ECMWF 細(xì)網(wǎng)格2 m 溫度預(yù)報產(chǎn)品在南疆西部溫度預(yù)報中的釋用

瑪依熱·艾海提，希熱娜依·鐵里瓦爾地，楊利鴻

（喀什地區(qū)氣象局，新疆 喀什 844000）

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對天氣預(yù)報的關(guān)注度也明顯提升。 公眾對氣溫預(yù)報的精準(zhǔn)度有了更高的要求。 精細(xì)化天氣預(yù)報成為全球預(yù)報業(yè)務(wù)發(fā)展的總趨勢， 中國氣象事業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略把精細(xì)化天氣預(yù)報業(yè)務(wù)列為改革的重點發(fā)展方向之一[1]。 數(shù)值預(yù)報技術(shù)的快速發(fā)展、預(yù)報精度的不斷提高，給精細(xì)化天氣預(yù)報提供了重要的科技支撐。南疆西部位于塔克拉瑪干沙漠西緣，三面環(huán)山，東部為一望無垠的塔克拉瑪干沙漠， 平原地區(qū)屬暖溫帶大陸性干旱氣候，而山區(qū)屬于高原山區(qū)氣候。由于南疆西部特殊地形，山區(qū)及非山區(qū)氣溫分布差異較大，溫度變率較大，導(dǎo)致模式預(yù)報誤差不均衡，為了更好地釋用數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品，必須對其預(yù)報效果進(jìn)行檢驗，為精準(zhǔn)預(yù)報提供訂正的依據(jù)[2-3]。 因此許多氣象科技工作者在數(shù)值預(yù)報的檢驗方面做了大量的工作[4—11]。曲巧娜等[12]對包括T639、EC-thin 在內(nèi)的多模式對山東省降水預(yù)報進(jìn)行檢驗， 得出EC-thin 預(yù)報效果較其他模式較好、漏報率較小。 賈麗紅等[13]對T639模式產(chǎn)品對新疆影響系統(tǒng)預(yù)報性能研究發(fā)現(xiàn)，48 h以內(nèi)的預(yù)報能力非常好。 關(guān)于ECMWF 細(xì)網(wǎng)格溫度預(yù)報檢驗，陳海鳳等[14]對貴陽地區(qū)的預(yù)報檢驗發(fā)現(xiàn)，升溫時的預(yù)報準(zhǔn)確率高于降溫時的預(yù)報準(zhǔn)確率；劉春風(fēng)等[15]對新疆周邊地區(qū)預(yù)報效果檢驗發(fā)現(xiàn)，預(yù)報誤差在南疆盆地最小、蒙古國西部最大；祁麗燕等[16]研究得出，不同季節(jié)、不同天氣形勢下的高、低溫預(yù)報性能差異明顯， 地理區(qū)域不同預(yù)報性能差別也較大；張超等[17]檢驗發(fā)現(xiàn)對烏魯木齊市溫度預(yù)報準(zhǔn)確率要高于國家氣象中心下發(fā)的指導(dǎo)預(yù)報， 隨著預(yù)報時效延長，優(yōu)勢更明顯；萬明等[18]指出對江西省區(qū)域自動站的預(yù)報準(zhǔn)確率受地形影響較大， 山區(qū)及丘陵站預(yù)報準(zhǔn)確率比平原地區(qū)明顯偏低。 這些研究工作對于數(shù)值預(yù)報使用技術(shù)提供了較好的思路和方法，值得學(xué)習(xí)與借鑒， 但是在南疆西部并沒有對該產(chǎn)品進(jìn)行過系統(tǒng)的檢驗。由于最高、最低氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率在春秋季對初霜期與終霜期、 開春期與入冬期等預(yù)報非常重要， 此種情形下找出數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品與實況之間的偏差，從而提高南疆西部最高、最低氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率是非常必要的。

本文對2016 年1 月—2018 年12 月ECMWF細(xì)網(wǎng)格模式2 m 溫度在南疆西部預(yù)報效果進(jìn)行了檢驗評估， 以期得出ECMWF 模式溫度預(yù)報產(chǎn)品在南疆西部的預(yù)報中存在的問題， 為以后的溫度精準(zhǔn)預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料與檢驗方法

數(shù)據(jù)考慮到實況資料的連續(xù)性和可靠性， 本文選取喀什地區(qū)、 克州12 個國家站與15 個區(qū)域自動站共27 個站2016 年1 月—2018 年12 月逐日最高、 最低氣溫實況資料。 以海拔高度2 000 m 為分界，將塔什庫爾干縣及烏恰縣境內(nèi)的4 個站（塔什庫爾干、紅其拉甫、烏恰、吐爾尕特）作為山區(qū)站來分析，其他23 個站作為非山區(qū)站來分析（圖1）。

圖1 喀什地區(qū)、克州地形及27 個氣象站點分布

ECMWF 細(xì)網(wǎng)格模式2 m 溫度預(yù)報資料使用2016 年1 月—2018 年12 月共3 a 的預(yù)報產(chǎn)品，空間分辨率為0.125°×0.125°，時間分辨率為3 h，預(yù)報格點資料用三次多項式差值方法內(nèi)插到站點。 針對每日20 時起報未來24～48 h 的溫度預(yù)報資料進(jìn)行檢驗，從預(yù)報時效內(nèi)的8 個時次數(shù)據(jù)中選取最高、最低與第二天的實況最高、最低值做對比。檢驗樣本數(shù)共8 007 個。

對南疆西部27 個站ECMWF 細(xì)網(wǎng)格模式2 m溫度預(yù)報值，按月、季、天氣類型分別進(jìn)行平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差及預(yù)報準(zhǔn)確率等檢驗，在統(tǒng)計檢驗中平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差的誤差值太大， 其離散度就高， 只有3 種誤差均較小時，模式預(yù)報才有意義。 平均誤差TE、平均絕對誤差TMAE、 均方根誤差TRMSE和預(yù)報準(zhǔn)確率TTK計算公式如下：

2 預(yù)報檢驗結(jié)果與分析

2.1 高、低溫預(yù)報區(qū)域性檢驗

2.1.1 年預(yù)報準(zhǔn)確率

根據(jù)中國氣象局對各省、地（市）氣象臺的考核標(biāo)準(zhǔn)， 用誤差絕對值在2 ℃以內(nèi)作為溫度預(yù)報準(zhǔn)確率的閾值。

分析各站的預(yù)報準(zhǔn)確率的情況（圖2） 可以看出，非山區(qū)站的最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率≤60%，最高氣溫預(yù)報能力略高于最低氣溫，1/3 以上參考站最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率≥50%。 英吉沙、麥蓋提、澤普、莎車、疏附、伽師、巴楚、牙甫泉鎮(zhèn)、阿克薩克馬熱勒鄉(xiāng)、巴依阿瓦提鄉(xiāng)等站最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率≥50%，英吉沙縣最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，為59.5%。英吉沙、澤普、喀什市、克孜勒鄉(xiāng)、棋盤鄉(xiāng)等站最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率≥50%，英吉沙縣準(zhǔn)確率最高為57.7%。 山區(qū)站的預(yù)報準(zhǔn)確率非常低， 最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率在1.4%～18.8%， 烏恰縣最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率為18.8%；最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率在1%～22.8%，塔什庫爾干縣最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率為22.8%。 針對山區(qū)站預(yù)報準(zhǔn)確率很低的原因進(jìn)行分析， 由于南疆西部山區(qū)的海拔高度均高于2 000 m，吐爾尕特站海拔高度最高達(dá)3 504.4 m，通過差值方法將模式格點預(yù)報值差值到站點上，對高山站的誤差值會較大，同時山區(qū)受到太陽輻射后溫度變化跟平原差異較大， 造成數(shù)值模式預(yù)報對山區(qū)站的預(yù)報準(zhǔn)確率較低。 可見，ECMWF 細(xì)網(wǎng)格模式2 m 溫度預(yù)報對南疆西部山區(qū)的最高、最低氣溫預(yù)報缺乏參考意義，而對非山區(qū)站的最高、最低氣溫的預(yù)報有一定的參考意義。

圖2 2016—2018 年ECMWF 細(xì)網(wǎng)格2 m 溫度對南疆西部預(yù)報誤差的絕對值≤2 ℃準(zhǔn)確率區(qū)域分布

2.1.2 年預(yù)報誤差

ECMWF 細(xì)網(wǎng)格模式2 m 溫度預(yù)報產(chǎn)品在南疆西部的預(yù)報誤差見圖3。 檢驗?zāi)Ｊ筋A(yù)報對不同站點的平均誤差、平均絕對誤差和均方根誤差，其中平均誤差能夠量化預(yù)報和實況之間的平均偏差， 也是模式預(yù)報的系統(tǒng)誤差。 平均絕對誤差能夠量化預(yù)報與實況的總體偏差程度。 均方根誤差代表模式預(yù)報相對實況的絕對偏差程度， 平均絕對誤差與均方根誤差結(jié)合一起分析可以判斷模式的預(yù)報效果。

從圖3 a 可看出，除烏恰、吐爾尕特（偏北山區(qū)站）最高氣溫平均誤差為正誤差外，其他站點均為負(fù)誤差， 其中塔什庫爾干及紅其拉普誤差超過-5 ℃，即模式對北部山區(qū)預(yù)報明顯偏高、 對南部山區(qū)預(yù)報明顯偏低，平均絕對誤差均＞3 ℃、山區(qū)站的平均絕對誤差均＞5 ℃，均方根誤差則均＞4 ℃、山區(qū)站誤差則均＞6 ℃，英吉沙平均絕對誤差、均方根誤差最小，偏離實況的程度最小，山區(qū)站偏離實況較嚴(yán)重。從圖3b 可知，紅其拉甫、伽師大峽谷等最低氣溫平均誤差為負(fù)誤差最大，卡爾蘇、烏恰、吐爾尕特站平均誤差為正誤差最大，吐爾尕特最大正誤差達(dá)9.6 ℃，說明上述站點預(yù)報較實況明顯偏高， 全區(qū)平均絕對誤差、均方根誤差分別＞2、3 ℃，山區(qū)站誤差均＞5 ℃，說明山區(qū)站預(yù)報較實況偏高幅度大，吐爾尕特站誤差在10 ℃左右，誤差最大。 非山區(qū)站中巴楚、伽師等平均誤差均在2 ℃左右，平均絕對誤差及均方根誤差分別在3、4 ℃左右， 即預(yù)報偏高誤差且偏離實況程度較大，英吉沙平均誤差最小為0.1 ℃，平均絕對誤差、 均方根誤差最小分別為2.4、3.2 ℃。由此得出， 全年模式最低氣溫預(yù)報對北部山區(qū)預(yù)報明顯偏高、對南部山區(qū)預(yù)報明顯偏低，平原地區(qū)最低氣溫預(yù)報普遍偏低， 模式最高氣溫山區(qū)站預(yù)報明顯偏高，大部平原站最高氣溫預(yù)報略偏高，其中模式對英吉沙的最高、最低氣溫預(yù)報能力較好，偏離實況程度較小。

圖3 2016—2018 年ECMWF 細(xì)網(wǎng)格2 m 溫度在南疆西部27 個自動站的平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差

2.2 高、低溫預(yù)報季度檢驗

2.2.1 各季溫度預(yù)報準(zhǔn)確率

為了便于統(tǒng)計分析， 采用3—5 月為春季，6—8月為夏季，9—11 月為秋季，12 月—次年2 月為冬季。 重點分析ECMWF 細(xì)網(wǎng)格模式2 m 溫度未來24 h 預(yù)報產(chǎn)品各季預(yù)報準(zhǔn)確率，發(fā)現(xiàn)有明顯的季節(jié)變化，夏季預(yù)報準(zhǔn)確率高出冬季10%。 最高、最低氣溫準(zhǔn)確率均在夏季最高，分別達(dá)68.6%、58.6%，秋季最低，分別為57.6%、44.2%。最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率全年均高出同季節(jié)最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率7%～13%。

2.2.2 各季誤差檢驗

四季最高氣溫平均誤差在-0.3～-1.5 ℃，模式預(yù)報普遍比實況值偏低，而最低氣溫平均誤差在0.3～1.7 ℃，模式預(yù)報比實況值偏高。最高氣溫在春、夏季偏離實況程度較小，平均絕對誤差在2 ℃以內(nèi)，秋、冬季偏離程度相當(dāng)。 最低氣溫平均絕對誤差在春季最低，為2.3 ℃，最低氣溫預(yù)報在四季偏離實況程度高于同季節(jié)最高氣溫預(yù)報。

2.3 高、低溫預(yù)報逐月檢驗

通過對南疆西部預(yù)報準(zhǔn)確率的檢驗， 發(fā)現(xiàn)ECMWF 細(xì)網(wǎng)格對南疆西部的山區(qū)站預(yù)報準(zhǔn)確率極低，因此高、低溫預(yù)報逐月誤差檢驗將非山區(qū)站及山區(qū)站分開進(jìn)行檢驗并解釋應(yīng)用。

2.3.1 預(yù)報準(zhǔn)確率檢驗

從圖4 中可以看出， 非山區(qū)站最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率在6 月最高，達(dá)78%，而在11 月準(zhǔn)確率最低為44.4%。1—10 月預(yù)報準(zhǔn)確率＞60%，11—12 月準(zhǔn)確率在45%左右； 最低氣溫預(yù)報7—8 月準(zhǔn)確率高于60%，8 月最高，為69.6%，1、6、10、11 月預(yù)報準(zhǔn)確率均低于50%，11 月最低，為37.6%。 最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率明顯好于最低氣溫。

圖4 2016—2018 年ECMWF 細(xì)網(wǎng)格2 m 溫度對南疆西部非山區(qū)最高、最低氣溫逐月預(yù)報準(zhǔn)確率

全年平均氣溫檢驗除了11 月平均氣溫準(zhǔn)確率最低為41%以外，其他月份準(zhǔn)確率均＞50%，4—8 月準(zhǔn)確率均在60%以上，8 月準(zhǔn)確率高于其他月，達(dá)到64.7%。最高氣溫2 月、4—7 月的預(yù)報準(zhǔn)確率在70%左右，最低氣溫7—8 月預(yù)報準(zhǔn)確率在60%左右，預(yù)報工作中可依此進(jìn)行取舍。

2.3.2 誤差檢驗

圖5 為模式未來24 h 的最高、最低氣溫的預(yù)報誤差。分別檢驗?zāi)Ｊ筋A(yù)報對非山區(qū)站、山區(qū)站的平均誤差、平均絕對誤差和均方根誤差。非山區(qū)站最高氣溫平均誤差1—8 月在0 ℃左右（圖5a），5、6 月為正誤差， 其他月份為負(fù)誤差， 即預(yù)報偏低誤差，9—12月平均誤差在1～2 ℃，其中11 月誤差最大，為-1.9 ℃。非山區(qū)站平均絕對誤差1—10 月均在2 ℃以內(nèi)，其中6 月誤差最小，為1.4 ℃，均方根誤差為4 ℃、6 月誤差最小，為1.8 ℃，說明6 月預(yù)報偏離實況的程度最小，11—12 月偏離程度最大，平均絕對誤差、均方根誤差分別為2.6、3.5 ℃。

非山區(qū)站最低氣溫平均誤差呈現(xiàn)三谷型（圖5b），2、8、12 月為3 個低值，偏離值分別為-0.4、1.1、0.7 ℃，除2—3 月是負(fù)誤差外，其他月均為正誤差，其中6、11 月平均誤差最大，均為2.2 ℃。 平均絕對誤差除了8 月為1.6 ℃外，其他月份在2～3 ℃，11 月平均絕對誤差最大，為2.9 ℃，均方根誤差全年在2～4 ℃，8 月誤差最小為2.2 ℃，3、11 月誤差最大分別為3.9、3.4 ℃， 即8 月預(yù)報較實況偏離程度最小、11月偏離程度最大。

山區(qū)最高氣溫平均誤差除了2 月為0.1 ℃正誤差以外，其他月均為負(fù)誤差，誤差范圍在-0.3～-2.4 ℃（圖5c）。 平均絕對誤差≥5 ℃， 均方根誤差≥5.5 ℃， 說明模式對山區(qū)最高氣溫預(yù)報明顯偏低。山區(qū)最低氣溫平均誤差均為正誤差，誤差范圍在1.1～5.5 ℃（圖5d），其中12 月誤差超過5 ℃，平均絕對誤差全年≥5 ℃，均方根誤差則全年≥6 ℃，偏離實況程度很大， 最低氣溫預(yù)報比實況明顯偏高。ECMWF 細(xì)網(wǎng)格模式2 m 溫度產(chǎn)品對南疆西部非山區(qū)站的預(yù)報有一定的指導(dǎo)意義， 山區(qū)站最高氣溫預(yù)報比實況明顯偏低，最低氣溫預(yù)報較實況明顯偏高。

圖5 2016—2018 年ECMWF 細(xì)網(wǎng)格2 m 溫度逐月平均誤差、平均絕對誤差、均方根誤差分析

2.4 典型天氣過程溫度檢驗

在平常的預(yù)報工作中， 預(yù)報員對穩(wěn)定少變的天氣比較容易把握， 而轉(zhuǎn)折性天氣出現(xiàn)時的劇烈氣溫變化往往成為溫度預(yù)報的難點[19-20]。 結(jié)合南疆西部本地氣候特點和預(yù)報難點，選取2016 年1 月—2018年12 月降雨、降雪、大風(fēng)/沙塵、高溫等4 種天氣類型（表1），分析4 類天氣發(fā)生時期，模式的溫度預(yù)報效果。

表1 2016—2018 年選取的復(fù)雜天氣類型標(biāo)準(zhǔn)及預(yù)報準(zhǔn)確率

由表1 可知，降雪、高溫時模式對最高氣溫的預(yù)報準(zhǔn)確率分別為73.5%、75.2%， 明顯高于最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率。降雨時恰好相反，最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率為73.3%，比最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率高出14.2%。 在4類天氣中，大風(fēng)/沙塵預(yù)報準(zhǔn)確率最低，最高、最低溫度預(yù)報準(zhǔn)確率分別為61%、53%，ECMWF 模式2 m溫度產(chǎn)品受大風(fēng)/沙塵影響最大。 大風(fēng)/沙塵天氣下能見度往往較低，冷空氣侵入影響溫度變化的同時，沙塵密布的空氣影響太陽輻射加熱升溫或者地表長波輻射降溫，對氣溫變化影響較大。

通過繪制4 類不同天氣形勢下模式最高、 最低氣溫預(yù)報誤差（預(yù)報值與實況值之差） 箱線圖（圖6），對模式在復(fù)雜天氣下的預(yù)報性能進(jìn)行檢驗。降雨時（圖6a）葉城最高氣溫預(yù)報偏高2 ℃，其他站偏低1 ℃左右；最低氣溫預(yù)報喀什、英吉沙持平，其他站偏高1～2 ℃。 降雪時（圖6b）最高氣溫預(yù)報伽師、葉城、澤普持平，喀什偏低2 ℃；最低氣溫預(yù)報喀什、英吉沙預(yù)報誤差較大，為-3～-5 ℃，葉城偏低2 ℃，巴楚偏高1 ℃，其他站持平。大風(fēng)/沙塵天氣（圖6 c）葉城最高氣溫預(yù)報偏高1 ℃左右，伽師、莎車、澤普持平，其他站平均偏低1～2 ℃；最低氣溫預(yù)報喀什、英吉沙偏低1 ℃，巴楚偏高1 ℃，其他站基本持平。 高溫事件（圖6d） 中最高氣溫預(yù)報葉城偏高3 ℃，伽師、喀什偏高1 ℃，其他站基本持平；最低氣溫預(yù)報伽師、巴楚、岳普湖、葉城、麥蓋提偏高3～4 ℃，其他站偏高1～2 ℃。 ECMWF 模式對于降雨、大風(fēng)/沙塵天氣最高氣溫除了葉城預(yù)報偏高，其他站預(yù)報易偏低，降雪時最高氣溫預(yù)報偏低， 副高影響下的高溫事件預(yù)報偏高；降雨、高溫天氣最低氣溫預(yù)報易偏高，降雪時最低氣溫預(yù)報易偏低，大風(fēng)/沙塵天氣最低氣溫預(yù)報偏東地區(qū)偏高、偏北地區(qū)偏低。降雨、大風(fēng)/沙塵天氣時各站出現(xiàn)的異常值較多，預(yù)報效果不太穩(wěn)定。降雪、高溫時預(yù)報比較穩(wěn)定。因此在這些天氣類型下使用ECMWF 模式產(chǎn)品預(yù)報最高、 最低氣溫時需要做相應(yīng)訂正。

圖6 4 種天氣類型下模式最高、最低溫度預(yù)報誤差箱線圖

3 結(jié)論

對南疆西部2016—2018 年ECMWF 模式最高、最低氣溫預(yù)報效果進(jìn)行了檢驗并解釋應(yīng)用， 得出如下結(jié)論：

（1）ECMWF 細(xì)網(wǎng)格模式2 m 溫度預(yù)報對南疆西部非山區(qū)站的最高、 最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率均在60%以下，最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率高于最低氣溫。最高氣溫預(yù)報偏低，最低氣溫預(yù)報略偏高。模式對英吉沙的氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最好。 山區(qū)站的預(yù)報準(zhǔn)確率非常低，最高、最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率基本在20%以下。

（2）模式預(yù)報準(zhǔn)確率有明顯的季節(jié)變化，夏季預(yù)報準(zhǔn)確率高于冬季。夏季預(yù)報氣溫準(zhǔn)確率最高，秋季最低。四季最高氣溫預(yù)報普遍偏低，而最低氣溫預(yù)報偏高。 最高、最低氣溫均在春、夏季偏離實況程度較小，平均絕對誤差在2 ℃左右，最低氣溫預(yù)報在四季偏離實況程度高于同季節(jié)最高氣溫預(yù)報。

（3）模式最高氣溫1—10 月預(yù)報準(zhǔn)確率較高，在60%以上，6 月最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高， 達(dá)78%，11 月準(zhǔn)確率最低。11—12 月模式預(yù)報偏離實況程度較明顯。最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率8 月最高，11 月最低。

（4）不同天氣類型下ECMWF 模式2 m 氣溫預(yù)報對最高氣溫預(yù)報性能好于最低氣溫。降雪、高溫天氣最高氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率較高； 降雨天氣最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最高，高溫天氣最低氣溫預(yù)報準(zhǔn)確率最低。模式對于降雨、降雪、大風(fēng)/沙塵天氣最高氣溫預(yù)報偏低，高溫事件中最高氣溫預(yù)報偏高；降雨、高溫天氣最低氣溫預(yù)報偏高，降雪時最低氣溫預(yù)報偏低，大風(fēng)/沙塵天氣最低氣溫預(yù)報偏東地區(qū)偏高、偏北地區(qū)偏低。降雪、高溫天氣預(yù)報相對降雨、大風(fēng)/沙塵天氣預(yù)報效果更穩(wěn)定。 出現(xiàn)這些天氣時使用ECMWF 模式2 m 氣溫預(yù)報產(chǎn)品時需要做相應(yīng)訂正。