許映龍,黃奕武
(1. 國家氣象中心,北京 100081; 2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
2015年西北太平洋和南海臺風(fēng)活動特征及主要預(yù)報技術(shù)難點
許映龍1,2,黃奕武1
(1. 國家氣象中心,北京 100081; 2. 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
利用常規(guī)氣象觀測資料、1949—2015年中國氣象局臺風(fēng)最佳路徑資料、2015年中日美臺風(fēng)實時定位資料、1°×1°的NOAA/OISST月平均海溫資料和NCEP/FNL再分析資料以及0.5°×0.5°的NCEP-RTG實時海溫等資料,對2015年西北太平洋和南海臺風(fēng)活動的主要特征、厄爾尼諾對該年臺風(fēng)整體活動的影響、1508號臺風(fēng)“鯨魚”實時定位、1522號臺風(fēng)“彩虹”近海急劇加強預(yù)報、1510號臺風(fēng)“蓮花”和1521號臺風(fēng)“杜鵑”長時效路徑預(yù)報以及地面觀測系統(tǒng)存在的薄弱環(huán)節(jié)等主要業(yè)務(wù)技術(shù)難點和問題進行了初步分析。結(jié)果表明: 1)2015年臺風(fēng)活動活躍期不明顯,呈現(xiàn)生成總數(shù)與多年平均持平、南海臺風(fēng)偏少、生成源地偏東、強度強、超強臺風(fēng)異常偏多、登陸個數(shù)及頻次偏少等特征。2)2015年臺風(fēng)主要活動特征與極強厄爾尼諾事件關(guān)系密切,但厄爾尼諾對臺風(fēng)的影響不是單一的,其影響物理機制尚待深入研究。3)臺風(fēng)“鯨魚”實時業(yè)務(wù)定位的精度直接影響其登陸預(yù)報的精度,綜合應(yīng)用多源觀測資料、規(guī)范臺風(fēng)定位業(yè)務(wù)流程,有利于臺風(fēng)定位和路徑預(yù)報精度的提高。4)臺風(fēng)快速增強和路徑長時效預(yù)報仍是臺風(fēng)業(yè)務(wù)的主要技術(shù)瓶頸,高分辨率臺風(fēng)-海-氣-浪耦合模式、集合預(yù)報及相關(guān)動力統(tǒng)計模式和天氣物理概念模型的研發(fā)改進將是未來的主要解決技術(shù)途徑。5)中國地面觀測系統(tǒng)尚不具備對極端臺風(fēng)的監(jiān)測能力,在沿海受臺風(fēng)影響的重點區(qū)域(包括海島)布設(shè)先進的重型機械式強風(fēng)儀,將有助于提高對極端臺風(fēng)事件的監(jiān)測能力。
臺風(fēng); 活動特征; 預(yù)報技術(shù)難點; 快速增強; 高層流出氣流; 集合預(yù)報
中國地處西北太平洋西岸,大陸海岸線長達18 800多千米,特殊的地理位置和漫長的海岸線,決定了沿海各省自南向北均可能受到臺風(fēng)活動的影響。據(jù)統(tǒng)計,平均每年約有7個臺風(fēng)在沿海地區(qū)登陸,居世界首位。臺風(fēng)登陸時所伴隨的狂風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮常常給沿海及內(nèi)陸地區(qū)造成重大的經(jīng)濟損失和人員傷亡,因此臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報及相關(guān)理論技術(shù)研究一直是中國氣象部門及相關(guān)研究部門最為重要課題之一。
近20多年來,隨著氣象探測體系、數(shù)值模式和集合預(yù)報系統(tǒng)以及資料同化技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)應(yīng)用,中國臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報取得了長足的進步,在國家防臺減災(zāi)中的重要作用日益顯現(xiàn)。但隨著中國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,目前臺風(fēng)監(jiān)測預(yù)警水平尚遠遠不能滿足各行業(yè)對臺風(fēng)預(yù)報的精細化服務(wù)需求,如對于臺風(fēng)異常路徑、臺風(fēng)近??焖僭鰪娨约芭_風(fēng)長時效路徑預(yù)報等方面預(yù)報誤差還較大。臺風(fēng)路徑和強度預(yù)報的偏差,常導(dǎo)致臺風(fēng)登陸地點預(yù)報范圍過大、風(fēng)雨影響出現(xiàn)偏差,成為制約防臺工作的重大瓶頸,限制了臺風(fēng)防御工作的精細化、科學(xué)化水平。
2015年,中央氣象臺24 h、48 h、72 h、96 h和120 h臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差分別為66 km、120 km、176 km、244 km和329 km[1],整體上均優(yōu)于2014年(84 km、146 km、205 km、280 km和415 km)[2]和過去5年(2010—2014年)平均的預(yù)報水平(100 km、173 km、260 km、333 km和501 km)[2-6],達到歷史最好,且整體上與日本氣象廳(68 km、118 km、171 km、255 km和359 km)和美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(72 km、113 km、171 km、242 km和343 km)的預(yù)報水平相當(dāng)或略優(yōu)一些[1],其中,24 h臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差首次低于70 km。在臺風(fēng)強度預(yù)報方面,中央氣象臺24 h、48 h和72 h臺風(fēng)強度預(yù)報誤差分別為4.3 m·s-1、6.4 m·s-1和7.6 m·s-1[1],除72 h較2014年(5.1 m·s-1、7.5 m·s-1和7.4 m·s-1)[2]和過去5年(4.6 m·s-1、6.7 m·s-1和7.3 m·s-1)[2-6]的平均誤差水平有所增大外,24 h和48 h時效均較2014年和近5年平均水平有所降低,且好于日本氣象廳(5.1 m·s-1、8.0 m·s-1和9.4 m·s-1)和美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(4.9 m·s-1、7.1 m·s-1和8.1 m·s-1)的預(yù)報水平[1]。
2015年,中央氣象臺臺風(fēng)路徑強度預(yù)報整體上均較為準(zhǔn)確,但對個別臺風(fēng)的預(yù)報則不盡人意,如1508號臺風(fēng)“鯨魚”在登陸前不到1 h發(fā)布的臺風(fēng)黃色預(yù)警中報錯了登陸地段,其原因是業(yè)務(wù)實時定位出現(xiàn)較大的偏差;又如1510號臺風(fēng)“蓮花”和1521號臺風(fēng)“杜鵑”的120 h長時效路徑預(yù)報以及1522號臺風(fēng)“彩虹”近海急劇加強的預(yù)報均出現(xiàn)了較大的偏差。此外,“彩虹”登陸導(dǎo)致登陸點附近幾乎所有地面觀測系統(tǒng)毀損或癱瘓,使得臺風(fēng)預(yù)報服務(wù)工作一度出現(xiàn)被動局面。
此文將利用常規(guī)氣象觀測資料、1949—2015年中國氣象局臺風(fēng)最佳路徑資料、2015年中日美臺風(fēng)實時定位資料、NOAA/OISST(V2)月平均海溫資料(1°×1°)、NCEP/FNL再分析資料(1°×1°)以及NCEP-RTG實時海溫資料(0.5°×0.5°)等,首先對2015年西北太平洋和南海臺風(fēng)活動的主要特征進行簡單回顧,然后對該年度臺風(fēng)業(yè)務(wù)中的主要業(yè)務(wù)技術(shù)難點和問題進行討論,以期為未來臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報提供參考。
1.1 生成數(shù)與多年平均持平和登陸數(shù)偏少特征
2015年,西北太平洋和南海海域共有27個臺風(fēng)生成(圖1a),與多年平均值(約27.0個)持平(圖2a)。其中,有5個臺風(fēng)先后登陸中國沿海地區(qū)(圖1b),登陸數(shù)較多年平均值(約7.0個)偏少2個(圖2b),登陸比例為18.5%,低于多年平均值(25.8%)。此外,還有9個雖未登陸中國,但仍對中國海域或沿海地區(qū)帶來一定影響(圖1a)。
圖1 2015年西北太平洋和南海(a)和登陸中國(b)臺風(fēng)路徑圖Fig.1 The tracks of TCs over Western North Pacific and South China Sea (a) and those made landfall over China coastal areas (b) in 2015
圖2 1949—2015年西北太平洋和南海逐年生成臺風(fēng)頻數(shù)(a)和逐年登陸中國臺風(fēng)頻數(shù)(b)變化曲線Fig.2 The change curves of the annual TC formation frequency over Western North Pacific and South China Sea (a) and the annual frequency of TC landing on China (b) from 1949 to 2015
1.2 臺風(fēng)活躍期不明顯特征
2015年,逐月均有臺風(fēng)發(fā)生。其中,1—6月的臺風(fēng)非活躍期中共有9個臺風(fēng)形成,比多年平均值(4.7個)約多1倍;而在7—10月的臺風(fēng)活躍期,共有16個臺風(fēng)生成,較多年平均值(18.6個)偏少2.6個。此年度臺風(fēng)非活躍期主要集中在盛夏(8月)、秋末及初冬(11—12月),期間共有5個臺風(fēng)生成,較多年平均值(9.3個)偏少4.3個(圖3)。
1.3 生成源地偏東和南海臺風(fēng)活動偏少特征
2015年,在150°E以東海域有多達14個臺風(fēng)生成(圖4),占生成總數(shù)的51.85%,遠高于多年平均值(20.15%)。作為臺風(fēng)生成多發(fā)區(qū)的菲律賓以東洋面(150°E以西)及南海僅有13個臺風(fēng)發(fā)生,占生成總數(shù)的48.15%,遠低于多年平均值(79.85%)。特別是南海海域(120°E以西海域)只有2個臺風(fēng)生成,僅占總數(shù)的7.41%,還不到多年平均值(4.6個和16.89%)的一半。
1.4 臺風(fēng)強度偏強和超強臺風(fēng)異常偏多特征
2015年,臺風(fēng)的平均極值強度為46.3 m·s-1(15級),高于多年平均值(40.3 m·s-1,13級)。其中,中心最大風(fēng)速極值為17.2~32.6 m·s-1(8~11級)的臺風(fēng)出現(xiàn)頻率為22.2%,低于多年平均值(38.7%);而中心最大風(fēng)速極值大于等于32.7 m·s-1(12級以上)的臺風(fēng)出現(xiàn)頻率為77.8%,高于多年平均值(61.3%)。尤其是中心最大風(fēng)速極值大于等于41.5 m·s-1(14級及以上)的臺風(fēng)出現(xiàn)頻率為70.4%,遠高于多年平均值(39.3%)。中心最大風(fēng)速極值大于等于51.0 m·s-1(16級及以上)的超強臺風(fēng)異常偏多,高達15個,占該年臺風(fēng)總數(shù)的55.6%,比多年平均值(6個,22.1%)多出1倍以上(表1)。
表1 2015年臺風(fēng)極值強度分布與歷史多年(1949—2015年)情況對比
Table 1 The comparison of TCs’ extreme intensity distribution between 2015 and 1949—2015
臺風(fēng)中心風(fēng)速/(m·s-1)17 2~24 424 5~32 632 7~41 441 5~50 9≥51 0合計1949—2015年生成數(shù)/個2764233973113991806多年平均生成數(shù)(1949—2015年)/個4 126 315 934 645 9626 962015年生成數(shù)/個422415272015年百分比/%14 817 417 4114 8155 56100 00多年平均百分比(1949—2015年)/%15 2823 4221 9817 2222 09100 00
1.5 登陸頻次偏少和登陸強度偏強特征
2015年,共有5個臺風(fēng)7次登陸中國沿海地區(qū)(表2)。其中,廣東和臺灣各2個(不含二次登陸)、海南1個。登陸中國的臺風(fēng)個數(shù)和頻次均較多年平均值偏少(圖5)。
此外,5個登陸中國臺風(fēng)的平均登陸強度為38.4 m·s-1(13級),明顯強于多年平均登陸強度值(31.8 m·s-1,11級)。其中,1522號臺風(fēng)“彩虹”登陸廣東湛江時中心風(fēng)速達52 m·s-1(16級),為1949年以來10月登陸中國最強臺風(fēng)。
表2 2015年登陸中國臺風(fēng)一覽表
Table 2 The list of TCs made landfall over China in 2015
臺風(fēng)編號中英文名稱極值強度登陸地點登陸時間登陸強度風(fēng)力/級風(fēng)速/(m·s-1)中心氣壓/hPa1508鯨魚(Kujira)強熱帶風(fēng)暴海南萬寧6月22日18:2010259821510蓮花(Linfa)強臺風(fēng)廣東陸豐7月9日12:0513389651513蘇迪羅(Soudelor)超強臺風(fēng)臺灣花蓮福建莆田8月8日04:408月8日22:10151148309409801521杜鵑(Dujuan)超強臺風(fēng)臺灣宜蘭福建莆田9月28日17:509月29日08:50151048289459851522彩虹(Mujigae)超強臺風(fēng)廣東湛江10月4日14:101652935
圖5 多年(1949—2015年)與2015年登陸臺風(fēng)在中國各省市區(qū)的分布對比Fig.5 The comparison of the provincial distribution of TCs made landfall over China between 2015 and 1949—2015
2.1 厄爾尼諾對臺風(fēng)活動的影響
根據(jù)美國NOAA/OISST(1°×1°)的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,2015年,赤道中東太平洋表層海水持續(xù)偏暖,厄爾尼諾事件持續(xù)發(fā)展,尤其自夏季開始,異常高海溫距平區(qū)向西擴展(圖6a-c),并在10月達到最強(圖6d),其后中心強度有所減弱(圖6e)。12月,大于3.2 ℃距平的暖海溫區(qū)位于165°W以東的赤道東太平洋廣闊海域(圖6f),中心位于107°W附近,強度達到4.0 ℃。截止12月底,厄爾尼諾海溫距平指數(shù)累計達到28.0 ℃,達到極強厄爾尼諾事件標(biāo)準(zhǔn)(海溫距平累計指數(shù)大于等于16.6 ℃)[7]。
圖6 2015年入夏以后海表溫度(OISST)距平分布(單位:℃)(a. 7月,b. 8月,c. 9月,d. 10月,e. 11月,f. 12月)Fig.6 The sea surface temperature (OISST) anomaly distribution after the summer in 2015(unit:℃)(a.July, b. August, c. September, d. October, e. November, f. December)
過去大量研究指出[8-10],厄爾尼諾年,赤道東太平洋變暖時,熱帶西北太平洋變冷、大氣穩(wěn)定度增加,不利于積云對流在熱帶西太平洋發(fā)展,臺風(fēng)生成數(shù)相應(yīng)會減少,登陸中國的數(shù)量也會較常年偏少。2015年,赤道中東太平洋表層海水持續(xù)偏暖,強度異常偏強,導(dǎo)致臺風(fēng)生成源地偏東、南海臺風(fēng)偏少、臺風(fēng)活躍期不明顯,而源地偏東則有利于臺風(fēng)在海上發(fā)展。但生成總數(shù)卻與多年平均持平,較30 a(1981—2010年)氣候平均值(25.5個)則偏多。表明厄爾尼諾對臺風(fēng)活動的影響并不是單一的,其中所涉及的對海洋、大氣以及天氣氣候影響的物理機制仍有待進一步深入研究。
2.2 “鯨魚”業(yè)務(wù)定位問題
在臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報中,臺風(fēng)預(yù)報的質(zhì)量依賴于臺風(fēng)初始定位和定強的精度,尤其是當(dāng)臺風(fēng)即將登陸時,高精度的臺風(fēng)定位和定強對短期預(yù)報至關(guān)重要[11]。較大的定位和定強誤差往往會導(dǎo)致臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報出現(xiàn)重大偏差或失誤,如當(dāng)臺風(fēng)初始定位誤差為25 km時,48 h路徑預(yù)報的誤差可達300 km以上[12],且初始定位偏差可影響所有時效的路徑預(yù)報結(jié)果,而一些大的、近乎災(zāi)難性的預(yù)報誤差是由于使用衛(wèi)星資料定位分析時追蹤了不正確的特征或局部環(huán)流中心所致[12]。
在1508號臺風(fēng)“鯨魚”預(yù)報服務(wù)過程中,“鯨魚”強度較弱,從衛(wèi)星云圖(圖略)上很難確定其中心位置,因此包括中央氣象臺、日本氣象廳和美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心等國內(nèi)外業(yè)務(wù)中心所確定的“鯨魚”中心位置均存在較大的差異,三家業(yè)務(wù)中心之間的定位差異達60~100 km(圖7a)。由于臺風(fēng)定位存在困難,國內(nèi)外各業(yè)務(wù)中心的定位差異較大,中央氣象臺自6月22日13時后的逐小時定位出現(xiàn)較大偏差,“鯨魚”本應(yīng)是向西北移動,而逐小時實時定位則顯示是先向東北、后向偏北移動,并移過海南萬寧所在緯度,因此中央氣象臺22日18時發(fā)布的臺風(fēng)黃色預(yù)警預(yù)報“鯨魚”將于22日夜間在海南瓊海到文昌一帶沿海登陸,而50 min后卻發(fā)現(xiàn)“鯨魚”已在萬寧登陸,出現(xiàn)奇異的西南折路徑(圖7b)。正是實時業(yè)務(wù)定位出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致“鯨魚”登陸地點預(yù)報錯誤,預(yù)報服務(wù)效果受到較大影響。
圖7 1508號臺風(fēng)“鯨魚”(KUJIRA)中日美6 h(a)和中央氣象臺1 h(b)間隔實時業(yè)務(wù)路徑(青、黃和紅色分別表示中日美路徑,數(shù)字表示日期)Fig.7 The real time operational tracks of Typhoon Kujira (1508) at 6-hour (a) and 1-hour (b, CMA) interval(cyan, yellow and red lines indicate CMA, JMA and JTWC respectively; the number implies date)
因此,為了提高臺風(fēng)業(yè)務(wù)定位的精度,特別是臺風(fēng)登陸前的關(guān)鍵服務(wù)階段的定位精度,在實時業(yè)務(wù)定位過程中,必須綜合應(yīng)用包括地面加密自動站、浮標(biāo)、船舶以及衛(wèi)星、雷達等各種觀測資料,一旦出現(xiàn)定位不連續(xù)時必須密切關(guān)注、嚴密監(jiān)視,而規(guī)范化的臺風(fēng)定位業(yè)務(wù)流程則十分注重臺風(fēng)定位的連續(xù)性[13]。此外,為進一步加強臺風(fēng)業(yè)務(wù)定位的客觀技術(shù)支撐,必須重視和加強基于多源觀測資料的臺風(fēng)精細化定位技術(shù)的研發(fā)。
2.3 “彩虹”近海急劇加強問題
自20世紀90年代以來,各國臺風(fēng)路徑業(yè)務(wù)預(yù)報進步明顯,強度預(yù)報卻進展緩慢[14]。然而近幾年來,借助飛機觀測對臺風(fēng)初始場的改進以及高分辨率數(shù)值模式發(fā)展和強度動力統(tǒng)計模型改進,美國國家颶風(fēng)中心颶風(fēng)強度預(yù)報取得了顯著的進步[15-16]。研究表明,臺風(fēng)發(fā)展及其強度變化是多種尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果,主要包括:下墊面與臺風(fēng)的相互作用、環(huán)境大氣與臺風(fēng)的相互作用和臺風(fēng)與中尺度系統(tǒng)的相互作用等[17-21]。在環(huán)境大氣與臺風(fēng)的相互作用方面,一些研究認為,高層流出是影響臺風(fēng)強度及其結(jié)構(gòu)變化的重要關(guān)鍵因子[22-25],美國海軍研究院(ONR)為此將高層流出理論研究及其業(yè)務(wù)應(yīng)用列入其2014—2018年度研究計劃的重要工作,并開展相關(guān)外場觀測試驗,目的是了解高層流出對臺風(fēng)強度與結(jié)構(gòu)變化及其預(yù)報的影響[25]。
2015年,中心最大風(fēng)速極值大于等于41.5 m·s-1(14級及以上)的臺風(fēng)高達18個,接近多年平均值(10.6個)的一倍,其中1522號臺風(fēng)“彩虹”移入南海后,強度急劇加強,登陸廣東湛江,登陸時中心風(fēng)力達16級(52 m·s-1),為1949年以來10月登陸中國最強臺風(fēng)。
仔細分析“彩虹”移入南海時的海洋大氣狀況,可以發(fā)現(xiàn)“彩虹”近海急劇加強與下墊面和環(huán)境大氣的相互作用關(guān)系密切。由NCEP全球?qū)崟r海溫資料(RTG-SST,0.5°×0.5°)分析可知,“彩虹”移入南海時,南海中北部海表溫度普遍在29 ℃以上(圖8a),較常年平均海溫偏高0.8~2.4 ℃,尤其是粵西和瓊東海面偏高達1.6~2.0 ℃(圖8b),因此當(dāng)“彩虹”移至粵西異常高海溫海面時,潛熱釋放加強、對流加劇,強度急劇加強。而在200 hPa流場圖上則可以看到,“彩虹”進入南海時高層僅為向赤道的單流出氣流(圖9a),但隨著向粵西沿海靠近,其高層逐漸建立起雙流出氣流結(jié)構(gòu),且“彩虹”高層流出氣流逐漸與副熱帶西風(fēng)急流相連(圖9b),導(dǎo)致其高層輻散流出氣流急劇加強,高低空環(huán)境風(fēng)垂直切變也隨之減小,“彩虹”急劇發(fā)展。此外,在850 hPa低層,“彩虹”移入南海后,還伴隨著來自南半球越赤道氣流和副熱帶高壓西側(cè)東南風(fēng)流入的增強(圖略)。
圖8 2015年10月2日NCEP-RTG實時海表溫度(a)和距平(b)分析(單位:℃)Fig.8 The analysis of real time NCEP-RTG sea surface temperature (a) and anomaly (b) on 2 October 2015(unit: ℃)
由上述分析可知,“彩虹”具備了臺風(fēng)加強發(fā)展所需要的各種有利的海洋和大氣環(huán)境條件,但在實時業(yè)務(wù)預(yù)報過程中,國內(nèi)外各種主客觀預(yù)報均未能準(zhǔn)確預(yù)報出其近海急劇加強的過程,中央氣象臺雖然預(yù)報出“彩虹”在近海將有可能加強為臺風(fēng)或強臺風(fēng),但存在較大預(yù)報偏差,24 h和48 h強度預(yù)報誤差分別達5.0 m·s-1和11.5 m·s-1??紤]到現(xiàn)有業(yè)務(wù)模式(尤其是全球模式)分辨率不高,臺風(fēng)快速增強預(yù)報仍將是未來臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報中的主要技術(shù)難點,高分辨率臺風(fēng)區(qū)域海氣浪耦合模式、相關(guān)動力統(tǒng)計模式和天氣物理概念模型的研發(fā)和改進仍將是未來解決臺風(fēng)快速增強預(yù)報的主要技術(shù)途徑,如美國國家颶風(fēng)中心(NHC/NOAA)和美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(JTWC)先后發(fā)展并應(yīng)用于業(yè)務(wù)的基于模式輸出的臺風(fēng)快速增強指數(shù)(The Rapid Intensification Index,RII)動力統(tǒng)計預(yù)報方法等[26-30]。
圖9 NCEP/FNL再分析資料200 hPa流線和等風(fēng)速區(qū)(填色)分析(單位:m·s-1)(a.2015年10月2日20時,b.2015年10月4日14時)Fig.9 The analysis of NCEP/FNL 200 hPa stream line and isotach region (shadings) (unit: m·s-1) (a.20:00 BST 2 October 2015, b.14:00 BST 4 October 2015)
圖10 1510號臺風(fēng)“蓮花”(a,預(yù)報時間為2015年7月5日02時)和1521號臺風(fēng)“杜鵑”(b,預(yù)報時間為2015年9月23日02時)主客觀預(yù)報路徑與實況路徑對比(白色實線為中央氣象臺實時觀測路徑、黃色虛線為中央氣象臺主觀預(yù)報路徑、紅色虛線為多模式集合預(yù)報訂正方法(TYTEC)預(yù)報路徑,數(shù)字表示日期)Fig.10 The comparison of the subjective forecasting tracks, objective forecasting tracks and real time observed tracks of Typhoon Linfa (1510, initial time: 02:00 BST July 5, 2015) (a) and Typhoon Dujuan (1521 initial time: 02:00 BST September 23, 2015) (b) (The white solid line is CMA real time observed track; the yellow dashed line is CMA subjective forecasting track; the red dashed line is TYTEC forecasting track; the number indicates date)
2.4 臺風(fēng)長時效路徑預(yù)報
2012年中央氣象臺建立了基于ECMWF單一集合預(yù)報產(chǎn)品的臺風(fēng)路徑預(yù)報訂正方法及相應(yīng)的臺風(fēng)路徑預(yù)報業(yè)務(wù)流程,該方法的基本原理為:通過最新臺風(fēng)實況定位在集合預(yù)報中優(yōu)選一定數(shù)目(8個)的好成員,然后利用優(yōu)選成員的平均值作臺風(fēng)路徑預(yù)報。2013年進一步優(yōu)化了ECMWF集合預(yù)報優(yōu)選成員數(shù)的選取,發(fā)現(xiàn)優(yōu)選成員在12~17個之間可使臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差達到最小[31]。在此基礎(chǔ)上,2014年進一步發(fā)展了基于ECMWF和NCEP多集合預(yù)報模式產(chǎn)品的臺風(fēng)路徑預(yù)報訂正方法(Typhoon Track Ensemble Correction Method,簡稱TYTEC方法)。
業(yè)務(wù)實踐表明,基于集合預(yù)報產(chǎn)品的臺風(fēng)路徑預(yù)報訂正方法的業(yè)務(wù)應(yīng)用,使得中央氣象臺2012年以來的臺風(fēng)路徑業(yè)務(wù)預(yù)報誤差呈明顯減小的趨勢,2012—2015年24 h臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差分別為103 km、84 km、84 km和66 km[1-2,5-6],而2011年24 h誤差則為122 km[4]。2015年24 h、48 h、72 h、96 h和120 h臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差分別達到66 km、120 km、176 km、244 km和329 km,整體上與日本氣象廳(68 km、118 km、171 km、255 km和359 km)和美國聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(72 km、113 km、171 km、242 km和343 km)的誤差水平相當(dāng)[1]。
雖然臺風(fēng)集合預(yù)報產(chǎn)品的業(yè)務(wù)應(yīng)用大大提高了中國臺風(fēng)路徑業(yè)務(wù)預(yù)報的準(zhǔn)確率,但對一些臺風(fēng)的長時效(5 d)路徑預(yù)報,仍然存在較大的預(yù)報偏差或預(yù)報不確定性,尤其是對臺風(fēng)初始時期或多臺風(fēng)活動期間的長時效路徑業(yè)務(wù)預(yù)報誤差仍然較大。如對1510號臺風(fēng)“蓮花”7月5日02時和1521號臺風(fēng)“杜鵑”9月23日02時的120 h路徑預(yù)報誤差分別達995 km和2 530 km。中央氣象臺主觀預(yù)報“蓮花”登陸菲律賓后,將沿臺灣東部近海北上進入東海南部。TYTEC方法則預(yù)報“蓮花”登陸菲律賓后,將在福建再次登陸,深入內(nèi)陸。而實況則是“蓮花”登陸菲律賓后,移入南海北部,以北偏西轉(zhuǎn)偏西路徑登陸廣東(圖10a)。中央氣象臺主觀預(yù)報和TYTEC方法均預(yù)報“杜鵑”將以偏北轉(zhuǎn)東北路徑趨向日本東南洋面,而實況則是“杜鵑”以西北轉(zhuǎn)偏西路徑趨向臺灣東部,先后登陸臺灣和福建(圖10b)?!吧徎ā陛^大的預(yù)報偏差主要與1509號臺風(fēng)“燦鴻”的雙臺風(fēng)作用導(dǎo)致數(shù)值模式出現(xiàn)較大偏差有關(guān)?!岸霹N”則是與臺風(fēng)初始生成時數(shù)值模式對形勢場預(yù)報的重大偏差有關(guān),模式?jīng)]有預(yù)報出西太平洋副熱帶高壓的西伸加強過程,而是預(yù)報副熱帶高壓將減弱東退。這種情況通常出現(xiàn)在秋季的9月下旬—10月上旬,如2013年臺風(fēng)“菲特”的預(yù)報也是這樣的[32]。
圖11 2014年“威馬遜”(1409)影響期間(2014年7月18日00時—19日00時)海南七州列島(a)和2015年“彩虹”(1522)影響期間(2015年10月4日08—20時)廣東湛江三嶺山(b)自動站觀測風(fēng)速變化Fig.11 The change of observed wind speed at Qizhou Island, Hainan province from 00:00 BST July 18 to 00:00 BST July 19, 2014 during Typhoon Rammasun (1409) (a) and at Sanlingshan, Zhangjiang, Guangdong province from 08:00 to 20:00 BST October 4, 2015 during Typhoon Mujigae (1522) (b)
可見,臺風(fēng)長時效路徑預(yù)報在目前的臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報服務(wù)中仍然存在巨大的挑戰(zhàn),而為了提高臺風(fēng)長時效路徑預(yù)報的準(zhǔn)確率,除了加強數(shù)值/集合預(yù)報模式的改進研發(fā)外,還必須進一步加強天氣物理概念模型和相關(guān)模式訂正技術(shù)以及客觀方法的研發(fā),以便在實時業(yè)務(wù)中及時對數(shù)值/集合預(yù)報模式結(jié)果做出正確合理的訂正。
2.5 地面觀測系統(tǒng)
近年來,通過沿海及海島強風(fēng)儀建設(shè),中國沿海臺風(fēng)影響區(qū)強風(fēng)觀測能力得到了極大加強,提升了資料稀疏區(qū)和高影響天氣區(qū)觀測資料的獲取能力。但中國目前在沿海及海島布設(shè)的強風(fēng)儀,仍然不具備對極端臺風(fēng)的監(jiān)測能力,主要表現(xiàn)為:1)強風(fēng)儀風(fēng)速測量極限低。強風(fēng)儀基本為國內(nèi)組裝,測量極限僅能達到70 m·s-1左右,一旦實際風(fēng)速接近或超過70 m·s-1,登陸點附近強風(fēng)儀普遍被摧毀或嚴重受損,因此中國沿海強風(fēng)儀尚不具備獲取極端臺風(fēng)的實際風(fēng)速的能力。2)沿海及海島強風(fēng)儀抗風(fēng)抗腐蝕能力差。與內(nèi)陸不同,沿海及海島地區(qū)常年濕度大,且常受強烈海風(fēng)吹襲,易發(fā)生銹蝕、風(fēng)蝕和鹽蝕等腐蝕現(xiàn)象。但目前沿海及海島強風(fēng)儀仍按內(nèi)陸標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),抗鹽蝕和風(fēng)蝕能力差,導(dǎo)致強風(fēng)儀使用壽命低,強風(fēng)儀常在極端臺風(fēng)條件下受損或倒毀。
1522號臺風(fēng)“彩虹”登陸廣東湛江,創(chuàng)下了1949年以來10月登陸中國最強臺風(fēng)記錄?!安屎纭钡顷懫陂g,登陸點附近幾乎所有風(fēng)速儀均被強風(fēng)摧毀,而2014年超強臺風(fēng)“威馬遜”登陸瓊粵期間,登陸點附近的瓊粵沿海風(fēng)速儀也同樣均被強風(fēng)摧毀[33],導(dǎo)致無法獲取極端臺風(fēng)條件下完整的風(fēng)速記錄(圖11a-b),給確定臺風(fēng)強度帶來了極大困難。因此,為了提高中國對極端臺風(fēng)事件的監(jiān)測能力,建議在沿海受臺風(fēng)影響的重點區(qū)域(包括海島)布設(shè)先進的重型機械式強風(fēng)儀或超聲波脈沖式強風(fēng)儀、加強觀測場地及周圍設(shè)施建設(shè),以便在極端臺風(fēng)影響下能夠真正地獲取實際風(fēng)力資料,為臺風(fēng)業(yè)務(wù)定強、防臺減災(zāi)、災(zāi)后評估、基礎(chǔ)設(shè)施及重大工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險評估提供基礎(chǔ)性的觀測數(shù)據(jù)支持。
1)2015年,臺風(fēng)活動呈現(xiàn)活躍期不明顯、生成總數(shù)與多年平均持平、南海臺風(fēng)偏少、生成源地偏東、強度強、超強臺風(fēng)異常偏多、登陸個數(shù)及頻次偏少等特征,其中1522號臺風(fēng)“彩虹”為該年登陸我國最強臺風(fēng),創(chuàng)1949年以來10月登陸中國最強臺風(fēng)記錄。
2) 2015年臺風(fēng)主要活動特點與極強厄爾尼諾事件關(guān)系密切,但厄爾尼諾對臺風(fēng)的影響不是單一的,其影響物理機制尚待進一步深入研究。
3) 臺風(fēng)“鯨魚”實時業(yè)務(wù)定位的精度直接影響其登陸預(yù)報的精度,綜合應(yīng)用多源觀測資料、規(guī)范臺風(fēng)定位業(yè)務(wù)流程,有利于臺風(fēng)定位和路徑預(yù)報精度的提高,特別是針對弱臺風(fēng)的登陸預(yù)報服務(wù)。
4) 臺風(fēng)快速增強和路徑長時效預(yù)報仍是臺風(fēng)業(yè)務(wù)的主要技術(shù)瓶頸,高層流出氣流的增強和海溫異常與臺風(fēng)快速增強關(guān)系密切,長時效臺風(fēng)路徑預(yù)報的較大偏差主要與多臺風(fēng)活動和臺風(fēng)初始階段模式較大的預(yù)報偏差有關(guān),高分辨率臺風(fēng)海氣浪耦合模式、集合預(yù)報及相關(guān)動力統(tǒng)計模式和天氣物理概念模型的研發(fā)改進將是未來的主要解決技術(shù)途徑。
5) 臺風(fēng)“彩虹”登陸期間,登陸點附近幾乎所有地面觀測設(shè)備損毀或癱瘓,表明中國地面觀測系統(tǒng)尚不具備對極端臺風(fēng)的監(jiān)測能力,沿海受臺風(fēng)影響的重點區(qū)域(包括海島)合理布設(shè)先進的重型機械式強風(fēng)儀,將有助于提高中國對極端臺風(fēng)事件的監(jiān)測能力。
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The activity characteristics and forecasting difficulties of tropical cyclones over Western North Pacific and South China Sea in 2015
XU Yinglong1,2, HUANG Yiwu1
(1.NationalMeteorologicalCenter,Beijing100081,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)
By using conventional observational data, CMA Tropical Cyclone Best Track Dataset from 1949 to 2015, real time track by CMA, Japan Meteorological Agency (JMA) and Joint Typhoon Warning Center (JTWC) , monthly NOAA optimum interpolation sea surface temperature data (1°×1°), NCEP FNL reanalysis data (1°×1°) and NCEP real-time global sea surface temperature data (0.5°×0.5°), some preliminary analyses are made about the main forecasting technical difficulties and problems for operational TC forecasting and warning in 2015, such as the main activity characteristics of TCs over Western North Pacific and South China Sea, the influence of El Nio on TC activity, the real time operational positioning for Typhoon Kujira (1508), the rapid intensification forecasting of Typhoon Mujigae (1522) over coastal waters,the long time track forecasting for Typhoon Linfa (1510) and Typhoon Dujuan (1521) and some weaknesses in surface observation system. The results show that: 1) There is not an obvious active stage during 2015 TC season,which is characterized by: almost same annual formation frequency as the long-time average, fewer TCs over South China Sea, more easterly TC origins, stronger intensity, abnormally more super typhoons, fewer landing number and lower landing frequency and so on. 2) The main TC activity characteristics in 2015 are closely related to the strong El Nio event, and its physical mechanism is still to be further studied. 3) The accuracy of real-time operational positioning of Typhoon Kujira (1508) directly affected its landing forecasting.The application of multi-source observation data and the standardized operational TC positioning flow is usefull for improving TC positioning and track forecasting. 4) The rapid intensification and long-term track forecasting are still major technical bottlenecks in operational TC forecasting and warning, and the development of TC high-resolution sea-air-wave coupling model, ensemble forecast, dynamic statistical model and synoptic physics concept model will be the main technical approach in future. 5) Current surface observation network in China does not have the ability to monitor extreme TCs, and it could be improved by deploying more advanced heavy-duty mechanical strong wind anemograph in key coastal areas (including islands) affected by TCs.
tropical cyclone; activity characteristics; forecast difficulties; rapid intensification; upper-level outflow; ensemble forecasting
10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.01.004. (in Chinese)
2017-02-01;
2017-03-05
國家自然科學(xué)基金項目(41275066)
許映龍(1968—),男,研究員級高級工程師,主要從事臺風(fēng)監(jiān)測及預(yù)報技術(shù)研究,xuyl@cma.gov.cn。
黃奕武(1983—),男,碩士研究生,工程師,主要從事臺風(fēng)監(jiān)測及預(yù)報技術(shù)研究,huangyiwu@cma.gov.cn。
P457.8
A
2096-3599(2017)01-0031-11
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