集合敏感性分析（ESA）方法是基于动力系统扰动演化的一阶线性近似发展而来。由于其计算简单有效，已经被广泛应用于诊断热带气旋（TC）预报不确定性的来源。但以往研究存在两个问题，一是主要使用单个集合预报系统的预报成员，忽视了预报不确定性来源分析对集合预报表现的依赖性；另一方面，ESA主要反映了初始误差对预报不确定性的影响，忽视了模式误差对预报的影响。
我系博士生刘靓颖（第一作者）和冯杰青年研究员（通讯作者）利用ECMWF、NCEP和CMA业务集合预报数据分析比较了台风“烟花”（2021）路径预报的不确定性来源。研究结果显示，尽管不同集合预报系统都揭示了台风附近的西太平洋副热带高压（WPSH）和季风槽（MT）是“烟花”路径预报不确定性的主要来源，但ESA结果对各系统的集合预报成员表现有明显依赖性（图2）。不同预报系统的集合成员中环境流场的结构、位置等方面的离散度不同，对台风路径不确定性的影响也各不相同。
以48-h为例，在WPSH西南部，ECMWF和NCEP中集合成员的TC位置对WPSH的引导气流表现出明显的正敏感性（图2b中"A1"，图2e中"A2"），这与集合成员中WPSH的东西位置偏差有关（图3），WPSH偏东引起东南部向西的引导气流减弱，TC位置相应偏东（图3a、3b）。而在CMA中，WPSH南部呈现一条狭长带状的强正敏感性区域（图2h中"A3"），WPSH的位置和形状结构偏差都较小，表明TC位置不确定性主要受到WPSH南侧偏东风强度变化的影响（图3c）。在ECMWF中，TC东北方向的WPSH和MT之间有个独特的负敏感区（图2b中"B1"），可能与集合成员的MT东边界位置偏差有关（图3a）。并且在MT东南侧，三个集合预报系统都呈现正敏感性（图2中"C1","C2","C3"），表明MT南侧的西风气流越大，台风位置将会越偏东。但NCEP中的正敏感性值明显偏小，这是因为集合成员的MT形状、位置表现出了更明显的非线性差异特征（图3b）。
同时，除了以往研究中常用的标准ESA方法外，本研究还引入了一种新的考虑模式误差的ESA算法。该算法通过计算集合成员相对于真实参考场(通常为分析场)的偏差，而不是标准ESA中相对于集合均值的偏差，同时考虑了初始误差和模式误差的影响。对比分析标准ESA（图2c，2f，2i）和新ESA（图4a-c）的计算结果，发现CMA的差异最明显。结合离散度与误差的比值分析，CMA的新ESA的结果主要反映了模式系统偏差对环境引导气流和TC位置不确定性的影响。
上述研究成果有利于加深对TC路径预报不确定性和ESA方法的全面理解，相关文章发表在《Atmospheric Research》上。
图1 不同EPS对台风烟花路径的集合预报（灰线）和控制预报（粉线）。红线表示best track。蓝色空心点表示96-h预报的集合成员TC位置，椭圆是这些位置的二元正态拟合，蓝线表示此时集合成员位置最大不确定性的方向。彩色实心点分别表示best track（红色）、控制预报（粉色）、集合预报平均（蓝色）的96-h TC位置。
图2 96-h台风位置对24-h，48-h，72-h环境引导气流的集合敏感性（填色），打点区域通过95%置信检验。蓝色风向标和黑色等值线表示500hPa的风场和位势高度场，红色线条突出表现了5880gpm和5860gpm的位势高度，黄色星星表示TC的集合预报平均位置。
图3 (a)-(c)：48-h时500hPa的5880gpm和5860gpm位势高度等值线的集合预报面条图，黑点表示96-h的集合成员TC位置。彩色等值线和空心圆突出展现了三个成员的位势高度线和对应的TC位置；(d)-(f)：48-h时500hPa位势高度场的集合离散度。
图4 96-h台风位置对72-h环境引导气流的新集合敏感性结果。蓝色风向标和等值线表示500hPa的风场和位势高度场，黄色星星表示TC的集合预报平均位置。
论文信息：
Liu, L., J. Feng*, L. Ma, Y. Yang, X. Wu, and C. Wang, 2024: Ensemble-based sensitivity analysis of track forecasts of typhoon In-fa (2021) without and with model errors in the ECMWF, NCEP, and CMA ensemble prediction systems. Atmospheric Research, 107596, https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2024.107596.
