宋 帥,周 林,鄭崇偉,蘇 勤

(1.總參氣象水文局 北京 100081;2.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101;3.海洋出版社 北京 100081)

1307號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇力”期間T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品的有效性檢驗(yàn)及應(yīng)用*

宋 帥1,周 林2,鄭崇偉2,蘇 勤3

(1.總參氣象水文局 北京 100081;2.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院 南京 211101;3.海洋出版社 北京 100081)

文章利用T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品,對(duì)發(fā)生在2013年7月中旬的201307號(hào)臺(tái)風(fēng) “蘇力”的海表風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào),分析臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征,并探索性地利用來(lái)自我國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)的觀測(cè)資料,檢驗(yàn)T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在臺(tái)風(fēng)期間的精度,以期可為臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明:(1)從定性的角度來(lái)看,預(yù)報(bào)風(fēng)速與觀測(cè)風(fēng)速在曲線走勢(shì)上保持了很好的一致性,預(yù)報(bào)風(fēng)速具有較高可信度;綜合考慮相關(guān)系數(shù)、偏差、均方根誤差、平均絕對(duì)誤差,定量地分析發(fā)現(xiàn),預(yù)報(bào)風(fēng)速具有較高精度,預(yù)報(bào)值在數(shù)值上稍大于觀測(cè)值。(2)T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在中國(guó)海范圍整體上具有較高精度,但在部分小區(qū)域沒有充分考慮到地形效應(yīng)。(3)T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品很好地刻畫了臺(tái)風(fēng) “蘇力”的結(jié)構(gòu)特征,對(duì)臺(tái)風(fēng)眼、臺(tái)風(fēng)尾跡、大風(fēng)區(qū)等臺(tái)風(fēng)的顯著特征刻畫的較為形象,預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)走向與觀測(cè)路徑也大體上保持一致。

T639風(fēng)場(chǎng);中國(guó)海;臺(tái)風(fēng);預(yù)報(bào)能力

1 前言

臺(tái)風(fēng)的巨大破壞性已被人類所共識(shí),其形成的狂風(fēng)巨浪輕則造成重大的經(jīng)濟(jì)損失,重則帶來(lái)嚴(yán)重的災(zāi)難[1-2]。前人對(duì)臺(tái)風(fēng)做過(guò)較多的工作,張建海等[3]利用MM5模式,對(duì)2004年第14號(hào)臺(tái)風(fēng)Rananim進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了臺(tái)風(fēng)登陸前后環(huán)流特征、熱力、動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征的演變過(guò)程,發(fā)現(xiàn)MM5模式對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑、移速、降水量等具有較強(qiáng)的模擬能力。黃嘉宏等[4]曾利用四維同化技術(shù)和MM5模式,對(duì)南海臺(tái)風(fēng)Vongfong進(jìn)行模擬,結(jié)果表明同化QuikScat資料主要能使模擬的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑與實(shí)況更為接近,臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度變化、降水量與對(duì)流參數(shù)化方案有密切的關(guān)系,其中Betts-Miller濕對(duì)流調(diào)整型方案最為合適。張志旭等[5]利用Holland臺(tái)風(fēng)模型和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)再分析風(fēng)場(chǎng)資料,構(gòu)造出南海臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng),發(fā)現(xiàn)結(jié)果較好地符合了TOPEX/Poseidon衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的風(fēng)速分布。王艷萍等[6]對(duì)2006年西北太平洋熱帶氣旋的活動(dòng)特征進(jìn)行了分析,并利用500 h Pa月或候平均環(huán)流形勢(shì)解釋了2006年的臺(tái)風(fēng)登陸早、登陸時(shí)間集中的原因,發(fā)現(xiàn)500 hPa月或候平均環(huán)流形勢(shì)對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸預(yù)報(bào)有一定意義。

前人對(duì)臺(tái)風(fēng)的機(jī)理分析做了很大貢獻(xiàn),但多是采用后報(bào)的分析方法,本研究利用T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品,對(duì)發(fā)生在2013年7月中旬的201307號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇力”的海表風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào),分析臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征,并充分利用來(lái)自臺(tái)灣周邊的觀測(cè)資料,檢驗(yàn)T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在臺(tái)風(fēng)期間的精度,以期可為臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)。

2 臺(tái)風(fēng)概況、資料簡(jiǎn)介、數(shù)據(jù)處理方法

2.1 臺(tái)風(fēng)概況

發(fā)生在2013年7月中旬的201307號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇力”,生成于馬里亞納群島北部洋面,而后迅速加強(qiáng),曾一度發(fā)展為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),7月13日凌晨3點(diǎn)(全文均為北京時(shí)間)襲擊臺(tái)灣島,7月13日傍晚正面襲擊福建沿海,16點(diǎn)在福建連江縣登陸,給臺(tái)灣島、大陸沿海的水產(chǎn)養(yǎng)殖、電力、交通、居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重影響,是近6年來(lái)強(qiáng)度最大的臺(tái)風(fēng),具體臺(tái)風(fēng)路徑請(qǐng)見圖1。

圖1 201307號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇力”路徑圖

2.2 資料簡(jiǎn)介

本研究利用T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品,對(duì)臺(tái)風(fēng)“蘇力”的海表風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào),并利用臺(tái)灣周邊的觀測(cè)資料檢驗(yàn)了T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在臺(tái)風(fēng)期間的有效性。T639是T639L60全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,與T213產(chǎn)品相比,T639產(chǎn)品具有要素豐富、時(shí)空分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[7-11]。T639模式將譜分辨率從213波提高至639波,垂向分層從31層增至60層,時(shí)間分辨率為3 h,空間分辨率為0.3°×0.3°,空間范圍覆蓋北半球。國(guó)家氣象中心在2007年實(shí)現(xiàn)T213到T639模式的升級(jí),并在2008年投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行,可為預(yù)報(bào)員提供依據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

T639系統(tǒng)輸出產(chǎn)品的原始文件名規(guī)則:

系統(tǒng)名:gmf(Global Model Forecast system)

模式名稱:639(TL639L60)

起報(bào)時(shí)間:年月日時(shí)次(4位年,2位月和2位日,2位預(yù)報(bào)時(shí)次。均為國(guó)際時(shí))

預(yù)報(bào)時(shí)效:FFF(3位數(shù)字)

編碼格式:grb1(grib 1版本編碼)

利用Grads軟件提取所需區(qū)域的數(shù)據(jù),編寫吻合的ctl文件,最后進(jìn)行可視化制作,具體如下:

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

Step2:gribmap-i gmf.639.2008042812000. ctl;

Step3:編寫gs程序,利用grads軟件截取所需的區(qū)域;

Step4:編寫配套的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軟件進(jìn)行可視化制作,效果圖請(qǐng)見圖2。

3 資料驗(yàn)證

目前海洋觀測(cè)資料在全球各個(gè)國(guó)家均較為稀缺,這種困境在我國(guó)也較為突出。衛(wèi)星資料反演海表風(fēng)速雖然精度得到了廣泛認(rèn)可,但衛(wèi)星軌道在中國(guó)海較少,重復(fù)周期也很長(zhǎng) (如T/ P高度計(jì)周期為10d),這就導(dǎo)致衛(wèi)星資料反演的海洋數(shù)據(jù)在中國(guó)海范圍的空間分辨率、時(shí)間同步性等方面都有很大缺陷。本研究充分收集來(lái)自我國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)周邊海域的實(shí)測(cè)風(fēng)速,用于驗(yàn)證T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在中國(guó)海的有效性。

3.1 定性比較數(shù)據(jù)精度

對(duì)比預(yù)報(bào)風(fēng)速、觀測(cè)風(fēng)速的曲線走勢(shì)圖,可以直觀地看出模擬數(shù)據(jù)的精度 (圖3和圖4)。從曲線走勢(shì)來(lái)看,預(yù)報(bào)風(fēng)速與觀測(cè)風(fēng)速保持了很好的一致性,我國(guó)臺(tái)灣周邊的4個(gè)觀測(cè)站、韓國(guó)的1個(gè)觀測(cè)站均是如此。

圖2 臺(tái)風(fēng)“蘇力”期間的T639預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng),風(fēng)速單位:m/s

圖3 臺(tái)灣島周邊海域觀測(cè)風(fēng)速與預(yù)報(bào)風(fēng)速

圖4 韓國(guó)22102浮標(biāo)站的觀測(cè)風(fēng)速與預(yù)報(bào)風(fēng)速

由圖2可見,基隆氣象站、淡水氣象站的波峰出現(xiàn)在13日02時(shí)前后,基隆站的最大風(fēng)速在24 m/s左右,淡水站的最大風(fēng)速在13 m/s左右;石梯氣象站、梧棲氣象站的最大風(fēng)速出現(xiàn)在13日08時(shí)左右,比基隆氣象站、淡水氣象站的波峰晚了約5個(gè)小時(shí),這應(yīng)該是由于臺(tái)風(fēng)先期到達(dá)基隆氣象站、淡水氣象站所致。整體來(lái)看,T639預(yù)報(bào)風(fēng)速在臺(tái)灣周邊具有較高精度,能很好地刻畫出風(fēng)速的整體變化趨勢(shì),僅在石梯附近的預(yù)報(bào)值明顯偏大,這應(yīng)該是由于模式?jīng)]能充分考慮到此處的地形效應(yīng),這也是該模式以后可以改進(jìn)之處。

韓國(guó)22102浮標(biāo)站:該站屬于臺(tái)風(fēng)的外圍區(qū)域,受臺(tái)風(fēng)影響并不強(qiáng)烈,風(fēng)速在整個(gè)臺(tái)風(fēng)期間變化不是特別大,11日08時(shí)-15日20時(shí),風(fēng)速基本在6 m/s上下波動(dòng),15日20時(shí)-16日08時(shí),風(fēng)速增加,這是由于有一弱的低壓系統(tǒng)過(guò)境所致。預(yù)報(bào)風(fēng)速與觀測(cè)風(fēng)速的走勢(shì)非常一致,僅在數(shù)值上略大于觀測(cè)風(fēng)速。

3.2 定量精確比較數(shù)據(jù)精度

圖3和圖4可以定性地展現(xiàn)預(yù)報(bào)風(fēng)速的變化趨勢(shì)是否與觀測(cè)風(fēng)速一致,為了定量地分析T639預(yù)報(bào)風(fēng)速的精度,本研究還計(jì)算了相關(guān)系數(shù)(CC)、偏差(Bias)、均方根誤差(RMSE)以及平均絕對(duì)誤差(MAE),見表1。從相關(guān)系數(shù)來(lái)看,5個(gè)觀測(cè)站處預(yù)報(bào)風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速的相關(guān)性都非常好,均通過(guò)了99%的信度檢驗(yàn);從偏差來(lái)看,5個(gè)觀測(cè)站均為負(fù)值,表明預(yù)報(bào)值稍大于觀測(cè)值,但Bias數(shù)值都很小,表明誤差很小。從RMSE、MAE來(lái)看,誤差也都在可控范圍之內(nèi),可見,此次臺(tái)風(fēng)期間,T639預(yù)報(bào)風(fēng)速在中國(guó)海范圍整體上具有較高精度。

表1 T639預(yù)報(bào)風(fēng)速在臺(tái)灣周邊的精度

續(xù)表

4 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的分布特征

利用T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品,對(duì)臺(tái)風(fēng) “蘇力”的海表10 m風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)(圖3)。整體來(lái)看, T639預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)很好地刻畫了臺(tái)風(fēng) “蘇力”的結(jié)構(gòu)特征,對(duì)臺(tái)風(fēng)眼、臺(tái)風(fēng)尾跡、大風(fēng)區(qū)等臺(tái)風(fēng)的顯著特征刻畫的較為形象,預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)走向與觀測(cè)路徑也大體上保持一致。

11日08時(shí):臺(tái)風(fēng)位于臺(tái)灣以東的廣闊洋面,所處的廣闊暖洋面環(huán)境有利于臺(tái)風(fēng)的維持與發(fā)展,此時(shí)其強(qiáng)度為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),以22 km/h的速度向西移動(dòng)。臺(tái)風(fēng)中心存在一風(fēng)速是相對(duì)低值中心,即臺(tái)風(fēng)眼,風(fēng)速在20 m/s以內(nèi),從臺(tái)風(fēng)眼往外,風(fēng)力迅速增加,7級(jí)風(fēng)半徑約400 km,10級(jí)風(fēng)半徑約150 km;臺(tái)風(fēng)尾跡可從臺(tái)風(fēng)后部延伸至菲律賓南部,臺(tái)風(fēng)尾跡的風(fēng)速在5～10 m/s。

11日20時(shí):臺(tái)風(fēng)緩慢向西北偏西的方向以東,臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)保持較好,臺(tái)風(fēng)眼、臺(tái)風(fēng)尾跡都展現(xiàn)的較為清晰,強(qiáng)度略減為強(qiáng)臺(tái)風(fēng),7級(jí)和10級(jí)風(fēng)半徑與11日08時(shí)無(wú)大的變化,臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)場(chǎng)已經(jīng)能夠影響到第一島鏈 (日本—琉球群島—我國(guó)臺(tái)灣—菲律賓),但由于風(fēng)速不是很大,此時(shí)對(duì)第一島鏈的影響并不強(qiáng)烈。

12日08時(shí):繼續(xù)緩慢向西北方向移動(dòng),7級(jí)風(fēng)半徑剛能影響到臺(tái)灣東部的花蓮近海。12日20時(shí),臺(tái)風(fēng)逼近臺(tái)灣島,10級(jí)風(fēng)半徑已經(jīng)影響到臺(tái)灣東北部近海。

13日02時(shí):此時(shí)臺(tái)風(fēng)已經(jīng)逼近臺(tái)灣東北部近海,并在1小時(shí)候在新北市與宜蘭縣交界處登陸,雖然臺(tái)灣島對(duì)臺(tái)風(fēng)起了很大的阻擋作用,但由于臺(tái)風(fēng)登陸地點(diǎn)在臺(tái)灣島東北部,離海洋很近,因此臺(tái)灣島的阻擋作用并沒有破壞臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征,強(qiáng)度依然為強(qiáng)臺(tái)風(fēng),7級(jí)和10級(jí)風(fēng)半徑比臺(tái)風(fēng)在大洋上時(shí)只是略有縮小。

13日05時(shí):臺(tái)風(fēng)中心位于臺(tái)灣島東北部的臺(tái)北市,整個(gè)臺(tái)灣島及周邊海域都處于10級(jí)大風(fēng)半徑以內(nèi),尤其是花蓮近海,風(fēng)速在30 m/s (11級(jí))以上。

13日08時(shí):臺(tái)風(fēng)進(jìn)入臺(tái)灣海峽,強(qiáng)度依然為強(qiáng)臺(tái)風(fēng),在臺(tái)風(fēng)巨大風(fēng)力和狹管效應(yīng)的雙重作用下,給整個(gè)臺(tái)灣海峽帶來(lái)了強(qiáng)勁的東北風(fēng),基本在21 m/s(9級(jí))以上,臺(tái)灣東部的花蓮近海風(fēng)速仍然在30 m/s(11級(jí))以上。

13日14時(shí):臺(tái)風(fēng)逼近福建沿海,在臺(tái)灣島和大陸地形的共同影響下,強(qiáng)度減弱為臺(tái)風(fēng),并與兩小時(shí)后在附件連江縣黃岐半島沿海登陸。臺(tái)灣海峽、臺(tái)灣島、福建沿海在臺(tái)風(fēng)的影響下,風(fēng)速基本都在15 m/s(7級(jí))以上,大值中心在2 121 m/s(9級(jí))以上。

5 結(jié)論與討論

本研究利用T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品,對(duì)發(fā)生在2013年7月中旬的201307號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇力”的海表風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào),分析臺(tái)風(fēng)的結(jié)構(gòu)特征,并探索性地利用來(lái)自我國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)的觀測(cè)資料,檢驗(yàn)T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在臺(tái)風(fēng)期間的精度,以期可為臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等提供科學(xué)依據(jù)。本文主要得到如下結(jié)論。

(1)從定性的角度來(lái)看,預(yù)報(bào)風(fēng)速與觀測(cè)風(fēng)速在曲線走勢(shì)上保持了很好的一致性,預(yù)報(bào)風(fēng)速具有較高可信度;綜合考慮相關(guān)系數(shù)(CC)、偏差(Bias)、均方根誤差(RMSE)、平均絕對(duì)誤差(MAE),定量地分析發(fā)現(xiàn),預(yù)報(bào)風(fēng)速具有較高精度,預(yù)報(bào)值在數(shù)值上稍大于觀測(cè)值。

(2)T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品在中國(guó)海范圍整體上具有較高精度,僅在部分小區(qū)域偏差稍大,如臺(tái)灣的石梯氣象站,這是由于沒有充分考慮到地形效應(yīng)所致,這也是該模式在以后的研究中可以改進(jìn)之處。

(3)T639風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品很好地刻畫了臺(tái)風(fēng)“蘇力”的結(jié)構(gòu)特征,對(duì)臺(tái)風(fēng)眼、臺(tái)風(fēng)尾跡、大風(fēng)區(qū)等臺(tái)風(fēng)的顯著特征刻畫的較為形象,預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)走向與觀測(cè)路徑也大體上保持一致。

[1] 鄭崇偉,周林,宋帥,等.1307號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇力”臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值預(yù)報(bào)[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014, 53(2):257-262.

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國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(2012CB957803).