穆 穆, 秦曉昊, 周菲凡, 陳博宇

(1.中國科學(xué)院海洋研究所海洋環(huán)流與波動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266071;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029;3.中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室,北京100029;4.中國氣象局國家氣象中心天氣預(yù)報(bào)室,北京100081)

1 目標(biāo)觀測的定義、歷史和方法

目標(biāo)觀測,又稱為適應(yīng)性觀測,是20世紀(jì)90年代后期以來發(fā)展起來的觀測策略方法,如圖1所示：為了使將來時刻(驗(yàn)證時刻)tv我們所關(guān)注的區(qū)域(驗(yàn)證區(qū))內(nèi)的預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確,我們要在將來時刻(目標(biāo)時刻)ta對驗(yàn)證區(qū)域預(yù)報(bào)影響較大的區(qū)域(敏感區(qū))進(jìn)行額外的觀測[1],獲得更多的觀測資料,這些額外的觀測資料經(jīng)過資料同化系統(tǒng)進(jìn)行同化后,給模式提供更接近真實(shí)狀況的初始場,以期得到更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。一旦針對某些極端天氣事件的預(yù)報(bào)更準(zhǔn)確,決策者和人民群眾就能有更充足的時間進(jìn)行防災(zāi)準(zhǔn)備,更大程度地減小災(zāi)害帶來的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國因氣象災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失占GDP的1%～3%,占GDP增加值的10%以上。近20年資料統(tǒng)計(jì)分析指出,中國每年平均要發(fā)生12次范圍較大的強(qiáng)降水天氣過程,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)816.19億元,占?xì)庀鬄?zāi)害年經(jīng)濟(jì)總損失的62.78%;平均每年登陸中國的臺風(fēng)有7個;平均每年遭受干旱的農(nóng)作物面積達(dá)2557.3萬頃,占?xì)庀鬄?zāi)害受災(zāi)總面積的51.15%。大霧的影響和危害也較大,除了對民航、公路等交通影響較大,給出行帶來很多不便外,由于水滴形成的小顆粒物增多,加重空氣污染,嚴(yán)重影響人民群眾的身心健康。因此,為了更好地為防災(zāi)減災(zāi)與廣大人民群眾服務(wù),目標(biāo)觀測是非常有必要的。

在過去的十幾年里,為了改善對一些極端天氣事件的預(yù)報(bào)效果,目標(biāo)觀測在全球范圍內(nèi)得以實(shí)施[2-6]。目標(biāo)觀測可以通過探空儀、熱氣球、衛(wèi)星和浮標(biāo)等手段進(jìn)行。就目前已在大西洋[7-11]和太平洋地區(qū)[4,6,12-13]進(jìn)行的一系列目標(biāo)觀測的外場試驗(yàn)對極端天氣事件預(yù)報(bào)的改善程度來看,進(jìn)行目標(biāo)觀測兩天后熱帶氣旋的路徑預(yù)報(bào)誤差顯著減小了25%[3];在Wu et al.[4]的試驗(yàn)個例之一“杜鵑”中,用只同化了3個探空儀獲得的觀測資料得到的分析場進(jìn)行預(yù)報(bào),6～30小時的路徑預(yù)報(bào)提高了32%～81%,超過36小時的路徑預(yù)報(bào)提高近10%;在2008年秋季,通過同化目標(biāo)觀測資料,不同模式中臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)提高了20%～40%[14]。必須指出的是：不是每一次目標(biāo)觀測的實(shí)施對預(yù)報(bào)的影響都是正面的,但是從統(tǒng)計(jì)角度而言,目標(biāo)觀測能夠有效提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

確定敏感區(qū)是目標(biāo)觀測的關(guān)鍵問題。目前確定目標(biāo)觀測敏感區(qū)的方法主要有：繁殖方法[1],伴隨敏感性方法[5,15-16],準(zhǔn)反演方法[17],線性奇異向量方法(SVs[7,13,18-19])和集合轉(zhuǎn)換卡曼濾波技術(shù)(ETKF[20])。其中,SVs和ETKF被廣泛應(yīng)用于外場試驗(yàn)中。SVs作為一種特殊的分析誤差協(xié)方差(AEC)最優(yōu)化方法,用于最大化可能線性發(fā)展為驗(yàn)證區(qū)域內(nèi)預(yù)報(bào)誤差的一類初始擾動[21]。在文獻(xiàn)[16,22-23]中對該方法進(jìn)行了評估。ETKF方法用于目標(biāo)觀測上試圖解決這樣的問題：在所有可行的目標(biāo)觀測方案中,哪種是最能減小預(yù)報(bào)誤差方差的?通過建立基于集合的對預(yù)報(bào)誤差協(xié)方差的近似,ETKF方法定量地估計(jì)出每一種可能的目標(biāo)觀測方案對預(yù)報(bào)誤差方差的減小值,選出其中減小最多的方案作為最優(yōu)的方案,進(jìn)行實(shí)際操作。

圖1 目標(biāo)觀測示意圖

但是在一些情況下,大氣和海洋的運(yùn)動是由非線性過程主導(dǎo)的,而上述兩種方法在確定目標(biāo)觀測敏感區(qū)時都是基于初始擾動是線性發(fā)展這一假定。因此,穆穆等[24-25]提出了條件非線性最優(yōu)擾動(CNOP)方法。作為SVs方法在非線性領(lǐng)域的擴(kuò)展,CNOP是指一類初始擾動,在一定的約束條件下,該類初始擾動的非線性發(fā)展將造成驗(yàn)證時刻驗(yàn)證區(qū)域內(nèi)最大的誤差。該方法已被應(yīng)用于大氣-海洋可預(yù)報(bào)性研究的不同領(lǐng)域,如厄爾尼諾-南方濤動的可預(yù)報(bào)性[26-30]、熱鹽環(huán)流[31-32]、阻塞高壓[33-35]、冷渦[36]、暴雨和臺風(fēng)的目標(biāo)觀測[37-45],等等。

以上3種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)：ETKF方法基于集合技術(shù),不依賴伴隨系統(tǒng),在國外成熟的系統(tǒng)中,其計(jì)算機(jī)時相對較小,及時性較高;而對于SVs和CNOP方法來說,它們的計(jì)算量則高出幾個量級;文獻(xiàn)[46]發(fā)展了兩種快速計(jì)算CNOP的算法,將CNOP的計(jì)算機(jī)時大大縮小。然而,SVs和CNOP方法更強(qiáng)調(diào)初始誤差的動力發(fā)展,尤其在CNOP方法中強(qiáng)調(diào)的是誤差的非線性發(fā)展,克服了SVs方法線性發(fā)展的不足。在文獻(xiàn)[20]中提到,ETKF方法的應(yīng)用要受到下面的限制：分析誤差協(xié)方差矩陣足夠精確;集合擾動的樣本足夠豐富;初始擾動足夠小。

2 目標(biāo)觀測實(shí)例介紹

歐洲是全球目標(biāo)觀測發(fā)展得較早且較成熟的地區(qū)之一,并且已實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)觀測在天氣預(yù)報(bào)中的業(yè)務(wù)化[47]。由于歐洲地理位置的原因,影響歐洲的主要?dú)庀鬄?zāi)害為溫帶氣旋和冬季風(fēng)暴。下面將以歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWR)目標(biāo)觀測業(yè)務(wù)化為例,介紹目標(biāo)觀測實(shí)施流程。

圖2 目標(biāo)觀測系統(tǒng)流程圖

類似中國氣象業(yè)務(wù)部門每天進(jìn)行的天氣會商,在ECMWR,關(guān)于目標(biāo)觀測的會商也是定期開展,其形式如中國中央氣象臺(圖2,Lead User：ECMWR)和地方氣象臺(User：歐洲各成員國氣象業(yè)務(wù)部門)。當(dāng)一個天氣事件即將威脅歐洲大部分范圍或某個單一成員國時,各業(yè)務(wù)部門將首先商討是否對這個天氣事件進(jìn)行目標(biāo)觀測,因?yàn)椴⒉皇敲恳粋€天氣事件都需要或者適合進(jìn)行目標(biāo)觀測。這個標(biāo)準(zhǔn)主要從2個方面判斷：(1)這次天氣事件是否可能對成員國造成較大的危害。結(jié)合中國的實(shí)際情況為例,每年夏秋季節(jié),西北太平洋上會形成一定數(shù)量的臺風(fēng),但是并不是所有臺風(fēng)都會靠近或登陸中國,而只有靠近或登錄中國的臺風(fēng)才會對中國造成危害,需要進(jìn)行目標(biāo)觀測。(2)對于這次天氣事件的預(yù)報(bào)不確定性是否較大。由于各成員國使用的模式不同、資料不同,那么勢必會造成對于同一個天氣事件不完全一致的預(yù)報(bào)結(jié)果,如果所有成員國業(yè)務(wù)部門關(guān)于同一天氣事件的預(yù)報(bào)差別很大,那么說明該事件對模式、對資料的依賴性很強(qiáng),敏感性很高,就需要通過目標(biāo)觀測進(jìn)行進(jìn)一步的確定。只要滿足上述兩個條件中的任何一個,ECMWR將確定對這次天氣事件進(jìn)行目標(biāo)觀測,反之,則放棄目標(biāo)觀測。上述所有商榷、決策將在九點(diǎn)至十點(diǎn)半一個半小時內(nèi)完成。

在接下來的一個半小時內(nèi),ECMWF、英國氣象辦公室(UKMO)和法國氣象局(Meteo-France)將針對該次天氣事件,分別用不同的方法確定目標(biāo)觀測的敏感區(qū)。由于上述3個中心所用模式、資料和方法的不同,會使得對于同一個事件確定的目標(biāo)觀測敏感區(qū)位置上存在一些差異。在這種情況下,ECMWF會綜合考慮天氣背景和各敏感區(qū)的差異,確定最終的目標(biāo)觀測實(shí)施范圍和實(shí)施方案,并進(jìn)行最終操作。

3 中國目標(biāo)觀測研究進(jìn)展

在亞洲地區(qū),日本、韓國和臺灣地區(qū)較早的加入了觀測系統(tǒng)研究及可預(yù)報(bào)性試驗(yàn)計(jì)劃(THORPEX)并參與了目標(biāo)觀測的外場試驗(yàn)。中國于2005年成為THORPEX計(jì)劃成員,且在2008年夏秋季針對臺風(fēng)進(jìn)行了外場試驗(yàn)[48],但是關(guān)于目標(biāo)觀測的理論與方法的研究卻從未中斷。

文獻(xiàn)[43]利用MM5模式和WRF模式,以臺風(fēng)Longwang(2005)和Sinlaku(2008)為例,研究了不同方法確定的敏感區(qū)和不同類型初始誤差對臺風(fēng)預(yù)報(bào)的影響以及敏感區(qū)對模式的依賴性。結(jié)果表明,敏感區(qū)內(nèi)隨機(jī)初始誤差的發(fā)展一般要大于其它隨機(jī)選擇的區(qū)域內(nèi)誤差的發(fā)展;而在所有選擇的區(qū)域中,CNOP所識別的敏感區(qū)內(nèi)的隨機(jī)誤差的發(fā)展是最大的;在同一個區(qū)域中,具有特定空間結(jié)構(gòu)的初始誤差的發(fā)展一般要大于隨機(jī)誤差的發(fā)展,如CNOP、SVs和第一線性奇異向量(FSV)類型的初始誤差的結(jié)構(gòu)。綜合比較研究的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)CNOP所識別的敏感區(qū)內(nèi)CNOP類型初始誤差對預(yù)報(bào)結(jié)果不確定性的影響最大。將MM5模式計(jì)算得到的臺風(fēng)預(yù)報(bào)的敏感區(qū)應(yīng)用于WRF模式,結(jié)果發(fā)現(xiàn)由MM5模式確定的敏感區(qū)在WRF模式中也能非常有效的減小預(yù)報(bào)誤差,說明在上述研究中臺風(fēng)預(yù)報(bào)的初值敏感區(qū)對模式的依賴性可能較弱。

另外,文獻(xiàn)[42]通過觀測系統(tǒng)試驗(yàn)(OSEs),在CNOP敏感區(qū)內(nèi)同化目標(biāo)觀測資料,計(jì)算各氣象要素及總擾動能量(TPE)的均方根誤差(RMSE),與未同化目標(biāo)觀測資料在驗(yàn)證時刻的預(yù)報(bào)作比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在CNOP敏感區(qū)進(jìn)行目標(biāo)觀測后TPE的RMSE減小幅度要明顯大于在隨機(jī)區(qū)域的情況(表1)。這說明在CNOP確定的敏感區(qū)內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)觀測,確實(shí)能夠有效減小臺風(fēng)預(yù)報(bào)誤差。綜上,CNOP方法比其它方法更可能抓住臺風(fēng)預(yù)報(bào)中初始誤差的敏感區(qū)域,具有相對較弱的模式依賴性,OSEs試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了CNOP確定的敏感區(qū)在改進(jìn)臺風(fēng)預(yù)報(bào)技巧中的有效性。所以,用CNOP方法所識別的敏感區(qū)是有效的。

表1 不使用探空儀(NONDROP)、使用全部探空儀(ALLDROP)、只在CNOP敏感區(qū)內(nèi)使用探空儀(CNOPDROP)、只在FSV敏感區(qū)使用探空儀(FSVDROP)和隨機(jī)區(qū)域使用探空儀(RANDROP)情況下驗(yàn)證區(qū)內(nèi)干能量和24(36)小時路徑誤差絕對值及相對值(摘自Chen,2011)

文獻(xiàn)[45]利用MM5模式,將CNOP方法應(yīng)用于2009年西太平洋7個臺風(fēng)個例路徑預(yù)報(bào)的研究。選擇占全場不到1%的格點(diǎn)作為探空儀投放點(diǎn)。將同化了模擬觀測資料后的初始場作為進(jìn)行了目標(biāo)觀測后改善的初始場,進(jìn)行每6h一次的路徑預(yù)報(bào),總共預(yù)報(bào)時長為72h。結(jié)果表明：7個臺風(fēng)個例中有6個個例的路徑預(yù)報(bào)得到了改善。在CNOP敏感區(qū)內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)觀測,路徑預(yù)報(bào)改善程度為13%～46%,路徑預(yù)報(bào)誤差平均減少50公里左右;在SVs敏感區(qū)內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)觀測,改善程度為14%～23%;而且上述改善不僅出現(xiàn)在優(yōu)化時間段內(nèi)(24～48h),甚至延續(xù)到72h。這說明CNOP方法可以有效地改進(jìn)臺風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)技巧。

文獻(xiàn)[35]采用CNOP方法,基于T21三層全球準(zhǔn)地轉(zhuǎn)譜模式,探討了阻塞前期征兆及其相關(guān)的可預(yù)報(bào)性問題,結(jié)果表明(圖3),在阻塞的形成過程中,全局最優(yōu)增長初始誤差(type-1)會導(dǎo)致阻塞事件發(fā)生被高估,其與阻塞最優(yōu)前期征兆顯示出很大的相似性,兩者都主要位于阻塞及其上游區(qū)域。局地最優(yōu)增長初始誤差(type-2)也具有相似的模態(tài),但符號相反。以優(yōu)化時間3天為例,結(jié)果發(fā)現(xiàn),最優(yōu)前期征兆與type-1最快增長擾動的空間相似系數(shù)達(dá)到0.95,與type-2最快增長擾動的空間相似系數(shù)達(dá)到-0.87。進(jìn)一步分析表明,type-1最優(yōu)增長誤差與最優(yōu)前期征兆隨時間皆演變?yōu)橐粋€北正南負(fù)的阻塞偶極子模態(tài),且其發(fā)展機(jī)制可以用阻塞的形成機(jī)制來解釋。最優(yōu)前期征兆和最快增長誤差的這種相似性表明,我們可以在最優(yōu)增長誤差確定的敏感區(qū)施加目標(biāo)觀測,一方面可以消除最優(yōu)增長誤差,同時改善的觀測網(wǎng)也有助于我們更好地抓住最優(yōu)前期征兆的空間結(jié)構(gòu),從而提高阻塞發(fā)生的預(yù)報(bào)水平。

圖3 500 hPa位勢高度場(優(yōu)化時間3天,初始時刻為0000 UTC 25 Feb 1993)[35]

4 未來展望

雖然目標(biāo)觀測的研究與業(yè)務(wù)化在國際上取得了令人矚目的效果,但該領(lǐng)域仍有許多問題需要進(jìn)一步解決。首先,在基礎(chǔ)研究方面,要建立時效性高、準(zhǔn)確度高、操作性強(qiáng)的目標(biāo)觀測方法,使其能被廣大業(yè)務(wù)部門接收應(yīng)用;其次,要建立目標(biāo)觀測是否實(shí)施的判定標(biāo)準(zhǔn),以保證盡可能不漏掉高影響天氣事件、合理使用國家人力物力。其次,在業(yè)務(wù)方面,如何將目標(biāo)觀測方法應(yīng)用至業(yè)務(wù)模式中,使目標(biāo)觀測真正做到常規(guī)化,并逐漸發(fā)展成熟實(shí)現(xiàn)目標(biāo)觀測業(yè)務(wù)化?如何根據(jù)實(shí)際天氣事件,合理地選擇目標(biāo)觀測手段,在達(dá)到加密觀測的基礎(chǔ)上,最優(yōu)配置資源。最后,也是最為重要的一點(diǎn),如何將科研和業(yè)務(wù)這兩頭有效、平衡的結(jié)合起來,既能將科學(xué)研究的新成果應(yīng)用于業(yè)務(wù)部門,又能將業(yè)務(wù)部門獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供給科研單位;既能利用科學(xué)理論指導(dǎo)目標(biāo)觀測的外場試驗(yàn)實(shí)施,又能將業(yè)務(wù)部門實(shí)際操作中遇到的各種問題及時反映到科研單位。必須在兩手抓兩手都要硬的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)兩手相互合作,才能推動中國目標(biāo)觀測事業(yè)的發(fā)展,才能更好地為防災(zāi)減災(zāi)與廣大人民群眾服務(wù)。

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