预测飓风强度和相关危害 机载多普勒雷达观测同化的五年实时预报试验外文翻译资料

 2022-11-13 16:04:00

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预测飓风强度和相关危害

机载多普勒雷达观测同化的五年实时预报试验

张福青、翁永辉著

背景及介绍：

飓风桑迪(2012)再次提醒人们，飓风是最严重的自然灾害之一，可能会造成巨大的生命和财产损失；因此，对这些风暴的准确预测具有重要的社会经济价值。在过去的几十年里,尽管国家飓风中心(NHC)在飓风运行轨迹预测方面有了很大的改进，72小时预报的平均位置误差目前小于20年前的一半(图1a)，但除过提前了较长时间(第4-5天)之外强度预测误差几乎没有下降(就最大表面风速而言(图1b))。造成这种差异的原因很简单。飓风轨迹主要取决于大规模环境流场，通过全球数值天气预报(NWP)模型，环境流场已经能够更好的进行分析和预测，由于空间分辨率和物理模型的提高，先进的数据同化技术能够从增强的全球网络中获取观测数据，并且计算资源呈指数增长。飓风强度和结构在一定程度上受大尺度环境的调节，但也强烈依赖于较小尺度的过程，这些过程本质上是非线性和混沌的(如湿对流和内核动力学)，因此更难观察、解决和预测。

所属单位：美国宾夕法尼亚州立大学帕克校区气象系---张、翁

联系作者：张福青，宾夕法尼亚州立大学帕克校区气象系，PA 16801

电子邮箱:fzhang@psu.edu

DOI:10.1175/BAMS-D-13-00231.1

本文的补充可以在网上找到(DOI:10.1175/BAMS-D-13-00231.2) 美国气象学会copy;2015

图1

图1：国家飓风中心(NHC)在不同预测提前时间的年平均绝对误差的演变(a)轨道(中心位置，以海里计)和(b)强度(最大风速10米，以节计)。

造成这种现象的原因包括模型空间分辨率不足、缺乏足够的常规观测来解决内部核心结构以及缺乏有效的数据同化技术。在NOAA飓风预报改进项目（HFIP;www.hfip.org）的支持下，该研究提出了一个未来飓风预测系统的原型，该系统使用先进的数据同化技术(集合卡尔曼滤波，以下简称EnKF)执行允许云计算的集成分析和预测，吸收了内核的高分辨率机载雷达观测数据。自2008年以来，与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)以及得克萨斯高级计算中心(TACC)合作，这个主要在宾夕法尼亚州立大学(PSU)开发的实验系统已经被实时的在高性能计算设备上运行，并且自2011年以来，由美国国家海洋和大气管理局指定作为pseudo-operational模型产品，适用于所有由装备多普勒的NOAA P3飞机成功执行侦察任务的大西洋风暴(www .aoml. NOAA .gov/hrd/aircraft.html)。PSU对大西洋飓风的实时实验预测也可以在网上免费获得(http://hfip.psu.edu)。随着PSU机载雷达数据同化在飓风强度预测中的实时应用以及NOAA的大量实验测试的成功，区域动力NWP模型——飓风天气研究和预报模型(HWRF)——被NHC用于飓风强度指导，首次开始实时的摄取机载雷达观测数据进行初始化预报(参见www.nhc.noaa.gov/archive/2013/al12/al122013.discus.007.shtml?)。

机载多普勒雷达数据和飓风预报系统。

从2008年到2012年，我们的实验预测共涵盖了102个适用于22个大西洋风暴的机载多普勒任务。这些任务包括作为HFIP示范项目一部分的2012年PSU实验实时预测（HFIP所做的独立验证可在www.ral.ucar .edu/projects/hfip/d2012/verify/上获得）和2008-2011年由同一系统运行的回顾性分析(HFIP所做的独立验证可在www.ral.ucar .edu/projects/hfip/includes/h2012/2012-Stream15-PSU .pdf获得;也在2013年Gall等等)。2008年有6场风暴(多莉、费伊、古斯塔夫、艾克、凯尔、帕洛玛)，2009年有3场风暴(安娜，比尔，丹尼)，2010年有6场风暴(亚历克斯，二号，厄尔，卡尔，理查德，托马斯) ，2011年有4场风暴(艾琳、李、奥菲利亚、丽娜)，2012年有3场风暴(艾萨克、莱斯利、桑迪)。十个损失最大和最致命的飓风中有三个发生在这段时间:艾克(2008)、艾琳(2011)和桑迪(2012)。图ES2显示了观测风暴的强度编码轨迹，表ES1和表ES2提供了NOAA p3采样风暴的详细列表以及每个任务同化的最强观测值(SOs)的时间、持续时间和数量。翁和张(2012)记录的SO过程提供了质量控制，并将大体积的机载多普勒速度观测提升到与同化和预报系统相当的空间分辨率; 这些明显提高了的数据可以实时的从飞行器传输到NOAA飓风研究部门(HRD)，以便及时应用于预测模型。自那时以来，SO程序已在所有P3和G-IV侦察任务中实施，SOs文件已存档于NOAA网站:ftp://ftp.aoml.noaa.gov/pub/hrd /gamache/FuqingSO。

本研究开发的原型集成分析与预测系统使用了采用专门设计的EnKF数据同化算法的天气研究与预测(WRF)模型的3.4.1版本。该模型配置与张等的模型配置(2011)非常相似，但是有模型空间分辨率的提高(最内层区域的网格间距从4.5 km减小到3 km)以及海气界面通量参数化的改进。用于该项研究的WRF模式在面积27、9、3公里分别覆盖地区10200公里times;6600公里,2700公里times;2700公里和900公里times;900公里内有43个垂直级别和3个具有水平网格间隔的双向嵌套域(D1到D3)(图ES1)。最外层区域(D1)包括加勒比海和墨西哥湾，以及北美大部分地区和北大西洋。D2和D3是“涡旋跟踪”——在整个预报过程中移动，使得风暴中心始终位于这些内部区域的中间。该研究中没有海洋模型与WRF耦合。该研究的EnKF配置与翁、张(2012)使用的EnKF配置相同，只是集成成员的数量从30增加到60。目前的研究主要集中在同化机载多普勒观测的附加价值上(自2013年以来，该实时系统已经扩展到从侦察机和/或卫星上获取其他现场或远程传感的核心数据)。在预设的空中多普勒任务开始前6-12小时，NOAA全球预报系统(GFS)业务分析开始初始化集成，并对其边界条件使用相应的GFS业务预报。

图2

图2所示。(上图)2008-12年期间，PSU WRF-EnKF系统(红色)和NHC官方预报(青蓝色)在不同预报前置时间的(a)轨道和(b)强度的平均绝对预报误差(与NHC估计的风暴后最佳轨道观测结果相对照)在所有适用的P3多普勒任务上的平均值。(下)与(a)、(b)相同，除了与NHC官方预报在模型初始化天气时间后6小时发布的预报进行类比外，将WRF-EnKF预报作为后期模型指导。表ES3列出了NHC和WRF-EnKF预测之间强度比较的平均情况。

图3

图3所示。PSU WRF-EnKF飓风路径和强度预测要点。PSU WRF-EnKF对飓风(a, d)艾克(2010;左列），(b, e) 艾琳(2011;中间），以及(c, f) 桑迪(右)的(顶部)轨迹和(底部)强度的确定性(粗红色)预测和综合(细红色)预测，在0000 UTC 2008年9月10日、1200 UTC 2011年8月24日和0000 UTC 2013年10月26日与同期和6小时后发布的NHC官方预报(分别为青色、虚线和实心)相比，验证了NHC最佳轨迹观测结果(黑色)。

WRF-ENKF飓风预报系统的五年性能。

每种情况下的确定性预测由EnKF分析(时间移到最近的0000、0600、1200或1800世界标准时间)进行初始化，该分析吸收了D1-D3中的机载多普勒雷达观测，然后向前集成126小时。图2a、b为WRF-EnKF系统的轨迹和强度(以最大10米风速计算)与同期NHC官方预报的平均绝对预报误差(经NHC估算的风暴后最佳轨道数据验证)。进行类比，即这些误差是WRF-EnKF和NHC官方预报在每次预报时间内的相同数量预报的平均值(表ES3)。按照NHC操作上使用的“后期模型”(更多细节见www.nhc.noaa.gov/modelsummary.shtml)的“可变插值”程序，使用一个简单的偏差校正(图2，底部)来修改WRF-EnKF确定性预测在6 - 30小时内的最大风速。偏差校正是将每一个模型预测与6小时最佳轨迹的差值完全调整到滞后预测的18小时，并在18 - 30 小时之间线性递减调整(但对其余的预测没有调整)。尽管在预测轨迹上存在类似的误差(图2a)，但WRF-EnKF系统的强度预测明显优于NHC官方预测，至少在24小时之前的时间，误差降低了15%至43%(图2b，表ES3)。

然而值得注意的是，考虑到处理和同化观察结果并集成模型所需的时间，WRF-EnKF预测在我们的实验中会被NHC划分为“后期指导模型”，因为天气预报员不能在同一天气时间使用该系统。因此，我们进一步将WRF-EnKF预报与NHC官方预报进行对比，通过将APSU预报插值到6小时后发布的天气预报来进行对比(图2，底部)。例如，在0000 UTC初始化的06小时预报将被插值，作为0600 UTC的00小时预报，然后与NHC官方在0600 UTC预报的00小时进行比较(插值方法类似于NHC所有后期模型指导使用的方法)。虽然经过最新模型处理后，WRF EnKF预测仍可与NHC官方预测在轨迹的预测上相媲美(从第3天到第5天显著下降;图2左下)，但相对于NHC官方强度预测的优势明显降低，尤其是在第1天和第5天(图2b与图2，右下)。然而，WRF-EnKF系统从第2天到第4天的平均绝对预测误差仍然比NHC官方预测低25%-28%。同样值得注意的是，尽管在2008-12年期间，我们已经录入了大西洋盆地空中多普勒任务所有适用的100多个案例，但我们承认当前研究的局限性，因为样本量仍然有限，尤其是在较长的准备时间内。在持续的HFIP合作下，NOAA和PSU正在进行的实验研究试图通过包括其他空中核心观测来很大程度上扩大样本的规模，如下投式探空仪所作的测量、所有飓风侦察飞行的飞行水平原位和遥感测量，以及通过包括常规观测在内的不断循环的数据同化。

超越预测飓风危害的“指标”

可靠的、可云计算的确定性预报和集成预报由高分辨率观测的同化初始化提供一种潜在的、从根本上改变对轨迹(飓风中心位置)和强度(风暴中任何地方最高风速10米)“指标”的强调，对于提供特定位置的预测和相关的不确定性的天气灾害如降雨和风等使用更精确和定量的产品。这样做，与测量点有关的主要限制——飓风在远离其中心的大片地区造成危险和破坏性的天气——将得到缓解。更准确和定量的具体位置预测产品将使应急管理人员、企业和个人能够更有效且高效地分配资源(例如风暴前疏散和电力线维修人员的布局)。

虽然它仍然是一个活跃的研究领域，但特定位置的指标将最有效地将预测传递给紧急预测人员和一般公众，如NHC的“锥形/警告”产品(www.nhc.noaa.gov /aboutnhcprobs3.shtml)。其中一个模型产品是由小时模型预测得到的最大风带(图4左栏)，它显示了在WRF-EnKF确定性预测的整个过程中，每个模型网格点预测到的三个风暴的最大风速为10米。例如，尽管WRF-EnKF的确定性预报正确预测艾克将以2级飓风登陆，但是最大风带显示了飓风级风速(64 kt或更大)的范围仅限于德克萨斯州最东部墨西哥湾沿岸的一个小区域(图4a)。对于艾琳和桑迪(图4e,i)来说，WRF-EnKF准确地预测了陆地上几乎没有任何飓风。这些风带图不仅显示了可能受到不同程度风力强度影响的区域，而且还显示了风暴的大小(由地面观测证实，图ES5)。一个相关产品(图4b-d、f-h、j-l)是由集合预报得到的10m风速超过不同临界值(即,热带风暴风力35 kt，烈风风力50 kt，飓风风力64 kt）的概率，该概率为预测提供了不确定度的度量，可以通过NHC补充目前运行风速概率预测，这是过去五年基于蒙特卡罗方法通过随机抽样的业务预测中心轨迹和强度预报误差分布得出的。

图4

图4所示。PSU WRF-EnKF飓风概率和空间风预测要点。左列:PSU WRF-EnKF系统(使用小时输出)对飓风(a)艾克(Ike)、(e)艾琳(Irene)和(i)桑迪(Sandy)的确定性预测中最大10 m地表风速的空间分布。右三列:对于(顶行)艾克(Ike)、(中间)艾琳(Irene)和(底部)桑迪(Sandy)，最大风速超过(在预报期间的任何时间)35kt、50kt和64kt的综合推导概率。可用时间与图2相同。

虽然飓风以其超强的风力而闻名，但同样具有破坏性的危险是由长期暴雨引起的严重洪水。艾琳的情况就是这样，它在新英格兰的大部分地区引发了创纪录的洪水(参见NHC报告，见www . NHC .noaa.gov/data/tcr/AL092011_Irene.pdf)。WRF-EnKF事件总降雨量的确定性预测(图5中栏)与NOAA网格观测分析(图5左栏)在定性上得到了很好的验证(http://water.weather.gov /precip/)。对于艾克来说，WRF-EnKF系统不仅准确地预测了与风暴核心和外部雨带有关的沿海强降雨，而且还准确地预测了从新墨西哥州东南部一直延伸到芝加哥与风暴外部边缘有关的降水区域。WRF-EnKF对艾琳的预测也显示了类似的技巧。更值得注意的是，关于桑迪的确定性降雨预报：除了描绘大西洋中部沿岸的强降水，WRF-EnKF预报还准确地预测了西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚

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