一种针对南海台风分尺度混合的涡旋初始场构造方法

技术领域

本发明涉及气象学领域，更具体地，涉及一种针对南海台风分尺度混合的涡旋初始场构造方法。

背景技术

台风是我国的主要气象灾害之一，近年来台风路径数值预报水平已有很大改进，但每年仍有一些台风，预报路径误差很大，并造成巨大损失。如“1213”号热带气旋“启德(KAI-TAK)”24小时路径误差超过300km、48小时路径误差超过500km，造成广东、广西、海南3省区1人死亡，2人失踪，52.6万人紧急转移，广西11万人受灾，广东174万多人受灾，直接经济损失近20亿元。南海台风初始强度较弱，但在发展过程中强度突然加强并很快登陆，其造成危害的主要原因一是时间短，二是路径多变难以预测。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。南海台风的这些特点与其周围环境特点及天气系统密切相关。由于南海海域较小并且紧邻大陆，因此南海台风突发性强，生成后经历很短时间就可能登陆，而且由于受到华南地区特殊地形、海陆分布、季风活动和低纬地区天气系统相互作用等的影响，其结构与一般台风(西太平洋台风)差异显著，其路径比一般台风路径更为曲折，预报难度更大。

台风的初始结构和强度对台风数值预报有重要影响。由于台风生命史中多数时期位于热带海洋上，广阔洋面上常规观测资料十分稀少，海洋上资料的缺乏、客观分析方案的限制使模式初始场不能反映台风系统本身的动力和热力结构。目前一般作法是设计初值方案进行处理，以达到订正初始位置、构建涡旋结构的目的。与

本发明最相近似的现有实现方案是Bogus(人造台风模型)方案和BDA(Bogus DataAssimilation，结合人造模型与资料同化)方案。Bogus方案是根据观测(中心位置、强度、半径等)基于风压关系经验公式得到“人造”涡旋，来替代全球或区域的分析。BDA方案根据Bogus方案方案人造模型造出“观测资料”，然后同化该“观测”涡旋，其由于采用资料同化获得的分析场各要素之间较为协调，但仍然是一个“理想”模型。Bogus技术和BDA方案在一定程度上弥补了初始场无法刻画台风初始结构的不足。但是利用经验公式构造得到台风的初始结构，它与实际状况的偏差可能更大。如近期发现，Bogus方案构造的台风模型结构与南海台风结构有显著偏差：高层反气旋明显偏强，暖中心偏高偏强，强辐散所在层次太低，中层辐合辐散偏强。批量试验发现，热带风暴、强热带风暴和台风三类热带气旋中，热带风暴Bogus模型的结构误差最大，路径预报误差也最大。这些结果表明，目前采用的Bogus方案和BDA方案获得的初始涡旋不符合南海台风结构特点，不能有效减小预报误差。

现有的技术中，中国发明专利CN109657314A公开了“基于资料循环同化和模式循环积分的台风涡旋初始化方法”，公开日为2019年04月19日，利用全球大尺度生成区域数值模式的初始和边界条件，利用生成的初边界条件对数值模式从t0-6时刻积分到t0时刻；利用t0时刻的预报场作为初始场，改进t0时刻预报场中的台风强度和结构；分别将t0时刻同化分析场和t0-6时刻初始场分解为台风涡旋场和环境场，并提取出台风涡旋对称部分；将t0时刻台风涡旋对称部分重定位到t0-6时刻的台风观测位置，并合成为一个t0-6时刻的新分析场；改进t0-6时刻涡旋的强度和结构；利用t0-6时刻同化得到的最优分析场，模式向前积分6小时；重复前面步骤，直至满足预设标准，并对台风进行数值预报。该方案借鉴台风动力初始化和变分同化的思想，综合考虑模式动力框架和观测资料约束对台风涡旋和大尺度环境场的影响，首先其涉及范围是所有台风，并没有考虑南海台风的特殊性，且只考虑大尺度环境场，没有考虑小尺度扰动场的影响，不涉及分尺度合成。

发明内容

本发明为解决现有的现有的台风初始涡旋模型不适用于南海，且台风预报误差大的技术缺陷，提供了一种针对南海台风分尺度混合的涡旋初始场构造方法。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种针对南海台风分尺度混合的涡旋初始场构造方法，包括以下步骤：

S1：结合台风观测信息和高分辨再分析场建立南海台风的样本库；

S2：通过样本库结合南海台风模式和数值模拟选择最优样本；

S3：最优样本结合台风的大风半径、风速提取三种强度台风涡旋环流，获取合成涡旋模型；

S4：对高分辨再分析场和合成涡旋模型各要素场分别进行滤波，把两个场的各要素分离成大尺度平均场和小尺度扰动场；

S5：将高分辨再分析场的小尺度扰动场和合成涡旋模型的小尺度扰动场以一定权重进行叠加，得到最终小尺度扰动量；

S6：将最终小尺度扰动量和高分辨再分析场分离出的大尺度平均场相加得到涡旋初始场。

上述方案中，针对南海台风，基于高分辨再分析资料建立台风样本库，结合台风数值实验进行样本优选，提取不同强度台风涡旋环流，将之合成南海台风的合成涡旋模型，基于高分辨再分析场和合成涡旋模型通过滤波，获取不同尺度信息，将不同尺度信息采用分尺度权重合成，既保留了特定时刻大尺度环境场的主要特点，又保留了特定台风涡旋本身的个性特征，同时引入南海台风涡旋结构共性特征。

在步骤S1中，确定南海范围，根据台风观测信息(台风中心位置经度、纬度)选取南海的台风样本，根据观测台风的生成活动时间确定所需高分辨再分析资料的时段，通过数值模式预报场和资料同化系统获取对应时段的高分辨再分析资料，建立南海台风的样本库。

在步骤S2中，基于样本库中每个样本为初值、采用南海台风模式进行预报。因为预报效果与作为初始场的再分析资料接近台风实况的程度有关，根据预报效果剔除代表性差的资料以保证样本的可靠性。从三类样本库中选取效果较好(对应时次路径预报误差与台风模式平均误差水平相当)、剔除效果较差(对应时次路径预报误差明显大于平均误差水平)的资料样本，得到较为可靠的资料样本，即最优样本。

在步骤S3中，以最优样本为基础，基于台风观测的大风半径挑选尺度相当(如七级风半径的差异在100公里内)的样本。针对每个较优样本，以台风中心为原点，提取一定范围内(如距台风中心600公里)的台风涡旋要素场(如高度场、温度场、风场、水汽场等)，根据台风最大风速分为三种不同强度的涡旋，即热带风暴、强热带风暴、台风。针对每一类涡旋，通过动态合成方法(即将同类涡旋样本的台风中心重合作为原点求取各要素场的均值)获取各类合成涡旋模型。

在步骤S3中，所述三种强度的涡旋包括热带风暴、强热带风暴、台风。

在步骤S4中，滤波包括以下步骤：

(1)滤波算子采用局地三点平滑,首先经度、纬度方向平滑滤波；

(2)之后采用极坐标作柱形滤波。

经度、纬度方向平滑滤波包括以下算法：

m按以下顺序取值：2,3,4,2,5,6,7,2,8,9,2；h为某一变量，λ和

柱形滤波包括以下算法：

采用极坐标系(r,θ)，r为某点极径，即距中心距离；θ表示某点的极角，即该点和中心连线与x轴夹角；r

在步骤S5中，所述权重的权重函数包括以下算法：

r为格点与台风中心的距离，r

在步骤S5中，叠加的方式为：设置权重参数w，以w作为合成涡旋模型的小尺度扰动场扰动量的最终权重，(1-w)作为高分辨再分析场的小尺度扰动场扰动量的最终权重，按权重叠加二者获得最终小尺度扰动量。

在步骤S6中，得到涡旋初始场包括以下算法：

B

B

所述涡旋初始场的范围外直接采用高分辨再分析场。

所述参数w通过以下公式得到：w＝c*P(r)，其中，c为小于1的常数。

上述方案中，本发明基于高分辨再分析资料建立多年南海台风的样本库，结合高分辨再分析资料和南海台风模式通过批量数值试验根据模拟效果优选样本，获取接近南海弱台风真实结构的资料样本。因为预报效果与作为初始场的再分析资料接近台风实况的程度有关，分别基于以上样本为初值、采用南海台风模式进行预报，根据预报效果剔除代表性差的资料以保证样本的可靠性。从三类样本库中选取效果较好，剔除效果较差的资料样本，得到较为可靠的资料样本。效果较好的资料样本表现为对应时次路径预报误差与台风模式平均误差水平相当，效果较差的资料样本表现为对应时次路径预报误差明显大于平均误差水平。以这些样本为基础，基于台风观测的大风半径挑选尺度相当的样本、按不同强度通过合成方法获取合成涡旋模型。

对特定时次的特定台风，将合成涡旋模型和高分辨再分析场分别进行滤波，提取高分辨再分析场中大尺度环流信息、高分辨再分析场小尺度扰动信息和合成涡旋模型的小尺度扰动信息。根据与台风中心距离构造权重函数，按权重构造涡旋小尺度扰动场，并与高分辨再分析场的大尺度环流信息叠加，形成涡旋初始场。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种针对南海台风分尺度混合的涡旋初始场构造方法，针对南海台风，基于高分辨再分析资料建立台风样本库，结合台风数值实验进行样本优选，提取不同强度台风涡旋环流，将之合成南海台风的合成涡旋模型，基于高分辨再分析场和合成涡旋模型通过滤波，获取不同尺度信息，将不同尺度信息采用分尺度权重合成，既保留了特定时刻大尺度环境场的主要特点，又保留了特定台风涡旋本身的个性特征，同时引入南海台风涡旋结构共性特征。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的925hPa下的高度场示意图；

图3为本发明的850hPa下的温度场示意图；

图4为本发明的850hPa下的风场示意图；

图5为本发明的700hPa下的比湿场示意图；

图6为本发明的温度距平和湿度距平的气压-纬度垂直剖面图；

图7为本发明的各组试验平均路径预报误差示意图；

图8为本发明的各组试验平均强度预报误差示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1所示，一种针对南海台风分尺度混合的涡旋初始场构造方法，包括以下步骤：

S1：结合台风观测信息和高分辨再分析场建立南海台风的样本库；

S2：通过样本库结合南海台风模式和数值模拟选择最优样本；

S3：最优样本结合台风的大风半径、风速提取三种强度台风涡旋环流，获取合成涡旋模型；

S4：对高分辨再分析场和合成涡旋模型各要素场分别进行滤波，把两个场的各要素分离成大尺度平均场和小尺度扰动场；

S5：将高分辨再分析场的小尺度扰动场和合成涡旋模型的小尺度扰动场以一定权重进行叠加，得到最终小尺度扰动量；

S6：将最终小尺度扰动量和高分辨再分析场分离出的大尺度平均场相加得到涡旋初始场。

上述方案中，针对南海台风，基于高分辨再分析资料建立台风样本库，结合台风数值实验进行样本优选，提取不同强度台风涡旋环流，将之合成南海台风的合成涡旋模型，基于高分辨再分析场和合成涡旋模型通过滤波，获取不同尺度信息，将不同尺度信息采用分尺度权重合成，既保留了特定时刻大尺度环境场的主要特点，又保留了特定台风涡旋本身的个性特征，同时引入南海台风涡旋结构共性特征。

在步骤S3中，所述三种强度的涡旋包括热带风暴、强热带风暴、台风。

在步骤S4中，滤波包括以下步骤：

(1)滤波算子采用局地三点平滑,首先经度、纬度方向平滑滤波；

(2)之后采用极坐标作柱形滤波。

经度、纬度方向平滑滤波包括以下算法：

m按以下顺序取值：2,3,4,2,5,6,7,2,8,9,2；h为某一变量，λ和

柱形滤波包括以下算法：

采用极坐标系(r,θ)，r为某点极径，即距中心距离；θ表示某点的极角，即该点和中心连线与x轴夹角；r

在步骤S5中，所述权重的权重函数包括以下算法：

r为格点与台风中心的距离，r

在步骤S5中，叠加的方式为：设置权重参数w，以w作为合成涡旋模型的小尺度扰动场扰动量的最终权重，(1-w)作为高分辨再分析场的小尺度扰动场扰动量的最终权重，按权重叠加二者获得最终小尺度扰动量。

在步骤S6中，得到涡旋初始场包括以下算法：

B

B

所述涡旋初始场的范围外直接采用高分辨再分析场。

所述参数w通过以下公式得到：w＝c*P(r)，其中，c为小于1的常数。

实施例2

如图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，选取台风个例设计数值试验，对比应用本技术方案、Bogus方案和不应用初始化方案的效果。

选择业务预报路径误差较大的3个台风时次和误差相对较小的1个台风进行数值试验，试验设计见表1，共分为三组，分别为控制试验(不应用初始化方案，采用ECMWF再分析资料作为模式初始场,标为“C”)、采用Bogus方案试验(标为“R”)和本技术方案试验(标为“S”)。采用ECMWF(欧洲中心)高分辨(0.125°*0.125°)再分析资料作为背景场和边界条件，预报时效为72小时(其中“帕卡”台风48小时后消亡，故预报时效为48小时)。其中，台风“莲花”和“天鸽”预报路径相对于实况偏北，台风“卡努”相对于实况偏南，“帕卡”的误差相对较小。

表1试验方案设计

(1)初始涡旋结构的对比

以下将对比采用不同的方案，得到的初始涡旋的结构差异。简单起见，选取莲花各试验的初始场来分析。

由图2所示的高度场，试验R涡旋中心高度明显低于试验C，保留莲花某些结构不对称信息，但涡旋总体对称性较为明显，涡旋区大致为正圆形，且高层存在虚假反气旋。试验S涡旋中心高度略低于试验C，涡旋大体为长圆形，长轴为东西向，保留了涡旋大部分不对称结构特征。由图3所示的850hPa温度分布可知，试验S较好反映出涡旋中心(位于121.8E，17.6N)偏南侧的暖中心和冷中心的分布，只是冷暖中心强度有所减弱。试验R构造的涡旋暖中心尺度较大，背景场中冷中心被填充，高层暖中心偏强。在图4所示的850hPa风场上，试验S和C大风速区位于涡旋中心西北侧和东侧，S试验的风速比C试验略大，涡旋结构较为明显和完整。R试验大风速区位于中心北侧。在图5所示的各试验700hPa比湿分布，试验R和S均比控制试验C略湿，可看出试验R较好保留了EC分析场的特征，增加了涡旋西半环的湿度，涡旋结构更明显。从在图6所示的各试验温度距平和湿度距平的垂直剖面图可看出，试验S构造的涡旋暖心位于400-600hPa，距平大于2K，与前文结构分析中合成涡旋暖心位置一致，相对于试验C暖心有所加强、湿区范围有所扩大，而且很好地保留了EC分析场涡旋中心偏南侧的低层冷区。试验R则与前文分析类似，存在暖心位置偏高、强度偏强的现象。

所述的EC分析场即欧洲中期数值预报中心ECMWF利用先进的数据同化系统把不同来源的多种观测资料和数值预报产品进行融合和最优集成所得的高分辨再分析资料，可反映对象某些特征，接近观测结果，在大气科学中被当作观测广泛应用。

综上，试验S构造的初始涡旋动力场、热力场结构分布保留了EC分析场的主要特征，而且保留了莲花涡旋本身的个性特征，南海涡旋的结构和特征更明显，符合本技术方案的设计初衷。

(2)台风路径、强度预报效果的对比

由图7所示，R试验在24小时内路径误差相对较小，C试验和S试验大致相当，24小时后S试验平均路径误差明显小于试验R和试验C，R试验中期路径误差稍小于C试验，72小时路径误差最大。由图8所示，C试验的平均强度误差最大，R试验和S试验强度误差明显小于C试验，S试验的强度误差最小。由表2也可看出，S试验相对于试验C和R，路径和强度预报有明显改进，路径和强度预报误差最小。

表2各试验24、48、72小时平均路径误差和平均强度误差

由以上分析可知，采用本技术方案构造南海台风的初始涡旋，可明显改善南海台风的预报效果，路径预报误差和强度预报误差显著减小。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。