ECMWF和GFS模式對一例溫帶氣旋預報性能的對比分析

李慶，王力群，馬衛(wèi)民，姜旻

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431)

1 引言

ECMWF（以下簡寫為EC）的全球數(shù)值天氣預報產品應用非常廣泛，在廣大氣象科技工作者中具有良好的口碑，國內對其中期預報性能和熱帶氣旋預報效果進行的檢驗研究工作較多[1-4]，但是針對中α尺度海洋溫帶氣旋的預報性能研究較少。GFS的數(shù)值天氣預報和NMWW3 的海浪數(shù)值預報產品由于其開放性，國內對其應用較多，但對其預報性能的檢驗研究工作較少。集合預報被WMO（世界氣象組織）列為數(shù)值預報四個發(fā)展方向之一，能成功處理數(shù)值預報的不確定性[5]。1994年，EC的集合預報系統(tǒng)投入業(yè)務運行[6-8]，2010年，EC免費發(fā)布了其集合預報產品（以下簡寫為EC-ENS）中的平均值和標準差場，目前對該產品的解釋應用研究非常少。確定性數(shù)值預報產品對中α 尺度溫帶氣旋預報的不穩(wěn)定，曾給“神舟八號”飛船海上測控任務的指揮決策帶來較大的困難。對該類氣旋若能在4—6 天前較準確的預報其中心位置和強度，3 天前準確保障要素預報，則對指揮決策非常有利。本文對比分析了EC、GFS 和NMWW3 模式產品[9]對西南太平洋一例上述尺度溫帶氣旋的預報性能，總結了一些綜合應用上述產品提高氣象水文保障質量的方法與經驗。本文中使用的數(shù)值產品水平分辨率均為0.5°×0.5°，涉及的時間均為世界時（UTC）。

2 天氣過程實況

2.1 高空形勢

高空形勢場上（見圖1），28日在160°W 附近的中低緯度海域上空有一短波槽，與其對應的中高緯海域有一長波槽快速過境，30日短波槽向北發(fā)展，并切斷出一冷渦，冷渦與長波槽脫離，冷渦南側是緩慢移動發(fā)展中的脊。31—2日，冷渦逐漸增強，并緩慢向西南移動，冷渦中心位勢高度降低率約為40 gpm/d，31—1日，冷渦南側脊的強度維持，緩慢東移，2日冷渦南移，脊強度明顯減弱。

2.2 海平面形勢

圖1 EC 2011年10月28—11月2日00時500 hPa位勢高度客觀分析場（單位/10 gpm）

圖2 EC10月28日—11月2日00時海平面氣壓客觀分析場（單位/hPa）

圖3 EC11月1日00時客觀分析場（虛）與10—5天前確定性預報的海平面形勢（實）對比（單位/hPa）

海平面形勢場上（見圖2），28日在中低緯海域有一倒槽，從28—31日倒槽幾乎未發(fā)展，但其南側的冷性高壓迅速增強，30日其中心強度達到1040 hPa，31日冷高壓繼續(xù)增強，在倒槽與冷高壓之間形成較強的氣壓梯度帶。1日倒槽迅速發(fā)展加深，向南鍥入冷高壓中，在中緯度海域形成很強的氣壓梯度帶。2日倒槽迅速增強為具有2條閉合等值線的溫帶氣旋，之后氣旋緩慢向西南方向移動，強度維持，此時預定作業(yè)海域（見圖6）已處于溫帶氣旋后部，等值線較為稀疏，溫帶氣旋對該海域的影響反而較1日弱，所以后面的對比分析只針對11月1日。

天氣過程形勢概括為，中高緯長波槽過境，中低緯短波槽切斷為冷渦，并逐漸增強，海平面形勢場上倒槽發(fā)展加強為溫帶氣旋，與其南側的強冷性高壓間形成非常強的氣壓梯度帶。該氣旋的發(fā)展符合Petterssen 提出的B類氣旋發(fā)展[10]的概念模型，即氣旋發(fā)生發(fā)展的啟動機制主要在高空。

3 中期形勢預報對比分析

3.1 EC海平面形勢預報

圖4 EC-ENS10—5天前預報11月1日00時海平面氣壓的平均及標準差場（單位/hPa）

下面分別分析EC 提前10—5 天預報的11月1日00 時海平面形勢場（見圖3）的準確性，10 天預報的冷性高壓中心位置偏西南，倒槽形勢預報較差，高低值系統(tǒng)基本上都報出。9 天預報的冷高壓形勢較好，強度稍偏弱，倒槽的位相預報準確，但是報出一較強的溫帶氣旋（2 條閉合等值線），整個高低壓形勢場與實況比較接近。8天預報冷高壓被氣旋切斷成兩個高壓單體，倒槽預報偏強（1條閉合等值線），位置偏東南，整個形勢場較差。7 天預報高壓形勢較好，中心位置偏西南，倒槽位置預報稍偏東，強度偏強（2條閉合等值線），整個形勢預報較好。6天預報高壓中心稍偏西南，倒槽位置預報準確，強度偏強（1條閉合等值線），整個形勢場預報準確，強氣壓梯度帶的預報也非常好，各等值線的形態(tài)與零場接近。5 天預報高壓形勢準確，中心位置稍稍偏東，各等值線基本與零場吻合，但預報的倒槽位置稍偏東北，導致預報的強氣壓梯度帶比零場稍偏東。

EC10—8天（除9天外）確定性預報的海平面形勢場較差，7—5 天的形勢預報較好，總的趨勢是時效越短，高低值系統(tǒng)的強度和位置預報的準確性提高，中期（7—5天）預報的穩(wěn)定性較好。

3.2 EC-ENS平均值及標準差

下面分析EC-ENS提前10—5天預報的11月1日00時海平面氣壓的平均及標準差場（見圖4）。10天預報的平均場上，高壓呈長條狀，強度較零場偏弱較多，倒槽位相預報準確，強度偏弱，倒槽底部是標準差的高值區(qū)，大于8 hPa，整個形勢預報較好。9天預報的高壓也呈長條狀，中心位置預報較好，但是高壓后部形勢預報較差，倒槽較10 天的預報偏淺，位置稍偏西。8 天預報的倒槽位相和高壓形勢較好，高低壓間的標準差較大，中心區(qū)大于7 hPa，整個形勢預報較好。7 天預報高壓形勢較好，中心強度偏弱，倒槽的位相和強度預報均較好，強氣壓梯度帶的形勢預報準確，高低壓間的標準差較大。5—6天預報的形勢準確，強氣壓梯度帶和倒槽的位相預報準確，高壓的形勢預報準確，但中心稍偏弱。

從第8 天前的預報開始，標準差的高值區(qū)主要集中在平均場倒槽的底部，由此，預報員基本上可以把握倒槽的位相，但是倒槽強度還有較大的不確定性。從第6 天前的預報開始，高壓中心區(qū)的標準差較小，依此可以確定高壓中心的位置，或者認為6天前EC確定性模式預報的高壓位置和強度可信度較高。

3.3 GFS海平面形勢預報

圖5 GFS11月1日00時客觀分析場（虛）與10—5天前確定性預報（實）的海平面形勢對比（單位/hPa）

下面分別分析GFS提前10—5天預報的11月1日00時海平面形勢場（見圖5）。10天預報高壓系統(tǒng)偏弱，中心位置落后零場較多，倒槽預報位置偏東，強度偏強（1條閉合等值線），整個形勢場較差。第9天和8天預報的形勢相似，高壓系統(tǒng)位置偏東，倒槽系統(tǒng)預報出，但形勢較差，整個形勢場預報較差。7天預報高壓偏東較多，倒槽位相基本準確，整個形勢預報也較差。6天預報高壓形態(tài)較好，強度稍偏弱，倒槽位置偏東北，強度稍偏強，高低壓間的氣壓梯度較零場偏弱，整個形勢預報較好。5 天預報的高壓形態(tài)較好，強度偏弱，倒槽位置偏東北，中心偏強（1條閉合等值線），強氣壓梯度帶較零場偏東北，整個形勢預報較好。

圖6 EC11月1日00時零場（黑）與4天內（含）EC確定性預報（紅）及集合預報平均值（藍）和GFS確定性預報（紫）預報的海平面形勢對比

圖7 NMWW3模式提前7—1天預報11月1日00時和客觀分析的有效波高（單位/m）

GFS確定性預報10—7天前的整個形勢預報較差，6—5 天的形勢預報較好，但是低值系統(tǒng)位置預報較差，強度偏強。

3.4 小結

EC 和GFS 的確定性預報均提前8—10 天報出中低緯度的倒槽和中高緯的高壓系統(tǒng)，但倒槽強度和中心位置預報的穩(wěn)定性較差，EC預報倒槽的位相更好一點；EC-ENS 也提前8—10 天預報出上述系統(tǒng)，整體形勢預報更好和穩(wěn)定，對倒槽和高壓的位相預報更好，但系統(tǒng)強度預報偏弱較多，可以從標準差場估計系統(tǒng)強度。EC 和GFS 的確定性預報5—6天前的形勢預報較好，EC的預報相對穩(wěn)定，倒槽的位置預報更加準確，GFS 的預報穩(wěn)定性較EC差，倒槽的位置預報誤差較EC 偏大；EC-ENS 的預報穩(wěn)定，系統(tǒng)位相預報準確，整體形勢較好，但是系統(tǒng)偏弱。綜上所述，由于確定性預報的不穩(wěn)定，只應用該產品7—10天前較難準確預報倒槽和高壓系統(tǒng)的位置和強度，也就較難預報強氣壓梯度帶的位置和強度，若利用EC-ENS 的產品則能在8 天前較準確的預報倒槽位相和整個形勢場，6 天前準確預報高壓中心的位置和形勢，結合EC 和GFS 的確定性預報即可以較好的預報倒槽和高壓系統(tǒng)的強度，從而可以對NMWW3 的海浪數(shù)值預報進行定性的主觀修正。

4 4天及短期數(shù)值預報對比分析

EC 4天的高壓形勢預報準確，中心強度預報準確，對強氣壓梯度帶的位置預報準確，但是倒槽稍偏弱，對1012 hPa 等值線預報較差（見圖6）；ECENS 4 天預報的整體形勢較好，強氣壓梯度帶預報準確，但是高低壓中心預報均偏弱，導致預報的氣壓梯度形勢偏弱，高低壓之間仍然存在較大的不確定性；GFS 4天預報的整體形勢準確，但倒槽位置整體偏北，強度偏強，導致強氣壓梯度帶預報偏北，更加接近預定作業(yè)海域。EC和GFS短期1—3天的形勢預報準確，無論是冷高壓還是倒槽形勢預報都非常準確，高低壓間的強氣壓梯度帶位置與強度預報的也非常好，各等值線基本與零場吻合；EC-ENS 3 天前預報的倒槽強度稍偏弱，倒槽底部的標準差較小，2天和1天預報的各等值線基本與零場吻合。

4 天前各家預報仍然存在較明顯的差別，ECENS 強氣壓梯度帶的標準差仍然偏大，3 天內的整體形勢預報各家都好，差別不明顯。EC-ENS 3 天前預報強氣壓梯度帶位置的標準差非常小，由此，預報員可以將EC 的確定性預報評估為非常準確，因GFS 與EC 的確定性預報吻合，可以定性評估NMWW3海浪預報誤差將非常小。

綜上所述，集合（平均值和標準差）預報的優(yōu)勢在于其預報的整個形勢場較為穩(wěn)定，隨著預報時效變短，越來越接近客觀分析場，強氣壓梯度帶區(qū)域的標準差總的趨勢也是逐漸變小，表明預報的不確定性越來越小，其標準差場還可以用來估計天氣系統(tǒng)的強度（高值區(qū)加上標準差，低值區(qū)減去標準差，高低壓之間的過渡區(qū)域不適用此原則）。一般情況下，由于計算平均的過程中已經把一些預報的隨機信息過濾掉[11]，集合平均預報通常比單個預報準確。其缺點是由于簡單平均的原因，一般情況下，天氣系統(tǒng)會變弱，其形勢場也不代表模式的相空間軌跡。對上述個例的對比分析表明，若綜合集合預報和確定性預報的優(yōu)點來對天氣系統(tǒng)進行預報，則能在8 天前較好的預報整個天氣形勢，4—6 天前準確預報天氣形勢和高低值系統(tǒng)的強度，3 天內確定性預報的準確性本來就非常高，但還可以用ECENS 的標準差來評估其準確性，增強預報員和指揮決策者的信心。

5 NMWW3模式海浪預報

NMWW3 模式的風場強迫來自GFS 的海面（10 m）風場預報，因此浪高預報的準確性直接依賴于GFS形勢預報的準確性。分析圖7（h）可知，11月1日00時，預定作業(yè)海域浪高4 m左右，在其東南側海域有一大浪區(qū)，中心浪高超過6 m。NMWW3 模式7 天前的預報場與分析場差別較大，漏報預定作業(yè)海域的大浪過程。6—5天報出大浪過程，形勢預報基本準確，因GFS 未準確預報強氣壓梯度帶，大浪中心預報偏弱，預定作業(yè)海域浪高偏小。4—1天的形勢預報準確，但是5 m 以上浪高范圍和大浪中心位置預報不斷調整，導致預定作業(yè)海域浪高預報不斷修正，浪高預報的具體誤差見表1。7天因GFS預報的形勢與EC-ENS 相差較大，因此浪高應該作較大的修正，6、5 天因GFS 預報的強氣壓梯度帶遠離預定作業(yè)海區(qū)，4 m 以上浪區(qū)中心應更靠近預定作業(yè)海域，4 天因GFS 預報較EC 偏強，可以適當減小浪高值，3—1 天可以不作修訂。綜上所述，若依據(jù)EC、EC-ENS 和GFS 的綜合形勢預報，對7—4 天的浪高預報進行定量化的主觀修正，可以有效改善浪高的中期形勢和要素預報。

表1 預定作業(yè)海域NMWW3模式浪高預報值與客觀分析場比較

6 結論

通過綜合分析EC、EC-ENS、GFS和NMWW3模式對一例中α 尺度溫帶氣旋的預報，本文得出了以下結論：

（1）EC 確定性模式對中α 尺度溫帶氣旋的中期形勢預報較GFS模式穩(wěn)定；

（2）EC-ENS 8—10天的形勢預報比EC確定性模式更具有優(yōu)勢，預報更加穩(wěn)定，系統(tǒng)的位相誤差更小，但是系統(tǒng)的強度偏弱較多；4—7 天的預報也較確定性預報穩(wěn)定，系統(tǒng)強度仍然偏弱，但是逐漸接近真實強度；標準差場可以估計系統(tǒng)的強度；

（3）EC 和GFS 模式的短期確定性預報沒有顯著差別，EC-ENS 的標準差場可以用來評估確定性預報形勢場的可信度；

（4）NMWW3 模式3 天內的浪高要素預報誤差較小，4—7 天預報可以依據(jù)EC、EC-ENS 和GFS 的綜合預報進行主觀改善性的修正。

集合預報的數(shù)據(jù)量非常大，本文只應用了EC集合預報的平均值和標準差場，對上述個例的分析表明，該產品的應用有助于提升對中α 尺度海洋溫帶氣旋中期形勢和要素預報的準確性。

致謝：感謝ECMWF和NCEP提供全球數(shù)值預報產品的免費下載。

[1]蔡薌寧.2011年3-5月T639、ECMWF及日本模式中期預報性能檢驗[J].氣象,2011,37(8):1026-1030.

[2]周寧芳.2010年9-11月T639、ECMWF 及日本模式中期預報性能檢驗[J].氣象,2011,37(2):237-241.

[3]涂小萍.基于ECMWF海平面氣壓場的熱帶氣旋路徑預報效果檢驗[J].氣象,2010,36(3):107-111.

[4]涂小萍,姚日升.ECMWF 數(shù)值產品在熱帶氣旋（TC）路徑預報中的應用分析[J].熱帶氣象學報,2010,26(6):759-764.

[5]陳靜,陳德輝,顏容.集合數(shù)值預報發(fā)展與研究進展[J].應用氣象學報,2002,13(4):497-507.

[6]Molteni F, Buizza R, Palmer T N,et al.The ECMWF ensemble prediction system: Methodology and verification[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1996,122:73-119.

[7]Buizza R, Miller M, Palmer T N.Stochastic representation of model uncertainties in the ECMWF EPS[J].Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1999,125(560):2887-2908.

[8]Buizza R.Potential forecast skill of ensemble prediction and spread skill distribution of the ECMWF ensemble prediction system[J].Monthly Weather Review,1997,125(1):99-119.

[9]Tolman H L.User manual and system documentation of WAVE WATCH-Ⅲversion 3.14[M].Technical Note.2009.

[10]伍榮生,等.現(xiàn)代天氣學原理[M].高等教育出版社,北京,1999:152.

[11]杜鈞.集合預報的現(xiàn)狀和前景[J].應用氣象學報,2002,13(1):16-28.