（气象学专业论文）登陆强台风移动的grapes模式模拟及模式初值试验研究.pdf

登陆强台风移动的g r a p e s 模j 模拟及模式初值试验研究 硕士论文 摘要 本文使用g r a p e s 模式模拟预报了2 0 0 5 年4 个登陆强台风，得到g r a p e s 模式对于台风移动路径、登陆时间、地点、强度等方面预报能力的初步评价，并 初步进行了误差原因分析，为应用g r a p e s 模式进行台风天气分析和预报以及对 于该模式的进一步改进提供一些有意义的依据。 结果显示，g r a p e s 模式台风中心位置预报2 4 小时平均误差1 3 1 k m ，4 8 小时 平均误差2 5 2 k m 。模式预报台风登陆的时间、地点接近实际，预报比较准确；台 风登陆时的强度预报偏弱。模式4 8 小时登陆地点预报准确性略低于2 4 小时预报。 在台风的初始阶段和结束阶段预报误差较大；主要是因为在台风过弱、初生、 结束或远离大陆等情况下，初始场中台风位置和强度与实况偏差过大，造成较大 预报误差。误差原因分析表明模式需要加强对非常规观测资料的同化，弥补初始 信息的不足；提高模式分辨率，使得模式对极端事件的预报模拟能力增强；加强 模式对地形强迫作用的精细处理；重点改造模式初始场。 针对模拟预报中初始场信息偏弱的情况，本文设计了一个改进初始场的方 案，即利用台风观测信息来构造一个满足静力平衡、梯度风平衡、准热力平衡， 并与环境场及模式对流参数化方案一致的非对称模型台风，然后利用g r a p e s 三 维变分同化系统，对人造台风模型中的资料进行同化，并对g r a p e s 模拟的台风 初始场进行改造。通过对9 号台风麦莎的对比试验，结果表明，同化模型台风 资料对台风路径预报、强度预报、台风登陆的时间、地点预报有明显修正，并且 随着预报时效的增大，路经预报的改进越明显；同化方案对台风结构的初始场和 预报场也有一定的改进，同化方案有效强化了台风涡旋，使台风的垂直结构产生 明显变化。同化后预报台风眼壁结构更加清晰完整，台风的暖心结构更合理，对 强台风的鼎盛时期台风垂直结构预报更趋完美。经过改进的台风初始场有效地改 进了由于海洋上资料缺乏所造成的台风预报误差，提高了台风路径和登陆预报的 准确率。 关键词：g r a p e s 模式，登陆台风，预报模拟，b o g u s 方案，三维变分同化 登陆强白风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕士论文 a b s t r a c t f o u rl a n d i n gt y p h o o i l si n2 0 0 5a l en u m e r i c a l l ys i m u l a t e dt of o r e c a s tb y g r a p e sm o d e li nt h i sp a p e r ，ap r i m a r ye s t i m a t eo fg r a p e sm o d e l sp r e d i c t i o n c a p a b i l i t ya b o u tt y p h o o nt r a c k 、l a n d i n gt i m e 、l o c a t i o na n di n t e n s i t ye t e i so b t a i n e d ， a n dt h er e a s o n sa b o u te r r o r sa r ea n a l y z e d af e wo f s i g n i f i c a n te v i d e n c ec a nb eo f f e r e d f o rt h ea p p l i c a t i o na n di m p r o v e m e n to fg r a p e sm o d e lo nt y p h o o na n a l y s i sa n d f o r e c a s t 。 i ti ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g ed i s t a n c ed e v i a t i o no f t y p h o o nc e n t e rf o r e c a s t e db y g r a p e sm o d e li s1 3 1 k r nf o r2 4h o u rp r e d i c a t i o na n di s2 5 2 k mf o r4 8h o u r p r e d i c a t i o n t h ef o r e c a s t so fl a n d i n gt i m ea n dl o c a t i o n sa r er e l a t i v e l ya c c u r a t e ，b u t t h a to fl a n d i n gi n t e n s i t yi sw e a k e r t h ea v e r a g e2 4h o u rm o d e lf o r e c a s to fl a n d i n g l o c a t i o ni sas l i g h t l yb e t t e rt h a nt h a to f 4 8h o u r mf o r e c a s t 咖碍a r er e l a t i v e l yh i g l la tt h e i re a r l ya n de n d i n gs t a g e s t h er e a s o n i st h a t ，砒t h e s es t a g e s ，a sw e l la sb e i n gf a rf r o ml a n d ，d e v i a t i o n so f t h e s et y p h o o n s l o c a t i o na n di n t e n s i t yi nt h eo r i g i n a lf i e l da r el a r g ee n o u g ht ob r i n go nf o r e c a s te r r o r s g r e a t l y t h ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h ea s s i m i l a t i o no fu n c o n v e n t i o n a lo b s e r v a t i o n d a t ai se s s e n t i a li nt h em o d e l ，w h i c hc a nf e t c hu pt h el a c ko fo f i g i n a li n f o r m a t i o n i n a d d i t i o n , h i g l lm o d e lr e s o l u t i o nm a yb en e e d e dt oi m p r o v et h em o d e lp e r f o r m a n c e a i m e dt ot h ee o n d i t i o nt h a tm o d e li n i t i a lf i e l d si nm o d e li sw e a k e r ，as c h e m ei s a p p l i e di nt h i sp a p e rt oi m p r o v et h em o d e li n i t i a lf i e l d s u s i n go b s e r v a t i o nd a t a , a n o n - s y m m e t r ys i m u l a t i o nt y p h o o ni sc o n s t r u c t e dt h a tm e e t sw i t hs t a t i ce q u i l i b r i u m 、 g r a d i e n tw i n de q u i l i b r i u m 、q u a s i - t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u m ，c o i n c i d i n gw i t l l e n v i r o n m e n tf i e l da n dc o n v e c t i o np a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e ，t h e nt h ed a t ao fb o g u s t y p h o o ni sa s s i m i l a t e db yg r a p e st h r e e d i m e n s i o n a lv a r i a t i o n a ld a t aa s s i m i l a t i o n s y s t e m ，a n dt h ea s s i m i l a t e dt y p h o o no r i g i n a lf i e l di sr e b u i l t c o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t s b a s e do nt y p h o o nm a i s h as i m u l a t i o ns h o wt h a t , t h em o d e lw i t l la s s i m i l a t i o ns c h e m e w e l ls i m u l a t e st y p h o o nm a l s h a st r a c k ，i n t e n s i t y , l a n d i n gt i m ea n dl o c a t i o n i n p a r t i c u l a r , t h et y p h o o nt r a c kp r e d i c t i o n i s m a r k e d l yi m p r o v e d f u r t h e ra n a l y s i s i n d i c a t e st h a tt h ea s s i m i l a t i o ns c h e m es i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h em o d e li n i t i a lf i e l da n d t y p h o o ns t r u c t u r e ，s t r e n g t h e nt h et y p h o o nv o r t e xa n di m p r o v ei t sv e r t i c a ls t r u c t u r e 2 登陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究 硕士论文 a f t e ra s s i m i l a t e d ，t h es t r u c t u r eo f t h ee y eo f t y p h o o ni sm u c hm o r ec o n c e n t r a t e d ，t h e w a r n lc e n t e rs l r t l c t u r ei sm u c hm o r ec l e a r ，t h ev o r t e xs t r u c t u r ei ng r o w i n gs t a g ei s w e l ls i m u l a t e d t h eo p t i m i z e dt y p h o o no r i g i n a lf i e l d s 啪r e d u c et h ep r e d i c t i o ne i t o s w h i c ha r ec a u s e db ys h o r t a g eo fd a t ao v e rt h es e a ，s o m ei m p r o v e m e n t sh a v eb e e n m a d ei nt h et r a c ka n dl a n d i n gf o r e c a s t k e y w o r d s ：g r a p e sm o d e l ，l a n d i n gt y p h o o n ，f o r e c a s ts i m u l a t i o n ，b o g u ss c h e m e ， t h r e e - d i m e n s i o n a lv a i l a t i o n a la s s i m i l a t i 0 1 1 登陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕：l ：论文 第一章前言 1 1 研究目的和意义 登陆强台风是影响我国最为严重的自然灾害之一，伴随台风出现的暴雨、特 大暴雨、海面大风、风暴潮等灾害性天气的破坏性和所造成的灾害极强。台风登 陆后，部分地区发生严重的暴雨洪涝或泥石流等灾害；台风登陆时引起的海水突 然暴涨，袭击沿海地区，可以引起洪水泛滥；巨浪掀起大量泥沙，会造成岸滩侵 蚀，航道落淤以及潮水倒灌；台风浪对海上航行的船只以及沿岸与离岸的工程有 重大影响，常常给人们的生命和财产造成严重威胁。 就2 0 0 5 年来说，登陆我国的台风个数多，强度强，影响严重，直接经济损 失大于2 0 世纪9 0 年代以来平均水平，仅少于台风灾害严重的1 9 9 6 年。登陆台 风带来的狂风暴雨，以及强降水引发的山洪、山体滑坡和泥石流等灾害，造成人 员伤亡、财产损失和生态环境的破坏，据统计，2 0 0 5 年台风共造成9 1 4 9 8 5 万 人( 次) 受灾，死亡2 4 4 人、失踪5 7 人，直接经济损失7 5 7 亿元，其中浙江、 福建、安徽受灾较重。在登陆台风中，台风“海棠”、“麦莎”、“泰利”和“卡努” 强度大、影响范围广、造成的损失非常严重。1 。 因而，对登陆强台风的准确预报就显得非常重要，尤其是准确预报其移动路 径是减轻这一损失的关键。 目前，数值预报技术有了很大进展，数值预报的精细发展为进行台风移动预 报提供了可靠的工具，同时科学技术的进步使得海量的信息只能依靠数值模式来 解决，因而大力提高数值模式预报性能是当务之急。本文针对我国自主开发研制 的全球区域同化预报系统g r a p e s 数值模式，进行登陆强台风的预报模拟评价并 对改进初值进行试验对比分析，以期提高数值模式对台风的预报性能。 i 2 登陆台风概述 对1 9 4 9 2 0 0 1 年期间登陆我国的台风统计研究表明0 1 ，近5 3 a 共有4 8 8 个台 风在我国登陆，约占西北太平洋( 包括南海) 生成的台风总数的2 6 6 ，平均每年 登陆9 2 个，登陆最多的年份是1 9 5 2 年和1 9 6 1 年，达到1 5 个；1 9 8 2 年最少， 仅为4 个。登陆我国的达到风暴级强度的台风( 指最大风速超过1 7 2 m s ) ，近5 3 a 为4 1 9 个，平均每年7 9 个。西北太平洋生成台风越多，登陆我国的台风也越多。 每年台风登陆我国的季节是5 1 1 月，4 月和1 2 月各有一个登陆记录，分别 出现在1 9 9 1 年和1 9 7 4 年，其他月份无台风登陆。7 9 月是台风登陆高峰期，占 4 登陆强台风移动的g r a t p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕士论文 年平均登陆总数的7 6 4 ；8 月份台风登陆强盛期，占年平均登陆总数的2 8 0 9 6 ； 与各月西北太平洋台风的发生频数相比，变化特征基本一致。对达到风暴级强度 的登陆台风( 最大风速超过1 7 2 m s ) 的统计研究也表明，其季节变化特征与西北 太平洋台风特征也是一致的。 登陆地点中，我国沿海从广西向北至辽宁均有台风登陆。其中广东是登陆次 数最多的地区，约占总次数的3 5 2 ，超过1 3 。其次是海南、台湾和福建，各 占1 7 9 、1 5 8 和1 4 4 。接下来依次为浙江、广西、山东、辽宁、江苏、 上海和天津n ，。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 台风模式预报性能现状 陈联寿”1 指出：台风路径很重要，台风登陆以后的影响范围和风雨分布均与 路径密切相关。 目前，美国国家飓风中心a v n ( n c e p 中期预报谱模式) ，n o g a p s ( 美国海军全 球大气预报谱模式) ，u k m e t ( 英国气象局全球谱模式) ，g f d l ( 美国海洋大气局地 球流体动力实验室有限区域数值预报模式) 等模式在北大西洋和东太平洋的台风 路径预报平均误差一般稳定在2 4 小时1 4 0 公里，4 8 小时在2 5 0 公里4 1 。日本气 象厅目前运行的全球谱模式( g s m ) 和有限区域谱模式( t ) 预报的精度为2 4 小时路径平均误差小于1 5 0 公里，4 8 小时接近2 5 0 公里啪。在国内，国家气象 中心，上海台风研究所及广州区域气象中心已建立了用于实时预报的热带气旋路 径业务数值预报系统。2 0 0 4 年各家的数值预报方法的平均距离误差2 4 h 为1 6 2 5 公里，4 8 h 为3 0 3 9 公里，而与此同时，各台站的2 4 h 综合预报的平均距离误差 均在1 5 0 公里以下，综合预报方法4 8 小时预报的平均距离误差均不超过3 0 0 公 里。 1 3 2 研究进展 在改进台风预报性能方面，国内外专家作了大量的试验研究，方法主要集中 在初值和边界层的形成方案研究、构造人造台风加入模式( b o g u s 方案) 、非b o g u s 方案研究、同化人造台风( b d a 方案) 、同化非常规资料等方面。 在初值和边界层的形成方案研究中，陈德辉、王诗文“”设计了一个适用于同 步、双重嵌套模式的p 一面水平插值、双非线性正规模初值形成方案，把新方案 与国家气象中心的台风路径数值预报准实时业务模式原预报初值形成方案进行 了比较，新的预报初值形成方案优于原方案，对平均2 4 小时和4 8 小时台风中心 5 登陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕士论文 位置预报误差，新方案分别为1 9 6 k i n 和3 1 6 k i n ，原方案分别为2 2 5 k m 和3 6 7 k ， 且对台风转向、加速的趋势预报，新方案也优于原方案：沈桐立、丁一汇“2 1 等人 用有限区域模式进行试验研究，对比了嵌套网格与非均匀网格的优劣，指出非均 匀网格具有明显的优点，并提供了一种把均匀网格变换成非均匀网格的简单易行 方法，该方案可以推广到全球模式中去；麻素红、瞿安祥“3 1 为了检验初始场及侧 边界的改变对台风路径预报的影响，利用t 1 0 6 l 1 9 及t 2 1 3 l 3 1 所提供的不周初 始场及侧边界进行个例试验，同时利用不同初始场及侧边界的组合，初步探讨了 台风在不同阶段( 转向或西行) 路径数值预报对初始场及侧边界的敏感程度；邓 国、周玉淑、李建通“”通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地 表特征量以及形势场和风场，表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表 产生水汽、热量和动量的交换，并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影 响扩展至整个自由大气，对台风d a n 的模拟个例表明，由于边界层过程的差异导 致台风尺度大小不同，风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异，不同边 界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异，与此相对应，在不同边界 层方案下，e t a 方案模拟的台风强度偏大，而b u r k 2 t h o m p s o n 和b 1 a c k a d a r 方案 略次之，在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱，体现了边界层过程对台 风发生发展的巨大影响。 在b o g u s 方案试验研究方面，k u r i h a r a “”于1 9 9 3 年就提出了一个台风滤 波方案，该方案首先是在大尺度分析场中消除质量较差的热带气旋，然后加入一 个人造台风，结果表明，这能改善台风数值预报模式的初始场，提高台风强度和 路径预报准确率；王诗文等“”在国家气象中心台风数值模式中进行了扩大预报区 域，两次嵌入人造台风模型和模式网格初始移动3 个方案试验，试验结果表明： 3 种方案对台风路径预报效果都有所改进；王国民等“”在综合了几个人造台风的 基础上提出了一个人造台风方案，该方案除包括对称台风环流外，还考虑了非对 称风的作用，而且该方案主观确定的参数较少；张胜军等“”设计了一种适应性非 对称人造台风方案，该方案中，初始场中植入的非对称人造台风不但与初始场之 间更为协调，而且还包括较多的非对称信息，应用此方案对两个台风个例的路径 进行了数值模拟试验，模拟结果与实况较为接近；万齐林等( 2 0 0 3 年) “”提出了 一个新的人造台风构造方案，该方案在初值中引入了较真实的台风结构，尝试利 用卫星探测t b b 资料来改进人造台风中对流加热的分布，确定与卫星t b b 协调 一致的人造台风径向环流场，结果表明这能改善风一压平衡，使得模式对强加入 6 袋陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕：k 论文 的人造台风更协调。 在非b o g u s 方案研究中，闫敬华、丁伟钰等从高分辨模式特点及精细预报 的需要出发，尝试了用”非b o g u s 初值”开展热带气旋精细数值预报的方案，即 直接采用四维同化形成的热带气旋( t c ) 初值，而不再加入“人造台风”( b o g u s ) 信息，以图避免人为理想结构带来的虚假信息，对热带气旋路径、强度、结构等 有更为精细和准确的预报。用2 0 0 1 年所有影响华南的t c 实例，对方案的可行性 进行了分析。结果表明，方案可以较好地预报t c 的生成；路径预报准确率较高， 对疑难路径及局地效应反映较为细致，路径预报误差随时效增大不显著：强度趋 势预报指示意义强，准确率较高；尤其是能很好地反映t c 的云、雨、风等的非 对称结构、螺旋结构等特征的时空演化，对t c 中尺度结构的刻画能力和预报可 用性较强。显示了方案的优越性和发展潜力，也意味着“非b o g u s 初值”方案应 该作为未来t c 数值预报发展的一个主要技术方向，但同时在目前条件下方案还 存在一些不足之处，主要表现在因初始信息的不足，当在t c 过弱、初生或远离 大陆等情况下，常会出现初始场中t c 位嚣和强度与实况偏差过大，容易造成较 大预报误差。 在同化人造台风( b d a 方案) 方面，张根生、费建芳等。”利用p s u n c a r 中 尺度非静力有限区域删5 及其伴随模式，以t 1 0 6 分析资料为背景场，设计两 种台j x lb o g u s 方案对台风的初始场进行优化，并进行了数值模拟试验，对9 6 0 8 号台风个例的数值模拟试验研究表明，经过优化的台风初始场较好地改进了由于 海洋上资料缺乏所造成的台风中心位最不准、台风环流偏弱和台风内部结构不完 整等问题，提高了台风路径预报的准确率，通过试验对比发现，b d a 方案优化的 初始场更合理，其台风路径预报效果优于g f d l 方案：王栋梁、梁旭东。1 研究用 m m 5 四维变分同化系统同化b o g u s 涡旋变量对台风数值模拟的影响，对2 0 0 2 年 1 3 号台风p h a n f o n e 进行4 8 h 预报，结果表明：用四维变分方法同化b o g u s 涡旋 变量效果优于在背景场中直接植入模型涡旋的传统b o g u s 技术，同时同化b o g u s 涡旋的风、气压、温度和比湿效果不如只同化气压和其中任一变量，同化b o g u s 涡旋的气压和比湿，能够调整模式初始场的其他变量，得到结构更清晰、与环境 场更协调的初始涡旋，从而在一定程度上提高了台风p h a n f o n e 路径和强度预报 的准确性。 在同化非常规资料方面，张守峰、王诗文等”在国家气象中心台风数值预报 业务系统中引入国家卫星气象中心提供的卫星云导风资料，进行两项预报试验， 7 毽陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕j ：论文 第一项是把卫星云导风资料作为观测资料进行最优插值客观分析，第二项是将云 导风资料加入到轴对称的人造台风模型风场上，使之产生非对称风场，试验结果 表明：卫星云导风资料作为观测资料进入模式后对减小台风路径预报误差效果明 显，用云导风形成人造台风模型非对称风场可进一步提高台风路径预报精度；周 兵、徐海明等扫”运用m m 5 对1 9 9 8 年6 月1 3 1 4 日长江中下游一次暴雨强降水 进行了数值模拟及云迹风资料同化试验研究，结果表明，云迹风资料同化能有效 地改善高空风场质量，修正控制试验中模式高空风场对中纬度高空西风急流前沿 西风强度的描述，使得模拟的暴雨强度与实际降水分布更加接近，分析认为在暴 雨预报业务和科研中，云迹风资料的使用可有效地改善高空风场分布，对提高降 水预报质量是一个有效途径；王学忠、沙文钰等1 利用上海台风研究所的东海热 带气旋预报模式，讨论用卫星亮温资料变分同化初始温度场及相对湿度场对热带 气旋移动路径的影响，结果表明，对4 0 0 9 2 5h p a 模式层的温度场、相对湿度 场和温度场的变分同化对热带气旋移动路径预报有较好的实用意义。 1 4 论文主要内容 1 4 i 模拟检验 由我国自主开发研制的g r a p e s 数值模式全球区域同化预报系统，是由中国 气象科学研究院数值预报研究中心承担的“十五”国家科技攻关项目“中国气象 数值预报技术创新研究”项目。g r a p e s 模式在2 0 0 5 年汛期正式投入试运行，该 模式运行稳定，对于国家和省地各级预报员制作天气预报起到较好的指导作用。 为了评估g r a p e s 模式对于登陆强台风的预报能力，同时也为应用g r a p e s 模 式进行台风天气分析和预报以及对于该模式的进一步改进提供一些有意义的依 据，本文使用g r a p e s 模式，针对2 0 0 5 年登陆强台风中影响最大的4 个台风“海 棠”、“麦莎”、“泰利”和“卡努”，在2 4 、4 8 小时的路径预报、台风登陆的时间、 地点、强度预报等方面进行模拟检验，分析误差来源。 i 4 2 试验研究 引起台风路径数值预报水平不高的原因主要有：海洋上资料的缺乏、物理过 程分析不准所带来的参数化选取不正确等。由于资料的缺乏，台风数值预报的一 个最大的困难是模式初始化，由模式所提供的大尺度分析场，台风初始涡旋非常 弱甚至有时漏报。因此，本文选取一种比较先进的台风b o g u s 方案，利用g r a p e s 三维变分同化系统，把构造的台风当成一种观测变量同化进模式初始场，进行 g r a p e s 模拟试验，分析用同化台风模型资料形成的初值，对登陆强台风移动与 8 甓陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究 硕1 _ - 论文 强度的模拟预报以及对台风涡旋结构的描述与预报的改进程度。 9 登陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究 硕：i ：论文 第二章模式简介和运行 2 1g r a p e s 模式简介 g r a p e s ( g 1 0 b a l r e g i o n a la s s i m i l a t i o na n dp r e d i c t i o ns y s t e m ) 一全球 区域同化预报系统阳1 ，是中国气象局负责研究开发的、研究与业务通用的数值 天气预报系统。g e 4 p e s 系统是集常规与非常规变分同化、静力平衡与非静力平 衡、全球与区域模式、科研与业务应用、串行与并行计算、标准化与模块化程序、 理想实验与实际预报等为一体，中小尺度与大尺度通用的先进数值预报系统。 g r a p e s 模式充分吸收了国际上数值预报模式最先进的科学研究成果，采用 全可压原始方程组，模式静力平衡与非静力平衡可以开关式黄换运行，有限区域 模式和全球区域模式通用；采用半隐式半拉格朗日时间平流方案，经纬度格点 的网格设计，水平方向取a r a w a w ac 格点，垂直方向采用c h a r n e y p h i l i p s 垂直 分层设冕，高度地形追随坐标，利用三维矢量质点轨迹计算半拉格朗日轨迹；采 用标准化，模块化的编程标准编写，具有很高的可读性、可移植性与可扩展性。 本文模拟运行的g r a p e s 有限区域模式水平分辨率为3 0 k m ，垂直3 1 层，无台风 b o g u s 同化，用到的资料主要为地面报、高空报、船舶报等，无卫星资料和雷达 资料加入，时间步长6 0 0 秒，范围为东亚区域，参数化方案包括：微物理三简类 冰方案、k a i n - f r it s c h 对流、d u d h i a 短波r r t m 长波辐射方案、s l a b 陆面过程 等。 2 2g r a p e s 模式的运行 使用2 0 时的t 2 1 3 资料作为初始场和边界场，对2 0 0 5 年7 月1 1 2 1 日( 范 围1 0 5 1 5 5 e ，l 垂4 0 n ) ；2 0 0 5 年7 月3 0 日 8 月1 1 日( 范围1 0 5 1 4 1 e ，9 - 4 5 n ) ； 2 0 0 5 年8 月2 6 日胡月3 日( 范围1 0 0 1 4 6 e ，i o - 4 0 n ) ；2 0 0 5 年9 月融1 4 日( 范 围1 1 盼1 4 0 e ，1 0 4 6 n ) 台风过程进行数值模拟。 2 3 分析资料来源 本文模拟检验所用的台风登陆实况来源于“2 0 0 5 年西北太平洋和南海热带 气旋纪要表”和中央气象台发布的“热带气旋公报”；台风登陆预报描述来源于 模式预报的海平面气压场、8 5 0 h p a 流场和1 0 0 0 h p a 全风速场。台风路径实况是 根据中央气象台发布的台风报0 8 时实况位置连线；台风路径预报是根据模式每 日0 8 时预报的2 4 、4 8 小时海平面气压场和8 5 0 流场定位丽来。 1 0 登陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕士论文 第三章台风路径和登陆模拟分析 3 i2 0 0 5 年4 个登陆强台风概述 3 i 1 台风“海棠”的概述 2 0 0 5 年第5 号台风“海棠”是2 0 0 5 年第一个登陆我国的台风，也是近5 年 来登陆我国台湾省最强的一个台风，同时也是对福建和浙江影响较为严重的台风 之一。它具有范围大( 直径达1 0 0 0 多公里) 、强度强( 中心风速达6 5 米秒) 、路 径复杂，影响我国时风力大、强风持续时间长、降雨强度大，影响严重等特点。 据统计，此次台风共造成浙、闽、赣三省1 0 1 8 5 万人受灾，5 人死亡，6 人失踪： 农作物受灾面积约3 2 6 万公顷；倒塌房屋i 8 万间；直接经济损失1 1 9 2 亿元。 3 1 - 2 台风。麦莎”的概述 9 号台风“麦莎”登陆时风力大，破坏力强，影响地域广，涉及我国东部海 域和华东、华北和东北南部地区等8 省，造成损失较大，是继1 9 9 7 年第1 1 号台 风后近8 年来对我国东部沿海和华东地区影响最严重的台风之一，也是2 0 0 5 年 唯一直接影响东北地区的台风。“麦莎”影响渤海和黄海海域时，适逢天文大潮 高峰期，在暴风骤雨的推波助澜之下，渤海和黄海北部海域出现4 米以上的大到 巨浪，形成了风暴潮。浙江、江苏、山东、上海、安徽、辽宁、福建、河北等8 省( 市) 遭受不同程度灾害。据统计，此次台风共造成3 1 4 8 3 万人受灾；2 5 人 死亡；农作物受灾2 1 3 9 万公顷；倒塌房屋5 9 万问；因灾直接经济损失1 8 0 多 亿元。 3 1 3 台风。泰利”的概述 第1 3 号台风“泰利”先后影响7 个省，是2 0 0 5 年影响最大的台风之一，也 是2 0 0 5 年台风造成死亡人数最多的一个台风。由于登陆前后风大，又处于天文 高潮时段，福建、浙江、安徽、江西、江苏等地相继发生暴雨洪涝灾害及强降水 引发的山体滑坡、泥石流等山地灾害，受灾人口1 9 9 4 4 万人，因灾死亡1 3 5 入， 失踪3 1 人，倒塌房屋1 1 5 8 万间，受灾面积1 2 9 0 万公顷，直接经济损失1 6 4 0 亿 元。 3 i 4 台风。卡努。的概述 第1 5 号台风“卡努”是继1 9 5 6 年第1 2 号台风之后登陆浙江最强的台风。 受台风“卡努”的影响，浙江东部、上海、江苏、安徽东南部和山东半岛南部出 现了大到暴雨，部分地区出现了大暴雨。福建、上海、江苏大部、安徽东部、山 登陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究 硕士论文 东南部等地出现7 9 级大风，浙江东部和沿海地区、长江口区和上海沿海地区 风力达l o 1 2 级。台风“卡努”中心强度强，在陆地上滞留时间较短，对北方 沿海地区影响较大，据统计，台风“卡努”共造成浙江、江苏两省1 2 6 5 6 万人 不同程度受灾，因灾死亡1 6 人，失踪9 人，直接经济损失9 6 1 亿元。 3 2 g r a p e s 模式对台风移动路径的模拟预报分析 图l台风路径预报与实况对比图( a 海棠台风、b 麦莎台风、 c 泰利台风、d 卡努台风) 3 2 1 海棠台风预报分析 7 月1 2 日上午，“海棠”在西北太平洋洋面上生成，1 4 日下午加强为台风， 1 6 日傍晚，台风“海棠”达到最强，中心气压达9 1 0 百帕、风速6 5 米秒。1 8 日下午2 时5 0 分在台湾省宜兰县沿海登陆，登陆时中心附近最大风速达4 5 米 秒，1 9 日下午5 点1 0 分在福建省连江市黄岐再次登陆，登陆时中心附近最大风 速仍有3 3 米秒。 如图l a ，海棠台风于7 月1 2 日生成后，主要受副高南部偏东气流引导，一 路西行。由图中看2 4 小时路径预报非常接近实况，与实况路径平行，走势较一 致，并且台风中心位置预报大多数很接近实况位置甚至与实况位置重合，只是在 台风初始阶段和结束阶段预报位置偏差稍大，1 3 日预报位置与实况偏差8 个经 度以上，预报不可用。除了初始阶段和结束阶段，2 4 小时路径预报误差平均不 到5 0 k i n 。4 8 小时路径预报比2 4 小时准确性略有下降，路径预报误差平均1 0 0 k m 左右；模式路径多调整，但走势还是与实况比较一致；另外4 8 小时预报台湾岛 的阻挡作用明显，预报台风绕过台湾岛移动，与实况出入较大。2 2 曰0 8 时台风 减弱消失阶段预报走势好于2 4 小时，低气压环流西北行进入湖北境内，与实况 比较接近。 如图2 ，总结海棠台风生消的全过程，除了初始阶段和结束阶段，共进行了 7 次有效预报模拟，2 4 小时台风中心位置预报误差均在1 5 0 k m 范围以内，且多 数误差在1 0 0 k m 内，中心位置预报平均误差仅为7 7k m ；4 8 小时台风中心位置预 报平均偏差1 5 1 k i n 。模式对海棠台风的路径预报性能比较高。 i图2 海棠台风中心位置预报误差图i 1一一 甓陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究 硕士论文 3 2 2 麦莎台风预报分析 第9 号热带风暴“麦莎”于7 月3 1 日晚上在菲律宾以东洋面上生成；8 月3 日凌晨加强成为台风；6 日凌晨3 点4 0 分在浙江省台州市玉环县干江镇沿海登 陆，登陆时近中心最大风速4 5 米秒，中心气压为9 5 0 百帕；6 日1 7 时减弱为 强热带风暴，7 日凌晨2 时减弱为热带风暴继续北上。经过长途跋涉，途经浙江、 安徽、江苏、山东境内，于8 日下午1 4 时在山东莱州湾附近进入渤海；8 日夜 问转向东北方向移动，于9 日晨迅速减弱为低气压，并于9 日7 时1 0 分在大连 至旅顺之间的龙王塘镇再次登陆，中心气压9 9 5 百帕，近中心最大风力1 2 m s ( 6 级) 。 如图l b ，麦莎台风于7 月3 1 日2 0 时生成后，受引导气流影响一路西北行。 由图中看，2 4 小时路径预报基本上是与实况路径平行走势，8 月6 日以前预报路 径始终偏北地与实况路径平行，之间平均相差不到1 0 0 k m 左右；台风登陆之后的 转向预报不太准确；8 月7 日之后路径移动重又与实况一致，向东北方向移动， 但是始终偏西大约1 0 0 k m 。4 8 小时路径预报比2 4 小时准确性进一步下降，模式 路径预报在6 日之前走势与实况比较一致，在实况的偏东北方平行移动，路径之 间的距离偏差平均1 0 0 k m ；与2 4 小时预报相似，登陆地点偏北，之后向西折过 多，与实况出入较大；8 日之后转向东北移动，恢复与实况平行走向，但路径之 间的距离偏差超过2 0 0 k m 。 如图3 ，总结台风生消的全过程，除了初始阶段和结束阶段，共进行了7 次 有效预报模拟，麦莎台风2 4 小时中心位置预报误差在1 0 0 3 0 0 k m 之间，平均偏 差达2 0 5 k m ，主要是由于麦莎的登陆和转向预报不好引起的。4 8 小时台风中心位 置预报误差也偏大，均超过1 0 0 k m ，平均偏差达3 5 3 k m 。 3 2 3 泰利台风预报分析 第1 3 号热带风暴“泰利”于8 月2 7 日在西北太平洋洋面上生成，2 8 臼下 午加强成为台风。于9 月1 日6 时在台湾花莲附近登陆，同日下午在福建莆田平 海镇再次登陆。9 月2 日上午，在江西境内减弱为热带低气压。 登陆强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕士论文 如图l c ，受引导气流影响，泰利台风于8 月2 7 日生成后，以西北行为主。 由图中看，2 4 小时路径预报走势比较接近实况，模式预报与实况路径平行，落 点预报有规律性地偏南或偏北；台风初始和结束阶段预报误差较大，均超过 2 0 0 k i n 。4 8 小时路径预报比2 4 小时准确性明显下降，大多数情况下与实况路径 平行，但台风初始和减弱消失阶段预报偏差较大，预报不可用。不论2 4 小时还 是4 8 小时预报，台风都没能在台湾岛登陆，预报与实况出入较大。除了初始和 结束阶段，2 4 小时路径预报平均偏差l o o k m 左右；4 8 小时路径预报平均偏差2 0 0 k i n 左右。 如图4 ，总结台风生消的全过程。除了初始阶段和结束阶段，共进行了5 次 有效预报模拟，泰利台风中心位置2 4 小时预报误差都在2 0 0 k m 以内，平均偏差 1 1i k m ；4 8 小时台风中心位置预报平均偏差2 4 6 k m 。 3 2 4 卡努台风预报分析 第1 5 号台风“卡努”于9 月7 日上午在菲律宾以东洋面上生成，8 日凌晨 加强为强热带风暴，9 日凌晨加强为台风，1 1 日下午1 4 时5 0 分在浙江省台州市 路桥区沿海登陆，登陆时中心附近最大风力1 2 级( 风速为5 0 米秒) ，中心气压 9 4 5 百帕。登陆后继续向西北方向移动，强度逐渐减弱，1 1 日2 3 时在浙江绍兴 西部减弱为强热带风暴。1 2 日4 时3 0 分进入江苏南部地区，上午在镇江市境内 减弱为热带风暴，1 2 日2 2 时3 0 分从连云港的燕尾港进入黄海海面。 如图1 d ，卡努台风于9 月7 日生成后，受引导气流影响，主要向西北偏北 方向移动。由图中看，2 4 小时预报只有在台风生成和结束阶段偏差较大，在台 风的其他阶段移动路径预报与实况几乎完全重合，预报非常准确，路径预报平均 偏差低于2 0 k m ；台风开始阶段6 日预报台风位置比实况偏西4 0 0 k m 、偏北l o o k m ； 台风减弱结束阶段1 3 日预报移速偏慢，与实况相差近5 0 0k m ，预报不可用。4 8 小时路径预报准确性有所下降，除了台风生成和结束阶段，其他阶段路径预报平 均偏差8 0 k m 左右；移动走势还是与实况比较一致，预报路径与实况基本平行， 位置偏南，尤其在结束阶段，移动速度偏慢明显。 如图5 ，总结台风生消的全过程，除了初始阶段和结束阶段，共进行了6 次 1 4 臀陡强台风移动的g r a p e s 模式模拟及模式初值试验研究硕士论文 有效预报模拟，2 4 小时台风中心位置预报误差多数低于2 0 0 k i n ，平均误差1 3 2 k m 。 4 8 小时路台风中心位置预报误差多数超过2 0 0k m ，平均2 6 1 k m 。 3 2 5 综合分析 相对来说，海棠台风和卡努台风路径预报非常接近实况，台风中心位置预报 大多数很接近实况甚至与实况重合，除了初始阶段和结束阶段，路径预报平均偏 差不到5 0 k m ；麦莎台风和泰利台风2 4 小时路径预报基本上与实况路径平行走势， 路径预报平均偏差1 0 0 1 5 0 k m 。麦莎台风登陆之后的转向预报不太准确。 4 8 小时路径预报比2 4 小时准确性略有下降，路径预报平均偏差8 0 2 0 0 k m ， 但走势还是与实况比较一致。 如图6 ，除去台风生成和结束阶段，统计2 4 小时有效预报个例2 5 个和4 8 小时有效预报个例2 2 个，得到4 个强台风g r a p e s 模式台风中心位置预报2 4 小 时平均误差为1 3 1 k i n ；4 8 小时平均误差2 5 2 k l n 。其中海棠台风预报最好，2 4 小时 台风中心位置预报平均误差为7 7 k m ，4 8 小时平均误差是1 5 1 k m ，台风移动预报 可用性很高。 如图7 ，统计各个台j x l 的2 4 、4 8 小时台风中心位置预报均方根误差显示， 海棠台风预报最为稳定，2 4 、4 8 小时模式预报均方根误差分别为3 2 7 k m 、6 4 7 k m ； 麦莎台风预报均方根误差最大，2 4 、4 8 小时模式预报均方根误差分别为8 0 8 k m 、 1 6 4 8 k m 。4 个台风2 4 小时预报平均均方根误差为5 8 4 k m ，4 8 小时预报平均均 方根误差为1 2 3 k m