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精细“配料” 探索前沿
——美国及欧洲飓风预报特色解读

发布时间:2015年07月21日 来源:中国气象报社

  中国气象报记者 贾敏

  7月份,台风/飓风季(热带气旋如若生成在西北太平洋称之为台风,在北大西洋称为飓风。在文中统称为台风。)拉开帷幕。在此期间,总会有一些不同寻常的故事发生:台风在茫茫大海上双旋、三旋共舞,大跳华尔兹;一些台风行踪诡异,去了又回,不走寻常路;有的台风几乎数次在同一地点登陆。如此种种,都在挑动着各国预报员的神经,考验着他们的预报水平和能力。

  作为在预报界实力位居世界前列的美国国家飓风中心及欧洲中期数值预报中心(以下简称欧洲中心),专家又是凭借着怎样的积淀与手段,与如此调皮的“台风小子”周旋,并能较为准确地预判其路径及生消发展变化的呢?

   “配料”精细,科研业务不分家

  “目前,世界多数国家(包括我国)都已经进入了数值预报时代。”中国气象局台风与海洋气象预报中心高级工程师钱奇峰告诉记者,数值模式的起点是初始场,需要被“喂入”原始观测资料(包括地面观测资料、卫星以及雷达观测资料等)。这些数据经过模式按照一定的规律进行计算,才能最终得到预报结果。

  不难发现,初始场中资料准确与否,资料运用是否恰当,都会决定预报的质量。“模式是一个不断循环的过程,一个细小的误差,也会在预报过程之中被不断地放大,最终可能得到完全相反的结果。”钱奇峰坦陈,而不同类型的观测资料都有其特殊性,只有对这些资料有了深入的认识,才能把它们用好。“部分加入到数值模式初始场的资料如若没有得到正确应用,反而可能起到负面效果,产生破坏性作用。”此外,不同类型的资料在初始场之中并非单独存在,而是互相影响。

  “这就好像是做菜,各种佐料的比例如何搭配都非常讲究。”钱奇峰比喻说。

  而为了找到不同观测资料最好的搭配状态,研究人员开展了反复且精细的“配料实验”。在每一次台风到来之后,他们都会记录海上仪器的观测数据,之后再与数值预报结果进行对比。如此一来,可算出每种类型的资料应用到何种程度,预报结果最接近真实状态。

  正是经年累月、反反复复的精细实验,使专家加深了对各类数据的理解,并使其应用效果日臻完善。

  “当然,这样的工作也可以由不同的科研部门分别独立完成,一旦有了成熟的结果之后,就会通过Testbed这一平台,与业务对接。Testbed最核心的理念是将科研与业务合为一体,最终满足业务需求。”钱奇峰说。

  欧洲中心虽然不对台风直接进行预报(欧洲一年四季几乎都不会受到台风影响),然而,由于其优秀的同化能力和物理参数化方案,因此其对环流形势的预报较为出色。而台风的路径及强度与大气环流形势息息相关,因此,借助欧洲中心的模式,也能够对台风的强度及走向做出较为准确的判断。

  数值预报能力不断提升

  中央气象台首席预报员许映龙介绍说,美国较高的预报技术还要归功于数值预报模式的水平及垂直分辨率的提高、物理过程的改进以及海陆耦合模式的应用。如今,美国数值预报模式的网格已经从以往的9公里精确到了约3公里。“数值模式网格缩小,其分辨率会相应提升,能更清晰地反映台风的结构和路径。”

  物理过程的改进对于模式预报准确性的提升也有着潜移默化的作用。许映龙说,通过外场科学实验,科学家发现,当台风增加到一定的强度时,其表面除却水汽,还存在很多水沫。如果在模式之中不加以区别,得出的强度预报结果就会偏强。将水沫与水汽区别开来,是改进模式物理过程的一个经典案例。“当然,模式的改进也不能缺少计算机强大的计算能力在背后的支持。网格越小,分辨率越大,需要的计算速度越快。在美国,计算机的计算能力每隔几年就会提高一倍。”

  在美国,数值模式技术的另一大改进便是海陆耦合模式的应用。许映龙解释说,海陆耦合模式就是将大气模式输出的资料,包括气压、风、湿度、温度等资料放置到海洋模式之中。由于海洋为飓风提供能量以及热量,并且对其热量交换起到重大作用。因此,将大气和海洋模式进行耦合,得出的预报结果无疑会更加准确。
“在美国,海陆耦合模式已经进入到了业务化运行当中。”许映龙说。

  穿越台风,探索前沿

  “美国科学家通常热衷于探索未知,开创先河。”钱奇峰告诉记者,凭借其强大的军事实力,美国人在很早之前,就驾驶军用飞机,穿越飓风。

  “飞机并非直线飞行,而是要经过两次相反方向的穿越,了解台风内部四个方位的状况;同时,他们还会将探测仪器从高空投掷到台风内部,让仪器在下坠的过程之中记录台风不同层次的气象要素。”钱奇峰说。通过富有胆识的探索,美国也较早地掌握了台风各个层次,包括从台风眼、台风壁到台风外围云系这些不同的位置之中,风、温、湿、压增加或衰减的规律,这样的认识对于改进数值模式、提高预报准确性同样大有裨益。

  分工明确,后台系统快速便捷

  曾经在美国国家飓风中心接受过培训的钱奇峰告诉记者,该中心专门设立了技术支持部门,主要负责为首席预报员提供观测分析、数值预报处理,并提供一些客观方法的支持。例如,在业务预报中,往往会为不同的数值预报模式分配权重(根据往年预报与实况资料对比得到的结果,表现最出色的模式会被分配以较大的权重)。当首席预报员“登场”后,就可以直接分析资料,并进行高效预报。

  现代化的预报平台也为首席预报员提供了“高水准”的服务。所有资料,包括观测资料、模式资料、权重分配状态等都会集中呈现于这一平台上,便于首席预报员随时调取。更加贴心的是,后台系统还会提前将数据转化成容易识别的图形,并将其投影在地图的相应位置上,各种图形的调取速度均较快。这在无形中减少了预报员的工作量,使其专注于预报,提高效率和质量。

  “欧洲中心以及美国国家飓风中心预报能力之所以较强,‘人’的作用至关重要。”钱奇峰讲述道。比如在美国国家飓风中心,不少人都只负责一小部分的业务,如雷达资料处理和分析。但他们却会终其一生只做一件事,将其做到极致,无人可以比拟。

  欧洲以及美国也非常注重对中小学生的科普教育,部分学校将其列为必修课程。经过培训的专家对中小学生的启蒙,会在孩子们的心中播下“憧憬”的种子。“美国国家飓风中心多数科学家都是凭借兴趣,进入这一领域,而兴趣会幻化成无限的激情,充分调动人的潜能,最终推动整体预报实力的提升。”钱奇峰说。

 

(来源:《中国气象报》2015年7月15日四版 责任编辑:张永)

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