CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)中的臺風(fēng)初始化*

瞿安祥 麻素紅 張 進 劉 艷

中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心，北京，100081

中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室，北京，100081

1 引言

盡管過去20 年數(shù)值天氣模式輸出的臺風(fēng)預(yù)報產(chǎn)品性能（特別是路徑方面）一直在穩(wěn)步提高，但是臺風(fēng)位置和強度的合理性分析仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。對于數(shù)值模式而言，初始場中包含一個與模式動力可分辨尺度相匹配的臺風(fēng)環(huán)流對提高其臺風(fēng)預(yù)報性能至關(guān)重要。另外，臺風(fēng)初始化仍面臨缺乏全面觀測資料的問題。雖然目前存在豐富的、時空密集的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)，但受云和降水的污染，這些資料并不能被分析系統(tǒng)有效同化利用。同時，受限于傳統(tǒng)變分同化技術(shù)的局限，臺風(fēng)范圍內(nèi)部分探測數(shù)據(jù)的同化反而會對模式預(yù)報產(chǎn)生負(fù)面的影響（Aberson，2008）。

為提高區(qū)域模式初始臺風(fēng)質(zhì)量，Zou 等（2000）第一次提出利用經(jīng)驗海平面氣壓分布模型構(gòu)造氣壓資料同化的BDA（Bogus Data Assimilation）臺風(fēng)初始化方案。隨后，許多中外學(xué)者開展了相關(guān)研究（Zhang，et al，2003；Xiao，et al，2006）。實際上，無論是科學(xué)試驗（Zhao，et al，2005，2007）或是業(yè)務(wù)應(yīng)用（Wang，et al，2008；黃偉等，2010）都表明，依靠成熟的變分同化技術(shù)，將構(gòu)造的（分布均勻）觀測資料與背景場有效“同化融合”，可以明顯提升初始場中渦旋質(zhì)量，從而提高模式臺風(fēng)路徑和強度預(yù)報水平。對于分辨率較粗的全球模式而言，在預(yù)報-同化循環(huán)中維持一個相對匹配的渦旋環(huán)流系統(tǒng)（相對于大尺度環(huán)流而言），是提高其臺風(fēng)預(yù)報性能的前提條件。為此，美國國家環(huán)境預(yù)報中心在其全球模式系統(tǒng)中采取的是同化臺風(fēng)中心氣壓數(shù)據(jù)方案（Kleist，2011）。同樣，英國氣象局、日本氣象廳針對臺風(fēng)觀測資料缺失也采用了構(gòu)造偽臺風(fēng)觀測資料（海平面氣壓場、風(fēng)場）進行同化分析的方案（Heming，2009）。2016 年，中國CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)投入業(yè)務(wù)運行，為提高該系統(tǒng)對西北太平洋臺風(fēng)的預(yù)報能力，應(yīng)用了一套由渦旋形成、渦旋重定位、渦旋強度調(diào)整三部分技術(shù)組成（瞿安祥等，2009a，2009b）的臺風(fēng)初始化組合方案（以下簡稱舊臺風(fēng)初始化方案）。實際業(yè)務(wù)應(yīng)用顯示該方案在提高CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)臺風(fēng)響應(yīng)能力及路徑預(yù)報方面起到了積極正面的影響。

隨著技術(shù)的進步和計算硬件能力的提升，CMA-GFS 全球模式分辨率越來越朝精細(xì)化方向發(fā)展，尤其近兩年動力物理方面的升級（蘇勇等，2018；劉艷等，2019），使得模式具備產(chǎn)生臺風(fēng)環(huán)流的能力。此外，伴隨全球四維變分同化（4DVar）方案投入業(yè)務(wù)運行（張林等，2017；劉永柱等，2019；龔建東等，2016，2020；王金成等，2014，2016），使得系統(tǒng)對臺風(fēng)分析能力也在逐步增強。而與此相對的是，目前CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)采用的舊臺風(fēng)初始化方案是基于早期全球模式系統(tǒng)開發(fā)的（瞿安祥等，2009a，2009b），其核心思想是針對全球資料同化系統(tǒng)對臺風(fēng)分析能力不足而設(shè)計的，方法上是依靠經(jīng)驗?zāi)Ｐ图夹g(shù)（存在與模式動力物理屬性不匹配問題）。在這種情況下，為提高CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)對臺風(fēng)的分析及預(yù)報能力，迫切需要發(fā)展一個更全面的臺風(fēng)初始化方案，該方案既要考慮CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)對臺風(fēng)的描述能力，也要具備糾正背景場渦旋位置偏移、強度較弱的問題，從而為模式積分預(yù)報提供一個更加匹配的初始臺風(fēng)結(jié)構(gòu)。

因此，本研究借鑒美國國家環(huán)境預(yù)報中心（Kleist，2011）和英國氣象局（Heming，2016）的業(yè)務(wù)方案，基于BDA 技術(shù)思路發(fā)展了一個基于4DVar的臺風(fēng)初始化方案（以下簡稱新臺風(fēng)初始化方案），即通過4DVar 同化窗口主動吸收臺風(fēng)實時特征參數(shù)—中心定位及中心氣壓數(shù)據(jù)，利用全球模式動力物理約束產(chǎn)生臺風(fēng)環(huán)流。基于CMA-GFS 全球4DVar 平臺，完成了新臺風(fēng)初始化方案的具體實現(xiàn)過程，并對2016 年西北太平洋的22 個臺風(fēng)進行了數(shù)值試驗，分析該方案在生成臺風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)方面的效果，以及提高CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)臺風(fēng)路徑、強度預(yù)報方面的能力。

2 新臺風(fēng)初始化方案

不完全統(tǒng)計表明，當(dāng)西北太平洋有臺風(fēng)發(fā)生時，目前CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)（不引入任何臺風(fēng)初始化方案）可以對大部分（預(yù)報）時次中的臺風(fēng)發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生響應(yīng)：分析及預(yù)報場中存在渦旋環(huán)流系統(tǒng)。但是相比于（預(yù)報員分析）觀測而言，這些分析場中渦旋環(huán)流普遍存在強度偏弱、位置偏移問題。因此，新臺風(fēng)初始化方案既要考慮分析場中臺風(fēng)環(huán)流從無到有的生成問題，也要具備糾正分析場中渦旋明顯的位置和強度問題，從而為模式積分預(yù)報提供一個更加匹配的初始臺風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)。

2.1 背景場存在渦旋

以西北太平洋為例，當(dāng)臺風(fēng)發(fā)生時，中國氣象局臺風(fēng)與海洋氣象預(yù)報中心會實時發(fā)布臺風(fēng)預(yù)警信息數(shù)據(jù)（簡稱臺風(fēng)報文），這些信息包括中心定位、中心氣壓、最大風(fēng)速等參數(shù)。盡管大多數(shù)情況下這些參數(shù)是基于衛(wèi)星云圖等資料利用諸如Dvorak（1975）、Knaff 等（2007）所述統(tǒng)計經(jīng)驗技術(shù)進行綜合分析所得，但是它們給數(shù)值模式提供了一些可利用的、具有潛在價值的實時臺風(fēng)觀測分析信息。

一般情況下，實時臺風(fēng)報文按所處海洋區(qū)域每天以6 或3 h 間隔發(fā)布，落在4DVar 系統(tǒng)6 h 同化窗口僅有1 或3 份中心氣壓數(shù)據(jù)，而在變分同化全局迭代收斂過程中，吸收資料的多少對同化輸出及之后模式積分預(yù)報有重要的影響（Heming，2016）。因此，為了加強分析同化過程對臺風(fēng)環(huán)流的形成能力，新臺風(fēng)初始化方案被設(shè)計成吸收1 h 間隔的臺風(fēng)中心定位和中心氣壓數(shù)據(jù)信息。這些較高頻率數(shù)據(jù)通過6 或3 h 間隔臺風(fēng)報文信息利用內(nèi)插或外插的組合算法獲得。經(jīng)過處理后，4DVar 系統(tǒng)在其6 h 同化窗口內(nèi)可以吸收7 個時間點的臺風(fēng)中心定位及中心氣壓數(shù)據(jù)信息。

同時，鑒于目前CMA-GFS 全球模式分辨尺度較粗，背景渦旋中心氣壓與觀測差值較大，為了能有效地對背景場中弱渦旋進行“訂正”和“增強”，臺風(fēng)中心定位及氣壓數(shù)據(jù)在4DVar 系統(tǒng)中被設(shè)置成一類單獨的資料算子來處理同化（不同于類似性質(zhì)的船舶報、地面站等常規(guī)觀測資料的質(zhì)量控制方式）。另外，考慮到目前4DVar 背景誤差協(xié)方差統(tǒng)計數(shù)據(jù)體現(xiàn)的是諸如地轉(zhuǎn)平衡的大尺度變量相關(guān)，與臺風(fēng)動力并不匹配，單點海平面氣壓同化（沒有相應(yīng)風(fēng)場觀測）會引起質(zhì)量場和風(fēng)場增量的不平衡，這種信號在觀測與背景差異較大時會越發(fā)顯得強烈。為減輕這部分負(fù)面影響，通過將中心氣壓數(shù)據(jù)誤差取值動態(tài)設(shè)置成一個關(guān)于背景渦旋中心氣壓與觀測差值的線性函數(shù)（誤差一般為0.8—5.0 hPa），來控制氣壓觀測信息的提?、僭诒尘罢`差統(tǒng)計數(shù)據(jù)固定情況下，變分同化過程中氣壓觀測信息的提取程度由觀測誤差控制。觀測誤差小，氣壓增量大，反之觀測誤差大，氣壓增量小。。當(dāng)背景場渦旋中心氣壓與觀測差值大時，觀測誤差會取較大值，從而避免大氣壓增量形成。

2.2 背景場不存在渦旋

在某些情況下，當(dāng)臺風(fēng)發(fā)生時，CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)無法做出合理響應(yīng)：分析及預(yù)報場中無法搜索識別出有效渦旋環(huán)流（識別判別方法見下一小節(jié)）。在這種情況下，為使CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)對臺風(fēng)發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生一個合理的分析及預(yù)報結(jié)果，作為臺風(fēng)中心氣壓數(shù)據(jù)的額外補充，依據(jù)經(jīng)驗?zāi)Ｐ停僭O(shè)臺風(fēng)是軸對稱且強度尺寸和實際觀測匹配）構(gòu)造的（同化窗口初始時刻）bogus 風(fēng)場資料會進入4DVar 同化系統(tǒng)。

本研究所采用的臺風(fēng)經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪腔谂_風(fēng)典型結(jié)構(gòu)，綜合考慮所處周圍環(huán)境場構(gòu)建而成，具體技術(shù)細(xì)節(jié)參考瞿安祥等（2016）。構(gòu)建好臺風(fēng)三維模型后，水平方向上，在半徑為100、200、300、400、600 km 的圓圈上間隔選定4、6、8、8、12 個點作為觀測點（徑向邊界范圍依據(jù)臺風(fēng)報文中的風(fēng)圈半徑參數(shù)綜合給定）；垂直方向上，在850、800、700、600、500 hPa 層及地面選取風(fēng)場要素作為觀測數(shù)據(jù)進入4DVar 系統(tǒng)。資料誤差方面，參考云導(dǎo)風(fēng)這一類常規(guī)觀測資料的誤差給定值。與中心氣壓類似，風(fēng)場要素在4DVar 系統(tǒng)中也被設(shè)置成一類單獨的資料算子來處理吸收，同時為保證其在變分同化初始時刻不被質(zhì)量控制步驟剔除，總量控制參數(shù)相應(yīng)進行了調(diào)整。

3 渦旋識別與定位

前面述及，新臺風(fēng)初始化方案存在一個重要的預(yù)處理判別步驟—識別定位背景臺風(fēng)環(huán)流。為客觀判斷CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)背景場中對渦旋環(huán)流描述能力，參考Marchok（2021）的技術(shù)，本研究發(fā)展了一個多判據(jù)的渦旋識別算法和多要素的中心定位算法。

在渦旋識別方面，考慮到CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)對不同臺風(fēng)或同一個臺風(fēng)不同階段的表達(dá)能力的差異，采用一些既能體現(xiàn)臺風(fēng)屬性特征又能考慮模式性能的客觀判據(jù)，即背景場必須滿足如下要求，才能確定存在一個“合格”的臺風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)：（1）海平面氣壓場存在凹值閉合等值線，且最外圈等值線與中心之間超過一定的徑向氣壓梯度閾值（≥0.009 hPa/km）；（2）中心氣壓至少超過模式可分辨表達(dá)的熱帶低壓級別（≤1002 hPa）；（3）850 hPa 層臺風(fēng)中心附近切向風(fēng)速超過一定的閾值（≥12.6 m/s）；（4）海平面氣壓中心和850 hPa 相對渦度中心符合垂直一致性特征屬性。

在臺風(fēng)中心定位方面，同時選取幾個低層要素場（海平面氣壓場、850 和700 hPa 層上的位勢高度場、相對渦度場、風(fēng)場）來綜合計算中心定位。首先通過能體現(xiàn)中小尺度特征的單通道Barnes 尺度分析技術(shù)（Barnes，1964），搜索每個要素場最大（?。┲抵行奈恢谩Ｈ缓笤讷@得的7 個中心位置中選取那些在觀測附近的要素中心計算出其平均值，再以平均值為中心將各要素中心按其距離遠(yuǎn)近賦予不同權(quán)重，從而獲得最后的臺風(fēng)中心定位。相比于一般單獨搜索海平面氣壓最小值的臺風(fēng)中心定位技術(shù)，此處采用的中心定位算法增加了渦度、低層高度等多要素信息來綜合確定臺風(fēng)中心，在考慮臺風(fēng)質(zhì)量場、風(fēng)場低層近似垂直協(xié)調(diào)一致前提條件下，更能體現(xiàn)數(shù)值模式格點場對臺風(fēng)環(huán)流的綜合表達(dá)能力。

4 同化分析

4.1 新臺風(fēng)初始化方案流程

基于CMA-GFS 全球預(yù)報-同化循環(huán)系統(tǒng)，完成了新臺風(fēng)初始化方案的具體實現(xiàn)過程（圖1）。從圖1 可以看出，新臺風(fēng)初始化方案作為一類特設(shè)資料前處理模塊（類似于探空、GPS、衛(wèi)星資料預(yù)處理模塊），耦合在4DVar 全球資料同化分析系統(tǒng)中。不過與其他資料預(yù)處理不同的是，臺風(fēng)初始化模塊只有在臺風(fēng)發(fā)生時（實時檢索到臺風(fēng)報文信息）才會觸發(fā)啟動機制，開展相應(yīng)數(shù)據(jù)流程。

圖1 基于CMA-GFS 全球4DVar 系統(tǒng)的新臺風(fēng)初始化方案流程Fig.1 The flowchart of new typhoon initialization scheme based on CMA-GFS global 4DVar system

實際上，新臺風(fēng)初始化方案技術(shù)思路是基于4DVar 系統(tǒng)時間窗口屬性，依靠遍布整個同化窗口的臺風(fēng)中心定位和中心氣壓信息，利用模式動力物理約束來產(chǎn)生一個更加匹配的臺風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)。相比于舊臺風(fēng)初始化方案，這樣做的優(yōu)勢在于：一方面，它擺脫了人為經(jīng)驗的統(tǒng)計調(diào)整技術(shù)；另一方面，約束分析得到的臺風(fēng)既匹配觀測分析數(shù)據(jù)，也匹配數(shù)值模式自身對臺風(fēng)的描述能力。

4.2 同化分析試驗

為測試新臺風(fēng)初始化方案業(yè)務(wù)應(yīng)用能力，進行臺風(fēng)個例同化試驗，檢驗該方案在形成臺風(fēng)環(huán)流結(jié)構(gòu)方面的實際效果。

以2016 年7 月29 日09 時00 分（世界時，下同）發(fā)生在西北太平洋的1604 號臺風(fēng)Nida 為例，利用渦旋識別定位綜合算法診斷可知，由上一時刻CMA-GFS 全球預(yù)報-同化循環(huán)系統(tǒng)提供的6 h 預(yù)報場（背景場）中存在較明顯渦旋環(huán)流，但是中心位置與實際觀測相比偏北80 km（圖2a）。同時，這個渦旋環(huán)流強度較弱（中心氣壓只有1003 hPa），范圍較大。很明顯，在目前CMA-GFS 全球模式分辨率和物理過程還不足以對臺風(fēng)進行有效描述情況下，如果不對背景場這種弱且松散的渦旋進行調(diào)整與加強，其環(huán)流可能會在后繼預(yù)報-同化循環(huán)過程中逐漸減弱甚至消失（這種情況在臺風(fēng)初始發(fā)展階段尤其明顯）。通過新臺風(fēng)初始化方案，在4DVar 窗口階段吸收臺風(fēng)中心氣壓演變信息后，分析場輸出的渦旋環(huán)流明顯增強，并且中心位置北偏也得到有效糾正（圖2b）。除此之外，盡管融入同化系統(tǒng)的資料只有氣壓信息，但是由于4DVar 時間窗口內(nèi)伴有模式物理動力協(xié)調(diào)約束，分析出的風(fēng)場結(jié)構(gòu)環(huán)流也明顯增強。從同化前后u分量垂直剖面（沿臺風(fēng)中心的緯向剖面）的對比情況（圖2c、d）可以看出，中心氣壓的同化不但使風(fēng)速數(shù)值上增大，而且垂直方向上的中低層中心位置顯示出匹配一致的結(jié)構(gòu)性特征。

圖2 2016 年7 月29 日09 時00 分臺風(fēng)Nida 海平面氣壓場（a、b，單位：hPa）和風(fēng)場 u 分量（c、d，單位：m/s）垂直剖面（沿127.8°E）分布（a、c.背景場，b、d.分析場）Fig.2 Sea level pressure（a，b；unit：hPa）and vertical cross section of u-wind（c，d；unit：m/s）along 127.8°E for typhoon Nida valid at 09：00 UTC 29 July 2016（a，c.background，b，d.analysis）

隨后的模式積分過程也顯示，相比于未經(jīng)過新臺風(fēng)初始化方案作用的對照預(yù)報，經(jīng)過新臺風(fēng)初始化方案調(diào)整后的臺風(fēng)環(huán)流會在模式積分過程中維持一定強度，能較好預(yù)報出臺風(fēng)隨后的加強過程。關(guān)于這一點，從模式積分48 h 后的海平面氣壓場、風(fēng)場v分量垂直剖面（沿臺風(fēng)中心）對比（圖3）可以明顯看出，新臺風(fēng)初始化方案引入可以使得臺風(fēng)中心氣壓發(fā)展更深，風(fēng)圈分布范圍更大。

圖3 2016 年7 月29 日12 時00 分預(yù)報48 h 后臺風(fēng)Nida 海平面氣壓場（a、b，單位：hPa）和風(fēng)場 v 分量（c、d，單位：m/s）垂直剖面（沿臺風(fēng)中心）分布（a、c.對照預(yù)報，b、d.試驗預(yù)報）Fig.3 48 hour forecast of sea level pressure（a，b；unit：hPa）and vertical cross section of v-wind（c，d；unit：m/s）along the typhoon center for typhoon Nida valid at 12：00 UTC 29 July 2016（a，c.control，b，d.experiment）

最后的預(yù)報結(jié)果顯示，相比于未經(jīng)初始化強度弱、位置有偏差的渦旋，更強更匹配觀測的初始臺風(fēng)環(huán)流使得模式產(chǎn)生了一個更趨向于實際觀測的路徑預(yù)報（圖4）。

圖4 對照預(yù)報和試驗方案于2016 年7 月29 日12 時00 分預(yù)報的臺風(fēng)Nida 移動路徑和實況對比（實線是觀測路徑，短虛線、點虛線分別是對照預(yù)報和試驗方案的預(yù)報路徑；間隔6 h）Fig.4 TC track forecasts（6 h intervals output）from control（dashed line）and experiment（dot-dashed line）runs initialized at 12：00 UTC 29 July 2016 plotted against best-track observed（solid line）TC track（6-h intervals）for Typhoon Nida

由于各種各樣的原因，某些臺風(fēng)在其形成的初始時刻，提供給4DVar 的背景場（模式短期預(yù)報）中無法識別出與觀測對應(yīng)的渦旋環(huán)流。這種情況下，為了讓模式系統(tǒng)對實際已發(fā)生臺風(fēng)做出合理的響應(yīng)，將一些bogus 風(fēng)場資料作為額外補充會提供給資料同化系統(tǒng)。以2016 年9 月10 日03 時00 分發(fā)生的1614 號臺風(fēng)Meranti 為例，此時CMA-GFS 全球預(yù)報-同化循環(huán)系統(tǒng)提供的背景場中無明顯的臺風(fēng)環(huán)流（圖5a、c），這種情況下，需要構(gòu)建一些bogus 風(fēng)場資料作為中心氣壓數(shù)據(jù)的補充進入同化分析系統(tǒng)。試驗表明，經(jīng)過4DVar 同化后，分析場中可以看到明顯的臺風(fēng)環(huán)流（圖5b、d），也實現(xiàn)了模式對臺風(fēng)路徑預(yù)報的從無到有。

圖5 2016 年9 月10 日03 時00 分臺風(fēng)Meranti 海平面氣壓場（a、b，單位：hPa）和（c、d）風(fēng)場 u 分量（c、d，單位：m/s）垂直剖面（沿139.8°E）分布（a、c.背景場，b、d.分析場）Fig.5 Sea level pressure（a，b；unit：hPa）and vertical cross section of u-wind（c，d；unit：m/s）along 139.8°E for typhoon Meranti valid at 03：00 UTC 10 September 2016（a，c.background，b，d.analysis）

續(xù)圖 5Fig.5 Continued

實際上，在業(yè)務(wù)應(yīng)用過程中，基于CMA-GFS全球預(yù)報-同化循環(huán)，某個預(yù)報時刻經(jīng)過上述方式處理之后，下一個預(yù)報時刻背景場（6 h 預(yù)報場）一般會存在臺風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)，就可以采用臺風(fēng)中心氣壓連續(xù)同化方案，后續(xù)第3 個、第4 個預(yù)報時刻……亦可重復(fù)應(yīng)用同樣臺風(fēng)初始化過程，直至臺風(fēng)消亡。

5 預(yù)報效果分析

為了測試新臺風(fēng)初始化方案的實際預(yù)報效果，選取2016 年西北太平洋臺風(fēng)進行平行數(shù)值試驗。試驗的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照實時業(yè)務(wù)預(yù)報的要求，在臺風(fēng)生命期期間，每天進行4 個時刻的循環(huán)預(yù)報，分別對應(yīng)于業(yè)務(wù)上00、06、12、18 時（世界時）的資料分析時刻，每個時刻輸出120 h 的臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品。

首先，相對于3 或6 h 間隔臺風(fēng)原始報文信息，新臺風(fēng)初始化方案引入時采用插值技術(shù)，將其加密成1 h 間隔的數(shù)據(jù)信息來進行同化。為評估此項技術(shù)對臺風(fēng)預(yù)報的影響，選取1612—1622 號臺風(fēng)進行了對比試驗。圖6 為應(yīng)用同化原始數(shù)據(jù)和加密數(shù)據(jù)兩種方案后，CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)在120 h時長內(nèi)（12 h 間隔輸出）預(yù)報的臺風(fēng)路徑移速誤差和移向誤差①文中提到的移速誤差表示沿著臺風(fēng)移動方向產(chǎn)生的誤差，移向誤差則為與移速誤差相互垂直方向上產(chǎn)生的誤差，英文表達(dá)分別為Along-Track bias 和Cross-Track bias。下同。對比分析。

圖6 應(yīng)用3 h（三角形）、1 h（正方形）間隔臺風(fēng)中心氣壓數(shù)據(jù)同化后，CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報的臺風(fēng)平均（a）移速誤差和（b）移向誤差Fig.6 Mean forecast errors in typhoon moving speed（a）along-track and direction（b）cross-track predicted by CMA global forecast system with assimilation of 3-hourly（triangles）and 1-hourly（squares）central pressure

從圖6a 中可以看出，將數(shù)據(jù)信息加密處理成1 h 間隔進行同化后，96 h 內(nèi)的臺風(fēng)路徑移速誤差都有了不同程度的降低。特別地，12—72 h 內(nèi)臺風(fēng)路徑移動偏慢的趨勢得到了顯著糾正。而從圖6b展示的移向誤差來看，應(yīng)用加密數(shù)據(jù)同化后，在0—108 h 預(yù)報時長之內(nèi)，臺風(fēng)右偏的趨勢都有了明顯的糾正。實際上，除了路徑預(yù)報效果改進明顯之外，臺風(fēng)中心氣壓預(yù)報效果也同樣改進明顯（圖略）。造成這種現(xiàn)象的主要原因在于，將臺風(fēng)的中心定位和中心氣壓數(shù)據(jù)進行加密，使得在4DVar 同化窗口期間內(nèi)，模式積分產(chǎn)生的渦旋路徑、強度就有了更多時間點上的觀測約束，從而使得渦旋演變趨勢和觀測更加接近，也和模式的分辨描述能力更加匹配。

更進一步，為檢驗新臺風(fēng)初始化方案對改進CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)臺風(fēng)路徑和強度預(yù)報的整體影響，分別應(yīng)用新、舊臺風(fēng)初始化方案對1601—1622 號臺風(fēng)進行了平行對比試驗。

應(yīng)用兩種方案后，從CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)在120 h 內(nèi)預(yù)報（12 h 間隔輸出，下同）的臺風(fēng)路徑平均誤差對比分析（圖7）可以看出，應(yīng)用新臺風(fēng)初始化方案后，24—120 h 預(yù)報臺風(fēng)路徑預(yù)報平均誤差普遍降低，特別在長時效的5 d 預(yù)報長度上，路徑預(yù)報誤差降低幅度尤其明顯。其中，72—120 h 的路徑預(yù)報誤差下降百分比能達(dá)到13%—20%。

圖7 基于新（三角形）、舊（五角星）臺風(fēng)初始化方案的CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報的臺風(fēng)路徑平均誤差Fig.7 Mean typhoon track errors predicted by CMA global forecast system with new initialization scheme（triangles）and old operational scheme（pentagrams）

進一步對臺風(fēng)的移速誤差和移向誤差做分析（圖8），發(fā)現(xiàn)應(yīng)用新臺風(fēng)初始化方案之后，可以大幅度糾正CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)的臺風(fēng)移動速度偏小的現(xiàn)象，并且在24—120 h 的預(yù)報時效上改進尤其明顯。同時，新臺風(fēng)初始化方案對臺風(fēng)移動方向的偏右誤差也有較明顯的改善，改善的效果同樣體現(xiàn)在長時效預(yù)報上。

圖8 基于新（三角形）、舊（五角星）臺風(fēng)初始化方案的CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報的（a）臺風(fēng)移速和（b）臺風(fēng)移向平均誤差Fig.8 Mean errors in typhoon moving speed（a）along-track and direction（b）cross-track predicted by CMA global forecast system with new typhoon initialization scheme（triangles）and old operational scheme（pentagrams）

但是，從圖7、8 中也可以看出，在較短的24 h預(yù)報時效內(nèi)，新臺風(fēng)初始化方案預(yù)報路徑誤差略高于舊臺風(fēng)初始化方案，造成這種現(xiàn)象的主要原因是舊臺風(fēng)初始化方案中應(yīng)用了重定位技術(shù)（通過人為經(jīng)驗技術(shù)將初始渦旋調(diào)整到觀測位置），過去的業(yè)務(wù)試驗及運行結(jié)果表明，渦旋重定位技術(shù)應(yīng)用可以明顯改善較短時間內(nèi)臺風(fēng)路徑預(yù)報效果。

檢驗結(jié)果還表明，新臺風(fēng)初始化方案對于臺風(fēng)預(yù)報改進不單單體現(xiàn)在路徑上，其對于強度預(yù)報誤差（中心氣壓、近地面最大風(fēng)速）也有顯著的改善（圖9）。

從圖9 中可以看出，新臺風(fēng)初始化方案預(yù)報的中心氣壓和近地面最大風(fēng)速平均誤差遠(yuǎn)小于舊臺風(fēng)初始化方案。其中，中心氣壓的預(yù)報誤差降低2—9 hPa，下降幅度為14%—32%；近地面最大風(fēng)速的預(yù)報誤差降低1—4 m/s，下降幅度為16%—21%。

圖9 基于新（三角形）、舊（五角星）臺風(fēng)初始化方案的CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報的（a）臺風(fēng)中心氣壓和（b）最大風(fēng)速平均誤差Fig.9 Errors in mean（a）typhoon central pressure and（b）maximum surface wind predicted by CMA global forecast system with new typhoon initialization scheme（triangles）and old operational scheme（pentagrams）

發(fā)展新臺風(fēng)初始化方案的主要目的是改善分析場中臺風(fēng)環(huán)流的強度和結(jié)構(gòu)。實際上，在應(yīng)用過程中，由于全球數(shù)值模式系統(tǒng)預(yù)報-同化循環(huán)的特殊屬性，某個預(yù)報時刻經(jīng)過新初始化方案處理后的渦旋環(huán)流往往通過模式短時預(yù)報后會成為下一個預(yù)報時刻背景渦旋環(huán)流。拋開模式演變不完美這一特性以外，此時背景場中渦旋環(huán)流會繼承上一時刻臺風(fēng)初始化數(shù)據(jù)信息。如此循環(huán)下去，新臺風(fēng)初始化方案作用效果會隨著臺風(fēng)從初始發(fā)生到消亡過程產(chǎn)生某種累積效應(yīng)。上述試驗結(jié)果也證實了這一點，在4DVar 同化窗口內(nèi)吸收臺風(fēng)中心定位軌跡和中心氣壓演變信息后可以明顯改進初始臺風(fēng)環(huán)流質(zhì)量，從而提高CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)臺風(fēng)路徑和強度預(yù)報效果。

6 結(jié)論和討論

為解決CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)對臺風(fēng)預(yù)報能力偏弱問題，參照BDA 方法，文中建立了一個新的臺風(fēng)初始化方案，即通過4DVar 同化窗口主動吸收臺風(fēng)實時特征參數(shù)—中心定位及中心氣壓數(shù)據(jù)，利用全球模式動力物理約束產(chǎn)生臺風(fēng)環(huán)流。在此過程中，為加強同化分析過程的影響，對時間間隔較長的臺風(fēng)報文信息進行了加密處理，同時考慮到CMA-GFS 全球模式對臺風(fēng)的分辨能力，動態(tài)設(shè)置中心氣壓數(shù)據(jù)誤差技術(shù)被提出并應(yīng)用于實際方案中。

基于CMA-GFS 全球4DVar 系統(tǒng)，完成了新臺風(fēng)初始化方案具體實現(xiàn)過程。同化試驗結(jié)果表明，臺風(fēng)中心定位信息同化對糾正臺風(fēng)中心初始位置偏差有一定程度的影響，4DVar 方案的反復(fù)迭代過程在某種程度上代替了渦旋重定位功能；中心氣壓演變數(shù)據(jù)同化可以明顯改善臺風(fēng)初始強度偏差。應(yīng)用于2016 年西北太平洋22 個臺風(fēng)試驗的結(jié)果表明，相比于舊臺風(fēng)初始化方案，新臺風(fēng)初始化方案可以明顯改進CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)的路徑和強度預(yù)報效果。基于此試驗結(jié)果，中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心已于2020 年7 月將新臺風(fēng)初始化方案融入CMA-GFS 全球預(yù)報系統(tǒng)并投入了業(yè)務(wù)運行，初步結(jié)果顯示新方案在向預(yù)報員提供指導(dǎo)性路徑數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品方面起到了良好效果。