風暴潮集合預報現狀及前景展望

柏亞周 李訓強 鄭崇偉 鄭友華

解放軍理工大學氣象學院，南京 211101

風暴潮集合預報現狀及前景展望

柏亞周 李訓強 鄭崇偉 鄭友華

解放軍理工大學氣象學院，南京 211101

本文簡要介紹了集合預報的概念及國內外集合預報的研究進展情況，國外的集合預報研究進展主要是從初值的不確定性和物理的不確定性兩方面考慮的。而國內的集合預報研究進展主要是從預報要素出發分幾個方面考慮的。文中特別對作者所關心的風暴潮集合預報提出了自己的一些淺見。最后對集合預報的前景做出了自己的思考。

Ensemble Forecast; Storm Surge; Initial value perturbation; Numerical forecasting model

1.引言

由于大氣是一個高度非線性的混沌系統，因而數值天氣預報的結果對初始條件的微小誤差非常敏感[1]。Epstein[2](1969)為解決這一問題先在理論上提出了動力隨機預報。后來，Leith[3](1974)提出了一個比較適合于實際應用的所謂“蒙特卡羅”預報（Monte Carlo forecating）。經典的集合預報基本上就是基于這一蒙特卡羅預報概念的。

集合預報自上世紀90年代發展至今，已經取得了很多重要成果。世界氣象組織已明確把集合預報、資料同化、耦合模式和高分辨率確定性數值模式列為四個最重要的數值天氣預報技術[4]。

目前關于集合預報的文章有很大一部分比例是著重于大氣方面的，而對于一些海洋災害現象比如海浪、風暴潮的集合預報研究比較落后，特別是風暴潮對我國東南沿海發達地區危害已呈逐年加重的趨勢，對風暴潮的準確預報關系到這些地區的社會經濟發展，雖然現在風暴潮確定性預報已經取得了很大進步，但還存在預報精度不夠、分辨率不高的問題。為了更好的得到預報結果，對于風暴潮的集合預報研究非常有必要，本文著重于介紹集合預報的發展現狀，同時對有關風暴潮的集合預報作了初步的探討，最后對風暴潮集合預報的發展前景作了一些思考。

2.國外集合預報研究進展

2.1 初值的不確定性研究

國際上從上世紀70年代開始集合預報研究，到90年代才開始業務化。最初的集合預報主要是針對于初值擾動的集合，關于初值擾動生成主要有以下幾種方法：Monte Carlo隨機擾動法、時間滯后平均法（LAF）、加拿大的觀測擾動技術（PO）以及奇異向量法(SV)和增長模繁殖法(BGM)等。

2.2 物理不確定性研究

隨著集合預報的發展，初值擾動技術越來越成熟，再加上近年來觀測技術和觀測水平不斷提高，初值越來越準確。人們開始把預報中模式的不確定性考慮進來，由于模式是物理過程的近似反映，其誤差是不能避免的，因此考慮模式的不確定性是很有必要的，這也就是所謂的物理集合?？紤]物理不確定性的集合預報系統大致有兩大類。第一類是用單一模式，對該模式物理過程中的一些不確定參數在一定合理的范圍內隨機地變化,或者任意選用不同的參數化方案[5，6]。第二類就是“多模式集合預報”，這一方法就是同時使用兩個或兩個以上的模式，每個模式都有其自身的子集合預報系統，然后把這幾個子集合預報加在一起成為總集合預報（也有人稱為“超級集合預報”）。

當然,在集合預報的具體實現中,為更完備地體現預報中的各種不確定性,可以同時使用初值集合、物理集合和多模式集合中的一種或幾種。

3.國內集合預報研究進展

集合預報自上世紀90年代在國際上投入業務運行以來，其相比于確定性預報的優勢隨著集合技術的發展愈加明顯。我國也從90年代中期開始對集合預報技術進行了大量的研究，雖然同發達國家相比，我國集合預報發展起步較晚，但是十幾年以來的發展速度還是比較快的，下面就將我國集合預報的現狀在預報要素分類的基礎上做一簡要介紹。

3.1 降水集合預報

國家氣象中心在1995年安裝了從美國進口的IBM/SP2巨型并行計算機，為我國開展集合數值預報提高了必要的客觀條件，并于1996年5月下旬開始，以原有的動力延伸預報為基礎，開發建立了第一代中期集合數值預報系統。之后在此基礎上，建立了第三代中期集合數值預報系統。該系統于1999年年底投入準業務運營，并在不斷改進完善之中[7]。

陳靜、薛紀善、顏宏[8]利用非靜力MM5模式，分析了不同積云對流參數化方案對華南暖區暴雨數值預報的不確定性影響，進行了中尺度暴雨模式擾動集合預報試驗。

譚燕、陳德輝[9]以GRAPES中尺度有限區域作為試驗模式，從模式的不確定性方面來構造中尺度的集合預報，重點考慮物理因子與初始條件的擾動作用。

3.2 熱帶氣旋路徑集合預報

張慶紅、張春喜、張中鋒等[10]綜合考慮了數值天氣預報過程的兩種不確定性：初值和模式的不確定性，建立了一個擁有20個成員的中尺度集合預報系統來模擬1997年熱帶氣旋Danny的路徑和對流系統。

王晨稀、梁旭東[11]以MM5模式為試驗模式，分別用增長模繁殖法（BGM）和模式物理過程擾動法（PHY）形成12個集合成員，對2005年登陸我國的8個熱帶氣旋進行了52次路徑集合預報試驗，以尋找適合西北太平洋熱帶氣旋的集合預報方法。

3.3 氣候變化集合預報

袁重光、趙彥等[12]介紹了氣候預測中的集合方法，考慮了天氣與氣候預測有不同的特點，其集合方法、目的也有所不同，由此也對集合方法在氣候預報中的應用提出了一些建議。

趙彥，郭裕福[13]利用中科院大氣物理研究所IAPL2AGCM1.1模式18年的集合后報試驗結果，討論了短期氣候數值預報中的個數問題。

3.4 溫度集合預報

國家氣象中心的趙聲蓉[14]基于中國國家氣象中心T213模式、德國氣象局業務模式和日本氣象廳業務模式2m高溫度預報，利用神經網絡方法中的BP網絡建立了我國600多個站的溫度集成預報系統，該預報系統的預報時效為72h，間隔為3h。從總體情況看，預報誤差還存在日變化，一般來講，夜間的預報誤差小于白天。

綜合我國集合預報現狀可以看出，在集合預報要素方面，主要是對大氣要素如降水、熱帶氣旋路徑、氣候、溫度等進行預測研究。在集合預報時效上，主要是從中期和月動力延伸預報、短期氣候、短期天氣預報進行集合研究。在集合預報擾動方法上，對初值擾動、單模式物理過程及邊界強迫擾動、多模式多初值擾動都有研究。

4.風暴潮集合預報的研究進展

風暴潮是來自海上的一種巨大的自然界災害現象。它是指由于強烈的大氣擾動—如熱帶氣旋、溫帶氣旋、暴發性氣旋等天氣系統所伴隨的強風和氣壓驟變所引起的海面異常升高的現象。它若和通常的天文潮，特別是天文大潮、高潮階段疊加，往往會使其影響所及的海域水位暴漲、浪毀坡堤、乃至海水浸溢內陸，釀成巨災。

為了提高風暴潮預報水平，除了采取改進觀測手段、改進預報模式、提高分辨率等方法外，我們還可以應用集合預報的方法。由于風暴潮絕大部分是由熱帶氣旋引起的，在風暴潮預報模式一定的基礎上，熱帶氣旋的路徑預報直接關系到風暴潮預報的準確與否。因此，風暴潮集合預報是由風暴潮數值預報模式同熱帶氣旋路徑集合預報模式耦合而成的。

目前國家海洋環境預測中心利用國家“十一五”科技攻關開發了臺風風暴潮集合預報模式，并已經業務化，它是在業務化臺風風暴潮數值預報模式的基礎上發展而來的，模式集合多條臺風預測路徑，計算最大可能情況下的風暴增減水極值。付翔、董劍希等[15]利用此集合預報模式對0814號強臺風“黑格比”風暴潮進行了分析與數值模擬，并同業務化的臺風風暴潮數值預報模式結果進行了比較。結果顯示：集合預報的誤差比業務化數值預報的誤差明顯降低，但在對臺風路徑敏感的站點，集合預報的精度與臺風路徑預報的準確率有關，具體相關關系還有待于進一步分析。

5.結束語

本文簡要介紹了集合預報的概念及國內外集合預報的研究進展情況，特別是對風暴潮集合預報提出了自己的一些淺見。同世界發達國家相比，我國的集合預報研究起步較晚，但通過十幾年的發展，在借鑒國外先進經驗的基礎上，我國在集合預報的研究上取得了很大的成就。展望未來，集合預報在天氣預報業務系統中的地位和作用會更加重要，如何能更好地讓集合預報服務于經濟社會建設、造福人類，是每一個氣象工作者的職責所在，我們認為應從以下幾個方面進行考慮：

（1）加大對極端天氣的集合預報能力，對不同的極端天氣采取不同的集合方法來提高集合預報系統對極端天氣事件的預報能力。

（2）不斷拓寬集合數值預報領域，從最初的全球中期集合預報延伸到有限區域短期天氣預報、月季年短期氣候預測以及將集合預報直接與應用模式相聯系，開發對天氣敏感的農業商業與人類活動的定量概率預報工具。

（3）對集合預報產品的信息提取問題做進一步的研究，同時對集合預報產品的解釋應用與影響我國的實際天氣、氣候系統結合起來考慮，使之更有針對性。

（4）除了對集合預報新技術加大研發力度外，還要對數值計算所需的平臺如計算機和數值計算模式的發展投入很大心血，集合預報、數值模式、計算機三者相輔相成、共同發展才能更大的發揮出數值預報的水平。

[1]Lorenz E N.A study of the predictability of a 28-variable atmospheric model.Tellus,1965,17:321-333

[2]Epstein E S.Stochastic dynamic prediction.Tellus, 1969, 21,739-759.

[3]Leith C E.Theoretical skill of Monte Carlo forecasts.Mon.Wea.Rev.1974,102:409-418.

[4]胡楊.氣象集合預報應用網格.中國科技成果.2007.08.52.

[5]Houtekamer P L,Lefaivre L,Derome Jets al.A system simulation approach to ensemble prediction.Mon.Wea Rev., 1996,124:1225-1242

[6]Stensrud D J,Bao J,Warner T.Using initial condition and model physics perturbation in short-range ensemble simulations of mesoscale connective system.Mon.Wea Rev., 2000, 128:2077-2107.

[7]李澤椿，陳德輝.國家氣象中心集合數值預報業務系統的發展及應用[J].應用氣象學報.2002，13(1)：1-15

[8]陳靜，薛紀善，顏宏.華南中尺度暴雨數值預報的不確定性與集合預報試驗.氣象學報.2003，61（4）：432-446

[9]譚燕，陳德輝.基于非靜力模式物理擾動的中尺度集合預報試驗.應用氣象學報.2007，18（3）：396-407

[10]張慶紅，張春喜，張中鋒 等.熱帶氣旋集合預報中的不確定性研究.地球物理學報.2007，50（3）：701-706

[11]王晨稀，梁旭東.熱帶氣旋路徑集合預報試驗.應用氣象學報.2007，18（5）：586-593

[12]袁重光,趙彥.氣候預測中的集合方法初探.大氣科學.2000,24(2):207～214

[13]趙彥,郭裕福.短期氣候數值預報中的集合個數問題.大氣科學.2002,26(2):279～287

[14]趙聲蓉.多模式溫度集成預報.應用氣象學報.2006，17（1）：52-58

[15]付翔，董劍希 等.0814號強臺風“黑格比”風暴潮分析與數值模擬.海洋預報.2009，26（4）：68-75

The Evolvement of Research And Review About The Ensemble Forecast Of Storm Surge

Bai Ya-Zhou Li Xun-Qiang Zheng Chong-Wei Zheng You-Hua
Institute of Meteorology, PLA Univ,of Sci.&Tech., NanJing 211101.China

This paper briefly gives the concept of the Ensemble Forecast and introduces the domestic and international research progress; The progress about international Ensemble Forecast is major considered from the perturbation of initial value and the perturbation of physics.The progress about domestic Ensemble Forecast is major considered from the forecasting factors.In paper, The author bring forward some views about the Ensemble Forecast of storm surge that author cares for.At last the author give own thought about foreground of Ensemble Forecast.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.04.006

“十一五”國家科技支撐計劃重點項目“重大海洋災害預警及應急技術研究”中的01課題“近海重大海洋災害預警技術研究”

柏亞周，1984年出生，男，河北蠡縣人，解放軍理工大學氣象學院研究生三隊，在讀碩士研究生。

李訓強，1962年出生，男，江蘇睢寧人，解放軍理工大學氣象學院海洋與空間環境系物理教研室主任，副教授，碩士生導師。

集合預報；風暴潮；初值擾動；數值模式