集合海浪預報的發(fā)展與應用回顧

李本霞，王德帥

（1.國家海洋環(huán)境預報中心，北京100081；2.國家海洋局海洋災害預報技術(shù)研究重點實驗室，北京100081）

1 引言

目前國內(nèi)外的業(yè)務化海浪數(shù)值預報主要基于第3代海浪模式，基于確定性的海浪初始條件，以確定性的數(shù)值天氣預報風場做驅(qū)動，開展有效波高、周期、波向、波陡等海浪要素的預報。由于驅(qū)動風場的不確定性，基于單一模式和驅(qū)動風場的確定性海浪預報不能包含海浪未來可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)，從而影響預報結(jié)果的準確性。集合海浪預報方法則可將傳統(tǒng)意義上的單一的確定性預報變成不確定性預報，盡可能使得到的海浪預報包含未來海浪變化可能出現(xiàn)的所有狀態(tài)，從而達到提高海浪預報技巧的目的。同時，集合海浪預報能夠?qū)鹘y(tǒng)的確定性預報擴展至概率預報領(lǐng)域，可提供單純確定性預報所不能提供的額外信息。另一方面，集合海浪預報也是考慮海浪數(shù)值模式中物理過程不確定性的一個重要手段。為了拓展海浪的預報時效，提高長時間尺度的海浪預報的預報精度，海浪集合預報技術(shù)和方法研究已成為全球和區(qū)域海浪預報的研究熱點和前沿，開展業(yè)務化海浪集合預報將是國內(nèi)外海浪預報尤其是中長期海浪預報的發(fā)展趨勢之一。筆者2013年11月初在美國NOAA現(xiàn)場調(diào)研時了解到，美國NOAA/NCEP 正著力發(fā)展全球海浪集合預報技術(shù)，并擬在2015年將中長期海浪預報時效延長至30天。

2 國內(nèi)外集合海浪預報發(fā)展現(xiàn)狀

歐洲氣象中心（ECMWF）從1998年就開始了海浪集合數(shù)值預報業(yè)務并每天提供業(yè)務化預報產(chǎn)品。它采用集合天氣預報模式和海浪模式進行雙向耦合，由集合天氣預報系統(tǒng)提供驅(qū)動風場，初始場采用未擾動的海浪分析場，包括一個控制預報和50個集合預報。經(jīng)過多年的發(fā)展，其集合海浪預報系統(tǒng)的模式分辨率2010年已提高到0.5°，預報時效已擴展到15天。

美國NOAA/NCEP 的全球海浪集合預報系統(tǒng)（GEOWaFS）[1]從2006年開始業(yè)務化運行。它基于WaveWatchIII模式，采用一個確定性海浪初始場，以11個全球預報系統(tǒng)Global Forecast System（GFS）的風場來驅(qū)動，可提供長達240 h的海浪預報，預報產(chǎn)品包括有效波高、譜峰周期等海浪要素的集合平均預報及離散度（mean and spread）、面條圖（spaghetti）、概率預報（probability）等產(chǎn)品。

此外，加拿大、日本[2]、挪威[3]等國家也相繼開展了海浪集合預報的方法研究并計劃推向業(yè)務化。

上述組織或國家均采用大量實測海浪資料對所建立的業(yè)務化集合海浪預報系統(tǒng)進行了詳細的驗證和評估，結(jié)果表明，集合海浪預報產(chǎn)品在業(yè)務上的應用成果令人鼓舞[4-6]，其預報精度高于單一的確定性預報。

我國目前尚未開展集合海浪預報業(yè)務，海浪集合預報理論和方法的研究也較少。孫明華[7]采用集合天氣預報系統(tǒng)的風場驅(qū)動海浪模式WaveWatchⅢ，開展了全球集合海浪預報試驗并開展了初步檢驗。其研究表明，集合平均的預報水平要優(yōu)于單一的確定性預報。

3 集合海浪預報方法

歸納起來，目前國內(nèi)外采用的集合海浪預報方法主要有兩種。一種是采用給海浪初始場加入初始擾動的方法生成多個海浪初始場，從而通過海浪模式計算出多個海浪預報場，這種方法同集合天氣預報方法比較相似；另一種方法是直接使用集合天氣預報生成的多個海面風預報場來驅(qū)動海浪模式，從而計算出多個海浪預報場，這種方法直接依賴于集合天氣預報系統(tǒng)。已有研究表明[7-9]，第一種方法對初始海浪場進行擾動能夠估計初始海浪場誤差的增長，但初始場的擾動對海浪預報結(jié)果的影響時效僅為24—48 h，更長時間的海浪預報主要受驅(qū)動風場的影響。可以說，驅(qū)動風場的不確定性是引起海浪預報不確定性的最主要因子，并限制了海浪模式的可預報性。因此，目前國際上開展的集合海浪數(shù)值預報業(yè)務普遍采用第2 種集合海浪預報方法。此外，Lenartz等[10]開展了海浪超級集合預報技術(shù)研究，即基于不同的海浪模式，采用不同的驅(qū)動風場驅(qū)動，計算得到多個海浪預報場，此方法又稱多模式集合預報技術(shù)。該技術(shù)可綜合考慮不同模式的優(yōu)勢和缺點，通過與實測資料的對比采用不同的權(quán)重對集合預報成員的預報結(jié)果進行集合，在觀測資料較多的情況下，該方法推算的區(qū)域海浪預報結(jié)果具有更高的準確度。

4 集合海浪預報產(chǎn)品

與集合天氣預報產(chǎn)品類似，目前國際上業(yè)務化集合海浪預報推出的預報產(chǎn)品主要有集合平均、“面條”圖、“郵票”圖、概率預報等。

（1）集合平均和集合預報離散度

集合平均為集合預報各成員的數(shù)學平均，可給出集合預報的總體趨勢。集合預報平均值的預報技巧一般會高于控制預報和其他集合預報成員的預報技巧，有時1 周以后集合均值的預報技巧甚至超過確定性的業(yè)務預報模式的技巧。但由于集合平均預報僅給出了未來海浪狀態(tài)的一種可能性，而沒有包括“所有”的可能性，所以實質(zhì)上并未跳出確定性預報的范疇。

集合離散度為預報成員對集合平均值的標準差，反映了集合成員之間的差別。集合離散度越大，表示集合預報成員預報結(jié)果的集中度越弱，預報可信度越低；反之，預報可信度越高。圖1 為NOAA/NCEP給出的2013年6月9日00時（世界時）有效波高集合平均預報結(jié)果和離散度分布圖。由此圖可以看出，在南緯30°—60°S 之間將有4—7 m的巨浪到狂浪，但有效波高的離散度較大，最大可達2.4 m以上，說明在這部分海況較差的洋面，集合預報成員給出的預報結(jié)果的差異較大。

（2）“面條”圖

“面條”圖（spaghetti diagram）可以用來表示某一預報要素在集合預報中的發(fā)散程度，即選取1 條等值線，將所有成員對該等值線的預報都綜合繪制在1張圖上。線條越集中，則預報的可信度越大，反之，預報的不確定性可能越大。實際應用中，可針對各海浪預報要素的變化情況，選取不同的波高等值線參考值，如選取有效波高等值線為1 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，分別繪制其“面條”圖。圖2為NCEP發(fā)布的有效波高為2 m 的集合預報“面條”圖[1]。可以看出，在圖中黑色粗虛線標注的洋面或海域，2 m集合預報的線條比較發(fā)散，說明這些區(qū)域預報結(jié)果存在較大的不確定性。

（3）“郵票”圖

“郵票”圖（stamp charts）是展示集合預報產(chǎn)品最直接、最基本的一種方法。它將所有集合成員和業(yè)務預報的結(jié)果放在同一張大圖上，從而向人們展示所有可能的預報結(jié)果，集合預報“郵票”圖在極端天氣預報方面有較大的優(yōu)勢。如在1999年11月24日圣誕節(jié)期間歐洲出現(xiàn)了一次強暴風雪過程，造成極大影響。對這次過程，確定性的業(yè)務預報沒有什么反映（見圖3 左上角），而分析集合預報的“郵票”圖則可以看到，有部分成員（如成員7、9、13、19、24、39、45、48、49 等）成功地預報出了造成風暴天氣的低壓系統(tǒng)，雖然成員數(shù)并不多，但是相對于氣候概率已經(jīng)是很高的了，體現(xiàn)了集合預報對極端天氣的預報能力。圖4給出了集合海浪預報的“郵票”圖示例。

（4）概率預報圖

對于某個特定預報對象，可以從所有的集合成員預報中算出其發(fā)生的相對頻率。概率預報產(chǎn)品包含了該集合預報系統(tǒng)所能提供的所有信息，最大程度地包含了實際海浪可能發(fā)生的種種情況，所以概率預報被認為是表達集合預報的最全面的方法之一。

海浪集合概率預報的產(chǎn)品包括預報區(qū)域的概率預報分布圖及單點的概率預報。圖5 為NOAA/NCEP于世界時2013年6月1日18時發(fā)布的全球有效波高為4.0 m以上的90 h概率預報圖。從圖中可以看出30°—60°S 區(qū)域4.0 m 以上的海浪出現(xiàn)概率較大，最大概率達到了90%以上。圖6 給出了2009120112起報的12月7日有效波高為8 m以上的概率分布，也可以看出，在紅色填充的海域，有效波高為8 m以上的出現(xiàn)概率可達到80%以上。

一般來說，對海浪預報依賴性非常大的用戶，如海上作業(yè)、海上休閑旅游、海上航行等，如果大浪的出現(xiàn)概率達30%以上，可能就需要采取相應的防范措施。相反，對海浪依賴性較弱的用戶，可能只有遇到預報概率較高（如出現(xiàn)概率在80%以上）的高海況時才會采取相應的措施。

另外，除了概率預報圖外，還可以給出某一定點的概率預報產(chǎn)品。單點概率預報指某一點有效波高超過某一閾值如4 m、6 m、8 m 等的出現(xiàn)概率。預報結(jié)果為一個數(shù)值，其集合成員的預報結(jié)果基本采用相同的權(quán)重。預報產(chǎn)品的形式見表1。

表1 歐洲預報中心（ECMWF）的單點概率預報產(chǎn)品

5 結(jié)語

由上分析可以看出，與單一的確定性預報相比，集合海浪預報能夠囊括未來更多可能出現(xiàn)的海浪狀態(tài)，既能給出最有可能出現(xiàn)的預報值（集合平均預報），又能給出預報的可信度（集合離散度），這些信息是單一的確定性預報所不能提供的。另外，其給出的概率預報產(chǎn)品相對于單一的確定性預報，其實用性更大，尤其是對于1 周以上的中長期預報。目前國際上主流的業(yè)務化預報機構(gòu)已把中長期集合海浪預報作為主要的研究發(fā)展方向之一，而我國目前海浪集合預報尚處于試驗及研究階段。隨著計算能力的不斷進步以及集合天氣預報的快速發(fā)展，發(fā)展業(yè)務化集合海浪預報技術(shù)，開展海浪概率預報將是我國海浪預報的主要發(fā)展趨勢之一。

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