台风数值预报技术研究进展

马鹏辉，杨燕军，刘铁军（．海军海洋水文气象中心，北京 006；．解放军977部队，山西 长治 0460）

台风数值预报技术研究进展

马鹏辉1，杨燕军2，刘铁军1
（1．海军海洋水文气象中心，北京 100161；2．解放军92727部队，山西 长治 046011）

摘要：介绍了近年来台风涡旋初始化技术、台风数值预报模式技术，以及台风数值预报中的关键物理过程等数值预报技术的研究进展情况。

关键词：台风；数值预报；进展

引言

近年来，随着数值预报技术的发展和计算能力的大幅提升，台风数值预报技术取得了可喜的成绩。主要体现在台风涡旋初始化技术不断改进，台风数值预报模式的分辨率得到不断提高，物理过程描述进一步完善，这些新技术在台风数值预报的研究和业务中得到了广泛应用。文章从台风涡旋初始化、台风数值预报模式和关键的物理过程等方面，对近年来台风数值预报技术的发展现状作简单的回顾和评述。

1 台风涡旋初始化技术

初始场的质量对预报效果有明显作用。但对台风数值预报而言，由于海上观测资料的匮乏，台风的真实结构很难用常规观测资料刻画和描述；另一方面，客观分析后往往台风流场很弱且台风位置不准确，如以此作为台风的初始场，很难做出好的热带气旋强度与路径预报。为了能够得到更为合理的初始场，学者们经过深入研究，逐渐发展了一些台风涡旋初始化方法（如Bogus技术、BDA技术、涡旋重定位技术等），这些方法在一定程度上可以改善台风的初始结构，使台风路径的预报水平有较大的改进[1-2]。

1.1 Bogus技术

Bogus技术是在缺乏观测资料的情况下，人为在初始场中加入一个能够基本反映台风结构的人造台风涡旋即Bogus涡旋，是重塑台风内部结构的最有效方法。这种方法能够在一定程度上改善台风内部资料缺乏的状况。对于台风涡旋的构造问题，国内外都做了很多的工作，20世纪90年代以来，国内外台风数值预报业务中普遍采用Bogus方案来进行台风的模拟研究和预报，使台风路径的预报水平有了较大改进。但这种方法也存在一定的局限性，Bogus模型构造的台风涡旋只能代表台风所共有的环流与结构的基本特征，并不能很好地反映出各个台风的具体特点，且它是一种轴对称模型，无法刻画台风的非对称结构。

台风内核具有非对称结构，且这种非对称结构很明显地影响着台风的移动。不仅如此，台风热力方面的非对称结构也影响着台风的移动。台风内部结构对台风移动的影响在引导气流比较弱的时候，能起到更重要的作用。因而在构造台风Bogus结构时，必须考虑到台风的非对称特征。在台风Bogus中如何引入非对称结构，国内气象工作者作了大量的工作。王国民等[1]将模式积分36h达到准平衡态的非对称风作为实际台风的非对称风；黄小刚等[2]在MM5模式中自带的台风Bogus技术基础上，从确定最大风速半径出发，考虑台风移向、移速及摩擦阻力等客观因子，根据热带气旋的动力学关系，构造出非对称风场模型。瞿安详[3]等通过从T213L31全球谱模式提供的背景场中提取浅台风非对称结构信息，加入到已有的轴对称Bogus数据场中，构成非对称Bogus台风场。在实际业务应用中，美国的飓风数值预报业务通过对理想模式进行积分得到非对称结构；澳大利亚BMRC的TC－LAPS模式通过分析台风移动来建立台风的非对称结构；日本气象厅在台风业务模式中采用的技术方案，是从背景分析场中抽取非对称涡旋场，然后加入到对称的Bogus台风场中，构成最终的三维非对称台风Bogus涡旋场。

尽管加入人造台风模式的方法在一定程度上可以改善台风的初始结构，但考虑到人造台风结构与背景场之间的各物理量并不完全协调，单独采用人造台风模型会忽略背景场原有的台风结构信息，台风是一个非对称性质比较明显的涡旋结构系统，因而如何在构造台风Bogus结构时考虑台风的非对称特征，使构造的涡旋与模式达到物理协调，尚有很多工作需要开展。

1.2 BDA技术

为了使人造的台风涡旋与背景场的各物理量相协调，且不忽略背景场原有的台风结构信息，邹晓蕾等[4]提出了一种新的运用四维变分同化技术对粗糙的热带气旋初始场进行优化的方法，称之为BDA（Bogus Data Assimilation）方法。其将Bogus模型中的物理量场作为观测数据，对此涡旋场进行变分同化，产生优化的初始场。该方案结合了人造台风涡旋和变分同化两种方法的优势。随着学者们研究的不断深入，在原始的BDA方案基础上，又涌现出很多改进的新方案。黄小刚等[2]针对BDA方法采用的轴对称Bogus涡旋不能反映个别台风具体特征等问题，采用更精细的非对称台风Bogus模型对BDA方案做出改进，提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的非对称台风Bogus方法；林芳妮等[5]基于GRAPES三维变分同化系统，用台风定位和定强信息对台风进行多次BDA同化，在多次BDA中只同化近似程度高的涡旋风分量，而近似程度较差的辐散风分量则通过多次调整和协调逐步向涡旋风适应，使台风周围流场更趋合理。

以上研究表明，BDA方案是一种有效的台风初始化方法，它能有效地构造出与大尺度环流背景场相协调的初始涡旋场，并且能够体现台风内部结构所具有的主要特征，如台风的暖湿中心、非对称的风场等，以此得到的初始场更能接近实际的初始场，做出更为准确的台风预报。

1.3 涡旋重定位技术

涡旋初始位置对台风的数值预报有着极为重要的作用，热带气旋24 h路径预报误差中，由于热带气旋初始位置和初始移动速度测定不正确而导致的误差可能占总预报误差的41%[6]。周霞琼等[7]用正压模式研究并得到初步结论，认为台风初始定位的不正确可以影响预报路径。但由于台风主要在海上活动，可得到的观测资料十分有限，再加上同化过程所使用的模式分辨率通常较低（如AVN为1°×1°），使得分析资料中的涡旋位置存有明显误差，可达100 km甚至更多。通常热带气旋模式在初始化过程中都会把分析资料中的涡旋移到观测位置，以减小初始涡旋位置误差对路径预报的影响，这种方法称为涡旋重定位技术。Liu等[8]在全球资料同化系统（GDAS）中改进原有涡旋重定位方案的精度后，使全球模式MRF和AVN的路径预报获得了很大改进（31%），也使以AVN预报场作为初始场的区域模式GFDL的路径误差明显减小（25%）；袁金南等[9]采用平滑滤波和柱形滤波技术，从背景场中分离出初始涡旋环流和大尺度背景场，然后将其平移到观测位置的涡旋重定位，对比模拟试验结果表明，对背景场进行涡旋重定位后加入Bogus模型的模拟结果误差相对较小；黄伟等[10]在重定位的基础上结合BDA和资料同化技术提出了循环初始化技术，结果表明，构造的初始台风更接近实况。以上研究结果说明了涡旋重定位技术对台风路径预报的有效性。

2 台风数值预报模式技术

台风数值预报模式是目前国内台风预报的一种重要手段。20世纪80年代以来，随着计算机技术的应用和发展，美、欧、日等国家和地区热带气旋数值预报发展很快，各自建立和发展了一些台风预报模式和系统，开展了全球或区域的台风预警预报和研究工作[11]。目前，发达国家的全球模式分辨率普遍提高到10～25 km，达到了全球中尺度模式的水平（表1），尤其是ECMWF的确定性预报业务模式已于2013年升级为T1279L137，水平分辨率约16 km，垂直分层达137层，全球中期集合预报业务模式相应升级为T639L91，水平分辨率约30 km，大幅提高了台风预报的精度。法国、韩国等建立了三维变分同化系统，欧洲中期数值预报中心、英国气象局、日本气象厅和澳大利亚气象局等发达国家都已建立了气象资料四维变分同化系统。

表1　国内外热带气旋数值预报业务模式简要描述

中国自1991年以来，在自主研发兼引进国外先进技术的基础上，对台风数值预报业务模式进行了持续改装升级，发展了一些颇具代表性的台风数值预报模式。国家气象中心的台风路径预报模式（MTTP）是在有限区域预报模式（LAFS）基础上发展起来的，是一个单向的双重嵌套模式。其粗细网格的范围为0°N～49.69°N和84.38°E～159.38°E（10.31°N～40.31°N和105°E～150°E），格距为1.875°（0.9375°），垂直方向包括15层。全球区域同化台风预报系统（GRAPES_TCM）是在GRAPES模式基础上加入台风初始化模块构建而成的，内核为GRAPES，目前在国家气象中心业务运行，模式水平分辨率达到15 km。业务试验表明，该模式台风路径24 h预报误差在125 km以内，48 h预报误差在220 km以内，72 h预报误差在330 km以内。在省级市、很多沿海省（区、市）也都建立区域台风数值预报系统。上海区域气象中心建立的台风预报模式（ETCM）[12]是在MM4基础上发展起来的，其水平方向为单向移动套网格，粗细网格水平分辨率分别为150 km和50 km，垂直方向为10层。目前，国内的台风数值预报模式取得了长足的进步，但预报水平同发达国家相比还存在一定差距（表2[13]）。

表2　2012年热带气旋数值预报平均路径误差

集合预报是减小各种不确定性影响数值预报结果的有效方法，将其应用于台风数值预报的研究始于1990年代中期，初期主要用于台风路径的研究，也有涉及台风强度、降水等方面。随着集合预报技术的发展，后来逐渐拓展到台风生成与发展的研究。国外在台风集合预报研究方面取得了令人鼓舞的成果[14]，已由单一模式的集合预报发展为多模式超级集合预报。随着各大预报中心相继建立集合预报业务系统并不断提高分辨率，基于全球中期集合预报系统开展台风集合预报，成为台风集合预报发展的新趋势[15]。近年来，国内在台风集合预报研究方面取得了一些进展[16-23]，但大部分是基于单一模式通过构造扰动成员进行集合预报，且预报对象仅限于台风的路径和强度，整体上与先进国家相比还有较大差距。

3 台风数值预报的关键物理过程

随着人们对台风形成原因、演变过程和内部结构等认识的不断加深，台风数值预报中对物理过程的描述也得到了不断完善。

3.1 积云参数化

积云对流是最重要的非绝热加热物理过程，积云参数化方案也是台风数值预报中关键的物理方案之一。许多数值模拟试验表明，积云参数化方案对台风路径有重要影响。吴林等[24]使用WRF的ARW动力核心模拟台风“珊瑚”，研究各种参数化方案对台风路径、强度和降水分布的影响。研究表明，环境场对积云参数化的选取不敏感，积云参数化对台风的强度和路径模拟有明显影响，KF方案模拟的台风强度比较强，增强过程明显，后期移速偏快。KF和BMJ对降水的模拟较好，GD方案不够理想。河惠卿等[25]利用WRF模式，研究了不同积云对流参数化方案和微物理过程方案对0514号台风“彩蝶”路径的影响。结果表明，积云对流参数化方案对台风路径影响较大，KF方案比BMJ方案能更好地模拟出台风路径；使用KF方案时，选择微物理方案比不选微物理方案对台风路径有更好的模拟效果，其中Ferrier、WSM6和Lin非常接近于实况；KF方案较好地模拟出副高西伸和东退的变化以及台风环流的风场分布和强度。这些研究表明，选取合适的参数化方案对于成功利用台风数值模式预报台风路径和台风强降水有重要的作用。

3.2 海气相互作用

在台风过程中，海气之间的动力和热力相互作用对台风的发展演变以及海浪有显著的影响。从动力作用过程看，台风产生的强海面风应力会助生海浪，增加海表摩擦，耗散台风的动能；而热力作用过程是台风系统发展和维持所必需的物理过程，其直接影响着台风系统的发展强度。因此，在对台风的数值预报中，充分考虑大气和海浪的动力、热力相互作用过程是必要的。一个中尺度天气系统中的海浪、风、海表温度等很多要素都在不断地相互作用、相互影响，单一模式处理方法割裂了大气海洋间的相互作用。海气耦合模式可以实现海上台风真实的物理过程，进而揭示其成因、发展机制和结构等。

上世纪90年代以来，随着人们对海面状态、海气界面通量影响认识的加深以及高性能计算条件的改善，大气－海浪耦合模式的研究也取得了较大发展，使应用海气耦合模式开展台风研究成为可能。Lionello等[26]耦合了海浪模式WAM和大气有限区域环流模式BOLAM（Bologna Limited AreaModel），并用其来模拟理想的中纬度气旋，研究了大气和海浪之间的相互作用。结果表明，对于强气旋来说，风产生浪导致海面粗糙度增大，因而大气和海洋之间的动量交换加大；同时对于海气之间的热量通量来说，由于海面粗糙度增大，加大了热量交换系数，从而加大了海气之间的热通量。但是对于缓慢演变的弱气旋来说，海浪的作用会导致气旋中心气压降低。Desjardins等[27]利用耦合的中尺度气象模式MC2 （Mesoscale Compressible Community），以及海浪WAM cycle4模式来研究耦合模式对大气和海浪的影响发现，至少对于短期预报，依赖波浪状态的海面粗糙度对海面的变量如海面风和有效波高等有一定的影响。国内也有学者开展了相关研究工作，蒋小平等[28]采用中尺度大气模式MM5和区域海洋模式POM构造了中尺度海气耦合模式，模拟了0312号台风Krovanh发展过程中台风－海洋相互作用，分析了台风引起的海面降温影响台风强度的机制以及海洋对台风影响的特征，结果表明，台风引起的海面降温使台风强度模拟有了较大改进，模拟的台风中心气压和近中心最大风速均与实况较为符合。

4 结语与展望

文章从三个方面对台风数值预报技术的发展进行了回顾和总结。近年来，国内外在台风数值预报技术研究方面取得的进展是显著的，预报准确率也有了较大提高。但由于台风观测资料的稀缺和台风内部机理的复杂性，台风数值预报的发展还面临诸多困难，人们对台风数值预报技术的探索还有很多的路要走。未来台风数值预报技术的发展方向主要包括三个方面：一是数值模式本身的完善和发展，包括提高分辨率、改进模式动力框架、物理过程和资料同化等；二是台风涡旋初始场的改进和提高，包括减小台风初始定位误差、强度误差和改善台风非对称结构的描述；三是发展台风路径集合预报技术，提高台风预报准确率。

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作者简介：马鹏辉（1978─），男，山西运城人，硕士，工程师，主要从事海洋气象研究工作。

收稿日期：2014-02-01

中图分类号：P458.1

文献标识码：B

文章编号：1005–0582（2015）01–0012–06