柏亞周 李訓(xùn)強(qiáng) 鄭崇偉 鄭友華

解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，南京 211101

風(fēng)暴潮集合預(yù)報現(xiàn)狀及前景展望

柏亞周 李訓(xùn)強(qiáng) 鄭崇偉 鄭友華

解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院，南京 211101

本文簡要介紹了集合預(yù)報的概念及國內(nèi)外集合預(yù)報的研究進(jìn)展情況，國外的集合預(yù)報研究進(jìn)展主要是從初值的不確定性和物理的不確定性兩方面考慮的。而國內(nèi)的集合預(yù)報研究進(jìn)展主要是從預(yù)報要素出發(fā)分幾個方面考慮的。文中特別對作者所關(guān)心的風(fēng)暴潮集合預(yù)報提出了自己的一些淺見。最后對集合預(yù)報的前景做出了自己的思考。

Ensemble Forecast; Storm Surge; Initial value perturbation; Numerical forecasting model

1.引言

由于大氣是一個高度非線性的混沌系統(tǒng)，因而數(shù)值天氣預(yù)報的結(jié)果對初始條件的微小誤差非常敏感[1]。Epstein[2](1969)為解決這一問題先在理論上提出了動力隨機(jī)預(yù)報。后來，Leith[3](1974)提出了一個比較適合于實(shí)際應(yīng)用的所謂“蒙特卡羅”預(yù)報（Monte Carlo forecating）。經(jīng)典的集合預(yù)報基本上就是基于這一蒙特卡羅預(yù)報概念的。

集合預(yù)報自上世紀(jì)90年代發(fā)展至今，已經(jīng)取得了很多重要成果。世界氣象組織已明確把集合預(yù)報、資料同化、耦合模式和高分辨率確定性數(shù)值模式列為四個最重要的數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)[4]。

目前關(guān)于集合預(yù)報的文章有很大一部分比例是著重于大氣方面的，而對于一些海洋災(zāi)害現(xiàn)象比如海浪、風(fēng)暴潮的集合預(yù)報研究比較落后，特別是風(fēng)暴潮對我國東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)危害已呈逐年加重的趨勢，對風(fēng)暴潮的準(zhǔn)確預(yù)報關(guān)系到這些地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，雖然現(xiàn)在風(fēng)暴潮確定性預(yù)報已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但還存在預(yù)報精度不夠、分辨率不高的問題。為了更好的得到預(yù)報結(jié)果，對于風(fēng)暴潮的集合預(yù)報研究非常有必要，本文著重于介紹集合預(yù)報的發(fā)展現(xiàn)狀，同時對有關(guān)風(fēng)暴潮的集合預(yù)報作了初步的探討，最后對風(fēng)暴潮集合預(yù)報的發(fā)展前景作了一些思考。

2.國外集合預(yù)報研究進(jìn)展

2.1 初值的不確定性研究

國際上從上世紀(jì)70年代開始集合預(yù)報研究，到90年代才開始業(yè)務(wù)化。最初的集合預(yù)報主要是針對于初值擾動的集合，關(guān)于初值擾動生成主要有以下幾種方法：Monte Carlo隨機(jī)擾動法、時間滯后平均法（LAF）、加拿大的觀測擾動技術(shù)（PO）以及奇異向量法(SV)和增長模繁殖法(BGM)等。

2.2 物理不確定性研究

隨著集合預(yù)報的發(fā)展，初值擾動技術(shù)越來越成熟，再加上近年來觀測技術(shù)和觀測水平不斷提高，初值越來越準(zhǔn)確。人們開始把預(yù)報中模式的不確定性考慮進(jìn)來，由于模式是物理過程的近似反映，其誤差是不能避免的，因此考慮模式的不確定性是很有必要的，這也就是所謂的物理集合。考慮物理不確定性的集合預(yù)報系統(tǒng)大致有兩大類。第一類是用單一模式，對該模式物理過程中的一些不確定參數(shù)在一定合理的范圍內(nèi)隨機(jī)地變化,或者任意選用不同的參數(shù)化方案[5，6]。第二類就是“多模式集合預(yù)報”，這一方法就是同時使用兩個或兩個以上的模式，每個模式都有其自身的子集合預(yù)報系統(tǒng)，然后把這幾個子集合預(yù)報加在一起成為總集合預(yù)報（也有人稱為“超級集合預(yù)報”）。

當(dāng)然,在集合預(yù)報的具體實(shí)現(xiàn)中,為更完備地體現(xiàn)預(yù)報中的各種不確定性,可以同時使用初值集合、物理集合和多模式集合中的一種或幾種。

3.國內(nèi)集合預(yù)報研究進(jìn)展

集合預(yù)報自上世紀(jì)90年代在國際上投入業(yè)務(wù)運(yùn)行以來，其相比于確定性預(yù)報的優(yōu)勢隨著集合技術(shù)的發(fā)展愈加明顯。我國也從90年代中期開始對集合預(yù)報技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，雖然同發(fā)達(dá)國家相比，我國集合預(yù)報發(fā)展起步較晚，但是十幾年以來的發(fā)展速度還是比較快的，下面就將我國集合預(yù)報的現(xiàn)狀在預(yù)報要素分類的基礎(chǔ)上做一簡要介紹。

3.1 降水集合預(yù)報

國家氣象中心在1995年安裝了從美國進(jìn)口的IBM/SP2巨型并行計算機(jī)，為我國開展集合數(shù)值預(yù)報提高了必要的客觀條件，并于1996年5月下旬開始，以原有的動力延伸預(yù)報為基礎(chǔ)，開發(fā)建立了第一代中期集合數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。之后在此基礎(chǔ)上，建立了第三代中期集合數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)于1999年年底投入準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)營，并在不斷改進(jìn)完善之中[7]。

陳靜、薛紀(jì)善、顏宏[8]利用非靜力MM5模式，分析了不同積云對流參數(shù)化方案對華南暖區(qū)暴雨數(shù)值預(yù)報的不確定性影響，進(jìn)行了中尺度暴雨模式擾動集合預(yù)報試驗(yàn)。

譚燕、陳德輝[9]以GRAPES中尺度有限區(qū)域作為試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，從模式的不確定性方面來構(gòu)造中尺度的集合預(yù)報，重點(diǎn)考慮物理因子與初始條件的擾動作用。

3.2 熱帶氣旋路徑集合預(yù)報

張慶紅、張春喜、張中鋒等[10]綜合考慮了數(shù)值天氣預(yù)報過程的兩種不確定性：初值和模式的不確定性，建立了一個擁有20個成員的中尺度集合預(yù)報系統(tǒng)來模擬1997年熱帶氣旋Danny的路徑和對流系統(tǒng)。

王晨稀、梁旭東[11]以MM5模式為試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑謩e用增長模繁殖法（BGM）和模式物理過程擾動法（PHY）形成12個集合成員，對2005年登陸我國的8個熱帶氣旋進(jìn)行了52次路徑集合預(yù)報試驗(yàn)，以尋找適合西北太平洋熱帶氣旋的集合預(yù)報方法。

3.3 氣候變化集合預(yù)報

袁重光、趙彥等[12]介紹了氣候預(yù)測中的集合方法，考慮了天氣與氣候預(yù)測有不同的特點(diǎn)，其集合方法、目的也有所不同，由此也對集合方法在氣候預(yù)報中的應(yīng)用提出了一些建議。

趙彥，郭裕福[13]利用中科院大氣物理研究所IAPL2AGCM1.1模式18年的集合后報試驗(yàn)結(jié)果，討論了短期氣候數(shù)值預(yù)報中的個數(shù)問題。

3.4 溫度集合預(yù)報

國家氣象中心的趙聲蓉[14]基于中國國家氣象中心T213模式、德國氣象局業(yè)務(wù)模式和日本氣象廳業(yè)務(wù)模式2m高溫度預(yù)報，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法中的BP網(wǎng)絡(luò)建立了我國600多個站的溫度集成預(yù)報系統(tǒng)，該預(yù)報系統(tǒng)的預(yù)報時效為72h，間隔為3h。從總體情況看，預(yù)報誤差還存在日變化，一般來講，夜間的預(yù)報誤差小于白天。

綜合我國集合預(yù)報現(xiàn)狀可以看出，在集合預(yù)報要素方面，主要是對大氣要素如降水、熱帶氣旋路徑、氣候、溫度等進(jìn)行預(yù)測研究。在集合預(yù)報時效上，主要是從中期和月動力延伸預(yù)報、短期氣候、短期天氣預(yù)報進(jìn)行集合研究。在集合預(yù)報擾動方法上，對初值擾動、單模式物理過程及邊界強(qiáng)迫擾動、多模式多初值擾動都有研究。

4.風(fēng)暴潮集合預(yù)報的研究進(jìn)展

風(fēng)暴潮是來自海上的一種巨大的自然界災(zāi)害現(xiàn)象。它是指由于強(qiáng)烈的大氣擾動—如熱帶氣旋、溫帶氣旋、暴發(fā)性氣旋等天氣系統(tǒng)所伴隨的強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變所引起的海面異常升高的現(xiàn)象。它若和通常的天文潮，特別是天文大潮、高潮階段疊加，往往會使其影響所及的海域水位暴漲、浪毀坡堤、乃至海水浸溢內(nèi)陸，釀成巨災(zāi)。

為了提高風(fēng)暴潮預(yù)報水平，除了采取改進(jìn)觀測手段、改進(jìn)預(yù)報模式、提高分辨率等方法外，我們還可以應(yīng)用集合預(yù)報的方法。由于風(fēng)暴潮絕大部分是由熱帶氣旋引起的，在風(fēng)暴潮預(yù)報模式一定的基礎(chǔ)上，熱帶氣旋的路徑預(yù)報直接關(guān)系到風(fēng)暴潮預(yù)報的準(zhǔn)確與否。因此，風(fēng)暴潮集合預(yù)報是由風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式同熱帶氣旋路徑集合預(yù)報模式耦合而成的。

目前國家海洋環(huán)境預(yù)測中心利用國家“十一五”科技攻關(guān)開發(fā)了臺風(fēng)風(fēng)暴潮集合預(yù)報模式，并已經(jīng)業(yè)務(wù)化，它是在業(yè)務(wù)化臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，模式集合多條臺風(fēng)預(yù)測路徑，計算最大可能情況下的風(fēng)暴增減水極值。付翔、董劍希等[15]利用此集合預(yù)報模式對0814號強(qiáng)臺風(fēng)“黑格比”風(fēng)暴潮進(jìn)行了分析與數(shù)值模擬，并同業(yè)務(wù)化的臺風(fēng)風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報模式結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示：集合預(yù)報的誤差比業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報的誤差明顯降低，但在對臺風(fēng)路徑敏感的站點(diǎn)，集合預(yù)報的精度與臺風(fēng)路徑預(yù)報的準(zhǔn)確率有關(guān)，具體相關(guān)關(guān)系還有待于進(jìn)一步分析。

5.結(jié)束語

本文簡要介紹了集合預(yù)報的概念及國內(nèi)外集合預(yù)報的研究進(jìn)展情況，特別是對風(fēng)暴潮集合預(yù)報提出了自己的一些淺見。同世界發(fā)達(dá)國家相比，我國的集合預(yù)報研究起步較晚，但通過十幾年的發(fā)展，在借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我國在集合預(yù)報的研究上取得了很大的成就。展望未來，集合預(yù)報在天氣預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的地位和作用會更加重要，如何能更好地讓集合預(yù)報服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)、造福人類，是每一個氣象工作者的職責(zé)所在，我們認(rèn)為應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行考慮：

（1）加大對極端天氣的集合預(yù)報能力，對不同的極端天氣采取不同的集合方法來提高集合預(yù)報系統(tǒng)對極端天氣事件的預(yù)報能力。

（2）不斷拓寬集合數(shù)值預(yù)報領(lǐng)域，從最初的全球中期集合預(yù)報延伸到有限區(qū)域短期天氣預(yù)報、月季年短期氣候預(yù)測以及將集合預(yù)報直接與應(yīng)用模式相聯(lián)系，開發(fā)對天氣敏感的農(nóng)業(yè)商業(yè)與人類活動的定量概率預(yù)報工具。

（3）對集合預(yù)報產(chǎn)品的信息提取問題做進(jìn)一步的研究，同時對集合預(yù)報產(chǎn)品的解釋應(yīng)用與影響我國的實(shí)際天氣、氣候系統(tǒng)結(jié)合起來考慮，使之更有針對性。

（4）除了對集合預(yù)報新技術(shù)加大研發(fā)力度外，還要對數(shù)值計算所需的平臺如計算機(jī)和數(shù)值計算模式的發(fā)展投入很大心血，集合預(yù)報、數(shù)值模式、計算機(jī)三者相輔相成、共同發(fā)展才能更大的發(fā)揮出數(shù)值預(yù)報的水平。

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[15]付翔，董劍希 等.0814號強(qiáng)臺風(fēng)“黑格比”風(fēng)暴潮分析與數(shù)值模擬.海洋預(yù)報.2009，26（4）：68-75

The Evolvement of Research And Review About The Ensemble Forecast Of Storm Surge

Bai Ya-Zhou Li Xun-Qiang Zheng Chong-Wei Zheng You-Hua
Institute of Meteorology, PLA Univ,of Sci.&Tech., NanJing 211101.China

This paper briefly gives the concept of the Ensemble Forecast and introduces the domestic and international research progress; The progress about international Ensemble Forecast is major considered from the perturbation of initial value and the perturbation of physics.The progress about domestic Ensemble Forecast is major considered from the forecasting factors.In paper, The author bring forward some views about the Ensemble Forecast of storm surge that author cares for.At last the author give own thought about foreground of Ensemble Forecast.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.006

“十一五”國家科技支撐計劃重點(diǎn)項目“重大海洋災(zāi)害預(yù)警及應(yīng)急技術(shù)研究”中的01課題“近海重大海洋災(zāi)害預(yù)警技術(shù)研究”

柏亞周，1984年出生，男，河北蠡縣人，解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院研究生三隊，在讀碩士研究生。

李訓(xùn)強(qiáng)，1962年出生，男，江蘇睢寧人，解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院海洋與空間環(huán)境系物理教研室主任，副教授，碩士生導(dǎo)師。

集合預(yù)報；風(fēng)暴潮；初值擾動；數(shù)值模式