南瑪都任務完成

經過一個星期左右日以繼夜的搏鬥(其實可以 batch processing, 只不過工序仍有不少手動部分, 又忍不住要即時看結果), 終於採集了四個模式(EC, GFS, JMA, UK)對南瑪都的路徑預測誤差數據. 總結見下表:

一些要點:

* 今仗歐中應算是失威了, 48 和 72 小時預測都輸給了英國模式. 英國模式是否附碌要用時間來證明.

* 各模式的平均誤差都不大, 比 09 年全年的值為低. 雖然開始幾報誤差很大, 但南瑪都接近呂宋之後的誤差相當低, 而且移動仍緩慢取樣次數多, 最終大大拉低了平均誤差數值.

* 超級集合的作用. 採用相同權重(EQUAL WGT), 24 和 48 小時的誤差都比最佳模式稍低.

* 黃家香港天文台採用的權重(以 2009 年全年數據為基礎)並未能擊敗相同權重. 主要原因是今次英國模式表現最好, 但按照 09 年的數據, 英國模式的權重最低.

預報上較重要的地方, 是要判斷某一報的可信度有幾高. 在本個案, 平均誤差雖低, 但開始幾報的誤差完全不能接受. 目前可從各模式之間的偏差和集合的偏差判斷可信度. 以今次為例, EC 集合和 GFS 集合在開始幾報都清楚顯示路徑存在很大變數, 因此集合預測仍是必定要看的產品.

目前的驗證仍然繼續, 希望有更多熱帶氣旋形成, 明年就可以根據今年採集的數據進行預測.

MJO 對熱帶氣旋生成的影響及其預報

以下主要根據這兩篇文章來作出解讀和討論:

* asymmetric modulation of the western north pacific cyclogenesis by the MJO under ENSO (2011)

* 西太平洋颱風季季內振盪年際變化之模擬 (2007)

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MJO 對熱帶氣旋生成的時間和位置有調節作用, 已是毫無爭議的事實, 相關概念在學術界甚至在民間, 估計至少也有十年. 第一篇文章的重點在於當 ENSO 在不同位相下, MJO 對熱帶氣旋生成的作用並不相同. 結論是: 厄爾尼諾年時, MJO 對熱帶氣旋旋生的調節較大, 拉尼娜年時則較小.

目前為 ENSO 正常年, 即將在太平洋生成的熱帶氣旋亦和 MJO 沒關.

前幾回曾討論目前氣候模式對 ENSO (年際變化的最重要因素)有一定預報能力, 年中時可準確預測未來半年會否發展為厄爾尼諾或拉尼娜. 第二篇文章則是探討氣候模式能否模擬出季節內變化(包括 MJO). 我們這一帶的季風區域, 包括熱帶地區, 過往研究表明有兩個明顯的振動頻率: 30 至 60 天和 10 至 20 天. 文章結果顯示模式能有效模擬出 30 至 60 天振動的空間分佈和強度, 尤其海-氣模式比大氣模式更能描繪振動的移動特徵. 但模式均未能有效模擬降水的 10 至 20 天振動.

美國 CPC 網站目前提供各天氣模式(注意以上說的是氣候模式)的 MJO 預測, 下回將看看準確度如何, 估計心水清的網友早有一點看法吧.

黃家香港天文台更新情況

兩個字: 緩慢

緩慢原因除了懶之外, IT 技能(包括編程)比較低亦影響了工作進度. 例如, 主頁一直想加入一些新聞和各大網站更新情況, 但因為不知從何和怎樣做起, 自覺功率很低之下暫時閣下來. 很多欄目亦尚待發展, 尤其一些即時資料, 如海上浮波數據. (後加: 還有 IPCC 的部分)

有些項目沒有發展純綷因為資源不足夠. 例如熱帶氣旋的集合路徑目前只得歐中, 其實是因為要讓出更多硬盤空間(共只得 2G 而已). 數值預報天氣圖當然亦可以看到 10 天(歐中)或更遠(GFS), 與及更多的變數, 但也是考慮了硬盤和伺服器負荷問題. 畢竟這只是每月少於 100 元的服務, 沒理由將人家處理器用盡.

不能夠排除的, 是這幾個月來熱帶氣旋襲港打亂了發展網站的心情.

有些工作還是在繼續進行的, 例如以 NCEP 第二代氣候模式 CFS2 來預測季度氣候. 估計可於未來一個月發出冬季風(12月至2月)的預測, 包括平均氣溫和冬季風指數強度. 這是目前季度預測比較容易的部分, 未來將會面臨更大的挑戰, 包括明年的季度雨量預測.

發展路向方面其實選擇不多, 主要是提供或優化一些目前官方及其他團體沒有提供的資訊. 其實這已經有很大空間了.

幾則衛星新知

* 海洋二號(HY 2A) 衛星已成功於 8 月 16 日升空. 正是早幾個月前(http://hkmet.blogspot.com/2011/04/blog-post_11.html ) 曾提及的, 載有 scatterometer 可掃描海洋風場的國產衛星. 未來會密切注視相關數據會否公開上網.

* 有常到韓國氣象局網頁瀏覽的網友, 可能早已發現韓國於去年 6 月將 COMS1 同步衛星發射升空. 這表示在我們經度附近運作的氣象同步衛星已增至 4 個 (COMS1, MTSAT2, FY2D, FY2E). COM1 衛星操作上較特別的地方可能是掃描頻率, 網站內顯示全球影像只每三小時一張, 但亞州地區每 15 分鐘便有一張: http://web.kma.go.kr/chn/weather/images/satellite.jsp

* 大運會期間, 已停止業務運作的風雲 2C 衛星"復出"並作加密觀測, 提供深圳地區每 10 分鐘一張的雲圖.

民間熱帶氣旋路徑預測: 超級集合的權重

過去十多年, 世界各大預報中心主要都是根據數值模式來預測熱帶氣旋未來的位置. 當中, 多模式的權重平均(稱為超級集合)成為了主流方法. 簡單地採用幾個較準的模式並採用相同的權重, 已經可以得到不俗的效果.

不同的模式準確度不一樣, 而且每個個案情況都不同, 採用相同權重顯然不是最佳選擇. 因此, 亦有不少研究是調較這些權重. 隨意搜尋就找到相關的文章:

http://journals.ametsoc.org/doi/abs/10.1175/1520-0493(2003)131%3C0574%3AMSFOTC%3E2.0.CO%3B2

目前民間情況, 歐中模式資料分辨率 0.5 度, 用來計算熱帶氣旋位置, 誤差還可以接受; 日本和英國模式關於熱帶氣旋的資訊可直接在網上獲得. 時間方面, 三模式早上 8 時的預測下午 3 時前就可以得到. 可以說, 一般市民可以得到的原始資訊其實已不比官方的差多少, 要採用(客觀)超級集合方法來預測熱帶氣旋位置亦變得有可能.

除了可以簡單地採用相同權重之外, 剛剛亦編寫了一個極為簡單的計算權重方法. 這方法並沒有嚴謹的數學或統計基礎, 當中亦必定包含了不少假設. 不過, 幾乎肯定會比相同權重好.

舉例來說, 網友們可以到 http://nwp-verif.kishou.go.jp/wgne_tc/ 讀取 2009 年各模式的平均誤差. 例如, 72 小時預測, EC/JMA/UK 的誤差為 265, 350, 350 km. 再到這個分頁 http://www.wohk.org/superensemble.php ,在文字格內輸入 265,350,350

就可以得到權重為 0.47, 0.27, 0.27. 看起來頗為合理.

餘下來就是把過程自動化, 即是包括讀取各模式資料來源和檔案. 這絕對是從事氣象工作必不可少但又最麻煩的部分.

十天天氣預報可能嗎?

約一年半前曾討論歐中天氣模式的表現, 當時說除非北半球預報能力能達 9 天, 否則我們將難看到本地 8 天天氣預測:

http://hkmet.blogspot.com/2010/01/blog-post_06.html

一年半過去, 歐中模式準確度仍穩步上揚, 目前約在 8 天半左右:

再仔細想想, 以上的計算是整個北半球(北緯 20 度以北), 但在不同的區域很大可能會有不一樣的結果, 尤其在天氣較不穩定容易下雨的地方, 分數可能較低, 因此單從北半球的結果來討論我們有沒有 8 天或 10 天天氣可能過於粗疏. 幸好歐中近兩三年已大大開放資源, 伺服器內存起了過去一年半左右的預測, 昨日我就下載了這些 500 高度場預測來自己驗證一番.

由於所用的資料可能有別, 方法可能略有偏差, 編程也有機會出錯, 因此先計算北半球(20N 以北)的結果看看和歐中的圖會否有很大差別:

上圖是自去年 3 月至今年 6 月, 每月的平均分數. 最後一天超過 60 分的見紅. 可以看到預報有效期約在 8 天或 9 天, 和歐中的圖相約.

接著就是選擇一個我們附近的區域. 帶點隨意地選了北緯 20 至 40 度, 東經 105 至 125 度範圍. 結果如下:

和北半球驗證的主要分別在去年夏季. 我們區域去年 6 至 9 月的 10 天天氣預測分數都高於 60, 7 月時更達 85 分. 由於資料有限, 未知是否夏季分數就是較高(可能是少了冷空氣/西風槽). 但亦要注意今年 6 月的預報時效只得 6 天, 因此亦不能排除去年的高分數是因為年初為強厄爾尼諾, 西北太平洋副高主導下天氣較可測(至少少了點熱帶氣旋帶來的變數).

當然, 官方應有較詳盡的本地天氣預測和驗證數據(如溫度/相對濕度等). 但從以上結果和一些網友的經歷(有時三至五天都不太準), 估計不久將來(兩三年吧)看到本地 10 天天氣預測的機會很低.

數值模式預報 ENSO 的能力

先作一點更正. 上回說 NCEP GFS 的資料同化系統, 應為三維變分. 由於沒有業內人士收風, 有時只能靠網上資料, 難免有出錯或不最 update.

追風界人士平日看天氣模式看得多, 對氣候模式的預報能力或者不太清楚. 其實氣候模式的數目比我們平時看的天氣模式更多, 我們看數天天氣, 知道要先看歐中, 日本等模式, 但如要看氣候模式, 就未必知道先要看哪幾個了.

全球大氣的年際變化(即一年和另一年的分別)主要受厄爾尼諾/拉尼娜現象支配, 因此有能力預測 ENSO 是成功氣候模式的必要條件. 以下是 NCEP 的氣候模式第一代 (CFS V1) 對 80 和 90 年代(共約 20 年)的 Nino3.4 水溫預測驗證:

以 6 個月前的預測為例(即看 Y 軸等於 6), 可以看到模式要在年初 1 月預測年中 7 月時的水溫比較困難, 分數只得 40 分左右. 這問題並不單是 NCEP 模式的問題, 而是目前預報上的一個難題. 至於是何原因, 背後有何機理, 則作為民間業餘即食玩家來說可暫且不理. 從年中(6 月)預測年尾(12 月)的水溫則有很高的分數, 達 85 分或更高. 由於厄爾尼諾/拉尼娜現象在年底/年初時達到高峰, 以上的結果可以的解讀為: 模式可預測厄爾尼諾/拉尼娜的發展, 但對它們的衰退則預報能力較低.

NCEP CFS V1 並不是預測 ENSO 現象的最佳模式. 以下為過去兩至三年, 共十多個模式的 ENSO 預測. 圖片是從 IRI ( http://portal.iri.columbia.edu/portal/server.pt )網站抄出來:

從肉眼觀察, 較好的模式為 NASA GMAO, ECHAM/MOM, ECMWF, 其次 JMA, UKMO 也不錯.

數值模式結果比較: 熱帶氣旋

單憑印象, 近兩三年歐中模式預測熱帶氣旋的進步非常大, 相比之下, 雖然日本也開發了新的熱帶氣旋預報系統, 但似乎平平無奇, 不少時候是集合的熱帶氣旋過弱.

在英國氣象局的網站找到歐中和英國模式熱帶氣旋路徑的對比(注意這是全球結果):

比較頭三天的預測, 2006 年及以前, 英國模式的表現絕不在歐中之下, 但之後 07 08 兩年歐中的兩天和三天預報誤差急速減少, 第三天預測從 06 年的平均誤差 300 公里, 跌至 08 年的平均誤差 200 公里!!! 誇張程度比前天梅花怒放高出幾倍. 至於是何原因, 可能要翻一翻歐中的 update log 了 (或有高手指點, 小弟定當賜酒).

再在網上找了不少時間, 發現一個"五星級"網站 WGNE TC:

http://nwp-verif.kishou.go.jp/wgne_tc/

login: verif

password: wgne2010

相信專業預報機構不可能不知這個網站吧. 這網站內包括了各熱帶氣旋區域多年來的數值預報驗證, 最新為 2009 年, 不知 2010 年的結果公佈了沒有.

2009 年西北太平洋:

貼了這個出來, 網友們是不是應問問為何 NCEP (即 GFS) 的預報比想像中好? 對於風迷來說, 歐中的平均誤差亦帶來了很重要的訊息. 例如當預測熱帶氣旋在香港 400 公里掠過, 還有兩天時間左右, 則平均來說熱帶氣旋是到不了 200 公里範圍, 因為歐中兩天預測的平均誤差近幾年都少於 200 公里.

09 年歐中, 西北太平洋氣壓誤差:

09 年歐中, 西北太平洋 72 小時預測誤差分佈:

結果太多不能盡錄.