2014年6
—8月數(shù)值模式產(chǎn)品對山東氣溫預(yù)報的檢驗分析

范蘇丹，盛春巖，車軍輝，榮艷敏，曲巧娜

（山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南 250031）

2014年6
—8月數(shù)值模式產(chǎn)品對山東氣溫預(yù)報的檢驗分析

范蘇丹，盛春巖，車軍輝，榮艷敏，曲巧娜

（山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南 250031）

為檢驗不同數(shù)值模式產(chǎn)品對山東不同站點(diǎn)2m日最高、最低氣溫24h預(yù)報效果，利用2014年6—8月逐3h的WRF-RUC、EnWRF確定性預(yù)報、不同集合百分位數(shù)、T639、中國氣象局下發(fā)的T639-MOS解釋應(yīng)用產(chǎn)品以及EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報進(jìn)行TS評分、誤差等分析。結(jié)果表明：EC細(xì)網(wǎng)格對內(nèi)陸最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，EnWRF確定性預(yù)報次之，EC細(xì)網(wǎng)格和T639-MOS對內(nèi)陸最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高。T639和EC細(xì)網(wǎng)格分別對沿海最高和最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高。對各模式單站氣溫預(yù)報進(jìn)行最優(yōu)模式分析發(fā)現(xiàn)，對于最高氣溫預(yù)報最優(yōu)的模式為EC細(xì)網(wǎng)格和EnWRF確定性預(yù)報，分別集中在魯西南和魯北、魯中和魯東南。對于最低氣溫預(yù)報最優(yōu)的模式為 EC細(xì)網(wǎng)格和 T639-MOS，T639-MOS主要對魯中山區(qū)預(yù)報較好，其他地區(qū)兩個模式預(yù)報效果基本相當(dāng)。

氣溫檢驗；TS評分；單站最優(yōu)模式

引言

近幾十年來，數(shù)值模式已成為天氣預(yù)報中不可或缺的部分，并且隨著各數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品種類的日益繁多，各模式的預(yù)報各有優(yōu)劣，如何從海量的信息中選取更有效更穩(wěn)定的產(chǎn)品也表現(xiàn)得越來越重要，它不但是提高預(yù)報水平的關(guān)鍵，也是數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品釋用的重要應(yīng)用［1］。山東省地處中緯度，地形地貌多變，半島地區(qū)深入海上，受各種氣候和環(huán)境因素影響使得氣溫在時間和空間上起伏變化較大，并且氣溫的精細(xì)化預(yù)報和格點(diǎn)化預(yù)報需求也日益強(qiáng)烈，因此，提供相對更穩(wěn)定更可靠的客觀預(yù)報結(jié)果是非常有意義的。目前，國內(nèi)各地均開展了數(shù)值產(chǎn)品對當(dāng)?shù)仡A(yù)報的檢驗分析等工作［2-3］，山東省于2009年引進(jìn)并發(fā)展了逐3h的WRF-RUC模式，針對各要素預(yù)報開展了一系列檢驗評估工作并取得一定進(jìn)展［4-6］。近幾年又與中國海洋大學(xué)合作開發(fā)了EnWRF集合預(yù)報模式，大大豐富了模式產(chǎn)品種類。為各數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品在業(yè)務(wù)應(yīng)用中發(fā)揮更有效的作用，此文利用山東省2009年引進(jìn)開發(fā)的逐3h WRF-RUC、EnWRF集合模式，以及業(yè)務(wù)上常用的T639、中國氣象局下發(fā)的T639-MOS解釋應(yīng)用產(chǎn)品和EC細(xì)網(wǎng)格模式對氣溫預(yù)報進(jìn)行檢驗分析。

1　資料與方法

模式資料包括山東省引進(jìn)開發(fā)的中尺度模式WRF-RUC、EnWRF確定性預(yù)報及其不同集合百分位數(shù)、T639、中國氣象局下發(fā)的T639-MOS解釋應(yīng)用產(chǎn)品和EC細(xì)網(wǎng)格模式，各模式起報時間為北京時20點(diǎn)，預(yù)報時效為24h。所有預(yù)報結(jié)果均采用距離權(quán)重法插值到站點(diǎn)上。將模式24h預(yù)報時效內(nèi)的整點(diǎn)氣溫求最大和最小值得到模式的24h預(yù)報日最高、最低氣溫，將實(shí)況24h內(nèi)逐小時最高和最低氣溫求最大和最小值作為實(shí)況的日最高、最低氣溫，模式預(yù)報值和實(shí)況值之間的誤差閾值定為2?C。依據(jù)目前氣象部門廣泛應(yīng)用的《中短期天氣預(yù)報質(zhì)量檢驗辦法》中的有關(guān)規(guī)定對2m日最高、最低氣溫進(jìn)行TS評分及平均絕對誤差等分析。

2　內(nèi)陸和沿海2m氣溫預(yù)報檢驗

山東省具有特殊的地理位置和地形地貌，這使得氣溫變化在時間和空間上相差較大，為了分析各模式對內(nèi)陸和沿海地區(qū)氣溫預(yù)報的特點(diǎn)，將山東省海洋氣象業(yè)務(wù)規(guī)定的 12個海區(qū)代表站作為沿海地區(qū)代表站，從123個國家級氣象觀測站中剔除 12個海區(qū)代表站中已包含的長島站和成山頭站，并剔除海拔較高的泰山站，共計120個站作為內(nèi)陸代表站（圖1），對它們分別進(jìn)行TS評分，其中T639-MOS預(yù)報在沿海站點(diǎn)較少，因此不對沿海地區(qū)評分。

圖1　內(nèi)陸和沿海站點(diǎn)分布圖

各模式預(yù)報準(zhǔn)確率如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于內(nèi)陸地區(qū)（圖2a），EC細(xì)網(wǎng)格對2m最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，其次為EnWRF確定性預(yù)報和WRF-RUC模式，T639-MOS預(yù)報準(zhǔn)確率也較高，且這幾個模式預(yù)報準(zhǔn)確率相差不大，集合最大百分位數(shù)成員預(yù)報準(zhǔn)確率最低。EC細(xì)網(wǎng)格和T639-MOS對2m最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，集合最大百分位數(shù)成員次之，集合最小百分位數(shù)成員預(yù)報準(zhǔn)確率最低。對于沿海地區(qū)（圖2b），T639模式對2m最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，EC細(xì)網(wǎng)格次之。EC細(xì)網(wǎng)格對 2m最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，WRF-RUC模式次之，其中集合最小百分位數(shù)成員和WRF確定性預(yù)報準(zhǔn)確率基本相當(dāng)。

圖2　各模式2m氣溫24h內(nèi)陸（a）和沿海（b）預(yù)報準(zhǔn)確率（單位：℃）

從氣溫預(yù)報平均絕對誤差的結(jié)果來看（圖3），對于內(nèi)陸地區(qū)（圖3a），EC細(xì)網(wǎng)格對2m最高氣溫預(yù)報誤差最小，EC細(xì)網(wǎng)格和T639-MOS對2m最低氣溫預(yù)報誤差最小。對于沿海地區(qū)（圖3b），T639模式和EC細(xì)網(wǎng)格對2m最高氣溫預(yù)報誤差最小，EC細(xì)網(wǎng)格對2m最低氣溫預(yù)報誤差最小，WRF-RUC模式次之。各模式對于氣溫預(yù)報的平均絕對誤差與TS評分的預(yù)報準(zhǔn)確率結(jié)果基本一致。

圖3　各模式2m氣溫預(yù)報內(nèi)陸（a）和沿海（b）平均絕對誤差（單位：℃）

3　各模式單站氣溫預(yù)報檢驗

3.1誤差空間分布

為更好地了解各模式對于單站的預(yù)報效果，對各模式在全省120個內(nèi)陸代表站以及12個海區(qū)代表站共132個站點(diǎn)的2m日最高、最低氣溫平均絕對誤差和平均誤差進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了TS評分檢驗效果較好的幾個模式。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分模式對最高和最低氣溫預(yù)報的平均絕對誤差在全省大部分地區(qū)均在2?C以下。其中，EC細(xì)網(wǎng)格對于最高氣溫預(yù)報的平均誤差在魯西南地區(qū)為正值，其他地區(qū)均為負(fù)值（圖4a），對于最低氣溫預(yù)報的平均誤差在魯中以及東營部分站點(diǎn)為負(fù)值，其他地區(qū)均為正值（圖4b），即EC細(xì)網(wǎng)格對于最高氣溫預(yù)報，在魯西南略偏高，其他地區(qū)略偏低，對于最低氣溫預(yù)報，在魯中及東營地區(qū)偏低，其他地區(qū)略偏高。

圖4　EC細(xì)網(wǎng)格2m最高氣溫（a）和2m最低氣溫（b）24h預(yù)報平均誤差（單位：℃）

EnWRF確定性預(yù)報（圖略）對于最高氣溫預(yù)報，在魯中以及半島地區(qū)偏低，其他地區(qū)偏高，對于最低氣溫預(yù)報，基本在全省范圍內(nèi)均偏低。T639模式（圖略）平均誤差結(jié)果與EnWRF確定性預(yù)報結(jié)果大體一致。T639-MOS（圖略）對于最高氣溫預(yù)報，在北部沿海、東南沿海以及半島地區(qū)偏高，其他地區(qū)偏低，對于最低氣溫預(yù)報，除個別站點(diǎn)外，基本在全省范圍內(nèi)均偏高。

3.2單站最優(yōu)模式空間分布

為分析不同模式對不同站點(diǎn)預(yù)報性能，對各站不同模式預(yù)報評分進(jìn)行排序，逐站篩選出“最優(yōu)”模式，如表 1所示。由于模式較多，僅選取站次較多的幾個模式給出站點(diǎn)空間分布（圖5）?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于2m最高氣溫預(yù)報（圖5a），排名前四的模式分別為EC細(xì)網(wǎng)格、WRF確定性預(yù)報、集合最小百分位數(shù)成員以及T639-MOS。EC細(xì)網(wǎng)格對2m最高氣溫預(yù)報效果最好，預(yù)報最優(yōu)的為 39個站，站點(diǎn)大部分分布在魯西南以及魯北地區(qū)，但在魯中山區(qū)、魯東南以及威海和日照等地區(qū)預(yù)報效果較差。EnWRF確定性預(yù)報最優(yōu)的為31個站點(diǎn)，主要分布在魯中以及魯東南地區(qū)，集合最小百分位數(shù)成員為 24個站次，主要分布在德州、菏澤以及濟(jì)寧地區(qū)。T639-MOS作為最優(yōu)模式雖然僅有 15個站次，但基本集中分布在半島沿海地區(qū)，即在半島沿海地區(qū)T639-MOS對2m最高氣溫預(yù)報效果最好。對于2m最低氣溫預(yù)報（圖5b），排名前三的模式分別為EC細(xì)網(wǎng)格、T639-MOS、T639模式。EC細(xì)網(wǎng)格站數(shù)仍為最多，為 75個站點(diǎn)，除了魯中山區(qū)外，在全省范圍內(nèi)基本均勻分布。T639-MOS為51個站次，魯中山區(qū)站點(diǎn)最多且較為集中，半島以及魯西南站點(diǎn)最少，其他地區(qū)站點(diǎn)和EC細(xì)網(wǎng)格穿插分布。T639模式僅為 5個站次，在德州以及聊城零星分布。綜上所述，排名前幾位的最優(yōu)模式對于不同地區(qū)站點(diǎn)預(yù)報各有優(yōu)劣，形成互補(bǔ)，基本可以覆蓋全省所有站點(diǎn)。

表1　最優(yōu)模式站數(shù) 個

圖5　各模式2m最高氣溫（a）和2m最低氣溫（b）24h預(yù)報最優(yōu)的站點(diǎn)分布

4　結(jié)論

對2014年6—8月各模式對山東內(nèi)陸和沿海各站氣溫預(yù)報進(jìn)行了評分檢驗，在此基礎(chǔ)上，逐站選取了“最優(yōu)”模式，主要結(jié)論如下：

（1）總體而言，對于內(nèi)陸地區(qū)，EC細(xì)網(wǎng)格對2m最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，其次為EnWRF確定性預(yù)報和 WRF-RUC模式，EC細(xì)網(wǎng)格和

T639-MOS對2m最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高。對于沿海地區(qū)，T639模式和EC細(xì)網(wǎng)格分別對2m最高氣溫和最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高。

（2）對于單站 2m最高氣溫預(yù)報最優(yōu)的模式，排名前四的分別為EC細(xì)網(wǎng)格、EnWRF確定性預(yù)報、集合最小百分位數(shù)成員以及T639-MOS，站點(diǎn)分別集中在魯西南和魯北、魯中和魯東南、魯西南和魯西北、半島沿海地區(qū)。對于單站 2m最低氣溫預(yù)報最優(yōu)的模式主要為 EC細(xì)網(wǎng)格和T639-MOS，T639-MOS主要對魯中山區(qū)預(yù)報較好，其他地區(qū)兩個模式預(yù)報效果基本相當(dāng)。各最優(yōu)模式預(yù)報的站點(diǎn)分布互補(bǔ)，基本可以覆蓋全省所有站點(diǎn)。

由此可見，綜合各模式在不同地區(qū)的預(yù)報優(yōu)勢進(jìn)行氣溫最優(yōu)模式融合產(chǎn)品開發(fā)，可顯著提高各地氣溫客觀預(yù)報水平。

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B

1005-0582（2015）03-0013-04

2015-01-12

山東省超級計算科技專項項目（2011YD01106）和省級科技創(chuàng)新發(fā)展項目“數(shù)值模式應(yīng)用開發(fā)、檢驗及釋用關(guān)鍵技術(shù)”共同資助作者簡介：范蘇丹（1985—），女，漢族，云南會澤人，碩士，工程師，主要從事海洋氣象和數(shù)值預(yù)報研究。