日本数值预报模式热带气旋预报误差分析

杨亚新

(南通航运职业技术学院航海系，江苏南通 226010)

0 引言

热带气旋(Tropical Cyclone，TC)是影响船舶航行的重要的灾害性天气系统之一.准确的TC预报对船舶制定适宜的计划航线、避开不利天气影响至关重要.但当前由于关注重点以及技术水平等差异，各种预报模式对TC的预报还存在一定的误差，对各模式预报误差进行客观评定和综合分析，对预报模式的改进、预报结果的订正和TC的防避等具有重要意义.

基于以上考虑，多年来国内外有不少工作者从不同侧面总结西北太平洋TC路径和强度预报情况.吴俞等［1］应用国家气象中心的T213L31模式对2006—2009年TC路径数值预报结果进行全面分析检验;漆梁波等［2］应用1999—2003年我国中央气象台、日本气象厅以及美国联合台风警报中心发布的西北太平洋TC综合预报资料，从总误差、逐年误差趋势、不同海区误差、不同路径趋势误差、不同强度趋势误差等5个方面对各预报中心提供的TC路径及强度预报结果进行分析;中国气象局上海台风研究所利用国内TC路径实时业务预报中使用的各种主客观预报产品资料，对每年的TC预报业务定位和预报精度都要进行分析，为更好地使用和改进预报方法等提供依据［3－7］.综观这些研究成果，大多集中在对我国TC预报误差的分析及我国与国外预报误差的比较上，较为全面地针对日本预报模式开展的TC预报误差分析尚未见到.日本是世界上天气预报精度相对较高的国家之一，日本传真天气图是西北太平洋航行船舶制作航线天气预报的重要参考依据.因此，分析日本传真天气图上TC预报误差，对船舶正确、有效地应用日本传真天气图具有重要意义.本文利用日本传真天气图上提供的2010和2011年共36个TC样本资料，对TC路径和强度预报误差进行分析，为航行船舶防避TC提供参考.

1 资料来源及分析方法

1.1 资料来源

本文所用资料是日本JMH台发布的2010和2011年TC警报图上提供的36个TC逐日每隔6 h的实时和综合预报资料，包括中心气压、近中心最大平均风速、中心位置等.预报时效分别是24，48和72 h.

1.2 分析方法

将36个 TC逐日00Z，06Z，12Z和18Z等4个时次的24，48和72 h中心位置(经纬度表示)、中心气压、近中心最大风速等预报结果分别与次日、第3日、第4日同一时间的实况资料进行对比，计算两者之间的差值，分别得到24，48，72 h TC的中心位置(经纬度表示)、中心气压、近中心最大风速等预报误差.预报值与实况值差值的绝对值越小，预报正确率越高，当两者差值为零时，则预报正确.按照上述方法计算得到24，48和72 h等3个预报时效的预报误差样本资料分别为541，425和320个.

强度预报误差以TC中心气压误差和中心附近最大平均风速误差表示.

路径预报误差根据实时经纬度、预报经纬度以及两者之间的经纬度差，利用文献［8］提出的方法计算而得.

图1 地球表面上两点之间距离计算示意图

如图1所示，设C和D为地球表面上任意两点，θ为C和D所在大圆上的对应的球心角.C和D两点的纬度、经度分别为 φC，λC和 φD，λD(北纬取正，南纬取负;东经取正，西经取负).

首先利用球面三角形公式求出

再利用三角函数求出θ.根据实时和预报经纬度计算而得的路径预报误差=θ×111.1 km/(°).

平均预报误差是指所有样本的预报误差平均值.如24 h平均距离误差，就是指541个样本的距离误差平均值;48 h平均中心气压误差，就是指425个样本的中心气压误差平均值.

2 TC路径预报误差

2.1 平均距离误差

表1为各种强度的TC在不同预报时效的平均距离误差.

表1 TC在不同预报时次的平均距离误差

由表1可见，24，48和72 h的平均距离误差分别为106.5，194.8和306.4 km.随着预报时效的增加，平均距离误差呈近等差级数增大，即预报时效每增加24 h，TC平均距离误差大约增加100 km.为了更全面地反映各种距离误差的分布情况，本文以50 km为间隔统计不同预报时效各距离误差的累积频率(某一距离误差的累积频率是指在该距离误差范围内的样本数与所有样本数的百分比，如距离误差为50 km的累积频率就是指距离误差小于等于50 km的所有样本数与总样本数541的百分比)，计算结果见图2.

图2 不同时效各距离误差的累积频率(间隔50 km)

由图2可见:频率越大，距离误差越大;当频率相同时，预报时效越长，距离误差越大;不同时效距离误差的分布范围不同，随着预报时效的增加，距离误差分布范围增大.如24 h距离误差的分布范围最小，80%的样本值距离误差都在150 km以下;48 h距离误差的分布范围大于24 h，80%的样本值距离误差在300 km以下;72 h距离误差的分布范围最大，80%的样本值距离误差在450 km以下.根据图2，船舶可以对预报的TC中心位置进行各种频率下的误差订正，从而更有效地防避TC.如在日本的传真天气图上对TC路径预报只给出70%的概率预报圆，即TC的预报位置落在预报圆范围内的概率为70%.如果船舶为了确保安全，希望得到更有效的防避效果，则可以提高预报圆的概率.船舶根据设定的概率查图2，则可以得到相应的预报误差，再以TC预报位置为原点，以该预报误差为半径绘制预报圆，则可得到船舶未来需防避的危险区域.

2.2 路径预报偏向

为了进一步了解日本TC路径预报的偏向，本文以实际位置为中心，绘制预报位置相对实际位置的分布图(见图3)，同时分别统计预报位置落在实际位置NE象限、SE象限、SW象限、NW象限的频率(见图4).由图3和4可见:日本 TC路径预报具有较明显的偏向性，主要偏向SW和NE象限，其中预报路径偏向SW象限的频率最大，占30%以上，而且随预报时效的增加，偏向SW象限的频率逐渐增大，72 h预报路径偏向SW象限的频率接近40%;预报路径偏向NE象限的频率占第二位，而且随预报时效的增加，偏向该象限的频率也逐渐增大;预报路径偏向SE和NW象限的频率大体相当，总计占30%左右.路径预报正确率较低，只有24 h预报出现过2次正确预报(预报位置与实时位置重合)的情况，约占总样本资料(541次)的0.4%.

2.3 距离误差与TC强度的关系

TC在其发生发展过程中，强度是不断变化的.为了讨论不同强度TC距离误差情况，本文按照我国TC分类标准［9］，根据每个TC每6 h的近中心最大风速，将TC活动过程划分为热带风暴(TS，近中心最大风速34～47 kn)、强热带风暴(STS，近中心最大风速48～63 kn)、台风(TY，近中心最大风速64～80 kn)、强台风(STY，近中心最大风速81～99 kn)和超强台风(super－TY，近中心最大风速≥100 kn)等5个等级，分别统计不同等级TC在不同预报时效的平均距离误差.下面以24 h预报为例说明不同等级TC平均距离误差的计算方法.在24 h预报中共有541个样本资料，按照上述方法进行划分，得到的样本资料为:TS等级169个，STS等级157个，TY等级125个，STY等级75个，super－TY等级15个.将各等级TC样本的距离误差求平均，则得到24 h预报时效的各等级TC的平均距离误差.48和72 h预报时效的各等级TC的平均距离误差的计算方法相同.图5为不同等级TC在不同预报时效的平均距离误差分布.由图 5可见，TC平均距离误差总体上随强度增强呈减小的趋势，即TC强度强时，路径预报平均距离误差小，TC强度弱时，路径预报平均距离误差大.这可能与强度越强，结构越清晰，定位越精确，强度误差越小有关.［10］图中48和72 h超强台风的平均距离误差略高于强台风，这可能与超强台风样本资料偏少有关.

图5 不同等级TC在不同预报时效的平均距离误差

3 TC强度预报误差

3.1 平均强度误差

表2列出TC在不同预报时效的平均强度误差.由表2可见，24，48和72 h的近中心最大风速预报的平均绝对误差分别为7.4，11.7和13.6 kn，中心气压的平均绝对误差分别为0.80，1.27和1.46 kPa.很显然，随着预报时效的增加，强度预报误差逐渐增大.为了深入了解强度预报情况，本文进一步分析TC近中心最大风速正误差(预报偏强)、零误差(预报正确)和负误差(预报偏弱)的分布情况，结果见表3.

表2 TC在不同预报时效的平均强度误差

表3 TC近中心最大风速在不同预报时效的正负误差

由表3可见，出现正误差的频率较负误差的频率大，且正误差平均幅度较负误差平均幅度小.从24 h的预报误差上看:出现正误差的频率为43.7%，平均误差为0.89 kPa;出现负误差的频率为30.7%，平均误差为1.13 kPa.其他预报时效的预报误差分布情况与24 h预报时效的类似.这说明，一般情况下预报风速偏强的频率较大，预报风速偏弱的频率较小，且风速预报偏弱时，预报误差的幅度往往较大.由表3还可以看出，随着预报时效的增加，近中心最大风速预报正确率(预报误差为零的样本数所占百分比)明显降低，24，48和72 h预报正确率分别为25.6%，13.7%和9.5%;预报偏强的频率逐渐增大，24，48和72 h正误差频率分别为43.7%，52.4%和58.0%，预报偏弱的频率略有增加;各种预报时效预报正确和偏强的频率较大，占70%左右，预报偏弱的频率较小，占30%左右.

3.2 强度误差与强度的关系

根据每个TC每6 h的中心气压和近中心最大风速的实时和预报资料，分别统计各强度等级TC在不同预报时效的平均强度误差(计算方法同2.3)，统计结果见图6和7.由图6和7可见，TC平均强度误差随强度增强总体呈增大的趋势，即 TC强度强时，强度预报平均误差大，TC强度弱时，强度预报平均误差小.强度误差在强台风及以下的TC之间差异相对较小，但当TC达超强台风时，强度误差显著增大，24 h中心气压平均误差达2.43 kPa，近中心最大风速平均误差达18.3 kn，48和72 h的中心气压平均误差达3.0 kPa以上，近中心最大风速平均误差接近30 kn.这说明，日本预报模式对超强TC的强度预报能力较差，而对强度较弱TC的强度预报效果较好.

4 结束语

通过对日本数值预报模式TC路径和强度预报误差分析，得到以下几点主要结论:

(1)24，48和72 h预报时效TC的平均距离误差分别为106.5，194.8和306.4 km.不同时效距离误差的分布范围不同，随着预报时效的增加，距离误差分布范围增大.24 h距离误差的分布范围最小，80%的样本值距离误差都在150 km以下;48 h距离误差的分布范围大于24 h，80%的样本值距离误差在300 km以下;72 h距离误差的分布范围最大，80%的样本值距离误差在450 km以下.

(2)路径预报具有较明显的偏向性，主要偏向SW和NE象限，偏向该两象限的频率占70%左右，其次为SE和NW象限，偏向该两象限的频率占30%左右.其中，预报位置落在SW象限的频率最大，占30%以上，且随预报时效的增加，预报位置落在SW象限的频率也逐渐增大.

(3)TC的平均距离误差总体上随强度增强呈减小的趋势:TC强度强时，路径预报平均距离误差小;TC强度弱时，路径预报平均距离误差大.

(4)24，48和72 h预报时效的最大风速预报平均绝对误差分别为7.4，11.7和13.6 kn，中心气压预报的平均绝对误差分别为0.80，1.27和1.46 kPa.随着预报时效的增加，强度预报误差逐渐增大.

(5)一般情况下，预报强度偏强的频率较大，预报强度偏弱的频率较小，且强度预报偏弱时，预报误差的幅度往往较大.随着预报时效的增加，强度预报正确率明显降低，预报偏强的频率逐渐增大，预报偏弱的频率略有增加.

(6)TC平均强度误差随强度增强总体呈增大的趋势，即TC强度强时强度预报平均误差大，TC强度弱时强度预报平均误差小.当TC达超强台风时，强度误差显著增大，即日本预报模式对超强台风的预报能力较差.

以上研究结果可为船舶防避TC提供参考依据.当船舶在海上遭遇TC时，可根据TC中心的位置、移动方向和速度以及位置预报误差，结合本船的船位、航向和航速，在海图上或传真地面天气图上作预报误差圆，使船舶与TC保持一定距离(使船舶航行在预报误差圆之外)，直到船舶完全脱离威胁后，才可改为沿原航向航行，直至到达目的地.预报误差圆的半径可以根据某一频率下TC距离误差选取.如希望未来24 h TC的入圆率达80%，则频率取80%，由图2查得，频率为80%时的24 h距离误差为150 km左右，则以150 km为半径作预报误差圆，该圆即为船舶未来24 h应该避开的危险区域.值得注意的是，不同强度的TC，其预报误差有所不同，因此可以根据TC的强度及文中距离误差与TC强度的关系对预报圆半径作适当修正.另外，船舶所选取的频率(即TC未来入圆率)要适宜.如频率选得大，预报圆半径也大，虽然TC入圆率高、船舶危险性小，但船舶需绕航的距离较长;如频率选得小，预报圆半径也小，虽然船舶需绕航的距离短或不需要绕航，但TC入圆率低、船舶危险性大.因此，船舶需要选择一个合适的频率，在确保安全的情况下，尽可能缩短航程.船舶可根据本船的性能、抗风浪能力、预报台的预报水平、TC的强度等综合选取预报圆半径.

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