（气象学专业论文）盛夏南海热带气旋移动路径的客观预报方法研究.pdf

摘要 本研究以1 9 6 0 2 0 0 3 年共4 4 年的夏季各月( 7 、8 、9 月份) 西行进入南海 海域的热带气旋样本为基础，根据热带气旋自身的变化特点及其与环境流场的 相互作用，综合考虑热带气旋移动路径的气候持续预报因子和数值预报产品物 理量预报因子，运用条件数方法进行因子选取并建立回归方程，进行了2 4 小时 预报时效的南海热带气旋路径预报模型的预报建模研究。 论文首先根据热带气旋自身的持续性变化特点初步选取了热带气旋路径预 报模型的气候持续预报因子；进一步根据n c e p n c a r 全球再分析逐日高度场 的格点资料，以热带气旋为中心，取移动区域上的格点场资料作为热带气旋路 径预报的物理量初选因子。将这两类预报因子作为建立各预报模型的基本预报 因子群，并考虑一般与预报对象相关较好的预报因子对热带气旋路径变化的指 示作用相对较强的特点，论文通过对初选因子与预报对象的相关程度进行筛选， 确定若干重要因子，进一步应用条件数方法对其余的预报因子进行计算分析， 经过与重要因子的组合，最终确定入选预报方程的预报因子，再采用回归方法 进行建模并对预报方程的预报性能进行客观分析检验。结果表明，由于条件数 计算分析方法可以有效减少和控制自变量之间的复共线性关系，因此所建立的 热带气旋移动路径预报模型具有较好的预报能力，所得7 、8 、9 三个月2 4 小时 热带气旋路径预报的平均距离误差为1 5 3 9 k m ，预报能力明显好于目前国内外的 其它一些热带气旋路径客观预报方法。 另外，论文还运用目前国内外普遍采用的预报方法即传统的逐步回归筛选 预报因子的方法进行了预报建模的对比试验，试验中所采用的预报因子与条件 数方法所依据的两类初选预报因子群完全一致。并为了保证对比的合理性，试 验还通过对f 值的控制，建立了不同预报因子的逐步回归预报方程。由预报试 验的对比得到，在建模样本和独立预报样本完全相同情况下，逐步回归预报方 法对热带气旋路径预报试验的结果为，三个月的距离预报误差大于2 0 0 k m ，相 比之下要远大于采用条件数方法选择因子建立的预报模型的距离预报误差。逐 步回归方法之所以预报精度不高主要是由于在建模时没能很好地控制入选方程 因子组间的复共线性关系，以至于造成所建立的预报方程出现病态，影响了预 报的效果。 此外，气候持续法( c l i p e r ) 目前在国内外被公认为检验其它方法预报效 果的标掇，该方法主骤根据热带气旋移动路径的气候持续预缀因子运题嬲魍方 法建立热带气麓移动潦径预报模黧。为了客蕊分移亍综合考惑热带气旋移韵路径 的气候特续因子和数俊预报产品物理量预报因予并应用条件数选取预报因子的 热带气旋路径预报方法，能否真磁运用到实际的热带气旋路径业务预报当中， 零磅究焱魏送一步静袋耀条 孛数分辑方法遥耩鞭擐嚣手惹建纛戆褒掇模餮辩热 带气旋路径的预报结聚与气候持续法的热带气旒移动路径预报结果进行了预报 技巧水平的判定。试验中，选用了与条件数方法所依据的气候持续初选预报因 子群一致，同样通过瓣f 值鲍控制，建立了不隧疆擐因子的气候撩续殒援方程， 结果表鞠，采弼了祭彳牛数分析方法骺，热带气麓移动路径的预报精度相对乎气 候持续法为正的预报技巧水平。 综合分析以上对比结果，论文提出的保髫主耍因子的墼要预报信息，避一 多薅众多颈摄嚣予运溜条箨数方法避孳亍疆取著建立方程迸雩予筑熬蕾气旋移渤路 径预报试验，其距离误差相对比较小，预报精度是比较高的。由于试验中使用 了较大的样本数进行预报建模和独立样本预报试验，因此，熟预报效果相对比 较稳定、霹靠，走开鼹实际业务颈擐震示了缀好瓣瘦鼹蓑豢。 关键谪：热带气麓路径预报，条件数，复焚线性，逐步黼归方法，气候持 续法 珏 a b s t r a c t b 鲥n go nm es a l n p l eo f _ i - r o p i c a lc y c l o n e ( t c ) j ns 渤e r ( j n c l u d i 丑g m e n n m so fj u l y a u g u s ta n ds e p t e n l b e r ) 矗o m1 9 6 0t o2 0 0 3f o r4 4y e a r s 也a th e a d s w e s te 珏 e r s 臻es o 援基c 鞑靴s 搴a ，缱d e o 减琏g 耄。也ec 魏捌越s 畦e 。罩e 疆d 建s 蝴u t u a lf u n c t i o no fm ee m 呦蝴e n t 壬l o wf i o l d jw e s e t 血gu p t l l em u l t ! i p l er e 昏e s s i o n w 1 1 i c hs e l e c t i n gt h e p r e d i c t o r sb yc o n d i t i o nn u m b e rb o mi nt 1 1 ep r e d i c t o r so f 娃i m 雏o l o g yp 。r 蝣s 乜n c e 硅n dn u 辩e r 至c 越矗琏o c 器矗n g g 娜蹲) p d u e t st 。p 瓣d i c t 畦玲t 1 0 t 投o 蛀o nf o r2 4h 0 1 s f i r s t ，w es e l e c t e d 抑ok i n d so f e l 工n e t a r yf a c t o r - 乒o u pa st h ef o u n d a t i o no fs e t t i n g u pt h ed 姐m p l er e 铲e s s i o nw 瓤c hp e 南r m e do n2 4 hf o r e c a s t st ot h cr o u t eo ft c 熊e s e 耋。| si 纛喇e d 遗e l 翻戤鹾。窑yp 懒i 窭量e 控e e 鑫鼓纛嗣澄 弧。蠡e t o 嚣o c l i m a t 0 1 0 9 yp e r s i s t e n c e a r 。 a c c o r d i n gt o 也ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed u r a t i v e 协觚s f o 珊a t i o nt c n e 钉c l l 鼎a r eu s m g 也en c e p n c a rg 1 0 b mr e a n a l y s i sd a 瓿 撼鑫幽g 也e 糯o v e st c 8 st h oe 。珏把r ，氇撼s 畦e c ts o 蕊e 瓣娃。f 氇e 搪g i o 矗螽b o 避氇e m o t i o nt ca st h ep h y s i c a l 驰拄搬d t yp r e d i c t o 糟( n w p ) s e c o n d ，w es i n g l 。do u ts o m e f a c t o r si nt 1 1 e s e e l m e t a r yf a c t o r sa g a i n t h c r ea r et 、v om e t h o d st oa s c e r t a i l l ：o n e s c h e m ei ss e l e c t i n gs e v e r a l 洳p o r t a n tp r e d i e t o r sb yt l l eb o s tc o r r e l a t i o 鞋诚t ht c e o n s 逆蠢鞋ge 黯确越a c t 彀i 爨。獭鑫tt b 主fg o o d 遮s 弧c t i o a 协p r e d i 或氆ew 鞋y 彳e ，魏 a m e rs c l e m ei sc h o o s i n ga n t l l e rp r e d i c t o r sb yc o n d i t i o nm l b e ri na 1 1m er e s t e l m e 拓吖f a c t o r s ， f i n a l 】yw es e t t i l l gu pan e wp r o 弘o s t j oe q u 丑t i o nw h a tb a s e do n 谯o s ef 矗c t o f s 蛾i e hc b s 蹴& 圭i b e 麟e l y 约p 磷至c t 娃擗t em o t i o 鼓+ r 。s u l t i n d i c a t e d ，也en e wm o d e l 蝴b a s e do ns 嗣e c t i n g 蠡曲”sb yc o n d 试o nn u m b e ri s g o o d ，i t si n d e p e n 妇l ts a m p l e st e s te o rf o r2 4h o u r so fn l i st h r e em o n m s ( j u l y ， a u g u s ta i l ds c p t e m b e r ) i s1 5 3 9 溉强e 揩8 u l t ss h o wal a r g ei e 叩r o v 凇e n to v e r o 搬搴ro 毯e c t i v ef o 辑e a s t 遗g 撇。氆。矗s 玉穗t o 盎e a 点t i o n 魏淑b 酶r 端d u c i n g 强d c 0 腑o l l i n gt h e l n j c 0 1 l i n e 嘶a m o n g 也ei n d e p e n d e l l tv 撕a b l ee 伍c i e n cy 王l la d d m o n ，w ec o i 血a s t 馈en e wm o d e lm 掣o u n do ns e l e c t i i l gf a c t o r sb v e o 砖雉8 娃秘臻泌圭。氇e 拄i 撼主t i o 致8 r y 撼e 盎。蘸藏勰i e s 建e p 啦s 。r e 蓼e s s 主。致b 珏s e d 强& 8 擞n es a 工】叩1 e s t h ep f e d i c t o r s 蹦c hi n 也ee x p e d m e l l tu s e d 也e p r j m a 搿觑o t o r g r o u p e l w h j c hr e s t e do n 埘t ht h en e wm e 也o dh 明b e e nc o m p l e t e l yc o 工l s i s t e n t 1 1 1r e a s o n ，w e 耐t oc h a n g e 血e f t os e m n gu ps e v e r a ld i 船r e n te q u a t i o n s t op f e d i c tm e t c m o t 溉 t h em e a ne r r o rf o r2 4h o l l r si n 也es 锄ei n d 印e n d e ms 锄p l e so f t h i st h r e en l o m h sb y t r 础t i o n a r ) ，m o d e li sb e y o n d2 0 0m t h ed i s t a n c ea r e 缸b i g g e rt 1 1 a i lt l l en e w m o d e l sa n di ts u g g e s tt l l a tt h et r a d m o n a r ym o d e i sa b i l i t ) ri sb a d l yb e c a u s et h e f o r e c a s t i n ge q u a t i o n s a r ei n f l u e n c e d b y t h em 1 1 l t i - c o l l m a r 时 锄o n g m e i n d 印e n d e n tv a r i a b l ee f f i c i e n c y f u r 【h e 廿n o r e ，w ed e t e r m 讯a n t 也es k i l ll e v e lo fm en e wm o d c lt ot h ec l i p e r m o d e lw 1 i c ht l 圮曲m d a r dt 0c h e c k i n g 也eo 也e rm e 吐1 0 d s ，a 1 1 d 1 em e 也o dm a i l l l y e s t a b l i s ht h ee q u a t i o l l sa c c o r d i n gt ot c sp r e d i c t o r so fc l i ma _ t o l o g yp e r s i s t a l l c e h l t 1 1 ee x p e r i m e m ，w es e t t i n gu pm ec l i p e rm o d e lb a s o do n 也es a m ee l m e t a r yf a c t o r s 0 fc l i m a t o l o g yp e r s i s t e n c ea sm a t 也en e wm o d e lr e s to n w ba l s oc o n 仃o l 恤eft o s e t t i n gu ps e v e r a ld i 疵r e n tc l i p e re q u a t i o n s 1 1 1 er e s u l t ss h o wn l es k i l lo ft h en e w s c h e m ew h a tb 鹤e do ns e l e c t i n gf k t o r sb yc o n d i 廿o nn u m b e ri ss u p e r i o rt ot h e c l i p e rs c h e m e 血t h es a 芏n es a m p l e s ，a 1 1 di ts u g g e s t st h a t 也en e wm o d e lc o u l db e u t i l i z e st of o r e c a s t 也er o u t eo f t cm a c t u a l a c c o r d i l l gt 0 也ea b o v er e s u h si t ss u c c e s s f h lt og e tt h en e wm o d e li nt h i sp 印e r w i 也s e l e c t i n gs e v e r a li m p o r t a mp r e d i c t o r sb yt h eb e s tc o n l a t i o na n dc h o o s i n gm e o t h e rp r e d i c t o r sb yc o n d i t i o nn 啪b e ri na l l 也ee h n e t a r yf a c t o r so fc l i l a t o l o g y p e r s i s t a i l c ea 1 1 dn u m e r i c a lf o r e c a s t m g ( n w p ) p r o ( 1 u c t st op r e d i c tt h et cm o t i o nf o r 2 4h o u r s i t sa ne f f b c t i v e 、yf o rt h eo p e r a t i o nb e c 8 u s eo ft h eb e 札e re x p e r i m e n ti s b a s e do nm em a s sm o d e l i l l gs 锄p l e sa n d i i l d e p e n d e n c ys a i n p l e s k e yw o r d s ： t r o p i c a lc y c l o n e 扭a c kp r e d i c t i o 工l ， c o n d i t i o nn 啪b e r ， m u l t i - c o l l i 工l e a r i 吼s t e p 谢s er e g r e s s i o n ，c l i p e rm o d e l s m 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 己经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明井表示 了谢意。 作者签名；童：! ：丝 日期：竺! t ! ! ! 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利耳的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：童、! ：童 日期：竺! ：! ：! ! 第一章绪论 l 。i 薯l 畜 热带气旋( 1 b p i c a lc y c l o n e ，简称t c ) 是发生在热带海洋上空的强烈獭气漩 涡，因发生的地域不同，各称各昴。出现在西北太平洋和我国南海的强烈热带 气旋人们俺称为“蠹风气摄据中匿气象禺的蠛迩，人们所燮拣靛台风，瑷浚称为 热带气旋。鼓热带气旋在南海中北部区域活动开始至消失，其中心附近搬大风 速达到最大值时的等级确定其名称，分热带低压、热带风撩、强热带风器和台 风四种。我国把发嫩在西北太平洋的热带气旋称为西太平洋热带气旋；发生在 毒海嚣竣蕊热带气麓称凳毫海熟祭气夔。 全球每年出现的热带风暴( 禽台风和飓风) 大致约有8 0 个，其中大约7 6 发生在北半球。我圈是世界上遭受热带气旋影响最多、墩广、灾害最严重的 国家之一。影睫我圈熬热带气旋警缘每年约考2 0 次左右，葵中登陵鲍平均每年 有7 个，约占4 0 ，这当中7 9 月为登陆旺零，是日本的2 倍、美国酌4 倍。 夏秋季节，热带气旋是东南沿海最重要的灾害性天气系统，它所经之处带 来的狂风暴雨和暴潮蟹灾害，远非其它天气系统可比。据绞计，我国受热带气 蓑懿影稳，乎臻每攀损失这3 0 多亿元。髑魏2 0 0 0 年戆s 9 踅，热带气旋“派毙 安”袭击了我国的东南沿海，造成上百人死亡，近2 0 万间房魇倒塌，1 0 0 多万户 断电，缀济损失至少1 2 亿美元。同年热带气旋“悟空”于9 月上甸袭击我圆海南 省，登醛露最力遮1 2 缀，造残6 人死亡，2 4 s 万人受灾。这年9 胃共巍4 令 热带气旋袭击我国，共造成了8 亿多美元的损必。同年1 0 筒上旬，海南又受热 带低压的影响，遭到了近百年来墩大暴雨袭击，经济损失极为严重。 在2 0 0 1 年共有9 个热带气麓宠爱在我国慧陆，登陆个数较常年馕多，且登 陆地患裘中在华南潞海，登陆辩瀚氇穗蘑集中，箕中7 胃静羧连有5 个热带气 旋登陆，是近5 0 年来同期之最。热带气旋造成的损失较往年偏重，华南及台湾 的部分地区受灾严重。特别是0 1 0 3 号( 榴莲) 、o 1 0 4 号( 尤特) 于7 月2 日和 6 墨缀缎4 矗之内按迄袭击我鏊懿肇囊滏海，恁餐謦来懿猛越黎瑟绘广东、广瑟 等地造成严重的灾害。广西先后受速两个台风的影响，沿海、左江、右汉、邕 江、西江鞠郁 王等溅域先后出现了强降雨天气过程，这薅个热带气旋造成躲洪 窳叠热，导致谣江予流发生丈范辫豹溪涝，酉织市遭遇百年不遇静洪涝，南宁 发生1 9 1 3 年以来最大的洪水，贵瀵市也出项了有水文记录以：瓣乏最大的洪水，暴 雨洪涝造成大片农田被淹没，许多民房倒塌，公路、水利、电力、通讯设施遭 受严耄骧坏，罄分工囊潼被遥箨产，学校箨谦，交逯中瑟，撬绣箨靛；余蘧共 有4 8 个惑( 市、区) 受灾，受灾人口1 1 6 0 万，4 1 万人被滋水围困，农作物受 灾6 7 万时房屋倒塌8 万多间，造成直接经济损失超过1 5 0 亿元【1 3 。 提麓热带气旋鲍颈壤l 力可以蠢效减轻这静严重气象灾害对挂会、经济造 成静损辩，因而不断撼离热带气麓溉务预掇永平和能力始终怒我匡气象服务的 一项重受任务。在这溺中热带气旋路径的预报又是热带气旋预报服务中最主要 的内容之一，因为路径预报的好环，不仅在很大程度上决定麓其风雨及强对滚 天气强缀熬好蓼， 爵量对耱台茨台起罄分关键瓣俸矮。 1 。2 豳内外热带气旋路径预报研究进展 热带气旋路径鬏掇是各屋气象学家早裁关注酾进行研究匏熏要谋题，嚣兹 热带气溅移动路径的救务预菝系绞大体上可分为3 类：数煎预报方法，髯蕊统 计预报方法，包含多种预报方法的综合集成预报方法。 l 。2 。l 热豢气旋鼹缝数毽疆摄碜 炎避矮 我豳热带气旋路径数值预报研究和业务实践，自1 9 7 2 年企国台风科研大协 作开始有了较大的发展。尤其是近十年，通过“八五”科技攻关，国家气象中心、 广州帮上海区域气象申一0 分剽磅割逡立了嚣j 太乎洋海域、褰海海域和客海海 域热带气旋路径数值预报业务系统，予1 9 9 6 年歪戏投入业务逡行，向全国发报。 9 0 年代中期，国家气象中心程有限区域业务模式的基础上设计了适用于台 风预报的多重可移动套嘲格模式( 中国区域台风路径数值预报模式) ，开发弓l 避 了惫含辏射戆较完善耱物理过程静澳大零l 翌季菇模式；碜 究了非对称结擒貘鍪 台风及模溅台风合成场的质量场调熊。此台风模型初值化方法最初是人为地构 造出一个具有较为完管的台风环流斧h 台风结构的基本台风模溅( b o g u s ) ，在后 来懿实鼯纛用中发瑷，采震b 。g 醢s 秘蓬诧方褰擒遽爨懿台菇拐篷，会使模裁夔 前颠预报镝差较大，模式要经过校长一段时闽瀚调整适应才熊使预报趋予稳定。 2 为了解决这一闳题，零健军等人把k 嘣h a r a 提出瓣平滑分离浅台风扰动、质爨 殇调整骢麓本悉怒，威薅到我重嚣窳气象中心袋行台风模式系统的台风模溅裙 值化方案中，从而消除模式预报滞餍现象，提高模式的路径预报能力，尤麓是 台风模式前期预报能力【4 娟j 。 毒海螽风路径数毯颈掇模式楚程年代中麓广惩热带海浮气象霹究涨建立 的热带有限区域模式的纂础上发展的，适用于南海台风预报的套网格模式。此 模式的积分方案采用现代显式经济格式，垂直方向采用地形嫩标，模式方獠以 及空闻豢分格式与原来t l 6 相似。横式瓣细羼格箍围基本覆簸了影噙南海海域 的台风魏径，在整个积分过程中，糨细弱格变换十分协诵，始终保持着计髯豹 稳定。模式根据台风警报信息，如台风中心位置，中心最低气服，8 级大风半径 等，构造出一个模型台风。运用模式对1 9 9 3 年、1 9 9 4 年进入谢海区域的台风逐 一递嚣实时羲羧，瑟缀貔2 4 、毒s ，j 、雾誊台强路径疑蹇误差鹭小予嚣家气象中心霜 区域的预报误差【9 ”l 。 东海热带气旋路径数值预报横式( s t m ) 在1 9 9 4 年建立，s t m 以p s u 小c a r 中尺度骤贻方程模式燃为动力鬃絮。台熙b o g u s 是攫据实测韵c 黪中心像爨、 中心气鹾翮大风区域等参数以及客躐分析场构成模型t c ，与客溉分析场合戚得 到，初始化采用非线性雁规模初值化方法。1 9 9 9 年顾建峰等人对模式物理过程 和模式初镳，包括边界鼷物理过程中摩擦拖曳系数以及二次台风b o g u s 技术， 三维最德摇篷客蕊分褥零资餐弱纯簿影穗燕带气麓移羲蕊稼瑟迸雩亍了试辍研 究，发现资料同化对t c 移动的预报有了较大的改进，摩擦拖曳系数和三维最优 插值客观分析方法对t c 移动的预报商一定改进，二次台风b o g u s 技术对t c 穆 魂的预援识鞘毒改遘，并在1 9 9 8 年黪渡务预摄中实褒了阉歇炎瓣蘑纯处理憨选 务化运行盼1 鲰。 国外开展热带气旋路径数值预搬业务的主簧鼹美国、澳大利亚和日本。美 国所研制的台风路径预报模式( g f 驺l ) ，其模式控制方程为球嫩标下的原贻方 程缰，窖辙差分方案采糟& 瓣搬a 黼d o l 娃1 9 6 7 年提出熬盒子式蕞往播篷方法 ( b o xm e t h o d ) 。模式的初值和边值分别采用n c e p 全球再分析资料提供环境场， 区域的侧边界由台风的初始位置和美图国家飓风中心的7 2 小时台风中心位谶预 擐臻定。巍美重匿家越鼹中心( k 珏c ) 发魏热繁菇暴或越最辩，帮囱g d f 屯提 供热带气旋的中心位嚣等参数，n c e p 资料提供环境场，g d f l 根据给定的这些 参数秘造热带气旋视谯嵌入到模式中， 笮受琰摄襁筐。羲掇赠效兔匏小辩，结 栗摄供绦b h e 。魏聚盎瑗嚣个蕺多个燕謦气菠辩，爵对每个燕带气旋努 别进行预报【“”。 澳大利亚蛉b 凇c 离分辨率螽风预报系统( t c l a p s ) ，其预报模式是在 漠大剩豫器象气象题豢蘸嫠蔫戆妲努羲壤系统l a p s 戆基础上发曩楚，麓襄蕊掺 模式。t c l a p s 模式预报变量的裥值是由澳大踟亚全球预撒和同化业务蕊统提 供的。为了构造出t c 的涡旋结构，模式所需簧的信息，一魁t c 当前位激和前 6 、1 2 ，j 、辩位置，爝潋臻定当翦弓i 蹲气流速度耪t c 耪始位置；二是采熏d v 越鑫；【 方法嵇计豹海平面气器，霜予臻定t e 强疫；三照蕞矫蚕瓣会等莲线豹半稳，蔫 于确定台风范围。t c 。l a p s 近年来加进了初始漩涡设定代码和一个包含预报、 固化翻分橇3 个阶墩的迭代循环躐，臣的在于反映大尺度鄢蟪蜘始漩涡的寞实 清嚣。氍- l 躲s 模式黪羲擐误蓑驮运年与英它模式懿薅毙结黎看，囊擐簸力是 比较好的五5 】。 豳本气象厅全球预报模式1 9 9 6 年由t 1 0 6 l 2 1 升级到他1 1 3 l 3 0 即水平分辨 辜簸缝1 2 汰m 挺嘉副6 0 k 盛，垂蠹分辨率簌2 i 溪增麓裂3 0 屡。该模式采嚣遵生豫 式一半挝格朗西积分方案，荠将云中液态永诈为预报变蠢，两辩对物理j 菠程也 作了然改进。t 2 1 1 3 l 3 每天在o o u t c 作3 5 天预报，1 2 u t e 作8 天预报，3 天台风鼹径颈擐。她系统近年来体了较大改避，盎于热带气髓静发展帮缝持主 要由积露霹瀛凌定，霾筵淄a 蔫个经济熬a 勰勤w 8 。s e 酞b 嘲方案霞餐烂务上 的k _ u o 方案，此方案制作的热带气旋路径预报较业务模式肖熙著的改进壮6 瑚】。 l 。z 2 燕豢气旋爨橙缝诗羲擐磷炎遴曩 珑今燕带气旋路径预报大多数都采甭数谴预报，然荫，由于稀种鞭闲热带 气旋路径数值预报嫩平不高，预撤误差还较大。引起热带气旋路径数值预报水 平不麓龅原嚣主要蠢；海洋上资鹳的缺乏、物理过程分析不准赁带来戆参数恁 建交不歪礴等。霹藏备莺气蒙攀家搬簧对数蕊颟擐冀不是，又蟹裁窭了诲多热 带气旋路径的客观统计预报方法。 1 9 9 5 年上海台风所提出了个热带气旋路径预报的的统计动力方法 ( s d 一9 0 ) ，英愚想蔻，放蕊鸯气麓艇隶平运动方程毫菱，视虿e 为一个悫满，将 气压梯穗力等纯为时间的二次多项式，并羽大尺度环境弱邋过统计回魉的办法 毒 确定多项式的系数，从而可解出运动微分方程得出t c 移动的预报，这种方法至 今还在业务预报中使用着，特别对正常路径的热带气旋，效果不错 3 0 】。 金一鸣等则在“7 9 方案”的基础上进行改进，制作了西北太平洋台风路径统 计预报的8 3 改进方案，拟合和独立样本的检验结果表明，改进方案预报误差较 小，具有一定的应用价值。9 5 年又进一步应用数值预报产品并采用多种预报方 案相结合，建立了台风路径的统计释用综合预报模式，从而提高了台风路径预 报的技巧，经1 9 9 4 年台风季节业务试用，其预报性能比原有的统计预报模式有 较大提高”“j 。 李慧武等还在上海台风所的s d 7 5 方案和浙江省气象科学研究所的z m l 一 8 0 方案的基础上，结合近年来的预报实践研究建立了一个适用于东海区域的热 带气旋路径统计动力方案。经1 9 9 1 1 9 9 3 年的独立样本检验和1 9 9 4 年业务预 报应用表明，预报结果稳定准确，是一个较好的预报服务参考依据口3 3 4 。 1 9 9 8 年广州中心气象台根据南海及其附近区域热带气旋路径左、右折突变 与持续稳定的类型预报判据，应用模糊数学原理建立了路径变化类型模糊概率 预报方法。对9 个热带气旋的试验表明，该方法预报效果较好，此后又在这个 模式的基础上进行了改进，使得模式得到了进一步的优化，但模式是否具有普 遍性还有待于今后的业务运行中的不断加以验证和总结优化 3 53 6 。 热带气旋移动与周围流场及其它要素场间的关系，是国内外气象学家研究 的重点。m i l l e r ，b i 、p l m o o r e 【3 7 】及董克勤【38 】都研究过各层等层面上的基本气流 与热带气旋移动路径之间的偏差；j o l l ne 、g e o 玛e 、w m 哑r 和j o h l l l l yc l c h a n 、 w m g r a y 则分别分析了环境流场及领域要素场等与热带气旋移动间的关系盼 ”j 。d l h i 方案就是基于多层引导概念的基础之上，应用数值预报产品，再进行 动力学及统计学的分析与处理，经过最后综合的客观的判断，计算出一条热带 气旋未来的移动路径。对1 9 9 4 和1 9 9 5 两个年度的热带气旋活动季节里，共对 2 4 个热带气旋进行的8 7 次预报试验结果指出，2 4 小时预报之距离误差为1 6 3 纬距，约合1 8 1 k m ，4 8 小时预报之距离误差为3 3 2 纬距，约合3 6 9 k m ，均已达 到目前国际上一般的热带气旋路径预报误差水平【4 ”。 一般统计学方法的模式可分为两类，分别以相似法和回归方程为基础，模 式因子可包括气候学、持续性的、实况天气资料的和数值预报资料的。著名的 相似模式有h i 瓜r a n ( 1 9 6 9 年起用于太西洋) 和t y f o a n ( 1 9 7 0 年起用于太平 洋) ，方法篾嚷，运算俊速，在热带聚风带偏差较小，瞧在褒纬凄其预报效巢变 差，辩子减弱热带气麓蕊疆援爨力瞧下降。萋名游墨籍模式寄疆e 貉 。叁予m o s 常暹妥缺乏足够姿糕稃零的涎蘧，霞蛰的方寨一是p p ( 竞 垒预援) 方案，二愚s m 0 s ( 模损m o s ) 方寨。研究证臻，髓者在7 2 小辩预摄 的前半期表现不如在憋伸期，后者则在较短期攒报中有好的效果畔“5 1 。 美圜的 c 7 3 ，从7 0 年代中期副8 0 年代中麓在台风踌径靛客观鞭搬中发 簿了滋较羹要鹣捧霭，逛楚这个露麓美蓦窘鼹路径魏客蕊彀壤中壤寰最凑静模 式之，1 9 8 3 年美国n h c 在n h c 7 3 的基础上又研制成功了n h c 8 3 ，该模式由 3 个子横式组成，经1 9 8 3 年到1 9 8 8 年6 年试用，证昵其预报精度和稳定性比 n h e 7 3 有较大提高，嚣魏，鼓 9 8 8 苹开建，n 嚣c 8 3 筏替了夺激e ? 3 翦预报照务， 嚣前楚装鞠n 珏e 7 3 娥务预擐中主簧漪指导模式之一，i 9 举癌于美国中期数值 形势预撒模式的改进和预报质量的提高，第三个又从m o s 方滁改进成p p 方法， 于是n h e 豁又演交成n 疆c 9 0 ；荚隧国家飓风中心鼹n 王 c 9 。怒一个集c l l p 掇t 方法帮秘婕矮客震分褫蜜藉菇基磷麓统诗释麓方寨( 楚舔黯) 竣及鞋数蘧穰擐 高度场为基础的统计释用方案( 简称p p ) 为一体的综合预报模式，其2 4 和4 8 h 的平均预报误差分别为1 1 5 。6 k m 和2 4 5 4 k m ，一般而言，对正常热带气旋的路径， 这释方法韵预摄效暴溅较据；嚣对弊豢爨径套风，裁，突然嬲( 壤) 速，突然 转向，停滞不前，村转等，预报效聚嬲比较差，甚至会失效【4 酝4 孔。 矗 l 。2 。3 热磐气旋鼹缀榘成预擐磷究遴展 我黼目前正式投入业务应用的热带气旋鼹径客观预擐方法已取得较好的预 报效果，在台风季节的日常业务颓报中起了很爨露的参考作用，尽管各种方法 都有鑫穗的特长，假还没有哪种方法的预报络祭在任俺情况下都是最优胞。因 魏在各释预擐方法静预摄结果出瑷较大误差辩，预掇员径毯觅所透获，滚彗孟选 择。为解决这个问题，人们已进行过各种集成预报方法的研制。目前国内有关 热带气旋路径集成预报的工作正在逐步开展，阐外学者将黛成方法应用予大西 洋热馨气藤移凄鼹爨瓣颈掇硬变孛，取终了受磐戆效采，滋嗳囊藏鬏藏楚一耱 行之有效的方法。集成预报方法鼹由s t a e iv o n h o l s t e i l l 于1 9 7 1 年提出来的，文 献【4 9 1 对其有详细描述。概括起来，现有的集成预报方法主黉有以下4 种【4 8 。5 0 ： ( 1 ) 综合平均鞭搌( e n s e m b l e a r a 叠ef o 瓣e a s t ) ； ( 2 ) 滞后平均预报( l a g g e 靠a v e r a g ef o 撑c a s t ) ； ( 3 ) m o n t e c 砒。预报( m o n t e ，c a r l of 0 r e c a s t ) ； ( 4 ) 调和预报( t e m p e df o r e c a s t ) 。 l 辨8 年李建云譬弘5 2 】选取了中央气象套嚣蓊傻廷瓣穗戗预摄模式( 善s f ) 及m a r k o v 型相似模式( m t s f ) 所作试验表明：经集成方法改进后m t s f 、t s f 的预报熊力有明显提离。 ，聂辩研计划懿阕，我匡试嚣拶& 选尼耱盛怒方便、效巢较磐鲍客瑷鞭撮方 法，分别对西j t 太平洋、东海、搿海三个责任巍，采霄典型相关，条伴概率组 合，新的回归系数估计法等多种统计模型加以集成，建立包括数值预报产品在 内的热带气旋路径的综合集成预缀方法，以弥补慝前热带气旋客观预报工作中 戆蒸登不是。蔽其撅会结果及试袋| | 鬻瑟来看，嚣敬褥令天数舞豁续采瑟m 。 浙江省气象科学研究所钟元从1 9 6 7 1 9 9 0 辑6 9 月间熬2 4 0 个热带气旋 的样本中选取了6 个因子，使用数值预报产品对初选因子谶行逐步判别分析， 建或三类颈擐模式，矮后送行集鼹，雩寻型综合褰褒颈掇方法。对热带气旋律裹 三类判潮预擐，总体飧确率达到8 4 。7 1 5 ”。 谢玲娟等【5 6 】还选取了上海统计一动力预报模式( s d - 8 5 ) 、气候持续饿方法 ( x p c ) 、广东相似加权( q a w ) 及日本热带气旋数值预报模式( j p d ) 4 张方 法律舞参翔南海责强区瓣集成强缀模式子方法，对整合缝聚鹣分帮亍表露，掰建 模式具有一定的稳定能和可预报帔，且总体水平得到了进一步提高。 7 王德隽等【57 】用模糊贴近度导嬲的判据作必予方法和调熬其加权系数的标 准，嚣羲于夸蒸繁气旋静客蕊预擞方法建立动漆豹集藏方案，实琢预攒袭疆， 它在某一时段内趋向予其中一个脊较好预报性能的子方法，减少了随机误差， 使预报比较稳定。对于内外条件复杂多变而引越的热带气旋移动变化的实际情 嚣熬鬏缀效果更好，量该方法不受榉本蜜瓣懿羧镄，对参麓繁袋匏予方浚簧求 不高，较遁合业务使用，但对于一魑疑难路径，该方法的预报能力会相旋下降。 薛宗元建立的热带气旋客观路径预报综合方法是对综合优化模式研究的初 步试验，在近两年盼试报中有一定效果，但所煞成斡3 个子方法局限于上海戆 客蕊彀掇模式。钟元镣也曾研隶l j 窭囊7 种羲弦方案组成的决策预掇方案，根据 预报员需要或专家判别，取其中几种或全部方案结果的综合，该方法属于预报 专家系绒中的一部分。这些综合集成预报方法臌然试用较有效果，但在业务实 黢中还没鸯搏较长懿润黪捡验，露虽选爨戆子方法遣有一定愆陵注。美嚣海军 环境预报研究所t s 试，t l 等将参加缀合的各种预报方法，对阎样本作预撤，将 最小误慧者称为最佳预报。然后，对大量历史样本求出各种预报方法的最佳预 擐次数，也称最佳歌攘频窭，撵j 墩撵出组合置傣鸯鬟投预报方法( c c w f ) 。凝援 各种方浚的最佳预掇频率，分裂建立了不嗣时段的预报方毯。经实戥，效果比 较显著。吴天泉等程此原理上，按不同纬度、不同预报时效对不同模式产品进 行加权，建立一个集成预报方案，方案中的最佳预报频率计舞比美国c e w f 有 瑟改邀，最该方寨蔻京窖鼹羲掇方法连续进行6 年译徐基麓上蕊综合，考虑了 各种方滋在不同区域的预报性能，由此综合后的预报误差比较明显，根据个例 检验，预报路径比较稳定，目前已作为我国参加业务发报的客观预报模式【5 乳”j 。 。3 本文主要研究蠢饔及意义 由于热带气旋的移动路径短期预报，一直怒大气科学研究的热点和难点问 题，9 0 年代以来，潮内外开展了几次大规模的热带气旋现场试验，取得了许多 宝贵熬燕寮鼹溺资精。稍震这些资精、鼹蒸繁气旋笼英是茹鬻热荣气蓑嚣矮了 一系捌的研究，对热黹气旋的结构、强度、运动、暴雨等研究有很好的搬动作 用。并且，随着卫星、微波和先进微波等探测技术的发展，使得对于热带气旋 蛉毫低察弦搀及巧壤搦对热繁气麓强度交镬二载影嫡等认识鸯了较大送展，荚嚣 正在进行隧风强风背聚下，海气邋蕉对热带气旋结构和强度的影响研究。德是， s 相对两言，晷蓖，对予热带气旋斡移动路径变化的业务预报耪度提离不大，在 1 9 9 2 2 2 年静i 0 冬中，堑务数德疆掇模式辩予热带气旋路径了2 小对静谈撮 平均误差豳1 0 年前的6 0 0 k m ，减小别目前的4 0 0 k m ，相当于1 0 年前4 8 小时的 预报误蓑水平。而如果采用多个模式的预报结果，其预报精度可以有所提高。 然_ 嚣蕙俸露富，嚣蔻韵力学模式或绞诗动力缝合戆方法在蒸豢气旋兹篷务壤焱 能力还比较有限，特别是对于一些髯常路径的热带气旋预报还肖相当的困瓣。 另一方面，随着数值天气预报的快速发展，数值预报模式的输出产品越来 越多，弗蠢预擐产品熬精度也越来越舞，这为各炎中、短裳灾害性天气预掇提 供了辍为丰富有霜魏预报信惠资源。国蠹省、琏( 市) 气象螽站开展了缀多有 关数值预报产品的释用预报方法研究，但是相对而言，能投入到实际业务预报 的数值预撒产品释用预报方法并不多，这主要是因为要使数德预报产品释用预 摄方法麓在实际蠢摄中褰歪发挥锋瘸，必矮菠毅建立夔鼗篷鼗掇产品释爱蘸摄 方法的预报精度高于数值预报模式的要素预报精度，否则没肖预报参考意义。 近年来，数值预报产鼎在中、短期预报中也开展了不少应用研究，但是，其中 大多是采蠲一些零援静绫计预摄方浚，进行数馕鞭掇产品绞诗释惩预掇磅襄霹 应用。由予热带气旋静移动路径变化受到热带气旋系统内部和外部大尺度环流 场的综合影响十分复杂，其预报难度很大。因此有必要开展新的关于热带气旋 灾害性天气的数值预报产品释用预报方法研究。蜀韩，由于目前包括目本、欧 溺中心葶瑟我善国家气象中心砭1 3 等中颓数蓬覆掇攘式箍貘了数鬟巨大翡数壤颈 报产品场资料。如何党分利用这些场资料的有用预报信息，并从中发掘出商用 的预报信息进行热带气旋的数值预报产品释用预报新方法研究也是本文重点研 究内容。 目前貔国关于热带气旋路径的预报研究工作蔽己取得了较多的科研成暴， 但主要针对西北太平洋和东海的比较多，而南海热带气旋路径的客观预报模式 相对却比较少。我国南海海域辽阔，热带气旋活动频繁，根撼1 9 8 8 1 9 9 8 牮中 受气象念编号麓燕带气旋资精表鞠，疆j 太平浮塞成酶热带气旋有3 0 0 个，其 中进入南海和在南海生成的有1 0 8 个，占3 6 ，因而有必要对南海的热带气旋 路径预报：i 挂行进一步的研究并争取能研制出预报精度相对较离的客观预报方 法。 当前，随着社会、经济的发展，热带气旋造成的灾害损失会越来越大，而 9 强前对于影响我国的热带气旋运动、发展演变规律研究还不够涤入，在提前2 4 4 s ，j 、辩豹热带气旋移动路径 委搬髓力方瑟还赡以满足籍灾躐灾翡要求。本研 究主要是根据热带气旋自身的变化特点及其与环境流场的相曩作用，以国内外 数值预报产品资料为基础，采用条件数计算分析方法，进行南海热带气旋移动 路径戆短麓数篷预援产菇器曩颈投毅羧零磅褒。零碜 突懿重瓣楚为囊海燕畿气 旋路径预撤提供新的客观有效预报方法，减轻严爨气象灾害对社会、经济的影 响，这对切实提高我国的气象防灾减灾能力，具有重要的现实意义。 1 0 第二章条件数的原理和方法 2 1 条件数方法基本原理 随着现代科学技术的发展，矩阵理论得到了迅速发展，现己成为目前最有 实用价值的数学理论之一。它不仅是数学的一个重要分支，而且已成为现代各 科学技术领域处理大量有限维空间形式与数量关系的强有力工具。特别是计算 机的广泛应用，大量的算法都涉及到矩阵运算。由于计算机有它自身的许多问 题，例如它只能按程序快速运算，而不管程序的设计是否合理以及所得结果是 否正确。因此，我们在进行课题研究中，用计算机的数值运算来验证其理论的 正确与否时，如果我们在算法设计中对所用矩阵的奇异性、病态程度以及条件 数不加以注意的话，就可能出现运算结果不正确，导致错误的结论。在这里条 件数方法就是为了解决矩阵中因子间的复共线性关系，即解决造成方程出现病 态的原因而提出的。 2 1 1 问题的提出 现代计算机科学技术的普及已使人们对大型回归问题的计算分析成为现 实。但在建模过程中，针对指标变量( 因变量) ，往往凭借经验或某些专业理论 知识，把凡是能想到的解释变量( 自变量) 统统罗列进来，唯恐丢掉与问题相 关的某一方面。这样一来，由于涉及的变量过多，