熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力釋用技術(shù)的檢驗(yàn)與評(píng)估

周冠博 錢奇峰 胡海川 黃永杰 崔曉鵬, 陳有龍,

（1 國家氣象中心，北京 100081；2 海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南 570203；3 中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029；4 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5 海南省氣象信息中心，海南 570203）

0 引言

熱帶氣旋致災(zāi)因子主要包括大風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮[1]，其中，熱帶氣旋暴雨形成機(jī)理一直受到氣象學(xué)者廣泛關(guān)注[2-11]，而對(duì)熱帶氣旋引起的強(qiáng)風(fēng)的理論研究卻相對(duì)較少。數(shù)值預(yù)報(bào)是熱帶氣旋大風(fēng)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的重要客觀參考，為了改進(jìn)數(shù)值預(yù)報(bào)效果，學(xué)者們開展了大量工作，盡管取得了可喜進(jìn)展，但距離精細(xì)化業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)需求仍存在較大差距，尤其是，當(dāng)模式預(yù)報(bào)的熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度與預(yù)報(bào)員主觀預(yù)報(bào)存在較大偏差時(shí)，數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的可用性顯著降低，急需基于熱帶氣旋主觀路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)的數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品客觀修正技術(shù)。“熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力釋用技術(shù)”（簡(jiǎn)稱TCwind）針對(duì)這一業(yè)務(wù)上的預(yù)報(bào)瓶頸和難題，提出了一種基于熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的客觀化、定量化的訂正技術(shù)[12]。基于該技術(shù)，可借助路徑與強(qiáng)度的主觀預(yù)報(bào)信息，對(duì)數(shù)值模式預(yù)報(bào)的熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行合理和有效訂正，得到訂正后的風(fēng)場(chǎng)，輔助預(yù)報(bào)員做出更加準(zhǔn)確和精細(xì)化的熱帶氣旋近地面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)。

基于“熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力釋用（TC-wind）技術(shù)”，將預(yù)報(bào)員關(guān)于熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度的主觀預(yù)報(bào)與數(shù)值模式預(yù)報(bào)（CMA-TYM）預(yù)報(bào)系統(tǒng)和臺(tái)風(fēng)與海洋氣象預(yù)報(bào)中心的短臨預(yù)報(bào)系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品相結(jié)合，建立了“臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)”。業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化測(cè)試和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)應(yīng)用效果評(píng)估顯示，基于TC-wind技術(shù)建立的預(yù)報(bào)系統(tǒng)明顯修正了模式預(yù)報(bào)的大風(fēng)分布，有效提高了模式大風(fēng)預(yù)報(bào)評(píng)分，提升了數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的可用性，提高了熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的客觀化和精細(xì)化程度。

1 臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)

1.1 熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力釋用技術(shù)（TC-wind）簡(jiǎn)介

基于極坐標(biāo)原始方程，假設(shè)熱帶氣旋中的氣塊速度呈線性變化，地面壓力場(chǎng)的分布符合Fujita公式，導(dǎo)出了一組描述中心壓力擾動(dòng)、熱帶氣旋位置、熱帶氣旋移動(dòng)方向和速度對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響的方程[12]。熱帶氣旋數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)的修正方程可表示為如下形式：

其中，式（1）代表的是切向風(fēng)速訂正量，式（2）代表的是徑向風(fēng)速訂正量，公式中的dA，dr，dvs，dα分別表示壓力梯度差異、熱帶氣旋中心與訂正點(diǎn)之間的距離差異（由熱帶氣旋的中心位置決定）、熱帶氣旋移動(dòng)速度差異和熱帶氣旋移動(dòng)方向差異（上述差異由模式預(yù)報(bào)與預(yù)報(bào)員主觀預(yù)報(bào)之間的差異所決定）。因此，通過在業(yè)務(wù)應(yīng)用中掌握這4個(gè)方面的差異，利用公式（1）和公式（2）就很容易實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地修正熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的數(shù)值預(yù)報(bào)，上述內(nèi)容詳細(xì)推導(dǎo)過程可見文獻(xiàn)[12]。

1.2 臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)是基于熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力釋用技術(shù)，通過將預(yù)報(bào)員做出的TC路徑與強(qiáng)度的主觀預(yù)報(bào)信息，與CMA-TYM模式熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)精細(xì)化預(yù)報(bào)產(chǎn)品相結(jié)合，利用路徑與強(qiáng)度的主觀預(yù)報(bào)信息，對(duì)模式預(yù)報(bào)的TC風(fēng)場(chǎng)（10 m高度）和海平面氣壓進(jìn)行修正（動(dòng)力釋用），得到修正后的高分辨率風(fēng)場(chǎng)和海平面氣壓預(yù)報(bào)產(chǎn)品，并應(yīng)用于實(shí)際業(yè)務(wù)，取得明顯的改進(jìn)效果。

在精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)架構(gòu)中，熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品選擇了中國氣象局CMA-TYM模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品，該預(yù)報(bào)產(chǎn)品時(shí)效為120 h，間隔為1 h，而路徑和強(qiáng)度主觀預(yù)報(bào)選用了中央氣象臺(tái)預(yù)報(bào)員的主觀預(yù)報(bào)，關(guān)鍵技術(shù)為TC-wind技術(shù)。具體流程框架如圖1所示，首先，利用數(shù)值模式預(yù)報(bào)的TC路徑和強(qiáng)度信息，結(jié)合預(yù)報(bào)員主觀預(yù)報(bào)的路徑和強(qiáng)度信息，得到兩者的差值；進(jìn)一步，應(yīng)用上述差值，基于TC-wind技術(shù)，利用動(dòng)力學(xué)方法，并考慮地形和海陸下墊面影響等，對(duì)CMA-TYM數(shù)值模式近地面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品開展客觀修正，計(jì)算得到相應(yīng)的TC近地面風(fēng)場(chǎng)增量，將增量疊加到CMA-TYM模式預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)場(chǎng)上，得到修正后的熱帶氣旋近地面（10 m）風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)（圖1）。需要注意的是，基于TC-wind技術(shù)的“臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)”對(duì)TC近地面風(fēng)場(chǎng)的修正需要利用預(yù)報(bào)員做出的路徑和強(qiáng)度主觀預(yù)報(bào)信息以及數(shù)值模式風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)產(chǎn)品，因此，其修正效果一定程度上取決于預(yù)報(bào)員路徑和強(qiáng)度主觀預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性以及模式TC風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)的好壞，理論上，預(yù)報(bào)員做出的路徑與強(qiáng)度主觀預(yù)報(bào)越準(zhǔn)確、模式預(yù)報(bào)的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)越合理，則系統(tǒng)修正效果越好。此外，修正效果還會(huì)受到一些系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（如海陸摩擦系數(shù)等）以及地形的影響。

圖1 臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程 Fig. 1 The operational process of refined forecast for TC wind

2 資料介紹

本文選取中國氣象局CMA-TYM模式預(yù)報(bào)的10 m 風(fēng)場(chǎng)、ECMWF確定性模式的 10 m 風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及TC-wind風(fēng)場(chǎng)訂正預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)（空間分辨率為 0.1°×0.1°）作為風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)資料，預(yù)報(bào)時(shí)效為 12～120 h，間隔 1 h。使用的TC資料，包括中國氣象局（上海臺(tái)風(fēng)研究所）整編的最佳路徑數(shù)據(jù)集（http://tcdata.typhoon.org.cn/zjljsjj_sm.html），包含6 h一次的TC位置、中心最低氣壓及中心附近最大風(fēng)速等。國家站的地面實(shí)況觀測(cè)數(shù)據(jù)以及ASCAT反演的洋面風(fēng)場(chǎng)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)用于訂正效果的實(shí)況檢驗(yàn)。

3 臺(tái)風(fēng)個(gè)例風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

3.1 2015年“蘇迪羅”影響期間主觀檢驗(yàn)結(jié)果

以2015年“蘇迪羅”為例，將原始風(fēng)場(chǎng)（CMATYM數(shù)值模式預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)）和采用TC-wind系統(tǒng)修正后的風(fēng)場(chǎng)相比較，著重從近地面風(fēng)場(chǎng)分布特征、風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度變化等方面，結(jié)合多種實(shí)況觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了基于TC-wind技術(shù)構(gòu)建的預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的修正效果。

1513號(hào)熱帶氣旋“蘇迪羅”于2015年8月8日凌晨登陸我國臺(tái)灣省花蓮市，之后于8日晚間登陸福建省莆田。7日09時(shí)，“蘇迪羅”向西北方向快速移動(dòng)，靠近臺(tái)灣，此時(shí)刻主觀定強(qiáng)為50 m/s，由ASCAT反演的洋面風(fēng)場(chǎng)（圖2a）可見，實(shí)況熱帶氣旋中心西南象限風(fēng)速較小，大風(fēng)半徑也偏小；CMA-TYM模式預(yù)報(bào)的此時(shí)“蘇迪羅”強(qiáng)度為40 m/s（圖2b），而經(jīng)TC-wind技術(shù)訂正后的強(qiáng)度可達(dá)45 m/s（圖2c），訂正對(duì)TC強(qiáng)度預(yù)報(bào)有較明顯改進(jìn)；從風(fēng)場(chǎng)水平分布特征來看，訂正前后沒有太大區(qū)別，皆呈現(xiàn)東北大、西南小的形勢(shì)。可見，對(duì)于“蘇迪羅”登陸臺(tái)灣之前的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)階段，CMA-TYM模式可以較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)總體分布，但對(duì)TC強(qiáng)度仍缺乏足夠的預(yù)報(bào)能力，而借助TC-wind技術(shù)，可以在保持原有較為準(zhǔn)確的近地面風(fēng)場(chǎng)分布形勢(shì)之外，一定程度上提高TC強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力。

圖2 1513號(hào)“蘇迪羅”的風(fēng)場(chǎng)分布（2015年8月7日09時(shí)） Fig. 2 The wind field distribution of Super Typhoon Soudelor (No. 1513) (At 09:00 of 7 August 2015)

2015年8月8日22時(shí)，“蘇迪羅”進(jìn)入臺(tái)灣海峽，即將登陸福建，此時(shí)，業(yè)務(wù)定強(qiáng)為38 m/s，沿海自動(dòng)站實(shí)況觀測(cè)（圖3a）很好地驗(yàn)證了業(yè)務(wù)定強(qiáng)，洋面上，大風(fēng)區(qū)出現(xiàn)在“蘇迪羅”中心東側(cè)，訂正前（圖3b）、后（圖3c）近地面風(fēng)場(chǎng)總體分布依然差異不大，均較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)了洋面上風(fēng)場(chǎng)的總體分布特征，但訂正后的“蘇迪羅”強(qiáng)度與沿海自動(dòng)站實(shí)測(cè)值更為接近（見圖中黃色圓圈所示）。

圖3 1513號(hào)“蘇迪羅”的風(fēng)場(chǎng)分布（2015年8月8日22時(shí)） Fig. 3 The wind field distribution of Super Typhoon Soudelor (No. 1513) (At 22:00 of 8 August 2015)

綜上，對(duì)于熱帶氣旋“蘇迪羅”，無論是當(dāng)其處于洋面上的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)階段，還是登陸前的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度階段，CMA-TYM模式均可以較為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)實(shí)際近地面風(fēng)場(chǎng)總體分布特征，但對(duì)其強(qiáng)度的預(yù)報(bào)均偏弱，而借助TC-wind技術(shù)訂正后，在保持了較為準(zhǔn)確的風(fēng)場(chǎng)分布之外，還較明顯地減小了TC強(qiáng)度的預(yù)報(bào)誤差。

3.2 新的客觀評(píng)分方法——熱帶氣旋大風(fēng)風(fēng)級(jí)TS評(píng)分

為了更為客觀地檢驗(yàn)基于TC-wind技術(shù)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)的熱帶氣旋大風(fēng)預(yù)報(bào)效果，中國科學(xué)院大氣物理研究所借鑒降水TS客觀評(píng)分思路，針對(duì)熱帶氣旋6級(jí)以上不同大風(fēng)風(fēng)力等級(jí)，建立了新的客觀評(píng)分方法——熱帶氣旋大風(fēng)風(fēng)級(jí)TS評(píng)分：

式中，TS為不同風(fēng)力等級(jí)預(yù)報(bào)的TS評(píng)分，NR為預(yù)報(bào)正確部分的風(fēng)圈面積，NO為觀測(cè)的風(fēng)圈面積，NM為數(shù)值模式（CMA-TYM）或TC-wind系統(tǒng)預(yù)報(bào)的相應(yīng)風(fēng)圈面積。

3.3 2015年“蘇迪羅”影響期間客觀檢驗(yàn)效果

利用式（3），針對(duì)2015年“蘇迪羅”影響期間，CMA-TYM模式風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和基于TC-wind技術(shù)訂正的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，開展熱帶氣旋6級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)圈TS評(píng)分檢驗(yàn)（圖4）。由圖4可以看出，與CMA-TYM模式預(yù)報(bào)的大風(fēng)圈TS評(píng)分相比，基于TC-wind技術(shù)訂正預(yù)報(bào)的大風(fēng)圈TS評(píng)分在不同大風(fēng)風(fēng)力等級(jí)6級(jí)（圖4a）、8級(jí)（圖4b）和10級(jí)（圖4c）均明顯優(yōu)于CMA-TYM數(shù)值模式預(yù)報(bào)，有效提高了熱帶氣旋大風(fēng)預(yù)報(bào)訂正效果。

圖4 1513號(hào)“蘇迪羅”大風(fēng)圈預(yù)報(bào)TS評(píng)分6級(jí)（a），8級(jí)（b），10級(jí)（c）（橫軸為預(yù)報(bào)時(shí)效，縱軸為TS評(píng)分，實(shí)線和虛線分別代表TC-wind系統(tǒng)和CMA-TYM數(shù)值模式系統(tǒng)預(yù)報(bào)的大風(fēng)的TS評(píng)分曲線） Fig. 4 TS score for the gale forecast of Soudelor (a) scale 6; (b) scale 8; (c) scale 10 (The horizontal axis is the prediction time, and the vertical axis is the TS score. The solid line and dotted line respectively represent the TS score curve of gale predicted by TC-wind system and CMA-TYM numerical model)

客觀檢驗(yàn)效果顯示，CMA-TYM模式對(duì)TC大風(fēng)分布已經(jīng)顯示出較好的預(yù)報(bào)水準(zhǔn)，而基于TC-wind技術(shù)建立的大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)訂正系統(tǒng)，無論是預(yù)報(bào)的近地面大風(fēng)水平分布，還是客觀TS評(píng)分，均明顯優(yōu)于上述模式預(yù)報(bào)的結(jié)果。

3.4 2018年“山竹”影響期間的檢驗(yàn)結(jié)果

選取2018年22號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間的幾個(gè)單站的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)（圖5）。香港單站的TC-wind風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)整體上還是比較理想的。TC-wind風(fēng)速預(yù)報(bào)普遍偏大，平均偏大5.5 m/s，最大偏差大13 m/s（16日17時(shí)），對(duì)于臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速出現(xiàn)的時(shí)間預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，實(shí)況和TC-wind預(yù)報(bào)均出現(xiàn)在16日14時(shí)，但風(fēng)速預(yù)報(bào)偏大7.7 m/s。風(fēng)向偏差在40°以內(nèi)，主要偏差在臺(tái)風(fēng)中心來臨之前的15日19—21時(shí)和臺(tái)風(fēng)風(fēng)向的轉(zhuǎn)變。臺(tái)風(fēng)中心來臨之前偏東分量考慮不足，而臺(tái)風(fēng)的風(fēng)向轉(zhuǎn)變預(yù)報(bào)比實(shí)況偏晚2 h左右。澳門單站TC-wind風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)整體上與香港單站情況相似，TC-wind風(fēng)速在臺(tái)風(fēng)中心來臨之前預(yù)報(bào)較為理性，僅偏大2 m/s左右，但在臺(tái)風(fēng)中心來臨時(shí)，TC-wind風(fēng)速明顯偏大，在16日07—22時(shí)時(shí)段內(nèi)平均偏大9 m/s。從風(fēng)向方面，整體偏差在40°以內(nèi)，主要偏差出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)的轉(zhuǎn)向上，風(fēng)速轉(zhuǎn)向出現(xiàn)的時(shí)間TC-wind預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確，但風(fēng)向轉(zhuǎn)向的速度預(yù)報(bào)慢于實(shí)況。

圖5 2018年9月15日17時(shí)至9月17日03時(shí)（北京時(shí)）基于站點(diǎn)檢驗(yàn)的大風(fēng)24 h預(yù)報(bào)的時(shí)序圖 （a，c）香港和澳門的風(fēng)速TC-wind預(yù)測(cè)值（藍(lán)線）與實(shí)況（紅線）的比較；（b，d）香港和澳門的風(fēng)向TC-wind預(yù)報(bào)值（藍(lán)線）與實(shí)況（紅線）的比較 Fig. 5 Timing diagrams of 24 h gale forecast based on station verification from 17:00 BT of 15 September to 03:00 BT of 17 September 2018 (a) and (c) the comparison between the wind speed forecasted by TC-wind system (blue line) and the actual wind speed (red line) in Hong Kong and Macao, respectively; (b) and (d) the comparison between the wind direction forecasted by TC-wind system (blue line) and the actual wind direction (red line) in Hong Kong and Macao, respectively

對(duì)于2018年22號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間的幾個(gè)單站的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)分析來看，TC-wind風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)整體上還是比較理想的，無論是風(fēng)速還是風(fēng)向在全時(shí)段內(nèi)均與實(shí)況較為接近。TC-wind風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)較數(shù)值模式的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)來說，可以更好地與預(yù)報(bào)員的主觀預(yù)報(bào)保持一致，并且TC-wind可以滿足業(yè)務(wù)上精細(xì)化和格點(diǎn)化的需求。

3.5 2021年“煙花”影響期間的檢驗(yàn)結(jié)果

以2021年臺(tái)風(fēng)“煙花”為例，將原始風(fēng)場(chǎng)（EC數(shù)值模式預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)）和采用TC-wind系統(tǒng)修正后的風(fēng)場(chǎng)相比較，著重從近地面風(fēng)場(chǎng)分布特征、風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度變化等方面，結(jié)合多種實(shí)況觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了基于TC-wind技術(shù)構(gòu)建的預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)效果。

臺(tái)風(fēng)“煙花”于2021年7月18日2時(shí)在西北太平洋洋面上生成，19日上午加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)，20日加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)，21日上午加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)，25日12時(shí)30分前后在浙江省舟山普陀沿海登陸（13級(jí)，38 m/s，臺(tái)風(fēng)級(jí)）；穿過杭州灣后，于26日9時(shí)50分在浙江平湖市沿海再次登陸（10級(jí)，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)，28 m/s），28日凌晨在安徽減弱為熱帶低壓。選取“煙花”臺(tái)風(fēng)登陸前后的一段時(shí)間，選取登陸點(diǎn)東側(cè)的觀測(cè)站點(diǎn)（759737），站點(diǎn)位置如圖6所示，來檢驗(yàn)訂正后的風(fēng)場(chǎng)與EC模式10 m風(fēng)場(chǎng)及實(shí)況風(fēng)速的情況。

圖6 觀測(cè)站點(diǎn)的示意圖（圖中圓圈的位置代表站點(diǎn)號(hào)759737觀測(cè)站的位置） Fig. 6 The sketch map of the observation station (the position of the circle represents the location of No. 759737 observation station)

基于站點(diǎn)（759737站）檢驗(yàn)的大風(fēng)時(shí)序圖表明（圖7），從2021年7月24日20時(shí)開始，采用TC-wind系統(tǒng)的訂正方法修訂之后的10 m風(fēng)場(chǎng)更接近實(shí)況。而EC模式10 m風(fēng)場(chǎng)較實(shí)況風(fēng)速明顯偏弱，并且TC-wind訂正后的風(fēng)速的變化趨勢(shì)也更接近實(shí)況，但較實(shí)測(cè)風(fēng)速略有偏強(qiáng)的情況。

圖7 2021年7月22日08時(shí)至7月26日20時(shí)（北京時(shí)）基于站點(diǎn)檢驗(yàn)的大風(fēng)24 h時(shí)預(yù)報(bào)的時(shí)序圖（藍(lán)線：實(shí)況；紅線：EC模式10 m風(fēng)場(chǎng)；綠線：TC-wind修正后的10 m風(fēng)場(chǎng)） Fig. 7 Timing diagram of 24 h gale forecast based on station verification from 08:00 BT of July 22 to 20:00 BT of 26 July 2021 (blue line: the actual gale; red line: 10 m wind field forecasted by EC; green line: 10 m wind field revised by TC-wind system)

進(jìn)一步將“煙花”臺(tái)風(fēng)影響期間的風(fēng)場(chǎng)分等級(jí)進(jìn)行檢驗(yàn)（圖8）。由圖可知臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)在煙花期間6～10級(jí)的平均誤差在均在1 m/s以內(nèi)，其中6級(jí)和7級(jí)風(fēng)的訂正效果較好，但是6級(jí)風(fēng)略有偏強(qiáng)，7級(jí)風(fēng)略有偏弱的情況。整體而言7～10級(jí)的大風(fēng)較EC模式輸出的10 m風(fēng)場(chǎng)有明顯的改進(jìn)效果，雖然二者均較實(shí)況偏弱，但是訂正方法修訂之后的10 m風(fēng)場(chǎng)更接近實(shí)況，并且訂正效果隨著風(fēng)速的增大提高的程度也越高。因此在“煙花”影響期間，臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)較EC模式表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖8 2021年7月22日08時(shí)至26日20時(shí)（北京時(shí)）的風(fēng)場(chǎng)分等級(jí)進(jìn)行檢驗(yàn)（藍(lán)色柱框：代表EC模式24 h的10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)；黃色柱框：TC-wind修正后24 h的10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)） Fig. 8 Scaled test for wind field forecast from 08:00 BT of July 22 to 20:00 BT of 26 July 2021 (blue column: 24 h 10 m wind field forecasted by EC; yellow column: 24 h 10 m wind field forecast revised by TC-wind system)

4 TC-wind方法在2020年臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)整體檢驗(yàn)

本文利用2020年5—10月的ECMWF確定性模式的 10 m 風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，TC-wind風(fēng)場(chǎng)訂正預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)（空間分辨率為 0.1°×0.1°）以及國家站的地面實(shí)況觀測(cè)數(shù)據(jù)用于訂正效果的檢驗(yàn)，預(yù)報(bào)時(shí)效為 12～120 h，間隔 1 h。選取我國沿岸及近海88 個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)作為代表站，文中所選取的代表站點(diǎn)基本覆蓋我國近海區(qū)域。在計(jì)算數(shù)值模式10 m 風(fēng)速誤差時(shí)將所有站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，且所選取站點(diǎn)平均海拔高度為 21 m，因此未進(jìn)行實(shí)況風(fēng)速的高度訂正。

對(duì)于2020年臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)和EC模式的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)進(jìn)行回算和對(duì)比檢驗(yàn)分析來看（圖9），TC-wind風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的平均誤差為1.026 m/s，絕對(duì)誤差為1.410 m/s，均方根誤差為1.604 m/s。而EC模式的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的平均誤差為1.675 m/s，絕對(duì)誤差為2.258 m/s，均方根誤差為2.942 m/s。整體而言TC-wind的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)還是比較理想的，無論是平均誤差、絕對(duì)誤差，還是均方根誤差均較EC模式有明顯的提高，基本上滿足目前的業(yè)務(wù)需求。

圖9 TC-wind和EC的2020年24 h預(yù)報(bào)檢驗(yàn)對(duì)比（綠色柱框：平均誤差；紅色柱框：絕對(duì)誤差；藍(lán)色柱框：均方根誤差） Fig. 9 The comparison of the 24 h forecast test for 2020 between TC-wind system and EC (green column: the average error; red column: the absolute error; blue column: RMSE)

同樣從2020年TC-wind預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)場(chǎng)逐24 h預(yù)報(bào)檢驗(yàn)來看（圖10），逐小時(shí)的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的平均誤差也基本上維持在1.0 m/s左右，絕對(duì)誤差維持在1.4 m/s左右，均方根誤差維持在1.6 m/s左右。整體而言，TCwind風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)整體上還是比較理想的，在全時(shí)段內(nèi)均與實(shí)況較為接近。TC-wind風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)較EC模式風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)來說，可以更好地與預(yù)報(bào)員的主觀預(yù)報(bào)保持一致，并且TC-wind可以滿足業(yè)務(wù)上精細(xì)化和格點(diǎn)化的需求。

圖10 TC-wind預(yù)報(bào)10 m風(fēng)場(chǎng)2020年逐24 h預(yù)報(bào)檢驗(yàn) Fig. 10 24 h forecast test for 2020 10 m wind field forecasted by TC-wind system

5 結(jié)論與展望

本文采用“熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力釋用技術(shù)”（TCwind）建立了臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)在國家氣象中心實(shí)施了實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用與評(píng)估。分別針對(duì)2015年臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”、2018年臺(tái)風(fēng)“山竹”、2021年臺(tái)風(fēng)“煙花”影響期間的風(fēng)場(chǎng)訂正效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，也對(duì)2020年的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了回算檢驗(yàn)。檢驗(yàn)評(píng)估表明：基于TC-wind技術(shù)建立的“臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)”對(duì)熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品訂正效果顯著，明顯修正了模式預(yù)報(bào)的大風(fēng)分布，有效提高了熱帶氣旋大風(fēng)預(yù)報(bào)效果。同時(shí)顯著提高了預(yù)報(bào)員對(duì)相關(guān)數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的理解和應(yīng)用水平，提升了風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)的精細(xì)化程度，有利支撐了國家級(jí)海洋氣象精細(xì)化格點(diǎn)預(yù)報(bào)和臺(tái)風(fēng)大風(fēng)破壞力評(píng)估業(yè)務(wù)等。

未來隨著我們國家數(shù)值模式的進(jìn)一步發(fā)展，也將進(jìn)一步拓展目前臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)客觀預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)范圍，逐步研發(fā)面向全球臺(tái)風(fēng)精細(xì)化大風(fēng)的釋用技術(shù)。同時(shí)，針對(duì)海上大風(fēng)觀測(cè)資料缺乏的難題，建立新的風(fēng)場(chǎng)檢驗(yàn)方法并開展系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)檢驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)大風(fēng)的風(fēng)圈產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。另外，還將基于熱帶氣旋風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力釋用技術(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的智能網(wǎng)格化預(yù)報(bào)進(jìn)行訂正和反饋。