引言

2009年, 西北太平洋及南海海域共生成23个风暴及以上等级的热带气旋(Tropical Cyclone, 以下简称TC), 其中登陆我国的TC有11个(7个登陆华南、2个登陆华东，0905热带风暴苏迪罗和0908台风莫拉克在我国两次登陆)。与常年相比, 2009年TC生成频数偏少, 但影响我国的TC频数偏多、登陆比例偏高。

当前可供热带气旋实际业务预报参考的主客观方法众多, 如2009年参加全国业务发报的分析和预报方法就达20多个。但是，由于实际分析手段和业务预报能力的差异, 不同方法可参考的信度存在不同, 就是同一方法对不同类型台风个例的预报能力也存在差异^[1-4]。因此, 对各方法的性能进行客观评估, 将有利于进一步改善预报中的薄弱环节和提高预报及服务水平。本文依据《台风业务和服务规定》^[5]的客观评估办法, 对2009年参加全国业务发报的TC定位和业务预报方法进行了性能的客观评定, 以期对当前(2009年)我国的TC业务定位和预报能力有较系统了解，也为进一步改进这些方法的性能及在今后的TC实际业务中更好地使用这些方法的结果打下基础。

1 资料和方法 1.1 资料

本文所用的TC最佳路径数据取自中国气象局上海台风研究所(CMA-STI)整编的热带气旋最佳路径数据集^[6], 该数据集包含每6小时的TC最佳路径和强度记录(其中台风强度是指近台风中心的最大风速), 参加评定的各业务定位及预报方法的预报数据取自实时业务资料库(事后各相关业务预报中心进行了核对)。

2009年参加台风精度评定的定位和预报方法见表 1。主要包括：6个定位方法, 21个路径预报方法(包括12个综合预报方法、3个客观预报方法和6个数值预报方法), 以及4个强度方法。

1.2 方法

TC定位和预报精度的评定方法，取自《台风业务和服务规定》第6章^[5]。

2 TC定位精度评定

以《2009年热带气旋年鉴》中发布的最佳路径为依据, 统计中央气象台、日本气象厅、美国联合台风警报中心(JTWC)和韩国气象厅的官方实时定位及北京、日本卫星实时定位的平均距离误差(表 2)。结果表明:日本卫星定位误差最小, 仅15.7 km；与之相当的是中央气象台和日本气象厅的定位误差, 分别为15.8 km和16.0 km。各方法定位误差总平均为17.1 km(共2832次), 相比2006年(总平均为20.5 km)、2007年(总平均为23.4 km)、2008年(总平均为19.6 km)略有改进。4个官方实时定位方法的平均误差为17.4 km(1993次), 2个卫星实时定位平均误差为16.5 km(839次)。各方法与2008年相比, 除中央气象台和北京卫星定位误差略有偏大外, 其他定位方法精度都有所提高。

3 TC路径预报精度评定 3.1 平均距离误差

由各台站综合预报的24小时、48小时和72小时TC平均距离误差(表 3)可见, 各台站24小时预报平均距离误差均小于135 km；48小时预报的平均距离误差均不超过245 km；大部分台站72小时预报的平均距离误差在300~400 km之间, 海南台的平均误差大于400 km。我国综合方法的24小时和48小时预报误差总平均为115.8 km(1540次)和217.5 km(1208次), 较2008年略偏大(分别为111.2 km和188.3 km)；但72小时预报的平均距离误差为357.1 km(595次)小于2008年(401.0 km)。

表 4列出的是客观预报的TC平均距离误差。24小时、48小时预报误差总平均分别为113.0 km(441次)和211.4 km(341次), 24小时预报逊于2008年(107.4 km), 但48小时预报优于2008年(218.2 km)。

表 5列出的是数值预报的TC位置平均距离误差。国内各数值预报方法的24小时、48小时预报误差总平均分别为：142.3 km(1100次)、266.2 km(885次), 均优于前两年(2008年为164.4 km和303.1 km, 2007年为161.5 km和289.4 km)。72小时数值预报方法的平均误差与2008年相当, 为453.5 km(682次)。其中北京数值模式和广州数值模式在3个时效的预报均有明显提高, 尤其是广州数值模式, 在2009年预报中24小时、48小时和72小时平均预报误差均有最佳表现。

此外, 参与评定的各客观方法和数值方法的24小时、48小时预报在2009年度都是正技巧水平, 且连续两年均为正技巧水平(图略)。

3.2 误差特征分析

进一步分析中央台、日本、JTWC和韩国4个官方综合预报方法的路径预报误差特征。图 1为2009年不同方法24小时、48小时和72小时路径预报误差箱线。该箱线是由逐6小时记录统计分析作出的。箱线图上最大－最小值横线端线给出了相应预报误差的总体分布范围；柱体的上下端揭示了中值附近50%样本的分布域；柱体中间黑线确切给出了各方法预报误差样本的统计中值。可以看出, 对于24小时路径预报(图 1a), JTWC无论是从分布范围、中值还是从分位数来说, 都较其他3个综合方法有明显优势, 而韩国则各方面都表现最差。中央台和日本的中值及分布范围相当, 但中央台75%(第三四分位数)以上的样本值都在150 km以下, 而日本第三四分位数值偏大。也就是说, 总体分布而言, JTWC的24小时路径预报具有明显优势, 中央台次之, 韩国最差。对于48小时路径预报(图 1b), 中央台最大、最小预报误差、中值和第一分位数值略偏小, 而第三四分位数的值较日本偏大, 但与JTWC相当, 虽然表 3显示, 就平均误差而言, JTWC的值最小, 仅为213.3 km (中央台为218.0 km, 日本为225.6 km, 韩国为236.2 km), 但从总体分布上看中央台48小时路径预报具有一定优势。类似地, 对于72小时路径预报(图 1c), 日本总体预报性能最好, 无论在误差中值、第三四分位数和第一四分位数的分布上都有明显优势, 而JTWC第三四分位数的值明显偏大。

图 2给出了2009年4个官方综合预报方法24小时路径预报误差区域分布, 其中阴影代表误差值, 格点内的数字代表样本数。4个官方综合预报方法预报误差总体分布较为类似, 均表现出在135°~140°E附近海域、吕宋岛以东(15°~20°N, 122°~130°E)及南海北部等3个区域预报误差较小; 但在菲律宾北部及以北附近海域、菲律宾南部以东海域(15°N以南、130°~140°E)及20°N以北, 140°E以东海域预报误差最大。这表明虽然对台风的总体预报性能各中心有所差异, 但对不同台风预报的难易程度各中心可能是类似的。图中值得注意的是, 对我国近海海域来说, 中央台预报误差最小, 具有明显优势, 而JTWC和韩国预报误差相对较大, 这可能与不同预报中心关注的海域不同有关, 且在我国近海我们具有更多的探测设备和预报经验。4个官方综合预报方法48小时路径预报误差区域分布与此类似(图略)。

图 3给出了3个官方综合预报方法多年平均距离误差趋势图。可以看出, 3个方法的24小时和48小时路径预报误差曲线呈振荡下降趋势, 尤其是2002年前后, 下降较为显著, 表明近年来3个方法的路径预报水平都有显著提升, 但近3年来发展较为平缓, 尤其是48小时预报各中心预报误差都呈现略有上升的趋势。对72小时预报来说, 近年来3个中心都没有明显进展, 尤其是近3年误差明显偏高。而就不同中心来说, JTWC在24小时预报中水平始终处于前列, 日本次之; 对48小时路径预报, 2005年以前JTWC预报误差基本上是最小的, 但之后中央台提高较快, 在3个中心中预报误差最小; 72小时路径预报日本较有优势, 而JTWC性能较差。

3.3 综合评定指标

综合考虑预报的距离稳定度、方向稳定度、有效稳定度、转型灵敏度、变速灵敏度、相对于PC法的技巧水平等各要素, 再取以上6要素的权重分别为0.2、0.2、0.3、0.1、0.1、0.1的基础上, 得到1级综合评定指标。取24小时和48小时预报的1级综合评定指标的权重为0.4、0.6, 得到2级综合评定指标(AI)。表 6列出了各综合预报方法的综合评定结果, 表中AI值的下方为48小时的预报次数。

由表 6可见, 除海南台外, 各综合方法的AI值均超过0.75。各客观预报方法中(表略)上海集成样本最多、评分最高, 达到0.80, 与表 6中几大中心的综合方法评分相当；国内各数值预报方法的综合评定结果(表略)在0.71~0.85之间, 与日本数值的结果(0.78) 相当.辽宁数值模式和广州数值模式在国内的数值预报方法中, 评分较高, 也优于日本数值模式, 分别达到0.85和0.84, 但辽宁数值模式的样本较少, 仅为7个。

4 TC登陆点预报精度评定

如表 7所示(括号内为起报时间相对于TC登陆时间的提前时间(h), 下同), 2009年各方法的24小时登陆点预报误差与往年类似, 存在很大差异, 从几千米到几百千米不等, 国内综合预报大部分的平均登陆误差都小于100 km, 登陆时间的预报, 普遍都比实况提前15~23小时。除广东台外, 国内各综合预报方法都未能对0903台风莲花和0907台风天鹅提前作出登陆预报。从登陆误差看, 国内各综合预报方法对0908台风莫拉克在台湾花莲的登陆比较成功, 平均误差为22.2 km；而误差最大的是对0904热带风暴浪卡在广东惠州的登陆, 平均登陆误差达127.2 km。客观预报方法和数值预报方法24小时登陆点预报误差与综合预报方法预报误差情况类似, 这里不再赘述。

5 TC强度预报精度评定 5.1 平均强度误差

以《2009年热带气旋年鉴》中发布的TC最佳强度为依据, 统计中央气象台综合预报方法、广西遗传神经方法、上海统计释用方法和气候持续法对TC强度的预报平均绝对误差、预报趋势一致率和均方根误差, 结果如表8所示。可见, 24小时、48小时和72小时近中心最大风速预报的误差范围分别为3~6 m·s^-1、5~10 m·s^-1和6~10 m·s^-1。24小时和48小时近中心最大风速预报的平均误差分别为4.90 m·s^-1和7.43 m·s^-1, 相比2007年和2008年的平均水平, 24小时预报误差相当, 但48小时预报误差持续增加。

从最近2年各强度预报方法相对于气候持续法的技巧水平(表略)来看, 参与评定的强度预报方法24小时预报均表现出正技巧。各方法48小时和72小时的强度预报水平相对于2008年而言都有大幅度下降, 除了广西遗传神经方法48小时预报评分仍维持正技巧外, 中央台和上海统计释用方法均出现负技巧。

5.2 强度误差特征分析

下面进一步分析各强度预报方法的误差特征。图 4为2009年各方法24小时和48小时强度预报误差箱线。对于24小时强度预报(图 4a), 中央台强度预报误差具有最大的分布范围, 而广西遗传神经预报误差的分布范围最小, 这可能也与其样本较少有关; 此外也可以看出, 中央台75%以上的样本值都在3 m·s^-1以下, 其他方法在4 ~5 m·s^-1之间不等, 而气候持续法25%的样本值在-2 m·s^-1以上, 其他方法相对偏大。也就是说, 在24小时强度预报中, 中央台预报偏弱的概率较大, 偏强的概率小, 而气候持续法预报偏弱的概率较小, 但偏强的概率较大。对于48小时强度预报(图 4b), 中央台和广西遗传神经75%以上的样本值都在5 m·s^-1以下, 而气候持续法25%的样本值在-3 m·s^-1以上, 也就是说, 在48小时强度预报中, 中央台和广西遗传神经预报偏强的概率较小, 而气候持续法预报偏弱的概率较小。

图 5为各预报方法多年平均强度预报误差趋势图。相对于路径预报的显著提高, 近10年来强度预报无论是24小时还是48小时总体水平都没有明显提高。其中中央台和广西遗传神经在两个时效的预报基本优于气候持续法, 尤其是广西遗传神经, 在强度预报中表现出了较好的性能, 但其样本个数较少, 且仅限于南海地区, 所以在使用上具有一定的局限性。上海统计释用方法相对来说预报不是很稳定, 尤其在2003年以后误差明显增加, 但近3年来预报性能有所提高。

6 结语

本文对2009年TC定位、路径和强度预报情况进行了系统评定, 得到以下结论：

(1) 各方法的平均定位误差均小于21 km, 总平均误差为17.1 km, 较2008年有所改进。除了北京卫星和中央台定位误差较2008年略有增加外, 其他定位方法精度都有所提高。

(2) 国内综合预报方法的24小时和48小时路径预报的平均距离误差分别为115.8 km和217.5 km。客观预报方法的平均误差比综合预报方法略小, 24小时和48小时预报的平均距离误差为113.0 km和211.4 km；国内数值预报方法的误差则比综合预报方法稍大, 24小时、48小时和72小时预报的平均距离误差分别为142.3 km、266.2 km和453.5 km。进一步分析表明, 在中国、日本、JTWC和韩国4个官方综合预报方法中, 就误差总体样本分布来说, JTWC的24小时路径预报具有明显优势, 中央台48小时路径预报具有一定优势, 而日本72小时的总体预报性能最好; 就区域分布来说, 各官方综合预报方法预报误差总体分布较为类似, 但在我国近海海域中央台24小时路径预报表现出了较好的性能。

(3) 参与评定的各客观方法和数值方法的24小时、48小时和72小时路径预报在2009年度相对于气候持续法, 均表现为正技巧水平。

(4) 各方法对登陆点的预报误差从几千米到几百千米不等, 国内综合预报大部分的平均登陆误差都小于100小时, 登陆时间的预报, 普遍都比实况提前15~23小时。

(5) 24小时和48小时近中心最大风速预报的平均误差分别为4.90 m·s^-1和7.43 m·s^-1, 相比前两年的平均水平, 24小时预报误差相当, 但48小时预报误差持续偏大。在所有强度预报方法中, 广西遗传神经方法有最高的正预报技巧，但样本太少且仅限于南海地区, 在使用上具有一定的局限性。

致谢：张维副研究员、谭燕为本文提供了部分资料和帮助，特此致谢！