在气象预测界,「天气模型」是个非常重要的分支,利用超级电脑来模拟大气环境与条件,从当前的大气状况向未来推算天气的可能变化方式。除了提供一周预报外,更重要的是对于灾害天气的防治,像是台风/飓风路径的预测、降雨量的推估等,是现代气象预报不可或缺的工具。由于模型的推演需要极强大的电脑运算力与理论基础的支撑,长期以来气象模型的发展都被视为是国力的一种象征,各国都会试图开发自己的系统,并且比较模型的准确性。目前最大、最复杂的两套系统分别是美国国家气象局
(NWS) 的 Global Forecasting System (GFS) 与欧洲中期天气预报中心(ECMWF)
的 Integrated Forecast System
(IFS),每年到了台风季,两套系统谁对于路线和强度的掌握更加准确,总是个在天气爱好者间被拿来比较的话题。两者当中,GFS
相对是一套比较老的系统,里面的核心动态模型已经近 40 年没有更动,在 2015
年珊迪飓风时的预测大输给 ECMWF,对美国更是一大打击。因此近年间 NWS
先是大幅提升了电脑的运算力,由 776 TFlops 增加了十倍到 8.4
PFlops,并且开始试验性地运转一套新的核心动态模型,名为 Finite-Volume
Cubed-Sphere,简称 FV3。FV3
除了能更有效率地利用电脑资源之外,也能更好地模拟垂直的气流变化,让它对雷暴、热带气旋等天气现象有更好的掌握度。在试运转了一段时间后,今天
NWS 终于宣布了由 FV3 取代旧核心,并启用了新的 GFS
系统。然而,并不是所有人都对 FV3 的表现有信心。就以当前的状况来说,FV3
在某些地方比旧核心优异,但在其他地方又有所不足,特别是对于热带气旋路径与强度的预报来说,虽然有对垂直气流的特别观注,但准确性依然大致上与旧系统在伯仲之间。因此虽然
FV3 赶在了 2019 年的飓风季前夕启用,但是否真能与 ECMWF
抗衡,目前还不好说。只是旧的 GFS
模型经过这几十年的演化,已经差不多走到了极限,如果美国想要进一步提升预报准确性的话,换成新模型是势在必行的事。只能希望
FV3 能在未来几年内持续不断进步,为我们带来更准确的预报啰!关注“新海外”
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气候变化或让台风范围越来越“北”

“哈维”飓风成天气预报“实验室” 两项研究有助提升预报水平

 

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8月10日,第9号台风“利奇马”登陆浙江温岭,这是今年登陆我国的最强台风。台风“踏足”之处不仅意味着大风天气,更带来多种灾害,浙江临海全市被淹,永嘉发生山体滑坡……

“哈维”飓风的卫星图像 图片来源:NOAA/NASA

与以往台风不同,此次台风生成的纬度较高,登陆地点不再“偏爱”华南地区,而是选择华东地区,而后一路向北,是什么原因造成了这种现象呢?这是否会成为日后的常态?为此《中国科学报》记者采访了业内专家,一探究竟。

本报讯
长期以来,美国气象预报员一直在羡慕英国雷丁市欧洲中期天气预报中心的同事们——他们的飓风预测模型依然是全球的黄金标准。令人遗憾的是,2012年,美国国家气象局未能预测到飓风“桑迪”进入新泽西州的事实,而ECMWF的结果被证明是正确的。如今在“哈维”飓风中测试的两项创新试验,一个来自美国宇航局,另一个来自美国国家海洋和大气管理局,则有助于提升该领域的研究水平。

八月海水不“太平”

澳门新普京下载 ,NOAA的产品是一种全新的预测模型。两年前,位于新泽西州普林斯顿大学的NOAA地球物理流体动力学实验室赢得了一场竞赛,为下一代的NWS天气模型提供计算机编码。目前的NWS模型必须等待一个耗时的全球模拟结果,然后才能放大到一个较小的区域,并运行一个高分辨率的飓风模型。而在GFDL的新代码中,下一代NWS模型将能够同时在全球范围内模拟风暴,从理论上讲,它可以改善对于飓风路径的预测,因为它的精确预测会立即反馈到模型的下一次运行,而不是滞后的。

台风是热带气旋的一种。因发生地理位置不同,热带气旋的名称不同,西北太平洋地区的热带气旋为“台风”,而大西洋和东北太平洋地区的热带气旋则依强度称为热带低气压、热带风暴或飓风。

GFDL的模型被称为FV3,它准确预测了“哈维”飓风将会形成一圈双环的环形风暴。该模型“放大”了视图还提前5天预测了休斯敦的极端降水总量,该研究负责人、负责开发FV3代码的GFDL科学家Shian-Jiann
Lin说。

与飓风类似,台风也在赤道附近的温暖海域上空产生,把大量的热带温热空气吹向两级。台风的强盛期一般出现在夏至或夏季开始后的两个月。在我国,8月通常是生成台风最多的月份。仅8月上旬,第7号台风“韦帕”、第9号台风“利奇马”就相继登陆。

不过,科罗拉多博尔德国家大气研究中心气象学家Chris
Davis说,应该谨慎地解释这样的结果。“我不认为关于一个模型有意义的结论可以通过一场风暴得出。”但是Lin说:“如果你算上‘哈维’的全部历史……我认为FV3总体上可能是最优秀的。”当它在明年开始为美国的天气预报提供服务时,FV3可能会帮助预测飓风。

强热带气旋引人瞩目的一个重要原因是风力强劲,破坏力惊人。以飓风为例,美国国家海洋和大气局(NOAA)下属的大西洋海洋气象实验室(AOML)的统计显示,一次普通的飓风所产生的能量相当于一天世界总发电量的200倍。这样的能量足以给一座城市带来灾难。

目前,飓风强度比路径更难预测,而在这方面,NASA可能会提供帮助。许多模型都没有意识到“哈维”飓风在登陆前会成长为一场四级风暴,部分原因在于风速的数据是不稳定的且很难收集到。去年12月,NASA发射了一组8颗相同的微型卫星,被称为“飓风全球导航卫星系统”,以填补这一空白。CYGNSS的工作原理是利用GPS卫星反射的无线电信号,探测到海洋表面的粗糙度——这是风速的一个标志。这些长波长信号可以穿过覆盖飓风以及阻挡微波的雨幕。

及早预测台风成为人类减小灾害影响的重要方式。近年来,全球的气象专家通过计算机模型提高了预报水平,该模型包括各种物理过程和数据资料。此外,各种新型的、先进的数据收集方法也应用其中,包括数据收集浮标站、气象卫星、追踪器集中探测、沿海观测点和气象雷达等。

对“哈维”飓风的研究是第一次在狂风中对CYGNSS进行测试。8月25日,在“哈维”登陆前,安阿伯市密歇根大学大气科学家和工程师Christopher
Ruf把自己绑在了一架P-3涡轮螺旋桨飞机上——这是NOAA的飓风猎人——飞往风暴中心。随着飞机反复坠入风暴眼壁,Ruf每一次都能感觉到风变得更猛烈——风暴正在迅速加剧。

目前,预报中通常提示,台风将在某地到某地之间的海岸登陆。中国工程院院士、国家气候变化专家委员会副主任丁一汇告诉《中国科学报》记者,新技术多手段的融入大大提升了台风预测的准确率,但误差仍然存在。目前,中国预测预报台风的水平与国际大致相同,24小时内台风路径的平均误差为70公里左右。“台风路径预测已经达到了一个比较精准的水平,进一步提高路径预报精度可能比较困难。”

Ruf说,需要几周的时间才能够知道CYGNSS是否捕捉到这一风力的剧烈增强过程。气象部门将密切关注他的研究结果。Ruf指出,从技术上说,“星座”只是一项为期两年的实验,但卫星可能会被用于NOAA的运营服务。“我们的模拟表明预测技能被提高了。现在我们需要证明它是真的。”

强度预测是难题

四级飓风“哈维”是56年来得克萨斯州遭遇的最强风暴,8月25日晚登陆该州沿海地区后,26日减弱为热带风暴。截至当地时间28日晚,至少11人在飓风“哈维”引发的灾害或事故中死亡。随着休斯敦地区积水面积不断扩大,越来越多的区域接到强制或自愿撤离令,近6000人主动前往或被营救至临时避难所。得克萨斯州目前已有50个县被划为灾区,超过30万居民断电。休斯敦两个主要机场已取消所有商业航班,多数休斯敦地区大中小学宣布开始停课。

此次“利奇马”的登陆过程也受到外界关注,浙江省气象台早在8月5日就发布了“利奇马”的登陆信息,日本、菲律宾等周边国家也预测到“利奇马”的形成,但均未能预测到其强度如此之大。

最新气象预报显示,“哈维”可能于29日返回墨西哥湾上空,积蓄更多暖湿空气后,于30日上午前后在得克萨斯州东南沿海地区再次登陆,并向东北方向移动,先后影响得克萨斯州东部和路易斯安那州等地。受此影响,路易斯安那州28日已宣布进入紧急状态。

丁一汇介绍,预测台风“来不来”,在哪登陆,移动路径如何已经不是重要的难题,预测台风的登陆强度日益成为世界难题。

《中国科学报》 (2017-08-30 第2版 国际)

台风是如何变强和减弱的呢?通常,作为热带气旋,台风移动到较冷水域或陆地上空后会减弱,遭遇热带气流会加强。但是,如果台风持续在暖水区移动,由于遇热增温与水汽输入增加,对流系统强烈发展,台风强度会快速变强。这是台风预报的难点,也是未来台风预报的重大挑战之一。

丁一汇解释,台风强度首先受大气影响,大气中的温度、湿度、气压、风以及凝结过程中潜热的释放都与台风强度有重要关联。值得注意的是,上述大气诸要素的变化,均与海洋和陆地的变化密切相关。“台风强度并不是‘大气单方面说了算’,影响台风强度的因素很多,并且量化难度大,目前国际上还没有成熟的台风强度预测模型。”

台风“北上”或成常态

尽管人类还未能做好预测强台风的准备,但未来一段时期内,或将有更多强台风出现。

“可以把台风想象成一台发动机,当全球变暖后,这台发动机的燃料增多效率增加,自然输出‘功率’就更大了。”中科院大气物理研究所副研究员武亮说。

此外,他介绍,2018年为厄尔尼诺年。一般来说,受厄尔尼诺现象影响,西北太平洋台风生成位置偏东,台风发展为强台风的可能性也会增大。

除了强度,“利奇马”另一备受关注的原因是登陆地点。肆虐江浙地区后,8月11日傍晚“利奇马”在山东省沿海地区再次登陆。这种“北上”的台风,与在广东、海南、台湾等地登陆的“南方台风”并不完全一样,发生概率较低。

丁一汇表示,整体来看,气候变化会对台风登陆地点北移造成一定影响,但就一次台风过程,比如“利奇马”就得出这样的结论为时尚早。他强调,要判断台风强度的变化与气候变化是否有关,需要看数据质量、数据密度、数据来源和研究方法,并且需要长期观测。从气候变化对未来台风发生位置的趋势讲,“北上”台风的发生数量将会增加。

从全球来看,也呈现出台风、飓风等热带气旋向极地推进的趋势。武亮介绍,具体表现为南半球的台风向南极推进,北半球的台风向北极推进。接下来,我国的北方沿海地区或将成为台风的“首选”登陆地。

 

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