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.

風季半年結更正

前兩回"風季半年結"誤將馬鞍的編號弄錯了(但記得真的在哪裏看到), 應為 JTWC 的 9 號才對, 而目前梅花為 11 號, 即今年頭 7 個月的熱帶氣旋形成數目已達標, 和過往 30 年左右拉尼娜年之後的平均值 10.7 相約.

GFS熱帶氣旋路徑預報

不少網友都說美國 GFS 的熱帶氣旋預報沒有參考價值, 今日就從最近 GFS 的一些發展和表現看看是否成立.

目前 GFS 關於熱帶氣旋的業務預報有兩個產品: deterministic 和 ensemble, 另外已逐漸發展成熟的 GFS(EnKF) 集合就是從資料同化方面入手. 事實上, 業務 GFS 的資料同化方案似乎比較落後(好像還是用插值), 而歐中/日本/英國等全球模式都是探用四維變分, 歐中的早於 97 年已運作了. 以下的圖都是從參考連結 cap 出來的.

09 年北半球的驗證結果顯示 GFS(EnKF) 比 GFS, UK 和 CMC 集合都要好, 誤差和歐中集合相約:

10 年因電腦資源關係只能以較粗分辨率運行, 但北半球的驗證仍可和歐中集合相比:

較可惜的是如果只看西北太平洋, GFS(EnKF) 明顯輸給了歐中(下圖). 這亦間接顯示大西洋(或東太平洋)那邊 GFS(EnKF) 可能比歐中還略要好(圖略):

GFS(EnKF) 有可能於明年投入業務, 到時除了看三模(歐中,日本,英國)外可能要多看一個.

要注意的是模式的發展(進步)是持續和迅速的, 以上的結果在兩三年後可能已完全改寫. 作為用家, 當我們要從各模式結果中建立"超級集合", 權重亦難免會有點主觀因素來適應不斷改進的模式表現. 在我們的區域, 目前我心目中的三模(歐,日,英)權重大概會是 0.5, 0.3, 0.2.

參考:

http://www.esrl.noaa.gov/psd/people/tom.hamill/GFSEnKF-AMS2011-hamill.pdf

風季半年結

先看看 1979-2010 年間 1-6 月和 1-7 月形成的熱帶氣旋數目:

紅(藍)色表示該年年初(十二月至二月)曾出現厄爾尼諾(拉尼娜)跡象.

目前馬鞍 JTWC 編數為 8, 再加上各數值模式似乎預測一星期後再有熱帶氣旋形成, 最終 1-7 月的總數可能為 9 個, 只是氣候平均值. 若和藍色的年份平均值 10.7 個相比, 現時已幾乎肯定不能達標. 89 年為 13(15) 個, 更加遙遠了. 之前還說今年會否像 89 年呢... 始終懷疑近年個數偏少是否受全球暖化影響.

六/七月份有趣的地方, 是兩月的天氣形勢似乎反了過來. 六月副高較強脊線亦高, 還有兩個襲港的熱帶氣旋, 倒是比較像 7 月. 7 月最近的天氣則一直沒有副高西伸. 季風槽並不是不活躍, 但最特別的地方是連續出現了幾個季風低壓, 整個生成區好像生不成熱帶氣旋似的. 不知會否也是氣候轉變的產物.

八/九月如果還是不正常, 則今年風季可能會大失所望. 要看一些數值氣候預報才知道.