渦旋初始化對T639模式熱帶氣旋路徑預報影響的數值試驗

吳 俞, 麻素紅, 瞿安祥, 張永莉

(1.海南省氣象臺,海南?？?70203;2.中國氣象局數值預報中心,北京 100081;3.成都信息工程學院,四川成都610225)

0 引言

隨著觀測技術的發展,氣象觀測資料越來越豐富,但對臺風的觀測資料依然存在明顯的不足,譬如海洋上沒有探空資料,QuikSCAT衛星表層風的觀測資料受降水污染,衛星紅外輻射資料受云污染,大尺度分析場中的初始渦旋通常偏弱或有位置偏差等,臺風模式初始條件的不足嚴重影響了臺風預報的準確性。因而在業務上針對臺風強度弱且位置不準確,國內外的解決辦法基本上是消除弱且不準確的擾動渦旋場,然后根據觀測信息和經驗公式構造出一個三維渦旋環流場并嵌入模式初始分析場,其Bogus方法宗旨是設計一個軸對稱臺風渦旋并加入某種能表征臺風及其環流氣流運動的非對稱分量。這種臺風模型初始化方案使臺風路徑的預報水平有了較大的提高[1-7]。

國家氣象中心的TC(熱帶氣旋的簡稱)初始化方案也做了較大的改進[8-9],設計和發展了一套新的TC初始化業務方案,主要由初始渦旋形成、渦旋重定位和渦旋調整3部分組成,它有效地解決了目前業務中由于TC觀測資料缺失而造成的初始TC渦旋形成問題。業務中T213和T639模式的渦旋初始化過程基本相似,但略有差異,即實際業務運行中在渦旋初始化的初始渦旋形成環節T639模式并不像T213模式一樣將構造好的Bogus渦旋先利用模式進行36h數值積分預報,再從各個時次的預報場中挑選出一個與觀測分析的TC特征數據最接近的渦旋環流系統,最后從中分離出來嵌入到最初的背景場中形成初始的TC渦旋環流,而是采用傳統的人造Bogus方案[10-12]形成初始渦旋環流。盡管在模式預報中加入渦旋初始化能改進TC路徑預報,但在構造Bogus渦旋時,難免不代入人為給定的TC常數,比如七級風半徑、渦旋最外圍閉合半徑及環境氣壓等等,同時還由于風速半徑的觀測和計算都有誤差,這些人為的主觀因素和儀器的客觀因素使模式對有些個例的預報偏差明顯偏大,因此還需要深入研究渦旋初始化問題。

文中以T639模式的渦旋初始化為重點,采用和T213模式同樣的初始渦旋形成技術,試驗是否對TC路徑預報有所改進。最后從構造Bogus的特定參數出發,先對比其初始場與ECMWF初始場的差異,確定最可能影響TC路徑預報的因子,再通過數值試驗探討這些因子對TC路徑預報的影響程度。

1 T639模式TC路徑預報業務流程簡介

重點介紹實時業務中T639模式TC路徑預報流程,如圖1所示,以00時(世界時,下同)預報為例,由于實時業務中各種觀測資料的獲得都比實際業務預報時間延后,假設到04時才能獲取70%的觀測資料,為了提供較為及時的預報,模式以04時的觀測資料進入同化系統作為00時刻的TC路徑預報。但同化70%的觀測資料不能更好地為下一預報時次(06時)提供最優的模式背景場(00時的6小時預報場),假設到07時能獲得所有觀測到的資料,則業務中將在獲取所有觀測資料的時刻重新作00時的模式預報,但該過程不進行TC路徑預報,僅僅為下一時次(12時)預報提供6小時預報背景場。綜上介紹,簡單講T639包括兩個循環過程:(1)預報循環過程;(2)同化循環過程。在預報循環過程中,所用的6小時預報背景場進行了渦旋初始化,所用的觀測資料僅為總資料的70%,分別在00時和12時進行兩次TC路徑預報。而同化循環過程所用的6小時預報背景場也進行了渦旋初始化,所用觀測資料為100%,分別在06時和18時為00時和12時提供預報背景場。

圖1 T639模式熱帶氣旋路徑數值預報業務流程

2 渦旋初始化對T639模式TC路徑預報影響的數值試驗

2.1 新渦旋初始化方案的數值試驗

引言中提到T639模式的初始渦旋形成與T213模式的有所差異,文中在T639模式中采用與T213一樣的初始渦旋形成技術進行數值試驗,進一步探討使用新的初始渦旋形成方案對TC路徑預報是否有所改進?

首先新的初始渦旋形成方案是先將構造好的Bogus嵌入到背景場中作為初始場,然后利用模式對這個含有構造渦旋的初始場進行48小時積分預報,這樣在輸出的各個間隔時次的預報場中就會產生一個個演變的TC渦旋環流系統,接下來從各時次的預報場中挑選出一個與觀測分析的TC特征數據最接近的渦旋環流系統,并從預報場中分離出來,將其嵌入到最初的背景場中形成初始的TC渦旋環流系統,最后再進行模式積分預報。新的初始渦旋形成方案在間接依靠Bogus技術的同時,更多是利用了模式來約束積分產生一個渦旋環流系統,相比原來直接嵌入Bogus渦旋而言,新的渦旋環流系統動力屬性與模式本身比較協調,大大減少預報初始積分過程中產生的振蕩問題,同時還能在一定程度上減少人為因素對TC渦旋結構的影響。

圖2 不同方案的路徑預報對比

選取2010年02號臺風康森對原先的與新的初始渦旋形成技術(包括渦旋重定位、渦旋強度調整的初始化方案)進行對比試驗,結果如圖2所示,可以看出隨著時間的增加,新方案預報的路徑較控制試驗(原方案)有向南調整的趨勢。模式對1002號臺風康森的起報時間是2010年7月12日00時,圖3(a)、3(b)分別是原方案和新方案的500hPa高度場,可以看出原方案已經形成了小范圍的閉合等高線,而新方案有氣旋性趨勢但未有閉合等高線,說明新方案對人造Bogus有所調整;圖3(d)的新方案海平面氣壓場中TC渦旋外圍尺度半徑比原方案(圖3c)的也略有擴大;圖3(f)的新方案垂直風場剖面分布(負值對應上升氣流,正值對應下沉氣流)與圖3(e)的原方案相比,可以看出兩者在TC中心附近的垂直上升氣流分布較為相似,但新方案中的下沉氣流范圍及速度較原方案有所擴大與加強。以上的幾點差異會隨著模式的時間積分逐漸擴大,這也是新方案的路徑預報往南調整的原因。最后圖4對比了新方案與原方案在不同預報時效的平均距離誤差,整體而言新方案比原方案要有所改進,說明新方案在一定程度上減少了主觀因素對TC三維結構的影響,更多地依靠模式動力與物理過程在模式預報中產生渦旋環流,這樣產生的渦旋結構不但與周圍環流形勢比較協調,而且渦旋自身的各種物理量在動力屬性上也比較平衡,在某種程度上降低了模式積分過程中對周圍形勢場的負面影響。

圖3 原方案和新方案分別在500hPa高度場、海平面氣壓場和垂直風場的對比

2.2 渦旋初始化中影響TC路徑預報的因子及其敏感性試驗

上述的渦旋初始化試驗可以看出,如果對初始化方案中的某個部分進行改變會對TC路徑預報有所影響。因此只有深入研究初始化方案中可能造成TC路徑預報誤差的因素,才能更好改進初始化方案,提高TC路徑預報水平。因此文中依然從渦旋初始化的每個方案出發,通過敏感性試驗分析影響TC路徑預報的因子。試驗仍以1002號臺風康森為個例。

要找到影響TC路徑預報的因子,首先要從T639模式中加入渦旋初始化后的分析場入手,對比其與ECMWF分析場的異同。圖5(a)是T639模式2010年7月14日00時的分析場,對比同一時次ECMWF的分析場(圖5b)可以看出兩個模式分析場差異較大的天氣系統是TC渦旋。首先從渦旋大小來看,無論高低層渦旋大小(以最外圍閉合等值線的半徑大小衡量),T639模式初始場中TC渦旋都比ECMWF的偏小。另外從高低層高度場配置看,ECMWF分析場中TC渦旋高度場上下配置呈斜壓不對稱分布,而T639中TC渦旋基本呈正壓分布。最后對比兩個模式分析場TC強度的差異,圖6(a)、6(b)分別是T639模式和ECMWF 500hPa及海平面氣壓經過TC中心的高度場剖面圖,從圖中可以看出T639的TC強度比ECMWF中的強,和前面分析一樣TC高低層強度中心的配置ECMWF的要比T639的明顯傾斜。根據兩個分析場的差異,不難發現TC的結構特征和強度偏差很可能與初始化方案有關。由于在初始化中的初始渦旋形成方案在構造Bogus渦旋時是人為給定的TC特征常數,盡管能大體上表征每個TC的基本態,但每一個實際發生的TC差異很大且復雜,人為設置的經驗參數仍不夠客觀。同樣是否必須在TC初始化中進行強度調整也有待探討。

因此主要從初始渦旋形成方案中初步通過改變七級風半徑、渦旋外圍半徑大小參數和有無進行渦旋強度調整方案兩個方面入手進行敏感性試驗,探討不同尺度、不同強度的渦旋對路徑預報的影響程度。

圖4 控制試驗與新方案在不同預報時效的平均距離誤差對比

圖5 T639模式與ECMWF模式500hPa高度和海平面氣壓分析場對比(實線為500hPa高度場,陰影部分為海平面氣壓場)

圖6 2010年7月14日00時經過TC中心的T639和ECMWF模式500hPa高度與海平面氣壓值的分布

根據T639模式渦旋初始化方案一共設計9組試驗,如表1所示,9組試驗分別與控制試驗(包含渦旋初始化的3個部分)做對比。其中試驗 1、試驗3、試驗5、試驗 7、試驗9中都關閉了強度調整方案,從圖7(a)、7(c)、7(e)、7(g)、7(i)可以看出這5組試驗的整體預報路徑都比控制試驗的預報偏“北”(雙引號表示存在移向和移速的共同影響),后期預報的移速也稍微偏快,說明TC的強度的改變會對其路徑造成一定影響,另外試驗5北偏最明顯,反映出對渦旋外圍半徑減小,“北”偏越明顯。而試驗2、試驗4、試驗6、試驗8(圖7b、7d、7f、7h)中都進行了強度調整,預報的路徑整體上比控制試驗的偏“南”或相當,另外在這幾組試驗中試驗2偏“南”最明顯,說明當七級風半徑保持不變,適當增大渦旋最外圍半徑,路徑預報將向“南”調整,且向“南”偏的程度比既增大七級風半徑和增大渦旋外圍半徑(試驗6)要大,這也說明TC路徑對渦旋外圍半徑的大小較為敏感。

表1 試驗設計方案

圖7 不同初始化方案與控制試驗的對比

綜合而言,人為給定的反映TC特征的經驗參數往往會因TC個例的不同而導致不同程度大小的誤差[5-6],通過敏感性試驗發現TC路徑對TC強度和渦旋外圍半徑的大小較敏感。但是也可以看出無論是控制試驗還是敏感性試驗,模式預報TC的路徑與實況相比都是北偏。因此今后在渦旋初始化方案中應尋求避免人為給定臺風常數的方法,盡可能多地引入實際觀測資料,實現既能較好反映TC本身特征,又能與模式本身相協調,達到進一步改善TC路徑預報的目的。

3 結論

通過數值試驗研究渦旋初始化對TC路徑預報的影響得到以下結論:

(1)在渦旋初始化方案中采用新的初始渦旋形成技術對1002號臺風康森進行數值試驗,并對比與原方案的預報差異,得到新方案能在一定程度上減少主觀因素對TC三維結構的影響,更多地依靠模式動力與物理過程在模式預報中產生渦旋環流,降低了模式積分過程中渦旋環流對周圍形勢場的負面影響,從而改進模式預報。

(2)以1002號臺風康森為個例對比T639模式與ECMWF的分析場差異,初步從初始渦旋形成方案中通過改變七級風半徑、渦旋外圍尺度半徑大小參數和有無進行渦旋強度調整方案兩個方面入手進行敏感性試驗,得到TC路徑的預報對TC渦旋外圍半徑和TC強度較敏感,會因渦旋外圍半徑大小和其強度的不同而有所差異。

綜上可以看出好的渦旋初始化方案是提高模式TC路徑預報的有效方法,因此今后的研究仍然是側重如何構造更加客觀的Bogus渦旋,其不僅要與模式本身相協調,還要充分吸收更多的TC觀測資料,達到既能夠反映TC內部的實際結構特征,又能改善TC周圍環流形勢場的預報,最終改善TC的路徑預報。

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