郭春迓，張旭斌，陳子通，戴光豐

（1.廣東省氣象臺(tái)，廣東廣州 510640；2.廣東省區(qū)域數(shù)值天氣預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640）

近年來(lái)，集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中的廣泛應(yīng)用，為臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高做出了積極貢獻(xiàn)［1-4］。現(xiàn)有業(yè)務(wù)中常用的集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品主要來(lái)自歐洲中心中期天氣預(yù)報(bào)（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的集合系統(tǒng)-ECMWF-EPS和NCEP-EPS，基于這些集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品，一些釋用方法也得到了較好的業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值［5-6］。

廣州熱帶海洋氣象研究所在早期的南海臺(tái)風(fēng)模式基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的南海熱帶區(qū)域大氣模式（tropical regional atmospheremodel for the South China Sea，TRAMS）［7］，該模式是建立在GRAPES中尺度模型框架基礎(chǔ)上的非靜力區(qū)域模型，經(jīng)過(guò)幾代改進(jìn)，目前產(chǎn)品的水平分辨率已經(jīng)從36 km提高到了9 km，預(yù)報(bào)時(shí)效為72 h，時(shí)間分辨率為逐小時(shí)。2017年以來(lái)，基于TRAMS模式開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（TRAMSEPS），并通過(guò)3年的批量試驗(yàn)證明了TRAMSEPS相比ECMWF-EPS在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、強(qiáng)降水與大風(fēng)預(yù)報(bào)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)［8］。然而，受限于計(jì)算資源，TRAMS-EPS的模式中心為中央氣象臺(tái)實(shí)時(shí)下發(fā)報(bào)文的臺(tái)風(fēng)中心位置，空間覆蓋范圍較?。ㄋ骄W(wǎng)格數(shù)為385×305，水平分辨率為9 km），在業(yè)務(wù)應(yīng)用上有一定的局限性。為了克服該局限性，TRAMS-EPS在2020年做了升級(jí)，范圍覆蓋70°E—160°E，0.8°N—54.8°N，水平網(wǎng)格數(shù)為1 001（經(jīng)向）×601（緯向），垂直方向共有65層，輸出等壓面標(biāo)準(zhǔn)層共17層（1 000～10 hPa）；目前該產(chǎn)品處于業(yè)務(wù)試運(yùn)行階段。作為一種具有高時(shí)空分辨率的區(qū)域數(shù)值模式產(chǎn)品，TRAMS-EPS產(chǎn)品在西北太平洋、南海臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)中是否比全球模式產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)？本研究將利用1907號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋帕”，對(duì)TRAMS-EPS、ECEPS、NCEP-EPS 3種模式產(chǎn)品展開(kāi)對(duì)比分析，以此對(duì)TRAMS-EPS模式的預(yù)報(bào)性能進(jìn)行評(píng)估，也為該區(qū)域模式產(chǎn)品在業(yè)務(wù)應(yīng)用方面做進(jìn)一步拓展。

1 數(shù)據(jù)和方法

1）數(shù)據(jù)介紹。

本研究所用的資料包括 ECMWF-EPS，NCEP-EPS和TRAMS-EPS 3種集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品（因所用模式資料均為集合預(yù)報(bào)，故本研究分別簡(jiǎn)稱為EC、NCEP、TRAMS）。前2種為T(mén)IGGE數(shù)據(jù)，TRAMS樣本數(shù)據(jù)為廣州熱帶海洋氣象研究所提供，因目前處于產(chǎn)品測(cè)試階段，00：00（世界時(shí)，下同）場(chǎng)沒(méi)有表層風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。3種模式具體介紹如表1所示。為了統(tǒng)一數(shù)據(jù)，所有預(yù)報(bào)均選擇2019年7月31日12：00起報(bào)的未來(lái)72 h預(yù)報(bào)時(shí)效產(chǎn)品。實(shí)況數(shù)據(jù)采用中央氣象臺(tái)實(shí)時(shí)定位的臺(tái)風(fēng)報(bào)文信息。要素包括10 m風(fēng)場(chǎng)、海平面氣壓、850 hPa位勢(shì)高度等。

表1 ECMWF、NCEP、TRAMS 3種模式介紹

2）臺(tái)風(fēng)中心和大風(fēng)半徑的判定。

根據(jù)業(yè)務(wù)上常用的判定方法，將850 hPa位勢(shì)高度的低值中心定為臺(tái)風(fēng)中心。根據(jù)臺(tái)風(fēng)中心位置，找到蒲福風(fēng)級(jí)表中，各級(jí)（這里根據(jù)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度選擇8、7、6級(jí)）風(fēng)速下限對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值所在的最大半徑，定義為各級(jí)風(fēng)圈半徑大小。

3）臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)技巧判定。

將觀測(cè)位置100 km范圍內(nèi)命中的集合預(yù)報(bào)成員占所有集合成員的比值定義為模式對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)技巧［9］，該比值越高，則說(shuō)明模式成員的預(yù)報(bào)越好。

4）誤差檢驗(yàn)。

其中，F(xiàn)為預(yù)報(bào)值；i表示不同的集合成員；Q為觀測(cè)值；N為總集合成員數(shù)。

2 對(duì)比結(jié)果及分析

2.1 臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)比

臺(tái)風(fēng)“韋帕”為2019年登陸廣東的首個(gè)臺(tái)風(fēng)，具有“近海生成、強(qiáng)度較弱、路徑曲折、移速多變、風(fēng)力較小”的特點(diǎn)。2019年7月30日17：00（北京時(shí)）在南海中部偏北海域生成，8月3日在越南東北部地區(qū)減弱消散，生命史共5 d。前期路徑為西偏北，8月1日早晨登陸海南后轉(zhuǎn)折北上，于1日下午登陸湛江，隨后路徑以偏西為主，沿北部灣北部海面進(jìn)入越南境內(nèi)。

圖1給出了臺(tái)風(fēng)“韋帕”的實(shí)況路徑以及3種集合預(yù)報(bào)模式的對(duì)比。

圖1 三種集合預(yù)報(bào)路徑同實(shí)況路徑的對(duì)比

從圖1a可以看出，3種集合平均路徑總體同實(shí)況的差異不大，但對(duì)于臺(tái)風(fēng)登陸海南島后的打轉(zhuǎn)路徑均沒(méi)有預(yù)報(bào)能力；登陸廣東前，TRAMS同EC的路徑幾乎重疊，同實(shí)況也更加接近，但不如NCEP報(bào)出了向北分量增加的趨勢(shì)；登陸廣東后，TRAMS和NCEP都預(yù)報(bào)“韋帕”在北部灣減弱消失，只有EC報(bào)出了更長(zhǎng)的生命史（繼續(xù)登陸越南），這一點(diǎn)也同實(shí)況更加吻合。從各家路徑的集合成員來(lái)看，TRAMS對(duì)于臺(tái)風(fēng)的生命史預(yù)報(bào)大多止步于登陸廣西，相比之下EC預(yù)報(bào)則多登陸越南；3種集合成員基本都能錨定實(shí)況路徑，但NCEP由于成員個(gè)數(shù)較少，且成員之間個(gè)別時(shí)次差異很小的緣故，預(yù)報(bào)并未有較好的發(fā)散度。

從3種路徑預(yù)報(bào)技巧（圖2）來(lái)看，在0～54 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，TRAMS的預(yù)報(bào)得分基本都是最高，其中，在第6、24、42、48、54 h（6、12、42、48、54 h）幾個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)效上明顯較EC（NCEP）更為穩(wěn)定，在66～72 h時(shí)效上，TRAMS得分出現(xiàn)了突降，相比之下EC最好。

圖2 三種集合預(yù)報(bào)路徑的命中得分

以上分析可以看出，在路徑預(yù)報(bào)方面，TRAMS較EC和NCEP具有一定的優(yōu)勢(shì)，但在較長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效（66～72 h）以及臺(tái)風(fēng)生命史的預(yù)報(bào)上，EC相對(duì)更好，而NCEP在3種模式的表現(xiàn)中總體較差。

2.2 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度對(duì)比

通過(guò)對(duì)比集合預(yù)報(bào)同實(shí)況的近中心最大風(fēng)速和中心最低氣壓（圖3）可以看出，3種集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品普遍存在近中心最大風(fēng)速較實(shí)況偏低，中心最低氣壓偏高的現(xiàn)象，即模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較實(shí)況偏弱。另外一個(gè)共同點(diǎn)在于，在54～72 h預(yù)報(bào)時(shí)效上，3種模式預(yù)報(bào)的發(fā)散度都開(kāi)始增大；但同時(shí)TRAMS似乎存在強(qiáng)度增強(qiáng)的趨勢(shì)，而EC和NCEP主要為減弱趨勢(shì)。在其它預(yù)報(bào)時(shí)效上，EC有個(gè)別成員在一些時(shí)次報(bào)出了與實(shí)況接近或高于實(shí)況的強(qiáng)度，但TRAMS和NCEP卻沒(méi)有。結(jié)合均方根誤差分布（圖略）來(lái)看，對(duì)于近中心最大風(fēng)速，在0～6 h時(shí)效上，EC的均方根誤差最?。?～4 m／s），TRAMS最大（5 m／s左右），這可能與模式初始啟動(dòng)有關(guān)；在12～30 h時(shí)效上，TRAMS誤差最小，并且隨時(shí)效增大，與EC的誤差差距逐漸減小，NCEP最大；在36～48 h時(shí)效上，EC誤差最小，TRAMS次之，NCEP最大；在54～72 h時(shí)效上，EC優(yōu)勢(shì)不再體現(xiàn)，NCEP的誤差趨于最小。中心最低氣壓具有相似的結(jié)論，只是個(gè)別時(shí)效有一定差異，此處不再贅述。

2.3 臺(tái)風(fēng)大風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)比

由于TRAMS樣本數(shù)據(jù)在00：00場(chǎng)沒(méi)有表層風(fēng)速產(chǎn)品，因此對(duì)第6～72 h預(yù)報(bào)時(shí)效的3種模式預(yù)報(bào)的最大風(fēng)速半徑，8、7、6級(jí)風(fēng)速半徑展開(kāi)對(duì)比分析，如圖4所示。從圖4可以看出，TRAMS預(yù)報(bào)的最大風(fēng)速半徑具有較大的離散度，同時(shí)在多數(shù)預(yù)報(bào)時(shí)效相較另外兩種模式更大，這可能與高分辨率模式能更好刻畫(huà)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，但該要素沒(méi)有實(shí)況觀測(cè)與之對(duì)應(yīng)，因此客觀上無(wú)法對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)；值得一提的是，EC預(yù)報(bào)的集合離散度最小，而該模式的成員個(gè)數(shù)卻居3種之首，因此可以說(shuō)對(duì)于最大風(fēng)速半徑，該模式成員預(yù)報(bào)的一致性最高。

圖3 在不同預(yù)報(bào)時(shí)效時(shí)TRAMS（綠色實(shí)線）（a）、ECVOBS（枚紅色實(shí)線）（b）、NCEP（藍(lán)色實(shí)線）（c）集合預(yù)報(bào)與實(shí)況近中心最大風(fēng)速（a、c、e）和中心最低氣壓（b、d、f）的對(duì)比

圖4 在6～72 h預(yù)報(bào)時(shí)效上最大風(fēng)速半徑（黃色），8級(jí)（綠色）、7級(jí)（藍(lán)色）、6級(jí)（紅色）風(fēng)圈半徑在3種模式之間的對(duì)比

與最大風(fēng)速半徑相對(duì)應(yīng)，8、7、6級(jí)風(fēng)圈半徑也存在較大的模式間差異。TRAMS基本上都有相對(duì)最大的離散度，同時(shí)預(yù)報(bào)強(qiáng)度相對(duì)更強(qiáng)；EC的離散度在24 h時(shí)效后明顯下降，集合平均的8級(jí)風(fēng)圈半徑隨預(yù)報(bào)時(shí)效的增加逐漸下降，從12 h開(kāi)始基本穩(wěn)定在200 km左右，這也與實(shí)況給出的風(fēng)圈半徑最為接近；而NCEP在第24 h之后就沒(méi)有預(yù)報(bào)出8級(jí)風(fēng)圈半徑了，證明其對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)明顯較其他兩種更弱。

3種模式預(yù)報(bào)的6級(jí)風(fēng)圈半徑在前54 h預(yù)報(bào)時(shí)效上基本比較一致，集合平均值也都集中在600 km左右（TRAMS略偏強(qiáng)），但是相對(duì)于實(shí)況（480～280 km）都偏強(qiáng)；在60～72 h時(shí)效上，隨著時(shí)效增加，TRAMS并未有像EC和NCEP預(yù)報(bào)一樣有明顯的減弱。

以臺(tái)風(fēng)中心為原點(diǎn)，在其經(jīng)向、緯向各500 km范圍內(nèi)確定最大風(fēng)速點(diǎn)，分別標(biāo)記3種模式的最大風(fēng)速半徑所在的象限（圖略）。對(duì)于TRAMS模式，在6 h預(yù)報(bào)時(shí)效上，各成員預(yù)報(bào)的最大風(fēng)速半徑都在臺(tái)風(fēng)中心北側(cè)，24 h之后轉(zhuǎn)為南側(cè)，36 h之后逐漸偏向正南；對(duì)于EC和NCEP模式，18 h之后基本上都偏南；但EC在24 h后逐漸偏向東南象限，而NCEP模式基本上一致維持正南。最大風(fēng)速半徑所在的象限可能與模式的對(duì)流參數(shù)化方案有關(guān)。

3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)2019年7月31日12：00（世界時(shí)）起報(bào)的TRAMS、EC、NCEP集合預(yù)報(bào)模式產(chǎn)品相對(duì)1907號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋帕”的對(duì)比分析，得到如下主要結(jié)論：

1）在臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)方面，TRAMS較EC和NCEP具有一定的優(yōu)勢(shì)，但在較長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效（66～72 h）以及臺(tái)風(fēng)生命史的預(yù)報(bào)上，EC相對(duì)更好，而NCEP在3種模式的表現(xiàn)中總體較差。

2）在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)方面，3種集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品普遍存在預(yù)報(bào)強(qiáng)度偏弱的情況；在0～6 h和36～48 h的預(yù)報(bào)時(shí)效上，EC預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速和最低氣壓的均方根誤差最??；在12～30 h時(shí)效上，TRAMS誤差最小；而在54～72 h時(shí)效上，NCEP的預(yù)報(bào)誤差趨于最小。

3）在臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)方面，主要考察了最大風(fēng)速半徑，8、7、6級(jí)風(fēng)圈半徑的大小，結(jié)果表明，TRAMS模式的成員預(yù)報(bào)離散度最大，并且預(yù)報(bào)的半徑相對(duì)更大，同時(shí)與強(qiáng)度預(yù)報(bào)相對(duì)應(yīng)，并未有明顯的隨著預(yù)報(bào)時(shí)效減弱的趨勢(shì)；EC預(yù)報(bào)最大風(fēng)速半徑的集合離散度最小，同時(shí)8和7級(jí)風(fēng)圈半徑同實(shí)況最為接近；NCEP對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)明顯較其它兩種偏弱，在24 h之后無(wú)法預(yù)報(bào)出8級(jí)風(fēng)圈半徑；3種模式對(duì)6級(jí)風(fēng)圈半徑都有一定程度的高估。TRAMS、EC、NCEP對(duì)于最大風(fēng)速半徑所在的象限預(yù)報(bào)在6 h時(shí)效都偏北，隨預(yù)報(bào)時(shí)效增加，TRAMS和NCEP逐漸偏向正南，而EC偏向東南象限。

由于本研究所采用的資料只有一個(gè)起報(bào)時(shí)次，對(duì)于模式的評(píng)估不具有普適性，今后將利用更多的樣本數(shù)據(jù)針對(duì)模式的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)展開(kāi)檢驗(yàn)，希望對(duì)模式產(chǎn)品的使用和模式產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一定幫助。