智協(xié)飛,孫晶,周文友

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044)

2009年夏季西太平洋臺風的集合預報和多模式集成預報試驗

智協(xié)飛1,2,孫晶2,周文友2

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 大氣科學學院,江蘇 南京 210044)

摘要：基于WRF模式,利用增長模繁殖法(Breeding of Growing Modes,BGM)建立了一個臺風路徑和強度的集合預報試驗系統(tǒng)(WRF-EPS)。此外,將此集合預報結果與TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)集合預報資料中4個中心的預報進行多模式集成,對2009年8月1—31日西北太平洋臺風路徑和強度進行24～72 h集成預報,并對0908號“莫拉克”臺風預報進行個例分析。結果表明,基于BGM的WRF-EPS的西北太平洋臺風路徑和強度的預報誤差,與CMA(China Meteorological Administration,中國氣象局)、JMA(Japan Meteorological Agency,日本氣象廳)、ECMWF(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,歐洲中期天氣預報中心)、NCEP(US National Center for Environment Prediction,美國國家環(huán)境預報中心)的預報誤差大致相當;與CMA的集合預報結果相比,有些預報時效WRF-EPS的預報技巧具有明顯優(yōu)勢?？傮w上,WRF-EPS對2009年夏季西北太平洋臺風路徑和強度的預報較好,可以與TIGGE多模式預報結果進行集成。消除偏差集合平均和加權集合平均顯著地改進了臺風路徑和強度的預報技巧,預報效果優(yōu)于最好的單模式預報和多模式簡單集合平均。對于24～72 h預報,加權集合平均預報性能最優(yōu)。

關鍵詞：臺風;集合預報;多模式集成;BGM;TIGGE

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0633-08P456.7

文獻標志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130620010

Abstract:An ensemble forecasting experiment system(WRF-EPS) for the track and intensity forecasts of typhoon is established with the breeding of growing modes(BGM) as the initial perturbation method in the WRF model.In addition,the 24—72 h multimodel ensemble forecasts of track and intensity of typhoons over western Pacific from 1 to 31 August 2009 have been conducted by using the multimodel ensemble mean(EMN),bias-removed ensemble mean(BREM) and weighted ensemble mean(WEM) methods based on TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble) ensemble forecasts of 4 operational forecast centers as well as WRF-EPS.Then,a case study is carried out for the forecast of typhoon Morakot(2009).The results show that the forecast errors of track and intensity of the typhoon using BGM as the initial perturbation method in the WRF model(WRF-EPS) are roughly equivalent to those of CMA,JMA,ECMWF,NCEP models.Compared with the forecasts of CMA model,the WRF-EPS has some advantages in some forecast leading time in terms of forecast errors of track and intensity of typhoon.Overall,using WRF-EPS,the forecasts of track and intensity of typhoon in western Pacific from May to August 2009 are better and can be used for the multimodel ensemble forecasts with TIGGE forecasts.BREM and WEM methods can significantly reduce the forecast errors,with the forecast skills higher than those of each single model and EMN method.For the 24—72 h forecasts of track and intensity of typhoon,WEM has the best performance among the three multimodel ensemble forecast schemes as mentioned before.

收稿日期：2013-05-24;改回日期:2013-12-31

基金項目:國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAC22B03)；國家自然科學基金資助項目(41375098)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD)

通信作者：陶麗,博士,教授,研究方向為熱帶大氣低頻振蕩及臺風氣候學,taoli@nuist.edu.cn.

Ensemble and multimodel ensemble forecasts of western Pacific

typhoons during summer 2009

ZHI Xie-fei1,2,SUN Jing2,ZHOU Wen-you2

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China)

Key words:typhoon;ensemble forecast;multimodel ensemble;BGM;TIGGE

0引言

目前,許多國家在日常天氣預報業(yè)務中使用集合預報產品。集合預報除了在中期天氣預報和短期氣候預測中得到了成功的應用(關吉平和張立鳳,2009),在短期天氣預報中也得到了發(fā)展(王晨稀和端義宏,2003;Jones et al.,2007;Peel and Wilson,2008;Yuan et al.,2009)。許多研究指出,集合預報中不同初始場、模式物理過程,甚至不同模式的集合,所得數值預報結果更加客觀,也更接近實況(王晨稀,2013)。

20世紀90年代中期,集合預報技術開始用于臺風預報研究。Aberson et al.(1995)最早論證了集合預報在熱帶氣旋路徑預報的可行性。Cheung(2001)通過對比隨機擾動法和增長模繁殖法(BGM)對臺風路徑的預報技巧,指出BGM能夠在合理的范圍內獲取更大的離散度,使集合預報系統(tǒng)捕獲極端天氣的能力明顯提高。黃燕燕等(2006)基于BDA(Bogus Data Assimilation)擾動方法,對臺風路徑進行了集合預報試驗,試驗結果相當令人鼓舞。王晨稀和梁旭東(2007)利用MM5模式對臺風進行預報試驗,分別利用BGM和模式物理過程擾動法形成集合預報成員。他們發(fā)現(xiàn)同時考慮二者的預報效果優(yōu)于單一集合的效果。Yamaguchi et al.(2009)基于JMA全球譜模式建立了一個新的臺風集合預報系統(tǒng)。他們對北太平洋和中國南海2007年5—12月的熱帶氣旋進行初始擾動的集合預報試驗,發(fā)現(xiàn)集合平均的結果優(yōu)于控制試驗。黃小剛等(2007,2010)把集合卡爾曼濾波技術應用到臺風路徑和強度的試驗上,同時還考慮了模式物理過程的不確定性。他們發(fā)現(xiàn),應用同化的集合預報結果優(yōu)于未同化的集合預報,臺風路徑的預報技巧優(yōu)于強度預報的技巧。譚燕和梁旭東(2010)在GRAPES_TCM模式基礎上,采用BGM法分別對臺風“韋帕”渦旋場和環(huán)境場進行擾動來構造集合成員,預報效果也比較好。王秋良等(2012)利用BGM法進行了臺風路徑的集合預報試驗,并對繁殖長度進行了研究,結果表明相對于控制預報利用增長模繁殖法制作的集合預報對臺風路徑預報的技巧水平有了很大提高,集合預報中采用不同的繁殖長度對臺風路徑預報效果有一定影響。

除了基于單一模式構造擾動成員進行集合預報,還可以將多個不同模式的預報作為集合成員進行多模式集成預報,這種方法同時考慮了初始場與模式的不確定性。Goerss(2000)利用三個不同預報模式對1995—1996年大西洋颶風進行集成預報試驗,多模式集合平均預報24、48和72 h平均距離誤差分別比三個模式中的最好結果改進了16%、20%和23%。Kumar et al.(2003)則利用超級集合預報方法對1998—2000年太平洋的臺風路徑和強度進行預報試驗,他們發(fā)現(xiàn)超級集合預報技巧優(yōu)于單個模式的預報和多個模式的簡單集合平均。Froude(2010)運用TIGGE中9個集合預報系統(tǒng)對2008年2—7月北半球溫帶氣旋分別進行了集合預報試驗,結果顯示各個模式的預報性能具有很大的差別,其中ECMWF集合預報系統(tǒng)的綜合表現(xiàn)要優(yōu)于其他預報系統(tǒng)。最近,利用TIGGE多中心全球集合預報資料對西北太平洋臺風路徑和強度進行了多模式集成預報試驗,發(fā)現(xiàn)多模式集成預報能明顯改進臺風的路徑和強度預報(Zhi et al.,2011;周文友和智協(xié)飛,2012;He et al.,2015)。

本文首先建立基于BGM方法的WRF模式集合預報試驗系統(tǒng),對2009年5—8月西北太平洋臺風路徑及強度進行集合預報試驗,并將結果同CMA、ECMWF、JMA和NCEP 4個中心進行比較;隨后將WRF集合預報系統(tǒng)的預報結果與4個中心的集合預報結果進行多模式集成預報試驗。

1資料與方法

1.1　資料

所用的資料包括2009年5月1日—8月31日一日4個時次的NCEP/NCAR 1°×1°再分析資料,用作WRF模式啟動及預報評估和多模式集成預報的“觀測”資料。選取TIGGE中國氣象局(China Meteorological Administration,CMA)、歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts,ECMWF),日本氣象廳(Japan Meteorological Agency,JMA),以及美國國家環(huán)境預報中心(US National Centers for Environment Prediction,NCEP)4個中心的全球集合預報系統(tǒng)2009年5月1日—8月31日臺風路徑和強度(中心氣壓和中心附近最大風速)預報的集合平均資料,預報區(qū)域選取為100～165°E、10～50°N,預報時效為24～72 h,一天預報2次(00時,12時;世界時,下同)。此外,還選取2009年5月1日—8月31日JTWC觀測資料中逐日熱帶氣旋實況資料,區(qū)域與預報資料相同,用于檢驗預報效果。

1.2　方法

使用多模式簡單集合平均(Ensemble Mean,EMN)、消除偏差集合平均(Bias-Removed Ensemble Mean,BREM)以及加權集合平均(Weighted Ensemble Mean,WEM)方法或者超級集合方法(Krishnamurti et al.,1999,2000a,2000b;林春澤等,2009;智協(xié)飛等,2009,2013;Zhi et al.,2009,2012;He et al.,2015),對2009年8月生成于西北太平洋的5個臺風的路徑和強度進行24～72 h預報試驗。

2WRF-EPS的臺風路徑及強度預報誤差分析

2009年5—8月在西北太平洋一共生成了11個熱帶氣旋,分別是鯨魚(0901)、燦鴻(0902)、蓮花(0903)、浪卡(0904)、蘇迪羅(0905)、莫拉菲(0906)、天鵝(0907)、莫拉克(0908)、艾濤(0909)、環(huán)高(0910)和科羅旺(0911)。

2.1　WRF集合預報系統(tǒng)(WRF-EPS)

利用WRF中尺度數值天氣預報模式,選取NCEP/NCAR 2009年5月1日—8月31日每日逐6 h的再分析資料作為背景場,預報區(qū)域中心選在(145°E,27°N),網格格距為27 km,垂直層次為28層,模式頂取50 hPa。模式的物理過程分別采用Ferrier微物理方案、Betts-Miller-Jajic積云對流參數化方案、YSU邊界層方案、Goddard短波輻射和RRTM長波輻射方案(沈新勇等,2010;王詠青等,2012)。

在中、短期集合預報中BGM方法是生成初始擾動場行之有效的方法(Toth and Kalnay,1993,1997;關吉平和張立鳳,2009)。BGM方法模擬氣象資料的處理分析過程,通過模式積分反復生成初始場,在模式繁殖循環(huán)過程中,高速增長誤差的比例逐漸增加,最終達到飽和,初始擾動就是將這個增長最快的誤差模態(tài)提取出來。本文采用BGM法對動力場和熱力場進行初始擾動處理,得到了12個擾動集合成員,集合平均預報取6對擾動預報的平均值。

為了比較WRF模式擾動成員和控制試驗在臺風路徑和強度預報中的技巧,首先計算了12個擾動成員的預報平均值相對于控制試驗預報值的平均技巧水平R。表1給出了平均技巧水平R和正技巧的比率,可以看出,在所有預報時效中,BGM集合成員的預報平均值相較于控制試驗預報值均為正技巧,其中臺風路徑預報的正技巧都超過了55%,而強度預報的正技巧均超過了45%。這表明擾動成員的預報平均值要遠遠優(yōu)于控制試驗的預報值。因此在后面的研究中,使用擾動成員的預報平均值作為WRF集合預報系統(tǒng)的預報值。

表1　WRF模式集合預報的平均相對技巧評分(R)和正技巧比例

2.2　WRF-EPS與各個中心臺風路徑及強度預報誤差比較

比較西北太平洋5月1日—8月31日WRF-EPS及4個中心的臺風路徑24 h預報的平均絕對誤差(圖1a)可以看出,ECMWF的預報效果最差,WRF-EPS與NCEP的預報誤差相當。對于48 h預報,WRF-EPS的平均誤差較大,預報技巧不及4個TIGGE單中心模式;而對于72 h預報,CMA的預報效果最差,WRF-EPS的表現(xiàn)優(yōu)于CMA。在24、48和72 h 3個預報時效中,JMA的預報誤差始終最小,在5個模式系統(tǒng)中表現(xiàn)最佳。圖1b、c分別給出了中心氣壓預報和臺風中心附近最大風速預報的平均絕對誤差(由于CMA沒有最大風速預報,所以只有4個模式參與風速預報的集成),可以看出JMA預報總體上最優(yōu)。臺風中心氣壓預報中CMA的預報效果最差,3個預報時效中誤差均為最大。WRF-EPS與其他3個中心的預報誤差大體相當。最大風速預報中,24 h預報中WRF-EPS的誤差偏高,48和72 h預報中WRF-EPS和NCEP模式預報誤差基本相當,且在48 h預報中要優(yōu)于其他兩個中心。比較WRF-EPS與4個中心的臺風路徑、中心氣壓和最大風速預報的平均絕對誤差,可以看出在2009年夏季西北太平洋臺風的24～72 h預報中,JMA的總體預報技巧要優(yōu)于其他模式的預報技巧?；贐GM方法建立的WRF-EPS的集合預報效果,相對于CMA的預報在有些預報時效具有優(yōu)勢,和其他中心模式的誤差也大致相當?？傊?WRF-EPS對2009年夏季西北太平洋臺風路徑和強度的預報效果相對較好,可以參與多模式集成預報試驗。

圖1　2009年5月1日—8月31日預報區(qū)域內臺風路徑(a;單位:km)、中心氣壓(b;單位:hPa)和最大風速(c;單位:m/s)24～72 h預報的平均絕對誤差Fig.1　Mean absolute errors of 24—72 h forecasts of (a)track(units:km),(b)central pressure(units:hPa),and (c)maximum wind speed(units:m/s) of typhoons over western Pacific from 1 May to 31 August 2009

3臺風路徑及強度的多模式集成預報

以上對WRF-EPS和4個中心的臺風路徑和強度預報效果的評估表明,各個中心的預報系統(tǒng)在不同預報時效的預報效果不盡相同,且都有系統(tǒng)性偏差。針對WRF-EPS和4個中心的臺風預報資料,選取5、6、7月的6個臺風過程作為訓練期,8月1—31日的5個臺風過程作為預報期,進行加權集合平均和消除偏差集合平均試驗。同時,應用多模式集合平均對WRF-EPS和4個中心的8月1—31日的臺風預報資料進行集成,比較這三種多模式集成方法的預報技巧。

圖2a給出了預報期為2009年8月1—31日WRF-EPS和4個中心共五個預報系統(tǒng)成員及三種集成方法的24～72 h臺風路徑預報的平均絕對誤差。由圖4可知,在72 h預報中WRF-EPS的誤差較大,超出了TIGGE的單中心預報,但是在其他預報時效中,WRF-EPS預報誤差較小,并非表現(xiàn)最差的預報系統(tǒng)。對于24～72 h預報,相較單個中心的預報,三種多模式集成方法都能有效地降低誤差。EMN對單個中心的預報誤差的改進效果有限,有的預報時效還不如最佳單模式預報效果好。平均而言,BREM和WEM的預報誤差小于表現(xiàn)最好的單模式預報。三種多模式集成方法中,WEM方法表現(xiàn)最好,其預報誤差小于BREM和EMN的預報誤差。WEM預報相對于表現(xiàn)最好的單模式,24、48和72 h預報的平均絕對誤差分別減小了27%、17%和16%。

圖2b是8月1—31日WRF-EPS和4個中心及三種多模式集成方法的24～72 h臺風中心氣壓預報的平均絕對誤差。WRF-EPS在24和72 h預報中誤差較大,但在48 h預報中其預報技巧表現(xiàn)明顯優(yōu)于CMA,且與其他3個中心相差不大。和單個模式預報相比,三種集成預報方法均能有效地減少平均誤差。在3種多模式集成方法中,WEM方法的預報誤差改進效果最明顯,相對于表現(xiàn)最好的單模式預報,24、48和72 h預報的平均絕對誤差分別減小了12%、8%和9%。

圖2　2009年8月1—31日預報區(qū)域內臺風路徑(a;單位:km)、中心氣壓(b;單位:hPa)和最大風速(c;單位:m/s)24～72 h預報的平均絕對誤差Fig.2　Mean absolute errors of 24—72 h forecasts of (a)track(units:km),(b)central pressure(units:hPa),and (c)maximum wind speed(units:m/s) of typhoons over western Pacific from 1 to 31 August 2009

圖2c是2009年8月1—31日WRF-EPS和3個中心共4個集合成員及3種多模式集成方法的24～72 h臺風中心附近最大風速預報的平均絕對誤差。在3個預報時效中WRF-EPS均有較好的表現(xiàn),且在48 h預報中WRF-EPS的誤差水平在4個單模式中是最低的(CMA模式沒有臺風中心附近最大風速預報),在72 h預報中WRF-EPS的誤差水平也要低于ECMWF和JMA的模式。3種集成方法中,WEM方法仍然是臺風中心附近最大風速預報誤差最小的多模式集成方法。相對于表現(xiàn)最好的單模式預報,24、48和72 h WEN預報的平均絕對誤差分別減小了14%、21%和15%。

4“莫拉克”臺風的預報

為檢驗多模式集成預報方法在單個臺風預報中的預報技巧,選取登陸我國并造成了重大影響的0908號臺風“莫拉克”(Morakot)進行預報個例分析。2009年第8號臺風“莫拉克”于8月4日02時在琉球群島東南部海面生成,于5日14時加強為臺風?！澳恕钡囊苿勇窂浇洑v了西北—偏西—偏北—登陸后偏西,穿過臺灣海峽后向偏北方向移動等5個階段,屬于比較典型的西北移路徑(周文友,2012)。

圖3是WRF-EPS各個集合成員、集合平均和控制試驗對“莫拉克”臺風路徑的72 h預報。從中可以看出,各集合成員的路徑預報與實況都有不小的偏差,但是集合成員的平均預報值更接近臺風的實況路徑,而控制試驗的臺風路徑預報的誤差則要大于擾動集合成員預報值的平均值。控制試驗預報的路徑偏北,擦過上海后轉向東北方向移動?？刂圃囼灥念A報中臺風沒有登陸,這與實況差異較大。WRF-EPS集合預報的平均值則有北上登陸的過程,預報結果明顯優(yōu)于控制試驗的路徑預報。

圖3　基于BGM方法的WRF模式預報的“莫拉克”臺風72 h路徑(紅線:JTWC實況路徑;綠線:集合平均;黃線:控制試驗;藍線:12個擾動成員)Fig.3　The 72 h forecasts of track of the typhoon Morakot in the WRF model based on BGM method(red line:observed track by JTWC;green line:ensemble mean;yellow line:control experiment;blue lines:12 perturbation members)

圖4給出了臺風“莫拉克”24～72 h預報時效WRF-EPS和4個中心以及3種多模式集成方法的路徑預報(JTWC為實況路徑),可以看出,隨著預報時效的延長,臺風路徑預報的離散度也在增大。WRF-EPS的預報路徑主要位于實況路徑的上方,大體上接近臺風的實際路徑,和其他幾個模式系統(tǒng)相比,預報技巧并非最低。5個多模式集合成員中,JMA的臺風路徑預報總體上預報技巧最高。單個模式的路徑預報有不少大角度的路徑偏轉,這和實際觀測結果有很大差異。經過多模式集成處理以后,這些偏差基本被平滑了。相較于單模式預報,多模式集成的臺風路徑預報總體上更接近實際觀測結果。3種多模式集成方法對路徑預報都有一定程度的改進,其中加權集合平均方法對預報的改進最明顯。

圖4　“莫拉克”臺風的實際路徑和預報路徑　　a.24 h;b.48 h;c.72 hFig.4　Observed and forecasted track of the typhoon Morakot　　a.24 h;b.48 h;c.72 h

圖5是“莫拉克”24～72 h的中心氣壓和最大風速預報的平均絕對誤差,可以看出,WRF-EPS在最大風速48 h預報中表現(xiàn)略差,在其他預報時效中,中心氣壓和最大風速預報均要優(yōu)于表現(xiàn)最差的單中心預報。對于24～72 h預報,相對于5個單模式預報,EMN的誤差改進水平有限,有的預報時效還不如最佳單模式預報好,加權集合平均方法和去除偏差集合平均方法都能有效地減小誤差,二者的預報誤差均明顯小于最好的單模式的預報誤差。3種多模式集成預報方法中,加權集合平均方法表現(xiàn)最佳,相較最好的單模式預報,24、48和72 h預報的臺風中心氣壓的平均絕對誤差分別減小了18%、12%和12%,中心附近最大風速的平均絕對誤差則分別減小了12%、15%和10%。

圖5　“莫拉克”臺風的中心氣壓(a;單位:hPa)和最大風速(b;單位:m/s)24～72 h預報的平均絕對誤差Fig.5　Mean absolute errors of 24—72 h forecasts of (a)central pressure(units:hPa) and (b)maximum wind speed(units:m/s) of the typhoon Morakot

5結論

本文利用基于BGM方法的WRF模式集合預報試驗系統(tǒng)(WRF-EPS)對2009年夏季西北太平洋臺風移動路徑和強度進行了集合預報試驗,并利用5個模式系統(tǒng)對臺風移動路徑和強度做了多模式集成預報,得到以下幾點結論。

1)西北太平洋臺風路徑和強度的24～72 h多模式預報中,JMA預報的平均絕對誤差總體上要小于其他單模式的預報誤差。WRF-EPS集合成員的預報平均值的誤差小于控制試驗預報的誤差。在和TIGGE多中心集合預報結果進行比較時,發(fā)現(xiàn)WRF-EPS的預報比CMA的預報總體上具有一定優(yōu)勢,和其他幾個中心模式的預報結果相比,其誤差也相差不大。因此,WRF-EPS對2009年5—8月西北太平洋臺風的路徑和強度的預報效果是相對比較好的。

2) 利用3種多模式集成預報方法對5個模式系統(tǒng)的西北太平洋臺風路徑和強度進行多模式集成預報試驗。在臺風中心附近最大風速的48 h預報中,WRF-EPS的誤差是所有單個模式系統(tǒng)中最小的。多模式簡單集合平均、消除偏差集合平均和加權集合平均都有效地提高了臺風的路徑和強度的預報技巧,但多模式簡單集合平均預報的改進效果有限,有時其預報技巧甚至還不及最好的單模式預報的技巧。在24～72 h的預報中,加權集合平均的預報技巧優(yōu)于最好的單模式預報和另外2種集成預報方法。

3)對0908莫拉克臺風的預報個例分析發(fā)現(xiàn),基于BGM擾動方案的WRF-EPS擾動成員的路徑預報平均值優(yōu)于控制試驗的路徑預報。對于臺風強度預報,WRF-EPS在最大風速48 h預報中表現(xiàn)較差,其他預報時效的預報效果優(yōu)于TIGGE資料中表現(xiàn)最差的模式預報結果。相較于單模式的預報,多模式集成后臺風路徑的預報總體上與臺風的實測路徑更為接近。3種集成方法中的WEM方法對臺風強度預報的改進效果最顯著。

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(責任編輯：張福穎)

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