风暴潮集合预报现状及前景展望

柏亚周 李训强 郑崇伟 郑友华

解放军理工大学气象学院，南京 211101

风暴潮集合预报现状及前景展望

柏亚周 李训强 郑崇伟 郑友华

解放军理工大学气象学院，南京 211101

本文简要介绍了集合预报的概念及国内外集合预报的研究进展情况，国外的集合预报研究进展主要是从初值的不确定性和物理的不确定性两方面考虑的。而国内的集合预报研究进展主要是从预报要素出发分几个方面考虑的。文中特别对作者所关心的风暴潮集合预报提出了自己的一些浅见。最后对集合预报的前景做出了自己的思考。

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

1.引言

由于大气是一个高度非线性的混沌系统，因而数值天气预报的结果对初始条件的微小误差非常敏感[1]。Epstein[2](1969)为解决这一问题先在理论上提出了动力随机预报。后来，Leith[3](1974)提出了一个比较适合于实际应用的所谓“蒙特卡罗”预报（Monte Carlo forecating）。经典的集合预报基本上就是基于这一蒙特卡罗预报概念的。

集合预报自上世纪90年代发展至今，已经取得了很多重要成果。世界气象组织已明确把集合预报、资料同化、耦合模式和高分辨率确定性数值模式列为四个最重要的数值天气预报技术[4]。

目前关于集合预报的文章有很大一部分比例是着重于大气方面的，而对于一些海洋灾害现象比如海浪、风暴潮的集合预报研究比较落后，特别是风暴潮对我国东南沿海发达地区危害已呈逐年加重的趋势，对风暴潮的准确预报关系到这些地区的社会经济发展，虽然现在风暴潮确定性预报已经取得了很大进步，但还存在预报精度不够、分辨率不高的问题。为了更好的得到预报结果，对于风暴潮的集合预报研究非常有必要，本文着重于介绍集合预报的发展现状，同时对有关风暴潮的集合预报作了初步的探讨，最后对风暴潮集合预报的发展前景作了一些思考。

2.国外集合预报研究进展

2.1 初值的不确定性研究

国际上从上世纪70年代开始集合预报研究，到90年代才开始业务化。最初的集合预报主要是针对于初值扰动的集合，关于初值扰动生成主要有以下几种方法：Monte Carlo随机扰动法、时间滞后平均法（LAF）、加拿大的观测扰动技术（PO）以及奇异向量法(SV)和增长模繁殖法(BGM)等。

2.2 物理不确定性研究

随着集合预报的发展，初值扰动技术越来越成熟，再加上近年来观测技术和观测水平不断提高，初值越来越准确。人们开始把预报中模式的不确定性考虑进来，由于模式是物理过程的近似反映，其误差是不能避免的，因此考虑模式的不确定性是很有必要的，这也就是所谓的物理集合。考虑物理不确定性的集合预报系统大致有两大类。第一类是用单一模式，对该模式物理过程中的一些不确定参数在一定合理的范围内随机地变化,或者任意选用不同的参数化方案[5，6]。第二类就是“多模式集合预报”，这一方法就是同时使用两个或两个以上的模式，每个模式都有其自身的子集合预报系统，然后把这几个子集合预报加在一起成为总集合预报（也有人称为“超级集合预报”）。

当然,在集合预报的具体实现中,为更完备地体现预报中的各种不确定性,可以同时使用初值集合、物理集合和多模式集合中的一种或几种。

3.国内集合预报研究进展

集合预报自上世纪90年代在国际上投入业务运行以来，其相比于确定性预报的优势随着集合技术的发展愈加明显。我国也从90年代中期开始对集合预报技术进行了大量的研究，虽然同发达国家相比，我国集合预报发展起步较晚，但是十几年以来的发展速度还是比较快的，下面就将我国集合预报的现状在预报要素分类的基础上做一简要介绍。

3.1 降水集合预报

国家气象中心在1995年安装了从美国进口的IBM/SP2巨型并行计算机，为我国开展集合数值预报提高了必要的客观条件，并于1996年5月下旬开始，以原有的动力延伸预报为基础，开发建立了第一代中期集合数值预报系统。之后在此基础上，建立了第三代中期集合数值预报系统。该系统于1999年年底投入准业务运营，并在不断改进完善之中[7]。

陈静、薛纪善、颜宏[8]利用非静力MM5模式，分析了不同积云对流参数化方案对华南暖区暴雨数值预报的不确定性影响，进行了中尺度暴雨模式扰动集合预报试验。

谭燕、陈德辉[9]以GRAPES中尺度有限区域作为试验模式，从模式的不确定性方面来构造中尺度的集合预报，重点考虑物理因子与初始条件的扰动作用。

3.2 热带气旋路径集合预报

张庆红、张春喜、张中锋等[10]综合考虑了数值天气预报过程的两种不确定性：初值和模式的不确定性，建立了一个拥有20个成员的中尺度集合预报系统来模拟1997年热带气旋Danny的路径和对流系统。

王晨稀、梁旭东[11]以MM5模式为试验模式，分别用增长模繁殖法（BGM）和模式物理过程扰动法（PHY）形成12个集合成员，对2005年登陆我国的8个热带气旋进行了52次路径集合预报试验，以寻找适合西北太平洋热带气旋的集合预报方法。

3.3 气候变化集合预报

袁重光、赵彦等[12]介绍了气候预测中的集合方法，考虑了天气与气候预测有不同的特点，其集合方法、目的也有所不同，由此也对集合方法在气候预报中的应用提出了一些建议。

赵彦，郭裕福[13]利用中科院大气物理研究所IAPL2AGCM1.1模式18年的集合后报试验结果，讨论了短期气候数值预报中的个数问题。

3.4 温度集合预报

国家气象中心的赵声蓉[14]基于中国国家气象中心T213模式、德国气象局业务模式和日本气象厅业务模式2m高温度预报，利用神经网络方法中的BP网络建立了我国600多个站的温度集成预报系统，该预报系统的预报时效为72h，间隔为3h。从总体情况看，预报误差还存在日变化，一般来讲，夜间的预报误差小于白天。

综合我国集合预报现状可以看出，在集合预报要素方面，主要是对大气要素如降水、热带气旋路径、气候、温度等进行预测研究。在集合预报时效上，主要是从中期和月动力延伸预报、短期气候、短期天气预报进行集合研究。在集合预报扰动方法上，对初值扰动、单模式物理过程及边界强迫扰动、多模式多初值扰动都有研究。

4.风暴潮集合预报的研究进展

风暴潮是来自海上的一种巨大的自然界灾害现象。它是指由于强烈的大气扰动—如热带气旋、温带气旋、暴发性气旋等天气系统所伴随的强风和气压骤变所引起的海面异常升高的现象。它若和通常的天文潮，特别是天文大潮、高潮阶段叠加，往往会使其影响所及的海域水位暴涨、浪毁坡堤、乃至海水浸溢内陆，酿成巨灾。

为了提高风暴潮预报水平，除了采取改进观测手段、改进预报模式、提高分辨率等方法外，我们还可以应用集合预报的方法。由于风暴潮绝大部分是由热带气旋引起的，在风暴潮预报模式一定的基础上，热带气旋的路径预报直接关系到风暴潮预报的准确与否。因此，风暴潮集合预报是由风暴潮数值预报模式同热带气旋路径集合预报模式耦合而成的。

目前国家海洋环境预测中心利用国家“十一五”科技攻关开发了台风风暴潮集合预报模式，并已经业务化，它是在业务化台风风暴潮数值预报模式的基础上发展而来的，模式集合多条台风预测路径，计算最大可能情况下的风暴增减水极值。付翔、董剑希等[15]利用此集合预报模式对0814号强台风“黑格比”风暴潮进行了分析与数值模拟，并同业务化的台风风暴潮数值预报模式结果进行了比较。结果显示：集合预报的误差比业务化数值预报的误差明显降低，但在对台风路径敏感的站点，集合预报的精度与台风路径预报的准确率有关，具体相关关系还有待于进一步分析。

5.结束语

本文简要介绍了集合预报的概念及国内外集合预报的研究进展情况，特别是对风暴潮集合预报提出了自己的一些浅见。同世界发达国家相比，我国的集合预报研究起步较晚，但通过十几年的发展，在借鉴国外先进经验的基础上，我国在集合预报的研究上取得了很大的成就。展望未来，集合预报在天气预报业务系统中的地位和作用会更加重要，如何能更好地让集合预报服务于经济社会建设、造福人类，是每一个气象工作者的职责所在，我们认为应从以下几个方面进行考虑：

（1）加大对极端天气的集合预报能力，对不同的极端天气采取不同的集合方法来提高集合预报系统对极端天气事件的预报能力。

（2）不断拓宽集合数值预报领域，从最初的全球中期集合预报延伸到有限区域短期天气预报、月季年短期气候预测以及将集合预报直接与应用模式相联系，开发对天气敏感的农业商业与人类活动的定量概率预报工具。

（3）对集合预报产品的信息提取问题做进一步的研究，同时对集合预报产品的解释应用与影响我国的实际天气、气候系统结合起来考虑，使之更有针对性。

（4）除了对集合预报新技术加大研发力度外，还要对数值计算所需的平台如计算机和数值计算模式的发展投入很大心血，集合预报、数值模式、计算机三者相辅相成、共同发展才能更大的发挥出数值预报的水平。

[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]胡杨.气象集合预报应用网格.中国科技成果.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]李泽椿，陈德辉.国家气象中心集合数值预报业务系统的发展及应用[J].应用气象学报.2002，13(1)：1-15

[8]陈静，薛纪善，颜宏.华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验.气象学报.2003，61（4）：432-446

[9]谭燕，陈德辉.基于非静力模式物理扰动的中尺度集合预报试验.应用气象学报.2007，18（3）：396-407

[10]张庆红，张春喜，张中锋 等.热带气旋集合预报中的不确定性研究.地球物理学报.2007，50（3）：701-706

[11]王晨稀，梁旭东.热带气旋路径集合预报试验.应用气象学报.2007，18（5）：586-593

[12]袁重光,赵彦.气候预测中的集合方法初探.大气科学.2000,24(2):207～214

[13]赵彦,郭裕福.短期气候数值预报中的集合个数问题.大气科学.2002,26(2):279～287

[14]赵声蓉.多模式温度集成预报.应用气象学报.2006，17（1）：52-58

[15]付翔，董剑希 等.0814号强台风“黑格比”风暴潮分析与数值模拟.海洋预报.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”国家科技支撑计划重点项目“重大海洋灾害预警及应急技术研究”中的01课题“近海重大海洋灾害预警技术研究”

柏亚周，1984年出生，男，河北蠡县人，解放军理工大学气象学院研究生三队，在读硕士研究生。

李训强，1962年出生，男，江苏睢宁人，解放军理工大学气象学院海洋与空间环境系物理教研室主任，副教授，硕士生导师。

集合预报；风暴潮；初值扰动；数值模式