南海海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)檢驗

周水華，俞勝賓，梁昌霞，馮偉忠，吳迪生

（國家海洋局南海預(yù)報中心，廣東 廣州 510310）

1 引言

20世紀(jì)40年代，美國利用天氣圖預(yù)報海浪，通過海浪經(jīng)驗統(tǒng)計預(yù)報方法、半經(jīng)驗半理論波譜預(yù)報方法和能量預(yù)報方法等推算波高，再綜合分析和校正，帶有較強的經(jīng)驗性。20世紀(jì)50年代初，基于能譜概念上的分析模擬成為主要研究途徑，經(jīng)歷了近40年的研究，到上世紀(jì)80年代WAM模型的推出[1]標(biāo)志海浪數(shù)值預(yù)報模型已經(jīng)進入第三代。第三代海浪模型是采用基于能量守恒原理的能量平衡方程波浪譜模型,它是各種物理過程考慮最完善，最少經(jīng)驗假定的波浪模型。該模型中考慮了水深變化、背景流等對波浪傳播的影響，同時考慮了包括風(fēng)攝人波動能量、白浪耗散、水深變化導(dǎo)致的波浪破碎、底摩擦耗散、波一波非線性相互作用等物理過程。上述各物理過程用不同的源函數(shù)表示，有效地簡化了波浪場的動力學(xué)過程,隨著對各種物理過程的深入認(rèn)識，參數(shù)化的形式不同,模型的表現(xiàn)形式也不一樣。目前，國際上廣泛應(yīng)用的第三代海浪數(shù)值模式有WAM，WAVEWATCHIII和SWAN等,尤其是海浪的業(yè)務(wù)化預(yù)報使用的多是以上三種模型。如美國氣象局、臺灣中央氣象局采用WAVEWATCHIII,歐洲氣象中心（ECMWF）挪威氣象中心采用WAM,英國氣象局、比利時國家氣象研究院采用WAM和SWAN等。我國從事海浪業(yè)務(wù)化預(yù)報的主要有國家海洋局下屬的國家海洋環(huán)境預(yù)報中心、北海預(yù)報中心、東海預(yù)報中心以及南海預(yù)報中心。國家海洋環(huán)境預(yù)報中心采用WAM和WAVEWATCHIII模型進行全球和大洋的海浪業(yè)務(wù)化預(yù)報，采用SWAN模型進行中國海的海浪業(yè)務(wù)化預(yù)報；北海預(yù)報中心和東海預(yù)報中心均采用SWAN模型進行各自管轄海區(qū)的海浪業(yè)務(wù)化預(yù)報。但從查閱的文獻來看，暫未見到上述國內(nèi)預(yù)報機構(gòu)的海浪業(yè)務(wù)化預(yù)報系統(tǒng)的檢驗結(jié)果。南海預(yù)報中心于2008年建立了以MM5中尺度氣象模型和WAVEWATCHIII海浪模型為基礎(chǔ)的南海氣象海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，受觀測資料的限制，該系統(tǒng)建立之初僅利用零星觀測資料對模型進行調(diào)試和參數(shù)校正后，就投入業(yè)務(wù)化運行，因此對于該系統(tǒng)在南海預(yù)報效果還有待更多檢驗。最近兩年，隨著南海浮標(biāo)觀測資料的增加，有條件對該預(yù)報系統(tǒng)在南海的預(yù)報效果進行較為系統(tǒng)的檢驗。本文利用南海北部的三個浮標(biāo)觀測站近兩年的觀測資料對該系統(tǒng)進行檢驗，發(fā)現(xiàn)預(yù)報與觀測之間的差距，為系統(tǒng)下一步的改進奠定基礎(chǔ)。

2 南海海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)

2.1 總體框架

南海海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)包括主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)，主系統(tǒng)用于進行數(shù)值計算，輔助系統(tǒng)的功能是對數(shù)值預(yù)報結(jié)果進行后處理。主系統(tǒng)共由兩個核心計算模塊組成，MM5中尺度氣象模式（為海浪計算提供上邊界條件）和WW3（WaveWatchIII）海浪預(yù)報模式。輔助系統(tǒng)為交互式操作平臺，可以瀏覽和生成不同形式的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，并且該子系統(tǒng)具有開放性，能進行升級優(yōu)化。該系統(tǒng)在超級計算機集群系統(tǒng)中采用MPI并行模式每天早晚兩次自動啟動預(yù)報作業(yè)，在啟用12個計算節(jié)點的并行運算條件下，從數(shù)據(jù)下載到數(shù)據(jù)的后處理，可在3 h內(nèi)完成一次預(yù)報（預(yù)報時長72 h），其中海浪預(yù)報與后處理耗時約半小時，預(yù)報結(jié)果轉(zhuǎn)存至互聯(lián)網(wǎng)（http://58.249.58.22/），供預(yù)報值班員和公眾參考。

2.2 預(yù)報區(qū)域及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

做為一個業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)，預(yù)報結(jié)果的可靠性和預(yù)報的時效性是兩個最重要的考核指標(biāo)，經(jīng)過多次的實驗和比較后，確定模型的計算區(qū)域和相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

MM5中尺度氣象模塊：模式框架取MM5V3版本，預(yù)報區(qū)域分為兩重嵌套，大區(qū)域范圍71.91°—156.51°E。15.68°S—53.91°N，空間步長45 km，小區(qū)域范圍 98.48°—129.66°E，0.23°—27.66°N，空間步長15 km。模式垂直分層為不等距23層，頂層取100 hPa。大小網(wǎng)格的地形資料分別取自全球10′和5′的地形資料。初估背景場和模式側(cè)邊界采用美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）的GFS（全球預(yù)報系統(tǒng)）數(shù)據(jù)。積云對流參數(shù)化選用Burk-Thompson方案，邊界層參數(shù)化方案采用MRF PBL邊界層方案。

WW3海浪模塊：采用WaveWatchIII 3.14版本，計算范圍見圖1（0°—41°N，99°—140°E），空間分辨率為6′×6′，時間步長600 s，方向分辨率為30°，頻率分級采用對數(shù)30級。地形數(shù)據(jù)來源于NOAA的etopo2v2，由于etopo2v2對近岸水下地形的觀測誤差較大，因此，近岸水深數(shù)據(jù)由中華人民共和國海軍航海保證司令部出版的海圖讀取。上邊界條件使用中尺度氣象模式MM5輸出的海面10 m高度風(fēng)場。初始場采用熱啟動模式，由上一次的預(yù)報結(jié)果提供，其它參數(shù)采用模型的默認(rèn)值[2]。

3 統(tǒng)計檢驗方法

采用國家海洋局在南海布放的3個浮標(biāo)（位置見圖1）的觀測結(jié)果對數(shù)值預(yù)報結(jié)果進行檢驗，統(tǒng)計檢驗時間（2010年3—11月，2011年3—11月），統(tǒng)計檢驗要素包括有效波高和平均周期，基本統(tǒng)計檢驗參數(shù)有絕對誤差、相對誤差、平均絕對誤差、平均相對誤差。

為分析預(yù)報誤差的主要分布區(qū)間，進行了各級誤差出現(xiàn)概率統(tǒng)計：

為分析預(yù)報值與觀測值之間是否存在系統(tǒng)性的偏差，對觀測值和預(yù)報值進行了線性回歸分析。

Oi：觀測值， Si：預(yù)報值，：觀測平均值，Sˉ：預(yù)報平均值，n：統(tǒng)計樣本總數(shù)，m：AEi≤x的樣本數(shù)，l：REi≤x的樣本數(shù)。

圖1 海浪預(yù)報范圍與浮標(biāo)位置

4 檢驗結(jié)果分析

4.1 24 h、48 h、72 h預(yù)報誤差比較

從有效浪高的統(tǒng)計檢驗結(jié)果來看，各站24h、48 h、72 h預(yù)報的MAE都小于0.5 m，MRE小于35.6%， MAE和MRE都表現(xiàn)為24 h預(yù)報＜48 h預(yù)報＜72 h預(yù)報，但差別不大。各站24 h預(yù)報MAE在0.30—0.34 m，MRE29.1%—25.8%，三站平均MAE為0.30 m，MRE為27.0%。各站48小時預(yù)報MAE在0.33—0.44 m，MRE34.1%—27.7%，三站平均MAE為0.38 m，MRE為30.5%。各站72小時預(yù)報MAE在0.41—0.48 m，平均相對誤差33.9%—37.7%，三站平均MAE為0.45 m，MRE為35.6%。

平均周期的各站24 h、48 h、72 h預(yù)報的MAE都不超過0.78 s，平均相對誤差不超過13.7%，MAE和MRE都表現(xiàn)為24 h預(yù)報＜48 h預(yù)報＜72 h預(yù)報，差別比有效波高更小。各站24 h預(yù)報MAE在0.60 s—0.65 s，MRE10.5%—11.2%，三站平均MAE為0.62 s，MRE為10.8%。各站48 h預(yù)報MAE在0.65 s—0.71 s，MRE11.3%—12.3%，三站平均MAE為0.68 s，MRE為11.7%。各站72 h預(yù)報MAE在0.77 s—0.78 s，平均相對誤差13.3%—13.7%，三站平均MAE為0.78 s，MRE為13.5%（見表1）。

表1 預(yù)報誤差統(tǒng)計

表2 各級預(yù)報誤差出現(xiàn)概率統(tǒng)計

4.2 預(yù)報誤差的區(qū)間分布

將各統(tǒng)計樣本的絕對誤差A(yù)Ei（相對誤差REi）從0開始，以0.1（10%）為間隔進行等間距遞增，分別統(tǒng)計各級誤差出現(xiàn)概率，繪制各級誤差出現(xiàn)概率圖（見圖2—3），圖2和圖3顯示各級誤差出現(xiàn)頻率為高度近似對數(shù)分布，說明大誤差的出現(xiàn)概率較小誤差的出現(xiàn)概率低。

表2顯示有效波高24h、48h、72h預(yù)報AEi≤0.5m的出現(xiàn)概率都在70%以上，24 h預(yù)報REi≤30%的出現(xiàn)概率為64.1%，48 h和72 h預(yù)報REi≤30%的出現(xiàn)概率都不足60%。平均周期 24 h、48 h、72 h預(yù)報AEi≤1.0 s的出現(xiàn)概率都在71%以上，24 h預(yù)報REi≤20%的出現(xiàn)概率為86.3%，72 h預(yù)報REi≤20%的出現(xiàn)概率也可達(dá)77.4%。平均周期24 h、48 h、72 h預(yù)報REi≤30%的出現(xiàn)概率都在93%以上。

4.3 預(yù)報誤差的季節(jié)變化

圖2 有效波高各級預(yù)報誤差出現(xiàn)概率圖

圖3 平均周期各級預(yù)報誤差出現(xiàn)概率圖

表3 各月24 h預(yù)報誤差統(tǒng)計表

表4 觀測值與預(yù)報值相關(guān)分析結(jié)果

從有效波高24 h預(yù)報誤差統(tǒng)計來看（見表3），除A站的2月份，預(yù)報MAE較大之外，其它各站各月的預(yù)報MAE都小于0.5m，且MAE沒有明顯的季節(jié)變化。各站預(yù)報的MRE都具明顯的季節(jié)變化，10月和11月預(yù)報MRE顯著小于其它各月，4—7月誤差較大，誤差最大值在5月。5月份預(yù)報MRE三站平均為34.1%，以A站最大，為39.8%，C站最小為30.6%。10月和11月的MRE三站平均分別為14.0%和11.6%。B、C兩站11月的預(yù)報誤差小于10月，A站預(yù)報誤差最大，且10月和11月預(yù)報誤差相當(dāng)。造成這種現(xiàn)象的原因與氣象模型對天氣系統(tǒng)預(yù)報的準(zhǔn)確率有很大的關(guān)系?，F(xiàn)有的中尺度氣象模型對于大尺度的穩(wěn)定氣象過程（如東北季風(fēng)）預(yù)報效果要好于中小尺度的氣象過程（如熱帶氣旋），對于頻繁變化的氣象過程刻劃的也不夠理想。因此在4—7月受氣象模型對熱帶氣旋和天氣系統(tǒng)變化過程預(yù)報效果相對欠佳的影響，海浪的預(yù)報結(jié)果也不如其它季節(jié)理想，每年的12月—翌年2月南海受東北季風(fēng)控制，由此可推斷12月、1月和2月的預(yù)報誤差小于或等于11月，南海海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)實際的年平均預(yù)報相對誤差也應(yīng)該小于表1的統(tǒng)計結(jié)果。

平均周期預(yù)報誤差的季節(jié)變化與有效波高不盡相同，預(yù)報MRE和預(yù)報MAE呈相同的季節(jié)變化規(guī)律，10月和11月顯著小于其它各月，4月、8月和9月則較其它月份大（見表3）。

4.4 預(yù)報與觀測的相關(guān)性分析

從回歸分析的結(jié)果來看（見圖4），無論是有效波高還是平均周期，預(yù)報值與觀測值都呈明顯的線性相關(guān)，有效波高預(yù)報值和觀測值的相關(guān)性高于平均周期。以有效波高24 h預(yù)報的相關(guān)度最高，相關(guān)系數(shù)0.85，屬高度相關(guān)，其它的相關(guān)系數(shù)介于0.61—0.77之間，屬中度相關(guān)。表4顯示相關(guān)系數(shù)K都小于1，總體來說預(yù)報值相對于觀測值偏大，相關(guān)系數(shù)隨預(yù)報時效的增長而減小，24 h預(yù)報＞48 h預(yù)報＞72 h預(yù)報，反應(yīng)了預(yù)報值與觀測值隨預(yù)報時效的增長相關(guān)度呈現(xiàn)遞減的趨勢。

圖4 有效波高散點圖

圖5 平均周期散點圖

從預(yù)報值與觀測值的散點圖來看（見圖5），對于浪高很小的涌浪，模型的表現(xiàn)效果較差，南海的周期通常都在3 s以上，即使在有效浪高僅0.1 m的情況下，平均周期仍然可達(dá)到4—6 s，甚至更長。對于這一類型的海浪，模型是難以預(yù)報出來。

5 結(jié)論

通過計算預(yù)報值和觀測值的絕對誤差、相對誤差、平均絕對誤差、平均相對誤差、各級誤差出現(xiàn)概率等統(tǒng)計參數(shù)和線性回歸分析，對南海海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)進行系統(tǒng)檢驗。形成主要結(jié)論如下：

（1）有效波高和平均周期的預(yù)報誤差隨預(yù)報時效的增長而增大，即24 h預(yù)報＜48 h預(yù)報＜72 h預(yù)報；

（2）平均周期的24 h、48 h、72 h預(yù)報平均絕對誤差小于0.8 s，24 h、48 h、72 h預(yù)報相對誤差分別為10.8%、11.7%和13.5%；有效波高的24 h、48 h、72 h預(yù)報平均絕對誤差小于0.5 m，24 h、48 h、72 h預(yù)報相對誤差分別為27.0%、30.5%和35.6%；

（3）有效波高和平均周期的預(yù)報誤差有明顯的季節(jié)變化，10月和11月的預(yù)報誤差顯著小于其它各月，根據(jù)誤差的季節(jié)變化推斷12月—翌年2月的預(yù)報誤差不超過11月，實際的年平均絕對誤差比統(tǒng)計值要?。?/p>

（4）回歸分析結(jié)果顯示預(yù)報值與觀測值存在中度高度線性相關(guān)，隨著預(yù)報時效的增長相關(guān)度逐漸遞減，總體來說預(yù)報值較觀測值偏大。

以上檢驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的預(yù)報誤差在可接受的范圍之內(nèi)，基本能滿足業(yè)務(wù)化預(yù)報的要求，尤其是冬季的24 h預(yù)報，預(yù)報誤差小，預(yù)報結(jié)果具有很高的應(yīng)用價值。但該系統(tǒng)的預(yù)報效果與歐洲氣象中心等先進國家的預(yù)報系統(tǒng)比較還存在較大的差距[3]。

[1]WAMDI Group.The WAM model—a third generation oceanwave prediction model[J].Journal of Physical Oceanography，1988，18：1775-1810.

[2]Hendik L.Tolman.User Manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14.U.S:Environmental Modeling Center Marine Modeling and Analysis Branch[R],2009,91-194.

[3]Jean-Raymond Bidlot.Reports on intercomparison of operational wave forecasting systems.The Joint Technical Commission for Oceanography and Marine Meteorology(JCOMM) [R/OL],2009-.