黃書捷 吳新宇 陳志韞

(涵江區(qū)氣象局，福建 莆田 351100)

隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)的迅速發(fā)展和通信條件的改善，可為預(yù)報提供的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品[1-4]越來越多。數(shù)值預(yù)報理論的不斷完善，以及高速度、大容量的巨型計算機及網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，數(shù)值預(yù)報已成為中短期天氣預(yù)報的基礎(chǔ)[5-8]。臺風(fēng)登陸時性質(zhì)復(fù)雜多變，給沿海地區(qū)帶來狂風(fēng)暴雨，導(dǎo)致山洪、泥石流、滑坡等次生災(zāi)害[9]，造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失和生命威脅。數(shù)值預(yù)報是國內(nèi)外臺風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報最重要的途徑之一[10]，對臺風(fēng)路徑、強度、風(fēng)向風(fēng)速、暴雨的準(zhǔn)確預(yù)報對保障人民生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要。準(zhǔn)確的模式預(yù)報對臺風(fēng)天氣有重要的參考，能夠給預(yù)報員更強的信心。本文分析了三家模式對臺風(fēng)過程的預(yù)報性能，分析了各家模式的優(yōu)劣，為臺風(fēng)預(yù)報提供了一定的參考價值。

1 資料來源與處理

本文利用經(jīng)典統(tǒng)計方法，選取歐洲中心細(xì)網(wǎng)格模式(簡稱EC細(xì)網(wǎng)格)、美國國家環(huán)境預(yù)報中心數(shù)值預(yù)報模式(簡稱GFS數(shù)值模式)、GRAPES全球同化預(yù)報模式(簡稱GRAPES模式)三家模式的預(yù)報資料。對副熱帶高壓檢驗的預(yù)報時效為12～36h，3h極大風(fēng)風(fēng)速檢驗的預(yù)報時效為24～60h，雨量檢驗的預(yù)報時效為24h和48h。自動站觀測資料來源于全省294個預(yù)報考核站點。

2 臺風(fēng)“米克拉”發(fā)展動態(tài)及風(fēng)雨實況

2.1 發(fā)展動態(tài)

2020年8月10日11時位于南海的熱帶低壓升格為熱帶風(fēng)暴，國際編號2006，命名為“米克拉”。8月11日6時，中央氣象臺將其升格為臺風(fēng)，當(dāng)日7時30分左右臺風(fēng)“米克拉”在福建漳浦縣沿海登陸。登陸時中心附近最大風(fēng)力12級，中心最低氣壓為980hPa。8月11日14時降格為熱帶低壓，17時中央氣象臺對其停止編號。臺風(fēng)米克拉為近海生成，突然加強為臺風(fēng)，從生成到登陸間隔不到一天，移動路徑為偏北方向，不斷西折(圖1)。

圖1 2006號臺風(fēng)“米克拉”移動路徑

2.2 風(fēng)雨實況

受臺風(fēng)“米克拉”影響，8月10—11日，全省沿海都出現(xiàn)了8級以上大風(fēng)，廈門、漳州出現(xiàn)了12級以上陣風(fēng)，其中以漳州龍海隆教畬族鄉(xiāng)50.4m/s(15級)為最大，10日20時—11日20時，福州、廈門、莆田、泉州、漳州、龍巖出現(xiàn)了暴雨到大暴雨。

3 不同模式對副熱帶高壓預(yù)報的檢驗

一般通過觀察5880gpm(588線)來判斷副熱帶高壓的演變趨勢，副熱帶高壓主體西伸增強代表副高強度增強，反之則為副高減弱。對2020年8月10日20時副高588線檢驗如圖2(a)、(b)、(c)所示。①GFS模式對副高的預(yù)報：36h時效內(nèi)副高588線位于臺灣島以東洋面上，24h時效內(nèi)，強度加強，588線位置調(diào)整為穿過臺灣島，12h時效內(nèi)，588線位置預(yù)報繼續(xù)東移，已經(jīng)壓到福建沿海，12h時效預(yù)報與實況最接近。以20°N為分界線，588線北段位置在過去36小時內(nèi)不斷向西調(diào)整，同時592線也有西伸加強的趨勢，說明副高整體加強西伸。②GRAPES模式對副高的預(yù)報：36h時效內(nèi)預(yù)報偏強，但588線位于福建的位置偏北，24h和12h預(yù)報588線位置基本不變，與實況整體較為接近，北段略微偏弱。整體預(yù)報調(diào)整較小，24h預(yù)報已經(jīng)接近于實況。③EC模式對副高的預(yù)報：36h整體預(yù)報都偏強，588線涵蓋福建大部分區(qū)域，24h預(yù)報偏弱，588線退出福建上空，12h預(yù)報與實況最為接近，尤其是20°N以北與實況幾乎一致，對20°N以南副高預(yù)報偏強。

選取臨近臺風(fēng)登陸時間的2020年8月11日08時副高588線檢驗，詳見圖2(a1)、(b1)、(c1)。①GFS模式對副高的預(yù)報：在20°N以北3個預(yù)報時效內(nèi)都預(yù)報偏弱，但臨近時效內(nèi)是往副高增強的方向調(diào)整。②GRAPES模式對副高的預(yù)報：只有36h時效的預(yù)報偏弱，在24h和12h時效預(yù)報與實況場非常接近，預(yù)報效果最好，調(diào)整很小。③EC模式對副高的預(yù)報：3個時效內(nèi)預(yù)報都偏弱，但是逐漸往偏強方向調(diào)整。

(a)

綜合3家模式對臺風(fēng)登陸前后的2個時次副高強度的預(yù)報可以看出，EC模式隨著預(yù)報時間的接近，預(yù)報場與實況場越來越接近，說明了越臨近的預(yù)報與實況的接近程度越高；GFS模式預(yù)報始終偏弱，尤其是在20°N以北段預(yù)報；GRAPES模式雖然在36h預(yù)報時效內(nèi)出現(xiàn)了預(yù)報偏強和偏弱，但是在24h和12h都表現(xiàn)出與實況高度吻合，是3家模式表現(xiàn)最好的。同時可以看出，各家模式對副高強度變化基本上都是往增強方向調(diào)整。季亮等[10]通過數(shù)值模擬研究得出，副高強度的加強有利于臺風(fēng)后期再次增強，同時加速了臺風(fēng)北上速度，參照臺風(fēng)登陸前后12h內(nèi)中心風(fēng)速差超過13m/s，可以定義為屬于近海突然加強臺風(fēng)，從生成到登陸間隔不到1天，副高增強對臺風(fēng)強度和移速影響都具有一定的指示。副高西伸加強后，引導(dǎo)氣流由偏南氣流轉(zhuǎn)為東南氣流，引導(dǎo)臺風(fēng)往北偏西方向移動。與實況上臺風(fēng)北上后往北偏西方向移動相符。

4 3h極大風(fēng)速和24h降水量預(yù)報檢驗

本文對2020年8月10日20時—8月11日20時，全省294個關(guān)鍵考核站點進(jìn)行3h極大風(fēng)速和24h降水量檢驗。其中，極大風(fēng)速檢驗包括EC細(xì)網(wǎng)格和GFS模式，雨量檢驗包括EC細(xì)網(wǎng)格、GFS模式和GRAPES模式。為保證檢驗結(jié)果的公平性，統(tǒng)一采用臨近點插值法將網(wǎng)格點資料插值到站點上。

4.1 風(fēng)的檢驗

通過分析24～60h時效內(nèi)風(fēng)速的平均絕對誤差分布可以看出，GFS模式總體表現(xiàn)優(yōu)于EC細(xì)網(wǎng)格，只有在48～54h時效內(nèi)GFS模式的平均絕對誤差大于EC細(xì)網(wǎng)格，GFS模式平均絕對誤差為4.07m/s，在33h時效內(nèi)平均絕對誤差最小為3.24m/s；EC細(xì)網(wǎng)格平均絕對誤差為4.97m/s，在45h時效內(nèi)平均絕對誤差最小為3.68m/s。從平均情況上看，GFS模式整體平均絕對誤差比EC細(xì)網(wǎng)格小18%，預(yù)報性能更好，如圖3所示。

圖3 全省關(guān)鍵考核站點24～60h時效風(fēng)速絕對誤差

為了進(jìn)一步體現(xiàn)大風(fēng)平均絕對誤差在地理位置上的分布特征，選取了實況站點出現(xiàn)8級以上陣風(fēng)時，各家模式的平均絕對誤差分布情況。從圖4可以看出，兩家模式平均絕對誤差大值區(qū)主要分布于福建南部，主要集中于漳州市沿海區(qū)域，平均絕對誤差在16～24m/s之間，預(yù)報明顯偏小。進(jìn)一步分析原因，參考預(yù)報時效為24h兩家模式對地面10m陣風(fēng)的預(yù)報可以看出(圖略)，EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報臺風(fēng)登陸位置為廈門，登陸時漳州沿海一帶陣風(fēng)為6～8級，GFS模式預(yù)報臺風(fēng)登陸位置為泉州，登陸時漳州沿海一帶陣風(fēng)為6級左右，而臺風(fēng)登陸漳州時，在漳州和廈門沿海部分站點出現(xiàn)了12級以上的陣風(fēng)，預(yù)報風(fēng)力顯著偏小，預(yù)報位置偏北。對于本次近海生成的臺風(fēng)“米克拉”，臺風(fēng)迅速加強并登陸時，EC細(xì)網(wǎng)格和GFS模式對“米克拉”這種近海生成突然加強的臺風(fēng)強度和登陸位置預(yù)報把握較差。

圖4 全省站點8級以上陣風(fēng)平均絕對誤差分布情況

4.2 雨的檢驗

對本次過程24h降水量預(yù)報情況檢驗，將降水量分為暴雨以下(<50mm)、暴雨(50～100mm)、大暴雨以上(≥100mm),3家模式在暴雨以下量級實況與預(yù)報的樣本數(shù)最接近是EC細(xì)網(wǎng)格模式(為0.73)，接近觀測的0.75，其次是GFS模式的0.82，GRAPES模式達(dá)到了0.91；在暴雨量級中與觀測樣本占比0.2最接近的是EC細(xì)網(wǎng)格模式和GRAPES模式，分別為0.22和0.19；在大暴雨以上量級樣本中，只有EC細(xì)網(wǎng)格模式體現(xiàn)并且與觀測樣本占比一致(皆為0.05)，如圖5所示。總體上看，三個量級的樣本占比中，EC細(xì)網(wǎng)格模式與實際觀測雨量分布樣本最為接近。但是樣本數(shù)接近不能代表預(yù)報性能好，還需要進(jìn)一步分析預(yù)報準(zhǔn)確率、空報率、漏報率，只有高的準(zhǔn)確率低的空報率和漏報率，才能說明預(yù)報準(zhǔn)確。

圖5 觀測與預(yù)報樣本數(shù)量不同類別占比

為更加直觀表現(xiàn)預(yù)報模式對本次臺風(fēng)過程中降水預(yù)報，從24h降雨量為大雨以上的站點分布(見圖6)可以看出，大雨以上的站點主要集中分布于福建中南部和沿海地區(qū)，其中大暴雨以上站點主要集中在漳州和龍巖。

圖6 2020年8月10日20時—11日20時全省大雨以上量級(≥25mm)站點分布圖

由于3家模式在72h時效的預(yù)報都沒有預(yù)報本次暴雨落區(qū)，因此暴雨檢驗的預(yù)報時效為24h和48h，預(yù)報量級站點分布見圖7。24h預(yù)報：EC細(xì)網(wǎng)格模式在福建東北部沿海大雨漏報，龍巖西南部暴雨漏報，部分大暴雨點漏報，對漳州暴雨和大暴雨落區(qū)預(yù)報比較準(zhǔn)確，整體預(yù)報與實況接近，預(yù)報準(zhǔn)確率為19.75%，空報率為51.85%，漏報率為28.4%；GRAPES模式預(yù)報大暴雨落區(qū)偏南，范圍偏小，降水集中于西南部，對中部東部沿海大雨和暴雨都漏報，預(yù)報準(zhǔn)確率為3.64%，空報率為40%，漏報率為56.36%；GFS模式預(yù)報暴雨落區(qū)偏小，對龍巖、莆田、福州的大雨、暴雨漏報，大暴雨落區(qū)偏北，預(yù)報準(zhǔn)確率為7.94%，空報率為38.1%，漏報率為53.97%。48h預(yù)報：EC細(xì)網(wǎng)格模式對廈門以北暴雨落區(qū)預(yù)報較好，但未能預(yù)報出漳州、龍巖暴雨、大暴雨落區(qū)，暴雨預(yù)報準(zhǔn)確率為13.92%，空報率為51.9%,漏報率為34.18%，其余兩家模式皆為漏報，漏報率達(dá)100%。

(a) (b)

總體上看，無論是24h還是48h，EC細(xì)網(wǎng)格模式表現(xiàn)最好，預(yù)報準(zhǔn)確率最高，GRAPES模式和GFS模式預(yù)報準(zhǔn)確率遠(yuǎn)低于EC細(xì)網(wǎng)格模式，預(yù)報參考價值較低。

5 結(jié)論與討論

①近海生成的臺風(fēng)預(yù)報難度高，登陸位置較難把握，需要加強預(yù)警監(jiān)測。

②副熱帶高壓強弱與臺風(fēng)移動關(guān)系密切，當(dāng)各家模式對副高加強西伸的預(yù)報都一致時，近海生成的臺風(fēng)快速加強西移，并登陸可能性高。

③ GFS模式和EC細(xì)網(wǎng)格模式在24～48h預(yù)報時效內(nèi)，平均絕對誤差變化較小，當(dāng)預(yù)報時效超過48h時，隨著預(yù)報時效增加而迅速增大，GFS模式整體平均絕對誤差比EC細(xì)網(wǎng)格模式小18%，同時兩家模式對極端大風(fēng)漏報，沒有預(yù)報12級以上大風(fēng)。

④在本次過程大雨及以上量級預(yù)報中，24h時效內(nèi)，EC細(xì)網(wǎng)格準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于GRAPES模式和GFS模式，當(dāng)預(yù)報時效變成48h時，各家模式預(yù)報性能嚴(yán)重下降，表明模式24h的預(yù)報結(jié)果較48h的預(yù)報更有參考價值。這說明在降水預(yù)報中，模式預(yù)報時效越短，準(zhǔn)確率也越高。

⑤EC細(xì)網(wǎng)格模式在本次臺風(fēng)過程中，對風(fēng)雨預(yù)報表現(xiàn)出了一定的預(yù)報能力，但本文僅對本次臺風(fēng)過程進(jìn)行了檢驗分析，未來將收集更多臺風(fēng)個例及更長時間序列的資料，對各家模式進(jìn)行更全面、準(zhǔn)確的評估分析，為本地氣象決策服務(wù)提供預(yù)報依據(jù)。