國家氣象中心臺風數值預報系統的發展*

麻素紅 沈學順 龔建東 王建捷 陳德輝 李澤椿

1 中國氣象局數值預報中心，北京 100081 2 國家氣象中心，北京 100081

提 要： 回顧了自“八五”科技攻關以來國家氣象中心臺風數值預報業務系統的發展歷程，包括我國第一代區域模式臺風數值預報系統、全球譜模式臺風數值預報系統以及中國氣象局自主發展的GRAPES全球模式及區域臺風數值預報系統。比較不同時期臺風數值預報系統的關鍵技術特征和預報性能，重點介紹GRAPES區域臺風模式的主要技術成果，并對國家級臺風數值預報系統未來5年的發展進行展望。

引 言

臺風是影響我國最嚴重的自然災害之一，對我國國民經濟和人民生命財產造成嚴重威脅(陳聯壽等，2012)。精確的臺風預報是臺風防災減災精準施策的基本保證，而提高臺風路徑及風雨預報的準確性必須依賴數值預報這一關鍵支撐(李澤椿等，2020)。我國臺風數值預報系統的研發始于20世紀80年代末。在“八五”國家科技攻關項目“臺風、暴雨業務數值預報方法和技術研究”的支持下，國家氣象中心在區域模式HLAFS(High Resolution Limited Area Forecast System；郭肖容等，1995)的基礎上，通過物理過程優化和渦旋初始化技術的應用，建立了我國第一代國家級區域模式臺風數值預報系統MTTP(Model for Tropical Cyclone Track Prediction；王詩文和李健軍，1994；王詩文，1999；陳德輝等，1996)，并于1996年實況業務運行，對臺風路徑進行48 h預報。

全球模式分辨率的提高、物理過程的改進以及資料同化技術的進步(麻素紅等，2003；陳起英等，2004)使得基于全球模式開展臺風路徑預報成為可能。通過渦旋初始化技術的應用，國家氣象中心在全球模式T213L31(簡稱T213)的基礎上研發了全球模式臺風路徑數值預報系統，并于2004年準業務運行，提供96 h臺風路徑預報。為了避免渦旋初始化對全球模式中期預報的影響，T213臺風數值預報系統和T213中期數值預報系統作為兩套系統獨立存在，只在西北太平洋有臺風編號時才運行。2005年該系統預報時效進一步延長到120 h，并于2006年正式投入業務。T213水平分辨率約為0.5625°，非常接近MTTP的分辨率(0.46875°),且其臺風路徑的預報誤差已小于MTTP(見第二節、第三節)。因此，T213臺風數值預報系統業務運行后替代了MTTP(Ma et al,2007)。

為了實現了全球模式集約化發展，2014年，基于全球模式T639L60(簡稱T639)建立了一體化運行的中期天氣數值預報和臺風數值預報業務系統(麻素紅等，2012；瞿安祥等，2016)。自此之后，全球模式臺風數值預報作為全球模式預報功能的一部分完全融入全球中期數值預報系統，不再獨立存在。

2015年，我國自主研發的全球模式數值預報系統GRAPES-GFS通過業務化運行。2018年，渦旋初始化技術的應用，使得GRAPES-GFS具備了對西北太平洋以及南海臺風的預報能力，一體化GRAPES-GFS中期/臺風預報系統替代了T639業務系統的全部功能。

此外，根據臺風精細化預報和臺風強度預報的需求，2012年國家氣象中心在GRAPES中尺度模式的基礎上(陳德輝和沈學順，2006)，通過模式動力框架和物理過程的改進以及渦旋初始化技術的應用，建立了我國第一代以臺風強度為主要預報目標的區域模式臺風數值預報系統GRAPES_TYM并持續改進發展(張進等，2017；麻素紅等，2018；2021)。

目前，國家氣象中心已經建立了較為完備的臺風數值預報體系，并實現了關鍵技術的自主可控。圖1為簡要的發展歷程。本文將對國家級臺風數值預報系統發展以來不同時期的關鍵技術特征和預報性能進行對比，并展望國家級臺風數值預報系統未來5年的發展。

圖1 國家氣象中心臺風數值預報系統演變 (實線：路徑預報，虛線：強度預報)Fig.1 Development process of the TC numerical prediction systems in National Meteorological Centre (solid line： typhoon track prediction， dashed line： typhoon intensity prediction)

1 我國第一代區域模式臺風數值預報系統MTTP

MTTP采用σ垂直坐標，水平方向采用Arakawa-C網格。其初始場及側邊界來源于國家氣象中心全球模式T106L19(簡稱T106)。采用雙重嵌套網格，外圍粗網格分辨率為0.9375°、內部細網格分辨率為0.46875°，垂直方向為15層(王詩文和李健軍，1994)。細網格采用初始網格移動技術，即每次預報開始，細網格的區域中心都將放在臺風中心位置上，以保證其在積分過程中較少地受到邊界的影響(王詩文，1999)。MTTP在有臺風編號的時候一天運行2次，提供48 h路徑預報。

為了提高模式初始場對臺風環流的描述精度，MTTP采用了人造渦旋初始化技術(王詩文和李健軍，1994)。該技術主要包括7個方面：(1)模型臺風的環境場;(2)模型臺風的場面氣壓；(3)模型臺風上部的反氣旋；(4)模型臺風的暖心結構；(5)模型臺風的流場；(6)模型臺風的初始位移；(7)模型臺風和環境場的融合。圖2為1996—2003年MTTP 24 h臺風路徑預報的誤差。

圖2 1996—2003年MTTP 24 h 平均路徑誤差Fig.2 The 24 h mean track error of MTTP during 1996-2003

從1996年到2001年，MTTP經歷了擴大預報區域、細網格初始移動、兩次嵌入模型臺風等改進(李建軍等，1994；王詩文，1999)。2002年經過模式并行化和優化，MTTP移植到國產巨型計算機“神威”上(麻素紅等，2004)， 并于同年6月實時運行，2003年9月通過準業務驗收，其嵌套模式也由T106升級為T213。

2 全球模式臺風數值預報系統

國家氣象中心的全球模式臺風路徑數值預報系統經歷了從第一代T213臺風數值預報系統到一體化運行的T639中期/臺風數值預報系統再到GRAPES-GFS中期/臺風數值預報系統的發展過程。

由于臺風發生、發展的洋面上常規觀測資料稀少，受全球模式分辨率、衛星資料同化技術的限制，全球模式分析場對臺風環流的描述精度不高，渦旋初始化技術是改進其描述精度的關鍵技術。本節將重點介紹系統在不同發展階段的模式、同化系統、渦旋初始化等技術特征。

2.1 T213全球模式臺風數值預報系統

T213為譜模式，水平分辨率約為60 km。垂直方向采用η坐標，垂直分辨率為31層，采用最優插值(optimal interpolation，OI)資料同化技術。為了改進模式臺風路徑預報能力，2004年，T213臺風數值預報系統準業務運行，采用了非對稱臺風渦旋初始化方案(Ma et al,2007)。2007年，瞿安祥等(2009b)設計開發了的三步式渦旋初始化方案投入業務應用，T213臺風路徑預報誤差顯著減小(瞿安祥等，2009a)。

(1) 非對稱臺風渦旋初始化

非對稱臺風渦旋初始化方案的對稱渦旋部分構造方法同MTTP所用方案相同，非對稱部分則來源于去掉對稱渦旋后的全球模式背景場。試驗結果顯示：同MTTP相比,T213臺風數值預報系統的24 h及48 h平均路徑誤差均有明顯減小。

(2) 三步式渦旋初始化

T213采用了先進的SSI(spectral statistic interpolation)資料同化技術和物理過程,已經對大部分臺風具有分析能力(即分析場中存在臺風渦旋;麻素紅等，2007)。為了保留背景場中臺風渦旋的信息，使構造的渦旋同背景場更協調，國家氣象中心發展了新的渦旋初始化方案來代替非對稱臺風渦旋模型。

新方案包括三個部分：①初始渦旋生成；②渦旋分離及重定位；③渦旋強度調整。同單純的人造渦旋相比，新方案更多利用模式循環同化預報過程產生的渦旋，在很大程度上減少了人為主觀因素對臺風三維結構的影響。這樣的初始渦旋不但與周圍環流形勢比較協調，而且渦旋自身的各種物理量在動力屬性上也更為平衡，降低了模式積分初期的spin-up現象。

2.2 一體化中期/臺風數值預報系統

(1) T639臺風數值預報系統

為滿足日益增加的精細化預報需求，國家氣象中心全球模式于2006年升級為T639(陳起英等，2007)。T639水平分辨率為30 km，垂直方向為60層，采用GSI(grid statistic interpolation)變分同化技術。隨著模式分辨率的升高，基于全球模式的臺風數值預報系統單獨運行不但會增加對計算機資源的消耗，造成計算資源緊張，也會增加業務系統維護人員的負擔。為此，需要發展一體化運行的全球模式中期/臺風數值預報系統。

全球模式臺風數值預報系統同全球模式中期預報系統一體化運行的關鍵是減小渦旋初始化方案的應用對中期預報的負面影響。為此，基于T639變分同化系統開發了BDA(bogus data assimilation)渦旋初始化方案(瞿安祥等，2016)。該方案與T213臺風渦旋初始化方案的主要區別是BDA渦旋初始化方案利用資料同化技術通過同化臺風環流區域的人造資料來形成初始渦旋，與周圍環境場更協調,與模式的動力學、物理學屬性也更加匹配。

一體化T639中期/臺風數值預報系統于2014年投入業務運行，一天運行4次，提供120 h臺風路徑預報產品。

(2) GRAPRS-GFS臺風數值預報系統

為了提高GRAPES-GFS對西北太平洋臺風的預報能力，基于GRAPES-4DVar變分同化系統(Zhang et al,2019)對BDA渦旋初始化方案進行了優化并于2018年投入業務應用。2019年GRAPES-GFS垂直分變率由原來的60層提高到87層，等溫參考大氣廓線升級為三維參考大氣廓線并引入預估修正技術以提高模式預報精度。新系統能夠在絕大多數情況下維持臺風渦旋環流結構，不再需要同化bogus資料。為此，設計了一個同化國家氣象中心臺風預警部門發布的臺風中心定位軌跡及氣壓強度演變信息的臺風初始化方案并于2020年投入業務應用,新方案顯著減小了GRAPES-GFS臺風路徑及強度預報誤差。

全球模式臺風數值預報系統發展各階段的關鍵技術特征如表1所示。

表1 全球模式臺風數值預報系統技術特征Table 1 Main techniques of global model for typhoon numerical prediction

2.3 全球模式臺風路徑誤差演變

從T213全球模式臺風數值預報系統到我國自主研發的全球模式GRAPES-GFS,24 h臺風路徑預報誤差不斷減小(圖3)。經過17年的發展，全球模式24 h臺風路徑預報誤差從2004年的150 km減小到2020年的93 km,減小幅度為38.0%。

圖3 2004—2020年國家氣象中心 全球模式24 h臺風路徑預報誤差Fig.3 The 24 h mean track error of global model of National Meteorological Centre during 2004-2020

3 新一代區域臺風預報系統

GRAPES_TYM

GRAPES_TYM和GRAPES中尺度模式具有相同的動力框架：垂直方向采用高度地形追隨坐標、預報要素采用Charney-Phillips分布；水平方向采用等經緯度坐標、Arakawa-C網格。相比于GRAPES區域模式，該系統的主要改進包括：通過引入PRM水汽平流方案(沈學順等，2011；王明歡等，2011)解決模式預報的臺風不發展問題；針對臺風路徑及強度預報對模式邊界層參數化、對流參數化進行了優化改進；開發了適合臺風強度預報的渦旋初始化方案。2012年，GRAPES_TYM投入準業務運行，在臺風編報時一天運行4次。

2012—2019年，國家氣象中心對GRAPES_TYM進行了持續改進，并分別于2014、2015、2017、2018和2019年進行了業務升級(張進等，2017；麻素紅等，2018；2021)。表2為2012—2019年間GRAPES_TYM系統升級的主要參數變化。

表2 2012—2019年GRAPES_TYM業務升級的主要參數變化Table 2 Operational upgrades of GRAPES_TYM from 2012 to 2019

目前GRAPES_TYM的水平分辨率為0.09°，垂直方向為68層。物理過程包括：WSM6微物理過程、Meso-SAS對流參數化、YSU邊界層過程、NOAH陸面過程、MO相似理論表面層參數化以及Goddard短波輻射和RRTM長波輻射。預報區域覆蓋西北太平洋、南中國海和北印度洋，預報時效為120 h。

GRAPES_TYM除了提供臺風數值預報產品外，還通過能見度診斷提供海霧預報產品，同時為海浪模式、風暴潮模式提供大氣驅動場。

3.1 渦旋初始化

GRAPES_TYM采用的渦旋初始化方案包括渦旋重定位和渦旋強度調整。渦旋重定位采用的是Kurihara et al (1995)的方案，即：將全球模式分析場的熱帶氣旋分離為環境場和臺風環流場。 渦旋強度調整則采用了Wang(1995)的方案。該方案通過對環境場中臺風環流對稱風場的調整來實現對環境場中臺風強度調整，使調整后的強度接近預報員的綜合分析(Wang and Ma,2020)。為了減小強度調整對環境場的影響，改善24～48 h路徑預報能力，2017年取消了對臺風渦旋的重新定位、減小了強度調整尺度(麻素紅等，2018)。

3.2 模式動力框架改進

(1)PRM水汽平流方案應用

在GRAPES_TYM發展初期，其水汽平流方案采用了QMSL(quasi-monotone semi-Lagrange)。該方案對風速高梯度區域如臺風環流區域的計算精度偏低，易導致模式預報的臺風不發展。為此引入了高精度PRM(piecewise rational method)水汽平流方案(沈學順等，2011;王明歡等，2011)，解決了區域模式臺風強度預報不發展問題。

(2)模式參考大氣廓線改進

為了提高模式的預報精度和穩定性，數值預報模式的設計過程常常引入“參考大氣”的概念，將溫度場或氣壓場分解為平均量和擾動量。參考大氣廓線越接近實際大氣，產生的擾動量越小，模式的計算精度就越高。

2017年利用模式初始場水平平均構建的一維參考大氣廓線(麻素紅等，2018)替代了業務系統的等溫大氣參考廓線。

3.3 物理過程改進

2012年，GRAPES_TYM的對流參數化方案為SAS (simplified Arakawa-Schubert)，此方案存在過多消除層積云、不能有效消除積云內不穩定能量、沒有考慮對流加熱對動量的反饋等問題。為此將對流參數化方案更新為Meso-SAS并進行本地化(張進等，2017)。跟原方案相比，Meso-SAS方案中淺對流采用總體質量通量參數化替換原方案中的湍流擴散參數化，解決了原方案中過多消除層積云的問題；深對流參數化方面，新方案可以更有效地消除積云內不穩定能量，抑制非真實的格點飽和降水；同時Meso-SAS方案還考慮了高分辨率模式(10 km以下)對流參數化的處理方法。

3.4 模式垂直分辨率提升

模式垂直分層的合理加密對熱帶氣旋強度預報至關重要。研究顯示對模式中低層加密將有助于產生較強的熱帶氣旋，而對模式高層加密則會產生較弱的熱帶氣旋(Zhang et al,2015；Zhang et al,2016；Zhang and Wang,2003)。GRAPES_TYM分別于2014年和2019年提升了垂直分辨率：2014年由32層增加到50層；2019年由50層增加到68層，重點對模式邊界層內垂直分層進行了加密(麻素紅等，2021)。模式垂直分層加密后，臺風強度預報誤差顯著減小，尤其是強臺風和超強臺風。

3.5 臺風路徑及強度預報誤差演變

通過上述關鍵技術的改進，GRAPES_TYM對臺風路徑及強度的預報能力持續提升(圖4)。從2012年到2020年，GRAPES_TYM的24 h平均路徑誤差減小了20.1%，強度預報誤差減小了34.9%。2017年的平均強度預報誤差相比于2016年明顯減少有兩個主要原因：一是2017年的業務升級對強度預報改善明顯(麻素紅等，2018)，二是2017年的超強臺風數量偏少，而GRAPES_TYM對超強臺風的強度預報誤差偏大。

圖4 2012—2020年 GRAPES_TYM 24 h熱帶氣旋路徑(a)及強度誤差(b)Fig.4 The 24 h TC track error (a) and intensity error (b) of GRAPES_TYM from 2012 to 2020

4 國家級臺風數值預報未來發展

我國對西北太平洋臺風路徑的綜合預報業務能力已經達到了國際先進水平，但展望未來，臺風預報業務仍面臨諸多挑戰。一方面，對移動路徑突變的臺風路徑作出準確預報仍十分困難(董林等，2020；麻素紅和陳德輝，2018；郭旭等，2014；許映龍等，2011；2015；許映龍，2011)，且臺風強度、結構以及登陸臺風風雨的精細預報能力改進比較緩慢(李澤椿等，2020；張玲等，2014)；另一方面，國家海洋強國戰略和“一帶一路”倡議的實施等，使得臺風/熱帶氣旋預報業務能力需要從西北太平洋拓展至全球。臺風數值預報業務系統的發展目標，就是要為臺風/熱帶氣旋預報業務提供高精度數值產品支撐。為此，在未來5年，需要基于全球模式加快研發各主要海域(西北太平洋、大西洋和北印度洋等)熱帶氣旋數值預報關鍵技術、提升發展千米尺度高分辨率臺風強度和風雨數值模式技術等，才能有效支撐全球海域熱帶氣旋預報能力和近海(或登陸)臺風防災減災精準施策能力的提升。

(1)全球衛星資料同化和臺風內核結構的描述

初始場對臺風結構和強度的描述精度是影響臺風強度預報的關鍵因素(麻素紅，2019)，臺風渦旋初始結構和強度的偏差會隨模式積分增加，進而影響模式對臺風的預報效果。為此，需要加快發展具有“流依賴”特征的混合變分同化技術和有云區域的衛星資料同化技術，實現對臺風環流區衛星資料的有效應用，改善模式初始場對臺風內核區域結構的描述精度。

(2)千米尺度模式邊界層方案和微物理方案

邊界層方案和微物理方案是影響臺風模式強度預報的兩個重要參數化方案。近年來針對邊界層和對流云區水物質的觀測研究越來越受到重視。基于觀測資料開展高分辨率模式(特別是千米尺度)邊界層方案研發、改進微物理方案對水物質分布和相態轉化的描述等，將有助于提高模式對臺風強度的預報能力。

(3)海氣浪耦合模式的發展

海洋是臺風發展的能量來源。臺風和海洋之間有很重要的反饋機制，海-氣-浪耦合模式可以在模式積分過程中即時反映海洋和大氣之間的相互作用，是未來臺風數值預報系統重要的組成部分。

(4)移動嵌套網格技術

業務預報對臺風路徑及強度預報的產品時效的需求已經達到5～7 d，而臺風是一個移動的天氣系統，覆蓋5～7 d的預報所要求的預報區域較大。在目前高性能計算資源條件下，開展大范圍高分辨率(1～3 km)模式運算無法滿足業務預報對時效的要求。為解決這一問題，在現有業務數值預報體系下，應發展移動嵌套網格技術，在臺風環流區采用高分辨率配置而其他外圍區采用較粗分辨率配置，以實現1～3 km高分辨率臺風模式的業務運行。