.泉州市氣象局 2.石獅市氣象局 藍(lán)秋萍饒?jiān)铞纬?思
?
泉州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化氣溫、降水預(yù)報(bào)初探
1.泉州市氣象局 2.石獅市氣象局 藍(lán)秋萍1饒?jiān)铞?程 思1
該文針對泉州市鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù),采用相鄰區(qū)域的相似預(yù)報(bào)法,分別對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)四季的不同天氣要素與參考站的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其中高溫、低溫和沿海風(fēng)力預(yù)報(bào)得出基于參考站預(yù)報(bào)訂正值,而降水預(yù)報(bào)給出兩者間的晴雨同步率。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),全市高低溫歷史擬合率在90%左右,說明該結(jié)論具有較高的歷史相似性,可作為預(yù)報(bào)的訂正值;四季各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與參考站的晴雨同步性平均達(dá)85%以上,在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中可作為參考;進(jìn)一步對山區(qū)高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)、與參考站海陸差異明顯的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)方法改進(jìn)訂正,擬合效果明顯提高。
鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象預(yù)報(bào) 相似預(yù)報(bào)法 統(tǒng)計(jì)分析 晴雨同步率 泉州市
2010年中央一號文件部署了健全農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)體系、加強(qiáng)農(nóng)村氣象災(zāi)害防御體系建設(shè)任務(wù)(簡稱“兩個(gè)體系”),其中精確到各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的天氣預(yù)報(bào)是當(dāng)中的一個(gè)重要組成部分。
為了適應(yīng)氣象預(yù)報(bào)精細(xì)化的要求,提高泉州市氣象預(yù)報(bào)服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)能力,泉州市氣象局在2010年開展了精細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的天氣預(yù)報(bào)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)氣象站和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)為依托,以數(shù)值預(yù)報(bào)和福建省氣象臺(tái)指導(dǎo)預(yù)報(bào)為基礎(chǔ),制定泉州范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象要數(shù)預(yù)報(bào),包括降水、最低氣溫、最高氣溫、風(fēng)力等級和風(fēng)向。通過處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)產(chǎn)品,發(fā)布到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣象信息服務(wù)平臺(tái)、電子顯示屏等終端上,開展相應(yīng)服務(wù)。至2013年,泉州市已有6個(gè)縣市的公眾影視天氣節(jié)目對外發(fā)布鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)。但鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)缺乏客觀定量的預(yù)報(bào)參考,主要依靠預(yù)報(bào)員在本縣(市)基準(zhǔn)站的天氣預(yù)報(bào)上并借助簡單外推而進(jìn)行的訂正預(yù)報(bào),整體預(yù)報(bào)效果欠佳。
近年來,區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站網(wǎng)的密度有了快速提高,大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)都至少擁有一套4要素以上的自動(dòng)氣象觀測站,而且,自動(dòng)觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量也得到了較好控制,這些都為開展精細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的天氣預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。因此,本文從鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化氣溫、降水預(yù)報(bào)入手,結(jié)合自動(dòng)氣象觀測站和地面氣象觀測站,探討氣溫、降水預(yù)報(bào)訂正的方法,切實(shí)提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫、降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。
目前,國內(nèi)已有許多從事鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低、最高氣溫預(yù)報(bào)的研究工作。如連志鸞等[1]利用ECMWF資料、地面常規(guī)觀測資料和自動(dòng)站氣溫資料,采用多級相似和站際間的氣溫差額預(yù)報(bào)方法制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低、最高氣溫預(yù)報(bào),得到了較高的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[2]~[5]利用高分辨率的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)方法(如輸出統(tǒng)計(jì)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法)來制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)溫度預(yù)報(bào);另外,利用統(tǒng)計(jì)降尺度方法制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化溫度預(yù)報(bào)[6],也取得較高的準(zhǔn)確率。但是,這些基于數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果的溫度訂正預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果都表明[7-8],數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果誤差越大,溫度預(yù)報(bào)的誤差也越大。因此,邱學(xué)興等人[8]撇開數(shù)值模式預(yù)報(bào)結(jié)果,利用準(zhǔn)確率最高的主觀縣站最低、最高氣溫預(yù)報(bào)來制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)的溫度,并建立了不同季節(jié)、不同天氣狀況下的溫度預(yù)報(bào)訂正方程,溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有了顯著提升。
本文從還原自動(dòng)氣象觀測數(shù)據(jù)的角度出發(fā),系統(tǒng)分析全市的氣溫、降水分布特征,建立基于區(qū)域自動(dòng)氣象觀測站的鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫、降水預(yù)報(bào)訂正指標(biāo),為全市的精細(xì)化鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)水平和準(zhǔn)確率的提高提供技術(shù)支撐。
泉州市東臨臺(tái)灣海峽,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,冬半年主要受蒙古冷高壓楔控制,盛行偏北風(fēng),氣溫低,干燥少雨;夏半年主要受副熱帶高壓影響,盛行偏南風(fēng),氣溫高,濕潤多雨。
1.1 平均氣溫時(shí)空分布
泉州市年平均氣溫的高值區(qū)在安溪縣東部、南安縣西部的低丘陵地帶。由該區(qū)向東南部沿海緩降,與濱海地區(qū)相差約1℃;向西北部地區(qū)遞降,幅度較大,與德化縣城關(guān)相差約3℃。低值區(qū)在德化縣西北部的高海拔山區(qū)。
春季氣溫變化基本趨勢是升溫,但升中有降,過程性頻繁,幅度也大,有時(shí)一天升降可達(dá)10℃以上,有的年份3月下旬后仍會(huì)出現(xiàn)連續(xù)3d以上日平均氣溫低于12℃的“倒春寒”天氣。夏季炎熱,但真正的酷暑天氣不多,高海拔地區(qū)和濱海地區(qū)相對溫低,臺(tái)風(fēng)和雷陣雨則是緩解高溫的兩種主要天氣過程。秋季氣溫迅速下降,連續(xù)3d以上平均氣溫低于20℃的“秋寒”一般出現(xiàn)在10月中旬(半山區(qū))至11月上旬(沿海),但秋季仍常出現(xiàn)“十月小陽春”天氣,日較差也增大。冬季大部分地區(qū)仍較暖和,比較寒冷的是高海拔山區(qū)。
1.2 最高氣溫時(shí)空分布
泉州市月平均最高氣溫分布基本與月平均氣溫一致,中部低丘陵地帶高,濱海地區(qū)與西北部高海拔地區(qū)較低。“熱都”在安溪城廂一帶。濱海崇武各月平均氣溫高于德化,而1~8月平均最高氣溫均比德化低,反映出該地日較差較小的海洋性氣候特征。
1.3 最低氣溫時(shí)空分布
泉州市月平均最低氣溫的分布亦同月平均氣溫分布基本一致。崇武12月和1月的平均最低氣溫高于德化,也是該地海洋性氣候的特征之一。
從以上統(tǒng)計(jì)可以看出,最高、最低氣溫從海濱鄉(xiāng)鎮(zhèn)(崇武)到半沿海鄉(xiāng)鎮(zhèn)(鯉城)到內(nèi)陸低丘陵鄉(xiāng)鎮(zhèn)(南安)逐步遞增,再向西北部高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)(德化)遞減。反映出最高、最低氣溫的時(shí)空變化具有統(tǒng)一性與差異性,也反映了泉州氣候具有一定的區(qū)域性特征。例如,安溪、南安同樣地處泉州市中部低丘陵地帶,兩者測站的海拔高度均在50m左右,其各月最高、最低氣溫基本持平,反映兩者的氣溫變化狀況基本同步。本文氣象要素的預(yù)報(bào)也是基于這種同步性展開。
1.4 年降水量的空間分布
泉州市自動(dòng)站平均年降水量在800~2000mm,降水量分布受天氣系統(tǒng)和地形地勢影響;其時(shí)空分布不均,地理分布特征是由西北向東南遞減,山區(qū)多、沿海少;兩大多雨中心與海拔高值區(qū)相對應(yīng),分別位于德化境內(nèi)戴云山脈主峰附近和安溪西南隅,年均降水量在1700mm以上,這些地方的多雨是地形對氣流的動(dòng)力抬升作用所致。年降水量與站點(diǎn)高度分布的關(guān)系是:低于200m的自動(dòng)站年降水量基本少于1500mm,高于200m的基本在1500mm以上;年降水量隨自動(dòng)站高度呈指數(shù)性增長。
1.5 降水量的季節(jié)分布
春季是強(qiáng)對流天氣活躍,降水相對比較穩(wěn)定、均勻的季節(jié)。全市區(qū)域自動(dòng)站平均春季降水量186.6mm(石獅鴻山)~504.5mm(德化大銘)。春季降水量的分布與平均年降水量分布基本相似:西北多、東南少;山區(qū)春季降水量均在400mm以上,≥450mm的區(qū)域在德化西部、永春西北部和安溪西北部;東南部沿海一帶的雨量在300mm左右。
夏季降水主要因熱帶天氣系統(tǒng)的影響所致,是降水量時(shí)空分布最懸殊的季節(jié)。全市區(qū)域自動(dòng)站平均夏季降水量174.6mm(惠安埕邊鹽場)~905.9mm(永春呈祥)。其分布特點(diǎn)表現(xiàn)為:西北多、東南少;山區(qū)均在600mm以上,≥700mm的多雨區(qū)集中在德化西部、永春中部、安溪南部以及南安西南角;東南部沿海一帶的雨量在300~500mm之間,僅為山區(qū)的一半左右。
秋季是秋高氣爽、干燥少雨的季節(jié),也是降水變化無常的季節(jié),容易出現(xiàn)秋冬連旱。秋季降水量少且平緩,全市平均秋季降水量139.6mm(石獅鴻山)~407.1mm(安溪龍涓)。多雨區(qū)位置與夏季分布基本一致,雨量在300mm左右。
冬季冷空氣影響頻繁,風(fēng)高物燥,是降水最少的季節(jié)。全市區(qū)域自動(dòng)站平均冬季降水量33.4mm(泉港涂嶺)~161.4mm(德化桂陽)。冬季降水量分布自西北山區(qū)向東南沿海減少;德化西北部降水量超過150mm,沿海一帶降水量則在100mm以下。
本文采用泉州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)2008—2013年的(自動(dòng))觀測站逐小時(shí)報(bào)文資料。統(tǒng)計(jì)站點(diǎn)逐日相關(guān)氣象要素值,其中包括日降水、日最高氣溫、日最低氣溫和日極大風(fēng)力4個(gè)氣象要素。對資料進(jìn)行整理,形成預(yù)報(bào)中常用的08~08和20~20這2個(gè)時(shí)段的實(shí)況資料。
以2008—2012年資料作為樣本統(tǒng)計(jì),2013年資料作為歷史擬合效果檢驗(yàn)。本文所用的自動(dòng)站資料文件數(shù)量大,時(shí)間跨度長,基本涵蓋了泉州范圍內(nèi)自動(dòng)站建站以來的所有數(shù)據(jù)。
3.1 有效鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)站點(diǎn)篩選
泉州市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)站從2007年以來陸續(xù)建成,各自動(dòng)站資料的時(shí)間跨度不一,且由于自動(dòng)站故障造成數(shù)據(jù)缺失和錯(cuò)誤等原因,需對資料進(jìn)行初步整理,篩選出滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化預(yù)報(bào)條件的自動(dòng)站。
數(shù)據(jù)樣本數(shù)的長度對統(tǒng)計(jì)結(jié)果有重要影響,樣本長度太小,統(tǒng)計(jì)出的對比數(shù)據(jù)偶然性太大,歷史擬合的準(zhǔn)確率低,無參考意義。因此本文選取有效樣本資料多于3年的站點(diǎn)作統(tǒng)計(jì)分析。以此為依據(jù)共選出130個(gè)有效鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)站點(diǎn)。
3.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)況對比站點(diǎn)與預(yù)報(bào)對比站點(diǎn)的選取
本文選取鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在縣(市)的氣象基準(zhǔn)(或基本)站作為實(shí)況、預(yù)報(bào)對比站點(diǎn)。如無基準(zhǔn)(或基本)站,則選最近的自動(dòng)站。例如泉州市局以及洛江區(qū)范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道選取F5103東海自動(dòng)站作為實(shí)況對比站點(diǎn),石獅范圍內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、街道選取F5652寶蓋自動(dòng)站作為實(shí)況對比站(具體見表1)。該選取方法在泉州氣候特征的基礎(chǔ)上考慮了地理行政的分布,有利于日常預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的執(zhí)行。
表1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)報(bào)對比站點(diǎn)與實(shí)況對比站點(diǎn)
我們針對泉州天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀,分別對不同天氣要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其中高溫、低溫預(yù)報(bào)根據(jù)相似預(yù)報(bào)法得出預(yù)報(bào)訂正值;而降水預(yù)報(bào)給出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和預(yù)報(bào)對比站的晴雨同步率,為鄉(xiāng)鎮(zhèn)降水預(yù)報(bào)提供一定參考。
4.1 相似預(yù)報(bào)法
泉州氣候?yàn)閬啛釒ШQ笮约撅L(fēng)氣候,氣象要素在沿海區(qū)域和內(nèi)陸區(qū)域具有差異性和同步性。本文在泉州市近五年區(qū)域自動(dòng)站資料的基礎(chǔ)上,統(tǒng)計(jì)四個(gè)季節(jié)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的最高溫度、最低溫度與其相應(yīng)的實(shí)況對比站點(diǎn)氣象要素的平均差距,初步得出預(yù)報(bào)參考指標(biāo)。
其中為預(yù)報(bào)訂正值,為樣本長度,為鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)的天氣要素值,為該鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)況對比站點(diǎn)的天氣要素值。
4.2 晴雨的歷史同步率
假設(shè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)和實(shí)況對比站點(diǎn)的晴雨天氣具有一一對應(yīng)關(guān)系,某一季節(jié)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及本站的降水序列為個(gè)樣本,兩個(gè)站點(diǎn)共同出現(xiàn)降水的樣本數(shù)為1,共同沒有降水的樣本數(shù)為2,則(1+2)/代表兩者的晴雨同步性。(1+2)/的值越大,即表示兩者的晴雨同步性越好。
5.1 氣溫的歷史擬合效果檢驗(yàn)
采用2010年實(shí)施的《短期氣候預(yù)測質(zhì)量分級檢驗(yàn)辦法》中的PS評分方法。用鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點(diǎn)與本縣市的實(shí)況對比站點(diǎn)的實(shí)際高低溫差減去該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的高低溫訂正值,其絕對值在2℃以內(nèi)的視為正確樣本。全市擬合效果見表2。
表2 高、低溫歷史擬合效果
從表2可以看出,基于相似預(yù)報(bào)法得出的高、低溫訂正值具有較高的準(zhǔn)確率,四季各縣市的準(zhǔn)確率在90%左右,該訂正值可運(yùn)用于實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中;各縣市的準(zhǔn)確率存在差異,南安、永春、晉江、石獅、市區(qū)及洛江區(qū)的準(zhǔn)確率較高,說明這些縣市的氣象要素日差異小、區(qū)域性氣候明顯。德化、惠安及泉港區(qū)的準(zhǔn)確率較低,說明這些縣市的氣候區(qū)域內(nèi)差異大。
5.2 晴雨的歷史同步率
通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與其對應(yīng)的實(shí)況對比站點(diǎn)的平均晴雨同步性在85%左右,尤其是冬季晴雨同步率最高,具有較高的預(yù)報(bào)參考價(jià)值(見表3)。
表3 晴雨同步率
(1)通常情況下,山區(qū)高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低氣溫低于本站,但在秋冬季,受晴空輻射的影響,山區(qū)出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象,高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最低氣溫要高于本站。逆溫層高度一般從幾百米到幾千米。因此,在考慮可能出現(xiàn)逆溫的情況下,結(jié)合逆溫層高度的預(yù)算(800m左右),高于逆溫層高度的鄉(xiāng)鎮(zhèn)最低氣溫預(yù)報(bào)要做相應(yīng)調(diào)整。
統(tǒng)計(jì)德化本站和九仙山站點(diǎn)的逆溫情況,2008年1月~2012年12月共出現(xiàn)逆溫71次,平均溫差1.6℃。德化本站海拔為520m左右,九仙山為1650m左右,逆溫為0.15℃ /100m。
統(tǒng)計(jì)永春本站和呈祥站點(diǎn)的逆溫情況,2008年1月~2012年12月共出現(xiàn)逆溫39次,平均溫差1.1℃。永春本站海拔為170m左右,呈祥為800m左右,逆溫為0.17℃/100m。
統(tǒng)計(jì)安溪本站和大坪站點(diǎn)的逆溫情況,2008年1月~2012年12月共出現(xiàn)逆溫17次,平均溫差1.0℃。安溪本站海拔為69m左右,大坪為849m左右,逆溫為0.13℃/100m。
(2)惠安、泉港區(qū)的內(nèi)陸鄉(xiāng)鎮(zhèn)采用崇武站(59133)為實(shí)況對比站點(diǎn)和預(yù)報(bào)對比站點(diǎn),歷史擬合效果低,崇武為海濱鄉(xiāng)鎮(zhèn),海洋性氣候特征明顯,而惠安、泉港屬內(nèi)陸鄉(xiāng)鎮(zhèn),改為采用惠安本站(預(yù)報(bào)對比站點(diǎn)99901,實(shí)況對比站點(diǎn)F5706螺城),歷史擬合效果明顯提高。
(1)以2013年四季的高低溫實(shí)況作為原始資料,檢驗(yàn)高低溫訂正值的歷史擬合率。通過相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),全市高低溫歷史擬合率的PS評分在90%左右,說明該結(jié)論具有較高的歷史相似性,可作為預(yù)報(bào)的訂正值。
(2)四季各鄉(xiāng)鎮(zhèn)與本站的晴雨同步性平均達(dá)85%以上,在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中可作為參考。
(3)在高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)和與本站距離較遠(yuǎn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較低,對這部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)做預(yù)報(bào)時(shí),可加入當(dāng)天的溫度實(shí)況和冷暖空氣的活動(dòng)情況做進(jìn)一步調(diào)整,如高海拔鄉(xiāng)鎮(zhèn)的逆溫情況?;莅?、泉港區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)改為采用惠安本站為實(shí)況對比站點(diǎn)和預(yù)報(bào)對比站點(diǎn),歷史擬合效果明顯有所提高。這樣改進(jìn)后,可提高這些地區(qū)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。
[1] 連志鸞,李國翠,卞韜,等.基于多級相似一差額方法制作鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫預(yù)報(bào)[J].氣象,2008,34(5):113-117.
[2] 盛永,袁子鵬 ,陳艷秋 ,等.遼寧省鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2008,24(3):13-17.
[3] 吳君,裴洪芹,石瑩,等.基于數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的地面氣溫BP—MOS預(yù)報(bào)方法[J].氣象科學(xué),2007,27(4):430-435.
[4] 張繼贏,費(fèi)杰,邢宇航,等.基于數(shù)值產(chǎn)品的鄉(xiāng)鎮(zhèn)天氣預(yù)報(bào)方法研究與應(yīng)用[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2007,23(1):22-26.
[5] 陳豫英,陳曉光,馬金仁,等.基于MM5模式的精細(xì)化MOS溫度預(yù)報(bào)[J].干旱氣象,2005,23(4):52-56.
[6] 張冰,魏建蘇,裴海瑛.2006年T213模式在江蘇的降水和溫度檢驗(yàn)評估[J].氣象科學(xué),2008,28(4):468-472.
[7] 梁紅,王元,錢昊,等.歐洲ECWMF模式與我國T213模式夏季預(yù)報(bào)能力的對比分析檢驗(yàn)[J].氣象科學(xué),2007,27(3):253-258.
[8] 邱學(xué)興,王東勇,朱紅芳.鄉(xiāng)鎮(zhèn)精細(xì)化最高最低氣溫預(yù)報(bào)方法研究[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2013,29(3):92-93.