威寧縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高最低氣溫分析與預(yù)報方法探討

蔡 軍,楊承梅,倪 妮,張玉逵,余 呂

(貴州省威寧縣氣象局，貴州 威寧 553100)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人們對天氣預(yù)報的精細(xì)化準(zhǔn)確度要求越來越高，因而天氣預(yù)報的加工制作正逐步向精細(xì)化方向拓展和延伸，鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫的準(zhǔn)確預(yù)報成為當(dāng)前預(yù)報的重點(diǎn)[1]。為了更好地提高鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫預(yù)報的準(zhǔn)確率，許多專家學(xué)者做了研究和分析[2-7]。李佰平等[8]對EC模式地面氣溫預(yù)報運(yùn)用4種誤差訂正方法進(jìn)行比較研究，結(jié)果顯示4種方法都能有效地減小預(yù)報誤差。李莉等[9]利用統(tǒng)計學(xué)方法對T213降水預(yù)報進(jìn)行修訂，取得了不錯的效果。王丹等[10]對EC模式在陜西春夏季氣溫預(yù)報性能方面做了評估，分析得出隨著預(yù)報時效的增加，模式的氣溫預(yù)報能力和穩(wěn)定性呈波浪式下降。范蘇丹等[11]對山東氣溫預(yù)報的幾種數(shù)值產(chǎn)品進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)EC細(xì)網(wǎng)格對內(nèi)陸最高最低氣溫預(yù)報的準(zhǔn)確率最高。

由于威寧鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫預(yù)報長期直接使用EC細(xì)網(wǎng)格模式2 m氣溫預(yù)報產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)預(yù)報值和實(shí)況隨季節(jié)存在不同程度的誤差，且大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫的預(yù)報值比實(shí)況相差較大。因此，本文利用2012年12月—2018年8月地面氣象觀測資料，運(yùn)用加權(quán)最小二乘法分析國家站和部分區(qū)域站最高最低氣溫的相關(guān)性，模擬出相關(guān)方程，將訂正后的國家站預(yù)報氣溫代入方程，得出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫的預(yù)報值，這將為預(yù)報員在日常鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫預(yù)報工作中提供有效的預(yù)報方法，對提高威寧縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫預(yù)報的準(zhǔn)確性有重要意義。

1 資料和方法

本文所用資料為2012年12月1日—2018年8月31日威寧縣國家站和52個區(qū)域站的逐日最高最低氣溫觀測資料。利用統(tǒng)計學(xué)方法[12]分析威寧縣季平均最高最低氣溫的分布及其變化情況，為了減小異常點(diǎn)(偏離總體分布的點(diǎn))的影響，通過加權(quán)最小二乘法得出國家站與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高最低氣溫的擬合方程，并使用2017年9月1日—2018年8月31日的逐日最高最低氣溫資料對方程的預(yù)報效果進(jìn)行檢驗(yàn)。溫度預(yù)報的準(zhǔn)確率參照預(yù)報值與實(shí)況值的誤差≤|2|℃。

2 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高最低氣溫分布

威寧縣位于貴州省西北部高寒山區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，全縣面積達(dá)6 295 km2，平均海拔高度為2 200 m，是貴州省面積最大、海拔最高的縣，面積大、海拔高度差異明顯的地理特征導(dǎo)致各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫參差不齊(圖1)。國家站年平均氣溫10.6 ℃，年平均最高氣溫16.5 ℃，年平均最低氣溫7.1 ℃，最熱月為7月，最冷月為1月，且具有年溫較差小、日溫差較大的特點(diǎn)。

從圖2看出，威寧縣最低氣溫在四季中存在穩(wěn)定的低值中心和高值中心，低值中心主要位于威寧縣中部以北(雪山鎮(zhèn)、迤那鎮(zhèn)、觀風(fēng)海鎮(zhèn)為主，大致呈“U”字型)和梅花山一線，高值中心主要位于東南部(東風(fēng)、二塘、猴場、龍場、金斗、金鐘、幺站等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分區(qū)域)和西北部邊緣地區(qū)(玉龍、中水等鄉(xiāng)鎮(zhèn))。最低氣溫的高、低值范圍隨季節(jié)沒有明顯的差異，其分布大致相同。

從圖3看出，威寧縣最高氣溫在四季中只存在穩(wěn)定的高值中心，主要位于東南部(東風(fēng)、二塘、猴場、龍場、金斗、金鐘、幺站等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的部分區(qū)域)、西北部邊緣地區(qū)(玉龍、中水等鄉(xiāng)鎮(zhèn))和哈喇河鄉(xiāng)。最高氣溫的分布隨季節(jié)有明顯變化，春、夏、秋季的分布大致相同，雪山鎮(zhèn)至觀風(fēng)海鎮(zhèn)東南部一線、梅花山一線、幺站鎮(zhèn)與雙龍鄉(xiāng)交界處、海拉鄉(xiāng)、鹽倉鎮(zhèn)為低值中心，但在冬季，原位于雪山鎮(zhèn)至觀風(fēng)海鎮(zhèn)東南部一線的低值中心轉(zhuǎn)至北部邊緣地區(qū)(石門鄉(xiāng)、云貴鄉(xiāng)為主)。

圖3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均最高氣溫分布(單位：℃)Fig.3 Distribution of mean maximum temperature in spring(a), summer(b), autumn(c) and winter(d) of each town (unit: ℃)

根據(jù)圖2和圖3最高最低氣溫分布情況，結(jié)合圖1，發(fā)現(xiàn)春、夏、秋季的最高最低氣溫和冬季的最低氣溫分布與地形基本一致，即低值與高值中心對應(yīng)山脈與河谷地帶，說明該時段氣溫的變化主要受海拔高度的影響。冬季的最高氣溫卻略有調(diào)整，造成冬季的最高氣溫與其他時期氣溫分布不一致的主要原因是威寧縣冬季還受滇黔靜止鋒影響，滇黔靜止鋒在威寧縣多以東北—西南走向來回擺動，夜間冷空氣加強(qiáng)將靜止鋒推出威寧縣到云南曲靖，白天暖空氣加強(qiáng)又將靜止鋒推回威寧縣，以靜止鋒為界，威寧縣受兩個不同性質(zhì)的氣團(tuán)控制，不同環(huán)境下影響氣溫變化的主要因素也有所區(qū)別，峰前偏暖(海拔高度影響為主)，峰后偏冷(冷空氣強(qiáng)度影響為主)，形成冬季最高氣溫分布多為南暖北冷的特點(diǎn)。

3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫預(yù)報模型建立

由于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)安裝多個自動站，在分析國家站和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫的相關(guān)性上，選取距鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政中心最近的自動站來代表該鄉(xiāng)鎮(zhèn)的氣溫。對國家站和各區(qū)域站的氣溫資料進(jìn)行預(yù)處理，使其在相同時段的氣溫數(shù)據(jù)匹配。

利用2012年12月1日—2018年8月31日威寧縣國家站和33個區(qū)域站的資料，通過加權(quán)最小二乘法得出國家站與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站最高最低氣溫的擬合方程(表1～表4，分別為春、夏、秋、冬季威寧縣國家站與部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站最高最低氣溫的相關(guān)方程)，并通過顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，同時計算出方程的相關(guān)系數(shù)(r的范圍：0.70～0.99，表略)。

表1 春季威寧縣國家站與部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站最高最低氣溫相關(guān)方程Tab.1 Relative equations of maximum and minimum temperature for national station and town regional stations in spring

表2 夏季威寧縣國家站與部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站最高最低氣溫相關(guān)方程Tab.2 Relative equations of maximum and minimum temperature for national station and town regional stations in summer

表3 秋季威寧縣國家站與部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站最高最低氣溫相關(guān)方程Tab.3 Relative equations of maximum and minimum temperature for national station and town regional stations in autumn

表4 冬季威寧縣國家站與部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域站最高最低氣溫相關(guān)方程Tab.4 Relative equations of maximum and minimum temperature for national station and town regional stations in winter

4 相關(guān)性分析及典型測站預(yù)報檢驗(yàn)

4.1 相關(guān)系數(shù)分析

相關(guān)系數(shù)顯示出國家站與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系，從表5看出，根據(jù)相關(guān)系數(shù)等級劃分，各區(qū)域站的最高最低氣溫與國家站的相關(guān)性存在季節(jié)性差異，總體呈高度相關(guān)最多，顯著相關(guān)次之，中度相關(guān)最少。四季中最低氣溫的高度相關(guān)占75.8%，顯著相關(guān)占21.2%，中度相關(guān)占3%；最高氣溫的高度相關(guān)占68.2%，顯著相關(guān)占28.8%，中度相關(guān)占3%。秋季的顯著相關(guān)最多，冬季的中度相關(guān)最多，說明對秋季的預(yù)報效果最好，冬季最差，在實(shí)際預(yù)報業(yè)務(wù)工作中得到了印證。

表5 各季節(jié)中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高最低氣溫方程的相關(guān)系數(shù)等級分布Tab.5 Grade distribution of correlation coefficients of the highest and lowest temperature equation in each town and each season

4.2 典型方程預(yù)報檢驗(yàn)

本文將修訂后的國家站最高最低預(yù)報氣溫作為預(yù)報因子，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高最低預(yù)報氣溫作為預(yù)報量，33個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(264個方程)中選取相關(guān)系數(shù)最高和最低的方程作為檢驗(yàn)對象，分別是秋季鹽倉站的最低氣溫(r=0.99)和冬季茶山站的最低氣溫(r=0.70)。將當(dāng)日的預(yù)報因子(基于每日08時起報的EC細(xì)網(wǎng)格模式2 m氣溫逐3 h最高最低預(yù)報值訂正)代入方程，得出的預(yù)報結(jié)果將與次日實(shí)況值進(jìn)行比較。

從圖4a看出，鹽倉站預(yù)報值和真實(shí)值的差距顯得小，少數(shù)真實(shí)值超出置信區(qū)間范圍，說明總體預(yù)報效果良好但仍存在預(yù)報值和真實(shí)值差距較大的情況，出現(xiàn)預(yù)報效果差的情況主要原因是預(yù)報因子自身是一個經(jīng)過修訂的預(yù)報值，存在誤差性。36.7%的預(yù)報值低于真實(shí)值，63.3%的預(yù)報值高于真實(shí)值，預(yù)報值較真實(shí)值總體以偏高居多。從圖4b看出，94.4%的誤差在±2 ℃以內(nèi)，5.6%的誤差超過該范圍，誤差范圍在±1 ℃的占86.7%。最大誤差為-3.4 ℃(負(fù)號表示預(yù)報值大于真實(shí)值)，最小誤差為0 ℃，平均誤差為-0.4 ℃。

從圖5a看出，茶山站預(yù)報值與實(shí)況值的差距比鹽倉站有小范圍加大，同樣有少數(shù)實(shí)況值超出置信區(qū)間范圍。52.2%的預(yù)報值低于實(shí)況值，47.8%的預(yù)報值高于實(shí)況值。從圖5b看出，76.7%的誤差在±2 ℃以內(nèi)，23.3%的誤差超過此范圍，誤差范圍在±1 ℃的占47.8%。最大誤差為-8.1 ℃，最小誤差為0 ℃，平均誤差為-0.6 ℃。

圖4 秋季鹽倉站最低氣溫預(yù)報值與實(shí)況值對比(a)和誤差散點(diǎn)分布(b)(單位：℃)Fig.4 The comparison between the predicted and observed minimum temperature values at Yancang in autumn (a) and the error scatter distribution (b) (unit: ℃)

圖5 冬季茶山站最低氣溫預(yù)報值與實(shí)況值對比(a)和誤差散點(diǎn)分布(b)(單位：℃)Fig.5 The comparisons between the predicted and observed minimum temperature values at Chashan in winter (a) and the error scatter distribution (b) (unit: ℃)

對其他方程做上述分析(圖略)，發(fā)現(xiàn)用方程得出的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫預(yù)報值比直接用EC模式的預(yù)報值準(zhǔn)確率更高。隨著相關(guān)系數(shù)的減小，預(yù)報準(zhǔn)確率相應(yīng)降低，誤差范圍對應(yīng)增大，預(yù)報準(zhǔn)確率的高低與相關(guān)系數(shù)的變化具有一致性，如鹽倉站的相關(guān)系數(shù)為0.99，其預(yù)報準(zhǔn)確率為94.4%；茶山站的相關(guān)系數(shù)為0.70，其預(yù)報準(zhǔn)確率為76.7%。因此，相關(guān)系數(shù)能較好地反映出方程的預(yù)報效果。

5 結(jié)論與討論

綜上分析，得到以下結(jié)論：

①威寧縣在四季中，最低氣溫存在穩(wěn)定的低值中心和高值中心，低值中心主要位于威寧縣中部以北和梅花山一線，高值中心主要位于東南部和西北部邊緣地區(qū)；最高氣溫只存在穩(wěn)定的高值中心，主要位于東南部、西北部邊緣地區(qū)和哈喇河鄉(xiāng)。

②春、夏、秋季的最高最低氣溫和冬季的最低氣溫分布與地形基本一致，同時該時段氣溫的變化主要受海拔高度的影響。冬季的最高氣溫分布與其他季節(jié)氣溫分布不一致的主要原因是冬季的最高氣溫還受滇黔靜止鋒的影響，以靜止鋒為界，受兩個不同性質(zhì)的氣團(tuán)控制，峰前偏暖(海拔高度影響為主)，峰后偏冷(冷空氣強(qiáng)度影響為主)。

③用方程得出的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高最低氣溫的預(yù)報值比直接用EC模式的預(yù)報值準(zhǔn)確率更高。隨著相關(guān)系數(shù)的減小，預(yù)報準(zhǔn)確率相應(yīng)降低，誤差范圍對應(yīng)增大，預(yù)報準(zhǔn)確率的高低與相關(guān)系數(shù)的變化具有一致性。

本文主要是從數(shù)理角度出發(fā)，并未對影響各鄉(xiāng)鎮(zhèn)氣溫變化的其他因素進(jìn)行分析，如海拔高度、冷暖空氣強(qiáng)度等，造成了冬季最高氣溫的預(yù)報效果仍存在較大不足。同時，為增強(qiáng)方程的穩(wěn)定性，減少了對異常點(diǎn)的分析，對相關(guān)性之外的氣溫預(yù)報還有缺陷。因此，利用方程預(yù)報各鄉(xiāng)鎮(zhèn)最高最低氣溫的結(jié)果并結(jié)合影響氣溫變化的其他因素進(jìn)行綜合分析將是下一步氣溫預(yù)報的重點(diǎn)。