2019—2020年非汛期Grapes_1 km 10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)估

葉希瑩，李立，張?zhí)m，楊慧燕

（廣州市氣象臺(tái)，廣東廣州 511430）

近年來(lái)，高分辨率模式在業(yè)務(wù)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，對(duì)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的檢驗(yàn)不僅為模式用戶提供參考，也為研發(fā)人員進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化提供依據(jù)［1-3］。模式預(yù)報(bào)誤差主要來(lái)源于初值不確定性和模式本身的不確定性兩方面［4］，由于地形的復(fù)雜性，數(shù)值模式的近地面風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)效果與實(shí)況差距較大［5］。在模式風(fēng)速產(chǎn)品檢驗(yàn)方面，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。王明歡等［6］利用風(fēng)廓線雷達(dá)組網(wǎng)資料，對(duì)華中區(qū)域中尺度業(yè)務(wù)模式WHMM水平風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力進(jìn)行了檢驗(yàn)評(píng)估，發(fā)現(xiàn)WHMM對(duì)風(fēng)場(chǎng)具有較好的預(yù)報(bào)能力，隨預(yù)報(bào)時(shí)效延長(zhǎng)，風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)誤差增大；何曉風(fēng)等［7］利用400座風(fēng)塔資料對(duì)ECMWF、GFS、T639三種全球預(yù)報(bào)場(chǎng)降尺度后在近地層的風(fēng)速預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了分風(fēng)速段檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在3～15 m/s的風(fēng)速區(qū)間，3種模式預(yù)報(bào)誤差十分接近，但總體來(lái)看ECMWF略好于GFS，GFS略好于T639；林芳妮等［8］以東莞浮標(biāo)站為代表，對(duì)ECMWF、GRAPES_3 km模式的預(yù)報(bào)進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)誤差隨風(fēng)力增大趨于顯著。本研究對(duì)Grapes_1 km高分辨率模式10 m風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)，以期為模式用戶提供參考，提升預(yù)報(bào)能力。

1 Grapes_1 km簡(jiǎn)介與檢驗(yàn)方法

Grapes_1 km模式是中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所和廣州市氣象臺(tái)于2016年開(kāi)始研發(fā)，2017年正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的高時(shí)空分辨率模式，目前每12 min輸出一次未來(lái)6 h預(yù)報(bào)，時(shí)間分辨率為12 min。本研究對(duì)2019年10月—2020年3月Grapes_1 km輸出的10 m風(fēng)進(jìn)行檢驗(yàn)，選取廣東省內(nèi)距海岸線較近的53個(gè)國(guó)家站（圖1），對(duì)53個(gè)站點(diǎn)連續(xù)6個(gè)月Grapes_1 km逐小時(shí)極大風(fēng)時(shí)間序列進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算各站點(diǎn)實(shí)況與預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)、命中率、分級(jí)誤差等統(tǒng)計(jì)值，初步得出一些檢驗(yàn)結(jié)果。

圖1 廣東省內(nèi)距海岸線較近的53個(gè)檢驗(yàn)站點(diǎn)位置

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 相關(guān)性

圖2 是2020年2月15—20日4個(gè)站點(diǎn)的風(fēng)速實(shí)況與Grapes_1 km預(yù)報(bào)對(duì)比圖，其中2月15日受冷空氣影響，各站點(diǎn)出現(xiàn)了大風(fēng)天氣。從圖2可以看出，汕尾站（59501）2月17日之前的趨勢(shì)預(yù)報(bào)較好，17日開(kāi)始實(shí)況風(fēng)速減小以后預(yù)報(bào)明顯偏大，且趨勢(shì)相反，效果不好，其余3個(gè)站（珠海、湛江、上川島）實(shí)況與預(yù)報(bào)的同步性較好，Grapes_1 km對(duì)2月15日的冷空氣大風(fēng)都有體現(xiàn)，但發(fā)現(xiàn)Grapes_1 km的預(yù)報(bào)大風(fēng)的峰值略有提前，且極大值與實(shí)際風(fēng)速的峰值在量級(jí)上差距明顯。

圖2 2020年2月15—20日4個(gè)站點(diǎn)風(fēng)速實(shí)況與預(yù)報(bào)對(duì)比

圖3 是利用各站點(diǎn)6個(gè)月實(shí)況與預(yù)報(bào)時(shí)間序列計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)分布。

圖3 2019年10月—2020年3月各站點(diǎn)實(shí)況與預(yù)報(bào)相關(guān)系數(shù)分布

由圖3可以看出，相關(guān)性比較好的地區(qū)有3個(gè)，分別是湛江沿海地區(qū)、江門(mén)沿海、汕頭沿海，相關(guān)系數(shù)在0.7以上；同時(shí)也存在3個(gè)相關(guān)性較差的地區(qū)，分別是茂名沿海、云浮地區(qū)、汕尾沿海，相關(guān)系數(shù)在0.4以下。

2.2 分級(jí)命中率

根據(jù)胡海川等［9］對(duì)風(fēng)速檢驗(yàn)的分級(jí)方法，將實(shí)況風(fēng)速分成7個(gè)等級(jí)：0～3、3～6、6～9、9～12、12～15、15～18、＞18 m/s。將|實(shí)況-預(yù)報(bào)|/實(shí)況＜0.3記為命中，統(tǒng)計(jì)命中次數(shù)占總有效次數(shù)的比重，得到2019年9月至2020年3月53個(gè)站點(diǎn)不同等級(jí)的命中率。由于超過(guò)12 m/s的風(fēng)速模式幾乎沒(méi)有命中，所以圖4只比較了12 m/s以下的分級(jí)命中率，可以看出，隨著風(fēng)速的加大，命中率為明顯下降的趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)速＜6 m/s時(shí)，珠三角地區(qū)的增城、新會(huì)、順德等站表現(xiàn)較好，命中率在0.6以上；當(dāng)風(fēng)速＞6 m/s時(shí)，整體來(lái)看，沿海站點(diǎn)的命中率略好于內(nèi)陸站點(diǎn)，陽(yáng)江站、徐聞?wù)镜拿新氏鄬?duì)較高，這主要與Grapes_1 km對(duì)于風(fēng)速極大值預(yù)報(bào)偏小有關(guān)。

圖4 各風(fēng)速等級(jí)6個(gè)月的命中率分布

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各站點(diǎn)風(fēng)速命中率在某些月份明顯偏低，某些月份相對(duì)較高。實(shí)際預(yù)報(bào)中通常比較關(guān)注是否出現(xiàn)大風(fēng)，因此選取沿海的5個(gè)站（汕尾、上川島、南澳、陽(yáng)江、徐聞），計(jì)算9～12 m/s風(fēng)的逐月命中率，如圖5所示。

圖5 5個(gè)站點(diǎn)（59324、59663、59754、59673、59501）9～12 m/s風(fēng)命中率的逐月變化

整體來(lái)看，10和3月各站點(diǎn)的命中率都明顯偏低，11、1、2月命中率較高?？赡艿脑蚴?0和3月為季節(jié)過(guò)渡期間，天氣節(jié)奏變化快，說(shuō)明模式對(duì)轉(zhuǎn)折天氣過(guò)程的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)能力較低。

2.3 分級(jí)平均偏差

分級(jí)計(jì)算各站點(diǎn)6個(gè)月的平均偏差（表略），發(fā)現(xiàn)3 m/s以下的風(fēng)都是預(yù)報(bào)偏大，3～6 m/s的風(fēng)大多數(shù)預(yù)報(bào)偏小；6 m/s以上的風(fēng)隨著風(fēng)速的加大，全部站點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)為預(yù)報(bào)偏小，且偏小的量級(jí)越來(lái)越大，有些站點(diǎn)對(duì)大風(fēng)預(yù)報(bào)的平均偏差甚至超過(guò)10 m/s。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)報(bào)大部分站點(diǎn)的6 m/s以上的風(fēng)速都可以根據(jù)Grapes_1 km的預(yù)報(bào)向偏大的方向訂正。值得注意的是，有2個(gè)站比較特殊，汕尾站（59501）和南澳站（59324），12 m/s以下的風(fēng)易出現(xiàn)預(yù)報(bào)值偏大的情況，因此預(yù)報(bào)時(shí)要向偏小訂正。

3 結(jié)論

1）Grapes_1 km的預(yù)報(bào)大風(fēng)的峰值略有提前，且極大值與實(shí)際風(fēng)速的峰值在量級(jí)上差距明顯。

2）實(shí)況與預(yù)報(bào)相關(guān)性比較好的地區(qū)有3個(gè)，分別是湛江沿海地區(qū)、江門(mén)沿海、汕頭沿海；也有3個(gè)相關(guān)性較差的地區(qū)，分別是茂名沿海、云浮地區(qū)、汕尾沿海。

3）隨著風(fēng)速的加大，預(yù)報(bào)命中率呈明顯下降的趨勢(shì)，這主要與Grapes_1 km對(duì)于風(fēng)速極大值預(yù)報(bào)偏小有關(guān)。

4）實(shí)況3 m/s以下的風(fēng)都是預(yù)報(bào)偏大，3～6 m/s的風(fēng)大多數(shù)預(yù)報(bào)偏?。? m/s以上的風(fēng)隨著風(fēng)速的加大，全部站點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)為預(yù)報(bào)偏小，且偏小的量級(jí)越來(lái)越大，但有2個(gè)站比較特殊，汕尾站（59501）和南澳站（59324）12 m/s以下的風(fēng)易出現(xiàn)預(yù)報(bào)值偏大的情況。