數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品誤差檢驗訂正研究

趙振宇+陶倩+高越+曹銘書

摘要：本文首先對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品中誤差來源從理論誤差、計算誤差、模式非線性特征、大氣可預(yù)報性問題等四個方面進行了分析，并闡述了誤差的季節(jié)特征。接著，提出T639模式下檢驗及誤差分析法和一種基于統(tǒng)計學的數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品誤差訂正的新方法，建立了誤差訂正方案，方便在各級氣象臺站廣范圍推廣和使用。

關(guān)鍵詞：數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品；誤差；檢驗訂正

1.數(shù)值模式的誤差來源及特征分析

1.1誤差來源分析

大氣系統(tǒng)的特征是復(fù)雜性、具體非線性特點，一般可以使用運動方程和狀態(tài)方程等來對動力學特點進行描述，對于一個完整復(fù)雜的大氣動力學方程組來講，系統(tǒng)理論和方法還比較缺乏。對其求解的難度很大，在將大氣動力學方程應(yīng)用于實踐的過程中，發(fā)現(xiàn)僅僅可以使用“數(shù)值差分計算方法”來求解，然后借助計算機進行求解，這就是所謂的數(shù)值天氣預(yù)報。從模式產(chǎn)品的生成步驟來看，其經(jīng)由資料預(yù)處理、資料同化、模式計算和后處理輸出等步驟之后才能到達預(yù)報員手中。在這些階段中，誤差的主要來源是存在于前三個階段。模式計算的誤差一般可以從以下角度進行分析。

（1）理論誤差。數(shù)值模式跟簡單的數(shù)學公式有區(qū)別，它能體現(xiàn)大氣運動規(guī)律，數(shù)值模式跟大氣運動規(guī)律關(guān)系密切。當前，對大氣運動的理論研究雖然取得了較大的突破，但是還存在一些方面的研究不夠深入，比如中小尺度動力學、微物理過程等，這些因素會導(dǎo)致誤差，所以零誤差幾乎是不可能實現(xiàn)的。

（2）計算誤差。在進行離散化的“數(shù)值差分計算方法”進行求解的時候，求解的過程也有一些誤差的產(chǎn)生，誤差的影響因素有虛假波動、振幅等等。

（3）模式非線性特征。通過實踐表明，數(shù)值模式具有非線性特征，這樣的話，初始場如果發(fā)生一點擾動就會使得積分結(jié)果產(chǎn)生極大的差異。初始場零誤差是不可能的，所以，通過非線性方程組計算時，誤差是不可避免的。

（4）大氣可預(yù)報性問題。大氣系統(tǒng)具有較大的隨機性，其預(yù)報具有時效性，且有一定的范圍限制，當其預(yù)報超出一定范圍之后，預(yù)報就失去了準確性和可靠性。經(jīng)過大氣科學家的半個世紀的探索之后，普遍達成一個結(jié)論：一般連續(xù)預(yù)報兩周之后天氣預(yù)報準確性較低。

1.2誤差的季節(jié)特征

目前，中高緯長波發(fā)展理論發(fā)展比較成熟，數(shù)值預(yù)報技術(shù)相對完善。一般在高緯系統(tǒng)作用下，天氣預(yù)報準確性較高。北半球冬季，冬季是模式在華南地區(qū)表現(xiàn)最好的季節(jié)，模式對冷空氣過程的預(yù)測較為完美。對于數(shù)值模式而言，在春季的表現(xiàn)均要比冬季差。這是因為在春節(jié)，大氣環(huán)流調(diào)整處于過渡階段，大氣波動波長變短的情況很凸顯。秋季是夏季向冬季的過渡季節(jié)，大氣環(huán)流往往也不穩(wěn)定。這在華南“秋臺”預(yù)報中表現(xiàn)尤為明顯。秋季的預(yù)報一直是華南臺風預(yù)報業(yè)務(wù)中的難點，往往存在著預(yù)報不穩(wěn)定的現(xiàn)象。在陸地天氣方面，由于秋季降水偏少，天氣相對穩(wěn)定，預(yù)報員對模式預(yù)報的不穩(wěn)定性往往感覺不如春季顯著。

2.檢驗及誤差分析方法

檢驗方法是均方根誤差和誤差相對訂正量，在對均方根誤差進行計算時，使用T639分析場作為真值，誤差相對訂正量可這樣解釋：訂正前后的均方根誤差只差與訂正前均方根誤差的比值。

3.誤差訂正的原理及訂正方案

3.1誤差訂正的方法

3.2.誤差訂正方案

3.2.1收集資料

T639資料的格式是grib1格式，其采用Grib1版本編碼形式，資料的收集過程是先將提取的要素命令攜程批處理文件，然后用wgrib提取成二進制或十進制。本文用T639產(chǎn)品的00：00客觀分析場作為實況場，00：00起報的預(yù)報產(chǎn)品作為預(yù)報場，NCEP的00：00的再分析資料為歷史樣本場。

3.2.2訂正方案設(shè)計

（1）動態(tài)相似法選取相似個例 。用2015年1月至2015年12月共365天的T639產(chǎn)品，從第1天（2015年1月1日）開始逐日在同期30年的NCEP樣本場中找前后各15天范圍內(nèi)的最相似個例，直到2015年的最后一天為止。從其中選用5個最相似個例，具體方法就是計算相似離度。

（2）確定5個最相似個例權(quán)重系數(shù)。在選取的5個最相似個例之后，使用算術(shù)平均、距離的倒數(shù)作為權(quán)重加權(quán)平均、相似離度的倒數(shù)作為權(quán)重加權(quán)平均3種方式進行組合。根據(jù)所設(shè)計的3種組合形式構(gòu)造因子Hi，分別計算T639預(yù)報值與組合因子（Hi）的相關(guān)系數(shù)（RHy）：通過統(tǒng)計比較各時次3種組合相關(guān)系數(shù)的平均值和標準差，采用相似離度的倒數(shù)為權(quán)重組合構(gòu)造回歸方程因子。

（3）建立二元回歸訂正方程。將T639的預(yù)報值構(gòu)造為因子1（x1），從NCEP歷史場中找出的最相似個例的組合構(gòu)造為因子2（x2），將T639實況分析場構(gòu)造為預(yù)報量（y），回歸估計為^y。建立回歸方程。

小結(jié)：本文提出了一種根據(jù)數(shù)值預(yù)報最近誤差對后期預(yù)報結(jié)果進行訂正的方法，基于T639數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品進行了檢驗和訂正。

參考文獻

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