1 引言

台风的初始结构和强度对台风数值预报有重要影响^[1]。改进预报的关键是如何在初始时刻准确描述台风涡旋的结构。用作台风初始场的分析资料中的台风涡旋一般较弱。目前一般作法是采用bogus模型、BDA(Bogus Data Assimilation)或动力初始化(DI)来构建涡旋结构。这些方案多与重定位技术^[2-3]相结合。

bogus方案是根据观测基于风压关系经验公式得到“人造”涡旋。由于台风内核流非对称性是随机的^[4-5]，bogus模型作为一个“理想”模型，不能真正描述与台风移动密切相关的非对称结构，也可能导致初始条件和预报模式之间物理和动力的不连续、不协调，但仍然有很多研究表明这种方法可显著减小路径和强度预报误差^[6-10]。BDA方法是结合资料同化和bogus方案，将bogus构造的涡旋采用资料同化的方法分析获取初始场^[11-13]。动力初始化(DI)是运行预报模式得到台风涡旋，该涡旋在动力和物理上与预报模式相匹配^[14-18]。

根据之前的研究结果^[19]，重定位结合bogus方法对弱台风预报有一定改进，但原重定位和bogus方案仍存在缺陷。原重定位方案是借鉴Kurihara的作法将背景场插值到1 °×1 °的网格上对台风进行重定位，之后再插值到台风模式分辨率作为背景场。这种来回插值应非必要且会带来误差。同时，因为原bogus方法构造的涡旋不能合理描述南海台风特征和bogus方法自身的局限性(经验构造的“平均涡旋”)，本文提出一种新的涡旋初始化方案。该方案与原方案的差别主要有2个方面，一是直接在背景场分辨率上进行重定位，避免来回插值；二是不采用bogus方法构造经验涡旋，而是尝试合成预报涡旋和分析涡旋来获取初始台风涡旋。预报涡旋经过预报模式一段时间的积分，在模式动力和物理框架下充分发展，涡旋动力和物理较匹配，结构也较合理，同时其发展的涡旋相较于bogus模型包含了更多的台风个体特征信息；分析场因同化利用了各种观测资料，从而分析涡旋可能在某些或局部的特征上获取了接近于实况的信息，但是因为观测资料和分析方法的局限性分析涡旋在动力、热力的匹配和台风整体环流方面往往不如预报涡旋发展协调和充分。所以，本文尝试结合预报涡旋和分析涡旋来获取初始涡旋。

2 涡旋初始化方案的介绍

本文提出的涡旋初始化方案包括重定位方案的改进和初始涡旋的构建二个部分。

2.1 重定位方案的改进

原重定位方案：(1)将背景场网格点上物理量插值到1 °×1 °的粗网格；(2)在粗网格上对台风进行重定位，具体做法为：在观测台风中心位置一定距离范围内滤出台风涡旋，从背景场中扣除涡旋，然后将涡旋插值到粗网格中对应观测位置，并与扣除涡旋后的背景场格点叠加，获取重定位后粗网格场；(3)将粗网格场插值到台风模式分辨率网格。

新方案直接在模式背景场对应的网格距上对台风进行重定位处理，避免了粗、细网格间的来回插值。重定位的做法类似原方案中粗网格上重定位的做法，得到重定位后的环流场网格距与所用的背景场一致。

2.2 初始台风涡旋的构建 2.2.1 原bogus方法构造台风涡旋的不合理之处

bogus方法构造的人造台风模型代表的是台风的平均情况，在应用到南海台风时表现出明显的不适用。南海台风结构较为特殊，强度偏弱，低压环流伸展高度低，不对称性明显。原bogus方法构造的模型在高层(250 hPa以上)有很强的反气旋、而分析场中不存在反气旋或反气旋很弱(图 1)；原bogus模型高层(50 hPa以上)台风环流仍存在强辐合、位置与低层台风环流对应、正压特征明显，而分析场辐合稍弱，辐合区位置和低层台风环流不对应(图 2)；原bogus模型其云顶多在150 hPa附近^[19]，云顶高度与强台风相当，实际上南海台风的云顶高度较低。

2.2.2 预报涡旋的获取和平移

首先，从预报场(如24 h预报)获取预报涡旋，以预报场中台风中心的位置为圆心，一定距离内(如3倍八级风半径)滤出台风涡旋环流(包括高度场、风场、温度场、湿度场)。在实际的业务应用中，可较方便地获取不同时次的预报涡旋。因位置可能与实况有偏移，同样需要将之移到观测位置。

2.2.3 预报涡旋和分析涡旋的合成，获取初始台风涡旋

获取预报涡旋后，需要将预报涡旋和分析场的涡旋加以合成，这里分析涡旋是指从分析场中滤除的、对应于观测位置的台风涡旋。预报涡旋和分析涡旋采用权重方法加以合成，权重函数P(r)，r为格点与台风中心的距离。r₈表示台风的八级风半径，r₀为3倍八级风半径。

另设系数w，合成时，以w×P作为预报涡旋的最终权重(w为小于1的常数)，(1-w×P)作为分析涡旋的最终权重。

实际的业务数值预报中，也可取多个预报时次的预报涡旋与分析涡旋进行合成。

综上所述，新涡旋初始化方案的步骤如下：(1)采用新重定位方案对背景场的台风进行重定位，获取重定位后的分析环流；(2)选取预报场，以预报场中的台风中心为圆心、平移3倍八级风半径范围内的环流到观测的台风中心位置，获得重定位后、3倍八级风半径范围的预报台风环流；(3)设定权重w，合成预报涡旋和分析涡旋，获得初始环流场。

3 南海台风模式介绍

南海台风模式是基于GRAPES-meso发展起来的非静力模式，采用半隐式半拉格朗日的时间积分方案，经-纬度网格点的设计采用Arakawa-C网格，垂直方向采用Charney-Philips分层设置，高度为地形追随坐标。模式覆盖范围为81.6~160.8 °E，0.8~50.5 °N。模式水平格距为0.18 °，垂直方向分55层，时间积分步长为200秒。采用MRF边界层方案、SAS积云参数化方案、WSM6微物理过程、SLAB路面过程、SWRAD短波辐射方案以及RRTM长波辐射方案。中国南海台风模式是中国气象局业务准入的区域模式，每天2次168 h预报，发布台风路径、强度、风雨预报和等压面场预报产品。

4 试验个例选取

以2015年7月5日的台风“莲花”和“灿鸿”为例进行数值试验。该时次同时存在11号台风“浪卡”，因其位置在南海台风模式预报范围之外，故在此不予讨论。

2015年9号台风“灿鸿”于7月2日加强为强热带风暴，西北行接近我国东南沿海，强度不断加强。7月11日以强台风级别登陆浙江舟山，最大风力14级。其后转向东北行，强度减弱。于7月13日减弱消亡。

2015年第10号台风“莲花”于7月2日20时(北京时间，标明的除外)在菲律宾以东洋面上生成，缓慢向偏西北方向移动，4日05时加强为强热带风暴，5日夜间移入南海东北部海面后，强度逐渐加强，8日加强为台风级，9日12时在广东汕尾登陆，登陆时中心附近最大风力35 m/s(12级)，中心最低气压970 hPa。登陆后“莲花”继续向偏西方向移动，强度迅速减弱。“莲花”是2015年第一个登陆广东省的台风，具有“路径曲折、移速多变、近海加强、风雨影响大”的特点。

南海台风模式的业务预报对“灿鸿”的路径和强度预报效果较好，各时次预报较为稳定，预报出“灿鸿”西北行、在华东沿海转为东北行的路径转折。由于“莲花”路径曲折多变，模式虽然也能预报其登陆菲律宾吕宋岛和我国大陆前后的两次西折和期间的北移趋势，但模式在7月5日的业务预报路径偏东偏北明显(图 3)，误差较大。反映出南海台风模式在多台风天气背景和复杂下垫面条件下的预报能力仍明显不足。因此选取7月5日00时(世界时)为起报时次进行试验，讨论该涡旋初始化方案的预报效果。该时次“灿鸿”海平面气压为985 hPa，“莲花”为990 hPa。

设计三组敏感性试验进行对比，第一组对比控制试验和新重定位方案预报结果(表 1)。因初始化方案中涉及到预报涡旋的选取，因不同时效的预报涡旋具有不同的特点，短时效(如12 h)的预报一般准确率较高、误差较小，长时效(如48 h)的预报一般涡旋发展较充分，涡旋内部动力、物理之间较协调，所以设计第二组试验对比采用不同时效预报涡旋和分析涡旋合成的预报结果(表 2)。此外，预报涡旋和分析涡旋权重的选取目前只是人为设定，需要结合试验结果以更合理选取，因此第三组试验对比采用不同权重方案合成预报涡旋和分析涡旋的预报结果(表 3)。在表 3的试验之前，作了采用24 h预报涡旋、分别取w=1.0、w=0.8、w=0.5和w=0.25(“灿鸿”、“莲花”取相同权重)的试验，因结果有较明显的特征(w大于0.5误差增大，可能是因为预报涡旋权重较大导致合成后的涡旋与原分析场不协调性增加)，本文仅作简要说明(见5.4.3节)，所以在此基础上设计了表 3的试验，重点针对表 3试验进行分析。

5 结果分析 5.1 重定位前、后环流场的对比

选用2015年7月5日00时(世界时)的NCEP分析资料为背景场，采用上文新重定位方法对台风进行重定位，获取重定位后的分析环流。图 4为“莲花”、“灿鸿”重定位前、后850 hPa高度形势，绿色圆点为实况台风位置。背景场“灿鸿”的台风中心位置相对于实况偏东、“莲花”的中心位置相对于实况明显偏北，重定位后850 hPa上的两台风中心位置与实况位置更吻合，说明采用该重定位方法有效地订正了背景场中台风的中心位置。

5.2 平移前、后“莲花”、“灿鸿”的预报环流对比

选取NCEP 7月4日00时(世界时)起报的24 h预报场，平移台风3倍八级风半径范围内的环流到观测的台风中心位置(图 5)，图中绿色圆点表示观测的台风中心位置，为更清晰表示“莲花”台风中心位置与实况的差异，图 5c、5d中增加红色圆点分别表示预报场台风中心位置和平移后台风中心位置。由图 5可知，预报场中“灿鸿”的中心位置相对于实况偏东、偏北，“莲花”的中心位置相对于实况明显偏南，平移后两台风中心位置与实况位置更吻合。同时也发现，平移后“莲花”的中心位置距离与观测的中心位置仍有一定偏移，这是因为受网格分辨率(0.5 °×0.5 °)的限制，平移后的中心位置不一定能与观测位置完全重合。

5.3 权重函数的分布及合成后的初始场

获取预报涡旋后，将预报涡旋和分析场的涡旋加以合成，这里分析场的涡旋指分析场经过重定位后得到的、对应于观测位置的台风涡旋。

权重函数P(r)分布如图 6。台风中心八级风半径之内权重最大为1，距离越远权重越小，3倍八级风半径之外权重为0。图 7给出w取0.25合成预报涡旋和分析涡旋后获得的850 hPa高度场，结合了分析场和12 h预报的台风信息，台风中心的位置接近实况。对比初始化后和分析场中的150 hPa高度和30 hPa散度(图略)，获得的初始场在高层不再出现类似图 1和图 2(采用bogus方案)的强反气旋和强辐合，结构较为合理。

5.4 预报结果对比 5.4.1 控制试验与重定位试验

将控制试验(ctr)、重定位试验(rel)的预报结果进行对比，台风的移动路径差异不大，但控制试验台风移动速度较实况明显偏快，重定位试验台风的移动速度较接近实况(图 8)。重定位试验(rel)台风“灿鸿”和“莲花”的路径预报误差前期与控制试验(ctr)基本相当，后期路径误差均减小(图 9a)，“莲花”的强度误差略增大，“灿鸿”强度误差前期略增大，60 h后明显减小(图 9b)。

可知，采取上文所述重定位处理之后，“灿鸿”、“莲花”的路径预报误差减小，强度误差基本相当，仅“灿鸿”后期误差减小。

5.4.2 采用不同时效预报涡旋对比试验

图 10给出控制试验和表 2中各试验“灿鸿”、“莲花”的路径预报误差和强度预报误差。由图 10a可知，权重系数为0.25的情况下，采用12 h(试验v1)、24 h(试验v2)、36 h预报涡旋(试验v3)“灿鸿”前期路径误差与控制试验大致相当，72 h路径误差较控制试验减小，采用48 h(试验v4预报涡旋)“灿鸿”的72 h路径误差较控制试验增大。从72 h路径预报看，采用12、24 h“灿鸿”预报涡旋比采用长时效预报涡旋误差小，但前48 h内差别不明显。对“莲花”而言，仅采用12 h预报涡旋(试验v1)的路径误差较控制试验减小，采用24、36、48 h预报涡旋的路径误差均较控制试验增大。由图 10b可看到，“莲花”的强度预报误差均比控制试验有所增大，随着采用预报涡旋时效的延长，“莲花”的强度预报误差增大；“灿鸿”试验v1强度误差前期比控制试验略增大、后期减小，试验v2比控制试验略减小，试验v3、v4强度误差前期较控制试验减小、后期增大。本组试验的结果表明，权重方案相同的情形下，采用24 h内预报涡旋比采用36/48 h预报涡旋台风的路径、强度预报误差减小；采用12 h预报涡旋相对于控制试验路径预报有改进，强度预报改进不明显。而且两个台风的改进效果有所不同，“灿鸿”采用36 h内预报涡旋路径预报都比控制试验有改进，“莲花”采用12 h以上预报涡旋比控制试验误差增大，说明同一预报时效不同台风涡旋的预报效果不同，多台风情形下可在初步评估的基础上对不同台风采用不同权重，或采用不同时效的预报涡旋。

5.4.3 采用不同权重对比试验

对比表 3中预报涡旋采用不同权重的试验结果，以获取如何选取权重系数的线索。采用24 h预报涡旋，分别取w=1.0、w=0.8、w=0.5和w=0.25(“灿鸿”、“莲花”取相同权重)与分析涡旋合成，预报试验的结果表明，“灿鸿”的路径误差均比控制试验有所减小，“莲花”的路径误差反而较控制试验有所增大，“莲花”预报涡旋的权重越大，“莲花”的路径误差增大越明显(图略)，表明“莲花”该时次预报涡旋的结构可能比分析涡旋偏离实况更多，或者预报涡旋与分析场之间不协调导致误差增大。为此增加了减小“莲花”预报涡旋权重的试验，简单起见，仅给出表 3几个试验预报与实况的对比结果(图 11)。由图 11a可知，试验s3“灿鸿”和“莲花”的移动路径和移动速度比s1、s2更接近实况，试验s2“莲花”的预报路径比s1略有改进、“灿鸿”预报路径差异不大，试验s1两台风的移动速度比实况偏快最多。由图 11b，试验s1、s2和s3都报出“灿鸿”强度加强的趋势，但加强偏快、幅度稍偏大，各试验之间差异不大。试验s3基本报出“莲花”强度先加强、后维持的趋势，但后期(60 h后)实况为加强、s3为减弱，与实况最为接近(图 11c)。

此外，与控制试验相比(图略)，试验s1-s3“灿鸿”的路径误差减小，强度误差也有所减小，s3的误差较小。对于“莲花”的预报，试验s3的路径误差较控制试验减小；试验s1、s2强度误差均较控制试验增大，试验s3与控制试验基本相当。

以上的结果表明，合成预报涡旋和分析涡旋来形成模式初始涡旋时，还要考虑预报涡旋和分析场、分析涡旋的协调问题，初步评估预报涡旋和台风特点的一致性可能也有助于获取更高质量的初值。

5.5 预报差异原因分析

以下对比分析场涡旋和预报涡旋结构的差异，对预报有何影响，以此来获取如何选择预报涡旋的线索。

由图 12，重定位前台风中心位置与实况有所偏离，“灿鸿”和“莲花”高度场上低值中心与温度场上暖区相匹配，为暖中心(图 12a)。重定位后台风中心位置与观测一致，两台风中心仍然为暖中心，气温超过293 K(图 12b)。而24 h预报涡旋平移后中心位置与观测一致，“灿鸿”高度场低值中心与温度场高值中心重合，气温超过294 K，比重定位前、后的涡旋更“暖”；“莲花”台风中心为冷中心，气温291 K(图 12c)，比重定位前、后的涡旋更“冷”。此外，重定位前、后分析涡旋和预报涡旋中心都与高湿度中心相匹配(图略)。由于暖中心有利于台风发展，可知24 h“灿鸿”预报涡旋有利于“灿鸿”发展加强，而“莲花”预报涡旋结构则不利于“莲花”发展。这与试验s1、s2和s3的结果一致，试验s1采用“莲花”24 h预报涡旋的权重系数最大(取0.5)，预报“莲花”的强度最弱，偏离实况最大；试验s3“莲花”预报涡旋权重取0，也就是采用重定位后“莲花”分析涡旋，去除了预报涡旋冷中心的影响，因此预报“莲花”的强度较试验s1和s2强，偏离实况最小。“灿鸿”由于重定位后分析涡旋和24 h预报涡旋台风中心都与暖湿中心相匹配，暖中心气温差异不大，因此试验s1、s2和s3预报“灿鸿”强度差异不大。

以下讨论各试验路径预报差异的可能原因。“灿鸿”三个试验移动路径差异较小，试验s1、s3“莲花”的差异较大，且差异主要在于初期(24 h内)移向不同，试验s1偏东偏北明显，试验s3在18 h内移向与实况较为一致，24 h后才偏离实况向北，在此主要讨论初期试验s1和s3的路径预报差异的原因。由于形势场上副高位于“灿鸿”的东北侧，“莲花”无明显的引导气流影响；初期两台风中心的距离超过20纬距，相互影响不显著，“莲花”移动路径主要由台风自身环流结构决定。由图 13可知，试验s3“莲花”结构较紧凑、风速较大，初始时最大风速位于台风东北象限(东侧)、为偏东南风，西北象限偏东北风风速也较大(图 13b)，因此试验s3“莲花”后续(t=6 h)向西偏北方向移动，与实况一致(图 11a)；试验s1“莲花”强度较弱，初始最大风速区对应偏南风(图 13a)，因此试验s1“莲花”后续(t=6 h)向偏北方向移动。21 h预报，试验s1大风速区对应偏西南风，偏西分量较大，24 h移动方向偏东较明显；试验s3“莲花”最大风速区对应偏南风，所以到24 h向偏北方向移动(实况为向西北方向移动)。此后s3“莲花”路径与试验s1都较实况偏东偏北，可能与预报的“莲花”东北象限东南风偏弱有关。

6 结论与讨论

本文提出了一种涡旋初始化方案，采用新重定位方法避免不必要的来回插值；由于原bogus台风模型高层不合理，提出用预报涡旋代替bogus模型参与构建模式初始场，采用权重形式合成预报涡旋和分析涡旋获取台风初始涡旋，并针对2015年“莲花”和“灿鸿”台风，设计了采用不同预报时效涡旋和不同权重方案构建初始涡旋的对比试验，分析了试验结果差异及可能原因，得到如下结论。

(1) 采用新重定位方案，台风“莲花”、“灿鸿”的移动路径与控制试验差异不大，但移动速度较接近实况，路径误差减小。

(2) 该方案得到的台风初始涡旋结构比bogus模型合理。

(3) 预报涡旋的权重不宜取太大，系数w小于等于0.5为宜。权重方案相同的情形下，从长时效预报效果看，采用24 h内预报涡旋比采用长时效预报涡旋台风的路径和强度误差减小。

(4) 采用同一权重方案对“莲花”、“灿鸿”预报的改进效果不同。分析表明，这与该时次“莲花”预报涡旋与分析涡旋结构差异有关，预报涡旋对应“冷”中心、而分析涡旋对应“暖”中心。

本文的结果是基于2015年台风“莲花”和“灿鸿”个例的数值试验获得，但权重系数、预报涡旋时效选取方面积累的经验是由一系列对比试验获取，具有一定指导意义，但仍需更多的试验加以验证。此外，数值模拟的结果也表明，预报涡旋和分析场、分析涡旋的协调性对预报结果有明显影响，初步评估预报涡旋和分析场台风特点的一致性可能也有助于获取更高质量的初值。多台风情形下可在初步评估的基础上对不同台风采用不同时效的预报涡旋和不同的权重方案。

下一步工作将考虑如何评估预报涡旋和台风特点、分析场的协调性，尝试利用南海台风模式自身的预报涡旋来构建初始涡旋环流，验证采用南海台风模式预报涡旋是否比NCEP模式预报涡旋效果更好。