山东WRF集合预报系统对“麦德姆”台风预报检验

2016-05-16盛春岩范苏丹刘诗军荣艳敏

海洋气象学报 2016年1期

关键词：台风

盛春岩，范苏丹，刘诗军，夏凡，荣艳敏

（山东省气象科学研究所，济南 250031）

山东WRF集合预报系统对“麦德姆”台风预报检验

盛春岩，范苏丹，刘诗军，夏凡，荣艳敏

（山东省气象科学研究所，济南 250031）

摘要：2014年第10号台风“麦德姆”登陆北上，对山东造成较大的影响。此文对业务上常用的各种数值模式对于“麦德姆”台风的预报情况进行了对比检验，重点检验了山东WRF集合预报系统对此次台风的预报性能。结果表明，山东WRF集合预报系统对于此次台风预报具有较高的参考价值。WRF确定性预报台风路径预报类似EC细网格预报，在23日20时以前预报较好，23日20时后预报最好的为T639。WRF集合预报对于台风路径预报具有较好的指示意义。WRF确定性预报02时、14时更新预报效果好于其前面6h起报结果，体现了HYBRID-3DVAR集合混合同化对于改进预报效果的作用。通过中尺度模式与其外层全球背景场模式预报对比发现，由于中尺度模式具有自身的物理参数化方案和同化系统，其对于台风路径的预报效果可以显著优于其全球背景场模式。WRF确定性预报对于“麦德姆”台风降水预报与实况最为接近。对于台风大风预报，WRF集合预报最大值最好。

关键词：台风；数值模式；对比检验；WRF集合

资助项目：山东省超级计算科技专项项目（2011YD01106）和气象关键技术集成与应用项目（CMAGJ2014M29）共同资助

引言

随着数值预报、资料同化技术以及动力统计预报技术的发展，近年来，中国台风路径预报准确率逐步提高[1-6]。对1991—2012年中央气象台台风路径预报误差分析表明[7]，24 h台风路径预报误差由1991年的200 km减小到2012年的100 km以下，台风路径预报误差首次在100km以下。台风路径预报的显著提高得益于数值预报、尤其是集合预报技术的发展。山东省气象科学研究所多年从事中尺度数值模式应用开发和数值预报产品检验业务。2012年，由山东省气象科学研究所牵头，依托国家超级计算济南中心高性能集群系统，联合中国海洋大学开发了基于HYBRID-3DVAR集合混合同化的WRF集合预报系统，系统自2013年投入业务试运行，边应用边改进，在灾害天气预报中发挥了重要的决策参考作用。此文以2014年影响山东的“麦德姆”台风为例，对山东WRF集合预报系统对台风的预报情况进行检验，并与EC细网格等其他数值预报进行对比，分析各模式的预报能力，为预报员提供参考。

1 过程概述

图1　2014年7月24日08时—26日08时山东123个国家级地面站雨量图

2014年第10号台风“麦德姆”（强热带风暴级）于7月18日02时在菲律宾马尼拉东偏南大约1620km的西北太平洋洋面上生成，中心附近最大风力8级（18m﹒s-1），中心最低气压为998 hPa。“麦德姆”生成后向西北方向移动，强度不断增强。23日00:15时在台湾省台东县长滨乡沿海登陆，23日15:30时在福建省福清市高山镇沿海第二次登陆，登陆时减弱为强热带风暴，登陆后向偏北方向移动，7月25日08时在鲁东南的日照附近转向东北移动，25日17:10时在山东省荣成市虎山镇沿海第三次登陆，5日18:10时在荣成市成山镇移入黄海北部海面。25日23时在黄海北部变性为温带气旋。“麦德姆”在24日下午开始影响山东，受其影响，24日14时开始，山东省中东部地区出现强降雨，至26日06时，共有104个县、1322个乡镇出现降雨，其中青岛、烟台、威海和潍坊东部降大暴雨，局部特大暴雨；日照、潍坊西部出现暴雨；滨州、东营、淄博、莱芜、枣庄的部分地区有大雨，全省平均降水量达51.0mm，过程雨量图见图1。超过250mm的站有14个，100～250mm的站有249个，50～100mm的站有194个，烟台昆嵛山站最大，为363.1mm。24日夜间—25日夜间，渤海海峡和黄海北部北风达8～9级阵风10～11级；渤海和黄海中部北风达7级阵风8～9级。其中烟台塔山站25日13时极大风速为30.5 m•s-1（11级）。

对于山东来说，预报的关键环节是台风是否能登陆，降水强度以及大风强度。根据预报服务需要，23日下午，山东省气象台发布关于“麦德姆”台风的重要天气预报。23日20时后，各数值模式对于台风路径的预报出现略微西调。为对比不同数值模式对于台风的预报情况，尤其是山东WRF集合预报新系统对于台风的预报能力，此文以“麦德姆”台风为例，从台风路径以及风雨预报方面，对不同模式预报情况进行对比检验。

2 山东WRF集合预报系统业务方案

2011年底，国家超级计算济南中心（以下简称“超算中心”）成立，山东省气象科学研究所与超算中心签订了合作协议，免费使用超算中心集群计算机进行中尺度模式系统开发和业务运行。联合中国海洋大学，合作开发了基于HYBRID-3DVAR/ETKF的WRF集合混合同化预报系统。系统采用美国最新同化技术HYBRID-3DVAR混合三维变分，以美国GFS资料作为背景场，同化的资料包括地面、探空、船舶、浮标、GPS/MET、AMDAR。采用随机扰动方式产生集合预报初始场，使用ETKF方法进行集合体订正。系统每天08时、20时起报两次，每次预报提前12h启动，每6h间隔进行一次HYBRID -3DVAR资料同化，同时进行集合体订正，同化循环12h后向后预报72h。综合考虑计算资源和计算效率，确定性预报采用12km、4km双重嵌套网格，集合预报采用24个成员12km分辨率。

为了给预报员提供更多预报参考，增加了WRF确定性预报的02时、14时更新预报。02时更新预报是在20时预报的基础上，继续向后同化循环6h，即集合体采用20时集合成员6h预报场，在02时进行混合三维变分分析。同样，14时更新预报是在08时预报的基础上向后同化循环6h。与08时、20时的预报相比，14时、02时的更新预报相当于混合三维变分循环时间延长了6h。

3 台风路径预报检验

这里检验的数值模式包括业务上常用的EC细网格、T639、GFS模式，以及山东本地运行的WRF集合预报、逐3小时的WRF-RUC、MM5模式。其中，山东WRF集合预报又包括WRF确定性预报和24个成员的集合预报。另外，对WRF确定性预报在02时、14时的更新预报情况也进行了检验。

3.1 不同模式台风路径预报情况对比检验

图2是2014年7月23日08时—24日20时各数值模式起报的“麦德姆”台风路径预报图。可以发现，7月23日08时（图2a），各数值模式对于台风路径的预报存在较大差异，其中，预报最好的模式为EC细网格，其次为山东WRF确定性预报（EnWRF_CTRL），再次为美国GFS预报。MM5模式在前48h预报的台风路径误差较小，48h后路径预报出现较大偏差，预报的台风经过山东后进入莱州湾，台风对于山东的影响和登陆位置等偏差较大。山东WRF-RUC模式预报的台风路径最偏东，预报误差较大。对比不同模式对台风中心位置的预报可以发现，WRF确定性预报（EnWRF_CTRL）和T639预报的台风中心位置明显偏南，即预报的台风移速偏慢，其他各模式预报的台风中心位置与实况较为接近。

图2　2014年7月23日08时（a），23日20时（b），24日08时（c），24日20时（d）各数值模式对“麦德姆”台风路径预报图（图中蓝色带圆点的路径为实况，其它颜色线条分别是EC细网格、T639、美国GFS、MM5、WRF确定性预报（EnWRF_CTRL）、逐3h间隔的WRF-RUC冷启动预报。注：图中黑色五角星位置为各模式不同起报时间预报的25日08时台风中心位置及实况）

23日20时（图2b），各模式台风路径预报有所调整，EC细网格、WRF确定性预报（EnWRF_CTRL）、T639、WRF-RUC模式预报的路径均向西调，MM5、GFS模式路径预报有所东调。与实况路径相比，此时次路径预报最好的模式为T639，其次为WRF确定性预报（EnWRF_CTRL），再次为EC细网格。从各模式预报的25日08时台风中心位置来看（图中黑色五角星位置），WRF-RUC预报的台风移速明显变慢，预报的台风中心位置最偏南，其次为WRF确定性预报（EnWRF_CTRL），其他模式预报的台风中心位置误差均较小。

24日08时（图2c），T639、GFS模式预报路径略西调，EC预报略向东调，其他模式预报变化不大。T639预报仍然最接近实况，其次为EC细网格和WRF确定性预报（EnWRF_CTRL）。从各模式预报的台风中心位置看，除WRF-RUC预报的台风中心位置明显偏南外（图中黑色五角星位置），其他模式预报的台风中心位置与实况均较接近。24日20时（图2d），T639、GFS、WRF-RUC模式预报的路径继续向西调，MM5、WRF确定性预报（EnWRF_CTRL）路径向东调，EC细网格模式路径预报略东调，各模式路径预报误差相对较小，T639模式路径预报仍然最好。24日20时EC细网格起报的台风中心位置较其他模式和实况位置偏北，表明EC细网格预报的台风移速显著变快（图中最西侧山东东南沿海附近黑色五角星位置）。

综合几次预报来看，前期EC细网格和WRF确定性预报（EnWRF_CTRL）路径预报较好，自23日20时及以后起报的预报结果看，T639模式预报的台风路径较好。因23日下午发布重要天气预报，因此，23日白天的预报对于预报员有重要影响和参考。而EC细网格和WRF确定性预报在此段时间的预报是最接近实况的，最有参考价值，因此，预报员主要参考EC细网格和WRF确定性预报，该两模式的预报对于预报员正确决策发挥了重要参考价值。而美国的GFS模式对于此次台风路径预报一直表现不佳，预报偏东，预报的台风不登陆。

值得注意的是，山东中尺度模式系统分别采用不同的全球模式作为背景场，但预报结果却差异较大。WRF-RUC和MM5模式是以T639模式作为背景场的，而WRF集合预报是以美国GFS模式作为背景场的。从图2给出的不同模式对于台风路径的预报可以发现，美国GFS模式对于此次台风路径预报误差较大，预报的台风路径明显偏东，T639模式自23日20时起对于台风路径预报最好，然而，嵌套在这两个全球模式中的中尺度模式对于台风路径的预报却差异较大。同样是嵌套在T639模式中，WRF-RUC预报的台风路径最偏东，MM5模式预报的台风路径最偏西。而嵌套在美国GFS模式中的WRF集合预报系统，确定性预报（EnWRF_CTRL）对台风路径的预报却远远好于GFS。这一结果表明，由于中尺度模式系统具有自身的物理参数化方案和同化系统，中尺度模式对于台风路径的预报并不完全“依赖”于嵌套在中尺度模式外层的全球背景场模式。选择适合的方案和同化系统，预报效果会好于全球模式。

3.2 WRF集合预报对台风路径预报情况

从图3可以发现，23日08—24日20时WRF集合成员对于台风路径的预报具有较好的指示意义。一方面，WRF集合预报对于台风路径具有一定的发散性，同时集合预报较好地“捕捉”到了台风的真实动向，即集合预报基本包含了台风路径的真实走向。与不同模式对于台风路径的集合预报（图2）相比，WRF集合预报的发散度反而小，但却比较合理。应该说，各集合成员较好地指示了台风的可能移向，对于预报员正确决策更有帮助和指导意义。

图3　2014年7月23日08时（a），23日20时（b），24日08时（c），24日20时（d）WRF集合预报对“麦德姆”台风路径预报图（图中带圆点的路径为实况，红色路径为确定性预报，蓝色线为WRF集合24个成员的预报）

3.3 WRF确定性预报更新预报对台风路径的预报情况检验

为检验02时、14时更新预报效果，对23 日02时、14时两次更新预报的台风路径预报情况与22日20时、23日08时的台风路径预报进行了对比分析。

由图4可以发现，与22日20时WRF确定性预报的台风路径预报（图4a左侧蓝色线EnWRF_2220）相比，23日02时的更新预报（图4a红色线EnWRF_2302）有了较好改进。一方面，预报的台风路径与实况更为接近，另一方面，预报的台风强度也增强了，与实况更接近了。同样，23日14时的更新预报与08时的预报相比（图4b蓝色线EnWRF_2308），14时预报的台风路径（图4b红色线EnWRF_2314）在江苏入海处更偏西，更接近实况。但登陆点可能偏东（14时预报时效短）。由此可见，延长6h同化循环周期的02、14时更新预报，均比同化循环12h的确定性预报有了更好改进，更新预报有积极作用。

图4　2014年7月23日02时（a）和23日14时（b）WRF确定性预报更新预报效果对比（图中带圆点的路径为实况，蓝色线为WRF确定性预报08时、20时预报，红色线为02时、14时的更新预报）

4 WRF集合预报对台风降水和大风预报检验

为检验WRF集合预报对于“麦德姆”台风风雨预报情况，选取7月23日08时、14时的预报（发布重要天气预报的关键时刻），对降水和风的预报进行了检验。

由23日08时起报的24日08时—26日08时降水量降水落区与实况比较接近（图5a），强降水主要出现在山东半岛。08时预报最大降水量在150mm以上，部分地区200mm。

图5　WRF确定性预报和EC细网格对台风降水和风速预报（a：2014年7月23日08时WRF确定性预报起报的24日08时—26日08时降水预报，单位：mm；b：2014年7月23日08时EC起报的24日08时—26日08时降水预报，单位：mm；c：2014年7月23日08时各模式预报的威海成山头逐3h风速演变；绿色实线为实况风速，25日14时实况缺测，单位：m/s）

对比其他模式降水预报结果发现，大多数模式对于降水预报强度偏弱。图5b给出了EC细网格在23日08时起报的24日08时—26日08时降水预报，可以发现，EC细网格降水落区预报也较好，但强度偏弱，最大降水中心约160 mm。而T639模式23日08时预报的降水范围略小，最大降水接近200mm，落区偏东（图略）。T639模式23日20时预报的降水强度反而减弱（图略）。其他模式因路径偏差较大，不再一一赘述。

图5c给出了23日08时WRF确定性预报、WRF集合不同百分位成员、WRF-RUC、EC细网格、T639模式对于成山头站逐3h风速预报曲线。可以发现，各模式预报的风速在24日20时以前差异不大，24日夜间开始，各模式预报的风速差异也逐渐加大，实况风速（图中绿色实线）也开始增大。其中，黑色实线为WRF集合最大值预报，红色线为WRF确定性预报，玫瑰红色线为EC细网格预报。与实况相比，风速开始增大的时间预报比较吻合，对大风强度预报最好的为WRF集合最大值（黑色实线），风速预报与实况基本一致。其他各模式预报风速均比实况小。此结果与近2年各模式对山东沿海风速预报检验结果比较一致，即对于5级以上大风，预报最好的是WRF集合最大值。