0915号台风“巨爵”不同风场资料对比研究

王文娟，梁昌霞，李广敏，俞胜宾，冯伟忠，吴迪生

（国家海洋局南海预报中心，广东广州 510310）

0915号台风“巨爵”不同风场资料对比研究

王文娟，梁昌霞，李广敏，俞胜宾，冯伟忠，吴迪生

（国家海洋局南海预报中心，广东广州 510310）

0915号台风“巨爵（Koppu）”于2009年9月15日07时在广东台山登陆，给受灾地区人民生命财产安全造成了巨大的损失。为研究台风风场各计算方法的准确度，本文利用多种计算模型，以及海洋站的实测风速，对各方法得到的风场结构、各站最大风速和风速过程曲线等进行了对比分析。结果表明：MM5预报风场在台风中心计算强度偏小，但比NCEP资料结果更接近实况，而对于台风外围风场而言，MM5预报结果在台风左侧比NCEP结果要明显小，在右侧则普遍偏大。采用MM5和经验法进行再构造后的风场结果表明，虽然对于整个风场结果的刻划更加完整，但在量值上，相对于MM5预报风场而言并没有明显改进。结论：本次台风期间MM5模式的预报风场较好，经验法再构造风场对其改进效果不明显。

0915号台风；风场；数值预报；经验计算

1 引言

2009年第15号台风“巨爵”于9月13日凌晨在菲律宾北部海面生成，14日10时加强为强热带风暴，17时加强为台风，15日07时在广东台山登陆，10时减弱为强热带风暴，14时减弱为热带风暴，23时减弱为热带低压，16日08时停止编号。

“巨爵”具有强度变化快、移动快、影响范围广、降雨强度大等特点，其引起的台风风暴潮（含近岸浪）导致广东省、广西壮族自治区和海南省沿海受灾，直接经济损失24.04亿元，死亡（含失踪）19人[1]。

0915号台风期间，我单位利用MM5业务化海洋风场数值预报系统对台风的移动路径、强度变化及登陆地点等进行了预报。综合各种台风风场研究方法[2～4]，针对本次风场结构和风速的预报结果，采用NCEP再分析资料、改进型Jelesnianski（杰氏）经验公式计算风场、MM5预报结果、MM5和改进杰式风场再构造风场、海洋站实测资料，进行对比分析，研究这次预报的准确度，以及各种计算风场方法的利弊，以期找到一种切实可用的方法以便于提高预报精度，进而提高风暴潮和海浪等要素的预报精度，在下一步的工作中进行业务化应用。

2 0915台风发展过程简析

2.1 实况结果

2009年第15号台风“巨爵”于9月13日凌晨在菲律宾北部海面生成，14日02时，其中心位于19.95°N、116.65°E，中心气压996.5 hPa，中心附近最大风力8级（20.7 m/s），台风中心以15.9 km/h左右的速度向西北方向移动，强度逐渐加强。15日00时其中心位置抵达21.2°N，113.6°E，中心气压 965 hPa，近中心最大风速38 m/s，移向WNW，移速增至20 km/h，七级大风圈半径260 km，十级大风圈半径80 km。9月15日02时到达21.4°E，113.30°N，也就是珠江口西北方向约76.68 km附近的海面上，中心气压965 hPa，近中心最大风速38 m/s，相当于风力13级。9月15日07时，台风中心在21.85°N、112.3°E处登陆，登陆时台风中心气压967.5 hPa，近中心最大风速35 m/s，相当于风力12级，登陆后台风继续向西北方向移动，强度逐渐减弱，登陆后11小时，也就是9月15日18时，台风中心移至22.8°N、110.05°E，中心气压升至990 hPa，近中心最大风速降为20 m/s，相当于风力8级，台风强度已经明显减弱，对珠江口的影响也明显减弱（见图1）。

图1 0915号台风移动路径及观测站点位置示意图

2.2 预报结果

2009年9月10日，位于菲律宾东面洋域有一热带云团，我中心MM5业务化海洋风场数值预报系统于9月12日上午开始预报，这一热带气旋逐加强，并进入南海，将在广东省登陆（见图2）。9月13日上午再次预报，0915号热带风暴继续加强，将在珠江口附近登陆（见图2）。

9月14日上午继续进行预报（见图3），预报结果显示0915号台风将于15日07时在珠海至阳江附近登陆。

本次准确预报了0915号台风进入南海的趋势，且对其台风强度变化、移动路径及登陆地段的预报均较好。

3 各方法对风场结构的刻划

3.1 NCEP再分析风场

美国环境预报中心（NCEP）的FNL资料分辨率较高且融合了大量的观测资料及卫星反演资料，被广泛用于数值模式及天气、气候的诊断分析研究中。

本文采用NCEP FNL资料进行0915号台风期间的风场分析，资料分辨率为1°×1°，数据为每6小时一次。图4是利用该资料得到的台风登陆前（9月15日02时）和登陆后（9月15日08时）的风场结构图。需要说明的是，本文中的各种风场资料均采用Cressman插值方法插值到0.1°×0.1°的分辨率后再进行分析。

图中长实线为实际台风移动路径，圆点为该时刻实测台风中心位置（下同）。由图可以看出，NCEP再分析资料能够较准确地反映大范围的风场结构特征，但由于其空间分辨率较低，在台风中心的风场准确度低，对于台风中心的刻划不够清晰，中心风速值显著小于实际风速（15日02时和08时实际最大风速分别为38 m/s和35 m/s，10级大风半径均为80 km）。

3.2 改进型杰式经验风场

经验台风场是利用台风的一些主要参数，如最大风速半径、中心气压、最大风速等，通过经验公式计算得到台风风场。本文在Jelesnianski（杰氏）经验台风计算公式[5]中加入相应的7级和10级大风半径，以更好地反演台风风场。

改进Jelesnianski（杰氏）经验台风计算公式如下：

图2 13日04时（a）和14日04时（b）数值预报结果图

图 3 15日04时（a）和07时（b）数值预报结果图

图4 0915号台风NCEP再分析风场

式中，W为计算点风速，r为台风中心到计算点的距离，u，v为台风移动速度在x，y轴的分量，W10、W7分别是10级，7级风速；WMAX为台风最大风速，R10、R7分别是10级、7级大风半径，由台风资料给出；θ为流入角，在本报告中θ=15º；(xc,yc)为台风中心坐标；(x ,y)为计算点的坐标。

图5 0915号台风改进型杰式经验风场

图6海面10 m高度风场MM5数值预报结果

图7 0915号台风MM5风场与改进型杰式经验风场再构造后的风场结构

利用该计算方法得出的风场结构见图5。由图可见，改进型杰式经验方法可以比较好的模拟台风中心附近的旋转风，但是在离台风中心比较远的地方，由于气旋风场的减小，背景风场的影响增大，在这些区域用经验公式计算的风场与NCEP再分析风场差异较大。

3.3MM5数值预报风场

本中心已实现美国中尺度天气预报模式MM5的业务化运行，每天2次给出逐时风场预报结果，每次预报时效为72小时。利用0915台风期间的数值预报结果，对MM5的预报效果进行分析，15日02时和08时的风场预报结果见图6。

对比图4和图6可知，MM5风场对于台风结构的刻划，较之NCEP再分析风场更为完整，其台风中心和外围刻划都更为细腻。对于外围风场而言，MM5预报风场与NCEP再分析风场有所差别，台风左侧风场，MM5结果比NCEP结果要明显小，而台风右侧风场，MM5模拟结果要大于NCEP结果。MM5模型对于台风路径的预报准确度还不够，以本次台风为例，MM5预报的台风路径比实际位置要偏东北。15日08时，MM5预报的台风中心位置位于22.66°N，113.17°E，实况显示其中心位置为22°N，112.1°E，二者相差约133 km。

3.4 MM5预报风场与经验风场的再构造

考虑业务化应用的需求，针对MM5预报结果和经验台风计算结果中存在的不足，利用改进的Jelesnianski（杰氏）经验台风公式计算的台风和MM5预报风场，进行新台风风场构造，构造公式

如下：

对比图5、图6和图7可知，构造后的风场与构造前各风场相比，对于台风结构的刻划有所改进。由于采用经验方法进行了修正，MM5风场和经验风场构造后的台风移动路径与实际台风路径一致。在台风中心，构造后风场与经验风场几乎完全吻合，说明台风中心处的风场结构仍由经验风场决定，侧面反映出MM5风场结果对台风中心的反映力度不够。

4 各风场与实测资料对比分析

4.1 各方法所得最大风速比较分析

0915号台风在广东台山登陆，选取5个海洋站（沿广东沿岸自东向西依次为遮浪、珠海、台山、闸坡、硇洲，见图1），对各站实测台风过程进行分析。

表1 0915号台风各方法所得各站最大风速及误差分析

图8 0915号台风期间各海洋站实测风速曲线

上述5个海洋站的实测风速曲线见图8。由图可知，各海洋站风速达到最大的时间，最早的为遮浪站，然后依次为珠海、台山、闸坡站，最晚的为硇洲站。该顺序正好与各海洋站从北向南的地理分布一致，这与台风移动路径及各海洋站相对于台风的位置有关。

各海洋站采用不同方法获得的最大风速见表1，其误差项均是与海洋站实测资料对比所得。由表1可知，由NCEP再分析资料提取的各站最大风速均明显小于实测最大风速，误差为-2.8～-10.6 m/s。改进型杰式经验公式计算得到的最大风速，在台风登陆附近的台山站的计算结果较好，误差仅为-0.2 m/s，而在珠海、闸坡和硇洲站，较之实测值明显偏大。对MM5预报风场而言，台风登陆附近的台山站及其邻近的闸坡站的预报最大风速明显小于实测值，误差分别为-15.8 m/s和-7.7 m/s，对其他3个站点而言预报结果较好，误差在-1.4～0.6 m/s范围内。对由MM5和改进型杰式经验公式构造后的风场而言，在台山站最大风速的计算结果比MM5预报结果好得多，而构造风场对于其他站点的预报较之经验风场也普遍更接近于实测。综合各方法计算所得最大风速结果，就与实测值相比的平均误差而言，平均误差最大为NCEP再分析风场，为-8.8 m/s，构造风场的平均误差最小，为3.3 m/s，经验法和MM5所得风场的平均误差分别为4.4 m/s和-4.6 m/s；就与实测值相比的平均相对误差而言，NCEP再分析资料的值仍最大，为41.5%，改进型杰式经验风场次之，为33.7%，MM5预报风场和构造风场的平均相对误差近似，分别为22.1%和22.0%。

4.2 各站台风风速过程曲线比较分析

对各海洋站而言，采用不同方法获得的风速过程曲线见图9。根据各过程曲线可知，在风速达到最大风速之前（即台风成长过程中），MM5预报风速和NCEP再分析结果普遍比其他方法得到的结果更接近于实测值，但是当风速达到最大风速之后，MM5预报风速普遍比实测值偏大。且MM5预报的最大风速出现时间也与实况有所差别，台山、珠海和硇洲站，预报达到最大风速时刻比实况提前，而闸坡和遮浪站则推迟。

经验风场的逐时计算结果尽管趋势较好，但是量值上来讲，在台风成长过程中并不如MM5预报结果好，其风速与实况相比普遍偏大，这主要是由于其风速衰减速率太小的缘故[7]。而经过再构造后的风场，其结果仅对硇洲站而言与经验风场相比有所改进，其余站点上，与经验风场基本一致。说明对本次台风过程，采用上述改进型杰式风场和MM5预报风场再构造的方法，其风场计算改进效果不明显。

5 结论

对于0915号台风而言：

图9 各海洋站台风期间风速曲线对比图（NCEP资料为6 h一次）

（1）NCEP再分析风场对于对于台风外围风场反映较好，但是台风中心风场反映强度不够；经验风场对于台风中心风场反映较好，但是在台风外围风场计算结果明显偏大；

（2）MM5预报风场在台风中心计算强度也偏小，但是总体比NCEP资料结果更接近实况；对台风外围风场而言，MM5预报结果在台风左侧比NCEP结果普遍偏小，在右侧则普遍偏大。考虑到本次MM5风场为业务化预报结果，总体来说预报结果还是比较好的；

（3）采用MM5和经验法进行再构造后的风场结果，虽然对于整个风场结构的刻划更加完整，但在量值上，相对于MM5预报风场而言改进效果不明显。

[1]国家海洋局.中国海洋灾害公报(2009年)[R].2010.

[2]杨支中,沙文钰,朱首贤等.一种新型的非对称台风海面气压场和风场模型[J].海洋通报,2005,24(1):62-68.

[3]黄小刚,费建芳,张根生等.一种台风海面非对称风场的构造方法[J].热带气象学报,2004,20(2):129-136.

[4]陈洁,汤立群,申锦瑜等.台风气压场与风场研究进展[J].海洋工程,2009,27(3):136-142.

[5]Jelesnianski C P.Numerical computation of storm surges without bottom stress[J].Mon Wea Rev,1966,94(6):374-379.

[6]张志旭,齐义泉,施平等.最优化插值同化方法在预报南海台风浪中的应用[J].热带海洋学报,2003,22(4):34-41.

[7]陈孔沫.一种计算台风风场的方法[J].热带海洋,1994,13(2):41-48.

Studies on sea surface wind fields of TY0915(Koppu)derived from various methods

WANG Wenjuan,LIANG Changxia,LI Guangmin,YU Shengbin,FENG Weizhong,WU Disheng
(South China Sea Marine Prediction Center of SOA,Guangzhou 510300 China)

TY0915(Koppu)landed at around 7:00 a.m.at Taishan City,Guangdong Province,causing great loss of lives and properties in the affected areas.Various wind filed calculation methods and marine stations’in-situ wind observations were used to study the calculation velocity.Comparison and analysis for wind filed structure,maximum value and time series of wind speed for marine stations were made.It was shown that in typhoon central area the wind intensity forecasted by MM5 was weaker than that observed,while it was still closer to the observation than NCEP data.In left part of the periphery of typhoon,MM5 forecast wind speed was mostly smaller than NCEP data,while in right part MM5 result was generally larger.Studies on the wind filed regenerated from MM5 model and Jelesnianski’s method showed a finer description of the whole wind field structure,while the regenerated result had little improvement compared with MM5 result in view of quality.The conclusion was:the wind filed obtained from MM5 forecasting was preferable for TY0915,and the regenerated wind field showed unobvious improvement compared with MM5 result.

TY0915;wind filed;numerical forecast;empirical simulation

P444

A

1003-0239（2011）02-0009-09

2010-05-12

2008年度国家海洋局南海分局海洋科学技术局长基金（0881）。

王文娟（1983-），女，助理工程师，主要从事海洋环境数值预报研究工作。E-mail:wenjuanw06@hotmail.com