貴陽14時氣溫數(shù)值預(yù)報檢驗及擬合訂正分析

周永水，齊大鵬，吳古會

(貴州省氣象臺，貴州　貴陽　550002)

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貴陽14時氣溫數(shù)值預(yù)報檢驗及擬合訂正分析

周永水，齊大鵬，吳古會

(貴州省氣象臺，貴州貴陽550002)

利用2012—2014年T639、EC細(xì)網(wǎng)格24 h、48 h內(nèi)2 m溫度和站點觀測氣溫，在對比分析T639和EC細(xì)網(wǎng)格模式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，選擇預(yù)報準(zhǔn)確率更高的EC細(xì)網(wǎng)格14時2 m溫度和14時觀測氣溫求解最優(yōu)回歸擬合方程，考察在不同天氣轉(zhuǎn)換過程中模式和擬合方程對14時氣溫預(yù)報的優(yōu)缺點可知：24 h內(nèi)回歸檢驗擬合方程比模式預(yù)報準(zhǔn)確率高4.92%，對雨天和陰/多云天氣比模式預(yù)報有顯著提升，預(yù)報實時檢驗也比模式高4.25%，對提高最高氣溫預(yù)報具有一定的參考價值。

14時氣溫；擬合；天氣轉(zhuǎn)換；準(zhǔn)確率

1　引言

氣溫預(yù)報一直是天氣預(yù)報的重要組成部分，近年來由于全球氣候變化的影響，嚴(yán)寒、高溫?zé)崂恕⒍虝r強(qiáng)降水等極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)[1][2]，民眾對于天氣預(yù)報的要求和關(guān)注度也越來越高。隨著社會的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，天氣預(yù)報已深入社會行業(yè)的各個方面。氣溫預(yù)報既是干旱、霜凍、凍雨等災(zāi)害天氣預(yù)報的基礎(chǔ)，也是農(nóng)林牧漁部門的作業(yè)和規(guī)劃的重要參考，同時對于群眾的生活、工作以及出行都有重要的指示意義。

氣溫預(yù)報最近幾十年得到了快速的發(fā)展，目前已有臺站開展和嘗試氣溫預(yù)報的精細(xì)化研究以及對數(shù)值預(yù)報的氣溫檢驗并建立本地預(yù)報模型[3-6]，但是對單個站點的氣溫預(yù)報，主要關(guān)注的是最高氣溫和最低氣溫的預(yù)報。在2012—2014年這3 a全國城鎮(zhèn)天氣預(yù)報檢驗評估報告中貴州地區(qū)24 h最高氣溫準(zhǔn)確率分別為64.23%、66.98%、68.95%，最低氣溫準(zhǔn)確率分別為81.97%、81.86%、86.97%，因此，在整體改進(jìn)要素預(yù)報的同時，對最高氣溫的改進(jìn)和訂正顯得尤為重要和緊迫。在氣溫預(yù)報中，一般是在客觀的數(shù)值預(yù)報的基礎(chǔ)上進(jìn)行主觀訂正后做出最高氣溫和最低氣溫的預(yù)報，因此，客觀的數(shù)值預(yù)報是氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)和保證，而直接對氣溫這一要素做出預(yù)報并在貴州大范圍使用的數(shù)值模式主要是T639和EC細(xì)網(wǎng)格的2 m溫度預(yù)報，這兩個模式的空間分辨率分別為0.125°×0.125°、1°×1°，時間分辨率均為3 h，這使得它們的正點預(yù)報時間段內(nèi)均會出現(xiàn)14時這一時間節(jié)點，通過對2001—2010年10 a貴陽歷史氣溫數(shù)據(jù)做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，14時的氣溫和當(dāng)天最高氣溫相關(guān)系數(shù)為0.668 7，且通過0.01的置信度檢驗，對當(dāng)天最高氣溫有良好的反映。由此，14時的氣溫預(yù)報可成為最高氣溫預(yù)報的重要參考因子。

本文主要利用2012—2014年T639、EC細(xì)網(wǎng)格24 h、48 h內(nèi)2 m溫度在14時預(yù)報值插值到各個觀測站點上，再結(jié)合每個站點14時歷史氣溫進(jìn)行對比分析，找出預(yù)報準(zhǔn)確率更高的預(yù)報模式，并在考慮天氣現(xiàn)象轉(zhuǎn)換的情況下對該模式進(jìn)行擬合優(yōu)化，以期提高最高氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率。由于貴州觀測站點較多，方程的擬合以單個站點為基礎(chǔ)，本文主要介紹貴陽站檢驗及擬合情況。

2　資料與方法

本文使用的溫度觀測和預(yù)報資料包括：2012—2014年貴陽觀測站逐日最高氣溫、最低氣溫、云量、天空狀況、海平面氣壓以及2012—2014年T639、EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報資料, 若實時資料或模式資料的14時數(shù)據(jù)缺失，則該日實況和模式資料對比無意義，舍去該日數(shù)據(jù)，因此在表1的對比中EC細(xì)網(wǎng)格和T639樣本數(shù)量有所差異。本文使用的方法包括：常規(guī)統(tǒng)計分析、多項式逼近擬合法。經(jīng)統(tǒng)計分析得知：EC細(xì)網(wǎng)格前一日20時和當(dāng)日08時起報場對當(dāng)日14時預(yù)報(+18 h、+6 h)準(zhǔn)確率分別為66.03%、64.83%；前兩日20和前一日08時起報場對當(dāng)日14時預(yù)報(+42 h、+30 h)準(zhǔn)確率分別為64.29、62.75%；T639的該形式統(tǒng)計準(zhǔn)確率24 h為54.37%、48.21%，48 h準(zhǔn)確率為50.39%、53.49%，在預(yù)報時長比08時多12 h的情況下，EC和T639的20時起報場準(zhǔn)確率24 h內(nèi)均高于08時起報場，48 h內(nèi)EC20時起報準(zhǔn)確率仍高于08時起報，因此主要關(guān)注20時起報場的檢驗和訂正。

在分析過程中，將天空狀況分為晴天、陰/多云、雨天3種天氣類型，以便分析和比較在各種天氣轉(zhuǎn)換中模式預(yù)報準(zhǔn)確率。

3　兩種模式優(yōu)缺點對比

對2012—2014年兩種模式資料和實況對比可知(表1)，EC細(xì)網(wǎng)格24 h和48 h對14時的氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率為66.03%、64.29%，T639的這一數(shù)據(jù)分別是54.37%、50.39%，EC細(xì)網(wǎng)格準(zhǔn)確率比T639高出10%。再對天空狀況進(jìn)行分類，分為晴、陰/多云、雨3種天氣類型，以比較不同天氣類型轉(zhuǎn)換過程中的模式準(zhǔn)確率，由此可知：在24 h的氣溫預(yù)報中，EC細(xì)網(wǎng)格準(zhǔn)確率普遍高T639 10%以上，只有在雨轉(zhuǎn)晴、陰/多云轉(zhuǎn)雨和雨轉(zhuǎn)多云的天氣轉(zhuǎn)換中，T639預(yù)報準(zhǔn)確率略高于EC細(xì)網(wǎng)格或準(zhǔn)確率相當(dāng)；這可能與貴陽的陰雨天氣以及陰天天氣中一部分由靜止鋒影響造成，而對于靜止鋒在貴陽附近的擺動預(yù)報準(zhǔn)確率T639高于EC細(xì)網(wǎng)格，因此在這兩類天氣變化過程中對貴陽氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率T639高于EC細(xì)網(wǎng)格。同樣，在48 h的氣溫預(yù)報中，除雨轉(zhuǎn)陰/多云天氣T639預(yù)報準(zhǔn)確率高于EC細(xì)網(wǎng)格外，其余天氣轉(zhuǎn)換下EC細(xì)網(wǎng)格均比T639高10%以上。因此在方程擬合中只擬合EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報場的數(shù)據(jù)。

表1　T639/EC細(xì)網(wǎng)格24 h、48 h不同天氣下14時氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率(單位：%)對比

4　24 h和48 h EC細(xì)網(wǎng)格擬合方程和EC預(yù)報對比

根據(jù)EC細(xì)網(wǎng)格20時起報場18 h和42 h預(yù)報2 m溫度數(shù)據(jù)，對14時觀測氣溫進(jìn)行多項式形式逼近，求出24 h內(nèi)氣溫最優(yōu)化擬合方程為：

y=0.006 439×x2+0.842 5×x+0.158 5

其中y為擬合后14時氣溫預(yù)報，x為前一日20時起報場預(yù)報的當(dāng)日14時2 m溫度， 其擬合曲線如圖1所示，其中橫坐標(biāo)為EC預(yù)報14時2 m溫度，縱坐標(biāo)為與預(yù)報對應(yīng)的14時實況氣溫，坐標(biāo)內(nèi)實心點由EC預(yù)報2 m溫度和14時氣溫共同決定，兩者比值越接近1表明預(yù)報和實況氣溫越吻合，擬合曲線代表著大多數(shù)實心點的分布趨勢，曲線傾角越接近45°，表明實心點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的比值越接近1，預(yù)報越接近實況，反之則表示預(yù)報越偏離實況。利用該方程對2012—2014年歷史資料進(jìn)行24 h和48 h回歸檢驗，可知擬合方程24 h預(yù)報準(zhǔn)確率為70.95%，高出EC預(yù)報場約5%，48 h預(yù)報準(zhǔn)確率擬合方程預(yù)報準(zhǔn)確率為67.11%，比EC預(yù)報場高2.82%。

將擬合方程和EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報場準(zhǔn)確率具體到不同的天氣類型，由表2和表3可知：24 h內(nèi)擬合方程對晴轉(zhuǎn)雨、晴轉(zhuǎn)多云、晴轉(zhuǎn)晴的擬合14時氣溫準(zhǔn)確率分別為70.83%、76.47%、76.15%，這與EC細(xì)網(wǎng)格14時氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率大致相同，但是在其他幾種天氣轉(zhuǎn)換中，擬合方程預(yù)報準(zhǔn)確率均有不同程度的上升，特別是在陰/多云轉(zhuǎn)陰/多云和雨轉(zhuǎn)晴的天氣中，擬合方程準(zhǔn)確率比EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報場高10%以上；剩下幾種天氣轉(zhuǎn)換擬合方程準(zhǔn)確率均高于EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報場，從高到低分別為雨轉(zhuǎn)陰/多云高出9.43%、雨轉(zhuǎn)雨高出7.69%、陰/多云轉(zhuǎn)雨高出7.14%，陰/多云轉(zhuǎn)晴高出4.3%，因此，擬合方程24 h內(nèi)對晴天的準(zhǔn)確率無顯著提高，對雨天和陰天/多云的天氣預(yù)報準(zhǔn)確率有較大提高。

48 h擬合方程和EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報場對比可知：擬合方程對晴天天氣轉(zhuǎn)換以及陰/多云轉(zhuǎn)晴的預(yù)報準(zhǔn)確率和EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報場維持在同一水準(zhǔn)，對雨天和陰/多云天氣轉(zhuǎn)換比較于EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報場有更高的準(zhǔn)確率，對其余幾種天氣轉(zhuǎn)換擬合方程預(yù)報準(zhǔn)確率均有不同程度提高，按照比EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報場提高幅度從低到高排序分別是：雨轉(zhuǎn)雨高20%、雨轉(zhuǎn)晴高17.64%、雨轉(zhuǎn)陰/多云高10%、陰/多云轉(zhuǎn)陰/多云高7.19%、陰/多云轉(zhuǎn)雨高2.44%。該方程對雨天天氣轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確率有較大程度提高。

圖1　24 hEC細(xì)網(wǎng)格及實況14時氣溫(單位：℃)擬合曲線Fig.1　The fitted curve of 24-hour EC fine grid and real-time 14∶00 temperature (unit: ℃)

天氣類型轉(zhuǎn)換樣本數(shù)量/個準(zhǔn)確率/%所有天氣形勢63066.03/70.95晴轉(zhuǎn)雨2470.83/70.83晴轉(zhuǎn)陰/多云8577.65/76.47晴轉(zhuǎn)晴13076.15/76.15陰/多云轉(zhuǎn)雨4252.38/59.52陰/多云轉(zhuǎn)陰/多云15961.64/71.70陰/多云轉(zhuǎn)晴9370.97/75.27雨轉(zhuǎn)晴1838.89/50.00雨轉(zhuǎn)陰/多云5347.17/56.60雨轉(zhuǎn)雨2661.54/69.23

表3　48 h不同天氣轉(zhuǎn)換下EC細(xì)網(wǎng)格及擬合方程回歸檢驗準(zhǔn)確率(%)對比

5　擬合方程和EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報實時對比檢驗

在實時檢驗過程中，檢驗數(shù)據(jù)為2015年1—4月EC細(xì)網(wǎng)格資料、實況資料，因EC細(xì)網(wǎng)格資料缺失，總共可檢驗天數(shù)約90 d，若細(xì)分到上文規(guī)定的9種天氣類型轉(zhuǎn)換下則樣本過少，不具有較好的代表性，因此實時檢驗把天氣轉(zhuǎn)換只分為3種天氣類型，即按當(dāng)日天氣分為晴、陰/多云、雨，分析表4可知：24 h內(nèi)預(yù)報準(zhǔn)確率擬合方程比EC細(xì)網(wǎng)格高5.25%，高出的部分由陰/多云(高2.5%)、雨天(高9.09%)天氣貢獻(xiàn)，晴天的預(yù)報準(zhǔn)確率擬合方程低于EC細(xì)網(wǎng)格；這與歷史擬合數(shù)據(jù)具有較好的一致性，表明擬合方程的對EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報擬合的延續(xù)性和有效性，是提高最高氣溫預(yù)報的一個有效的方法。

48 h內(nèi)預(yù)報準(zhǔn)確率擬合方程和EC細(xì)網(wǎng)格比較沒有明顯提升，且48 h細(xì)網(wǎng)格預(yù)報準(zhǔn)確率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歷史預(yù)報準(zhǔn)確率，這可能與實時檢驗所采集資料時段主要處于春季有關(guān)，春季天氣變化快，預(yù)報流場調(diào)整大，48 h的響應(yīng)時間會造成較大誤差。

表4　擬合方程及EC細(xì)網(wǎng)格實時檢驗準(zhǔn)確率(單位：%)對比

6　小結(jié)

①T639和EC細(xì)網(wǎng)格資料對2 m氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率，在預(yù)報時效更長的情況下，24 h和48 h的20時起報場均好于08時起報場；EC細(xì)網(wǎng)格資料2 m氣溫預(yù)報24 h、48 h預(yù)報準(zhǔn)確率高于T639。

②擬合方程在陰/多云、雨天的天氣下對2 m溫度預(yù)報有更高的準(zhǔn)確率。

③24 h內(nèi)擬合方程比EC細(xì)網(wǎng)格實時預(yù)報準(zhǔn)確率高，這和歷史擬合數(shù)據(jù)具有較好的一致性，表明擬合方程的對EC細(xì)網(wǎng)格預(yù)報擬合的延續(xù)性和有效性，對提高最高氣溫預(yù)報有一定的參考價值。

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Verification for Numerical Prediction and Correction with Curve Fitting on the Air Temperature of Guiyang at 14∶00

ZHOU Yongshui，QI Dapeng，WU Guhui

(Guizhou Meteorological Observatory，Guiyang 550002，China)

Based on the comparative analysis of the advantages on air temperature prediction of T639 and ECMWF's numerical forecast produce within 48 hours, the optimal regression equation was obtained by fitting the observed temperature with temperature prediction on 14∶00 at 2 meters of ECMWF, whose forecast produce's accuracy rate is better than T639 model. After analyzing the advantages of the equation on the temperature prediction on 14∶00 in different weather, we know that: the forecast accuracy rate of the equation is 4.92% higher than that of ECMWF in regression test. There is a significant improvement about the forecast accuracy rate of the equation on rainy and cloudy days. And equation's forecast accuracy rate of the verification for air temperature Real-Time forecasts is 4.25% higher than that of ECMWF. It has a certain value for improving the forecast of the highest temperature.

air temperature at 14∶00; fitting; changes in the weather; accuracy rate

1003-6598(2016)02-0045-04

2015-08-12

周永水(1982-)，男，工程師，主要從事天氣預(yù)報工作，E-mail:joever2000@163.com。

貴州省氣象局2015年創(chuàng)新團(tuán)隊“貴州春夏主要強(qiáng)對流天氣預(yù)報方法研究”、貴州省氣象局業(yè)務(wù)技術(shù)攻關(guān)小組“貴州省日最高氣溫預(yù)報方法研究”共同資助。

P457.3

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