1、2023 年第 46 卷第 1 期:139-151论 著http:/dqkxxbcnjournalsorg引用格式:陈思远，马旭林，孙璐，等，2023台风“灿鸿”(1509)的适应性观测敏感区特征及其模拟观测同化研究J大气科学学报，46(1):139-151Chen S Y，Ma X L，Sun L，et al，2023Adaptive observation of the sensitive area of typhoon“Chan-Hom”(1509)and assimilation a-nalysis of simulated data J Trans Atmos Sci，46(1):1
2、39-151doi:10.13878/jcnkidqkxxb20210306002(in Chinese)台风“灿鸿”(1509)的适应性观测敏感区特征及其模拟观测同化研究陈思远，马旭林*，孙璐，潘贤，宏观 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室，江苏 南京 210044;陕西省气象局 气象科学研究所，陕西 西安 710016;中国气象局 气象探测中心，北京 100081*联系人，E-mail:xulinma nuisteducn联系人，E-mail:hongguan camgovcn2021-03-06 收稿，2021-05-26 接受国家重点研发计划项目(2017YFC1502000)
3、;国家自然科学基金委气象联合基金(U2242213)摘要适应性观测可以改善资料同化和预报质量。本文利用集合卡尔曼变换适应性观测系统对 2015 年 09 号台风“灿鸿”进行了观测敏感区识别，并以第一目标时刻的观测敏感区为基础，运用观测系统模拟试验方法获取模拟的适应性观测资料。基于 WF中尺度同化和预报系统，开展了适应性观测敏感区模拟资料的同化和预报试验。研究发现，台风“灿鸿”(1509)的观测敏感区主要位于台风中心的东北侧及东南侧。同化敏感区内模拟观测资料比同化常规观测资料能更好地改善分析质量和高度、台风路径的预报质量，但对降水的预报改善较弱。关键词资料同化;OSSE;适应性观测;目标观测;敏
4、感区;ETKF台风、暴雨和强对流等高影响性天气系统是我国典型的气象灾害(高彦青等，2022)。改善高影响天气系统的数值预报准确率对降低气象灾害经济损失具有重要意义，这也是急需解决的一项科学难题与挑战(马旭林等，2015a)。基于预报误差传播特征及其可预报性问题的研究(朱跃建，2020)表明，诸如台风等高影响天气系统在其上游地区通常都存在有观测敏感区(sensitive region)，且在该敏感区内增加观测可以提高资料同化的分析质量，从而提升数值模式预报准确度。由此，科学家提出了目标观测(targeting ob-servation)或适应性观测(adaptive observation)的思
5、想(abier et al，1996;Pu et al，1997;Bergot et al，1999)，即针对一次高影响天气的常规单一确定性预报或集合预报，基于指定的验证区和验证时间识别出相应的观测敏感区，在该观测敏感区内加强观测并进行同化，以有效改善数值模式的初值质量，从而获得质量更高的模式预报结果。经过前期欧洲和美国等大量的外场观测试验和研究，2004 年国际气象组织(WMO)在全球观测系统研究与可预报性试验(THOPEX)中确认了目标观测方法的有效性和可行性，将其纳入改善高影响天气系统预报质量的有效方式(Melvyn et al，2004)。针对适应性观测，国外已先后开展了大量的外场试验
6、，并提出了多种观测敏感区识别的适应性观测方法(Joly et al，1997;Toth et al，1999;Mansfieldet al，2004)，主要包括基于线性近似的误差动力学识别敏感区的奇异向量法、分析敏感性法、观测敏感性方法、准线性逆模式法与梯度敏感性法(Langlandand ohaly，1996;Palmer et al，1998;Pu et al，1998;Buizza and Montani，1999;Pu and Kalnay，1999;Baker and Daley，2007);以及以集合预报为基础，基于集合预报非线性增长的误差动力学的集合发散法、集合变换法和集合卡尔曼
7、变换法(Lorenz andEmanuel，1998;Bishop and Toth，1999;Majumdar et2023 年 1 月第 46 卷第 1 期al，2002)。国内科研人员也开展了适应性观测外场试验，并对适应性观测方法开展了诸多研究。马旭林(2008)基于集合卡尔曼滤波变换(EnsembleTransform Kalmen Filter，ETKF)理论，以总能量构造信号方差，发展建立了适用于我国高影响天气系统的 ETKF 适应性观测系统，并以我国的台风系统及中纬度降水系统为例，证明了该适应性观测方案的可行性。随后，张宇等(2012)进一步拓展了信号方差的表征方式，建立了包含湿
8、度信息的总能量度量函数，进一步改善了观测敏感区的识别质量。在此基础上，于月明(2014)针对北京环暴雨系统，进一步优化了信号方差的构造方法，将全能量作为度量函数，为敏感区的识别引入了更多的水汽信息，有效地提高了中纬度降水系统敏感区的识别准确度，进一步推动了 ETKF 适应性观测系统的发展。此外，穆穆等(2007)也提出了以条件非线性最优扰动(Condition Nonlinear Optimal Perturbation，CNOP)为基础的适应性观测方法，一定程度上弥补了传统奇异向量方法不能描述非线性初始误差增长的缺陷。Qin et al(2013)利用该方法对 20 个台风进行了分析，结果表
9、明有 13 个台风个例的预报质量得到了明显提升。但 CNOP 的求解是一种带有等式及不等式约束条件的非线性优化问题，需要计算目标函数中初始扰动的梯度，意味着需要引入伴随模式，而由于 CNOP 方法可以表征大气运动方程的非线性过程，导致发展相应的伴随模式非常复杂且困难，这制约了 CNOP 方法的进一步应用(孙国栋等，2016)。本文基于 ETKF 适应性观测系统(马旭林，2008)，首先开展了台风“灿鸿”(1509)的观测敏感区识别，在分析观测敏感区相对台风中心位置分布特征的基础上，采用观测系统模拟试验(OSSE)方法，进一步研究了观测敏感区资料的同化对台风“灿鸿”(1509)分析和预报质量的改
10、善，为推动我国适应性观测在台风资料同化和预报方面的研究以及海上观测站的定位和选取提供思路和参考。1资料与研究方法1.1资料集合预报资料为欧洲中期天气预报中心(EC-MWF)的 TIGGE(THOPE Interactive Grand GlobalEnsemble)数据集的集合预报产品，采用资料的起报时间为 2015 年 7 月 9 日 00 时，预报时效 72 h，资料时间间隔 6 h，水平分辨率 11，包括控制预报共51 个集合成员。ECMWF 的分辨率为 0.250.25的再分析资料 EA5 用于构造适应性观测敏感区的模拟探空资料，美国环境预报中心(NCEP)分辨率为 11的FNL 分析
11、场用以预报检验，分辨率为 0.250.25的 GFS 预报场用作资料同化的背景场。1.2观测敏感区识别方法集合卡尔曼变换(ETKF)适应性观测方法基于卡尔曼滤波理论及集合变换方法，可在集合的空间中求解卡尔曼滤波方程，进而定量表示增加观测所带来的预报误差减少量，其中预报误差减少最显著的区域，即为观测敏感区(马旭林等，2014，2015b)。该方法的核心问题为信号方差 S(t)的表征与计算，其具体表达式为S(t)=xa(t)xf(t)xa(t)xf(t)T=Zf(t)(+Ipp)1TZf(t)T。(1)其中:Zf(t)为变换后的集合扰动;、分别为变换矩阵 T=(+I)12的特征向量和特征值，即信号
12、方差 S(t)为预报误差方差的减小量。已有研究(Palmer et al，1998)表明，扰动总能量能够更准确地描述预报误差结果的演变特征。因此，本文采用以包含湿度信息的集合扰动总能量作为度量观测敏感区敏感程度的信号方差(张宇等，2012)，即et=12(u2+v2)+cpTrT2+Lqrq2。(2)其中:et为扰动总能量;u、v、T与 q为变换的水平风、温度和湿度扰动;cp为干空气定压比热;Tr=300K 为参考温度;L 为相变潜热;qr为参考比湿。2台风“灿鸿”及其观测敏感区2.1台风“灿鸿”的发展2015 年 09 号台风“灿鸿”(CHAN-HOM)于 6月 30 日 20 时(北京时)
13、生成于西北太平洋洋面，7月 2 日 02 时增强为热带风暴，随后于 6 日 14 时升级为台风，9 日 14 时为强台风，23 时进一步增强为超强台风，最强中心气压达 935 hPa，中心附近最大风速达 58 m/s 的 17 级风力。台风“灿鸿”(1509)发展阶段主要以西北方向移动为主，在东海海域发展至最强后，继续沿原方向移动逐步逼近浙江省，最终于 11 日 16 时登陆浙江舟山群岛后，路径转向为东北方向，同时强度迅速减弱，于 12 日夜间登陆朝鲜半岛，并变性为温带气旋(段晶晶等，2017;黄燕燕等，2018)。截至 13 日 09 时，“灿鸿”造成浙江省276.8 万人受灾，直接经济损失
14、达 84.4 亿元;江苏041陈思远，等:台风“灿鸿”(1509)的适应性观测敏感区特征及其模拟观测同化研究论 著省 33.8 万人受灾，直接经济损失达 1.2 亿元;上海市 12.2 万人受灾(赵慧霞等，2016)。2.2“灿鸿”的集合预报性能集合预报的质量会较大程度影响 ETKF 识别的观测敏感区的准确度。图 1 为台风“灿鸿”(1509)的最佳台风路径(黑色实线，数据来源 SMC BestTrack Data)、集合平均预报路径(红色实线)、集合成员预报路径(彩色实线)和台风中心强度。由图1a 可知，台风“灿鸿”的集合预报路径呈现出一致性偏南，集合平均路径相较于实况更为偏南，在 10 日
15、00 时(世界时，下同)之后尤为明显，其登陆点与实际登陆点舟山群岛也存在着较大偏差。可见，集合预报未能有效预报出 11 日 06 时后“灿鸿”向东北方向的转向特征。但集合成员路径预报较为均匀的分布在集合平均左右两侧，其离散分布相对较为合理，表明集合预报结果虽然不够理想，但其描述的模式预报误差的增长趋势基本合理。图 1台风“灿鸿”(1509)的路径与强度:(a)最佳路径(黑色实线)与集合预报路径(红色表示集合平均路径，其余各色实线为各集合成员预报路径);(b)中心气压(单位:hPa;黑实线为观测，红实线为集合预报平均)与最大风速(单位:m/s;黑虚线表示观测，红虚线为集合预报平均)Fig1The
16、 tracks and intensity of typhoon Chan-hom(1509):(a)actual track(black solid line)and ensemble forecast track(red solid line for ensemble averaged track;other line denotes ensemble member track);(b)the central pressure(unit:hPa;black solid line denotes observation pressure，while red solid line denotes ensemble average)and the maximum windspeed near the center(unit:m/s;black dashed line represents observation pressure，and red dashed line represnetsensemble average)观测的台风中心强度(黑色)与模拟预报结果(红色)如图 1b 所示。
