T639數(shù)值預報模式產(chǎn)品解釋應用與預報業(yè)務系統(tǒng)開發(fā)

楊鐵鋼 白秀芳 畢力格

摘要：該系統(tǒng)的思路是將T639數(shù)值預報產(chǎn)品通過最優(yōu)子集線性回歸統(tǒng)計方法建立具有實際使用效果、性能穩(wěn)定的客觀精細預報方程，為基層臺站提供客觀、定量的精細化指導預報產(chǎn)品。其技術路線是通過“資料分析處理”、“預報方程建立”和“精細預報產(chǎn)品制作和可視化顯示”和“檢驗精細預報產(chǎn)品”等四部分工作，實現(xiàn)巴彥淖爾市97個區(qū)域自動氣象站和8個常規(guī)自動氣象站3-6 h間隔的氣溫（平均、最高、最低氣溫）、相對濕度、降水和風等的精細預報，建立未來10d 的鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報業(yè)務系統(tǒng)。該系統(tǒng)每d 運行一次，每次運行約需10分鐘，投入業(yè)務化運行以來，性能穩(wěn)定，具有預報項目多、時空精度細、穩(wěn)定性好、實用性強、業(yè)務化運行等特點，使預報員的主要精力由經(jīng)驗分析轉向定時、定點、定量分析，實現(xiàn)了預報和經(jīng)驗的同步進行，可以達到對基層臺站的客觀精細指導預報作用；由于系統(tǒng)采用服務器端和客戶端結構開發(fā)，具有良好的可移植性和可擴展性。

關鍵詞：T639數(shù)值預報 精細化業(yè)務系統(tǒng) 預報因子 預報準確率

中圖分類號：P456.7 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0176-01

隨著時代的發(fā)展，天氣預報已經(jīng)成為公眾生活、社會活動和經(jīng)濟建設中的一個重要組成部分，且對預報精度和時效的要求也愈來愈高。為進一步提升預報水平和服務能力，適應防災減災和預報服務需求，建設符合巴彥淖爾市實際的精細化短期預報業(yè)務平臺顯得尤為重要。

經(jīng)過多年努力，巴彥淖爾市的短期24h預報空間站點已達到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，預報指導產(chǎn)品和服務產(chǎn)品時效為5d，在常規(guī)預報水平和災害預報能力方面有了一定的突破和技術積淀，而主要方法依然停留在經(jīng)驗預報基礎上；雖然對各種數(shù)值模式預報產(chǎn)品的應用已很普遍，但僅僅停留在定性的預報水平上，對數(shù)值模式預報產(chǎn)品的解釋應用方面沒有開展實質(zhì)性的研究，沒有從根本上實現(xiàn)客觀定量。同時，由于精細化預報的工作量大，檢驗不能及時跟上，使得預報的業(yè)務發(fā)展產(chǎn)生了瓶頸。

通過雙線性插值算法建立鄉(xiāng)鎮(zhèn)點的精細預報業(yè)務系統(tǒng)，是巴彥淖市短期d氣預報業(yè)務的重要任務之一。數(shù)值預報產(chǎn)品的解釋應用是實現(xiàn)氣象要素精細定量預報的技術途徑[1]，多年來，國家、省、市三級氣象臺站在數(shù)值預報釋用方法和業(yè)務系統(tǒng)建立方面做了大量的研究和應用[2-9]。經(jīng)過3年的調(diào)式檢驗，建立了“基于T639數(shù)值預報模式產(chǎn)品的巴彥淖爾市短期預報平臺”，并投入業(yè)務運行。該系統(tǒng)包括巴彥淖爾市97個區(qū)域自動氣象站精細化預報和9個常規(guī)氣象站精細化預報兩部分，預報要素包括降水量、風、相對濕度，以及氣溫（最高.最低.平均）、海平面氣壓等項目。該系統(tǒng)通過資料分析處理、預報方程建立、預報產(chǎn)品制作與可視化顯示和預報方程檢驗程序模塊，建立了精細化氣象要素預報業(yè)務系統(tǒng)，具備多個預報項目、3h時間間隔、簡單、穩(wěn)定、實用等特點，并且系統(tǒng)采用讀寫、表達、參數(shù)等接口標準化、功能模塊化的設計，使得保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和具有自我優(yōu)化、完善和改進功能。

1 思路方法和技術路線

1.1 目標要求

基于T639數(shù)值預報釋用的精細化預報研究，就是目前T639數(shù)值預報產(chǎn)品通過雙線性插值方法插值到站點的經(jīng)緯度上，并用最優(yōu)子集線性回歸統(tǒng)計方法建立預報要素方程，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的可視化發(fā)布，滿足社會各界對精細d 氣預報服務的需求。因此，預報產(chǎn)品具有精細、實用、豐富的特點，能對基層臺站起到精細化客觀指導預報作用；業(yè)務運行實現(xiàn)客觀自動化，在不增加預報員工作量的基礎上，其預報水平要達到實用程度，能代替基層臺站的常規(guī)天氣預報，以便預報員能夠集中時間和精力做好災害性天氣的監(jiān)視預報和本地化氣象服務。所以，我們對T639數(shù)值預報模式產(chǎn)品解釋應用系統(tǒng)提出如下要求：（1）時空精細度：巴彥淖爾市97個區(qū)域氣象自動站和9個常規(guī)氣象站點預報，3-6 h預報時效間隔，預報時效10d。（2）要素精細度：3、6、12和24h的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、累計降水量、平均相對濕度、最小相對濕度、海平面氣壓、風（風向和風速）等要素。（3）按業(yè)務要求自動形成各預報氣象要素的檢驗報告，以便預報員使用各要素預報。（4）按業(yè)務要求自動形成T639數(shù)值模式產(chǎn)品接受和解碼的統(tǒng)計報告，以便統(tǒng)計數(shù)據(jù)完整性和有效性。

1.2 思路方法

本系統(tǒng)通過雙線性插值算法、最優(yōu)子集線性回歸統(tǒng)計方法，建立具有實際應用效果、性能穩(wěn)定的客觀精細化預報方法，為基層臺站提供客觀、定量的精細化預報產(chǎn)品。（1）衛(wèi)星接收的T639數(shù)值模式產(chǎn)品自動解碼后按照預報員選擇的區(qū)域進行分切，并按時間軸和產(chǎn)品軸從海拔高到低文件流的形式寫到一個文件里，滿足資料保存方便和壓縮性較大特點；（2）再用雙線性插值方法插值到站點的經(jīng)緯度上，再運用最優(yōu)子集線性回歸統(tǒng)計方法建立預報要素方程。（3）預報方程和插值算法得到精細化預報要素自動入庫保存，以便滿足實現(xiàn)自動化檢驗報告和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的完整性和有效性報告。

2 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)采用了C/S結構，即服務器端和客戶端。服務器端負責計算預報結果，并形成標準格式文件和日志文件并入庫精細化預報要素?？蛻舳酥饕撠燁A報結果的圖形化表達、查詢統(tǒng)計和檢驗功能；后臺服務器端之一負責數(shù)據(jù)產(chǎn)品的解碼和分切形成標準化文件和日志文件；后臺服務器端之二，通過預報方程和雙線性算法得到預報精細化氣象要素入庫管理；通過參數(shù)的修改即可在各地、各級臺站應用，已滿足系統(tǒng)的可移植性。

3 建立預報方程的方法

建立預報方程，除工作量大、細節(jié)繁雜外，最大難處是要保證計算出錯少、生命力長。為了保證建立預報方程的穩(wěn)定性和具有自我優(yōu)化、完善和改進功能，我們采用了標準化、層次化、模塊化、參數(shù)化設計，即要求：（1）每個層次之間采用標準（規(guī)范）接口；（2）修改完善其中一個層次的程序，不影響其他程序的運行（出現(xiàn)問題的修改限定在該層次內(nèi)）；（3）預報方程模塊化，可以實現(xiàn)研究成熟一個，插入預報方程一個。

3.1 資料分析處理

資料樣本處理（建立標準格式樣本文件）。（1）根據(jù)預報區(qū)域分割數(shù)值預報各點資料場，（2）處理各點場缺省值形成預報因子報表（X 樣本文件）；（3）利用區(qū)域自動站和常規(guī)自動站實況資料形成預報要素報表（Y樣本文件）。

3.2 計算相關系數(shù)場確定預報因子

計算相關系數(shù)場。（1）計算T639預報場網(wǎng)格點和預報要素報表（Y 樣本文件）之間相關系數(shù)，形成正相關系數(shù)場和負相關系數(shù)場；（2）判別相關系數(shù)場（正負相關系數(shù)場都判別一次），選擇相關系數(shù)大于等于0.6，并且必須連續(xù)四點以上的區(qū)域，形成該相關系數(shù)場的判別區(qū)。（3）各個相關系數(shù)場采用區(qū)域平均統(tǒng)計技術經(jīng)排序，確定每個月每個時次每個預報要素的預報因子。

3.3 建立自由子集預報方程

建立預報方程。利用預報因子報表（X樣本文件）和預報要素報表（Y樣本文件），使用多元線性回歸方法，方程建立每個月每個時次每個預報要素的預報方程，實現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報。

3.4 檢驗預報方程

檢驗預報方程。利用預報方程回算，分析誤差（預報值和實況值之差）訂正預報方程。

4 業(yè)務化運行

（1）建立實時數(shù)值預報資料的報表文件；（2）計算鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報；（3）將鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報存入精細預報產(chǎn)品庫、鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報實現(xiàn)圖形化顯示，還可以導出報文、Micaps格式和Excel文件；（4）逐日形成誤差評估；（5）逐月形成各要素預報檢驗報告和數(shù)據(jù)產(chǎn)品完整性和有效性統(tǒng)計報告。

5 結語

“T639數(shù)值預報模式產(chǎn)品解釋應用研究與預報業(yè)務系統(tǒng)開發(fā)”已在巴彥淖爾市氣象臺投入了業(yè)務試運行，每天計算一次，輸出97個區(qū)域自動氣象站和9個常規(guī)自動站氣象站預報，一方面入精細預報產(chǎn)品庫，另一方面通過內(nèi)部寬帶網(wǎng)向旗縣氣象局分發(fā)。系統(tǒng)的技術特點有（1）不同測站不同預報時效不同月份建立不同預報方程。（2）不同預報對象所用的物理量場內(nèi)容和數(shù)量是動態(tài)。（3）歷史樣本是根據(jù)預報日動態(tài)選取的。（4）在因子選取方面，除通過相關連續(xù)性選取外，考慮了正負相關性，并用相關系數(shù)的絕對值進行排序。（5）存在問題與改進盡管預報精度較高.但受中期數(shù)值產(chǎn)品的精度和資料長度的限制.部分小概率預報對象預報水平偏低。在因子選取方面只考慮T639數(shù)值模式預報場資料，沒有考慮其他數(shù)值模式預報場資料。應該進一步考慮用實況場訂正T639數(shù)值模式預報場，從而提高預報準確率；應該進一步考慮預報和實況的無縫隙銜接，根據(jù)實況重新計算預報值。

參考文獻

[1]矯梅燕，龔建東，周兵.天氣預報的業(yè)務技術進展[J].應用氣象學報，2006，17（5）：594-601.

[2]劉還珠，趙聲蓉，陸志善等.國家氣象中心氣象要素的客觀預報—M0S系統(tǒng)[J].應用氣象學報，2004，15（2）：181-191.

[3]嚴明良，曾明劍，濮梅娟.數(shù)值預報產(chǎn)品釋用方法探討及其業(yè)務系統(tǒng)的建立[J].氣象科學，2006，26（1）：90-96.

[4]盛永，袁子鵬，陳艷秋等.遼寧省鄉(xiāng)鎮(zhèn)d氣預報業(yè)務系統(tǒng)[J].氣象與環(huán)境學報，2008，24（3）：13-17.

[5]李帥，吳英，白人海.數(shù)值分析預報產(chǎn)品釋用業(yè)務系統(tǒng).第八次全國數(shù)值d氣預報會議論文匯編，2002.