2020年西北太平洋和南海臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)精度評(píng)定*

陳國民 楊夢(mèng)琪 張喜平 白莉娜 萬日金 曹 慶

1 中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030 2 中國氣象局臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200030 3 溫州臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325000 4 上海海洋中心氣象臺(tái)，上海 200030

提 要： 對(duì)2020年西北太平洋和南海海域23個(gè)編號(hào)臺(tái)風(fēng)的定位定強(qiáng)精度以及路徑、強(qiáng)度、登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)精度進(jìn)行了評(píng)定。評(píng)定結(jié)果表明：2020年，中央氣象臺(tái)的平均定位誤差為22.7 km，平均定強(qiáng)誤差為1.3 m·s-1，與2019年相比定位誤差略偏大，定強(qiáng)誤差則略偏小。自2013年以來，72 h以內(nèi)的主觀和客觀臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)性能并沒有實(shí)質(zhì)性改進(jìn)，并且到了2020年，路徑預(yù)報(bào)誤差極端偏大樣本的誤差平均值卻仍能達(dá)到年平均誤差的2.3～3.0倍。中央氣象臺(tái)在72 h以內(nèi)的強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能位居所有官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的前列。2020年各預(yù)報(bào)方法較成功地預(yù)報(bào)出了熱帶風(fēng)暴鸚鵡在廣東陽江海陵島的登陸點(diǎn)，部分模式也精準(zhǔn)預(yù)報(bào)出了強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比在浙江樂清以及強(qiáng)熱帶風(fēng)暴浪卡在海南瓊海的24 h登陸點(diǎn)。

引 言

2020年西北太平洋和我國南海共有23個(gè)編號(hào)臺(tái)風(fēng)生成，較常年(1981—2010年的氣候平均值為25.5 個(gè))偏少2.5個(gè)，生命史最大強(qiáng)度達(dá)到熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)的臺(tái)風(fēng)數(shù)量分別為5、5、5、5和3個(gè)。2020年中央氣象臺(tái)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中發(fā)布共有5次臺(tái)風(fēng)登陸我國，分別為2002號(hào)熱帶風(fēng)暴鸚鵡、2004號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比、2006號(hào)臺(tái)風(fēng)米克拉、2007號(hào)臺(tái)風(fēng)海高斯和2016號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴浪卡。而第九屆全國臺(tái)風(fēng)及海域氣象專家工作組第三次會(huì)議通過了對(duì)2003號(hào)熱帶風(fēng)暴森拉克路徑修正的提議，新增“森拉克”在海南省萬寧市的登陸點(diǎn)，登陸時(shí)間為2020年8月1日07:15。因此，在上海臺(tái)風(fēng)研究所整編的熱帶氣旋年鑒中，2020年有6個(gè)編號(hào)臺(tái)風(fēng)在我國登陸，登陸臺(tái)風(fēng)數(shù)量較常年(1981—2010年氣候平均值7.2個(gè))偏少1.2個(gè)。

為了對(duì)西北太平洋和我國南海的臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行預(yù)報(bào)性能分析，陳國民等(2012；2013；2015；2017；2018；2019；2021)、陳國民和曹慶(2014)每年會(huì)針對(duì)各類官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)、確定性預(yù)報(bào)方法(包括全球模式、區(qū)域模式和統(tǒng)計(jì)方法)、集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)發(fā)布的臺(tái)風(fēng)定位定強(qiáng)結(jié)果以及路徑、強(qiáng)度、登陸點(diǎn)等預(yù)報(bào)結(jié)果，以中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所整編的臺(tái)風(fēng)最佳路徑數(shù)據(jù)(中國氣象局熱帶氣旋資料中心，http:∥tcdata.typhoon.org.cn/index.html；Ying et al, 2014)為基準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)報(bào)精度評(píng)定。臺(tái)風(fēng)定位定強(qiáng)誤差、路徑、強(qiáng)度和登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均以2012年出版的《臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)和服務(wù)規(guī)定》(中國氣象局，2012)規(guī)定的臺(tái)風(fēng)分析和預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定方法作為參考依據(jù)。本文對(duì)2020年西北太平洋和南海海域內(nèi)23個(gè)編號(hào)臺(tái)風(fēng)的定位定強(qiáng)精度以及路徑、強(qiáng)度、登陸點(diǎn)的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行評(píng)定和分析。

1 臺(tái)風(fēng)定位和定強(qiáng)精度

臺(tái)風(fēng)定位和定強(qiáng)是臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，臺(tái)風(fēng)定位定強(qiáng)的精度不僅影響臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)，也會(huì)影響到臺(tái)風(fēng)大風(fēng)、暴雨乃至風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性(錢傳海等，2012)。目前西北太平洋各主要官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)(包括我國中央氣象臺(tái)、日本氣象廳、美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心、韓國氣象廳、香港天文臺(tái)等)主要依據(jù)Dvorak技術(shù)(Dvorak，1975；1984；1995)來確定臺(tái)風(fēng)中心位置和強(qiáng)度(劉喆等，2007)。表1是官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)對(duì)2020年全部23個(gè)臺(tái)風(fēng)的定位和定強(qiáng)次數(shù)，及對(duì)應(yīng)的定位和定強(qiáng)全年平均誤差。五個(gè)官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的平均定位誤差均超過了20 km，較2019年略偏大，其中平均定位誤差最小的是中央氣象臺(tái)(22.7 km)，較2019年的17.5 km偏大5.2 km；平均定強(qiáng)誤差最小的是中央氣象臺(tái)(1.2 m·s-1)，略小于2019年的1.3 m·s-1。

表1 2020年官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的平均定位和定強(qiáng)誤差Table 1 Mean positioning and intensity estimation errors of official typhoon forecast agencies in 2020

2020年中央氣象臺(tái)業(yè)務(wù)定位誤差超過100 km的樣本集中出現(xiàn)在2011號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴紅霞、2012號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴白海豚、2013號(hào)臺(tái)風(fēng)鯨魚、2019號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)天鵝(圖1a)。其中2020年11月1日20時(shí)至2日08時(shí)，“天鵝”穿過菲律賓進(jìn)入到我國南海中東部海域時(shí)，強(qiáng)度逐漸減弱，路徑略有北折，期間中央氣象臺(tái)連續(xù)3次的定位誤差均超過了100 km。“鯨魚”則是由于生成初期強(qiáng)度較弱、結(jié)構(gòu)松散，給臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)定位帶來了一定挑戰(zhàn)，從而造成了較大的定位誤差。導(dǎo)致“白海豚”停編之前的幾次定位偏差較大的原因是它移動(dòng)到日本南部海域后，受中高緯度較大垂直風(fēng)切變的影響，臺(tái)風(fēng)低層中心被高層云系遮蓋，影響了業(yè)務(wù)定位的準(zhǔn)確性。“紅霞”定位誤差較大的原因是它臨近登陸越南時(shí)，強(qiáng)度迅速減弱，中心難以判斷，對(duì)業(yè)務(wù)定位造成了干擾。

圖1 中央氣象臺(tái)對(duì)2020年23個(gè)臺(tái)風(fēng)的定位誤差(a)和定強(qiáng)誤差(b)分布Fig.1 Distributions of positioning errors (a) and intensity estimation errors (b) of China National Meteorological Centre for 23 typhoons in 2020

上述定位誤差較大的樣本共同特征是臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較弱，且處于遠(yuǎn)海或鄰國海域，業(yè)務(wù)定位工作僅能基于衛(wèi)星資料，無法得到實(shí)時(shí)的地面觀測(cè)或雷達(dá)資料做為參考。反觀2020年近海和登陸我國的臺(tái)風(fēng)，在我國沿海高密度地面觀測(cè)站資料和雷達(dá)資料的支撐下，定位誤差基本都在10 km以下。

2020年，中央氣象臺(tái)業(yè)務(wù)定強(qiáng)明顯偏弱的樣本集中出現(xiàn)在進(jìn)入東海后的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比、登陸前的臺(tái)風(fēng)米克拉、變性為溫帶氣旋之前的臺(tái)風(fēng)鯨魚和生成初期的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)天鵝，而對(duì)于“鸚鵡”和“海高斯”在登陸廣東之前的幾次業(yè)務(wù)定強(qiáng)則略偏強(qiáng)。

2 臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差

2.1 確定性預(yù)報(bào)

2020年，中央氣象臺(tái)、日本氣象廳、美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心、韓國氣象廳和香港天文臺(tái)五個(gè)官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的24、48、72、96和120 h平均路徑預(yù)報(bào)誤差和樣本數(shù)信息列于表2。2020年，除韓國氣象廳外，其余四個(gè)官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的24 h平均路徑預(yù)報(bào)誤差均小于75 km。五個(gè)官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)在48、72、96和120 h平均路徑預(yù)報(bào)誤差結(jié)果較為接近，誤差區(qū)間分別在117.4～131.3、174.0～185.5、217.4～232.3和286.0～297.6 km范圍內(nèi)。

表2 2020年官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)不同預(yù)報(bào)時(shí)效的平均路徑預(yù)報(bào)誤差Table 2 Average track errors with various lead times of official typhoon forecast agencies in 2020

2020年官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)72 h以內(nèi)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)性能整體較2019年略有提升(圖2a～2c)，不過從圖2a～2c中也可以看出官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的24、48和72 h路徑預(yù)報(bào)誤差自2013年起分別向下突破100、150和250 km整數(shù)關(guān)口，但從2015年開始整體的路徑預(yù)報(bào)性能并沒有顯著改善。

圖2 歷年來24 h(a，d)、48 h(b，e)和72 h(c，f)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差趨勢(shì)(a，b，c)官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)，(d，e，f)全球和區(qū)域模式Fig.2 Evolutions of historical typhoon track forecast errors in 24 h (a, d), 48 h (b, e) and 72 h (c, f) forecasts(a, b, c) official typhoon forecast agencies, (d, e, f) global and regional models

表3給出的是2020年包括全球和區(qū)域模式在內(nèi)的客觀路徑預(yù)報(bào)方法的24、48、72、96和120 h平均路徑預(yù)報(bào)誤差和樣本數(shù)。從表3中可以看到，歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(European Centre for Medium-Range Weather Forecast-Integrated Forecast System, ECMWF-IFS)在各預(yù)報(bào)時(shí)效上的平均路徑預(yù)報(bào)誤差均小于其余全球模式。美國國家環(huán)境研究中心全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(National Centers for Environmental Prediction-Global Forecast System, NCEP-GFS)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)綜合性能則僅次于ECMWF-IFS。

表3 2020年客觀預(yù)報(bào)方法不同時(shí)效的平均路徑預(yù)報(bào)誤差(單位：km)Table 3 Average track errors at various lead times of objective forecast methods in 2020 (unit: km)

區(qū)域模式方面，24 h和48 h平均路徑誤差最小的預(yù)報(bào)方法是上海臺(tái)風(fēng)模式，分別為60.8 km和111.1 km；72 h誤差最小的則是廣州數(shù)值，為173.4 km。目前，僅CMA-TYM(原GRAPES-TYM)和HWRF這兩個(gè)區(qū)域模式提供72 h以上的預(yù)報(bào)結(jié)果，其中HWRF的96 h和120 h路徑預(yù)報(bào)誤差分別達(dá)到263.3 km和313.1 km，與全球模式的路徑預(yù)報(bào)性能較為接近。

圖2d～2f分別展示了全球和區(qū)域模多年來24、48和72 h平均路徑預(yù)報(bào)誤差演變趨勢(shì)。從圖2d～2f中可以發(fā)現(xiàn)，模式的路徑預(yù)報(bào)性能在2013年之前每年都有較大幅度的改進(jìn)，但2013年之后預(yù)報(bào)性能并沒有實(shí)質(zhì)性突破。由于模式結(jié)果是官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)發(fā)布預(yù)報(bào)結(jié)果的重要參考，因此近幾年來模式的路徑預(yù)報(bào)整體性能停滯不前是導(dǎo)致官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)路徑預(yù)報(bào)水平?jīng)]有顯著提高的主要原因。

在官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)、全球和區(qū)域模式的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)整體性能趨于平穩(wěn)的大背景下，各預(yù)報(bào)方法每年仍然存在不少路徑預(yù)報(bào)偏差較大的預(yù)報(bào)樣本。若將各預(yù)報(bào)方法的路徑預(yù)報(bào)誤差排名前10%的樣本定義為路徑預(yù)報(bào)誤差極端偏大樣本，那么各預(yù)報(bào)方法的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差極端偏大樣本的誤差平均值普遍是其年平均路徑誤差的2.3～3.0倍(圖3)。香港天文臺(tái)的48 h極端偏大樣本平均值達(dá)到了年平均誤差的3.05倍，而ECMWF-IFS的72 h極端偏大樣本平均值更是達(dá)到了年平均誤差的3.34倍。

圖3 2020年各預(yù)報(bào)方法24 h(a)、48 h(b)和72 h(c)路徑預(yù)報(bào)全年平均誤差和10%極端誤差樣本的平均值Fig.3 The annual mean errors of typhoon track forecasts with 24 h (a), 48 h (b) and 72 h (c) lead times and the mean errors of 10% extreme track forecast samples by each forecast method in 2020

2.2 集合預(yù)報(bào)

最近幾年，隨著集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)精度不斷提高(Leonardo and Colle，2017)，集合路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)和服務(wù)中。圖4 展示的是2020年歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(ECMWF-EPS)、日本氣象廳全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(JMA-GEPS)、美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心全球集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NCEP-GEFS)、英國氣象局集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(UKMO-EPS)、加拿大氣象局集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(MSC-CENS)以及上海臺(tái)風(fēng)研究所臺(tái)風(fēng)集合同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(STI-TEDAPS)對(duì)于23個(gè)臺(tái)風(fēng)的集合平均路徑預(yù)報(bào)誤差(非同樣本比較)。從圖4中可以看到，國內(nèi)外優(yōu)秀的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在24、48、72、96和120 h預(yù)報(bào)時(shí)效上的集合平均路徑預(yù)報(bào)誤差能控制在80、130、200、300和400 km以內(nèi)。不過集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)的路徑預(yù)報(bào)性能兩極分化比較嚴(yán)重，綜合來看，2020年ECMWF-EPS和NCPE-GEFS表現(xiàn)優(yōu)異，而JMA-GEPS和MSC-CENS表現(xiàn)較差。通過對(duì)比各機(jī)構(gòu)的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)集合平均路徑預(yù)報(bào)誤差與確定性預(yù)報(bào)模式路徑預(yù)報(bào)誤差后發(fā)現(xiàn)(表略)，2020年ECMWF-EPS的集合平均路徑預(yù)報(bào)誤差在24、60、84和96 h上比ECMWF-IFS確定性模式的路徑預(yù)報(bào)誤差要小；NCEP-GEFS的集合平均路徑預(yù)報(bào)誤差在24、36、60、72、84和96 h上比NCEP-GFS確定性模式的路徑預(yù)報(bào)誤差要小；而JMA和UKMO兩個(gè)機(jī)構(gòu)的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)在各預(yù)報(bào)時(shí)效上的集合平均路徑誤差均比其確定性模式的路徑誤差要大。

圖4 2020年集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)集合平均路徑預(yù)報(bào)誤差Fig.4 Ensemble mean track forecast errors of ensemble prediction systems in 2020

考量集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)能力除了使用路徑預(yù)報(bào)誤差這一指標(biāo)外，分析集合離散度也是檢驗(yàn)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)路徑預(yù)報(bào)性能的重要指標(biāo)。基于傳統(tǒng)集合路徑預(yù)報(bào)誤差和集合離散度散點(diǎn)圖，陳國民等(2018；2021)引入雙向分位圖進(jìn)一步分析了集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)集合離散度和路徑預(yù)報(bào)誤差分布特征。在集合路徑預(yù)報(bào)集合離散度和路徑預(yù)報(bào)誤差雙向分位分析圖中，當(dāng)集合離散度大于集合路徑預(yù)報(bào)誤差時(shí)，一般認(rèn)為集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)高估了臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的不確定性，反之亦然。

圖5展示的是2020年6個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)不同預(yù)報(bào)時(shí)效的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)集合離散度和路徑預(yù)報(bào)誤差雙向分位分析結(jié)果。6個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)于2020年臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)主要特征表現(xiàn)如下：首先是以ECMWF-EPS(圖5a)、JMA-GEPS(圖5b)和MSC-CENS(圖5e)為代表的集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，其集合離散度的中位數(shù)值會(huì)逐漸大于集合路徑預(yù)報(bào)誤差中位數(shù)值，這意味著ECMWF-EPS、JMA-GEPS和MSC-CENS高估了2020年臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)不確定性；其次是STI-TEDAPS(圖5f)，雖然該集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)最大的預(yù)報(bào)時(shí)效僅為72 h，但隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增加，集合離散度的中位數(shù)值會(huì)逐漸小于集合路徑預(yù)報(bào)誤差中位數(shù)值，表明STI-TEDAPS低估了2020年臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)不確定性；最后對(duì)于NCEP-GEFS(圖5c)和UKMO-EPS(圖5d)這兩個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)而言，它們的集合離散度和集合路徑預(yù)報(bào)誤差的中位數(shù)值基本相當(dāng)。

圖5 2020年集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)集合離散度和路徑預(yù)報(bào)誤差雙向分位分析(a)ECMWF-EPS，(b)JMA-GEPS，(c)NCEP-GEFS，(d)UKMO-EPS，(e)MSC-CENS，(f)STI-TEDAPSFig.5 Bi-direction quantile analysis chart between typhoon track forecast ensemble spread and position error for ensemble prediction systems in 2020(a)ECMWF-EPS， (b) JMA-GEPS， (c) NCEP-GEFS， (d) UKMO-EPS， (e) MSC-CENS， (f) STI-TEDAPS

3 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差

2020年各官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的主觀預(yù)報(bào)方法強(qiáng)度(指近臺(tái)風(fēng)中心地面最大風(fēng)速，下同)預(yù)報(bào)的平均絕對(duì)誤差、平均均方根誤差及樣本數(shù)列于表4。在計(jì)算強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差之前，各官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的近臺(tái)風(fēng)中心地面最大風(fēng)速預(yù)報(bào)數(shù)值，已按照世界氣象組織發(fā)布的臺(tái)風(fēng)條件下風(fēng)速轉(zhuǎn)換系數(shù)(Harper et al, 2010)，轉(zhuǎn)換成了與上海臺(tái)風(fēng)研究所的西北太平洋臺(tái)風(fēng)最佳路徑制定標(biāo)準(zhǔn)相同的2 min平均風(fēng)速。

表4 2020年官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)不同預(yù)報(bào)時(shí)效的強(qiáng)度平均絕對(duì)誤差Table 4 Average intensity absolute errors of official typhoon forecast agencies in 2020

2020年官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的24 h強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差差別較小，誤差范圍在4.5～4.9 m·s-1；48～120 h強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差出現(xiàn)明顯的分化，48、72、96和120 h強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差最大與最小的機(jī)構(gòu)之間的差值分別達(dá)到1.1、2.3、2.5和3.1 m·s-1。2020年，中央氣象臺(tái)對(duì)于72 h以內(nèi)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能位列五個(gè)官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)第一位或并列第一位，對(duì)于96 h和120 h長(zhǎng)時(shí)效的強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能也高于五個(gè)機(jī)構(gòu)的平均強(qiáng)度預(yù)測(cè)水準(zhǔn)。

表5是2020年客觀預(yù)報(bào)方法(全球和區(qū)域模式)強(qiáng)度預(yù)報(bào)的誤差評(píng)定結(jié)果。從整體上看，區(qū)域模式的強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能要略優(yōu)于全球模式，不過NCEP-GFS卻是24、60、72、84和96 h的強(qiáng)度平均絕對(duì)誤差最小的客觀預(yù)報(bào)方法，其余預(yù)報(bào)時(shí)效上NCEP-GFS的強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差也與優(yōu)秀的強(qiáng)度預(yù)報(bào)模式接近或持平。

表5 2020年客觀預(yù)報(bào)方法不同預(yù)報(bào)時(shí)效的強(qiáng)度平均絕對(duì)誤差(單位：m·s-1;括號(hào)內(nèi)為樣本數(shù),單位:個(gè))Table 5 Average intensity absolute errors with various lead times by objective forecast methods in 2020 (unit: m·s-1, numbers in brackets are samples)

進(jìn)一步分析近10年來臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)年平均誤差趨勢(shì)，可以看到官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)自2011年以來的24 h臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能沒有明顯改進(jìn)(圖6a)，48 h 和72 h的強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差在2017年有了小幅度減小，并在此后三年一直維持著與2017年相當(dāng)?shù)念A(yù)報(bào)性能(圖6b和6c)。全球和區(qū)域模式近年來的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能則呈現(xiàn)出穩(wěn)步提升的態(tài)勢(shì)(圖6d～6f)。

圖6 歷年來24 h(a，d)、48 h(b，e)和72 h(c，f)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)誤差趨勢(shì)(a,b,c)官方主觀臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)方法，(d，e，f)全球和區(qū)域模式Fig.6 Evolutions of typhoon intensity forecast errors in 24 h (a, d), 48 h (b, e) and 72 h (c, f) forecasts (a, b, c) official typhoon forecast agencies, (d, e, f) global and regional models

不過，目前無論是官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的主觀預(yù)報(bào)還是各類模式的客觀預(yù)報(bào)，每年都會(huì)出現(xiàn)大量強(qiáng)度預(yù)報(bào)極端偏弱或偏強(qiáng)的樣本。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，2020年各類預(yù)報(bào)方法的24 h和48 h臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)結(jié)果中，極端偏弱的程度遠(yuǎn)大于極端偏強(qiáng)的程度，而72 h極端偏弱和偏強(qiáng)的程度則相當(dāng)(圖7)。這表明，各預(yù)報(bào)方法容易低估未來48 h以內(nèi)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，特別是臺(tái)風(fēng)處于快速增強(qiáng)階段時(shí)，各預(yù)報(bào)方法往往會(huì)出現(xiàn)重大的強(qiáng)度預(yù)報(bào)負(fù)偏差，即會(huì)嚴(yán)重低估臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度。

圖7 2020年各預(yù)報(bào)方法24 h(a)、48 h(b)和72 h(c)強(qiáng)度預(yù)報(bào)全年平均相對(duì)誤差、平均絕對(duì)誤差和10%極端正(負(fù))誤差樣本平均值Fig.7 The annual mean relative errors and absolute errors of typhoon intensity forecasts with 24 h (a), 48 h (b) and 72 h (c) lead times and the mean errors of 10% positive (negative) extreme intensity forecast samples by each forecast method in 2020

4 臺(tái)風(fēng)登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差

表6給出的是官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)登陸前24 h內(nèi)發(fā)布的路徑預(yù)報(bào)連線與海岸線交叉點(diǎn)相對(duì)于臺(tái)風(fēng)實(shí)際登陸點(diǎn)之間的誤差。2020年，各官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)對(duì)熱帶風(fēng)暴鸚鵡在廣東陽江海陵島的24 h登陸點(diǎn)的整體預(yù)報(bào)效果是最優(yōu)的，其中中央氣象臺(tái)24 h登陸誤差僅為11 km，而誤差最大的美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心，也僅為45.6 km。相較而言，各官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)對(duì)于臺(tái)風(fēng)海高斯在廣東珠海的登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)效果較差，24 h登陸點(diǎn)誤差均在100 km以上，韓國氣象廳的誤差達(dá)到了201.8 km。

表6 2020年官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)24 h登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差(單位：km)Table 6 The 24 h landing point forecast errors of official typhoon forecast agencies in 2020 (unit: km)

對(duì)于全球和區(qū)域模式而言，24 h登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差最小的也是熱帶風(fēng)暴鸚鵡在廣東陽江海陵島的登陸點(diǎn)(表7)。此外，除CMA-TCM(原GRAPES-TCM)外的其他模式能精準(zhǔn)預(yù)報(bào)出強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比在浙江樂清和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴浪卡在海南瓊海的登陸點(diǎn)，其中ECMWF-IFS、廣州數(shù)值和HWRF對(duì)黑格比的24 h登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差僅為0 km，英國數(shù)值和HWRF對(duì)浪卡的24 h登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差也為0 km。

表7 2020年客觀預(yù)報(bào)方法24 h登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差(單位：km)Table 7 The 24 h landing point forecast errors of objective forecast methods in 2020 (unit: km)

5 結(jié) 論

本文對(duì)2020年西北太平洋及我國南海海域臺(tái)風(fēng)定位定強(qiáng)精度及路徑、強(qiáng)度和登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)精度進(jìn)行了評(píng)定，主要結(jié)論如下。

(1)中央氣象臺(tái)對(duì)23個(gè)臺(tái)風(fēng)的平均定位誤差為22.7 km，略小于日本氣象廳、美國聯(lián)合臺(tái)風(fēng)警報(bào)中心、香港天文臺(tái)和韓國氣象廳，但同比2019年的17.5 km，則偏大了5.2 km；而其平均定強(qiáng)誤差為1.2 m·s-1，定強(qiáng)性能略優(yōu)于2019年的1.3 m·s-1。

(2)自2015年以來，無論是官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)還是各類全球或區(qū)域模式對(duì)于72 h以內(nèi)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)性能并沒有實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，且各預(yù)報(bào)方法每年都會(huì)出現(xiàn)不少路徑預(yù)報(bào)誤差極端偏大的樣本，這些樣本的誤差平均值基本達(dá)到了年平均誤差的2.3～3.0倍。

(3)2020年ECMWF-EPS、MSC-CENS和JMA-GEPS三個(gè)集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的增長(zhǎng)，會(huì)逐漸高估臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的不確定性；而STI-TEDAPS則會(huì)低估臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的不確定性；NCEP-GEFS和UKMO-EPS的集合離散度和集合路徑預(yù)報(bào)誤差的中位數(shù)值則基本相當(dāng)。

(4)官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的24 h強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差差別較小，誤差范圍區(qū)間在4.5～4.9 m·s-1；48、72、96和120 h強(qiáng)度預(yù)報(bào)平均絕對(duì)誤差最大與最小的機(jī)構(gòu)之間的差值分別達(dá)到1.1、2.3、2.5和3.1 m·s-1。中央氣象臺(tái)對(duì)于72 h以內(nèi)的短時(shí)效強(qiáng)度預(yù)報(bào)性能位居所有官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)的前列。

(5)各官方臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)和模式，能提前24 h準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出熱帶風(fēng)暴鸚鵡在廣東陽江海陵島的登陸點(diǎn)。此外，ECMWF-IFS、廣州數(shù)值和HWRF對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)黑格比在浙江樂清的24 h登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差僅為0 km，英國數(shù)值和HWRF對(duì)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴浪卡在海南瓊海的24 h登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)誤差也為0 km，體現(xiàn)出了良好的登陸點(diǎn)預(yù)報(bào)性能。