不同起始時(shí)間的IPRC－RegCM模式對(duì)西北太平洋熱帶氣旋預(yù)測(cè)誤差對(duì)比分析*

蘇志重，孫丞虎，周學(xué)鳴，石順吉

（1．廈門市氣象局，廈門 361012； 2．國(guó)家氣候中心，北京 100081）

1 引言

熱帶氣旋（TC）是影響我國(guó)最主要的自然災(zāi)害之一，常給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失［1－4］。因此開展熱帶氣旋活動(dòng)季節(jié)預(yù)測(cè)，對(duì)提高臺(tái)風(fēng)活動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)和臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)水平，更好地服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)決策指揮防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要的意義。

理論研究已驗(yàn)證了利用數(shù)值模式開展熱帶氣旋動(dòng)力季節(jié)預(yù)測(cè)的可行性［5－8］，近年來(lái)，隨著高分辨率的區(qū)域氣候模式和中尺度數(shù)值模式的發(fā)展，熱帶氣旋的動(dòng)力季節(jié)預(yù)測(cè)逐步由理論研究走向?qū)嶋H業(yè)務(wù)［9－11］。如ECMWF從1997年就建立了基于海氣耦合模式的動(dòng)力季節(jié)性預(yù)測(cè)系統(tǒng)，并從2001年開始逐月對(duì)全球海區(qū)做出業(yè)務(wù)化的TC季節(jié)預(yù)測(cè)。IRI（International Research Institute） 從2003年開始試驗(yàn)性對(duì)各全球主要熱帶氣旋活躍區(qū)域的熱帶氣旋活動(dòng)進(jìn)行季節(jié)預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)的方法是基于大氣模式（ECHAM4．5）的輸出結(jié)果，識(shí)別和追蹤其中的類似熱帶氣旋的渦旋［12］。此外，韓國(guó)的National Typhoon Center（NTC）、國(guó)家氣候中心（NCC），上海臺(tái)風(fēng)所（STI）也開始發(fā)展各自的的動(dòng)力季節(jié)性熱帶氣旋預(yù)測(cè)系統(tǒng)［13－14］。國(guó)家氣候中心引進(jìn)了夏威夷大學(xué)國(guó)際太平洋研究中心的高分辨率區(qū)域模式（IPRC－RegCM），并實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。蘇志重等［11］檢驗(yàn)了該模式臺(tái)風(fēng)季節(jié)預(yù)報(bào)的能力，認(rèn)為該模式對(duì)西北太平洋熱帶氣旋大尺度環(huán)境場(chǎng)具有較好的刻畫能力，對(duì)發(fā)生在南海和西太平洋地區(qū)的熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)具有較好的潛在預(yù)報(bào)能力，其能較好的模擬出西北太平洋地區(qū)熱帶氣旋活動(dòng)的年循環(huán)及其年際變率特征，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

在國(guó)家氣候中心，為了提高汛期預(yù)測(cè)的技巧，業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)中一般采用滾動(dòng)會(huì)商預(yù)測(cè)的形式 （一般每年3月底－4月初為第一次汛期會(huì)商，5月底－6月初進(jìn)行第二次會(huì)商），以便適時(shí)調(diào)整和修正預(yù)測(cè)結(jié)論。因此，在進(jìn)行全國(guó)汛期會(huì)商時(shí)，需要在3月底左右和5月底左右分別給出模式對(duì)6－10月的西北太平洋TC活動(dòng)預(yù)測(cè)。然而，對(duì)于上述兩次不同預(yù)測(cè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力預(yù)測(cè)結(jié)果，在采用了滾動(dòng)預(yù)測(cè)后，臨近預(yù)測(cè)時(shí)段的預(yù)測(cè)效果是否會(huì)更佳，從而能提供更好的預(yù)測(cè)服務(wù)？為了客觀回答這一問題，本文將利用IPRC－RegCM模式分別以3月底和5月底為預(yù)測(cè)初始時(shí)間，通過對(duì)西北太平洋6－10月熱帶氣旋的主要活動(dòng)特征進(jìn)行17年的回報(bào)模擬，客觀比較兩組試驗(yàn)中熱帶氣旋活動(dòng)潛在可預(yù)測(cè)性上的差異，為汛期滾動(dòng)會(huì)商業(yè)務(wù)流程的客觀、定量設(shè)計(jì)提供合理借鑒。

2 模式和資料

2．1 模式簡(jiǎn)介

模式采用了美國(guó)夏威夷大學(xué)國(guó)際太平洋研究中心區(qū)域氣候模式（IPRC－RegCM），該模式是在高分辨率的熱帶氣旋模式TCM3的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的。模式采用靜力原始方程組，水平方向采用球面坐標(biāo)系，垂直方向?yàn)樽鴺?biāo)。模式包含了云微物理方案、對(duì)流參數(shù)化方案、陸面過程、輻射方案等物理過程，Wang等［15］對(duì)模式進(jìn)行了細(xì)節(jié)的描述，并評(píng)價(jià)了模式對(duì)東亞區(qū)域氣候的模擬性能。目前該模式由國(guó)家氣候中心引進(jìn)并準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行，所出產(chǎn)品為熱帶氣旋季節(jié)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)提供參考。

2．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用兩種不同的起報(bào)初始時(shí)刻，對(duì)1990－2006年6－10月熱帶氣旋活動(dòng)特征進(jìn)行17年回報(bào)檢驗(yàn)，并比較在不同的初始條件下模式對(duì)熱帶氣旋潛在可預(yù)測(cè)性的影響。具體設(shè)計(jì)為：

1）試驗(yàn)1：初始時(shí)刻為每年的5月25日00時(shí)（世界時(shí)，下同），連續(xù)積分至每年10月30日24時(shí)（本文簡(jiǎn)稱T5）。2）試驗(yàn)2：時(shí)刻為每年的3月25日00時(shí)，連續(xù)積分至每年10月30日24時(shí)（本文簡(jiǎn)稱T3）。除了初始時(shí)刻不同，兩個(gè)試驗(yàn)的區(qū)域范圍、積分步長(zhǎng)、物理過程、邊界條件等模式參數(shù)設(shè)置均相同（見表1）。此外，本文對(duì)模式潛在可預(yù)測(cè)性技巧分析研究時(shí)段均為每年的6月1日－10月30日。

表1 2個(gè)試驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置

2．3 資料和方法

本文主要使用NCEP/NCAR月平均再分析資料，以及中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所提供的CMASTI熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集對(duì)比檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降臐撛诳深A(yù)報(bào)性。為客觀分析和評(píng)價(jià)模式的潛在可預(yù)測(cè)性差異，本文主要采用偏差（Bias）、均方差（Rmse）、距平相關(guān)系數(shù)（Corr）等統(tǒng)計(jì)量加以分析［17－19］。

2．4 熱帶氣旋（TC）客觀識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

本文采用了 Stowasser等［20］，蘇志重等［11］的熱帶氣旋生成判定標(biāo)準(zhǔn)，從試驗(yàn)中查找熱帶氣旋。判定標(biāo)準(zhǔn)都是基于真實(shí)熱帶氣旋的結(jié)構(gòu)特征定義的，包括氣旋中心、暖心、風(fēng)速特征、熱帶氣旋生命史等，具體的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)如表2。

表2 熱帶氣旋的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

模式輸出要素中，符合以上標(biāo)準(zhǔn)的天氣系統(tǒng)特征將被判定為熱帶氣旋，并以此建立相應(yīng)的模式熱帶氣旋季節(jié)統(tǒng)計(jì)特征。

3 大尺度環(huán)流場(chǎng)的預(yù)測(cè)試驗(yàn)對(duì)比分析

本文首先分析了兩組試驗(yàn)中500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)預(yù)測(cè)誤差，對(duì)比模擬的6－10月500hPa位勢(shì)高度場(chǎng) （圖1b，圖 1c）與觀測(cè)場(chǎng)（圖 1a）后發(fā)現(xiàn)，模式對(duì)平均環(huán)流形勢(shì)具有較好的模擬能力，例如對(duì)東亞地區(qū)夏季的兩個(gè)行星尺度環(huán)流系統(tǒng)─西太平洋副熱帶高壓和東亞大槽的位置大致相同。從預(yù)測(cè)誤差場(chǎng)（圖1d，圖1e）上看，T3和T5的模擬的副高強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)，整個(gè)副高控制區(qū)模擬位勢(shì)高度偏高10－20 gpm，東海及臺(tái)灣以東洋面模擬位勢(shì)高度比觀測(cè)的低，在這一區(qū)域T5模擬預(yù)測(cè)的高度場(chǎng)誤差值小于T3，顯示出較好的模擬效果。

圖1 6－10月平均500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（單位：gpm）（a．實(shí)況；b．T3 預(yù)測(cè)值；c．T5 預(yù)測(cè)值；d．T3 預(yù)測(cè)誤差值；e．T5 預(yù)測(cè)誤差值）

圖2給出了850hPa相對(duì)渦度的模擬結(jié)果，可以看出6－10月平均850hPa相對(duì)渦度與觀測(cè)類似，10°N～20°N之間的區(qū)域，存在一條明顯的帶狀的正渦度區(qū)，且在南海地區(qū)有一最大正渦度值，副高地區(qū)為大范圍的負(fù)渦度區(qū)。試驗(yàn)T3（圖2b）與試驗(yàn)T5（圖2c）的模擬結(jié)果較接近，其偏差分布幾乎一致，均是南海和臺(tái)灣以東洋面模擬的渦度較觀測(cè)偏大，菲律賓以東地區(qū)預(yù)測(cè)值偏小。不同的是在南海的渦度預(yù)測(cè)模擬，T5比T3的預(yù)測(cè)誤差更大。

在風(fēng)速垂直切變的比較上，模擬的弱風(fēng)速垂直切變（＜9m／s）（圖 3b，圖 3c）分布與實(shí)況（圖 3a）類似呈帶狀，主要分布在25°N~30°N之間和赤道中太平洋地區(qū)，最小風(fēng)速垂直切變帶在臺(tái)灣以南洋面上，T3（圖 3d）和 T5（圖 3e）幾乎沒有多大的區(qū)別，兩個(gè)預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果誤差幾乎相同，均是在南海的模擬風(fēng)速垂直切變比觀測(cè)小，副高和菲律賓以東地區(qū)的數(shù)值比觀測(cè)略大，日本及朝鮮地區(qū)有一偏差負(fù)值中心。

圖 2 6－10 月平均 850hPa 相對(duì)渦度（單位：10－6S－1）（a．實(shí)況；b．T3 預(yù)測(cè)值；c．T5 預(yù)測(cè)值；d．T3 預(yù)測(cè)誤差值；e．T5 預(yù)測(cè)誤差值）

4 西北太平洋熱帶氣旋預(yù)測(cè)試驗(yàn)對(duì)比比較

4．1 生成熱帶氣旋個(gè)數(shù)

圖4給出了模擬和實(shí)況的年TC頻數(shù)曲線，可以看出T3和T5試驗(yàn)?zāi)M預(yù)測(cè)中識(shí)別出的TC頻數(shù)年際變化就有很大的差異性。多年平均熱帶氣旋年頻數(shù)實(shí)況值為19．8個(gè)，T5預(yù)測(cè)得到的多年平均值為15．8個(gè)，T3為16．8個(gè)，模擬預(yù)測(cè)得到的年頻數(shù)均小于實(shí)況值，但T3的模擬頻數(shù)比T5更接近于實(shí)況。其次，臺(tái)風(fēng)頻數(shù)的年際變化也不盡相同，在1990－1993年間，T3模擬的臺(tái)風(fēng)數(shù)量為先減少后增加，而T5模擬預(yù)測(cè)值則是先略增加后明顯減少。1999－2002年間，T3模擬預(yù)測(cè)的臺(tái)風(fēng)數(shù)量基本保持在14－17個(gè)，而T5模擬的臺(tái)風(fēng)數(shù)量則是由11個(gè)逐年增多到22個(gè)的趨勢(shì)。T3和T5均能較好的模擬出98、99年La Nina期間TC頻數(shù)的異常偏少，且與實(shí)況的偏差較小；T3模擬的91、97年El Nino時(shí)期的TC頻數(shù)偏差比T5大。整體上，在1990－2006年間，T3模擬的TC個(gè)數(shù)與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)為0．68，小于T5與實(shí)況的0．77，兩者均超過了0．01的信度檢驗(yàn)。這說明，T5試驗(yàn)對(duì)TC活動(dòng)年際變率的可預(yù)報(bào)能力比T3更好一些。

圖3 6－10月平均風(fēng)垂直切變（單位：m／s）（a．實(shí)況；b．T3 預(yù)測(cè)值；c．T5 預(yù)測(cè)值；d．T3 預(yù)測(cè)誤差值；e．T5 預(yù)測(cè)誤差值）

圖4 6－10月熱帶氣旋生成頻數(shù)的年際變化

圖5 多年平均 6－10月熱帶氣旋生成頻數(shù)的季節(jié)變化

進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)M的TC頻數(shù)的季節(jié)循環(huán)特征可看出 （圖5），TC實(shí)況值在8月前是上升的趨勢(shì)，并在8月份達(dá)到最大，隨后在9、10月逐步下降。模擬的TC個(gè)數(shù)也具有這樣的分布，兩者在8月及8月前的TC頻數(shù)與實(shí)況相當(dāng)，但后期9－10月的偏差相對(duì)較大。T3與實(shí)況的月平均TC個(gè)數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0．78，T5 與實(shí)況的相關(guān)系數(shù)為 0．82，T5 的模擬好于T3。

圖6 6－10月熱帶氣旋生成頻數(shù)空間分布（a.實(shí)況；b.T3；c.T5）

4．2 熱帶氣旋生成源地分布特征

為了得到熱帶氣旋路徑頻數(shù)的分布情況，本文首先將熱帶氣旋路徑頻數(shù)插值到 2．5°×2．5°經(jīng)緯度網(wǎng)格上，圖6a是1990—2006年6—10月熱帶氣旋路徑的頻數(shù)分布?？梢钥闯?，T3（圖6b）和T5（圖6c）模擬的熱帶氣旋生成頻數(shù)分布中心區(qū)域位置位于南海、菲律賓群島以東以及馬里亞納群島附近，與觀測(cè)較為吻合。而這些區(qū)域是西南季風(fēng)和偏東信風(fēng)的匯合區(qū)，是夏季季風(fēng)槽所在的位置，熱帶氣旋容易在這一帶生成，是熱帶氣旋的主要生成源地。說明模式在季風(fēng)槽位置的模擬上比較成功。T3在馬里亞納群島附近的TC頻數(shù)比T5高，生成頻數(shù)中心的位置比T5偏東。兩組試驗(yàn)在南海地區(qū)都有一個(gè)生成頻數(shù)中心，顯示出模式在這一帶的模擬性能較為穩(wěn)定且較好。

圖7 6－10月熱帶氣旋路徑頻數(shù)空間分布（a.實(shí)況；b.T3；c.T5）

4．3 熱帶氣旋路徑分布特征

圖7a是1990—2006年6—10月實(shí)況熱帶氣旋路徑的頻數(shù)分布。從熱帶氣旋路徑的頻數(shù)分布來(lái)看，T3（圖7b）和T5（圖7c）均表現(xiàn)出較好的西行路徑，在北上路徑的模擬上，同樣表現(xiàn)不佳，模擬的北上路徑明顯偏少。在南海的模擬與觀測(cè)相比頻數(shù)明顯偏多，T3的路徑頻數(shù)最大值在該地區(qū)比T5小，T3向北的路徑頻數(shù)分布比T5更大一些。

4．4 熱帶氣旋強(qiáng)度特征

為了了解模式模擬的熱帶氣旋強(qiáng)度的潛在預(yù)測(cè)能力，采用 Emanuel［22］定義的熱帶氣旋總能量（PDI）對(duì)臺(tái)風(fēng)年際PDI總量進(jìn)行分析。圖8為年際PDI總量分布，T3與觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)為0．530，T5與觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)為0．535，兩個(gè)相關(guān)系數(shù)幾乎沒有差別，模式較為成功地模擬出了PDI的年際變化趨勢(shì)。兩個(gè)試驗(yàn)的平均年P(guān)DI總量均小于觀測(cè)，說明模式模擬的熱帶氣旋活動(dòng)總體比觀測(cè)弱。

與氣候平均態(tài)模擬表現(xiàn)一致不同，T3和T5模擬的TC活動(dòng)變化表現(xiàn)出了差異性：T5模擬的熱帶氣旋活動(dòng)變化在頻數(shù)年際變化、季節(jié)內(nèi)變化、TC總能量方面與實(shí)況的相關(guān)性優(yōu)于T3試驗(yàn)；生成頻數(shù)分布和路徑頻數(shù)分布與實(shí)況的差距都十分的明顯，但兩者的差距不大。說明，盡管模式的邊界條件相同，但是由于初始條件的差異，模式模擬的誤差分布仍會(huì)對(duì)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)產(chǎn)生影響。在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，模式模擬的、特別是臨近更新預(yù)測(cè)的臺(tái)風(fēng)頻數(shù)預(yù)測(cè)具有一定的參考價(jià)值，但能量預(yù)報(bào)，路徑和生成位置預(yù)報(bào)的表現(xiàn)還有待于更進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

圖 8 6－10月PDI 年際變化 單位：1011m3·s－2

5 總結(jié)和討論

對(duì)兩組試驗(yàn)進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）模擬的大尺度環(huán)流比較分析來(lái)看，預(yù)測(cè)時(shí)段（6－10月）內(nèi)，兩組試驗(yàn)?zāi)M的大尺度背景特征十分接近，與誤差大小和分布也極為相似，但5月起報(bào)的效果相對(duì)更好。

2）對(duì)于不同起始時(shí)間的西北太平洋熱帶氣旋預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看,兩組試驗(yàn)中熱帶氣旋的季節(jié)循環(huán)特征很相似，熱帶氣旋的生成頻數(shù)分布和路徑頻數(shù)分布特征和位置差異較小，三個(gè)傳統(tǒng)上的熱帶氣旋生成中心位置也較吻合。但路徑頻數(shù)同樣出現(xiàn)了南海地區(qū)偏多，北上偏少的問題，這可能與模式的分辨率、物理過程、參數(shù)化方案等有關(guān)。

3）從熱帶氣旋活動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果的年際變化看，3月和5月起報(bào)試驗(yàn)預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)分別為 0．68 和 0．77，均超過了 0．05 的信度檢驗(yàn)，季節(jié)相關(guān)系數(shù)分別為 0．78和 0．82。5月份起報(bào)時(shí)，模式對(duì)熱帶氣旋活動(dòng)的年際變率，季節(jié)循環(huán)特征、熱帶氣旋強(qiáng)度等熱帶氣旋活動(dòng)特征方面優(yōu)于3月起報(bào)的結(jié)果，這一結(jié)果反映了汛期滾動(dòng)預(yù)測(cè)訂正工作的重要性。

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