█ 张定媛

1.引言

　　亚洲及太平洋区域最常见的两大灾害是洪水和风暴，而这二者绝大多数与台风造成的影响相关。1968年，联合国亚太经社会（ESCAP）和世界气象组织（WMO）共同建立了政府间组织台风委员会，目前有14个会员国，中国是其创始会员之一。今年是台风委员会成立50周年，在其2017—2021战略规划中确定了两个目标和五个关键成果领域（KRAs），即台风委员会特别关注的关键的、首要的优先领域。两个目标是分别是降低会员国与台风有关灾难造成的总死亡率和直接经济损失。而这两个目标是通过五个关键成果领域来实现的，其中一个关键成果领域是利用基于影响的多重预测和基于风险的预警，提高生成和提供准确、及时和可理解的信息的能力，即与台风预报水平的提升密切关联。

　　为了了解国际上热带气旋（TC）预报的最高水平，更好的审视中国台风预报的整体发展状况及其在国际上的位置，我们基于世界上开展TC预报业务的主要国家和机构的TC预报评估工作，对TC预报的主要指标及各机构预报的客观对比结果进行了收集、整理和分析。

2.中国台风业务预报

　　中国已经建立了以气象卫星、多普勒天气雷达、探空气球、地面自动观测站、海上浮标等为基础的台风海-陆-气一体化协同观测系统，能对台风开展全方位的实时监测，为台风业务和科研提供第一手资料。中国气象局与世界气象组织日本东京台风中心（RSMCTokyo）、香港天文台（HKO）和美国海军的联合台风警报中心（JTWC）共四家机构，在西北太平洋区域开展台风最佳路径资料的整编和共享。

　　近30年来，随着气象观测技术的发展、计算机性能的提高以及数值预报模式的改进和升级，尤其是资料同化技术的发展应用等，台风预报业务不断发展进步。台风预报时效延长，预报准确率和精细化程度提高，预报指导产品也更为丰富。

　　在过去的几十年中，中国的台风路径预报准确率在不断提高。台风路径预报已由半经验半理论的定性预报方法，发展到以数值预报为基础，以人机交互处理系统为平台，综合应用多种资料和方法的预报技术路线。这些预报方法包括动力统计预报、动力释用预报、神经网络方法、多模式集成预报、（单一模式）集合预报、（多模式）超级集合预报等^[1]。如图1所示，自1985年以来，中国气象局24～120h各时效台风路径预报准确率都取得明显进步，其中2015年各时效台风路径预报准确率均创历史新高。24h台风路径预报误差在过去30多年中减少了约70%，并且2015—2016年连续两年稳定在70km以内^[2]。

　　不同于台风路径预报水平的大幅提升，台风强度预报水平的显著提高还需要时间。对台风强度预报结果的检验分析主要是针对台风中心附近最大风力（最低气压）的预报误差。图2显示的是2001—2012年逐年中央气象台台风强度预报误差，从图上看，这十余年间台风强度的预报水平并没有明显改善，预报误差呈现逐年波动状态，预报强度（风速和气压）偏强几率较大^[3]。

3.热带气旋预报验证和比较

3.1 数值试验工作组（WGNE）数值天气预报业务模式TC预报比较

　　世界气候研究计划（WCRP）联合科学委员会（JSC）和世界气象组织（WMO）大气科学委员会（CAS）共同建立的数值试验工作组（WGNE）负责促进用于天气、气候、水和环境所有时间尺度预测的大气环流模式的发展，并进行诊断和解决不足。1992年，日本气象厅（JMA）在第八届WGNE会议上报告了JMA、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和英国气象局（UKMO）三家全球数值天气预报业务模式TC路径预报的验证结果。自此，每届WGNE会议上JMA都会提交最新的验证比较报告。中国气象局（CMA）于2004年与法国气象局（FRA）一起加入了该比较项目（表1）。截至2016年，共有12个全球模型参与了比对，验证区域也已经从第一次验证的西北太平洋区域扩大到覆盖全球范围。

　　2016年，JMA将全球划分为西北太平洋（WNP）、北大西洋（NAT）、东北太平洋（ENP，含中央太平洋CPC）、北印度洋（NIO）、澳大利亚（AUR）和南印度洋（SIO）共六个区域进行TC预报的验证，如图3所示^[4]（下同）。WNP区域是项目最开始的验证区域，也是全球年平均TC数量最多的地区，预报关注度最高，其次为东北太平洋和北大西洋区域，北印度洋区域的TC数量最少。验证参考的是每个区域专业气象中心和热带气旋预警中心（TCWC）报告的最佳路径位置和强度。图4给出了各个TC验证区域3天预报位置误差年均值的时间序列，需要指出的是，不同预报中心的验证样本数量并不一致，由于样本的的非均一性，在任何特定年份或特定区域的模式预报结果比较是存在一定局限性的。除NIO区域因数据量太少外，其余区域还是可以看出预报误差呈下降的趋势。根据JMA数据[4]，以ECMWF的全球数值天气预报系统为例，2012—2014年的三年平均5日预报位置误差为385km，而1991—1993年的2日和3日预报误差分别为331和435km，表明在这22年间TC路径确定性预报时效大约提前了2.5天。

3.2 WMO登陆台风预报示范项目（WMO-TLFDP）

　　中国气象局华东区域气象中心于2009年10月向世界气象组织提议设立WMO登陆台风预报示范项目（WMO-TLFDP）。2010年5月，该项目在2010年上海世博会期间启动，中国气象局上海台风研究所为项目牵头机构之一。WMO-TLFDP旨在增强分析和认识登陆台风预报可信度的能力，评估先进的登陆台风预报技术对提高预报和服务能力的贡献及其社会和经济效益，增强上海多灾种早期预警系统的登陆台风预报能力，展示世界上先进的登陆台风预报技术，推进先进的登陆台风预报技术在WMO成员的业务转化和应用^[5]。

　　在第一阶段（2010—2012）和第二阶段（2013—2015）期间，WMO-TLFDP项目从15家台风预报产品提供机构（TFPPs）收集实时TC预报产品（表2^[6]（下同）），包括确定性台风路径和强度预报、路径和强度的集合预报、确定性大风半径预报、大风概率预报和格点模式输出（表3）。产品通过项目网站（http://tlfdp.typhoon.gov.cn/）和上海台风预警中心的业务网站进行传播。在第三阶段（TLFDP-III，2016—2018）中，项目将继续努力展示和评估新开发的TC预报技术，制定和记录TC预报验证的高级指南，并特别关注TC强度和降水。

　　TLFDP在TC预报验证方面取得了重大进展，包括建立了实时和季节后TC预报验证工具，开发和整合了几项新的验证技术，对西北太平洋地区TC预报验证的业务状态进行了调查，并为WMO文件“热带气旋预报验证”做出贡献。自2010以来，对业务预报机构和确定性数值预报模式的TC路径、强度和降水进行评估，以揭示当前的TC预报指南对西北太平洋区域的预报能力。自2013年起，由中国气象局上海台风所负责，每年向ESCAP/WMO台风委员会提交针对西北太平洋区域的季后预报验证报告。还提出了基于集合预报系统（EPS）产品或多重确定性数值预报模式产品的新TC路径和强度预报共识方法。

3.3 西北太平洋区域TC路径预报验证

　　TC位置误差或路径误差的定义为TC预报中心位置与验证时最佳路径位置之间的大圆差。TC的位置误差通常是代表整个台风季样本的平均误差。基于台风委员会第50次会议上海台风所发布的《2017年热带气旋业务预报验证》报告^[6]，表4展示了2017年预报时效为24、48、72、96和120h的TC预报平均位置误差，该验证选择的最佳路径数据集为日本东京台风中心的资料。从中可以看出，各官方预报机构的平均预报误差在24、48、72、96h预报时效上十分接近，120h预报上差距相对较大。官方预报中，中国气象局的24h预报误差最小。所有的预报方法比较，中国气象局区域模式CMA-TRAMS在24h预报时效表现最佳，但其样本数量最小。综合来看，与2016年一样^[7]，欧洲中心全球模式ECMWF-IFS仍为2017年度TC路径预报表现最佳模式。

3.3.1 主观确定性预报

　　通常，台风官方预报机构发布的是主观确定性预报。从24、48、72h台风路径官方预报误差趋势可以看出（图5^[6]（下同）），近十年各官方机构台风路径预报水平呈提升趋势，但2017年的位置误差略大于前两年。在五家官方机构中，中国气象局24h台风预报也从十年前的最末水平跃升至2017年的最佳。

　　需要指出的是，由于缺乏足够的TC观测资料以及用于估算TC位置和强度的技术不同，不同TC数据集中TC的位置、强度和结构信息通常有所不同。因此，用于验证的最佳路径数据集的不同，可能会导致TC预报表现的差异。图6展示了不同的TC“真实”位置对TC路径预报验证结果的影响。实线是参考不同最佳路径平均值的预报误差，阴影区为最大和最小路径误差范围。从图上可以看出，使用不同的观测数据作为参考，存在5%—10%的路径误差偏差。

　　图7为路径误差玫瑰图（TER），用来评估路径预报方法的系统偏差。TER与“风玫瑰”图的概念相同。图中显示了2017年72h5个官方预报的位置误差的方向和幅度分布。在TER图中，划分了16个方位，每个颜色条表示不同的位置误差幅度，每个颜色条的长度代表每个方位角度的比例。玫瑰图表明了每个方位角的位置误差分布（误差范围（色标）分布和样本占比（径坐标）分布）。以JTWC为例，他们72h预报的TC位置主要偏东北方向。东北方向的样本量百分比接近22%，主要位置误差范围在100～200km、200～300km、300～400km，分别占7%（黄色）、6%（红色）和4%（蓝色）。

3.3.2客观确定性预报

　　部分全球模式和区域模式24、48、72h台风路径预报误差趋势如图8所示，从图上看，全球模式ECMWF-IFS基本在历年各个预报时效中表现最优，中国气象局区域模式CMA-TRAMS表现大致位列前三。

　　从图9可以看出，以不同的观测资料为参考，72h以内预报时效的全球和区域模式均存在4%—6%的路径误差变化。预报时效增加到120h，误差将增加到12%—19%，以CMA-T639和KMA-GDAPS模式为甚。

　　图10显示了2017年不同预报时效全球和区域模式相对实际风暴位置的方向和幅度误差的极射散点图。不同颜色文本代表了不同模式预报年平均位置相对于最佳路径数据集的位置。图10显示，每个全球模式的系统偏差明显不同。随着预报时间的增加，NCEP-GFS、ECMWF-IFS、UKMO-MetUM、JMAGSM和CMA-T639的系统偏差分别趋于东南、西、东北、东、东南和西南，120h预报系统偏差值达到60km。对于区域模式，GRAPES-TCM和SHANGHAI-TCM的系统偏差倾向于北部和西南部。GRAPES-TYM的系统偏差在48h内倾向于偏北，超过48h的转向西南。HWRF、CMA-TRAMS和BoM-ACCESSTC未显示出明显的系统偏差。

3.3.3集合预报系统

　　为了评估集合预报系统（EPS）的TC路径预报表现，需要将集合成员取均值来使预报变为确定性。图11为6个EPS的集合平均路径误差。在72h以内预报时效中，ECMWF-EPS为最佳集合预报系统，但大于72h预报时效时，NCEP-GEFS表现最佳。

3.4 西北太平洋区域TC强度预报验证

　　台风强度预报误差（即最大风速和最小压力）的定义为验证时间的预报强度和最佳路径强度之间差值的平均绝对误差或平均相对误差。表5显示了2017年各个预报时效每种方法最大风速预报的平均绝对误差，所有预报方法的风速为10分钟平均值。与2016年一样^[7]，2017年全球和区域模式的强度预报误差仍然高于官方预报，由此可见，在TC强度预报中，预报员主观判断的加入能更好的提升预报的准确度。

　　参照不同的TC最佳路径强度或实时强度，图12显示了各种预报方法强度误差的变化范围，从图中可以看出，使用不同的观测数据作为参考，官方预报强度验证结果可能存在15%—25%的差异，而全球模式与区域模式误差区间更广。这表明与TC位置相比，最佳路径或实时记录中观测到的TC强度的差异更大。

4.美国飓风预报

　　WMO的最新报告指出，2017年激烈天气和气候事件造成的损失到达3200亿美元，其中美国的3个飓风Harvey、Irma和Maria造成的损失就高达约2650亿美元[8]。面对自然环境灾害时，社会的脆弱性日益增加，在此背景下，美国国家天气局（NWS）进行了改革并以把美国建设成“时刻准备、有求必应、灵活应变”的“做好应对气象灾害准备的”国家作为未来的发展愿景。过去25年，美国TC预报有了很大改进（图13^[9]（下同））。NWS的访问报告中指出^[9]，2017年Irma飓风登录前，热带低压还未在大西洋上形成时，美国GFS模式提前8—10日捕捉到了Irma飓风对美国东南部构成威胁。而模式预估的路径向右急转向北，虽然具体登陆点不确定，但可信度也足够提前六天对美国东南部佛罗里达州发出预警，最终模式结果也得到了证实。

• Harvey飓风复合路径预报

　　图14显示了2017年美国飓风Harvey的复合路径预报图。黑色轨迹为最佳路径，图中可以看出，飓风登陆之前，美国全球预报系统（GFS）、欧洲中期预报中心和美国飓风天气研究和预报模式（HWRF）都显示出了不同程度的西南向偏差。

• Irma飓风路径预报误差

　　图15给出了美国、欧洲和英国三家对Irma飓风的路径预报误差比较。36h以上预报时效，ECMWF模式显现出了绝对的优势。

• Maria飓风路径预报误差

　　而在Maria飓风路径预报中，GFS模式表现优于其他模式预报，如图16。

5.小结与讨论

　　前面的章节给出了公开报告或文献中记录的WMO和WCRP指导下的TC预报验证项目所关注的预报验证指标，目前预报评估工作关注的重点主要是TC路径和强度的确定性预报，概率预报的评估产品不多，台风降水和高风预报等指标的验证尚未受到足够的重视。此外，由于验证指标误差与最佳路径数据集资料高度相关，需要加强对台风的实时监测，获取更多观测资料，改进估算技术，努力提高数据集的“真实性”。在业务第一线，预报员层面也有关注侧重点，基于WMO-TLFDP调查^[7]，预报员认为台风预报中最难的也是最为关注的指标是登陆点、强度变化和风雨覆盖范围。其他精细化水平预报指标如风雨强度、持续时间、台风初始强度、尺度、移速、环境气压、环境风切变、洋面温度等或可纳入考量的范围。

　　根据TLFDP和WGNE两个项目的比对清楚的表明，无论是TC路径的官方预报还是客观模式的预报，在过去十几年间都有了明显的改善，且模式的客观预报水平甚至优于官方主观预报水平。在西北太平洋区域，路径预报时效获得了2.5天的提升。中国的台风路径预报水平也有了大踏步的前进，2015—2016年连续两年路径误差稳定在70km以内，已经跻身世界先进行列。2017年，在24h预报台风路径官方预报和客观模式预报的验证中，中国均位列第一。中国在台风预报和保障能力正逐步从跟随向引领转变。中国气象局台风所承担的西北太平洋TC预报验证工作即是对预报水平和能力的一种肯定。

　　TC强度预报中，官方预报误差要小于模式预报误差，表明预报员在强度预报中所发挥的主观能动性还是不可或缺的。但由于影响TC强度的因素错综复杂，缺乏对海洋与大气界面精细物理过程的科学认知，各国TC强度预报在过去很长时间内几乎没有任何进步，预报性能的提升预计还会经历一个漫长的过程。

参考文献：

[1]钱传海,端义宏,麻素红,等.我国台风业务现状及其关键技术[J].气象科技进展:英文版,2012,02(5):36-43.

[2]黄彬,等.预报准确率迈入国际先进行列——我国台风预报技术与科研进展纵览[N].中国气象报,2018-3-1(3).

[3]张守峰,余晖,向纯怡.中央气象台台风强度综合预报误差分析[J].气象,2015,41(10):1278-1285.

[4]Yamaguchi,M.,J.Ishida,H.Sato,and M.Nakagawa,2017:WGNE Intercomparison of Tropical Cyclone Forecasts by Operational NWP Models: A Quarter Century and Beyond.Bull.Amer.Meteor.Soc.,98,2337–2349.

[5]雷小途,余晖.WMO 登陆台风预报示范项目研究进展[J].气象科技进展,2015(2):18-23.

[6]Shanghai Typhoon Institute/CMA. Verification of tropical cyclone operational forecast in 2017. http://www.typhooncommittee.org/50th/6-TC50Technical.html

[7]Xiaotu LEI,Guomin CHEN,Xiping ZHANG,Peiyan CHEN,Hui YU,Rijin WAN.Performance of tropical cyclone forecast in western North Pacific in 2016. http://tlfdp.typhoon.gov.cn/index.php?controller=cms&action=list&pid=142

[8]World Meteorological Organization.WMO Statement on the State of the Global Climate in 2017. https://library.wmo.int/opac/doc_num.php?explnum_id=4453

[9]Louis W. Uccellini.National Weather Service Progress in Building a Weather Ready Nation.