王鳳,瓦力江·瓦黑提,胡亮,黃曉瑩
(廣東省氣象臺(tái),廣東廣州 510640)
自2012年以來(lái),中國(guó)氣象局與廣東省政府先后簽署落實(shí)了兩輪氣象現(xiàn)代化建設(shè)合作備忘錄,分別為2012—2015和2016—2019年,期間廣東省氣象部門(mén)在氣象現(xiàn)代化、深化氣象改革、完善氣象事業(yè)發(fā)展保障機(jī)制等方面獲得豐碩成果,廣東氣象科技創(chuàng)新和綜合氣象監(jiān)測(cè)能力、區(qū)域數(shù) 值 天 氣 預(yù) 報(bào) 模 式 水 平 大 幅 提 高[1-3]。2012—2019年廣東每年氣象災(zāi)害損失占GDP的比重由0.65%下降為0.23%,每年因氣象災(zāi)害死亡人數(shù)從3位數(shù)降至2位數(shù)[4]。
臺(tái)風(fēng)是影響廣東最嚴(yán)重的強(qiáng)烈災(zāi)害性天氣之一,臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)準(zhǔn)確與否對(duì)做好防災(zāi)減災(zāi)、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)精確度是兩輪省部合作的重要內(nèi)容之一。省部合作以來(lái),廣東氣象部門(mén)在臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)技術(shù)和研究方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展[5-7]。本研究通過(guò)計(jì)算兩輪省部合作期間(2012—2019年)廣東省氣象臺(tái)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差(簡(jiǎn)稱“誤差”),首先分析其變化趨勢(shì);其次對(duì)比第1輪和第2輪省部合以來(lái)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力的變化;最后評(píng)估當(dāng)前臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力。對(duì)當(dāng)前臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力的了解有助于在制作風(fēng)雨預(yù)報(bào)時(shí)充分考慮路徑預(yù)報(bào)誤差對(duì)大風(fēng)和降雨預(yù)報(bào)的影響,同時(shí)也為決策者在防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)部署中充分考慮預(yù)報(bào)不確定性帶來(lái)的影響提供科學(xué)依據(jù),對(duì)于預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和決策氣象服務(wù)都具有參考意義。
本研究評(píng)定的臺(tái)風(fēng)為2012—2109年期間廣東省氣象臺(tái)發(fā)布預(yù)報(bào)且在預(yù)報(bào)責(zé)任區(qū)(130°E以西,25°N以南)活動(dòng)過(guò)的命名臺(tái)風(fēng)。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)為廣東省氣象臺(tái)于02:00(北京時(shí),下同)、08:00、14:00和20:00發(fā)布的主觀預(yù)報(bào)和中央氣象臺(tái)發(fā)布的臺(tái)風(fēng)實(shí)況。檢驗(yàn)的預(yù)報(bào)時(shí)效為6、12、24、36、48、60、72、96和120 h,由于各臺(tái)風(fēng)生命史長(zhǎng)短不一,各預(yù)報(bào)時(shí)效參與檢驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)數(shù)量不同(表1),當(dāng)某個(gè)臺(tái)風(fēng)所有起報(bào)時(shí)次發(fā)布的預(yù)報(bào)中至少一次出現(xiàn)上述各預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)時(shí),該臺(tái)風(fēng)就被計(jì)作相應(yīng)預(yù)報(bào)時(shí)效的有效樣本,其中6和60 h的預(yù)報(bào)從2015年底開(kāi)始納入臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù),因此本研究部分分析不包含6和60 h的預(yù)報(bào)誤差。
根據(jù)臺(tái)風(fēng)實(shí)況位置,計(jì)算每個(gè)位置上的球面距離,采用平均絕對(duì)誤差進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式為|,其中MAE為平均絕對(duì)誤差,F(xiàn)為預(yù)報(bào)值,O為實(shí)況值,i為第i個(gè)樣本,N為樣本數(shù)。單個(gè)臺(tái)風(fēng)平均誤差為生命過(guò)程誤差中所有預(yù)報(bào)時(shí)次的平均值,年度誤差則為該年度所有符合條件臺(tái)風(fēng)過(guò)程誤差的平均值。另外,臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差包括距離誤差和移向誤差,本研究?jī)H針對(duì)距離誤差進(jìn)行分析,簡(jiǎn)稱的誤差、路徑誤差、預(yù)報(bào)誤差等均指距離誤差,登陸臺(tái)風(fēng)均指登陸廣東省的臺(tái)風(fēng)。
表1 檢驗(yàn)臺(tái)風(fēng)樣本數(shù)量
兩輪省部合作中,對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑精確度進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)為24 h路徑預(yù)報(bào)偏差,首先通過(guò)對(duì)比該指標(biāo)評(píng)估兩輪現(xiàn)代化建設(shè)以來(lái)廣東臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力的變化。分析發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)第1輪氣象現(xiàn)代化的建設(shè),在第2輪氣象現(xiàn)代化建設(shè)期間臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)精確度有所提升,命名臺(tái)風(fēng)的24 h路徑預(yù)報(bào)誤差從第1輪的98 km(2012—2015年平均)減小到81 km(2016—2019年平均);在登陸廣東的臺(tái)風(fēng)中體現(xiàn)更為明顯,登陸臺(tái)風(fēng)24 h路徑預(yù)報(bào)誤差從100 km下降到66 km(圖1),準(zhǔn)確率提升了30%以上;對(duì)登陸廣東的12級(jí)以上強(qiáng)度臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)能力也明顯提升,將預(yù)報(bào)誤差從97 km縮減到了55 km,準(zhǔn)確度提升了40%以上。
兩輪合作中,登陸臺(tái)風(fēng)的平均預(yù)誤差略小于全部命名臺(tái)風(fēng)的平均誤差,由圖1可見(jiàn)誤差最小的為1707號(hào)臺(tái)風(fēng)“洛克”24 km,最大的為1208號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋森特”179 km。平均誤差為82 km,80%的臺(tái)風(fēng)誤差在100 km以下,超50%的臺(tái)風(fēng)誤差在80 km以下,而這些誤差在80 km以下的臺(tái)風(fēng)絕大多數(shù)是2016年以后的登陸臺(tái)風(fēng),也就是第2輪省部合作期間。
圖1 2012—2019年登陸廣東的命名臺(tái)風(fēng)24 h路徑預(yù)報(bào)誤差
雖然防災(zāi)減災(zāi)最關(guān)心的是24 h的臺(tái)風(fēng)路徑誤差,但對(duì)各預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了解,有助于預(yù)報(bào)員在制作風(fēng)雨預(yù)報(bào)時(shí)充分考慮路徑預(yù)報(bào)誤差對(duì)大風(fēng)和降雨預(yù)報(bào)的影響,同時(shí)也能夠讓決策者在防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的部署中充分考慮到不同時(shí)效預(yù)報(bào)不確定性帶來(lái)的影響[8-9]。
近8年廣東省氣象臺(tái)的臺(tái)風(fēng)路徑平均誤差:24 h為89 km、48 h為158 km、72 h為231 km、96 h為345 km、120 h誤差已增大到468 km,臺(tái)風(fēng)路徑距離誤差隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)迅速加大,72 h及以內(nèi)的誤差增幅平均每24 h增長(zhǎng)38%,從96 h開(kāi)始預(yù)報(bào)時(shí)效每24 h預(yù)報(bào)誤差增加49%。
分析年度平均路徑誤差(圖2)發(fā)現(xiàn),近8年臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差在12至72 h內(nèi)總體呈下降趨勢(shì),廣東省氣象臺(tái)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力從2014年以來(lái)有了明顯提升,隨后逐年小幅波動(dòng)。2014年第1次24 h路徑預(yù)報(bào)誤差小于100 km,并維持至今,最好的年份是2016年的64 km。48 h誤差從200 km以上降到了最低116 km(2016年),72 h誤差則從281 km降到了200 km以下,其中最好的年份為2014年187 km。而96和120 h的誤差從2010年到2014年逐年下降,2015年之后則呈現(xiàn)劇烈波動(dòng),年度差異相對(duì)較大。
過(guò)去8年與全體臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)相比,廣東省氣象臺(tái)對(duì)登陸本省的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)質(zhì)量更高,所有預(yù)報(bào)時(shí)效的登陸臺(tái)風(fēng)平均路徑誤差均低于命名臺(tái)風(fēng),其中72 h及以內(nèi)的誤差不超過(guò)10 km,從96 h差距增大到30 km以上,120 h差距近100 km,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。對(duì)比南海源地和西北太平源地的登陸臺(tái)風(fēng),在24至96 h時(shí)段的南海源地的預(yù)報(bào)誤差相對(duì)更低,但120 h時(shí)效的南海源地登陸臺(tái)風(fēng)誤差較大(478 km)。
圖2 2012—2019年廣東省氣象臺(tái)命名臺(tái)風(fēng)的逐年路徑預(yù)報(bào)誤差
表2 2012—2019年各預(yù)報(bào)時(shí)效平均路徑預(yù)報(bào)誤差 km
南海臺(tái)風(fēng)路徑常常發(fā)生曲折和打轉(zhuǎn)現(xiàn)象,其路徑預(yù)報(bào)是熱帶氣旋預(yù)報(bào)的一大難點(diǎn)[10];長(zhǎng)時(shí)效的南海臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)難度更大,南海臺(tái)風(fēng)的生命史平均為3~4 d,預(yù)報(bào)時(shí)效能夠達(dá)120 h的南海臺(tái)風(fēng)樣本數(shù)極少,且生命史超過(guò)5 d的南海登陸臺(tái)風(fēng)多為疑難路徑,例如檢驗(yàn)樣本中的1622“海馬”為曲折路徑、1804“艾云尼”為打轉(zhuǎn)路徑、1816“貝碧嘉”為多次打轉(zhuǎn)路徑,此類臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)向來(lái)是業(yè)界難點(diǎn)[11-12];在此120 h時(shí)效的南海臺(tái)風(fēng)路徑誤差不具有普遍代表性。
總體而言廣東氣象臺(tái)對(duì)登陸本省的南海臺(tái)風(fēng)有更好的預(yù)報(bào)能力,各時(shí)次平均差距比西太平洋的登陸臺(tái)風(fēng)低10 km左右。過(guò)去8年,廣東氣象部門(mén)在南海近海建立了海洋綜合觀測(cè)體系,包括沿海的8個(gè)海洋綜合觀測(cè)基地、6部S波段雷達(dá)、210個(gè)自動(dòng)觀測(cè)站和近海15個(gè)石油平臺(tái)自動(dòng)站、4個(gè)大型浮標(biāo)站,對(duì)臺(tái)風(fēng)實(shí)況的監(jiān)測(cè)范圍由50 km延伸到近300 km,南海臺(tái)風(fēng)在靠近廣東的過(guò)程中可用的觀測(cè)資料越來(lái)越多,對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)能夠提供更多參考信息,如臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度、位置、風(fēng)圈等。
分析登陸臺(tái)風(fēng)的平均誤差(圖略)發(fā)現(xiàn),2012—2019年登陸廣東臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)誤差總體呈下降趨勢(shì),其趨勢(shì)與命名臺(tái)風(fēng)相似,同樣也是2014年之后預(yù)報(bào)質(zhì)量明顯提升,自2014年12~72 h誤差明顯下降逐漸小幅波動(dòng),96和120 h登陸臺(tái)風(fēng)的樣本相對(duì)較少,有的年份采集不到樣本,因此未做分析。登陸臺(tái)風(fēng)年度預(yù)報(bào)質(zhì)量最優(yōu)詳細(xì)見(jiàn)表2。
用近4年(第2輪省部合作期間)的平均預(yù)報(bào)誤差代表廣東省氣象臺(tái)當(dāng)前對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)能力,命名臺(tái)風(fēng)的平均誤差:6 h為41 km、12 h為58 km、24 h為81 km、48 h為153 km、72 h為214 km(詳見(jiàn)表3),48 h及以內(nèi)時(shí)效和120 h優(yōu)于過(guò)去8年平均,72與96 h較8年平均略偏大,由此可見(jiàn)3 d以上時(shí)效的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)仍是業(yè)務(wù)及研究中的難題,在過(guò)去8年間進(jìn)展緩慢。
近4年登陸臺(tái)風(fēng)的平均路徑預(yù)報(bào)誤差為6 h小于40 km、24 h小于70 km、48 h略高于100 km、72 h小于200 km,廣東省氣象臺(tái)對(duì)于登陸本省的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)能力在全國(guó)是最強(qiáng)的也是8年期間提升最快的,各時(shí)次平均比過(guò)去8年誤差減少了近20 km。
1)從第1輪到第2輪省部合作,廣東省臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度有明顯提升,尤其是登陸廣東省的臺(tái)風(fēng);命名臺(tái)風(fēng)的24 h路徑誤差從98 km減小到81 km,登陸臺(tái)風(fēng)24 h路徑預(yù)報(bào)誤差從100 km下降至66 km。氣象現(xiàn)代化對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的精確度提升切實(shí)起到了推動(dòng)作用。
2)廣東省氣象臺(tái)當(dāng)前的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力為6 h小于40 km、24 h小于70 km、48 h略高于100 km;對(duì)于登陸廣東省臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)能力優(yōu)于其他臺(tái)風(fēng),而登陸臺(tái)風(fēng)之中對(duì)于南海臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)能力最優(yōu)。
3)臺(tái)風(fēng)誤差隨著預(yù)報(bào)時(shí)效迅速增加,且當(dāng)預(yù)報(bào)時(shí)效超過(guò)72 h之后,臺(tái)風(fēng)路徑誤差的不穩(wěn)定性增大,預(yù)報(bào)的個(gè)體差異將更明顯,相對(duì)而言,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可參考性有所降低。短時(shí)效(24 h以內(nèi))的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)穩(wěn)定性較高,在預(yù)報(bào)和服務(wù)中有極強(qiáng)的參考性;中等時(shí)效(24~72 h)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)有一定的波動(dòng)性,但預(yù)報(bào)能力階段性穩(wěn)中有升,在預(yù)報(bào)和服務(wù)時(shí)需及時(shí)跟進(jìn)最新預(yù)報(bào);長(zhǎng)時(shí)效(超過(guò)72 h)的路徑預(yù)報(bào)個(gè)體性差異較大,預(yù)報(bào)誤差的不穩(wěn)定性也較大,在預(yù)報(bào)和服務(wù)中需具體情況參考使用。
本研究從統(tǒng)計(jì)角度僅針對(duì)路徑預(yù)報(bào)的距離誤差進(jìn)行了分析,未涉移向誤差分析,今后將綜合分析距離誤差和移向誤差,以加深對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)誤差的認(rèn)識(shí);另外將從個(gè)例臺(tái)風(fēng)誤差分析入手,研究路徑誤差的穩(wěn)定性,以期增加臺(tái)風(fēng)檢驗(yàn)結(jié)果在決策氣象服務(wù)中的可用性。