麻素紅 沈?qū)W順 龔建東 王建捷 陳德輝 李澤椿

1 中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心，北京 100081 2 國(guó)家氣象中心，北京 100081

提 要： 回顧了自“八五”科技攻關(guān)以來(lái)國(guó)家氣象中心臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展歷程，包括我國(guó)第一代區(qū)域模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)、全球譜模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及中國(guó)氣象局自主發(fā)展的GRAPES全球模式及區(qū)域臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。比較不同時(shí)期臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)特征和預(yù)報(bào)性能，重點(diǎn)介紹GRAPES區(qū)域臺(tái)風(fēng)模式的主要技術(shù)成果，并對(duì)國(guó)家級(jí)臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)未來(lái)5年的發(fā)展進(jìn)行展望。

引 言

臺(tái)風(fēng)是影響我國(guó)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅(陳聯(lián)壽等，2012)。精確的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)是臺(tái)風(fēng)防災(zāi)減災(zāi)精準(zhǔn)施策的基本保證，而提高臺(tái)風(fēng)路徑及風(fēng)雨預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性必須依賴(lài)數(shù)值預(yù)報(bào)這一關(guān)鍵支撐(李澤椿等，2020)。我國(guó)臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研發(fā)始于20世紀(jì)80年代末。在“八五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“臺(tái)風(fēng)、暴雨業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)方法和技術(shù)研究”的支持下，國(guó)家氣象中心在區(qū)域模式HLAFS(High Resolution Limited Area Forecast System；郭肖容等，1995)的基礎(chǔ)上，通過(guò)物理過(guò)程優(yōu)化和渦旋初始化技術(shù)的應(yīng)用，建立了我國(guó)第一代國(guó)家級(jí)區(qū)域模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)MTTP(Model for Tropical Cyclone Track Prediction；王詩(shī)文和李健軍，1994；王詩(shī)文，1999；陳德輝等，1996)，并于1996年實(shí)況業(yè)務(wù)運(yùn)行，對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑進(jìn)行48 h預(yù)報(bào)。

全球模式分辨率的提高、物理過(guò)程的改進(jìn)以及資料同化技術(shù)的進(jìn)步(麻素紅等，2003；陳起英等，2004)使得基于全球模式開(kāi)展臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)成為可能。通過(guò)渦旋初始化技術(shù)的應(yīng)用，國(guó)家氣象中心在全球模式T213L31(簡(jiǎn)稱(chēng)T213)的基礎(chǔ)上研發(fā)了全球模式臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并于2004年準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行，提供96 h臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)。為了避免渦旋初始化對(duì)全球模式中期預(yù)報(bào)的影響，T213臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)和T213中期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)作為兩套系統(tǒng)獨(dú)立存在，只在西北太平洋有臺(tái)風(fēng)編號(hào)時(shí)才運(yùn)行。2005年該系統(tǒng)預(yù)報(bào)時(shí)效進(jìn)一步延長(zhǎng)到120 h，并于2006年正式投入業(yè)務(wù)。T213水平分辨率約為0.5625°，非常接近MTTP的分辨率(0.46875°),且其臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)誤差已小于MTTP(見(jiàn)第二節(jié)、第三節(jié))。因此，T213臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行后替代了MTTP(Ma et al,2007)。

為了實(shí)現(xiàn)了全球模式集約化發(fā)展，2014年，基于全球模式T639L60(簡(jiǎn)稱(chēng)T639)建立了一體化運(yùn)行的中期天氣數(shù)值預(yù)報(bào)和臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)(麻素紅等，2012；瞿安祥等，2016)。自此之后，全球模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)作為全球模式預(yù)報(bào)功能的一部分完全融入全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，不再獨(dú)立存在。

2015年，我國(guó)自主研發(fā)的全球模式數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES-GFS通過(guò)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。2018年，渦旋初始化技術(shù)的應(yīng)用，使得GRAPES-GFS具備了對(duì)西北太平洋以及南海臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)能力，一體化GRAPES-GFS中期/臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)替代了T639業(yè)務(wù)系統(tǒng)的全部功能。

此外，根據(jù)臺(tái)風(fēng)精細(xì)化預(yù)報(bào)和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的需求，2012年國(guó)家氣象中心在GRAPES中尺度模式的基礎(chǔ)上(陳德輝和沈?qū)W順，2006)，通過(guò)模式動(dòng)力框架和物理過(guò)程的改進(jìn)以及渦旋初始化技術(shù)的應(yīng)用，建立了我國(guó)第一代以臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度為主要預(yù)報(bào)目標(biāo)的區(qū)域模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)GRAPES_TYM并持續(xù)改進(jìn)發(fā)展(張進(jìn)等，2017；麻素紅等，2018；2021)。

目前，國(guó)家氣象中心已經(jīng)建立了較為完備的臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)體系，并實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的自主可控。圖1為簡(jiǎn)要的發(fā)展歷程。本文將對(duì)國(guó)家級(jí)臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展以來(lái)不同時(shí)期的關(guān)鍵技術(shù)特征和預(yù)報(bào)性能進(jìn)行對(duì)比，并展望國(guó)家級(jí)臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)未來(lái)5年的發(fā)展。

圖1 國(guó)家氣象中心臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)演變 (實(shí)線(xiàn)：路徑預(yù)報(bào)，虛線(xiàn)：強(qiáng)度預(yù)報(bào))Fig.1 Development process of the TC numerical prediction systems in National Meteorological Centre (solid line： typhoon track prediction， dashed line： typhoon intensity prediction)

1 我國(guó)第一代區(qū)域模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)MTTP

MTTP采用σ垂直坐標(biāo)，水平方向采用Arakawa-C網(wǎng)格。其初始場(chǎng)及側(cè)邊界來(lái)源于國(guó)家氣象中心全球模式T106L19(簡(jiǎn)稱(chēng)T106)。采用雙重嵌套網(wǎng)格，外圍粗網(wǎng)格分辨率為0.9375°、內(nèi)部細(xì)網(wǎng)格分辨率為0.46875°，垂直方向?yàn)?5層(王詩(shī)文和李健軍，1994)。細(xì)網(wǎng)格采用初始網(wǎng)格移動(dòng)技術(shù)，即每次預(yù)報(bào)開(kāi)始，細(xì)網(wǎng)格的區(qū)域中心都將放在臺(tái)風(fēng)中心位置上，以保證其在積分過(guò)程中較少地受到邊界的影響(王詩(shī)文，1999)。MTTP在有臺(tái)風(fēng)編號(hào)的時(shí)候一天運(yùn)行2次，提供48 h路徑預(yù)報(bào)。

為了提高模式初始場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流的描述精度，MTTP采用了人造渦旋初始化技術(shù)(王詩(shī)文和李健軍，1994)。該技術(shù)主要包括7個(gè)方面：(1)模型臺(tái)風(fēng)的環(huán)境場(chǎng);(2)模型臺(tái)風(fēng)的場(chǎng)面氣壓；(3)模型臺(tái)風(fēng)上部的反氣旋；(4)模型臺(tái)風(fēng)的暖心結(jié)構(gòu)；(5)模型臺(tái)風(fēng)的流場(chǎng)；(6)模型臺(tái)風(fēng)的初始位移；(7)模型臺(tái)風(fēng)和環(huán)境場(chǎng)的融合。圖2為1996—2003年MTTP 24 h臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的誤差。

圖2 1996—2003年MTTP 24 h 平均路徑誤差Fig.2 The 24 h mean track error of MTTP during 1996-2003

從1996年到2001年，MTTP經(jīng)歷了擴(kuò)大預(yù)報(bào)區(qū)域、細(xì)網(wǎng)格初始移動(dòng)、兩次嵌入模型臺(tái)風(fēng)等改進(jìn)(李建軍等，1994；王詩(shī)文，1999)。2002年經(jīng)過(guò)模式并行化和優(yōu)化，MTTP移植到國(guó)產(chǎn)巨型計(jì)算機(jī)“神威”上(麻素紅等，2004)， 并于同年6月實(shí)時(shí)運(yùn)行，2003年9月通過(guò)準(zhǔn)業(yè)務(wù)驗(yàn)收，其嵌套模式也由T106升級(jí)為T(mén)213。

2 全球模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

國(guó)家氣象中心的全球模式臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)經(jīng)歷了從第一代T213臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)到一體化運(yùn)行的T639中期/臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)再到GRAPES-GFS中期/臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程。

由于臺(tái)風(fēng)發(fā)生、發(fā)展的洋面上常規(guī)觀測(cè)資料稀少，受全球模式分辨率、衛(wèi)星資料同化技術(shù)的限制，全球模式分析場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流的描述精度不高，渦旋初始化技術(shù)是改進(jìn)其描述精度的關(guān)鍵技術(shù)。本節(jié)將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)在不同發(fā)展階段的模式、同化系統(tǒng)、渦旋初始化等技術(shù)特征。

2.1 T213全球模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

T213為譜模式，水平分辨率約為60 km。垂直方向采用η坐標(biāo)，垂直分辨率為31層，采用最優(yōu)插值(optimal interpolation，OI)資料同化技術(shù)。為了改進(jìn)模式臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)能力，2004年，T213臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行，采用了非對(duì)稱(chēng)臺(tái)風(fēng)渦旋初始化方案(Ma et al,2007)。2007年，瞿安祥等(2009b)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了的三步式渦旋初始化方案投入業(yè)務(wù)應(yīng)用，T213臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差顯著減小(瞿安祥等，2009a)。

(1) 非對(duì)稱(chēng)臺(tái)風(fēng)渦旋初始化

非對(duì)稱(chēng)臺(tái)風(fēng)渦旋初始化方案的對(duì)稱(chēng)渦旋部分構(gòu)造方法同MTTP所用方案相同，非對(duì)稱(chēng)部分則來(lái)源于去掉對(duì)稱(chēng)渦旋后的全球模式背景場(chǎng)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：同MTTP相比,T213臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的24 h及48 h平均路徑誤差均有明顯減小。

(2) 三步式渦旋初始化

T213采用了先進(jìn)的SSI(spectral statistic interpolation)資料同化技術(shù)和物理過(guò)程,已經(jīng)對(duì)大部分臺(tái)風(fēng)具有分析能力(即分析場(chǎng)中存在臺(tái)風(fēng)渦旋;麻素紅等，2007)。為了保留背景場(chǎng)中臺(tái)風(fēng)渦旋的信息，使構(gòu)造的渦旋同背景場(chǎng)更協(xié)調(diào)，國(guó)家氣象中心發(fā)展了新的渦旋初始化方案來(lái)代替非對(duì)稱(chēng)臺(tái)風(fēng)渦旋模型。

新方案包括三個(gè)部分：①初始渦旋生成；②渦旋分離及重定位；③渦旋強(qiáng)度調(diào)整。同單純的人造渦旋相比，新方案更多利用模式循環(huán)同化預(yù)報(bào)過(guò)程產(chǎn)生的渦旋，在很大程度上減少了人為主觀因素對(duì)臺(tái)風(fēng)三維結(jié)構(gòu)的影響。這樣的初始渦旋不但與周?chē)h(huán)流形勢(shì)比較協(xié)調(diào)，而且渦旋自身的各種物理量在動(dòng)力屬性上也更為平衡，降低了模式積分初期的spin-up現(xiàn)象。

2.2 一體化中期/臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

(1) T639臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

為滿(mǎn)足日益增加的精細(xì)化預(yù)報(bào)需求，國(guó)家氣象中心全球模式于2006年升級(jí)為T(mén)639(陳起英等，2007)。T639水平分辨率為30 km，垂直方向?yàn)?0層，采用GSI(grid statistic interpolation)變分同化技術(shù)。隨著模式分辨率的升高，基于全球模式的臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行不但會(huì)增加對(duì)計(jì)算機(jī)資源的消耗，造成計(jì)算資源緊張，也會(huì)增加業(yè)務(wù)系統(tǒng)維護(hù)人員的負(fù)擔(dān)。為此，需要發(fā)展一體化運(yùn)行的全球模式中期/臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

全球模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)同全球模式中期預(yù)報(bào)系統(tǒng)一體化運(yùn)行的關(guān)鍵是減小渦旋初始化方案的應(yīng)用對(duì)中期預(yù)報(bào)的負(fù)面影響。為此，基于T639變分同化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了BDA(bogus data assimilation)渦旋初始化方案(瞿安祥等，2016)。該方案與T213臺(tái)風(fēng)渦旋初始化方案的主要區(qū)別是BDA渦旋初始化方案利用資料同化技術(shù)通過(guò)同化臺(tái)風(fēng)環(huán)流區(qū)域的人造資料來(lái)形成初始渦旋，與周?chē)h(huán)境場(chǎng)更協(xié)調(diào),與模式的動(dòng)力學(xué)、物理學(xué)屬性也更加匹配。

一體化T639中期/臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)于2014年投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，一天運(yùn)行4次，提供120 h臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

(2) GRAPRS-GFS臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

為了提高GRAPES-GFS對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)能力，基于GRAPES-4DVar變分同化系統(tǒng)(Zhang et al,2019)對(duì)BDA渦旋初始化方案進(jìn)行了優(yōu)化并于2018年投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。2019年GRAPES-GFS垂直分變率由原來(lái)的60層提高到87層，等溫參考大氣廓線(xiàn)升級(jí)為三維參考大氣廓線(xiàn)并引入預(yù)估修正技術(shù)以提高模式預(yù)報(bào)精度。新系統(tǒng)能夠在絕大多數(shù)情況下維持臺(tái)風(fēng)渦旋環(huán)流結(jié)構(gòu)，不再需要同化bogus資料。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)同化國(guó)家氣象中心臺(tái)風(fēng)預(yù)警部門(mén)發(fā)布的臺(tái)風(fēng)中心定位軌跡及氣壓強(qiáng)度演變信息的臺(tái)風(fēng)初始化方案并于2020年投入業(yè)務(wù)應(yīng)用,新方案顯著減小了GRAPES-GFS臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差。

全球模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)展各階段的關(guān)鍵技術(shù)特征如表1所示。

表1 全球模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)技術(shù)特征Table 1 Main techniques of global model for typhoon numerical prediction

2.3 全球模式臺(tái)風(fēng)路徑誤差演變

從T213全球模式臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)到我國(guó)自主研發(fā)的全球模式GRAPES-GFS,24 h臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差不斷減小(圖3)。經(jīng)過(guò)17年的發(fā)展，全球模式24 h臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差從2004年的150 km減小到2020年的93 km,減小幅度為38.0%。

圖3 2004—2020年國(guó)家氣象中心 全球模式24 h臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差Fig.3 The 24 h mean track error of global model of National Meteorological Centre during 2004-2020

3 新一代區(qū)域臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

GRAPES_TYM

GRAPES_TYM和GRAPES中尺度模式具有相同的動(dòng)力框架：垂直方向采用高度地形追隨坐標(biāo)、預(yù)報(bào)要素采用Charney-Phillips分布；水平方向采用等經(jīng)緯度坐標(biāo)、Arakawa-C網(wǎng)格。相比于GRAPES區(qū)域模式，該系統(tǒng)的主要改進(jìn)包括：通過(guò)引入PRM水汽平流方案(沈?qū)W順等，2011；王明歡等，2011)解決模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)不發(fā)展問(wèn)題；針對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度預(yù)報(bào)對(duì)模式邊界層參數(shù)化、對(duì)流參數(shù)化進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)；開(kāi)發(fā)了適合臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的渦旋初始化方案。2012年，GRAPES_TYM投入準(zhǔn)業(yè)務(wù)運(yùn)行，在臺(tái)風(fēng)編報(bào)時(shí)一天運(yùn)行4次。

2012—2019年，國(guó)家氣象中心對(duì)GRAPES_TYM進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，并分別于2014、2015、2017、2018和2019年進(jìn)行了業(yè)務(wù)升級(jí)(張進(jìn)等，2017；麻素紅等，2018；2021)。表2為2012—2019年間GRAPES_TYM系統(tǒng)升級(jí)的主要參數(shù)變化。

表2 2012—2019年GRAPES_TYM業(yè)務(wù)升級(jí)的主要參數(shù)變化Table 2 Operational upgrades of GRAPES_TYM from 2012 to 2019

目前GRAPES_TYM的水平分辨率為0.09°，垂直方向?yàn)?8層。物理過(guò)程包括：WSM6微物理過(guò)程、Meso-SAS對(duì)流參數(shù)化、YSU邊界層過(guò)程、NOAH陸面過(guò)程、MO相似理論表面層參數(shù)化以及Goddard短波輻射和RRTM長(zhǎng)波輻射。預(yù)報(bào)區(qū)域覆蓋西北太平洋、南中國(guó)海和北印度洋，預(yù)報(bào)時(shí)效為120 h。

GRAPES_TYM除了提供臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品外，還通過(guò)能見(jiàn)度診斷提供海霧預(yù)報(bào)產(chǎn)品，同時(shí)為海浪模式、風(fēng)暴潮模式提供大氣驅(qū)動(dòng)場(chǎng)。

3.1 渦旋初始化

GRAPES_TYM采用的渦旋初始化方案包括渦旋重定位和渦旋強(qiáng)度調(diào)整。渦旋重定位采用的是Kurihara et al (1995)的方案，即：將全球模式分析場(chǎng)的熱帶氣旋分離為環(huán)境場(chǎng)和臺(tái)風(fēng)環(huán)流場(chǎng)。 渦旋強(qiáng)度調(diào)整則采用了Wang(1995)的方案。該方案通過(guò)對(duì)環(huán)境場(chǎng)中臺(tái)風(fēng)環(huán)流對(duì)稱(chēng)風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境場(chǎng)中臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度調(diào)整，使調(diào)整后的強(qiáng)度接近預(yù)報(bào)員的綜合分析(Wang and Ma,2020)。為了減小強(qiáng)度調(diào)整對(duì)環(huán)境場(chǎng)的影響，改善24～48 h路徑預(yù)報(bào)能力，2017年取消了對(duì)臺(tái)風(fēng)渦旋的重新定位、減小了強(qiáng)度調(diào)整尺度(麻素紅等，2018)。

3.2 模式動(dòng)力框架改進(jìn)

(1)PRM水汽平流方案應(yīng)用

在GRAPES_TYM發(fā)展初期，其水汽平流方案采用了QMSL(quasi-monotone semi-Lagrange)。該方案對(duì)風(fēng)速高梯度區(qū)域如臺(tái)風(fēng)環(huán)流區(qū)域的計(jì)算精度偏低，易導(dǎo)致模式預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)不發(fā)展。為此引入了高精度PRM(piecewise rational method)水汽平流方案(沈?qū)W順等，2011;王明歡等，2011)，解決了區(qū)域模式臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)不發(fā)展問(wèn)題。

(2)模式參考大氣廓線(xiàn)改進(jìn)

為了提高模式的預(yù)報(bào)精度和穩(wěn)定性，數(shù)值預(yù)報(bào)模式的設(shè)計(jì)過(guò)程常常引入“參考大氣”的概念，將溫度場(chǎng)或氣壓場(chǎng)分解為平均量和擾動(dòng)量。參考大氣廓線(xiàn)越接近實(shí)際大氣，產(chǎn)生的擾動(dòng)量越小，模式的計(jì)算精度就越高。

2017年利用模式初始場(chǎng)水平平均構(gòu)建的一維參考大氣廓線(xiàn)(麻素紅等，2018)替代了業(yè)務(wù)系統(tǒng)的等溫大氣參考廓線(xiàn)。

3.3 物理過(guò)程改進(jìn)

2012年，GRAPES_TYM的對(duì)流參數(shù)化方案為SAS (simplified Arakawa-Schubert)，此方案存在過(guò)多消除層積云、不能有效消除積云內(nèi)不穩(wěn)定能量、沒(méi)有考慮對(duì)流加熱對(duì)動(dòng)量的反饋等問(wèn)題。為此將對(duì)流參數(shù)化方案更新為Meso-SAS并進(jìn)行本地化(張進(jìn)等，2017)。跟原方案相比，Meso-SAS方案中淺對(duì)流采用總體質(zhì)量通量參數(shù)化替換原方案中的湍流擴(kuò)散參數(shù)化，解決了原方案中過(guò)多消除層積云的問(wèn)題；深對(duì)流參數(shù)化方面，新方案可以更有效地消除積云內(nèi)不穩(wěn)定能量，抑制非真實(shí)的格點(diǎn)飽和降水；同時(shí)Meso-SAS方案還考慮了高分辨率模式(10 km以下)對(duì)流參數(shù)化的處理方法。

3.4 模式垂直分辨率提升

模式垂直分層的合理加密對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度預(yù)報(bào)至關(guān)重要。研究顯示對(duì)模式中低層加密將有助于產(chǎn)生較強(qiáng)的熱帶氣旋，而對(duì)模式高層加密則會(huì)產(chǎn)生較弱的熱帶氣旋(Zhang et al,2015；Zhang et al,2016；Zhang and Wang,2003)。GRAPES_TYM分別于2014年和2019年提升了垂直分辨率：2014年由32層增加到50層；2019年由50層增加到68層，重點(diǎn)對(duì)模式邊界層內(nèi)垂直分層進(jìn)行了加密(麻素紅等，2021)。模式垂直分層加密后，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差顯著減小，尤其是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。

3.5 臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差演變

通過(guò)上述關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)，GRAPES_TYM對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力持續(xù)提升(圖4)。從2012年到2020年，GRAPES_TYM的24 h平均路徑誤差減小了20.1%，強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差減小了34.9%。2017年的平均強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差相比于2016年明顯減少有兩個(gè)主要原因：一是2017年的業(yè)務(wù)升級(jí)對(duì)強(qiáng)度預(yù)報(bào)改善明顯(麻素紅等，2018)，二是2017年的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)數(shù)量偏少，而GRAPES_TYM對(duì)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差偏大。

圖4 2012—2020年 GRAPES_TYM 24 h熱帶氣旋路徑(a)及強(qiáng)度誤差(b)Fig.4 The 24 h TC track error (a) and intensity error (b) of GRAPES_TYM from 2012 to 2020

4 國(guó)家級(jí)臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)未來(lái)發(fā)展

我國(guó)對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)路徑的綜合預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)能力已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，但展望未來(lái)，臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，對(duì)移動(dòng)路徑突變的臺(tái)風(fēng)路徑作出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)仍十分困難(董林等，2020；麻素紅和陳德輝，2018；郭旭等，2014；許映龍等，2011；2015；許映龍，2011)，且臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)以及登陸臺(tái)風(fēng)風(fēng)雨的精細(xì)預(yù)報(bào)能力改進(jìn)比較緩慢(李澤椿等，2020；張玲等，2014)；另一方面，國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的實(shí)施等，使得臺(tái)風(fēng)/熱帶氣旋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)能力需要從西北太平洋拓展至全球。臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，就是要為臺(tái)風(fēng)/熱帶氣旋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供高精度數(shù)值產(chǎn)品支撐。為此，在未來(lái)5年，需要基于全球模式加快研發(fā)各主要海域(西北太平洋、大西洋和北印度洋等)熱帶氣旋數(shù)值預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)、提升發(fā)展千米尺度高分辨率臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和風(fēng)雨數(shù)值模式技術(shù)等，才能有效支撐全球海域熱帶氣旋預(yù)報(bào)能力和近海(或登陸)臺(tái)風(fēng)防災(zāi)減災(zāi)精準(zhǔn)施策能力的提升。

(1)全球衛(wèi)星資料同化和臺(tái)風(fēng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)的描述

初始場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的描述精度是影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素(麻素紅，2019)，臺(tái)風(fēng)渦旋初始結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的偏差會(huì)隨模式積分增加，進(jìn)而影響模式對(duì)臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)效果。為此，需要加快發(fā)展具有“流依賴(lài)”特征的混合變分同化技術(shù)和有云區(qū)域的衛(wèi)星資料同化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流區(qū)衛(wèi)星資料的有效應(yīng)用，改善模式初始場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)域結(jié)構(gòu)的描述精度。

(2)千米尺度模式邊界層方案和微物理方案

邊界層方案和微物理方案是影響臺(tái)風(fēng)模式強(qiáng)度預(yù)報(bào)的兩個(gè)重要參數(shù)化方案。近年來(lái)針對(duì)邊界層和對(duì)流云區(qū)水物質(zhì)的觀測(cè)研究越來(lái)越受到重視。基于觀測(cè)資料開(kāi)展高分辨率模式(特別是千米尺度)邊界層方案研發(fā)、改進(jìn)微物理方案對(duì)水物質(zhì)分布和相態(tài)轉(zhuǎn)化的描述等，將有助于提高模式對(duì)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力。

(3)海氣浪耦合模式的發(fā)展

海洋是臺(tái)風(fēng)發(fā)展的能量來(lái)源。臺(tái)風(fēng)和海洋之間有很重要的反饋機(jī)制，海-氣-浪耦合模式可以在模式積分過(guò)程中即時(shí)反映海洋和大氣之間的相互作用，是未來(lái)臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)重要的組成部分。

(4)移動(dòng)嵌套網(wǎng)格技術(shù)

業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度預(yù)報(bào)的產(chǎn)品時(shí)效的需求已經(jīng)達(dá)到5～7 d，而臺(tái)風(fēng)是一個(gè)移動(dòng)的天氣系統(tǒng)，覆蓋5～7 d的預(yù)報(bào)所要求的預(yù)報(bào)區(qū)域較大。在目前高性能計(jì)算資源條件下，開(kāi)展大范圍高分辨率(1～3 km)模式運(yùn)算無(wú)法滿(mǎn)足業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)對(duì)時(shí)效的要求。為解決這一問(wèn)題，在現(xiàn)有業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)體系下，應(yīng)發(fā)展移動(dòng)嵌套網(wǎng)格技術(shù)，在臺(tái)風(fēng)環(huán)流區(qū)采用高分辨率配置而其他外圍區(qū)采用較粗分辨率配置，以實(shí)現(xiàn)1～3 km高分辨率臺(tái)風(fēng)模式的業(yè)務(wù)運(yùn)行。