涡旋初始化对T639模式热带气旋路径预报影响的数值试验

吴 俞, 麻素红, 瞿安祥, 张永莉

(1.海南省气象台,海南海口570203;2.中国气象局数值预报中心,北京 100081;3.成都信息工程学院,四川成都610225)

0 引言

随着观测技术的发展,气象观测资料越来越丰富,但对台风的观测资料依然存在明显的不足,譬如海洋上没有探空资料,QuikSCAT卫星表层风的观测资料受降水污染,卫星红外辐射资料受云污染,大尺度分析场中的初始涡旋通常偏弱或有位置偏差等,台风模式初始条件的不足严重影响了台风预报的准确性。因而在业务上针对台风强度弱且位置不准确,国内外的解决办法基本上是消除弱且不准确的扰动涡旋场,然后根据观测信息和经验公式构造出一个三维涡旋环流场并嵌入模式初始分析场,其Bogus方法宗旨是设计一个轴对称台风涡旋并加入某种能表征台风及其环流气流运动的非对称分量。这种台风模型初始化方案使台风路径的预报水平有了较大的提高[1-7]。

国家气象中心的TC(热带气旋的简称)初始化方案也做了较大的改进[8-9],设计和发展了一套新的TC初始化业务方案,主要由初始涡旋形成、涡旋重定位和涡旋调整3部分组成,它有效地解决了目前业务中由于TC观测资料缺失而造成的初始TC涡旋形成问题。业务中T213和T639模式的涡旋初始化过程基本相似,但略有差异,即实际业务运行中在涡旋初始化的初始涡旋形成环节T639模式并不像T213模式一样将构造好的Bogus涡旋先利用模式进行36h数值积分预报,再从各个时次的预报场中挑选出一个与观测分析的TC特征数据最接近的涡旋环流系统,最后从中分离出来嵌入到最初的背景场中形成初始的TC涡旋环流,而是采用传统的人造Bogus方案[10-12]形成初始涡旋环流。尽管在模式预报中加入涡旋初始化能改进TC路径预报,但在构造Bogus涡旋时,难免不代入人为给定的TC常数,比如七级风半径、涡旋最外围闭合半径及环境气压等等,同时还由于风速半径的观测和计算都有误差,这些人为的主观因素和仪器的客观因素使模式对有些个例的预报偏差明显偏大,因此还需要深入研究涡旋初始化问题。

文中以T639模式的涡旋初始化为重点,采用和T213模式同样的初始涡旋形成技术,试验是否对TC路径预报有所改进。最后从构造Bogus的特定参数出发,先对比其初始场与ECMWF初始场的差异,确定最可能影响TC路径预报的因子,再通过数值试验探讨这些因子对TC路径预报的影响程度。

1 T639模式TC路径预报业务流程简介

重点介绍实时业务中T639模式TC路径预报流程,如图1所示,以00时(世界时,下同)预报为例,由于实时业务中各种观测资料的获得都比实际业务预报时间延后,假设到04时才能获取70%的观测资料,为了提供较为及时的预报,模式以04时的观测资料进入同化系统作为00时刻的TC路径预报。但同化70%的观测资料不能更好地为下一预报时次(06时)提供最优的模式背景场(00时的6小时预报场),假设到07时能获得所有观测到的资料,则业务中将在获取所有观测资料的时刻重新作00时的模式预报,但该过程不进行TC路径预报,仅仅为下一时次(12时)预报提供6小时预报背景场。综上介绍,简单讲T639包括两个循环过程:(1)预报循环过程;(2)同化循环过程。在预报循环过程中,所用的6小时预报背景场进行了涡旋初始化,所用的观测资料仅为总资料的70%,分别在00时和12时进行两次TC路径预报。而同化循环过程所用的6小时预报背景场也进行了涡旋初始化,所用观测资料为100%,分别在06时和18时为00时和12时提供预报背景场。

图1 T639模式热带气旋路径数值预报业务流程

2 涡旋初始化对T639模式TC路径预报影响的数值试验

2.1 新涡旋初始化方案的数值试验

引言中提到T639模式的初始涡旋形成与T213模式的有所差异,文中在T639模式中采用与T213一样的初始涡旋形成技术进行数值试验,进一步探讨使用新的初始涡旋形成方案对TC路径预报是否有所改进?

首先新的初始涡旋形成方案是先将构造好的Bogus嵌入到背景场中作为初始场,然后利用模式对这个含有构造涡旋的初始场进行48小时积分预报,这样在输出的各个间隔时次的预报场中就会产生一个个演变的TC涡旋环流系统,接下来从各时次的预报场中挑选出一个与观测分析的TC特征数据最接近的涡旋环流系统,并从预报场中分离出来,将其嵌入到最初的背景场中形成初始的TC涡旋环流系统,最后再进行模式积分预报。新的初始涡旋形成方案在间接依靠Bogus技术的同时,更多是利用了模式来约束积分产生一个涡旋环流系统,相比原来直接嵌入Bogus涡旋而言,新的涡旋环流系统动力属性与模式本身比较协调,大大减少预报初始积分过程中产生的振荡问题,同时还能在一定程度上减少人为因素对TC涡旋结构的影响。

图2 不同方案的路径预报对比

选取2010年02号台风康森对原先的与新的初始涡旋形成技术(包括涡旋重定位、涡旋强度调整的初始化方案)进行对比试验,结果如图2所示,可以看出随着时间的增加,新方案预报的路径较控制试验(原方案)有向南调整的趋势。模式对1002号台风康森的起报时间是2010年7月12日00时,图3(a)、3(b)分别是原方案和新方案的500hPa高度场,可以看出原方案已经形成了小范围的闭合等高线,而新方案有气旋性趋势但未有闭合等高线,说明新方案对人造Bogus有所调整;图3(d)的新方案海平面气压场中TC涡旋外围尺度半径比原方案(图3c)的也略有扩大;图3(f)的新方案垂直风场剖面分布(负值对应上升气流,正值对应下沉气流)与图3(e)的原方案相比,可以看出两者在TC中心附近的垂直上升气流分布较为相似,但新方案中的下沉气流范围及速度较原方案有所扩大与加强。以上的几点差异会随着模式的时间积分逐渐扩大,这也是新方案的路径预报往南调整的原因。最后图4对比了新方案与原方案在不同预报时效的平均距离误差,整体而言新方案比原方案要有所改进,说明新方案在一定程度上减少了主观因素对TC三维结构的影响,更多地依靠模式动力与物理过程在模式预报中产生涡旋环流,这样产生的涡旋结构不但与周围环流形势比较协调,而且涡旋自身的各种物理量在动力属性上也比较平衡,在某种程度上降低了模式积分过程中对周围形势场的负面影响。

图3 原方案和新方案分别在500hPa高度场、海平面气压场和垂直风场的对比

2.2 涡旋初始化中影响TC路径预报的因子及其敏感性试验

上述的涡旋初始化试验可以看出,如果对初始化方案中的某个部分进行改变会对TC路径预报有所影响。因此只有深入研究初始化方案中可能造成TC路径预报误差的因素,才能更好改进初始化方案,提高TC路径预报水平。因此文中依然从涡旋初始化的每个方案出发,通过敏感性试验分析影响TC路径预报的因子。试验仍以1002号台风康森为个例。

要找到影响TC路径预报的因子,首先要从T639模式中加入涡旋初始化后的分析场入手,对比其与ECMWF分析场的异同。图5(a)是T639模式2010年7月14日00时的分析场,对比同一时次ECMWF的分析场(图5b)可以看出两个模式分析场差异较大的天气系统是TC涡旋。首先从涡旋大小来看,无论高低层涡旋大小(以最外围闭合等值线的半径大小衡量),T639模式初始场中TC涡旋都比ECMWF的偏小。另外从高低层高度场配置看,ECMWF分析场中TC涡旋高度场上下配置呈斜压不对称分布,而T639中TC涡旋基本呈正压分布。最后对比两个模式分析场TC强度的差异,图6(a)、6(b)分别是T639模式和ECMWF 500hPa及海平面气压经过TC中心的高度场剖面图,从图中可以看出T639的TC强度比ECMWF中的强,和前面分析一样TC高低层强度中心的配置ECMWF的要比T639的明显倾斜。根据两个分析场的差异,不难发现TC的结构特征和强度偏差很可能与初始化方案有关。由于在初始化中的初始涡旋形成方案在构造Bogus涡旋时是人为给定的TC特征常数,尽管能大体上表征每个TC的基本态,但每一个实际发生的TC差异很大且复杂,人为设置的经验参数仍不够客观。同样是否必须在TC初始化中进行强度调整也有待探讨。

因此主要从初始涡旋形成方案中初步通过改变七级风半径、涡旋外围半径大小参数和有无进行涡旋强度调整方案两个方面入手进行敏感性试验,探讨不同尺度、不同强度的涡旋对路径预报的影响程度。

图4 控制试验与新方案在不同预报时效的平均距离误差对比

图5 T639模式与ECMWF模式500hPa高度和海平面气压分析场对比(实线为500hPa高度场,阴影部分为海平面气压场)

图6 2010年7月14日00时经过TC中心的T639和ECMWF模式500hPa高度与海平面气压值的分布

根据T639模式涡旋初始化方案一共设计9组试验,如表1所示,9组试验分别与控制试验(包含涡旋初始化的3个部分)做对比。其中试验 1、试验3、试验5、试验 7、试验9中都关闭了强度调整方案,从图7(a)、7(c)、7(e)、7(g)、7(i)可以看出这5组试验的整体预报路径都比控制试验的预报偏“北”(双引号表示存在移向和移速的共同影响),后期预报的移速也稍微偏快,说明TC的强度的改变会对其路径造成一定影响,另外试验5北偏最明显,反映出对涡旋外围半径减小,“北”偏越明显。而试验2、试验4、试验6、试验8(图7b、7d、7f、7h)中都进行了强度调整,预报的路径整体上比控制试验的偏“南”或相当,另外在这几组试验中试验2偏“南”最明显,说明当七级风半径保持不变,适当增大涡旋最外围半径,路径预报将向“南”调整,且向“南”偏的程度比既增大七级风半径和增大涡旋外围半径(试验6)要大,这也说明TC路径对涡旋外围半径的大小较为敏感。

表1 试验设计方案

图7 不同初始化方案与控制试验的对比

综合而言,人为给定的反映TC特征的经验参数往往会因TC个例的不同而导致不同程度大小的误差[5-6],通过敏感性试验发现TC路径对TC强度和涡旋外围半径的大小较敏感。但是也可以看出无论是控制试验还是敏感性试验,模式预报TC的路径与实况相比都是北偏。因此今后在涡旋初始化方案中应寻求避免人为给定台风常数的方法,尽可能多地引入实际观测资料,实现既能较好反映TC本身特征,又能与模式本身相协调,达到进一步改善TC路径预报的目的。

3 结论

通过数值试验研究涡旋初始化对TC路径预报的影响得到以下结论:

(1)在涡旋初始化方案中采用新的初始涡旋形成技术对1002号台风康森进行数值试验,并对比与原方案的预报差异,得到新方案能在一定程度上减少主观因素对TC三维结构的影响,更多地依靠模式动力与物理过程在模式预报中产生涡旋环流,降低了模式积分过程中涡旋环流对周围形势场的负面影响,从而改进模式预报。

(2)以1002号台风康森为个例对比T639模式与ECMWF的分析场差异,初步从初始涡旋形成方案中通过改变七级风半径、涡旋外围尺度半径大小参数和有无进行涡旋强度调整方案两个方面入手进行敏感性试验,得到TC路径的预报对TC涡旋外围半径和TC强度较敏感,会因涡旋外围半径大小和其强度的不同而有所差异。

综上可以看出好的涡旋初始化方案是提高模式TC路径预报的有效方法,因此今后的研究仍然是侧重如何构造更加客观的Bogus涡旋,其不仅要与模式本身相协调,还要充分吸收更多的TC观测资料,达到既能够反映TC内部的实际结构特征,又能改善TC周围环流形势场的预报,最终改善TC的路径预报。

[1] 瞿安祥,麻素红.非对称台风bougs方案设计和初步试验.应用气象学报,2007,18(3):380-387.

[2] CHRISTOPHER A D,NAM S L.The NCAR-AFWA tropical cyclone bogussing scheme[R].Colorado:Rep NCAR,Boulder,2001:13.

[3] ZHAO X P,BRAUN S A.Evaluation of bogusvortex technique with four-dimensional variational data assimilations[J].Mon.Wea..Rev,2001,129(8):2023-2039.

[4] WANG Y Q.On the bogussing of tropical cyclones in numerical models:The influence of vertical structure[J].Meteor Atmos Phys,1998,65(3-4):153-170.

[5] 王国民,王诗文,李建军.一个人造台风方案及其在移动套网格模式中的应用[J].热带气象学报,1996,12(1):9-17.

[6] Wang Yuqing.On the bogusing of tropical cyclones in numerical models:the influence of vertical structure[J].Meteor.Atmos.Phys.1998,65,153-170.

[7] Leslie,L M,G J.Holland.On the bogusing of tropical cyclones in numerical models:a comparison of vortex profiles[J].Meteor.Atmos.Phys.,1995,101-110.

[8] 瞿安祥,麻素红,LIU Qingfu,等.全球数值模式中的台风初始化I:方案设计[J].气象学报,2009,67(5):716-726.

[9] 瞿安祥,麻素红,李娟,等.全球数值模式中的台风初始化II:业务应用[J].气象学报,2009,67(5):727-735.

[10] 王益柏,费建芳,张根生.几种台风初始化方法及其对比实验[J].气象,2006,32(2):3-8.

[11] 孟智勇,徐祥德,陈联寿.一种适于较强台风的切向风廓线方案及其对异常台风路径的数值模拟研究[J].大气科学,2001,25(2):193-199.

[12] 袁金南,刘春霞.轴对称模型台风的改进方案及其对0425号台风数值模拟的效果[J].热带气象学报,2007,23(3):237-245.