褚萌 雷小途 陈国民

摘要 目前，热带气旋预报性能的检验和分析多采用各中心每年台汛后整编的最佳路径数据集（即“年鉴”）资料作为真值。然而，由于年鉴资料通常在次年才能发布，所以在业务上，常以实时定位、定强资料作为“真值”进行预报性能的检验，因而不同机构（口径）给出的预报性能往往不尽相同，造成了混乱。此外，实际业务预报中，因没有实时的年鉴资料，各预报方法的起报位置只能采用实时业务定位，显然不可避免地导致了误差。为分析使用实时定位和年鉴作为“真值”进行预报性能检验的差异、评估定位误差对预报性能造成的可能影响，本文首先考察最佳路径和实时/初始定位之间的差异（即定位误差）及其分布特征，然后分析采用实时/初始定位和最佳路径作为“真值”计算预报误差时的差异，最后基于最基础的气候可持续性（Climatology and Persistence，CLIPER）预报方法初步评估了预报性能对定位误差的敏感性。结果表明：以中国气象局整编的年鉴（CMA-STI的最佳路径数据集）资料为“真值”，2013—2019年间国内外各主要预报机构及全球模式的定位误差平均为24.3 km;若以东京台风中心（RSMC-Tokyo）的年鉴资料为“真值”，则定位误差平均为26.2 km。分析发现，定位误差与强度密切相关，热带风暴阶段的定位误差高达35.7～41.1 km，而超强台风阶段的定位误差仅为7.5～8.3 km;在96 h预报时效内，以最佳路径为“真值”计算得到的平均预报误差均略小于以实时/初始定位为“真值”的误差，但强度越强差异越小;定位误差对短时效内的预报性能有较显著的影响。

关键词热带气旋;定位误差;预报误差;最佳路径

热带气旋的实时定位与季后整编的最佳路径定位时效性不同，所参考的观测资料也不完全相同，两者有时候存在一定的差异，使用它们作为热带气旋预报精度评估基准，计算得到的路径预报误差也存在差异。实时定位与最佳路径资料之间的差异称为热带气旋定位误差，由于对热带气旋的实时定位是国内外各主要业务中心的主观预报和各类客观预报方法（含数值预报）的初始点，而短预报时效内的天气（如热带气旋）预报具有对初值的敏感性（麻巨慧等，2011;Flora et al.，2018;Leonardo and Colle，2020），因此定位误差必将对热带气旋（路径和强度等）预报产生影响。

Neumann（1975）将定位误差定义为向客观系统提供的定位与经过后期分析订正的最佳路径间的矢量差。因此可将主客观预报中的实时/初始定位与最佳路径的差统称为定位误差。美国国家飓风中心（NHC，National Hurricane Center）在1968—1972年间，定位误差平均约50 km，初始移动误差约为1.8 m/s（Neumann，1975）。中国气象局上海台风研究所（CMA-STI，Shanghai Typhoon Institute of China Meteorological Administration）历年的预报性能评估报告中均包含国内外各主要业务中心的定位误差，主要有：中国气象局（CMA）、日本气象厅（JMA）、美国联合台风预警中心（JTWC）、韩国气象局（KMA）和香港天文台（HKO）以及北京和日本采用气象卫星进行的客观定位。总体看，各业务中心对西北太平洋（含南海）热带气旋的定位误差大约在20 km（陈国民等，2019）。

在对各种预报方法进行性能评估时，研究人员通常以最佳路径作为“真值”，而在实际业务中通常以各自业务中心的实时定位为“真值”。最佳路径是在季后综合各类观测资料进行整编后得到的，比实时定位的时效性差，但准确性高。马雷鸣等（2008）和李佳等（2009）分别采用了CMA的实时定位报文和CMA-STI整编的年鉴（最佳路径）数据集对2007年热带气旋路径预报效果进行评估。两者研究选择的“真值”资料不同，得到的GRAPES-TCM和上海台风模式预报误差结果也有较大差异：对于GRAPES-TCM，24 h预报误差分别为142.4 km与147.9 km，48 h预报误差分别为265.5 km和294.6 km;对于上海台风模式，24 h预报误差分别为137.7 km和150.8 km，48 h预报误差分别为246.3 km和268.7 km。可以发现，采用实时定位得到的GRAPES-TCM和上海台风模式路径24、48 h预报误差都小于采用最佳路径时的结果。Chen et al.（2021）将最佳路径数据集（RSMC-Tokyo、CMA-STI）和业务实时定位（JTWC、HKO和KMA）作为“真值”时，发现得到的路径预报误差存在5%～10%的差异（不确定性）。

实时定位作为预报起点，其可能存在的定位误差将影响其后续的预报结果。杨彩福等（2001）的研究表明预报质量受定位误差影响。钮学新（1992）利用线性外推的方法估计定位误差对24 h预报带来的误差约为86.4 km。WMO的技术文件中指出，坏的初始定位可影响至少48 h内的预报（WMO，1995）。Neumann（1975）将模式的初始定位数据更换为最佳路径数据，再运行模式，发现：统计模式在使用精度更高的最佳路径数据后短时效预报性能显著提升，但在72 h预报时效后对初始数据的改变不敏感。Neumann and Pelissier（1981）还试验了仅从初始和预报位置上简单地减去定位误差再计算预报误差，结果使12 h预报误差減少了11%，24 h预报误差减少6%，48 h预报误差减少2%，72 h预报误差减少1%。

此外，在热带气旋靠近海岸线过程中，实时定位还会影响预警区域的确定。如：1508号台风“鲸鱼”，由于业务实时定位出现较大偏差，致使其登陆前1 h的黄色预警中，报错了登陆地段（许映龙和黄奕武，2017）。

本文主要讨论2013—2019年间，西北太平洋（含南海）区域国内外各主要机构的主客观预报方法的定位误差和路径预报的“真实”误差，以及定位误差对预报结果的影响。

1 资料和方法

预报及实时/初始定位数据来自2013—2019年国内外各主要业务中心的主观（官方）预报及全球数值模式的预报（表1），最佳路径数据来自CMA-STI（Ying et al.，2014;Lu et al.，2021）和RSMC-Tokyo（www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/besttrack.html.），除特别说明外均以CMA-STI的最佳路径作为“真值”。本文仅对在最佳路径数据集中强度达到热带风暴、强热带风暴、台风、强台风、超强台风的编号台风进行计算和分析。预报与最佳路径、实时/初始定位与最佳路径间的位置误差按照中国气象局《天气预报检验台风预报》标准中给定的大圆差公式进行计算（中国气象局，2019）。

2 定位的不确定性

2.1 定位误差

近年来，中央气象台对近海及登陆台风加密了实时定位和预报频次（进入48 h台风警戒线内为3 h一次，进入24 h台风警戒线内为1 h一次）。CMA-STI整编的热带气旋年鉴自2017年起将登陆我国台风的登陆前24 h定位数据加密到3 h一次。为便于比较，本文只计算与年鉴（最佳路径）时次一致的误差。结果表明，2013—2019年的定位误差处于20 km的水平。然而，不同业务中心由于获取资料和采用的定位方法均不尽相同，导致不同业务中心整编的最佳路径数据集间也存在明显的差异。雷小途（2001）计算了JTWC与CMA-STI最佳路径数据集间的定位差异，平均达54.4 km，而相应的实时定位误差仅为20～30 km。张小雯和应明（2009）对比CMA-STI、RSMC-Tokyo、JTWC的最佳路径数据集，指出三者间的定位差异基本满足正态分布。Knapp et al.（2010）集合了国际各主要业务中心的最佳路径数据集，建立IBTrACS数据集，目的是构建全球均一化的热带气旋数据。

若以CMA-STI的最佳路径作为“真值”，2013—2019年间3种主观预报方法（CMA、JMA、JTWC）和5種全球模式（UKMO-MetUM、ECMWF-IFS、KMA-GDAPS、JMA-GSM、NCEP-GFS）的定位误差平均为24.3 km，若以RSMC-Tokyo作为“真值”，则为26.2 km。表2为分别将CMA-STI和RSMC-Tokyo作为“真值”计算得到的各方法的定位误差。可见以CMA-STI作为“真值”时，CMA的定位误差最小（为13.9 km）;以RSMC-Tokyo作为“真值”时，最小的则为JMA（为19.3 km）。NCEP-GFS和UKMO-MetUM则在两种“真值”情境下的定位误差都相对较大。

此外，定位误差随热带气旋的强度增强逐渐减少。依据Huang et al.（2021）给出的CMA与RSMC-Tokyo的热带气旋中心最大持续风速对照表，将RSMC-Tokyo最佳路径数据集也按照热带风暴、强热带风暴、台风、强台风、超强台风标准进行划分。表3给出了以CMA-STI和RSMC-Tokyo最佳路径为“真值”时，不同强度热带气旋的定位误差。当强度强于台风级时，RSMC-Tokyo对应的定位误差均小于采用CMA-STI时的结果，而当强度为台风级或以下时，RSMC-Tokyo对应的定位误差大于CMA-STI或与之相差无几。在热带风暴阶段定位误差分别达到35.7 km和41.1 km，而在超强台风阶段定位误差仅为8.3 km和7.5 km，两种“真值”的定位误差一致地随强度减小，该趋势通过α=0.01的显著性检验。这可能与越强的热带气旋，其结构越密实甚至出现台风眼，因而定位相对容易（不确定性小）等有关。

2.2 定位误差的空间分布特征

图1给出了国内外各主要业务机构及全球模式以CMA-STI最佳路径为“真值”时的定位误差空间分布情况。这里将定位误差在0.1°经纬距（11.12 km）内作为定位准确的标准，将定位误差超过1°经纬距（111 km）作为定位错误的标准。从图1中可以发现，CMA在大部分区域都达到了定位准确的标准，JMA在远洋面部分区域定位准确。多种方法在日本岛两侧均有定位错误，UKMO-MetUM主要在东海以及菲律宾东南部定位错误，ECMWF-IFS主要在柬埔寨及我国中东部内陆地区、日本附近海域定位错误。可见：较低或较高的纬度、远海大洋上、近岸和登陆等处均是易产生定位误差的地区，这或许与低和高纬度强度较弱结构松散、远洋资料较少、近岸和登陆过程结构易受地形影响而破坏等有关。

若以CMA-STI最佳路径的定位为原点，90°为正北方向，观察实时/初始定位点与最佳路径定位点的相对位置，包括方位与距离信息（图2）。由图可以看出，当误差在0.1°（11.12 km）以下时，实时/初始定位点分布在最佳定位点的四个正方向，其中CMA的实时定位点主要位于最佳定位点的经向以东，其他预报方法中经向以东的情况也略多于其他方向。而当误差在0.1°以上时，实时/初始定位逐渐分布到十六个方向上，但相对于最佳路径的位置没有明显偏向。

3 预报误差的不确定性

表4给出了分别采用最佳路径数据集与各国业务机构的实时定位资料或全球模式的初始定位资料作为“真值”计算得到的各预报时效对应的预报误差。即在计算三种主观预报方法（CMA、JMA、JTWC）与五种全球模式（UKMO-MetUM、ECMWF-IFS、KMA-GDAPS、JMA-GSM、NCEP-GFS）的预报误差时，分别以CMA-STI的最佳路径和各方法在预报时效为00时的定位作为“真值”。可见：在96 h以内，年鉴（最佳路径）的路径预报误差均略小于使用实时/初始定位资料计算得到的预报误差。

进一步对比两者在每一次预报中的误差差异发现：两者差值近似正态分布，且均值接近于0，即两者没有系统性大小偏差。因此，以预报误差差值的绝对值描述其中的差异。表5表明，两者预报误差的差值略大于10 km，小于定位误差。并且这一差异随强度增加显著减小，随预报时效增加略有减少。

4 初始定位不確定性对预报的影响

热带气旋的气象预报问题（特别是数值预报）实质上是个初值问题，起报时刻的定位误差对热带气旋的预报会产生一定的影响。为此，本文使用最基础的CLIPER预报方法初步分析热带气旋的路径预报结果对定位误差的敏感性。CLIPER（Climatology and Persistence）即气候持续性预报方法，是一种基于热带气旋历史资料，利用气候持续性因子回归拟合，对未来相似的热带气旋做出预测的方法。目前，CLIPER方法作为一种基本预报方法，被用于评价其他方法的技巧，当被评价的方法技巧高于CLIPER时，这样的方法被认为是有效的，当低于CLIPER时，被认为是无效的（Neumann，1972;Aberson，1998;黄小燕等，2008;宋金杰等，2011;周聪等，2014）。本文使用的CLIPER方法中采用的气候持续性因子，包括起报时刻热带气旋中心经纬度和最大风速、前12 h中心经纬度变化、前24 h中心经纬度变化。因此，首先需要从CMA-STI的最佳路径数据集与CMA实时定位中提取上述预报因子，再使用业务运行的CLIPER预报方法进行预报，分别得到以最佳路径为输入数据的预报结果和以实时定位为输入数据的预报结果，最后以CMA-STI的最佳定位作为“真值”分别计算两者的路径预报误差。将预报误差对比（表6），发现12、24、36、48、60、72 h预报误差分别减少了48.4%、32.3%、27.5%、22.7%、30.4%、27.8%。可见热带气旋的（路径）预报对定位误差是敏感的，特别是24 h内的短时效预报，三成及接近一半的预报误差来源于初始的定位误差。

5 结论和讨论

利用2013—2019年国内外各主要业务机构和全球模式对西北太平洋（含南海）热带气旋的实时/初始定位与预报结果，分析了定位的误差及其分布、采用最佳路径及实时/初始定位资料计算的预报误差间的差异，并在此基础上利用最基础的CLIPER方法初步评估了定位误差对路径预报的影响，获得了以下主要结论：

1）若以CMA-STI整编的年鉴资料作为“真值”，则定位误差平均约为24.3 km;若视RSMC-Tokyo的最佳路径数据集为“真值”，则定位误差平均约为26.2 km。总体而言，CMA的官方定位在所有定位方法中的误差最小，而NCEP-GFS和UKMO-MetUM的定位误差不论采用哪套最佳路径资料作为“真值”均相对较大。

2）定位误差呈现随热带气旋强度增加而减少的趋势。以CMA-STI和RSMC-Tokyo的最佳路径数据集作为“真值”时，热带风暴级别强度的热带气旋定位误差高达35.7、41.1 km，而超强台风的定位误差仅为8.3、7.5 km。从空间分布上，低或高纬度、远洋、近岸及登陆（特别是日本岛附近）相对更易出现大的定位错误。这或许跟低或高纬度地区热带气旋相对较弱结构松散、远洋地区直接观测资料稀缺、热带气旋在近岸及岛屿附近受地形影响结构易受破坏等有关。

3）采用实时/初始定位或最佳路径作为“真值”计算得到的路径预报误差，差异总体不大（平均约10 km）且较定位误差明显小，并也随强度的增加而减少，即：热带气旋的强度越强，两种“真值”计算的预报误差的差异也越小。表明：在实际业务中，使用实时业务定位计算的预报误差是基本可靠的。

4）利用最基础的CLIPER预报方法，分析发现：若采用年鉴（最佳路径数据集）中的定位作为实时起报位置，则72 h内的预报误差比用实时定位起报时的误差平均减少约30%，其中12 h的误差可减小近一半（48%）。表明实际业务中的准确定位，对于提高（路径）预报的准确性非常重要。

此外，真实的预报误差是不可知的，因为无法获得热带气旋位置的真值。即便是季后整编的年鉴（最佳路径）资料，也因包含有观测误差而并非真正的真值。已有部分学者开展了热带气旋预报误差真值的估算研究，Zhou and Toth（2020）通过假设拟合估计路径预报误差的真值，并以此预测热带气旋可预报性上限。

然而，从本文分别使用实时/初始定位和年鉴资料作为“真值”计算得到的预报误差来看，差别并不大（特别是当热带气旋强度较强时），表明当前的算法计算出的预报误差可能已经很接近“真值”了。值得注意的是，虽然定位误差平均也就约20 km，但受初值敏感性影响，起报时刻的定位误差对短期（72 h内）预报的误差有较大影响，这体现了现阶段提高热带气旋定位精度的意义和价值。

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（责任编辑：袁东敏）