瞿安祥 麻素紅 張 進(jìn) 劉 艷

中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心，北京，100081

中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081

1 引言

盡管過(guò)去20 年數(shù)值天氣模式輸出的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品性能（特別是路徑方面）一直在穩(wěn)步提高，但是臺(tái)風(fēng)位置和強(qiáng)度的合理性分析仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。對(duì)于數(shù)值模式而言，初始場(chǎng)中包含一個(gè)與模式動(dòng)力可分辨尺度相匹配的臺(tái)風(fēng)環(huán)流對(duì)提高其臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)性能至關(guān)重要。另外，臺(tái)風(fēng)初始化仍面臨缺乏全面觀測(cè)資料的問(wèn)題。雖然目前存在豐富的、時(shí)空密集的衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)，但受云和降水的污染，這些資料并不能被分析系統(tǒng)有效同化利用。同時(shí)，受限于傳統(tǒng)變分同化技術(shù)的局限，臺(tái)風(fēng)范圍內(nèi)部分探測(cè)數(shù)據(jù)的同化反而會(huì)對(duì)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)生負(fù)面的影響（Aberson，2008）。

為提高區(qū)域模式初始臺(tái)風(fēng)質(zhì)量，Zou 等（2000）第一次提出利用經(jīng)驗(yàn)海平面氣壓分布模型構(gòu)造氣壓資料同化的BDA（Bogus Data Assimilation）臺(tái)風(fēng)初始化方案。隨后，許多中外學(xué)者開展了相關(guān)研究（Zhang，et al，2003；Xiao，et al，2006）。實(shí)際上，無(wú)論是科學(xué)試驗(yàn)（Zhao，et al，2005，2007）或是業(yè)務(wù)應(yīng)用（Wang，et al，2008；黃偉等，2010）都表明，依靠成熟的變分同化技術(shù)，將構(gòu)造的（分布均勻）觀測(cè)資料與背景場(chǎng)有效“同化融合”，可以明顯提升初始場(chǎng)中渦旋質(zhì)量，從而提高模式臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)水平。對(duì)于分辨率較粗的全球模式而言，在預(yù)報(bào)-同化循環(huán)中維持一個(gè)相對(duì)匹配的渦旋環(huán)流系統(tǒng)（相對(duì)于大尺度環(huán)流而言），是提高其臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)性能的前提條件。為此，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心在其全球模式系統(tǒng)中采取的是同化臺(tái)風(fēng)中心氣壓數(shù)據(jù)方案（Kleist，2011）。同樣，英國(guó)氣象局、日本氣象廳針對(duì)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)資料缺失也采用了構(gòu)造偽臺(tái)風(fēng)觀測(cè)資料（海平面氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)）進(jìn)行同化分析的方案（Heming，2009）。2016 年，中國(guó)CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，為提高該系統(tǒng)對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)的預(yù)報(bào)能力，應(yīng)用了一套由渦旋形成、渦旋重定位、渦旋強(qiáng)度調(diào)整三部分技術(shù)組成（瞿安祥等，2009a，2009b）的臺(tái)風(fēng)初始化組合方案（以下簡(jiǎn)稱舊臺(tái)風(fēng)初始化方案）。實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用顯示該方案在提高CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)臺(tái)風(fēng)響應(yīng)能力及路徑預(yù)報(bào)方面起到了積極正面的影響。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算硬件能力的提升，CMA-GFS 全球模式分辨率越來(lái)越朝精細(xì)化方向發(fā)展，尤其近兩年動(dòng)力物理方面的升級(jí)（蘇勇等，2018；劉艷等，2019），使得模式具備產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)環(huán)流的能力。此外，伴隨全球四維變分同化（4DVar）方案投入業(yè)務(wù)運(yùn)行（張林等，2017；劉永柱等，2019；龔建東等，2016，2020；王金成等，2014，2016），使得系統(tǒng)對(duì)臺(tái)風(fēng)分析能力也在逐步增強(qiáng)。而與此相對(duì)的是，目前CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的舊臺(tái)風(fēng)初始化方案是基于早期全球模式系統(tǒng)開發(fā)的（瞿安祥等，2009a，2009b），其核心思想是針對(duì)全球資料同化系統(tǒng)對(duì)臺(tái)風(fēng)分析能力不足而設(shè)計(jì)的，方法上是依靠經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图夹g(shù)（存在與模式動(dòng)力物理屬性不匹配問(wèn)題）。在這種情況下，為提高CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的分析及預(yù)報(bào)能力，迫切需要發(fā)展一個(gè)更全面的臺(tái)風(fēng)初始化方案，該方案既要考慮CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)臺(tái)風(fēng)的描述能力，也要具備糾正背景場(chǎng)渦旋位置偏移、強(qiáng)度較弱的問(wèn)題，從而為模式積分預(yù)報(bào)提供一個(gè)更加匹配的初始臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)。

因此，本研究借鑒美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（Kleist，2011）和英國(guó)氣象局（Heming，2016）的業(yè)務(wù)方案，基于BDA 技術(shù)思路發(fā)展了一個(gè)基于4DVar的臺(tái)風(fēng)初始化方案（以下簡(jiǎn)稱新臺(tái)風(fēng)初始化方案），即通過(guò)4DVar 同化窗口主動(dòng)吸收臺(tái)風(fēng)實(shí)時(shí)特征參數(shù)—中心定位及中心氣壓數(shù)據(jù)，利用全球模式動(dòng)力物理約束產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)環(huán)流。基于CMA-GFS 全球4DVar 平臺(tái)，完成了新臺(tái)風(fēng)初始化方案的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)2016 年西北太平洋的22 個(gè)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)，分析該方案在生成臺(tái)風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)方面的效果，以及提高CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)臺(tái)風(fēng)路徑、強(qiáng)度預(yù)報(bào)方面的能力。

2 新臺(tái)風(fēng)初始化方案

不完全統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)西北太平洋有臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)，目前CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（不引入任何臺(tái)風(fēng)初始化方案）可以對(duì)大部分（預(yù)報(bào)）時(shí)次中的臺(tái)風(fēng)發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生響應(yīng)：分析及預(yù)報(bào)場(chǎng)中存在渦旋環(huán)流系統(tǒng)。但是相比于（預(yù)報(bào)員分析）觀測(cè)而言，這些分析場(chǎng)中渦旋環(huán)流普遍存在強(qiáng)度偏弱、位置偏移問(wèn)題。因此，新臺(tái)風(fēng)初始化方案既要考慮分析場(chǎng)中臺(tái)風(fēng)環(huán)流從無(wú)到有的生成問(wèn)題，也要具備糾正分析場(chǎng)中渦旋明顯的位置和強(qiáng)度問(wèn)題，從而為模式積分預(yù)報(bào)提供一個(gè)更加匹配的初始臺(tái)風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)。

2.1 背景場(chǎng)存在渦旋

以西北太平洋為例，當(dāng)臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)，中國(guó)氣象局臺(tái)風(fēng)與海洋氣象預(yù)報(bào)中心會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)布臺(tái)風(fēng)預(yù)警信息數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)稱臺(tái)風(fēng)報(bào)文），這些信息包括中心定位、中心氣壓、最大風(fēng)速等參數(shù)。盡管大多數(shù)情況下這些參數(shù)是基于衛(wèi)星云圖等資料利用諸如Dvorak（1975）、Knaff 等（2007）所述統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行綜合分析所得，但是它們給數(shù)值模式提供了一些可利用的、具有潛在價(jià)值的實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)分析信息。

一般情況下，實(shí)時(shí)臺(tái)風(fēng)報(bào)文按所處海洋區(qū)域每天以6 或3 h 間隔發(fā)布，落在4DVar 系統(tǒng)6 h 同化窗口僅有1 或3 份中心氣壓數(shù)據(jù)，而在變分同化全局迭代收斂過(guò)程中，吸收資料的多少對(duì)同化輸出及之后模式積分預(yù)報(bào)有重要的影響（Heming，2016）。因此，為了加強(qiáng)分析同化過(guò)程對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流的形成能力，新臺(tái)風(fēng)初始化方案被設(shè)計(jì)成吸收1 h 間隔的臺(tái)風(fēng)中心定位和中心氣壓數(shù)據(jù)信息。這些較高頻率數(shù)據(jù)通過(guò)6 或3 h 間隔臺(tái)風(fēng)報(bào)文信息利用內(nèi)插或外插的組合算法獲得。經(jīng)過(guò)處理后，4DVar 系統(tǒng)在其6 h 同化窗口內(nèi)可以吸收7 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)中心定位及中心氣壓數(shù)據(jù)信息。

同時(shí)，鑒于目前CMA-GFS 全球模式分辨尺度較粗，背景渦旋中心氣壓與觀測(cè)差值較大，為了能有效地對(duì)背景場(chǎng)中弱渦旋進(jìn)行“訂正”和“增強(qiáng)”，臺(tái)風(fēng)中心定位及氣壓數(shù)據(jù)在4DVar 系統(tǒng)中被設(shè)置成一類單獨(dú)的資料算子來(lái)處理同化（不同于類似性質(zhì)的船舶報(bào)、地面站等常規(guī)觀測(cè)資料的質(zhì)量控制方式）。另外，考慮到目前4DVar 背景誤差協(xié)方差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是諸如地轉(zhuǎn)平衡的大尺度變量相關(guān)，與臺(tái)風(fēng)動(dòng)力并不匹配，單點(diǎn)海平面氣壓同化（沒(méi)有相應(yīng)風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)）會(huì)引起質(zhì)量場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)增量的不平衡，這種信號(hào)在觀測(cè)與背景差異較大時(shí)會(huì)越發(fā)顯得強(qiáng)烈。為減輕這部分負(fù)面影響，通過(guò)將中心氣壓數(shù)據(jù)誤差取值動(dòng)態(tài)設(shè)置成一個(gè)關(guān)于背景渦旋中心氣壓與觀測(cè)差值的線性函數(shù)（誤差一般為0.8—5.0 hPa），來(lái)控制氣壓觀測(cè)信息的提?、僭诒尘罢`差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)固定情況下，變分同化過(guò)程中氣壓觀測(cè)信息的提取程度由觀測(cè)誤差控制。觀測(cè)誤差小，氣壓增量大，反之觀測(cè)誤差大，氣壓增量小。。當(dāng)背景場(chǎng)渦旋中心氣壓與觀測(cè)差值大時(shí)，觀測(cè)誤差會(huì)取較大值，從而避免大氣壓增量形成。

2.2 背景場(chǎng)不存在渦旋

在某些情況下，當(dāng)臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)，CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)無(wú)法做出合理響應(yīng)：分析及預(yù)報(bào)場(chǎng)中無(wú)法搜索識(shí)別出有效渦旋環(huán)流（識(shí)別判別方法見下一小節(jié)）。在這種情況下，為使CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)臺(tái)風(fēng)發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生一個(gè)合理的分析及預(yù)報(bào)結(jié)果，作為臺(tái)風(fēng)中心氣壓數(shù)據(jù)的額外補(bǔ)充，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停僭O(shè)臺(tái)風(fēng)是軸對(duì)稱且強(qiáng)度尺寸和實(shí)際觀測(cè)匹配）構(gòu)造的（同化窗口初始時(shí)刻）bogus 風(fēng)場(chǎng)資料會(huì)進(jìn)入4DVar 同化系統(tǒng)。

本研究所采用的臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔谂_(tái)風(fēng)典型結(jié)構(gòu)，綜合考慮所處周圍環(huán)境場(chǎng)構(gòu)建而成，具體技術(shù)細(xì)節(jié)參考瞿安祥等（2016）。構(gòu)建好臺(tái)風(fēng)三維模型后，水平方向上，在半徑為100、200、300、400、600 km 的圓圈上間隔選定4、6、8、8、12 個(gè)點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)（徑向邊界范圍依據(jù)臺(tái)風(fēng)報(bào)文中的風(fēng)圈半徑參數(shù)綜合給定）；垂直方向上，在850、800、700、600、500 hPa 層及地面選取風(fēng)場(chǎng)要素作為觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入4DVar 系統(tǒng)。資料誤差方面，參考云導(dǎo)風(fēng)這一類常規(guī)觀測(cè)資料的誤差給定值。與中心氣壓類似，風(fēng)場(chǎng)要素在4DVar 系統(tǒng)中也被設(shè)置成一類單獨(dú)的資料算子來(lái)處理吸收，同時(shí)為保證其在變分同化初始時(shí)刻不被質(zhì)量控制步驟剔除，總量控制參數(shù)相應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整。

3 渦旋識(shí)別與定位

前面述及，新臺(tái)風(fēng)初始化方案存在一個(gè)重要的預(yù)處理判別步驟—識(shí)別定位背景臺(tái)風(fēng)環(huán)流。為客觀判斷CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)背景場(chǎng)中對(duì)渦旋環(huán)流描述能力，參考Marchok（2021）的技術(shù)，本研究發(fā)展了一個(gè)多判據(jù)的渦旋識(shí)別算法和多要素的中心定位算法。

在渦旋識(shí)別方面，考慮到CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)不同臺(tái)風(fēng)或同一個(gè)臺(tái)風(fēng)不同階段的表達(dá)能力的差異，采用一些既能體現(xiàn)臺(tái)風(fēng)屬性特征又能考慮模式性能的客觀判據(jù)，即背景場(chǎng)必須滿足如下要求，才能確定存在一個(gè)“合格”的臺(tái)風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)：（1）海平面氣壓場(chǎng)存在凹值閉合等值線，且最外圈等值線與中心之間超過(guò)一定的徑向氣壓梯度閾值（≥0.009 hPa/km）；（2）中心氣壓至少超過(guò)模式可分辨表達(dá)的熱帶低壓級(jí)別（≤1002 hPa）；（3）850 hPa 層臺(tái)風(fēng)中心附近切向風(fēng)速超過(guò)一定的閾值（≥12.6 m/s）；（4）海平面氣壓中心和850 hPa 相對(duì)渦度中心符合垂直一致性特征屬性。

在臺(tái)風(fēng)中心定位方面，同時(shí)選取幾個(gè)低層要素場(chǎng)（海平面氣壓場(chǎng)、850 和700 hPa 層上的位勢(shì)高度場(chǎng)、相對(duì)渦度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)）來(lái)綜合計(jì)算中心定位。首先通過(guò)能體現(xiàn)中小尺度特征的單通道Barnes 尺度分析技術(shù)（Barnes，1964），搜索每個(gè)要素場(chǎng)最大（小）值中心位置。然后在獲得的7 個(gè)中心位置中選取那些在觀測(cè)附近的要素中心計(jì)算出其平均值，再以平均值為中心將各要素中心按其距離遠(yuǎn)近賦予不同權(quán)重，從而獲得最后的臺(tái)風(fēng)中心定位。相比于一般單獨(dú)搜索海平面氣壓最小值的臺(tái)風(fēng)中心定位技術(shù)，此處采用的中心定位算法增加了渦度、低層高度等多要素信息來(lái)綜合確定臺(tái)風(fēng)中心，在考慮臺(tái)風(fēng)質(zhì)量場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)低層近似垂直協(xié)調(diào)一致前提條件下，更能體現(xiàn)數(shù)值模式格點(diǎn)場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)流的綜合表達(dá)能力。

4 同化分析

4.1 新臺(tái)風(fēng)初始化方案流程

基于CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)-同化循環(huán)系統(tǒng)，完成了新臺(tái)風(fēng)初始化方案的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程（圖1）。從圖1 可以看出，新臺(tái)風(fēng)初始化方案作為一類特設(shè)資料前處理模塊（類似于探空、GPS、衛(wèi)星資料預(yù)處理模塊），耦合在4DVar 全球資料同化分析系統(tǒng)中。不過(guò)與其他資料預(yù)處理不同的是，臺(tái)風(fēng)初始化模塊只有在臺(tái)風(fēng)發(fā)生時(shí)（實(shí)時(shí)檢索到臺(tái)風(fēng)報(bào)文信息）才會(huì)觸發(fā)啟動(dòng)機(jī)制，開展相應(yīng)數(shù)據(jù)流程。

圖1 基于CMA-GFS 全球4DVar 系統(tǒng)的新臺(tái)風(fēng)初始化方案流程Fig.1 The flowchart of new typhoon initialization scheme based on CMA-GFS global 4DVar system

實(shí)際上，新臺(tái)風(fēng)初始化方案技術(shù)思路是基于4DVar 系統(tǒng)時(shí)間窗口屬性，依靠遍布整個(gè)同化窗口的臺(tái)風(fēng)中心定位和中心氣壓信息，利用模式動(dòng)力物理約束來(lái)產(chǎn)生一個(gè)更加匹配的臺(tái)風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)。相比于舊臺(tái)風(fēng)初始化方案，這樣做的優(yōu)勢(shì)在于：一方面，它擺脫了人為經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)調(diào)整技術(shù)；另一方面，約束分析得到的臺(tái)風(fēng)既匹配觀測(cè)分析數(shù)據(jù)，也匹配數(shù)值模式自身對(duì)臺(tái)風(fēng)的描述能力。

4.2 同化分析試驗(yàn)

為測(cè)試新臺(tái)風(fēng)初始化方案業(yè)務(wù)應(yīng)用能力，進(jìn)行臺(tái)風(fēng)個(gè)例同化試驗(yàn)，檢驗(yàn)該方案在形成臺(tái)風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)方面的實(shí)際效果。

以2016 年7 月29 日09 時(shí)00 分（世界時(shí)，下同）發(fā)生在西北太平洋的1604 號(hào)臺(tái)風(fēng)Nida 為例，利用渦旋識(shí)別定位綜合算法診斷可知，由上一時(shí)刻CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)-同化循環(huán)系統(tǒng)提供的6 h 預(yù)報(bào)場(chǎng)（背景場(chǎng)）中存在較明顯渦旋環(huán)流，但是中心位置與實(shí)際觀測(cè)相比偏北80 km（圖2a）。同時(shí)，這個(gè)渦旋環(huán)流強(qiáng)度較弱（中心氣壓只有1003 hPa），范圍較大。很明顯，在目前CMA-GFS 全球模式分辨率和物理過(guò)程還不足以對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行有效描述情況下，如果不對(duì)背景場(chǎng)這種弱且松散的渦旋進(jìn)行調(diào)整與加強(qiáng)，其環(huán)流可能會(huì)在后繼預(yù)報(bào)-同化循環(huán)過(guò)程中逐漸減弱甚至消失（這種情況在臺(tái)風(fēng)初始發(fā)展階段尤其明顯）。通過(guò)新臺(tái)風(fēng)初始化方案，在4DVar 窗口階段吸收臺(tái)風(fēng)中心氣壓演變信息后，分析場(chǎng)輸出的渦旋環(huán)流明顯增強(qiáng)，并且中心位置北偏也得到有效糾正（圖2b）。除此之外，盡管融入同化系統(tǒng)的資料只有氣壓信息，但是由于4DVar 時(shí)間窗口內(nèi)伴有模式物理動(dòng)力協(xié)調(diào)約束，分析出的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)流也明顯增強(qiáng)。從同化前后u分量垂直剖面（沿臺(tái)風(fēng)中心的緯向剖面）的對(duì)比情況（圖2c、d）可以看出，中心氣壓的同化不但使風(fēng)速數(shù)值上增大，而且垂直方向上的中低層中心位置顯示出匹配一致的結(jié)構(gòu)性特征。

圖2 2016 年7 月29 日09 時(shí)00 分臺(tái)風(fēng)Nida 海平面氣壓場(chǎng)（a、b，單位：hPa）和風(fēng)場(chǎng) u 分量（c、d，單位：m/s）垂直剖面（沿127.8°E）分布（a、c.背景場(chǎng)，b、d.分析場(chǎng)）Fig.2 Sea level pressure（a，b；unit：hPa）and vertical cross section of u-wind（c，d；unit：m/s）along 127.8°E for typhoon Nida valid at 09：00 UTC 29 July 2016（a，c.background，b，d.analysis）

隨后的模式積分過(guò)程也顯示，相比于未經(jīng)過(guò)新臺(tái)風(fēng)初始化方案作用的對(duì)照預(yù)報(bào)，經(jīng)過(guò)新臺(tái)風(fēng)初始化方案調(diào)整后的臺(tái)風(fēng)環(huán)流會(huì)在模式積分過(guò)程中維持一定強(qiáng)度，能較好預(yù)報(bào)出臺(tái)風(fēng)隨后的加強(qiáng)過(guò)程。關(guān)于這一點(diǎn)，從模式積分48 h 后的海平面氣壓場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)v分量垂直剖面（沿臺(tái)風(fēng)中心）對(duì)比（圖3）可以明顯看出，新臺(tái)風(fēng)初始化方案引入可以使得臺(tái)風(fēng)中心氣壓發(fā)展更深，風(fēng)圈分布范圍更大。

圖3 2016 年7 月29 日12 時(shí)00 分預(yù)報(bào)48 h 后臺(tái)風(fēng)Nida 海平面氣壓場(chǎng)（a、b，單位：hPa）和風(fēng)場(chǎng) v 分量（c、d，單位：m/s）垂直剖面（沿臺(tái)風(fēng)中心）分布（a、c.對(duì)照預(yù)報(bào)，b、d.試驗(yàn)預(yù)報(bào)）Fig.3 48 hour forecast of sea level pressure（a，b；unit：hPa）and vertical cross section of v-wind（c，d；unit：m/s）along the typhoon center for typhoon Nida valid at 12：00 UTC 29 July 2016（a，c.control，b，d.experiment）

最后的預(yù)報(bào)結(jié)果顯示，相比于未經(jīng)初始化強(qiáng)度弱、位置有偏差的渦旋，更強(qiáng)更匹配觀測(cè)的初始臺(tái)風(fēng)環(huán)流使得模式產(chǎn)生了一個(gè)更趨向于實(shí)際觀測(cè)的路徑預(yù)報(bào)（圖4）。

圖4 對(duì)照預(yù)報(bào)和試驗(yàn)方案于2016 年7 月29 日12 時(shí)00 分預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)Nida 移動(dòng)路徑和實(shí)況對(duì)比（實(shí)線是觀測(cè)路徑，短虛線、點(diǎn)虛線分別是對(duì)照預(yù)報(bào)和試驗(yàn)方案的預(yù)報(bào)路徑；間隔6 h）Fig.4 TC track forecasts（6 h intervals output）from control（dashed line）and experiment（dot-dashed line）runs initialized at 12：00 UTC 29 July 2016 plotted against best-track observed（solid line）TC track（6-h intervals）for Typhoon Nida

由于各種各樣的原因，某些臺(tái)風(fēng)在其形成的初始時(shí)刻，提供給4DVar 的背景場(chǎng)（模式短期預(yù)報(bào)）中無(wú)法識(shí)別出與觀測(cè)對(duì)應(yīng)的渦旋環(huán)流。這種情況下，為了讓模式系統(tǒng)對(duì)實(shí)際已發(fā)生臺(tái)風(fēng)做出合理的響應(yīng)，將一些bogus 風(fēng)場(chǎng)資料作為額外補(bǔ)充會(huì)提供給資料同化系統(tǒng)。以2016 年9 月10 日03 時(shí)00 分發(fā)生的1614 號(hào)臺(tái)風(fēng)Meranti 為例，此時(shí)CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)-同化循環(huán)系統(tǒng)提供的背景場(chǎng)中無(wú)明顯的臺(tái)風(fēng)環(huán)流（圖5a、c），這種情況下，需要構(gòu)建一些bogus 風(fēng)場(chǎng)資料作為中心氣壓數(shù)據(jù)的補(bǔ)充進(jìn)入同化分析系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)4DVar 同化后，分析場(chǎng)中可以看到明顯的臺(tái)風(fēng)環(huán)流（圖5b、d），也實(shí)現(xiàn)了模式對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的從無(wú)到有。

圖5 2016 年9 月10 日03 時(shí)00 分臺(tái)風(fēng)Meranti 海平面氣壓場(chǎng)（a、b，單位：hPa）和（c、d）風(fēng)場(chǎng) u 分量（c、d，單位：m/s）垂直剖面（沿139.8°E）分布（a、c.背景場(chǎng)，b、d.分析場(chǎng)）Fig.5 Sea level pressure（a，b；unit：hPa）and vertical cross section of u-wind（c，d；unit：m/s）along 139.8°E for typhoon Meranti valid at 03：00 UTC 10 September 2016（a，c.background，b，d.analysis）

續(xù)圖 5Fig.5 Continued

實(shí)際上，在業(yè)務(wù)應(yīng)用過(guò)程中，基于CMA-GFS全球預(yù)報(bào)-同化循環(huán)，某個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)刻經(jīng)過(guò)上述方式處理之后，下一個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)刻背景場(chǎng)（6 h 預(yù)報(bào)場(chǎng)）一般會(huì)存在臺(tái)風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)，就可以采用臺(tái)風(fēng)中心氣壓連續(xù)同化方案，后續(xù)第3 個(gè)、第4 個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)刻……亦可重復(fù)應(yīng)用同樣臺(tái)風(fēng)初始化過(guò)程，直至臺(tái)風(fēng)消亡。

5 預(yù)報(bào)效果分析

為了測(cè)試新臺(tái)風(fēng)初始化方案的實(shí)際預(yù)報(bào)效果，選取2016 年西北太平洋臺(tái)風(fēng)進(jìn)行平行數(shù)值試驗(yàn)。試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的要求，在臺(tái)風(fēng)生命期期間，每天進(jìn)行4 個(gè)時(shí)刻的循環(huán)預(yù)報(bào)，分別對(duì)應(yīng)于業(yè)務(wù)上00、06、12、18 時(shí)（世界時(shí)）的資料分析時(shí)刻，每個(gè)時(shí)刻輸出120 h 的臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

首先，相對(duì)于3 或6 h 間隔臺(tái)風(fēng)原始報(bào)文信息，新臺(tái)風(fēng)初始化方案引入時(shí)采用插值技術(shù)，將其加密成1 h 間隔的數(shù)據(jù)信息來(lái)進(jìn)行同化。為評(píng)估此項(xiàng)技術(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的影響，選取1612—1622 號(hào)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。圖6 為應(yīng)用同化原始數(shù)據(jù)和加密數(shù)據(jù)兩種方案后，CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)在120 h時(shí)長(zhǎng)內(nèi)（12 h 間隔輸出）預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑移速誤差和移向誤差①文中提到的移速誤差表示沿著臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向產(chǎn)生的誤差，移向誤差則為與移速誤差相互垂直方向上產(chǎn)生的誤差，英文表達(dá)分別為Along-Track bias 和Cross-Track bias。下同。對(duì)比分析。

圖6 應(yīng)用3 h（三角形）、1 h（正方形）間隔臺(tái)風(fēng)中心氣壓數(shù)據(jù)同化后，CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)平均（a）移速誤差和（b）移向誤差Fig.6 Mean forecast errors in typhoon moving speed（a）along-track and direction（b）cross-track predicted by CMA global forecast system with assimilation of 3-hourly（triangles）and 1-hourly（squares）central pressure

從圖6a 中可以看出，將數(shù)據(jù)信息加密處理成1 h 間隔進(jìn)行同化后，96 h 內(nèi)的臺(tái)風(fēng)路徑移速誤差都有了不同程度的降低。特別地，12—72 h 內(nèi)臺(tái)風(fēng)路徑移動(dòng)偏慢的趨勢(shì)得到了顯著糾正。而從圖6b展示的移向誤差來(lái)看，應(yīng)用加密數(shù)據(jù)同化后，在0—108 h 預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)之內(nèi)，臺(tái)風(fēng)右偏的趨勢(shì)都有了明顯的糾正。實(shí)際上，除了路徑預(yù)報(bào)效果改進(jìn)明顯之外，臺(tái)風(fēng)中心氣壓預(yù)報(bào)效果也同樣改進(jìn)明顯（圖略）。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于，將臺(tái)風(fēng)的中心定位和中心氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，使得在4DVar 同化窗口期間內(nèi)，模式積分產(chǎn)生的渦旋路徑、強(qiáng)度就有了更多時(shí)間點(diǎn)上的觀測(cè)約束，從而使得渦旋演變趨勢(shì)和觀測(cè)更加接近，也和模式的分辨描述能力更加匹配。

更進(jìn)一步，為檢驗(yàn)新臺(tái)風(fēng)初始化方案對(duì)改進(jìn)CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的整體影響，分別應(yīng)用新、舊臺(tái)風(fēng)初始化方案對(duì)1601—1622 號(hào)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了平行對(duì)比試驗(yàn)。

應(yīng)用兩種方案后，從CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)在120 h 內(nèi)預(yù)報(bào)（12 h 間隔輸出，下同）的臺(tái)風(fēng)路徑平均誤差對(duì)比分析（圖7）可以看出，應(yīng)用新臺(tái)風(fēng)初始化方案后，24—120 h 預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)平均誤差普遍降低，特別在長(zhǎng)時(shí)效的5 d 預(yù)報(bào)長(zhǎng)度上，路徑預(yù)報(bào)誤差降低幅度尤其明顯。其中，72—120 h 的路徑預(yù)報(bào)誤差下降百分比能達(dá)到13%—20%。

圖7 基于新（三角形）、舊（五角星）臺(tái)風(fēng)初始化方案的CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑平均誤差Fig.7 Mean typhoon track errors predicted by CMA global forecast system with new initialization scheme（triangles）and old operational scheme（pentagrams）

進(jìn)一步對(duì)臺(tái)風(fēng)的移速誤差和移向誤差做分析（圖8），發(fā)現(xiàn)應(yīng)用新臺(tái)風(fēng)初始化方案之后，可以大幅度糾正CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度偏小的現(xiàn)象，并且在24—120 h 的預(yù)報(bào)時(shí)效上改進(jìn)尤其明顯。同時(shí)，新臺(tái)風(fēng)初始化方案對(duì)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向的偏右誤差也有較明顯的改善，改善的效果同樣體現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)效預(yù)報(bào)上。

圖8 基于新（三角形）、舊（五角星）臺(tái)風(fēng)初始化方案的CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的（a）臺(tái)風(fēng)移速和（b）臺(tái)風(fēng)移向平均誤差Fig.8 Mean errors in typhoon moving speed（a）along-track and direction（b）cross-track predicted by CMA global forecast system with new typhoon initialization scheme（triangles）and old operational scheme（pentagrams）

但是，從圖7、8 中也可以看出，在較短的24 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)，新臺(tái)風(fēng)初始化方案預(yù)報(bào)路徑誤差略高于舊臺(tái)風(fēng)初始化方案，造成這種現(xiàn)象的主要原因是舊臺(tái)風(fēng)初始化方案中應(yīng)用了重定位技術(shù)（通過(guò)人為經(jīng)驗(yàn)技術(shù)將初始渦旋調(diào)整到觀測(cè)位置），過(guò)去的業(yè)務(wù)試驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果表明，渦旋重定位技術(shù)應(yīng)用可以明顯改善較短時(shí)間內(nèi)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)效果。

檢驗(yàn)結(jié)果還表明，新臺(tái)風(fēng)初始化方案對(duì)于臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)改進(jìn)不單單體現(xiàn)在路徑上，其對(duì)于強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差（中心氣壓、近地面最大風(fēng)速）也有顯著的改善（圖9）。

從圖9 中可以看出，新臺(tái)風(fēng)初始化方案預(yù)報(bào)的中心氣壓和近地面最大風(fēng)速平均誤差遠(yuǎn)小于舊臺(tái)風(fēng)初始化方案。其中，中心氣壓的預(yù)報(bào)誤差降低2—9 hPa，下降幅度為14%—32%；近地面最大風(fēng)速的預(yù)報(bào)誤差降低1—4 m/s，下降幅度為16%—21%。

圖9 基于新（三角形）、舊（五角星）臺(tái)風(fēng)初始化方案的CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的（a）臺(tái)風(fēng)中心氣壓和（b）最大風(fēng)速平均誤差Fig.9 Errors in mean（a）typhoon central pressure and（b）maximum surface wind predicted by CMA global forecast system with new typhoon initialization scheme（triangles）and old operational scheme（pentagrams）

發(fā)展新臺(tái)風(fēng)初始化方案的主要目的是改善分析場(chǎng)中臺(tái)風(fēng)環(huán)流的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，在應(yīng)用過(guò)程中，由于全球數(shù)值模式系統(tǒng)預(yù)報(bào)-同化循環(huán)的特殊屬性，某個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)刻經(jīng)過(guò)新初始化方案處理后的渦旋環(huán)流往往通過(guò)模式短時(shí)預(yù)報(bào)后會(huì)成為下一個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)刻背景渦旋環(huán)流。拋開模式演變不完美這一特性以外，此時(shí)背景場(chǎng)中渦旋環(huán)流會(huì)繼承上一時(shí)刻臺(tái)風(fēng)初始化數(shù)據(jù)信息。如此循環(huán)下去，新臺(tái)風(fēng)初始化方案作用效果會(huì)隨著臺(tái)風(fēng)從初始發(fā)生到消亡過(guò)程產(chǎn)生某種累積效應(yīng)。上述試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，在4DVar 同化窗口內(nèi)吸收臺(tái)風(fēng)中心定位軌跡和中心氣壓演變信息后可以明顯改進(jìn)初始臺(tái)風(fēng)環(huán)流質(zhì)量，從而提高CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)效果。

6 結(jié)論和討論

為解決CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)能力偏弱問(wèn)題，參照BDA 方法，文中建立了一個(gè)新的臺(tái)風(fēng)初始化方案，即通過(guò)4DVar 同化窗口主動(dòng)吸收臺(tái)風(fēng)實(shí)時(shí)特征參數(shù)—中心定位及中心氣壓數(shù)據(jù)，利用全球模式動(dòng)力物理約束產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)環(huán)流。在此過(guò)程中，為加強(qiáng)同化分析過(guò)程的影響，對(duì)時(shí)間間隔較長(zhǎng)的臺(tái)風(fēng)報(bào)文信息進(jìn)行了加密處理，同時(shí)考慮到CMA-GFS 全球模式對(duì)臺(tái)風(fēng)的分辨能力，動(dòng)態(tài)設(shè)置中心氣壓數(shù)據(jù)誤差技術(shù)被提出并應(yīng)用于實(shí)際方案中。

基于CMA-GFS 全球4DVar 系統(tǒng)，完成了新臺(tái)風(fēng)初始化方案具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。同化試驗(yàn)結(jié)果表明，臺(tái)風(fēng)中心定位信息同化對(duì)糾正臺(tái)風(fēng)中心初始位置偏差有一定程度的影響，4DVar 方案的反復(fù)迭代過(guò)程在某種程度上代替了渦旋重定位功能；中心氣壓演變數(shù)據(jù)同化可以明顯改善臺(tái)風(fēng)初始強(qiáng)度偏差。應(yīng)用于2016 年西北太平洋22 個(gè)臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)的結(jié)果表明，相比于舊臺(tái)風(fēng)初始化方案，新臺(tái)風(fēng)初始化方案可以明顯改進(jìn)CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)的路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)效果?；诖嗽囼?yàn)結(jié)果，中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心已于2020 年7 月將新臺(tái)風(fēng)初始化方案融入CMA-GFS 全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)并投入了業(yè)務(wù)運(yùn)行，初步結(jié)果顯示新方案在向預(yù)報(bào)員提供指導(dǎo)性路徑數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品方面起到了良好效果。