冬季EC 2 m溫度預報在貴州畢節(jié)地區(qū)的檢驗分析

呂 靜，姚 浪，聶 祥，萬漢蕓，柯莉萍

(1.貴州省威寧彝族回族苗族自治縣氣象局，貴州 威寧 553100；2.貴州省畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700)

0 引言

數(shù)值預報技術(shù)在給定一定邊界條件和初始場的條件下給出了不同預報時效的天氣預報，甚至能夠?qū)庀笠剡M行定量預報，為預報員日常工作提供了較為可靠的參考依據(jù)，是天氣預報業(yè)務(wù)不可或缺的重要工具。目前我國預報員運用比較多的數(shù)值預報模式主要有EC預報模式、Grapes預報模式、日本預報模式等。我國幅員遼闊，各地氣候特征差異明顯，各家模式預報在不同地域的預報效果也不一樣。由于數(shù)值模式對地面要素預報水平差，當天氣形勢比較穩(wěn)定時，溫度預報結(jié)果穩(wěn)定，當有轉(zhuǎn)折性天氣時，預報結(jié)果不穩(wěn)定，準確率低[1]。為了提高預報質(zhì)量，需要對數(shù)值模式預報進行本地化釋用。

截至到目前很多學者針對EC細網(wǎng)格2 m溫度的預報進行了檢驗。王婧[2]對天津市EC 2 m溫度預報的分析表明預報質(zhì)量隨預報時效增加而降低，白天預報略優(yōu)于夜間，夏秋優(yōu)于冬春。萬明[3]等人研究提出地形影響江西省溫度預報準確率。張超[4]等檢驗烏魯木齊市溫度預報結(jié)果表明模式對降雨、降雪時的溫度預報較好，大霧天氣差。陳海鳳[5]提出不同天氣背景下貴陽地區(qū)的溫度預報效果不同。陳茜茜[6]檢驗了遵義市溫度預報效果，并用平均絕對誤差進行訂正，訂正效果明顯。

畢節(jié)地區(qū)位于云貴高原東斜坡上，是四川盆地和廣西丘陵之間的高原山區(qū)，與平原地區(qū)相比，溫度預報難度更大。EC細網(wǎng)格2 m溫度的預報是畢節(jié)地區(qū)可信度較高的模式預報之一，但目前并沒有對其預報效果進行系統(tǒng)性的分析，有必要針對本地模式溫度預報進行釋用分析。鑒于轉(zhuǎn)折性天氣過程中溫度預報準確率低，當前對于EC細網(wǎng)格2 m溫度預報的檢驗分析雖然很多，但并沒有專門對轉(zhuǎn)折性天氣過程討論，所以需要分升溫、平穩(wěn)、降溫3類天氣過程檢驗溫度預報效果，為下一步模式溫度預報訂正奠定基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文使用的預報資料為2016—2018年冬季(12月、1月、2月)EC細網(wǎng)格數(shù)值模式2 m溫度預報場資料，分辨率為 0.25°×0.25°，預報場格點資料以離該格點最近的值作為該站的預報值。模式預報起始時間為每日20時，預報時效為1～5 d，對02、14時的溫度預報進行檢驗分析(文中02時1～5 d內(nèi)的預報對應EC細網(wǎng)格2 m溫度預報6、30、54、78、102 h預報時效；14時1～5 d內(nèi)的預報對應18、42、 66、90、114 h預報時效，后文中統(tǒng)一使用1～5 d內(nèi)預報時效)。實況數(shù)據(jù)為2016—2018年冬季(12月、1月、2月)畢節(jié)市8個國家站02、14時的地面整點氣溫資料。

1.2 檢驗方法

以實況資料14時的溫度為基準，設(shè)前后兩天的絕對溫差ΔT=T2-T1，定義ΔT>5 ℃為升溫天氣，ΔT<-5 ℃為降溫天氣，|ΔT|≤5 ℃為平穩(wěn)天氣，在3 a溫度預報平均的基礎(chǔ)上再處理，計算不同天氣過程的預報準確率、平均絕對誤差、絕對誤差，從而分析畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度在不同天氣過程的預報效果。溫度預報準確率的實際含義是溫度預報誤差≤2 ℃的百分率。設(shè)Nr為預報正確的次數(shù)，N為總的預報次數(shù)，F(xiàn)i為某格點第i天的預報溫度，Qi為某格點第i天的實況溫度，具體計算公式如下：

(1)

(2)

絕對誤差：ΔT=Fi-Qi

(3)

2 結(jié)果分析

2.1 畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度預報準確率

通過分析畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度1～5 d內(nèi)站點平均預報準確率(圖1)發(fā)現(xiàn)，對于不同時次的預報，02時的預報準確率比14時高約10%；不同預報時效內(nèi)，02時和14時的預報準確率波動不大。1～5 d中，02時的預報準確率約65%；14時的預報準確率小于60%，在55%左右。畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度對02、14時的站點平均預報準確率都不高，在預報工作中的參考意義不大，但是由于畢節(jié)地區(qū)地形影響較大，不排除個別站點極端值的影響，所以在下面的分析中考慮站點對準確率的影響。

圖1 畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度1～5 d內(nèi)站點平均預報準確率Fig.1 Average forecast accuracy of stations within 1～5 days of 2 m temperature in winter in Bijie area

圖2a是畢節(jié)地區(qū)冬季8個站點02時EC 2 m溫度1～5 d內(nèi)預報準確率，從不同站點的預報情況來看，除了赫章站以外，其余站點02時的預報準確率都大于60%。其中大方站總體預報效果最好，5 d內(nèi)的預報準確率都在70%以上，最高可達88%；而赫章站的預報準確率不到50%；其余站點預報準確率在60%～80%之間不均勻分布。圖2b是14時的預報準確率，準確率分布特征與02時一致，赫章站的預報準確率比其他各站點明顯偏低；14時大部分站點的預報準確率在50%～60%之間。比較圖2a、2b發(fā)現(xiàn)02時的預報準確率高，預報參考意義大，14時預報準確率低，預報偏差大，在使用過程中需要人工訂正，這與圖1的結(jié)論相符合；另外對02、14時各站點的預報準確率進行一步分析表明，赫章站的預報效果異常差，這是造成全市站點平均預報準確率較低的重要原因；其余站點預報準確率相差不大，預報結(jié)果有一定參考意義。

圖2 各站點02時(a)、14時(b)1～5 d預報準確率Fig.2 Accuracy of temperature prediction within 1～5 days at 02∶00 (a) and 14∶00(b) for each station

關(guān)于赫章站預報質(zhì)量異常低，可能是地形和準靜止鋒活動兩方面的原因。畢節(jié)地區(qū)西高東低，境內(nèi)重巒疊峰，溝壑不平，地形對天氣系統(tǒng)的影響大。冬季云貴準靜止鋒活躍，鋒面位置在畢節(jié)地區(qū)擺動，準靜止鋒前后天氣差別很大。數(shù)值預報對地形影響和鋒面位置預報能力較差。赫章地勢西部高東部低，南北高中部低，南部韭菜坪海拔2 900 m，是全省海拔最高的地方。測站南北兩側(cè)為東西走向的山脈，地勢低，地形較其他站點更為復雜，一般吹東北風。較高的山脈對北部南下赫章的冷空氣有阻擋作用，同時影響赫章的冷空氣也不易翻越山脈。冬半年云貴準靜止鋒常在赫章一帶擺動，模式很難準確預報準靜止鋒擺動日變化的幅度和位置對赫章的影響?？偟膩碚f，相同的天氣背景下赫章溫度預報質(zhì)量比其余站點要差。

02時溫度預報準確率較高，隨機抽取2018年12月21—24日02時1～3 d時效溫度預報進行檢驗。分析發(fā)現(xiàn)21—23日兩股冷空氣先后南下影響畢節(jié)地區(qū)，赫章中小尺度地形復雜，模式不能準確計算地形影響系數(shù)，預報誤差比其他站點大2～3 ℃左右。21日貴州中部靜止鋒建立，赫章實況6.9 ℃，模式預報絕對誤差4.9 ℃，其余站點絕對誤差平均為1～2 ℃；22—23日靜止鋒活躍西進，赫章預報絕對誤差4 ℃，其余站點小于2 ℃；24日靜止鋒東退北抬，赫章預報絕對誤差3.6 ℃，其余站點基本在2 ℃以內(nèi)。模式總體考慮鋒面對赫章的影響與實況偏差大，赫章的溫度預報誤差大于其他站點。21—24日天氣過程中溫度預報的檢驗結(jié)果與上面關(guān)于赫章預報質(zhì)量差的分析一致。

2.2 畢節(jié)地區(qū)冬季不同天氣過程中EC 2 m溫度預報效果

2.2.1 不同天氣過程預報準確率分析 檢驗冬季不同天氣過程中1～5 d內(nèi)的預報準確率，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，對02時的溫度預報，1～4 d預報準確率在60%左右，而第5 d預報準確率偏小，不到35%；1～2 d、5 d平穩(wěn)天氣總體預報效果較好，3～4 d降溫過程預報效果更好，5 d內(nèi)升溫過程相對另外兩個天氣過程預報準確率略低；14時的溫度預報準確率總體隨時間呈波動性減小，1～2 d降溫天氣預報準確率更高，3～5 d平穩(wěn)天氣的預報準確率更大，升溫天氣的預報準確率最低。02時3個天氣過程預報準確率相差不大，14時平穩(wěn)天氣和降溫天氣預報準確率相差不大，且都比升溫天氣預報準確率大。比較3個天氣過程的預報準確率可以看出平穩(wěn)天氣和降溫天氣中EC 2 m溫度預報效果都比較好，且兩個天氣過程預報準確率相差不大；升溫天氣中溫度預報效果比平穩(wěn)天氣和升溫天氣都差。

2.2.2 冬季不同天氣過程預報誤差分析

2.2.2.1 不同天氣過程預報平均絕對誤差分析 表1分別給出了升溫、平穩(wěn)和降溫3類天氣過程中1～5 d預報時效內(nèi)02時溫度預報的平均絕對誤差。分析發(fā)現(xiàn)，升溫天氣的預報平均絕對誤差2.07 ℃(3 d)～4.61 ℃(5 d)；平穩(wěn)天氣過程中平均絕對誤差1.70 ℃(2 d)～3.95 ℃(5 d)；降溫天氣過程溫度預報平均絕對誤差1.74 ℃(3 d)～5.07 ℃(5 d)。1～4 d內(nèi)3類天氣過程的平均誤差波動不大，基本為2 ℃；第5 d預報平均誤差異常偏大，比1～4 d預報時效內(nèi)平均絕對誤差高2～3 ℃。平穩(wěn)天氣和降溫天氣過程預報平均誤差<2 ℃，升溫天氣預報平均誤差>2 ℃，前兩者的溫度預報效果相對更好。

圖3 不同天氣過程02時(a)、14時(b)1～5 d內(nèi)預報準確率Fig.3 Forecast accuracy of different weather processes within 1～5 days at 02∶00 (a) and 14∶00 (b)

表1 不同天氣過程中02時、14時的1～5 d預報時效內(nèi)平均絕對誤差(單位：℃)Tab.1 Average absolute error within 1～5 d of 02∶00 and 14∶00 in different weather processes (unit: ℃)

表1還給出了升溫、平穩(wěn)和降溫3類天氣過程中1～5 d預報時效內(nèi)14時溫度預報的平均絕對誤差。結(jié)果表明1～5 d預報時效內(nèi)3類天氣過程溫度預報平均絕對誤差變化不大。14時升溫天氣的溫度預報總體平均絕對誤差略小于3 ℃；平穩(wěn)天氣平均絕對誤差2.4 ℃左右；降溫天氣最小平均絕對誤差為2.25 ℃(1 d)，最大平均絕對誤差為2.90 ℃(4 d)，1～5 d內(nèi)平均絕對誤差隨預報時效增加而增大。

比較3類天氣過程溫度預報平均絕對誤差可以發(fā)現(xiàn)，對于02、14時的溫度預報，平穩(wěn)天氣過程中平均絕對誤差最小，降溫天氣預報平均誤差略大于平穩(wěn)天氣，升溫天氣過程平均絕對誤差最大。

2.2.2.2 不同天氣過程預報絕對誤差分析 從升溫天氣過程中1～5 d預報時效內(nèi)02時(4a)、14時(4b)預報絕對誤差在不同區(qū)間所占比例的數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果來看，升溫天氣過程中02時、14時的溫度預報絕對誤差呈負誤差更大的不對稱結(jié)構(gòu)，預報值大多偏低約0～4 ℃；分析溫度絕對誤差在不同區(qū)間的具體分布特征，02時溫度絕對誤差在-2≤ΔT<0區(qū)間比重最大，其次分別是-4≤ΔT<-2、0≤ΔT≤2、ΔT<-4、2<ΔT≤4，ΔT>4區(qū)間；14時溫度絕對誤差在-4≤ΔT<-2區(qū)間次數(shù)最多，其次分別是-2≤ΔT<0、ΔT<-4、0≤ΔT≤2、2<ΔT≤4、ΔT>4區(qū)間。在溫度考核的標準下，在升溫天氣過程中可以考慮對02時溫度預報訂正2～3 ℃，對14時溫度預報訂正4 ℃。降溫天氣過程中1～5 d預報時效內(nèi)02時(4c)、14時(4d)的預報誤差在不同區(qū)間所占比例的數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果表明，02時的預報值總體偏低0～4 ℃，14時的預報值偏高0～4 ℃。02時溫度誤差各區(qū)間所占次數(shù)從多到少分別-2≤ΔT<0、-4≤ΔT<-2、0≤ΔT≤2、ΔT<-4、2<ΔT≤4、ΔT>4；14時各溫度誤差區(qū)間所占比例從多到少分別為0≤ΔT≤2、-2≤ΔT<0、2<ΔT≤4、ΔT>4、-4≤ΔT<-2、ΔT<-4區(qū)間。綜合考慮分析結(jié)果可對降溫天氣過程02時溫度預報訂正4 ℃，14時溫度預報訂正-4 ℃。

3 結(jié)論

本文對2016—2018年冬季畢節(jié)地區(qū)EC 2 m溫度預報的檢驗和分析發(fā)現(xiàn)：

①對于畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度預報總體預報效果，不同時次的預報，02時的預報準確率比14時高約10%，不同預報時效內(nèi)，02、14時的預報準確率波動不大；不同站點的預報，赫章站的預報質(zhì)量異常偏低，其余站點預報質(zhì)量相對分布均勻。

②從準確率方面分析畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度不同天氣過程預報效果，平穩(wěn)天氣和降溫天氣EC 2 m溫度對02、14時的預報效果都比較好，兩個天氣過程預報準確率相差不大，升溫過程02、14時溫度預報效果遠不如平穩(wěn)天氣和升溫天氣。

圖4 升溫天氣02時(a)、14時(b)的1～5 d預報時效絕對誤差統(tǒng)計；降溫天氣02時(c)、14時(d)的1～5 d預報時效絕對誤差統(tǒng)計Fig.4 Absolute Error Statistics of Temperature Prediction in Warming Weather within 1～5 Days at 02∶00 (a) and 14∶00 (b);Absolute Error Statistics of Temperature Prediction in Cooling Weather within 1～5 Days at 02∶00 (c) and 14∶00 (d)

③從平均絕對誤差分析方面討論畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度不同天氣過程預報效果，平穩(wěn)天氣過程中02、14時的溫度預報平均絕對誤差最小，其次預報效果較好的是降溫天氣過程、升溫天氣過程。

④從絕對誤差分析方面討論畢節(jié)地區(qū)冬季EC 2 m溫度不同天氣過程預報效果，升溫天氣過程02、14時的溫度預報絕對誤差呈負誤差更大的不對稱結(jié)構(gòu)，預報值大多偏低0～4 ℃；降溫天氣過程02時溫度預報總體偏低0～4 ℃，14時偏高0～4 ℃。