2個(gè)數(shù)值模式在昆明地區(qū)氣溫預(yù)報(bào)中的準(zhǔn)確率比較

鄒 陽(yáng)，王 將

(云南省昆明市氣象局，云南昆明 650034)

昆明市位于我國(guó)西南邊陲、云貴高原中部，地處低緯高原，海拔高差懸殊，地形地貌復(fù)雜。氣溫隨海拔增高而降低，垂直差異顯著，高山寒，山區(qū)涼，壩區(qū)暖，河谷熱。春季，受高空西風(fēng)氣流控制，天氣晴朗，風(fēng)力較大，干燥少雨，晝夜溫差大；夏季，受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)影響，多大雨、暴雨等強(qiáng)降雨天氣，雨量集中，降雨量占全年的6成以上，無(wú)酷暑期；秋季，降溫快，雨量比夏季減少5成多；冬季，日照充足，晴朗少雨，冷空氣活動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)低溫雨雪天氣。非絕熱加熱、氣溫平流和垂直運(yùn)動(dòng)都是影響氣溫變化的因子，氣溫預(yù)報(bào)一直以來(lái)是天氣預(yù)報(bào)的難點(diǎn)[1-2]。

目前，數(shù)值預(yù)報(bào)是天氣預(yù)報(bào)的主要手段，屠妮妮等[3]對(duì)MM5及T639模式的2 m氣溫產(chǎn)品在不同區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2個(gè)模式對(duì)不同區(qū)域的預(yù)報(bào)存在不同程度的誤差，我國(guó)西部地區(qū)模式氣溫預(yù)報(bào)與實(shí)況近似程度低于中部及南部地區(qū)。蔡新玲等[4]對(duì)不同預(yù)報(bào)時(shí)效的MM5模式結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)并認(rèn)為模式對(duì)氣溫預(yù)報(bào)存在系統(tǒng)誤差。佟華等[5]認(rèn)為氣溫誤差是由于模式陸面過(guò)程所需初值的不科學(xué)性以及模式地形高度與實(shí)際地形高度存在較大差異造成的。蔡薌寧[6-7]、于超[8]認(rèn)為ECMWF模式對(duì)各系統(tǒng)及要素的預(yù)報(bào)最接近實(shí)況；日本模式和T639模式次之。筆者將從不同氣候帶地區(qū)和不同季節(jié)2個(gè)方面對(duì)ECMWF和T639數(shù)值模式氣溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，了解2個(gè)數(shù)值模式在昆明地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)水平，為預(yù)報(bào)員今后能更好地應(yīng)用2個(gè)數(shù)值模式氣溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供可以借鑒的訂正依據(jù)，增強(qiáng)應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的能力，提高昆明市氣象局預(yù)報(bào)精細(xì)化水平。

1　資料與方法

1.1模式資料選取2012年2月29日—2013年2月27日ECMWF和T639數(shù)值模式08：00、20：00起報(bào)的24 h預(yù)報(bào)時(shí)效的850 hPa氣溫。ECMWF模式格距為2.5°×2.5°，T639模式格距為1°×1°。

1.2實(shí)況資料選取2012年3月1日—2013年2月28日昆明市12個(gè)縣區(qū)國(guó)家氣象站逐日最高、最低氣溫?cái)?shù)據(jù)。

1.3檢驗(yàn)方法由于2個(gè)模式的氣溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品是分辨率不同的均勻分布的格點(diǎn)值，而昆明市12個(gè)縣區(qū)國(guó)家氣象站的氣溫實(shí)況值是不均勻分布的，因此，為了方便進(jìn)行檢驗(yàn)需要將模式格點(diǎn)資料插值到國(guó)家氣象站上。插值方法采用雙線性插值，又稱為雙線性內(nèi)插。在數(shù)學(xué)上，雙線性插值是有2個(gè)變量的插值函數(shù)的線性插值擴(kuò)展，其核心思想是在2個(gè)方向分別進(jìn)行一次線性插值。如圖1所示，已知的空白正方形數(shù)據(jù)點(diǎn)與待插值得到的實(shí)心圓圈數(shù)據(jù)點(diǎn)。假如想得到未知函數(shù)f在點(diǎn)P= (x,y)的值，假設(shè)已知函數(shù)f在Q11= (x1,y1)、Q12=(x1,y2)、Q21=(x2,y1)、Q22=(x2,y2)4個(gè)點(diǎn)的值。首先利用公式(1)和公式(2)在x方向進(jìn)行線性插值，得到R1和R2；然后利用公式(3)在y方向進(jìn)行線性插值，得到P；這樣就得到所要的結(jié)果f(x,y)。將2個(gè)模式20：00(08：00)起報(bào)的24 h預(yù)報(bào)時(shí)效的850 hPa氣溫作為模式預(yù)報(bào)的日最高(低)氣溫。由于選取的是ECMWF和T639數(shù)值模式的850 hPa氣溫預(yù)報(bào)值，因此采用胡林娜[9]和卜憲云[10]的方法將預(yù)報(bào)差值的平均值作為訂正值，把模式預(yù)報(bào)值訂正至2 m氣溫，表1為昆明國(guó)家氣象站2個(gè)模式各月最高、最低氣溫訂正值，同理可以得到昆明其他國(guó)家氣象站2個(gè)模式各月最高、最低氣溫訂正值。

圖1　雙線性插值示意Fig.1　Diagram of bilinear interpolation method

(1)

(2)

(3)

采用中國(guó)氣象局下發(fā)的《中短期天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量檢驗(yàn)辦法(試行)》〔2005〕109號(hào)文件中氣溫的平均絕對(duì)誤差(TMAE)和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率(TTK)檢驗(yàn)方法，對(duì)2個(gè)模式在昆明地區(qū)2 m氣溫預(yù)報(bào)水平進(jìn)行檢驗(yàn)分析，計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

其中，F(xiàn)i為第i站(次)預(yù)報(bào)氣溫；Oi為第i站(次)實(shí)況氣溫；K為1、2，分別代表|Fi-Qi|≤1 ℃、|Fi-Qi|≤2 ℃；NrK為預(yù)報(bào)正確的站(次)數(shù);NfK為預(yù)報(bào)的總站(次)數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1昆明不同氣候帶地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)水平根據(jù)段旭等[11]最新的氣候區(qū)劃，云南大致可以分為6個(gè)氣候帶，即北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶、溫帶和高原氣候帶。昆明市共有12個(gè)縣區(qū)，其中昆明主城區(qū)、安寧、晉寧、呈貢、嵩明、尋甸和太華山屬于北亞熱帶，富民、宜良、石林和祿勸4個(gè)縣區(qū)屬于中亞熱帶，東川屬于南亞熱帶。所以，將昆明主城區(qū)、安寧、晉寧、呈貢、嵩明、尋甸和太華山7個(gè)縣區(qū)定義為北亞熱帶地區(qū)，富民、宜良、石林和祿勸4個(gè)縣區(qū)定義為中亞熱帶地區(qū)，東川定義為南亞熱帶地區(qū)。為了了解2個(gè)數(shù)值模式對(duì)昆明不同氣候帶地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)水平，對(duì)2012年3月—2013年2月昆明12個(gè)縣區(qū)國(guó)家氣象站2個(gè)模式24 h的2 m日最高、最低氣溫預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確率評(píng)分。

對(duì)比昆明地區(qū)不同標(biāo)準(zhǔn)的2 m日最高、最低氣溫24 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率(圖2)發(fā)現(xiàn)，2個(gè)模式K=2 ℃(2 ℃誤差)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率明顯比K=1 ℃(1 ℃誤差)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有所提高，2 m日最高氣溫：ECMWF模式提高了25.8%，T639模式提高了28.2%；2 m日最低氣溫：ECMWF模式提高了26.9%，T639模式提高了29.2%。分別計(jì)算2個(gè)模式K=2 ℃標(biāo)準(zhǔn)的不同地區(qū)平均2 m日最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，北亞熱帶地區(qū)：ECMWF模式為78.1%，T639模式為70.7%；中亞熱帶地區(qū)：ECMWF模式為75.3%，T639模式為70.1%；南亞熱帶地區(qū)：ECMWF模式為62.2%，T639模式為53.5%。所以，對(duì)于2 m日最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率來(lái)說(shuō)，不同氣候帶地區(qū)均是ECMWF模式高于T639模式。分別計(jì)算2個(gè)模式K=2 ℃標(biāo)準(zhǔn)的不同地區(qū)平均2 m日最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，北亞熱帶地區(qū)：ECMWF模式為74.0%，T639模式為83.8%；中亞熱帶地區(qū)：ECMWF模式為65.4%，T639模式為77.7%；南亞熱帶地區(qū)：ECMWF模式為65.2%，T639模式為59.8%。所以，對(duì)于2 m日最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率來(lái)說(shuō)，北亞熱帶和中亞熱帶地區(qū)均是T639模式高于ECMWF模式；南亞熱帶地區(qū)ECMWF模式高于T639模式。從2012年3月—2013年2月ECMWF和T639模式不同氣候帶地區(qū)2 m日最高、最低氣溫平均絕對(duì)誤差(圖3)來(lái)看，與預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的結(jié)論(圖2)完全一致。

表1昆明國(guó)家氣象站ECMWF、T639各月最高、最低氣溫訂正值

Table1Correctedvalueonmaximum,minimumtemperatureofECMWFandT639modelsatKunmingstationindifferentmonths℃

月份Month最高氣溫訂正值CorrectedvalueofmaximumtemperatureECMWFT639最低氣溫訂正值CorrectedvalueofminimumtemperatureECMWFT6391-2.2-4.07.95.62-2.5-5.07.63.83-1.5-2.37.44.74-0.7-3.16.63.55-2.5-4.23.72.66-2.5-2.42.62.87-1.7-1.72.12.38-2.6-2.62.82.09-1.9-2.42.32.510-2.0-3.73.83.011-2.4-5.06.54.912-2.1-4.67.94.5

注：a.日最高氣溫，K=1 ℃；b.日最低氣溫，K=1 ℃；c.日最高氣溫，K=2 ℃；d.日最低氣溫，K=2 ℃Note:a.Daily maximum temperature,K=1 ℃;b.Daily minimum temperature,K=1 ℃;c.Daily maximum air temperature,K=2 ℃;d.Daily minimum air temperature,K=2 ℃圖2　2012年3月—2013年2月不同標(biāo)準(zhǔn)不同氣候帶地區(qū)ECMWF和T639模式2 m日最高、最低氣溫24 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率Fig.2　Forecast accuracy of 2 meter daily maximum and minimum temperature of ECMWF and T639 models’ 24 h forecast products with different standards at different climate zone areas from March 2012 to February 2013

圖3　2012年3月—2013年2月不同氣候帶地區(qū)ECMWF和T639模式2 m日最高(a)、最低(b)氣溫平均絕對(duì)誤差(MAE)Fig.3　Mean absolute error of 2 meter daily maximum(a) and minimum(b) temperature of ECMWF and T639 models at different climate zone areas from March 2012 to February 2013

2.2昆明不同季節(jié)的氣溫預(yù)報(bào)水平根據(jù)氣象上的劃分法對(duì)四季進(jìn)行劃分：2012年3—5月為春季，2012年6—8月為夏季，2012年9—11月為秋季，2012年12月—2013年2月為冬季。計(jì)算不同季節(jié)2 m日最高、最低氣溫24 h預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率TT2。

從圖4可以看出，春季，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為63.0%～78.3%，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為57.8%～70.0%；除尋甸、宜良T639模式高于ECMWF模式(分別高7.0%和0.4%)外，昆明其他縣區(qū)均是ECMWF模式高于T639模式，ECMWF模式比T639模式高4.1%～13.9%。夏季,ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為66.3%～82.6%，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為63.7%～80.2%;除安寧、太華山T639模式高于ECMWF模式(分別高0.8%和1.8%)外，昆明其他縣區(qū)均是ECMWF模式高于T639模式，ECMWF模式比T639模式高0.3%～10.2%。秋季，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為56.0%～86.8%，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為46.7%～83.3%；除安寧、太華山T639模式高于ECMWF模式(分別高0.8%和1.8%)外，昆明其他縣區(qū)均是ECMWF模式高于T639模式，ECMWF模式比T639模式高0.3%～10.2%。冬季，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為55.6%～92.2%，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為44.3%～77.3%；除尋甸T639模式高于ECMWF模式(高0.3%)外，昆明其他縣區(qū)均是ECMWF模式高于T639模式，ECMWF模式比T639模式高0.8%～19.5%。分別計(jì)算不同季節(jié)2個(gè)模式昆明12個(gè)縣區(qū)平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率發(fā)現(xiàn)，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率從高到低依次為秋季(78.6%)、冬季(78.2%)、夏季(75.2%)、春季(71.5%)，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率從高到低依次為秋季(73.5%)、夏季(71.8%)、冬季(67.0%)、春季(64.0%)。

注：a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季Note:a.Spring; b.Summer;c.Autumn;d.Winter圖4　ECMWF和T639模式昆明12個(gè)縣區(qū)不同季節(jié)2 m日最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率Fig.4　Forecast accuracy of 2 meter daily maximum temperature of ECMWF and T639 models at 12 stations in different seasons

從圖5可以看出，春季，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為52.2%～80.4%，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為45.1%～94.5%；除東川ECMWF模式高于T639模式(高14.7%)外，昆明其他縣區(qū)均是T639模式高于ECMWF模式，T639模式比ECMWF模式高0.9%～29.1%。夏季，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為81.5%～100.0%，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為80.5%～98.9%；除呈貢、太華山和東川ECMWF模式高于T639模式(分別高1.4%、2.3%和1.0%)外，昆明其他縣區(qū)均是T639模式高于ECMWF模式，T639模式比ECMWF模式高0.8%～10.7%。秋季，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為54.9%～91.2%，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為62.5%～89.8%；除太華山和東川ECMWF模式高于T639模式(分別高1.4%和0.9%)外，昆明其他縣區(qū)均是T639模式高于ECMWF模式，T639模式比ECMWF模式高6.5%～16.7%。冬季，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為43.3%～85.6%，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為41.4%～87.4%；除呈貢、太華山和東川ECMWF模式高于T639模式(分別高5.3%、14.3%和4.2%)外，昆明其他縣區(qū)均是T639模式高于ECMWF模式，T639模式比ECMWF模式高6.7%～25.2%。分別計(jì)算不同季節(jié)2個(gè)模式昆明12個(gè)縣區(qū)平均預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率發(fā)現(xiàn)，ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率從高到低依次為夏季(92.7%)、秋季(67.6%)、春季(63.8%)、冬季(57.1%)，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率從高到低依次為夏季(95.2%)、秋季(78.0%)、春季(67.0%)、冬季(64.0%)。

3　結(jié)論

(1)ECMWF和T639數(shù)值模式2 m日最高、最低氣溫2 ℃誤差的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率明顯比1 ℃誤差的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高。

(2)分析ECMWF和T639模式對(duì)昆明不同氣候帶地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)水平發(fā)現(xiàn)，2 m日最高氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不同氣候帶地區(qū)都是ECMWF模式高于T639模式；2 m日最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率北亞熱帶和中亞熱帶地區(qū)均是T639模式高于ECMWF模式，南亞熱帶地區(qū)ECMWF模式高于T639模式。

(3)分析ECMWF和T639模式對(duì)昆明不同季節(jié)的氣溫預(yù)報(bào)水平發(fā)現(xiàn)，2 m日最高氣溫ECMWF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率從高到低依次為秋季、冬季、夏季、春季，T639模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率從高到低依次為秋季、夏季、冬季、春季；2 m日最低氣溫ECMWF和T639模式不同季節(jié)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率趨勢(shì)相同，從高到低依次為夏季、秋季、春季、冬季。

注：a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季Note:a.Spring; b.Summer;c.Autumn;d.Winter圖5　ECMWF和T639模式昆明12個(gè)縣區(qū)不同季節(jié)2 m日最低氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率Fig.5　Forecast accuracy of 2 meter daily minimum temperature of ECMWF and T639 models at 12 stations in different seasons

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