639L60     track forecast comparison     intensity forecast comparison    
引言

目前，数值天气预报模式已成为国内外热带气旋路径业务预报所使用的主要工具，数值预报水平高低主要取决于3个方面[1]：资料同化方案以及卫星资料的应用、模式的分辨率、物理过程参数化。而在热带气旋的路径预报中，模式分析场对热带气旋涡旋的描述是影响路径预报的又一关键因素[2-5]。国家气象中心自2002年开始对T213L31(简称T213) 模式进行改进，于2007年成功实现了T213到T639L60(简称T639) 模式的升级，2008年T639模式正式投入业务运行。为了提高T639模式对热带气旋路径的预报能力，2009年8月，在T639模式的同化循环中加入了涡旋初始化技术，此技术基于T213模式的涡旋初始化方案。整个初始化方案包括3个部分：涡旋初始生成技术、涡旋重定位、涡旋强度调整[6-7]。由于T639模式受预报时效的限制，在热带气旋首次编报时，T639模式采用传统的直接在背景环流场中嵌入人造bogus涡旋，而T213模式则是将构造好的bogus涡旋先利用模式进行36 h积分，再从各个时次的预报场中挑选出1个与观测分析的热带气旋特征数据最接近的涡旋环流系统，最后从中分离出嵌入到最初的背景场中形成初始的热带气旋涡旋环流。

由于热带气旋运动受到复杂因子影响，在路径预报数值模式中不可能包括与实况相近的所有物理过程，使得路径预报存在较大误差，尤其当热带气旋运动受到某种未被模式包括的物理过程影响而出现异常运动时，各种预报结果往往同时失败[8]，这给预报带来了很大困难。因此，需要客观地认识不同模式的性能、特点及存在的不足，因为不同模式之间的动力框架、物理过程参数化方案、分辨率等各方面存在差异，预报的误差增长、分布特点也就不同。对不同模式预报特点进行分析，有助于在业务预报中更好地应用数值预报产品[9-15]。

鉴于此，对国家气象中心T213模式和T639模式热带气旋路径数值预报结果进行对比分析，了解其误差分布的特点、误差来源的机制等，有助于了解业务模式对不同类型热带气旋路径的预报性能，并为日后对业务模式进行改进提供参考依据。

1 T639模式及资料简介 1.1 T213与T639模式系统简介

T639模式是T213模式的升级版本，格点空间的水平分辨率从T213的0.5625°×0.5625°提高到0.28125°×0.28125°，模式垂直分辨率从31层提高到60层，并采用Rayleigh摩擦增加平流层的稳定性。T639模式对物理过程的改进主要增加了次网格的对流活动，包括云方案改进，与T639模式匹配的下垫面资料处理系统及合理的初始化方案等[1]。T639模式动力框架的改进主要包括采用线性高斯格点，同时改进T639模式的半拉格朗日时间积分方案，使之在线性高斯格点下计算噪音问题得到有效克服，并延长积分步长。T213模式采用三维变分同化系统SSI (spectral statistical interpolation), 而T639模式采用更为先进的三维变分同化分析系统GSI (gridpoint statistical interpolation)。

1.2 资料

T213模式每天进行4次预报，在热带气旋生成至消亡过程中提供120 h的路径预报。T639模式从2011年6月16日开始由每天2次预报增加到每天4次预报。为了考察T213模式和T639模式的热带气旋路径预报情况，本文利用2009年7～22号热带气旋及2010年1～14号热带气旋作为共同样本进行模拟对比，其中热带气旋路径实况资料来自日本气象厅的最佳路径。

2 T213与T639模式热带气旋路径和强度预报平均误差对比

首先对比平均距离误差。从图 1可以看出，T213与T639模式24，48，72，96，120 h预报时效的平均距离误差分别为120.2 km和124.8 km，211 km和203.8 km，314.7 km和320.7 km，416.3 km和436.6 km，556.3 km和602.1 km，即24，48，72 h时效预报效果T213与T639模式基本相当，但96 h和120 h时效T213模式的预报效果略好于T639模式，T639模式的路径预报误差比T213模式分别高4.9%，8.2%。根据热带气旋走向将其路径分为5类：西北行路径、西行路径、转向路径、异常路径以及北上路径。由表 1可知，T213模式对于西行和北上路径的预报效果总体上优于T639模式，而北上路径的预报误差T639模式明显偏大。相比之下T639模式对于西北行和转向路径的预报效果总体上优于T213模式，而对于异常路径的热带气旋，24，48，72 h时效T213模式的预报效果略优于T639模式，96，120 h时效T639模式预报的平均距离误差较T213模式的明显偏小。

图 1. T213与T639模式不同时效热带气旋路径预报误差 Fig 1. The mean track errors for tropical cyclones of T213 and T639

表 1 T213与T639模式对各类路径热带气旋在不同预报时效的平均距离误差 (单位:km) Table 1 The mean track errors for different kinds of tropical cyclones of T213 and T639(unit:km)

对比平均强度预报误差。从图 2可以看出，在整个预报时效内T639模式的强度预报误差都较T213模式明显偏小，特别是预报时效越长，T639模式的强度预报越接近实况。这说明T639模式在强度预报中优势明显，具有一定的参考价值，这也体现了高分辨率数值预报模式的优势。

图 2. T213与T639模式不同预报时效的热带气旋平均强度误差 Fig 2. The mean intensity errors for tropical cyclones of T213 and T639

3 T213和T639模式热带气旋路径预报系统性偏差对比

通过计算T213和T639模式对所有热带气旋路径预报的系统性偏差, 发现T213模式存在西北向的系统性偏差 (图 3)，相比之下，T639模式存在东北偏东向的系统性偏差 (图 3)。本文重点对比两者对登陆热带气旋 (包括西北行登陆和西行登陆) 的系统性偏差。从图 3可以看出，对于西北行登陆热带气旋，两个模式预报结果都表现东北偏东向的系统性偏差，但T213模式比T639模式偏北更明显；对于西行登陆热带气旋，两个模式同样存在东北向的系统性偏差，T213模式偏北更加明显，而T639模式东偏明显。由此可知，对登陆类热带气旋预报，T213模式存在一致的东北偏北向系统性偏差，T639模式则存在明显的东北偏东向系统性偏差。

图 3. 热带气旋路径预报结果的系统性偏差 Fig 3. The systematic forecast bias of tropical cyclone track

4 异常路径热带气旋路径和强度预报误差对比

陈联寿等[16-17]指出衡量热带气旋是否是异常路径有两个标准，其一是这种路径具有小概率特征，其二是这种路径和引导气流正交或交角很大。异常路径一般是大形势急剧调整或者再叠加一个天气尺度环流系统与热带气旋相互作用的产物，也可能是一些非引导因子 (如海温、地形等) 对热带气旋路径作用的结果[18-20]。异常路径的形成是一个极其复杂的动力学问题，因此如果数值模式能较好预报热带气旋路径的突然改变，对日常业务预报有极其重要的作用。2009—2010年有几个较为典型的异常路径热带气旋，分别是莫拉克 (0908)、芭玛 (0917)、鲇鱼 (1013)，对比T213和T639模式预报的热带气旋路径平均距离误差 (图 4) 可以看出，对于莫拉克 (0908) 与芭玛 (0917) T639模式预报的路径平均距离误差整体较T213模式小，而对于鲇鱼 (1013) T213模式预报的路径平均距离误差较T639模式小。对于热带气旋强度预报，T639模式预报平均误差明显小于T213模式，表明具有较高分辨率的T639模式在热带气旋强度预报方面更具优势 (图 4)。前面的分析已经表明：T639模式24，48，72 h时效路径预报比T213模式的差，不难看出鲇鱼 (1013) 是影响个例之一，因此下面详细对比分析两个模式对鲇鱼 (1013) 的预报性能。

图 4. T213与T639模式对异常路径热带气旋路径及强度预报的平均误差 Fig 4. Mean errors of track and intensity for abnormal track tropical cyclones of T213 and T639

热带气旋鲇鱼 (1013) 在2010年较为特殊，首先它是秋季超强台风，其移动路径之所以异常，主要受副热带高压、西风槽及越赤道气流的共同影响，特别是西风槽的突然加强和副热带高压的急剧减退导致鲇鱼 (1013) 的突然转向。对比T213与T639模式的预报，T639模式预报路径误差偏大的阶段主要是在鲇鱼 (1013) 转向之前，转向后的路径预报要优于T213模式 (图 5)。另外，T639模式较早预报鲇鱼转向北上 (图略)，这从侧面反映了T639模式能较好预报大形势环流的突然调整，这同样也体现了T639模式的优势。

图 5. T213与T639模式在超强台风鲇鱼 (1013) 不同预报时效路径预报误差对比 Fig 5. The mean track errors in different period of validity for super typhoon Megi (1013) of T213 and T639

5 结论及讨论

通过T213和T639模式对2009年7～22号和2010年1～14号西北太平洋热带气旋的路径数值预报结果进行对比分析，得到以下初步结论：

1) 从总体的路径预报平均误差来看，T213与T639模式的24，48，72 h时效预报效果基本相当，96，120 h时效T639模式的路径预报误差略大于T213模式。对于西北行登陆和转向热带气旋而言，T639模式的预报误差明显小于T213模式。

2) 由于T639模式分辨率较高，T639模式热带气旋强度预报误差明显小于T213模式。

3) 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, 其路径及强度预报误差明显小于T213模式。

4) 对于登陆类热带气旋预报，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。

T639模式对热带气旋强度预报有明显的优势，对日常业务预报具有参考价值。在路径预报方面，除了西行及北上热带气旋外，T639模式路径预报均好于T213模式。由于T213及T639模式均存在系统性偏差，因此建议对模式预报结果进行适当的系统性偏差订正[21]，这是减小预报误差的有效方法之一。另外通过对多个误差较大的个例分析发现，无论是T213模式还是T639模式的分析场和预报场中在副热带高压和热带气旋交界处及副热带高压与西风槽或西风槽与热带气旋交界处的风速明显偏大 (与欧洲中心数值预报模式分析场对比)，Wu等[22]通过敏感向量法探讨了影响热带气旋路径的两大敏感区，分别是热带气旋与中纬度西风槽和副热带高压的交界处，目前很多研究已经表明同化适应性观测资料能改善热带气旋路径预报[23]，特别是在敏感区域增加观测资料改善预报更明显，因此在T213或T639模式三维变分同化过程中加入飞机观测资料无疑是改进模式预报的有效方法之一。

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