热带气旋集合预报研究的进展

  传统的数值天气预报用单一数值模式和初值作预报。由于受观测手段和对大气运动过程认识的限制,模式初值和模式本身存在着不确定性,这对模式预报精度存在较大影响,如模式初值状态细微的差别可能会得到差别较大的预报结果。而集合预报技术可以减小这种不确定性的影响,提高数值预报的精度及可信度。集合预报技术的基本原理是基于初值和模式本身的不确定性,根据观测误差特征或预报误差的增长特征构造多个初始场作为预报成员,并对各成员预报结果加以某种集合处理,减少不确定性因素对数值预报结果的影响。       集合技术除了改进数值预报水平外,还可提供更多的产品,如概率预报,可信度预报等,与传统的确定性预报产品相比,集合概率预报可以客观地估计未来出现某种天气的可能程度,预报结果更科学更具有应用价值。一、国外进展       集合预报技术首先在预报天气尺度和中纬度系统的中期数值预报中开展并获得成功,如欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和美国国家环境预测中心(NCEP)的中期集合预报系统,其中降水概率预报是主要的业务产品。近几年,集合预报开始应用于短期数值预报,但相应的研究工作还不是很多,主要原因是对短期数值预报中相应天气系统的演变机制认识不够,因此是目前数值预报集合技术研究的难点和热点。       热带气旋集合预报的研究是在近几年才开始的。其研究的一个重点是如何设计代表初始条件误差分布的扰动场。热带气旋本身是一个天气或次天气尺度系统,其移动是热带气旋本身与大尺度环境气流相互作用的过程,设计针对不同时空尺度系统的扰动方案,具有很大难度,而且至今对热带气旋的某些物理过程还没有很清晰的认识,这些不利条件影响热带气旋集合预报研究的开展。        Abserson(1995,1998a)最早将中期数值预报增长模培植法((Breeding of growing mode,简称BGM)应用于美国地球物理流体动力实验室(GFDL)嵌套飓风模式。Cheung和Chan(1999a、b)选用半拉格朗日正压模式,用随机误差法(Monte Carlo forecast,简称MCF)、滞后平均法(Lagging Average Forecasting,简称LAF)和BGM方法生成环境场和涡旋的扰动,分别考察两种初始扰动对热带气旋路径的改进作用。Zhang和Krishnamurti(1997、1999)用EOF分析热带气旋预报场在有限时间内的不稳定模,并以不稳定模态为基础构造初始扰动。        除了基于初始扰动构造集合预报成员的方法,Goerss(2000)将 超级集合预报方法应用于热带气旋路径集合预报,即将不同预报模式也作为集合成员,集合多个热带气旋模式的预报结果。此外,Mackey和 Krishnamurti(2001)还将EOF方法应用于热带气旋强度的集合预报。二、国内相关研究        近年来中国气象局上海台风研究所开展了热带气旋路径集合预报的一系列研究,并取得一定的成果。由于受计算机条件的限制,选用正压模式开展热带气旋路径集合预报试验,尽管模式的简化影响集合预报结果,但可大大减少计算时间,作为一个新的预报方法在业务上仍然有一定的应用前景,如周霞琼(2003)用LAF方法对2000年汛期的热带气旋进行业务试运行,其技巧水平可达到热带气旋业务运行的要求。LAF方法的优点在于其扰动在模式积分过程中能够迅速增长,出现较大的离散度,但是被延长了的积分时间影响集合预报结果,而且正压模式本身的问题也不容忽视,如热带气旋强度预报过程中可能迅速减弱消失影响集合成员个数的的稳定,模式本身的预报精度相对较低等。集合预报成员给出多个预报结果,如何集合处理来提高预报技巧同样是一个值得研究的问题,对各成员预报作简单算术平均只是一种最简单的集合方法,我们曾在正压模式集合预报的基础上提出了台风路径概率预报的可能。认为通过集合成员的预报路径给出热带气旋移动的概率预报,对路径预报的不确定性作出估计,尤其是登陆预报的不确定性,提供预报可信度信息。        此外,我们与澳大利亚新南威尔士大学和香港城市大学用斜压模式合作开展了集合预报研究,比较了斜压模式中BGM方法和LAF方法扰动热带气旋环流和环境场的集合预报效果,尽管集合预报方法在不同个例中会有不同的效果,用BGM方法扰动热带气旋的环境场的效果略好于其他方法,但从总体来看集合预报效果不明显,模式本身的配置如预报区域、参数化等有很大的不确定性,模式本身的局限性也是影响集合预报的主要因素之一。 三、存在问题和研究方向       目前,在热带气旋集合预报研究中存在如下几个主要问题:a)过分强调初始条件的不确定性,对热带气旋模式本身的不确定性没有引起足够的重视;b)现有的集合技术方法往往借用中期数值集合预报中的技术,对这些方法急需按热带气旋系统的特殊性加以改进。缺乏新的集合扰动方法;c)对区域模式而言,需要考虑模式边界的扰动;d)对各成员预报路径集合的方法,也是很重要的研究课题,集合平均并非有效集合技术;e)尚未涉及热带气旋强度的研究,集合技术应用于热带气旋强度预报研究将是一个新的课题。       针对上述存在的问题和已经开展的热带气旋集合预报研究工作,目前工作将集中在以下两方面:       首先,改进现有的正压模式台风路径集合预报方法,如通过应用不同客观分析场、扰动初始台风结构的方法等开发路径集合预报业务系统;其次是继续用复杂模式开展集合预报试验,特别是要考察模式本身不确定性,如参数化过程对热带气旋路径、强度的影响及相应的集合预报方法。针对模式初始场的不确定性我们将尝试结合同化过程来产生集合成员,以改进预报。 

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