姚日升 徐迪峰 丁燁毅 趙伍杰

(寧波市氣象臺，浙江寧波315012)

0 引言

沿海大風(fēng)是常見的海洋災(zāi)害性天氣，統(tǒng)計結(jié)果表明由海上大風(fēng)造成的海事僅次于碰撞事故［1］。提高沿海大風(fēng)的預(yù)報能力對減少經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡有著非常重要的意義。有氣象工作者對浙江沿海大風(fēng)做了統(tǒng)計，對10級以上大風(fēng)來說，在浙中南沿海以臺風(fēng)引起的最多，占54%;冷空氣次之，占26%;低壓大風(fēng)占14%;而浙北沿海低壓大風(fēng)、冷空氣大風(fēng)和臺風(fēng)大風(fēng)分別占33%、29%和26%［2］。浙北沿海低壓大風(fēng)頻率高、危害大，低壓(包括東海低壓、江淮低壓、黃渤海低壓等)大風(fēng)可以是低壓前部的偏南大風(fēng)或后部的偏北大風(fēng)。由于入海氣旋具有快速發(fā)展的特點，在實際的預(yù)報工作中往往會造成漏報或預(yù)報風(fēng)力偏弱的現(xiàn)象。為了揭示氣旋的內(nèi)在機制，國內(nèi)學(xué)者對中國近海氣旋有過一些研究，但主要集中在統(tǒng)計學(xué)和動力學(xué)診斷分析等方面。有學(xué)者對江淮沿海做過數(shù)值模擬和大風(fēng)診斷分析［3－4］，在入海氣旋風(fēng)力預(yù)報方面也做了不少工作［5－7］，但數(shù)值模式預(yù)報產(chǎn)品分析及解釋應(yīng)用方面相對較少，所以研究如何充分利用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品來預(yù)報入海氣旋造成的大風(fēng)對防災(zāi)減災(zāi)有著積極的意義和實際的應(yīng)用價值。2006年起國家氣象中心就針對T213(2008年6月起為T639)、ECMWF和日本模式中期預(yù)報性能進(jìn)行較為系統(tǒng)的檢驗［8－10］，也有氣象工作者針對數(shù)值產(chǎn)品對某種災(zāi)害性天氣預(yù)報能力進(jìn)行檢驗分析［11］。

本文首先考察T213、T639和ECMWF對入海氣旋的路徑、強度的短、中期預(yù)報能力，然后分析WRF中尺度數(shù)值模式對氣旋大風(fēng)的短期預(yù)報能力。T213是我國T213L31全球模式，資料水平分辨率為 1.0°×1.0°;T639 是我國T639L60全球模式，資料水平分辨率為1.0°×1.0°，ECMWF 模式是 T799L91 全球模式，資料水平分辨率為 2.5°×2.5°;實況分析場資料水平分辨率為 2.0°×2.0°經(jīng)緯網(wǎng)格，以上資料均來自中國氣象局。分別以850 hPa最大正渦度中心(下稱850 hPa預(yù)報)、海平面氣壓最低值中心(下稱地面預(yù)報)進(jìn)行各家數(shù)值模式氣旋預(yù)報中心定位和路徑預(yù)報誤差計算［12］(路徑誤差為預(yù)報位置與實況位置的歐氏距離)，強度則考察海平面氣壓最低中心值。

1 選例簡介

選取2009年4月19—20日(個例1)、2009年11月9—10日(個例2)和2010年5月22—23日(個例3)發(fā)生的3個入海氣旋作為研究對象。3個例的共同特點都是從西南渦中分離出來的中尺度氣旋東移發(fā)展成江淮氣旋或江南氣旋，從黃?；驏|海入海，加強發(fā)展，然后在朝鮮半島到日本島減弱消亡。雖然3個例均未達(dá)到爆發(fā)性發(fā)展氣旋，但個例1、2出海前后均給浙江北部沿海造成了11～12級的陣風(fēng)。

個例1:2009年4月17日20時在四川省生成，緩移少動，強度逐漸加強，地面19日08時在湖南省分裂出一個中心，新的中心緩慢向東北方向移動，強度逐漸加強，于20日02—05時在江蘇中部出海，發(fā)展成為一個氣旋，然后入海后緩慢向東北方向移動。20日08時850 hPa分裂成2個中心:一個在渤海;一個仍留在黃海，形成一種雙中心結(jié)構(gòu)。地面氣壓中心對應(yīng)黃海的850 hPa正渦度中心，4月20日20時到達(dá)朝鮮半島，繼續(xù)向庫頁島方向移動。這個入海氣旋在入海前給浙江北部近海造成陣風(fēng)11～12級的偏南大風(fēng)。圖1a為個例1氣旋路徑和入海時海平面氣壓場實況。

個例2:2009年11月8日20時在川、渝、黔3省交界處生成，逐步發(fā)展并東移，9日08時850 hPa在湖南北部生成較明顯的環(huán)流中心，同時地面分裂出低壓中心，逐漸向東移動，穿過江西進(jìn)入浙江，給這些地區(qū)帶來雷陣雨等強對流天氣。10日02時從寧波東部入海，入海后迅速發(fā)展成為一個氣旋，與氣旋后部南下的冷空氣配合，給這一帶海域帶來11～13級的陣風(fēng)。據(jù)舟山自動氣象站網(wǎng)觀測，舟山海域共出現(xiàn)9級陣風(fēng)19站，10～11級陣風(fēng)10站，12級以上陣風(fēng)9站，單站風(fēng)力極值38.4 m/s。強風(fēng)致使一艘漁船沉沒，4人失蹤。氣旋于10日20時到達(dá)日本島，11日05時分別在日本島中部和南部分裂成2個少動的中心。圖1b為個例2氣旋路徑和入海時海平面氣壓場實況。

個例3:2010年5月21日08時在湖南省生成，逐步發(fā)展并東移，穿過江西進(jìn)入浙江，給這些地區(qū)帶來雷陣雨天氣。22日08時從長江口一帶入海，入海后氣旋環(huán)流更加明顯，隨后移向朝鮮半島南部。圖1c為個例3氣旋路徑和入海時海平面氣壓場實況。

圖1 氣旋路徑和入海時海平面氣壓場

2 T213、T639和 ECMWF的短、中期預(yù)報能力比較

個例1起報時次為2009年4月17日20時—20日20時7個時次，預(yù)報檢驗時間為17日20時—20日20時;個例2起報時次為2009年11月8日20時—10日20時5個時次，預(yù)報檢驗時間為8日20時—10日20時;個例3起報時次為2010年5月20日20時—23日08時6個時次，預(yù)報檢驗時間為21日08時—23日14時。

2.1 預(yù)報結(jié)果分析

分析發(fā)現(xiàn)，個例1中T213、T639和 ECMWF分別能提前144、156、192 h預(yù)報出氣旋的入海過程，個例2分別能提前168、168和192 h，而個例3中T639、ECMWF分別提前216、240 h做出了氣旋入海預(yù)報?？傮w來說，全球模式能夠提前6～10 d預(yù)報出氣旋入海的趨勢，而ECMWF對于入海氣旋的預(yù)報時效相對優(yōu)越。

表1為 T213、T639和 ECMWF對3個入海氣旋移動路徑和中心氣壓平均預(yù)報誤差及標(biāo)準(zhǔn)差，從引言的資料和方法介紹中所述的實況分析場提取氣旋中心的位置和中心氣壓［12］作為各模式預(yù)報誤差的計算標(biāo)準(zhǔn)，將某項預(yù)報的若干次預(yù)報誤差作為一組樣本，求出該組樣本的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差即是表中各列的預(yù)報誤差及標(biāo)準(zhǔn)差。分析可見，雖然模式對于入海氣旋的位置和強度預(yù)報有一定的誤差，但總體來說均有一定的預(yù)報能力，不同時效各模式互有優(yōu)劣。3模式24、48、72 h路徑預(yù)報平均誤差為 216、309、376 km，ECMWF誤差相對較小，分別為170、269、344 km，比3模式平均誤差分別小21.3%、12.9%、8.5%。96～168 h誤差ECMWF約在260～340 km，T213、T639則為425～605 km。本文采用兩組樣本平均值差異對 ECMWF路徑預(yù)報優(yōu)勢進(jìn)行t檢驗［13－14］，24、48、72 h 分別通過 0.2、0.4、0.6 的信度檢驗，96 h起通過0.05的信度檢驗，表明ECMWF路徑預(yù)報在72 h內(nèi)略優(yōu)，中期有明顯優(yōu)勢。

表1 T213、T639和ECMWF對3個例不同時效平均預(yù)報誤差及誤差的標(biāo)準(zhǔn)差

各模式、各時效850 hPa相對于地面路徑預(yù)報的誤差及標(biāo)準(zhǔn)差都更小，24、48、72 h 3模式平均誤差小38、35、28 km，減小了17.6%、11.3%、7.4%。

對于中心氣壓的預(yù)報，ECMWF所有時效誤差平均絕對值都小于1 hPa，標(biāo)準(zhǔn)差為1.5～2.6 hPa;T213與T639相當(dāng)，各時效誤差平均絕對值、標(biāo)準(zhǔn)差基本上是1～5 hPa。t檢驗結(jié)果表明，ECMWF相對于T213、T639具有明顯的優(yōu)勢(除72 h外均能通過0.05的信度檢驗)。從850 hPa流場、海平面氣壓場等形勢場預(yù)報來看，ECMWF相對T213、T639也更具優(yōu)勢，預(yù)報場更接近實況(圖略)。

總體來看，3模式比較，ECMWF誤差及標(biāo)準(zhǔn)差都更小，T639略優(yōu)于T213。

2.2 誤差來源分析

分析發(fā)現(xiàn)，上述3個例72 h時效內(nèi)誤差都偏大，較大誤差來自個例2，主要是由于個例2經(jīng)歷了3次由少動到突然加速的過程，加速時段分別為11月9日05—08時、11月9日17—20時、11月10日14—17時，3次快速移動的時間均為3 h左右，移動距離分別約為620、650、510 km。

圖2 個例2前2次跳躍性前進(jìn)時的海平面氣壓場

分析圖2a－2b、圖2c－2d發(fā)現(xiàn)，氣旋跳躍性地快速移動不是簡單的移動，而是氣旋中心被前進(jìn)方向上新生成的副中心替代(氣旋中心位置都經(jīng)過了前后時次連續(xù)性的檢查)。圖3可以看出，由于冷空氣南下，9日20時高空中低層流場存在很明顯的斜壓性，925 hPa的氣旋中心與海平面氣旋中心相一致，而700 hPa氣旋中心明顯落后，850 hPa有 2個氣旋中心:一個接近700 hPa的中心位置;另一個在東面的海上。表明大氣斜壓性增強導(dǎo)致環(huán)流進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果氣旋前方的副中心快速替代原有的中心，造成地面氣旋突然快速移動。數(shù)值模式對于這樣的過程在預(yù)報上出現(xiàn)了很大的誤差，如6日20時T213預(yù)報9日20時誤差為947 km，7日20時T639預(yù)報9日20時誤差為934 km，8日20時的ECMWF、T639、T213預(yù)報9日20時誤差分別為770、763、623 km。如果從表1的統(tǒng)計結(jié)果中剔除這幾次預(yù)報，3模式24、48、72 h誤差平均為183、250、320 km，分別減小33、59、56 km。

上述分析表明全球數(shù)值模式對環(huán)流調(diào)整時氣旋移速突變的預(yù)報還存在著較大差距，3個數(shù)值模式表現(xiàn)基本一致。氣旋的跳躍性移動主要表現(xiàn)在海平面氣壓場上，中低層氣旋中心的移動相對穩(wěn)定，表現(xiàn)在路徑預(yù)報上850hPa誤差明顯小于海平面氣壓場，表2給出了3個模式對個例2的平均預(yù)報誤差，分析可見，3個模式基于850 hPa渦度場24、48、72 h路徑平均誤差比海平面預(yù)報誤差分別小約100、182、178 km，t檢驗結(jié)果也表明24 h通過0.2的信度檢驗，48、72 h通過0.1的信度檢驗，可見當(dāng)預(yù)報出氣旋將快速移動時，要注重參考中低層的形勢預(yù)報來把握氣旋的發(fā)展和移動。

圖3 個例2第2次跳躍時2009－11－9 20 h高空流場(氣旋中心用字符C表示)

3 WRF模式對入海氣旋預(yù)報能力的分析

對于具體要素的預(yù)報來說，全球模式時空分辨率難以滿足業(yè)務(wù)需求，而中尺度數(shù)值模式在一定的預(yù)報時效內(nèi)更具有指導(dǎo)意義，下面分析寧波市氣象臺業(yè)務(wù)運行WRF模式對入海氣旋的風(fēng)力預(yù)報能力。

3.1 WRF 模式簡介

模式和資料同化采用ARW-WRF/3DVAR(V3.2)系統(tǒng)，初始場采用NCEP/GFS輸出的水平分辨率為 0.5°×0.5°的全球分析場，模式初始化過程中同化了常規(guī)高空、地面觀測資料，未采用TC-Bogus方案，預(yù)報時微物理過程采用Thompson方案，輻射采用 RRTM長波方案和Dudhia短波方案，沒有采用積云對流參數(shù)化方案。WRF短期模式采用雙向兩重嵌套網(wǎng)格(圖4)，粗網(wǎng)格范圍為13°N ～47°N，97°E ～146°E，垂直方向取35層eta坐標(biāo)，模式頂為50 hPa，模式粗網(wǎng)格、細(xì)網(wǎng)格格距分別為15、5 km，格點數(shù)分別為246 ×232、190 ×181，分別使用 2'、30″的地形數(shù)據(jù)，時間積分步長分別為72、24 s，預(yù)報時效為0～72 h。WRF短時模式是將短期模式變?yōu)槿厍短?，?nèi)網(wǎng)格距為5/3 km，格點數(shù)181×181，時間積分步長8 s，預(yù)報時效為0～24 h，同化了寧波多普勒雷達(dá)和浙江省所有區(qū)域自動站資料［15－16］，雷達(dá)資料同化使用的是基數(shù)據(jù)文件，通過88d2wrf預(yù)處理后生成WRF所需格式的文件，資料質(zhì)量控制在預(yù)處理中同時進(jìn)行。自動站資料從浙江省自動站專用數(shù)據(jù)庫實時檢索生成Micaps格式的數(shù)據(jù)文件，通過micaps2wrf程序合并、轉(zhuǎn)換生成WRF所需格式的文件。需要說明的是一般情況下短時預(yù)報為0～12 h，這里提到的WRF短時模式是為了區(qū)別于短期模式，文中用于分析的資料均為WRF模式最內(nèi)層嵌套網(wǎng)格的輸出產(chǎn)品。

3.2 WRF短期預(yù)報結(jié)果分析

采用待檢驗海域(29.5°N ～31.0°N，121.5°E～123.0°E)內(nèi)最大風(fēng)速作為檢驗對象，WRF模式內(nèi)層網(wǎng)格輸出風(fēng)場中取同樣范圍最大風(fēng)速作為模式預(yù)報結(jié)果。為了減小因儀器誤差和海島地形對實況風(fēng)速代表性造成的影響，實況值取這個海域內(nèi)所有中尺度自動氣象站前3個最大風(fēng)速值的平均。個例1起報時間為2009年4月16日20時—19日08時，每隔12 h共6次預(yù)報，預(yù)報檢驗時段為2009年4月19日02時—21日02時;個例2起報時間為2009年11月7日20時—10日08時，每隔12 h共6次預(yù)報，預(yù)報檢驗時段為2009年11月9日20時—11日20時;個例3起報時間為2010年5月19日20時—22日08時，每隔12 h共6次預(yù)報，預(yù)報檢驗時段為2010年5月21日20時—23日20時。預(yù)報產(chǎn)品時效為6～72 h，每3 h一次，統(tǒng)計3個例各時效誤差絕對值平均分別為 5.5、7.7、3.3 m/s。分析發(fā)現(xiàn)WRF對這3個例預(yù)報風(fēng)速偏小3～7m/s，將每個個例的風(fēng)速預(yù)報加上誤差平均值進(jìn)行風(fēng)速預(yù)報訂正，訂正后的誤差絕對值的平均分別為2.9、3.2、2.0 m/s，可見模式預(yù)報結(jié)果有較好的客觀參考性。對于這3次過程，模式都能預(yù)報出風(fēng)速增大、減小的總體趨勢，但風(fēng)速峰值預(yù)報與實況有較大差異。WRF模式對個例2的風(fēng)速預(yù)報，除了風(fēng)速峰值預(yù)報偏小外，在入海前的多次預(yù)報中還表現(xiàn)出預(yù)報風(fēng)速增大時間的滯后，下面通過對氣壓場預(yù)報的分析來看一下預(yù)報誤差偏大的原因。

個例2的大風(fēng)主要是由于氣旋出海時與一股較強冷空氣南下相互配合在浙江北部沿海形成較大的氣壓梯度。與實況對比分析發(fā)現(xiàn):11月8日20時起報的42 h海平面預(yù)報(10日14時)氣旋東移過快(圖5a)，而冷空氣南下的速度偏慢，氣旋與冷空氣的共同作用沒有體現(xiàn)出來，這樣的預(yù)報結(jié)果一直持續(xù)到11月9日08時為初始時間的預(yù)報，多次預(yù)報出現(xiàn)同樣的偏差導(dǎo)致預(yù)報平均誤差偏大。11月9日20時為初始時間的海平面預(yù)報(圖5b)開始有明顯的進(jìn)步，能清楚地看出冷空氣與入海氣旋的共同作用。與全球模式預(yù)報結(jié)果類似，WRF中尺度模式在冷空氣與氣旋相互作用的把握能力上仍有差距，導(dǎo)致對入海氣旋移動預(yù)報出現(xiàn)偏差。

3.3 WRF短時模式預(yù)報結(jié)果分析

圖5 2次不同初始場的短期模式2009年11月10日14時海平面氣壓預(yù)報對比

圖6 為短期模式與短時模式對個例2的預(yù)報和實況對比，初始時間為2009年11月9日20時，短期模式的預(yù)報時間為10日02時—11日02時，短時模式預(yù)報時間為10日02時—10日20時。分析可見，短時、短期模式都能預(yù)報出風(fēng)速增大的過程，2次預(yù)報結(jié)果總體比較接近，但在風(fēng)速峰值階段，短時模式預(yù)報出3個時次(10日13～15 h，預(yù)報時效為17～19 h)30 m/s左右的最大風(fēng)速，與實況非常接近，這3個預(yù)報時效的短時、短期的誤差絕對值平均分別為1.4、7.1 m/s，短時模式比短期模式減小了5.7 m/s。從10日19時(預(yù)報時效為17 h)起明顯比短期模式預(yù)報結(jié)果更好，約4 h后這種正效果開始變小，與前人得出的雷達(dá)資料同化對降水一般在0～12 h 有正效果相比有所延遲［15－16］，這可能是由于雷達(dá)等本地資料的同化對降水的作用更直接，而文中所研究的氣旋發(fā)展是通過降水的潛熱釋放改變環(huán)流來完成，從而相對來說影響的時間比對降水來得晚。

圖6 個例2短期模式短時模式預(yù)報結(jié)果與實況的對比(橫坐標(biāo)為預(yù)報時間)

4 結(jié)語

本文對2009—2010年3個典型黃、東海入海氣旋的多種數(shù)值產(chǎn)品進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下:

1)全球模式提前6～10 d(144～240 h時效)可以預(yù)報出入海氣旋的生成、移動和發(fā)展情況，但位置和強度均存在一定的誤差。對于地面路徑預(yù)報，T213、T639和 ECMWF 3 模式24、48、72 h路徑誤差平均為216、309、376 km，預(yù)報誤差偏大的原因是數(shù)值模式對環(huán)流調(diào)整時氣旋移速突變的預(yù)報上還存在著相當(dāng)大的差距。

2)參與分析的模式對不同預(yù)報時效850 hPa路徑預(yù)報誤差和標(biāo)準(zhǔn)差均小于地面，當(dāng)?shù)孛鏆庑S式快速移動時，850 hPa明顯優(yōu)于地面路徑預(yù)報，預(yù)報中需要注重中低層形勢的預(yù)報來把握氣旋的移動和發(fā)展。

3)3模式比較 ECMWF相對于 T213、T639路徑預(yù)報短期時效72 h內(nèi)略優(yōu)，中心氣壓和中期路徑預(yù)報的誤差及標(biāo)準(zhǔn)差都更小，具有明顯優(yōu)勢，T639總體略優(yōu)于T213。

4)WRF中尺度模式在短期預(yù)報時效內(nèi)(0～72 h時效)，對入海氣旋造成的大風(fēng)具有一定的預(yù)報能力，但預(yù)報風(fēng)速值要小于實況風(fēng)速。個例2在提高了模式分辨率、同化雷達(dá)和中尺度站等本地資料后對風(fēng)速預(yù)報有很大的改進(jìn)。

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