美国NOAA/GFDL飓风预报系统新世纪的进展(I)

美国飓风中心(NHC)发布飓风预报的重要依据是美国国家海洋大气局地球物理流体动力学实验室(NOAA/GFDL)飓风预报系统(HPS)的数值预报.自1995年开始, NOAA/GFDL飓风预报系统即为NHC预报员提供大西洋和东太平洋飓风业务指导预报.此外,还根据其模式版本GFDN的计算结果,为美海军部门提供全球其它洋域的热带气旋业务指导预报.        GFDL / HPS的 3重嵌套移动网格模式( Kurihara et.al 1995; Kurihara et.al 1998)是以经、纬度和SIGMA坐标的原始方程组为控制方程,3重预报域(外、中和内区)格距分别为1、1/3和1/6,覆盖范围分别为7575(格点数7575)、1111(格点数3333)和55(格点数3030),相应的积分时间步长分别为90、30和15sec ; 模式大气物理过程包括:改进的栗原积云参数化方案(Kurihara 和 Bender,1980),计算地面通量的莫宁-奥布霍夫(Monin-Obukhov)方案,以及描述垂直扩散的Mellor和Yamada (1974) 2阶湍流闭合方案(含背景扩散系数) ,红外(Schwarzkopf和 Fels 1991)和太阳辐射(Lacis和 Hansen 1974)参数化方案(含有云辐射相互作用和辐射日变化),地面温度由包含土壤层的能量方程计算 .        近20多年来,热带气旋路径数值预报水平的提高较稳定,但相比之下,各国热带气旋强度数值预报误差普遍较大,且进展缓慢.为了提高飓风强度数值预报水平, GFDL于2001年对HPS完成了较大的改进工作,建成新的系统(以下简称2001方案),其重大变动包括以下3方面 :1. 研发了飓风数值预报模式与美国普林斯顿大学高分辨率海洋模式POM相耦合的预报系统(GFDL/URI). POM是基于完全温盐动力学的3维原始方程模式.自洋底至自由洋面用sigma 坐标分层.模式采用Mellor和 Yamada 2阶湍流闭合方案(1982) ,动量和热力学方程的预报变量为自由海面高度、位温、盐度和速度。预报域分为3个区可供选用,即:西区(15o ~ 31oN 、75 ~ 98oW覆盖墨西哥湾、加勒比海西北部和南大西洋海湾西南部,水深取3km,分21层)、中区(10o ~ 47oN 和 48o ~ 82oW覆盖西大西洋和中大西洋, 水深取5.5km,分23层)和东区(10o ~ 40oN 和60o ~ 30oW,覆盖东大西洋),根据飓风初始和72h 预报位置选择其中一个预报区,海气相互作用仅在大西洋海域计算。3个区的格距均取为1/6o ,与飓风大气模式套网格内区一致,时间步长为1350 s,是大气模式内区时步的90倍。大气风应力、海面辐射通量、感热和潜热通量插值到1/6o分辨率格点后由大气区传到海洋区,海洋模式与大气模式平行积分1个时步,后者用前者上一时步的海温预报场(忽略海浪引起的风应力变化),而前者用后者预报的通量项,以此同步实现海气的相互作用.2. 与强度预报有关的另一问题是,GFDL飓风模式预报的低层风有较大的负偏差,且预报的风、压关系也不佳,对给定的中心气压,地面风速预报偏低.对此,另一重要改进是在扩散参数化过程中引入了湍流动能预报方程,对描述垂直扩散的Mellor和Yamada湍流闭合方案由2阶更新为2.5阶,试验结果表明,边界层风速垂直廓线改进显著,因而风、压关系得到改善,由图1可见,2001方案预报的地面风与气压的对应关系与风、压观测值更为接近。由此,风的预报精度也有相应的提高。 图1   1999~2000年间7个飓风的风、压关系对比红点-- GFDL 2001方案  蓝点-- GFDL 原方案  黑点 -- 观测值纵坐标 --- 地面最大风速 (海里/小时),横坐标 --- 地面中心气压(hPa)(取自Bender, M.A.,Ginis I, Marchok T.P. and Tuleya R.E. 2000,下同)3. 模式初值化的改进:  l大气模式(1) 模式初始场取自NOAA/AVN 全球分析预报系统,并经插值得到3重嵌套网格区域的初始场(A),再经2次滤波,把A的风、气温和地面气压分解为大尺度背景场(B)和扰动场(D),即A=B+D,第2次滤波把D场分解为飓风分量(H)和非飓风扰动(NH),在滤波域(r)内筛除H后,得到模式预报的环境初始场(E=B+NH)。过滤H的空间尺度r是根据H的切向风分量径向分布计算确定,即在24个方位取中心以外径向格点分别计算过滤范围(半径r),为保证彻底滤除飓风分量H,以Cr 作为实际过滤范围,放大系数C在原方案取1.25. 在2001方案中采用新的AVN分析场,试验表明,C改为1.1更合理,既可筛除A场中飓风扰动,又可减少全球分析中某些重要性质被剔除的可能性;(2) 模型(Bogus)飓风的轴对称切向风径向分布是针对接近850hPa的模式层设定的,因此,在从地面观测风场中剔除环境流得到飓风涡旋时需乘以经验因子,用以订正到850hPa层,原方案中该因子取为1.3,实践证明,此值偏大,改为1.2更合理,经试验表明,有改进效果;(3) 模式初值化积分过程中模型飓风强迫(轴对称切向风径向分布)是在积分最后1小时加入,分析表明,由于没有任何环境状态,会导致涡旋的旋转增强(Spin Up)过大而影响3维模式预报的飓风强度,为此,在2001方案的初值化积分的全过程中切向风径向分布强迫保持不变,使最终的风场接近目标值,而且与环境场协调一致;(4)  控制轴对称模式积分时间的判别公式为地面最低气压与外围气压差值大于其观测差值和订正因子D = min( Pm ,1+ bPdif ) ,订正因子中的常数b和Pm由原先的0.25和10hPa 分别减小为0.05和4hPa,由此可避免出现初值化的飓风强度比观测值过强的情况.  (5)  轴对称模型飓风开始时与环境湿度(ME =MB + MD MH)和飓风中心温度进行初值化, 在轴对称飓风旋转增强(Spin Up)后, 湿度初始场由飓风区各点与外围水汽混合比差值(Maxi)与环境湿度场相加得到,即MF=aMaxi + ME ,鉴于a 的取值具有一定随意性,最合理的取值法是给定一个函数关系,2001方案中令a为飓风中心气压前6h倾向ΔP-6和实时观测值Po的函数: a = min (1.0, X), 其中X = max (0.35 , Pb + CΔP-6 ) ,式中 C = 0.035, Pb= 0.5 + B ,  其中B的取值依赖于飓风中心气压Po,按如下关系式求取:在Po < 960 hPa 时, 取B=0.4, 在960Po<985hPa 时, 取B= 0.4(985. Po )/25,        在Po 985 hPa 时, 取B= 0.0.       原方案中a在海上取为1,陆上取为0.5,均为常值, 而飓风活动大都位于海洋上,取值显然偏大,常导致湿度的过量激发(Spin Up), 对弱风暴尤为明显, 飓风涡旋常在预报一开始就迅速发展,这可能是预报起始12~24h时段内导致强度正偏差的原因所在.由于2001方案中a的取值减小(a 的取值介于1和0.35之间),湿度的过量激发得以抑制, 使飓风区初始湿度场更合理;       经上述初值化,飓风涡旋的强度更接近观测值,且在模式积分12~24h过程中对弱系统预报过强的趋势也得以减小。l海洋模式       由于没有可供业务应用的海面下实时海洋资料,海洋模式的初值化只能依赖海洋气候资料与实时海面温度资料的结合运用,以诊断和预报激发出海洋环流.初值化过程包括4个步骤:1/ 根据美国海军观测资料库的海洋气候资料得出月平均温度和盐度作为背景场,速度初值取为零; 2/ 用不考虑海面强迫的诊断模式积分1个月,即令海面温度和盐度为常数,而风应力强迫则采用海气综合资料库的资料,仅容许速度变化,最终得到飓风季节各月各区的海洋状况; 3/ 用NCEP全球业务分析的实时海温资料在3个预报区分别进行资料同化,调整海洋上层结构,使其与NHC风暴信息文件构成的模型飓风轴对称海面风场状况相协调.同时,保持海面温度不变,用诊断模式继续积分2天; 4/ 在预报起始前3天的初值化积分过程中形成现时NCEP海温分析资料中难以分辩出的飓风导致的冷尾流,海面风应力采用含有拖曳系数的简单总体传输公式计算. 经过3个飓风季节的平行试验,其结果对比表明, 2001方案(新版耦合模式系统)对飓风强度预报的正确率有了明显提高, 尤其是飓风中心气压(Po)的预报平均误差较原方案预报平均误差减小达26%,图2给出了1999年飓风季节业务数值预报与2001预报方案对全年飓风强度预报误差的统计结果,由图可见,24、48和72h预报的飓风中心气压平均误差在12.5~13.5hPa,与原业务数值预报误差相比,分别减小24%、32%和44%。同时, 根据2000年大西洋4个飓风51次强度预报结果的统计,相对于飓风强度气候持续性统计预报(SHIFOR)而言,GFDL 2001方案强度预报技巧水平较原方案有显著提高,原方案的36h前强度预报均无预报技巧,仅48h预报有8%的技巧水平,而2001方案24h预报已呈现出正技巧水平,36h预报增大至20%,与官方综合预报技巧水平相当,还优于飓风强度统计预报(SHIPS)的技巧水平.       2001预报方案对路径预报正确率也有改进效果,24~72h预报平均距离误差也进一步减小,与原业务数值预报误差相比,降低5~10%。图3给出了应用2000年AVN全球分析资料为背景的GFDL飓风业务数值预报原方案和2001方案相对于气候持续性统计预报(CLIPER)的路径预报技巧水平,统计样本为1999年~2000年飓风季节的6个大西洋飓风的44个预报时次(个例),同时,为评价2001方案的预报性能,还给出样本相同(27个预报时次)的其它全球业务预报模式(美国飓风中心参考应用的美国海军全球业务大气预报系统NOGAPS、英国气象局UKMO)的预报技巧水平,由图可见, GFDL的2001预报方案的路径预报的技巧水平最高。 图 2  1999年飓风季节业务预报与2001方案预报的飓风中心气压平均误差蓝色业务预报 , 红色2001方案 ,纵坐标 Po平均误差 (hPa) , 横坐标 预报时效 (h) 图3  GFDL原方案与2001方案(相对气候持续性)路径预报技巧水平.  纵坐标为技巧水平(%,负值为正技巧), 横坐标为预报时效(h)上图为44次大西洋飓风预报统计对比,下图为27次大西洋飓风预报统计对比,( 1999和2000年飓风名称后圆括号内为预报次数 )黑线 原方案 , 红线 - 2001方案 ,  蓝虚线 官方综合预报绿线 美国NOGAPS, 蓝线 英国UKMO ,红虚线 原AVN 分析/预报  

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