1307号台风“苏力”期间T639风场预报产品的有效性检验及应用*

宋 帅,周 林,郑崇伟,苏 勤

(1.总参气象水文局 北京 100081;2.解放军理工大学气象海洋学院 南京 211101;3.海洋出版社 北京 100081)

1307号台风“苏力”期间T639风场预报产品的有效性检验及应用*

宋 帅1,周 林2,郑崇伟2,苏 勤3

(1.总参气象水文局 北京 100081;2.解放军理工大学气象海洋学院 南京 211101;3.海洋出版社 北京 100081)

文章利用T639风场预报产品,对发生在2013年7月中旬的201307号台风 “苏力”的海表风场进行预报,分析台风的结构特征,并探索性地利用来自我国台湾、韩国的观测资料,检验T639风场预报产品在台风期间的精度,以期可为台风风场预报、防灾减灾等提供科学依据。结果表明:(1)从定性的角度来看,预报风速与观测风速在曲线走势上保持了很好的一致性,预报风速具有较高可信度;综合考虑相关系数、偏差、均方根误差、平均绝对误差,定量地分析发现,预报风速具有较高精度,预报值在数值上稍大于观测值。(2)T639风场预报产品在中国海范围整体上具有较高精度,但在部分小区域没有充分考虑到地形效应。(3)T639风场预报产品很好地刻画了台风 “苏力”的结构特征,对台风眼、台风尾迹、大风区等台风的显著特征刻画的较为形象,预报的台风走向与观测路径也大体上保持一致。

T639风场;中国海;台风;预报能力

1 前言

台风的巨大破坏性已被人类所共识,其形成的狂风巨浪轻则造成重大的经济损失,重则带来严重的灾难[1-2]。前人对台风做过较多的工作,张建海等[3]利用MM5模式,对2004年第14号台风Rananim进行数值模拟,分析了台风登陆前后环流特征、热力、动力结构特征的演变过程,发现MM5模式对台风路径、移速、降水量等具有较强的模拟能力。黄嘉宏等[4]曾利用四维同化技术和MM5模式,对南海台风Vongfong进行模拟,结果表明同化QuikScat资料主要能使模拟的台风移动路径与实况更为接近,台风的强度变化、降水量与对流参数化方案有密切的关系,其中Betts-Miller湿对流调整型方案最为合适。张志旭等[5]利用Holland台风模型和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析风场资料,构造出南海台风风场,发现结果较好地符合了TOPEX/Poseidon卫星高度计观测的风速分布。王艳萍等[6]对2006年西北太平洋热带气旋的活动特征进行了分析,并利用500 h Pa月或候平均环流形势解释了2006年的台风登陆早、登陆时间集中的原因,发现500 hPa月或候平均环流形势对台风登陆预报有一定意义。

前人对台风的机理分析做了很大贡献,但多是采用后报的分析方法,本研究利用T639风场预报产品,对发生在2013年7月中旬的201307号台风“苏力”的海表风场进行预报,分析台风的结构特征,并充分利用来自台湾周边的观测资料,检验T639风场预报产品在台风期间的精度,以期可为台风风场预报、防灾减灾等提供科学依据。

2 台风概况、资料简介、数据处理方法

2.1 台风概况

发生在2013年7月中旬的201307号台风“苏力”,生成于马里亚纳群岛北部洋面,而后迅速加强,曾一度发展为超强台风,7月13日凌晨3点(全文均为北京时间)袭击台湾岛,7月13日傍晚正面袭击福建沿海,16点在福建连江县登陆,给台湾岛、大陆沿海的水产养殖、电力、交通、居民生命财产安全造成了严重影响,是近6年来强度最大的台风,具体台风路径请见图1。

图1 201307号台风“苏力”路径图

2.2 资料简介

本研究利用T639风场预报产品,对台风“苏力”的海表风场进行预报,并利用台湾周边的观测资料检验了T639风场预报产品在台风期间的有效性。T639是T639L60全球中期数值预报系统的简称,与T213产品相比,T639产品具有要素丰富、时空分辨率高等优点[7-11]。T639模式将谱分辨率从213波提高至639波,垂向分层从31层增至60层,时间分辨率为3 h,空间分辨率为0.3°×0.3°,空间范围覆盖北半球。国家气象中心在2007年实现T213到T639模式的升级,并在2008年投入业务化运行,可为预报员提供依据。

2.3 数据处理方法

T639系统输出产品的原始文件名规则:

系统名:gmf(Global Model Forecast system)

模式名称:639(TL639L60)

起报时间:年月日时次(4位年,2位月和2位日,2位预报时次。均为国际时)

预报时效:FFF(3位数字)

编码格式:grb1(grib 1版本编码)

利用Grads软件提取所需区域的数据,编写吻合的ctl文件,最后进行可视化制作,具体如下:

Step1:grib2ctl.pl gmf.639.2008042812000. grb1＞gmf.639.2008042812000.ctl;

Step2:gribmap-i gmf.639.2008042812000. ctl;

Step3:编写gs程序,利用grads软件截取所需的区域;

Step4:编写配套的ctl文件,如下:

DSET E:wind.dat

TITLE WAVEWATCH III gridded data Undef 9.999E+20

XDEF 149 LINEAR 100.00000 0.30000

YDEF 141 LINEAR 0.00000 0.30000

ZDEF 1 LINEAR 1000.00000 1.00000

TDEF 41 LINEAR 00:00Z11Jul2013 3 HR

VARS 2

WU 0 99 Wind U(m/s)

WV 0 99 Wind V(m/s)

ENDVARS

Step5:利用grads软件进行可视化制作,效果图请见图2。

3 资料验证

目前海洋观测资料在全球各个国家均较为稀缺,这种困境在我国也较为突出。卫星资料反演海表风速虽然精度得到了广泛认可,但卫星轨道在中国海较少,重复周期也很长 (如T/ P高度计周期为10d),这就导致卫星资料反演的海洋数据在中国海范围的空间分辨率、时间同步性等方面都有很大缺陷。本研究充分收集来自我国台湾、韩国周边海域的实测风速,用于验证T639风场预报产品在中国海的有效性。

3.1 定性比较数据精度

对比预报风速、观测风速的曲线走势图,可以直观地看出模拟数据的精度 (图3和图4)。从曲线走势来看,预报风速与观测风速保持了很好的一致性,我国台湾周边的4个观测站、韩国的1个观测站均是如此。

图2 台风“苏力”期间的T639预报风场,风速单位:m/s

图3 台湾岛周边海域观测风速与预报风速

图4 韩国22102浮标站的观测风速与预报风速

由图2可见,基隆气象站、淡水气象站的波峰出现在13日02时前后,基隆站的最大风速在24 m/s左右,淡水站的最大风速在13 m/s左右;石梯气象站、梧棲气象站的最大风速出现在13日08时左右,比基隆气象站、淡水气象站的波峰晚了约5个小时,这应该是由于台风先期到达基隆气象站、淡水气象站所致。整体来看,T639预报风速在台湾周边具有较高精度,能很好地刻画出风速的整体变化趋势,仅在石梯附近的预报值明显偏大,这应该是由于模式没能充分考虑到此处的地形效应,这也是该模式以后可以改进之处。

韩国22102浮标站:该站属于台风的外围区域,受台风影响并不强烈,风速在整个台风期间变化不是特别大,11日08时-15日20时,风速基本在6 m/s上下波动,15日20时-16日08时,风速增加,这是由于有一弱的低压系统过境所致。预报风速与观测风速的走势非常一致,仅在数值上略大于观测风速。

3.2 定量精确比较数据精度

图3和图4可以定性地展现预报风速的变化趋势是否与观测风速一致,为了定量地分析T639预报风速的精度,本研究还计算了相关系数(CC)、偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)以及平均绝对误差(MAE),见表1。从相关系数来看,5个观测站处预报风速与实测风速的相关性都非常好,均通过了99%的信度检验;从偏差来看,5个观测站均为负值,表明预报值稍大于观测值,但Bias数值都很小,表明误差很小。从RMSE、MAE来看,误差也都在可控范围之内,可见,此次台风期间,T639预报风速在中国海范围整体上具有较高精度。

表1 T639预报风速在台湾周边的精度

续表

4 台风风场的分布特征

利用T639风场预报产品,对台风 “苏力”的海表10 m风场进行预报(图3)。整体来看, T639预报风场很好地刻画了台风 “苏力”的结构特征,对台风眼、台风尾迹、大风区等台风的显著特征刻画的较为形象,预报的台风走向与观测路径也大体上保持一致。

11日08时:台风位于台湾以东的广阔洋面,所处的广阔暖洋面环境有利于台风的维持与发展,此时其强度为超强台风,以22 km/h的速度向西移动。台风中心存在一风速是相对低值中心,即台风眼,风速在20 m/s以内,从台风眼往外,风力迅速增加,7级风半径约400 km,10级风半径约150 km;台风尾迹可从台风后部延伸至菲律宾南部,台风尾迹的风速在5～10 m/s。

11日20时:台风缓慢向西北偏西的方向以东,台风结构保持较好,台风眼、台风尾迹都展现的较为清晰,强度略减为强台风,7级和10级风半径与11日08时无大的变化,台风外围风场已经能够影响到第一岛链 (日本—琉球群岛—我国台湾—菲律宾),但由于风速不是很大,此时对第一岛链的影响并不强烈。

12日08时:继续缓慢向西北方向移动,7级风半径刚能影响到台湾东部的花莲近海。12日20时,台风逼近台湾岛,10级风半径已经影响到台湾东北部近海。

13日02时:此时台风已经逼近台湾东北部近海,并在1小时候在新北市与宜兰县交界处登陆,虽然台湾岛对台风起了很大的阻挡作用,但由于台风登陆地点在台湾岛东北部,离海洋很近,因此台湾岛的阻挡作用并没有破坏台风的结构特征,强度依然为强台风,7级和10级风半径比台风在大洋上时只是略有缩小。

13日05时:台风中心位于台湾岛东北部的台北市,整个台湾岛及周边海域都处于10级大风半径以内,尤其是花莲近海,风速在30 m/s (11级)以上。

13日08时:台风进入台湾海峡,强度依然为强台风,在台风巨大风力和狭管效应的双重作用下,给整个台湾海峡带来了强劲的东北风,基本在21 m/s(9级)以上,台湾东部的花莲近海风速仍然在30 m/s(11级)以上。

13日14时:台风逼近福建沿海,在台湾岛和大陆地形的共同影响下,强度减弱为台风,并与两小时后在附件连江县黄岐半岛沿海登陆。台湾海峡、台湾岛、福建沿海在台风的影响下,风速基本都在15 m/s(7级)以上,大值中心在2 121 m/s(9级)以上。

5 结论与讨论

本研究利用T639风场预报产品,对发生在2013年7月中旬的201307号台风“苏力”的海表风场进行预报,分析台风的结构特征,并探索性地利用来自我国台湾、韩国的观测资料,检验T639风场预报产品在台风期间的精度,以期可为台风风场预报、防灾减灾等提供科学依据。本文主要得到如下结论。

(1)从定性的角度来看,预报风速与观测风速在曲线走势上保持了很好的一致性,预报风速具有较高可信度;综合考虑相关系数(CC)、偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE),定量地分析发现,预报风速具有较高精度,预报值在数值上稍大于观测值。

(2)T639风场预报产品在中国海范围整体上具有较高精度,仅在部分小区域偏差稍大,如台湾的石梯气象站,这是由于没有充分考虑到地形效应所致,这也是该模式在以后的研究中可以改进之处。

(3)T639风场预报产品很好地刻画了台风“苏力”的结构特征,对台风眼、台风尾迹、大风区等台风的显著特征刻画的较为形象,预报的台风走向与观测路径也大体上保持一致。

[1] 郑崇伟,周林,宋帅,等.1307号台风“苏力”台风浪数值预报[J].厦门大学学报(自然科学版),2014, 53(2):257-262.

[2] ZHENG C W,PAN J,LI J X.Assessing the China Sea wind energy and wave energy resources from 1988 to 2009[J].Ocean Engineering,2013,65: 39-48.

[3] 张建海,薛根元,沈桐立.台风Rananim数值模拟试验及其结构特征分析[J].气象科技,2006,34 (4):370-375.

[4] 黄嘉宏,李江南,魏晓琳,等.同化QuikSCAT资料对台风Vongfong(2002)数值模拟的影响[J].中山大学学报:自然科学版,2006,45(4):116-120.

[5] 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.

[6] 王艳萍,田志光.2006年西北太平洋热带气旋(台风)活动特征分析[J].海洋预报,2008,25(1):47-55.

[7] 郑崇伟,游小宝,潘静,等.钓鱼岛、黄岩岛海域风能及波浪能开发环境分析[J].海洋预报,2014,31 (1):49-57.

[8] 袁国波,韩子亮,赵红霞.T639数据格式及其读取方法[J].陕西气象,2009,4:8-10.

[9] ZHENG C W,ZHUANG H,LI X,et al.Wind energy and wave energy resources assessment in the East China Sea and South China Sea[J].Science China Technology Sciences,2012,55(1):163-173.

[10] 郑崇伟,潘静,黄刚.利用WW3模式实现中国海击水概率数值预报[J].北京航空航天大学学报, 2014,40(3):314-320.

[11] 牛若芸.2008年12月至2009年2月T639与ECMWF及日本模式中期预报性能检验[J].气象, 2009,35(5):112-119.

国家重点基础研究发展规划项目(2012CB957803).